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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinheit zur Erfassung dynamischer Parameter und bzw. oder physikalischer Eigenschaften von strömenden Medien, vorzugsweise von strömenden Fluiden, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Sensoreinheit zur Verwendung bei einer derartigen Messeinheit gemäß des Patentanspruchs 15.
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Auf vielen verschiedenen Gebieten der Technik ist es erforderlich bzw. vorteilhaft, die dynamischen Parameter und bzw. oder die physikalischen Eigenschaften von Fluiden zu erfassen. Hierzu gehören industrielle, private sowie medizinische Anwendungen. Derartige Messungen können z.B. bei Feinstaubmessungen in Kaminen und in Industrieöfen sowie bei der Müllverbrennung und bei Abgasmessungen eingesetzt werden. Unter den dynamischen Parametern werden z.B. die Fließgeschwindigkeit, die Fließrichtung und die Durchflussmenge verstanden. Zu den physikalischen Eigenschaften eines Fluids gehören die Dichte und die Viskosität. Ein Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein.
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Zu diesem Zweck sind thermische Anemometer bekannt, welche auch als thermoelektrische Anemometer oder als Hitzdrahtanemometer bezeichnet werden können. Bei einem thermischen Anemometer wird ein Sensorelement elektrisch beheizt, dessen elektrischer Widerstand von der Temperatur abhängt. Das Sensorelement wird von einem Medium wie z.B. von einem Fluid umströmt, so dass ein Wärmetransport in das Strömungsmedium stattfindet. Der Wärmetransport von dem Sensorelement in das strömende Medium verändert sich dabei mit dessen Strömungsgeschwindigkeit. Durch Messung der elektrischen Größen wie z.B. des elektrischen bzw. ohmschen Widerstands kann so auf die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids geschlossen werden. Das Sensorelement wird üblicherweise auf eine konstante Temperatur geregelt, was einen nicht unerheblichen zusätzlichen elektronischen Aufwand erfordert.
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Mit anderen Worten wird umso mehr Wärme von dem beheizten Sensorelement durch das Medium abgeführt, desto schneller die Strömungsgeschwindigkeit ist. Da entsprechend viel Wärme durch das elektrische Beheizen des Sensorelements nachgeführt werden muss, um die Temperatur des Sensorelements konstant zu halten, kann aus dem Maß der zuzuführenden elektrischen Energie auf die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums geschlossen werden. Ist das thermische Anemometer als Ganzes kalibriert worden, so kann ein absoluter Messwert der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums erhalten werden.
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Gemäß dem Stand der Technik der
DE 691 09 236 T2 ist es in einer Weiterbildung bekannt, zwei derartige Sensorelemente zu verwenden und zwischen ihnen in einem festen und gleichen Abstand eine Heizquelle anzuordnen. Die beiden Sensorelemente liegen sich dabei in der Strömungsrichtung des Mediums gegenüber, so dass durch die Strömung des Mediums von dem stromaufwärtsgelegenen Sensorelement Wärme abgeführt und dem stromabwärtsgelegenen Sensorelement Wärme von der Heizquelle zugeführt werden kann. Der Temperaturunterschied kann dann hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit ausgewertet werden.
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Das Prinzip eines thermischen Anemometers wird z.B. in der
DE 31 47 530 A1 derart als bekannt beschrieben, dass eine erste Widerstandsschicht auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die höher als die Umgebungstemperatur und damit als das Medium ist. Diese Temperatur wird durch eine nichtaufgeheizte zweite Widerstandsschicht erfasst. Ferner ist eine dritte Widerstandsschicht vorhanden, welche gleichartig zu der ersten Widerstandsschicht ausgebildet ist und von demselben Heizstrom durchflossen wird. Auch ist die dritte Widerstandsschicht in demselben Medium angeordnet wie die erste Widerstandsschicht. Jedoch ist die dritte Widerstandsschicht in einem ruhenden Abschnitt des Mediums angeordnet, während die erste Widerstandsschicht von dem Medium angeströmt wird. Somit wird durch das vorbeiströmende Medium Wärme von der ersten Widerstandsschicht abgeführt, von der dritten Widerstandsschicht jedoch nicht, so dass über die Abkühlung der ersten Widerstandsschicht in Kombination mit dem Querschnitt des Strömungskanals auf die durchflossene Menge des Mediums geschlossen werden kann.
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Diese Anordnung wird durch die
DE 3147 530 A1 dahingehend verbessert, dass eine Trägerfolie des ersten Widerstandssensors auf einem strömungsgünstig profilierten Trägerkörper aufkaschiert wird. Ferner wird der erste Widerstandssensor auf der Innenseite der Trägerfolie und damit dem Medium abgewandt angeordnet. Dies kann dem ersten Widerstandselement eine gute mechanische Stabilität sowie einen zusätzlichen Schutz gegen chemische und mechanische Angriffe bieten.
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Die
WO 2013/030198 A1 beschreibt einen Strömungssensor zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Fluids mit einem Sensorchip, der mindestens ein thermisches Membransensorelement aufweist, das ausgebildet ist, um den Strömungsparameter des Fluids in einem Messbereich oder eine Fluidtemperatur des Fluids zu bestimmen. Das thermische Membransensorelement weist zwei zueinander beabstandete Thermoelementübergänge und ein zwischen den Thermoelementübergängen angeordnetes Heizelement auf. Der Sensorchip ist ausgebildet, um beim Betrieb des Strömungssensors als freistehender Sensorfinger von dem Fluid umströmt zu werden.
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Ein wesentlicher Nachteil der thermischen Anemometrie ist, dass die Sensorelemente nicht-linear sowie in Abhängigkeit des Mediums auf dessen Strömung ansprechen. Daher können die Ausgangssignale der zuvor beschriebenen thermischen Anemometer üblicherweise nicht alleine verwendet werden, um die Strömungsgeschwindigkeit zu erhalten, sondern die Ausgangssignale müssen durch andere Daten verstärkt werden. So müssen z.B. Kalibrierkurven in Abhängigkeit des Mediums verwendet werden, um die Strömungsgeschwindigkeit verlässlich bestimmen zu können.
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Nachteilig ist hierbei auch, dass ohne eine Kalibrierung kein absoluter Wert der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums zur Verfügung gestellt werden kann. Die Kalibrierung kann jedoch aufwendig sein, da diese üblicherweise in kleinen Sonden-Windkanälen durchgeführt werden muss, d.h. beim Hersteller des thermischen Anemometers und nicht beim Anwender. Dies kann Kosten verursachen. Ferner steht das thermische Anemometer in dieser Zeit inklusive Transport zum Hersteller und zurück zum Anwender nicht zur Verfügung. Dabei ist vorzugsweise die gesamte Messkette zu kalibrieren, da die Sensoreigenschaften und die elektronischen Regel- und Verstärkersysteme einen wesentlichen Einfluss auf das Messsignal haben. Dies kann sich auf die Kosten der Kalibrierung auswirken. Ferner steht die gesamte Messkette während der Zeit der Kalibrierung nicht beim Anwender zur Verfügung.
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Nachteilig ist ferner, dass das Sensorelement durch die Anordnung direkt im Strom des Mediums verschmutzen kann, so dass die Wärmeabfuhr in das strömende Medium reduziert werden kann. Dies kann die Messung verfälschen, so dass das Sensorelement ggfs. regelmäßig zu reinigen ist. Dies bedeutet zum einen Aufwand für den Ausbau, die Reinigung und den erneuten Einbau des Sensorelements in den Strömungskanal des Mediums. Ferner muss der Betrieb des Strömungskanals für diesen Zeitraum unterbrochen werden. Des Weiteren kann eine erneute Kalibrierung des gereinigten Sensorelements erforderlich sein.
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Nachteilig ist des Weiteren, dass sowohl die Temperaturen als auch die Strömungsgeschwindigkeiten, welche mit bekannten Geräten der thermischen Anemometrie erfasst werden können, begrenzt sind.
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Die
DE 103 61 564 A1 beschreibt einen Sensor, welcher zum Umwandeln eines physikalischen Parameters eines strömenden Mediums in ein elektrisches Signal dient. Der Sensor weist ein Fühlerrohr auf, dessen Außenfläche von dem Medium angeströmt wird. In einem Fühlerrohr ist ein temperaturempfindliches Element angeordnet. Das Fühlerrohr bildet mit zwei näherungsweise scheibenförmigen Anströmkappen, die im Abstand zueinander auf dem Fühlerrohr angeordnet sind, einen hantelförmigen Sensorkopf. Die Anströmkappen sind lösbar mit dem Fühlerrohr verbunden. Sie können im Vergleich zu dem Fühlerrohr aus einem weicheren Werkstoff bestehen.
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Die
US 4,016,758 A beschreibt einen thermischen Durchflußmesser mit einer länglichen, relativ kleinen röhrenförmigen Sonde, die durch die Wand eines ein Fluid enthaltenden Behälters eingeführt werden kann. Der thermische Durchflußmesser enthält eine elektrische Widerstandsheizung zum Aufheizen der Sonde auf eine vorbestimmte Temperatur. Die elektromotorische Kraft eines in der Sonde enthaltenen Thermoelements zeigt eine Spannung an, die in umgekehrtem Verhältnis zur Geschwindigkeit der Wärmeabgabe von der Sonde an die umgebende Flüssigkeit steht. Wenn die Temperatur der Flüssigkeit bekannt ist oder kompensiert wird, zeigt die Wärmeabgabe der Sonde die Durchflussmenge der Flüssigkeit an.
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Die
DE 38 145 76 A1 beschreibt einen Sensor zum Umwandeln eines physikalischen Parameters eines strömenden Mediums in ein elektrisches Signal, mit einem zylinderförmigen Träger, dessen Außenfläche vom Medium angeströmt wird und der ein temperaturempfindliches Element trägt, das mit einer elektronischen Auswerteeinheit in Verbindung steht. Beidseits benachbart des zylinderförmigen Trägers ist in Längsrichtung je eine zylindersymmetrische Anströmkappe mit sich in vom Träger abgewandter Richtung verjüngendem Querschnitt angeordnet, wodurch ein hantelförmiger Sensorkopf geschaffen ist.
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Die
US 3,595,079 A beschreibt eine Vorrichtung zum Messen der augenblicklichen Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, die in Kombination eine Sonde mit einem länglichen rohrförmigen Körper und einem Endabschnitt aufweist, der in eine Fluidströmungsleitung eingeführt werden kann, wobei der Endabschnitt eine erste Öffnung aufweist, der rohrförmige Körper einen sich in Längsrichtung erstreckenden Durchgang definiert, der die erste Öffnung schneidet, und der Sondenkörper ferner eine zweite Öffnung in seiner Umfangsfläche aufweist, die axial von der ersten Öffnung beabstandet ist und den Durchgang schneidet, eine Sensoreinrichtung, die von der Sonde getragene Fluidströmungsgeschwindigkeits-, Temperatur- und Richtungssensor-Thermistoren zum Einführen in die Fluidströmungsleitung enthält, um die Geschwindigkeit, die Temperatur und die Richtung der zu messenden Fluidströmung zu erfassen, und eine Schaltungseinrichtung, die mit der Sensoreinrichtung verbunden ist und ein kontinuierlich temperaturkompensiertes Geschwindigkeitsausgangssignal erzeugen kann, das proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Fluids ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messeinheit zur Erfassung dynamischer Parameter und bzw. oder physikalischer Eigenschaften von strömenden Medien, vorzugsweise von strömenden Fluiden, der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, so dass die Möglichkeiten zur Erfassung dynamischer Parameter und bzw. oder physikalischer Eigenschaften von Medien und insbesondere von Fluiden verbessert werden können. Insbesondere soll die Messgenauigkeit verbessert werden. Dies soll insbesondere für hohe Temperaturen bis z.B. ca. 1.200°C und höher und bzw. oder für hohe Strömungsgeschwindigkeiten bis z.B. ca. 40 m/s und höher erreicht werden. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten Messeinheiten geschaffen werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messeinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Sensoreinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Somit betrifft die vorliegende Erfindung eine Messeinheit zur Erfassung dynamischer Parameter und bzw. oder physikalischer Eigenschaften von strömenden Medien, vorzugsweise von strömenden Fluiden. Die Messeinheit weist eine Sensoreinheit auf, welche ausgebildet ist, zumindest abschnittsweise temperaturfühlend mit dem strömenden Medium in Kontakt zu kommen, wobei die Sensoreinheit wenigstens einen ersten Temperatursensor aufweist, welcher ausgebildet und angeordnet ist, eine Temperatur des strömenden Mediums zu erfassen, und wobei die Sensoreinheit ein Heizelement aufweist, welches ausgebildet ist, die Sensoreinheit mittels elektrischer Energie abschnittsweise zu erwärmen, so dass die Wärme an das strömende Medium abgegeben werden kann.
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Derartige thermische Anemometer sind aus dem Stand der Technik wie eingangs beschrieben bekannt, wobei derartige Temperatursensoren üblicherweise alleine oder mit einem zweiten Temperatursensor eingesetzt werden, wobei das Heizelement zwischen den beiden Temperatursensoren angeordnet ist. In jedem Fall ist der Temperatursensor bzw. sind die beiden Temperatursensoren direkt im strömenden Medium angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist die erfindungsgemäße Messeinheit jedoch dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement gegenüber dem ersten Temperatursensor derart thermisch isoliert angeordnet ist, dass die Temperaturerfassung des ersten Temperatursensors von der Wärme des Heizelements unbeeinflusst bleiben kann. Die Sensoreinheit weist wenigstens einen zweiten Temperatursensor auf, welcher ausgebildet und angeordnet ist, eine Temperatur des Heizelements zu erfassen. Die Messeinheit ist ausgebildet, eine Temperatur des strömenden Mediums mittels des ersten Temperatursensors zu erfassen, eine Temperatur des Heizelements mittels des zweiten Temperatursensors zu erfassen, die Zuführung der elektrischen Energie des Heizelements derart zu regeln, dass die Temperatur des Heizelements um eine vorbestimmte Differenztemperatur höher als die Temperatur des strömenden Mediums liegt und aus der dem Heizelement zugeführten elektrischen Energie wenigstens einen dynamischen Parameter und bzw. oder wenigstens eine physikalische Eigenschaft des strömenden Mediums zu bestimmen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass das bekannte Prinzip der thermischen Anemometrie, über das Maß der zugeführten elektrischen Energie eines Temperatursensors zum Ausgleich der seitens des strömenden Mediums bewirkten Wärmeabfuhr auf z.B. die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums zu schließen, dadurch verbessert werden kann, indem der erste Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des strömenden Mediums verwendet und dabei möglichst vollständig gegenüber der Erwärmung des zweiten Temperatursensors thermisch isoliert wird. Hierdurch kann das Heizelement möglichst genau auf eine höhere Temperatur als die des strömenden Mediums geregelt und die hierfür erforderliche elektrische Energie zur Bestimmung z.B. der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums verwendet werden. Dies kann die Qualität des Messergebnisses gegenüber bekannten Messeinheiten und Messverfahren der thermischen Anemometrie verbessern.
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Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass durch die Höhe der Differenztemperatur des Heizelements oberhalb der erfassten Temperatur des strömenden Mediums die Genauigkeit der Erfassung dynamischer Parameter und bzw. oder physikalischer Eigenschaften von strömenden Medien beeinflusst werden kann. Dabei gilt, dass je größer die Differenztemperatur des Heizelements zur erfassten Temperatur des strömenden Mediums ist, desto genauer kann die Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums erfolgen.
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Vorteilhaft ist des Weiteren, dass aufgrund der vergleichsweise hohen Genauigkeit der erfindungsgemäßen Messeinheit z.B. Strömungsgeschwindigkeiten bis z.B. ca. 40 m/s und höher erfasst werden können, was mit den bekannten Messeinheiten der thermischen Anemometrie nicht bzw. nur ungenau möglich ist.
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Vorteilhaft ist auch, dass durch die Trennung der Funktionen des Heizens und des Messens auf das Heizelement und auf den zweiten Temperatursensor diese jeweils auf ihre Funktion hin optimiert werden können. Dies gilt insbesondere für die verwendbaren Materialien, welche nun derart gewählt werden können, dass die vorliegende Messeinheit bzw. dessen Sensoreinheit auch bei vergleichsweise hohen Temperaturen bis z.B. ca. 1.200°C und höher eingesetzt werden kann. Dies ist mit bekannten Messeinheiten der thermischen Anemometrie, bei denen die Sensorelemente selbst beheizt werden und somit beide Funktionen des Heizens und des Messens in sich vereinigen müssen, nicht in diesem Maße möglich.
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Vorteilhaft ist ferner, dass auch bei derart hohen Temperaturen bis z.B. 1.200°C und höher von dem Heizelement noch höhere Temperaturen erreicht und durch den zweiten Temperatursensor erfasst werden können. Daher kann die hohe Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums auch bei derart hohen Temperaturen erreicht werden, und dies bei vergleichsweise hohen Strömungsgeschwindigkeiten bis z.B. ca. 40 m/s und höher.
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Vorzugsweise erfolgt dabei die Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums in Abhängigkeit der Temperatur des strömenden Mediums. Mit anderen Worten werden die Zusammenhänge, welche zur Bestimmung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums aus der zugeführten elektrischen Energie angewendet werden, in Abhängigkeit der erfassten Temperatur des strömenden Mediums gewählt, so dass auf die Temperatur des strömenden Mediums eingegangen werden kann. Dies kann die Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums erhöhen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Messeinheit für verschiedene Temperaturen oder Temperaturbereiche der Temperatur des strömenden Mediums jeweils wenigstens einen hinterlegten Zusammenhang zwischen der dem Heizelement zugeführten elektrischen Energie und dem wenigstens einen dynamischen Parameter und bzw. oder der wenigstens einen physikalischen Eigenschaft des strömenden Mediums auf. Dies kann die Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums erhöhen. Die Zusammenhänge können z.B. durch Wertetabellen, durch mathematische Funktionen und dergleichen gegeben sein. Diese Zusammenhänge können vorzugsweise in Abhängigkeit des Medium vorgegeben werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Sensoreinheit wenigstens eine erste Messkomponente mit einem Mantel auf, wobei der erste Temperatursensor von innen durch den Mantel der ersten Messkomponente hindurchragt, so dass der erste Temperatursensor zumindest abschnittsweise temperaturfühlend mit dem strömenden Medium in Kontakt kommen kann, wobei der Mantel der ersten Messkomponente thermisch isolierend, vorzugsweise aus Keramik, ausgebildet ist. Hierdurch kann der erste Temperatursensor thermisch gegenüber dem Heizelement und dem zweiten Temperatursensor isoliert werden, um die Wärme des Heizelements von dem ersten Temperatursensor fernzuhalten, so dass der erste Temperatursensor die Temperatur des strömenden Mediums möglichst genau erfassen kann. Dies kann sich über die Differenztemperatur positiv auf die Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums auswirken. Ferner kann der erste Temperatursensor durch den Mantel der ersten Messkomponente vor dem strömenden Medium geschützt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Sensoreinheit wenigstens eine zweite Messkomponente mit einem Mantel auf, wobei das Heizelement und der zweite Temperatursensor innerhalb des Mantels der zweiten Messkomponente angeordnet und durch den Mantel der zweiten Messkomponente von dem strömenden Medium getrennt sind, wobei der Mantel der zweiten Messkomponente thermisch leitfähig, vorzugsweise aus Metall, besonders vorzugsweise aus Nickel oder Nickel-Chrom, ausgebildet ist. Der Mantel der zweiten Messkomponente kann somit das Heizelement und den zweiten Temperatursensor von dem strömenden Medium trennen und so z.B. vor Verschmutzungen und Beschädigungen schützen. Ferner kann die Wärme des Heizelements über den Mantel vergleichsweise großflächig an das strömende Medium abgeführt werden, so dass dem Heizelement zum Ausgleich der Wärmeabfuhr entsprechend viel elektrische Energie zugeführt werden muss, was ebenfalls die Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums erhöhen kann. Auch kann sich die Wärme des Heizelements innerhalb des Mantels der zweiten Messkomponente gleichmäßig verteilen, so dass seitens des zweiten Temperatursensors die Temperatur des Heizelements möglichst genau erfasst werden kann. Ferner kann dies die Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums erhöhen. Die Wärmeabfuhr kann über einen Mantel aus Metall und insbesondere aus Edelstahl, aus Nickel oder aus Nickel-Chrom besonders wirkungsvoll erfolgen. Auch sind Edelstahl, Nickel und Nickel-Chrom hochtemperaturbeständige Materialien, so dass die Sensoreinheit auch bei hohen Temperaturen bis z.B. ca. 1.200°C und höher eingesetzt werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind das Heizelement und der zweite Temperatursensor innerhalb des Mantels der zweiten Messkomponente gleichmäßig zum Mantel beabstandet angeordnet. Dies kann eine möglichst gleichmäßige Wärmeverteilung der Wärme des Heizelements innerhalb des Mantels der zweiten Messkomponente begünstigen, so dass die Temperatur des Heizelements möglichst genau von dem zweiten Temperatursensor erfasst werden kann. Dies kann die Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums erhöhen. Auch kann diese Anordnung eine möglichst gleichmäßige Wärmeabgabe der Wärme des Heizelements über den Mantel der zweiten Messkomponente an das strömende Medium begünstigen, so dass möglichst viel Wärme abgeführt werden kann. Das entsprechend hohe Maß an elektrischer Energie, welche daher dem Heizelement zugeführt werden muss, kann die Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums erhöhen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der erste Temperatursensor eine Mehrzahl von Temperatursensorelementen auf, wobei die Messeinheit ausgebildet ist, eine Temperatur des strömenden Mediums unter Berücksichtigung, vorzugsweise durch Mittelwertbildung, der erfassten Temperaturen der Temperatursensorelemente des ersten Temperatursensors zu erfassen. Die einzelnen Temperatursensorelemente sind damit möglichst gleichmäßig verteilt, um eine möglichst repräsentative Aussage über die Temperatur des strömenden Mediums zu erhalten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Sensoreinheit wenigstens einen dritten Temperatursensor auf, welcher gegenüber dem Heizelement dem ersten Temperatursensor abgewandt angeordnet ist, wobei der dritte Temperatursensor ausgebildet ist, zumindest abschnittsweise temperaturfühlend mit dem strömenden Medium in Kontakt zu kommen, wobei die Messeinheit ausgebildet ist, eine Temperatur des strömenden Mediums unter Berücksichtigung der erfassten Temperaturen des ersten Temperatursensors und des dritten Temperatursensors zu erfassen. Mit anderen Worten ist das Heizelement zwischen dem ersten Temperatursensor und dem dritten Temperatursensor angeordnet.
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Auf diese Weise kann durch den dritten Temperatursensor die Temperatur des strömenden Mediums ein weiteres Mal erfasst werden. Alleine dies kann die Genauigkeit der Erfassung der Temperatur des strömenden Mediums erhöhen. Ferner kann vorteilhafterweise die Temperatur des strömenden Mediums an zwei Stellen erfasst werden, welche aufgrund ihrer Anordnung beidseitig des Heizelements zueinander beabstandet sind, so dass zum einen zwei Temperaturen an zwei zueinander beabstandeten Stellen erfasst werden können, welche repräsentativer für die Temperatur des strömenden Mediums sein können als eine Temperaturerfassung lediglich an einer Stelle bzw. lediglich in einem Bereich des strömenden Mediums. Zum anderen liegt das Heizelement zwischen den Stellen, an denen die Temperaturen des strömenden Mediums durch den ersten Temperatursensor und den dritten Temperatursensor erfasst werden, so dass insbesondere bei gleichweiter Beabstandung der beiden Temperatursensoren quer zur Strömungsrichtung des Mediums eine möglichst genaue Bestimmung der Temperatur des strömenden Mediums im Bereich des Heizelements erfolgen kann. Dies kann sich auf die Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums positiv auswirken.
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Als Temperatursensor können alle bekannten Arten von Temperatursensoren verwendet werden, welche für die jeweilige Anwendung geeignet sind. Insbesondere können Temperatursensoren verwendet werden, welche für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind. Dies können neben den weiter unten im Detail beschriebenen Temperatursensoren auch Platin-Messwiderstände sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der dritte Temperatursensor der Strömungsrichtung des strömenden Mediums zugewandt angeordnet. Auf diese Weise kann die Temperatur des strömenden Mediums durch den dritten Temperatursensor erfasst werden, bevor die Wärme des Heizelements diese erhöhen kann. Dies kann die Genauigkeit der Erfassung der Temperatur des strömenden Mediums durch den dritten Temperatursensor und damit auch die Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums erhöhen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Sensoreinheit wenigstens einen vierten Temperatursensor auf, der ausgebildet ist, zumindest abschnittsweise temperaturfühlend mit dem strömenden Medium in Kontakt zu kommen, wobei der dritte Temperatursensor der Strömungsrichtung des strömenden Mediums zugewandt und der vierte Temperatursensor der Strömungsrichtung des strömenden Mediums abgewandt angeordnet ist, wobei die Messeinheit ausgebildet ist, eine Temperatur des strömenden Mediums mittels des dritten Temperatursensors zu erfassen, eine Temperatur des strömenden Mediums mittels des vierten Temperatursensors zu erfassen und aus der Temperaturdifferenz der mittels des dritten Temperatursensors erfassten Temperatur des strömenden Mediums und der mittels des vierten Temperatursensors erfassten Temperatur des strömenden Mediums die Strömungsrichtung des strömenden Mediums zu bestimmen. Auf diese Art und Weise kann die erfindungsgemäße Messeinheit auch dazu verwendet werden, die Strömungsrichtung des strömenden Mediums z.B. über das Vorzeichen der Temperaturdifferenz der durch die beiden Temperatursensoren erfassten Temperaturen des strömenden Mediums zu bestimmen.
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Dabei können die beiden Temperatursensoren einander genau gegenüberliegen, d.h. in einer Umfangsrichtung der Sensoreinheit ca. 180° zueinander versetzt angeordnet sein, was die Bestimmung der Strömungsrichtung des strömenden Mediums begünstigen kann. Jedoch können die beiden Temperatursensoren auch näher aneinander angeordnet sein, solange sich z.B. eine ausreichend deutliche Temperaturdifferenz der durch die beiden Temperatursensoren erfassten Temperaturen des strömenden Mediums erfassen und dessen Vorzeichen ablesen lässt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Sensoreinheit wenigstens einen vierten Temperatursensor auf, der ausgebildet ist, zumindest abschnittsweise temperaturfühlend mit dem strömenden Medium in Kontakt zu kommen, wobei die Messeinheit ausgebildet ist, eine Temperatur des strömenden Mediums unter Berücksichtigung der erfassten Temperaturen des ersten Temperatursensors, des dritten Temperatursensors und des vierten Temperatursensors zu erfassen. Hierdurch kann die Genauigkeit der Erfassung der Temperatur des strömenden Mediums und damit auch die Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums durch die Berücksichtigung einer weiteren erfassten Temperatur des strömenden Mediums weiter erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Sensoreinheit wenigstens eine (zweite) Messkomponente mit einem Mantel und mit einer Stirnfläche auf, wobei der dritte Temperatursensor, vorzugsweise und der vierte Temperatursensor, zumindest teilweise durch den Mantel und bzw. oder durch die Stirnfläche, vorzugsweise durch den Übergang zwischen Mantel und Stirnfläche, gebildet wird, wobei der Mantel und die Stirnfläche der (zweiten) Messkomponente aus Metall, vorzugsweise aus Nickel oder Nickel-Chrom, ausgebildet ist. Hierdurch kann der dritte Temperatursensor und vorzugsweise ferner der vierte Temperatursensor vor dem strömenden Medium geschützt werden, um z.B. eine Verschmutzung zu vermeiden und hierdurch die Genauigkeit der Erfassung der Temperatur des strömenden Mediums und damit auch die Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums zu erhöhen bzw. zu erhalten. Gleichzeitig kann der dritte Temperatursensor und vorzugsweise ferner der vierte Temperatursensor möglichst nah an dem strömenden Medium angeordnet werden, um durch den Mantel und bzw. oder durch die Stirnfläche der (zweiten) Messkomponente hindurch dessen Temperatur zu erfassen. Dabei den dritten Temperatursensor und vorzugsweise ferner den vierten Temperatursensor an dem Übergang zwischen Mantel und Stirnfläche der (zweiten) Messkomponente anzuordnen kann den Vorteil haben, die beiden Temperatursensoren möglichst weit zu dem Heizelement zu beabstanden, so dass dessen Wärme die Temperaturerfassung des strömenden Mediums durch den dritten Temperatursensor und vorzugsweise ferner den vierten Temperatursensor möglichst wenig beeinflussen kann. Auch sind Nickel und Nickel-Chrom hochtemperaturbeständige Materialien, so dass die Sensoreinheit auch bei hohen Temperaturen bis z.B. ca. 1.200°C und höher eingesetzt werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der dritte Temperatursensor, vorzugsweise und der vierte Temperatursensor, durch genau eine Messleitung und durch den Mantel und bzw. oder durch die Stirnfläche elektrisch leitfähig kontaktierbar, wobei die Messleitung vorzugsweise aus Nickel ausgebildet ist. Hierdurch kann die elektrische Kontaktierung zur Speisung und bzw. oder zur Auslesung des dritten Temperatursensors und vorzugsweise des vierten Temperatursensors zum einen über eine Messleitung und zum anderen über den Mantel und bzw. oder über die Stirnfläche der (zweiten) Messkomponente erfolgen, so dass der Aufwand einer zweiten Messleitung eingespart werden kann. Auch kann die eine Messleitung sowie der Mantel und bzw. oder die Stirnfläche der (zweiten) Messkomponente aus Nickel ausgebildet werden, um auch vergleichsweise hohen Temperaturen widerstehen zu können, so dass auch auf diese Art und Weise eine Sensoreinheit insbesondere für hohe Temperaturen bis z.B. ca. 1.200°C und höher geschaffen werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Sensoreinheit wenigstens eine (dritte) Messkomponente mit einem Mantel auf, wobei die (dritte) Messkomponente ausgebildet ist, die Sensoreinheit mittels ihres Mantels mit einem Strömungskanal, vorzugsweise mit einer Seitenwand eines Strömungskanals, fluiddicht zu verbinden. Hierdurch kann ein Bestandteil der Sensoreinheit geschaffen werden, welcher für diesen Zweck gezielt ausgebildet wird. Die Fluiddichtigkeit kann beispielsweise über ein möglichst geringes Abstandsmaß zwischen dieser Messkomponente der Sensoreinheit und dem Strömungskanal bzw. dessen Seitenwand erreicht werden. Auch kann eine Dichtung vorgesehen sein, um diesen Abstand fluiddicht abzudichten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Sensoreinheit ausgebildet, zumindest abschnittsweise in das strömende Medium hineinzuragen und zumindest im Bereich des ersten Temperatursensors, des Heizelements und des zweiten Temperatursensors, vorzugsweise ferner im Bereich des dritten Temperatursensors, besonders vorzugsweise ferner im Bereich des vierten Temperatursensors, von dem strömenden Medium vollständig umströmt zu werden. Hierdurch kann die Temperatur des strömenden Mediums möglichst repräsentativ z.B. durch eine möglichst tiefe bzw. mittige Anordnung der Temperatursensoren innerhalb der Strömung des Mediums erreicht werden. Mit anderen Worten kann die Erfassung der Temperatur des strömenden Mediums in dessen Randbereich nahe an einer Seitenwand des Strömungskanals erfolgen, wo eine geringere Strömungsgeschwindigkeit als im Inneren des Strömungskanals herrschen kann. Auch kann die Abfuhr der Wärme des Heizelements hierdurch begünstigt werden, so dass auch aus diesem Grund die Genauigkeit der Erfassung der dynamischen Parameter und bzw. oder der physikalischen Eigenschaften des strömenden Mediums erhöht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Sensoreinheit zur Verwendung bei einer Messeinheit wie zuvor beschrieben. Hierdurch kann eine Sensoreinheit bereitgestellt werden, um die zuvor beschriebene Messeinheit zu realisieren.
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Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit mit getrennten Messkomponenten;
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit mit zusammengefügten Messkomponenten; und
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Messeinheit mit erfindungsgemäßer Sensoreinheit in einem Strömungskanal.
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Eine erfindungsgemäße Sensoreinheit 1 weist drei Messkomponenten 10, 12, 17 auf, welche getrennt ausgebildet sind, siehe 1, und zu der Sensoreinheit 1, vorzugsweise durch Verschrauben, zusammengefügt werden können, siehe 2.
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Die erste Messkomponente 10 ist als Messring 10 ausgebildet und weist einen Mantel 10a auf, welcher kreisringförmig ausgebildet und geschlossen ist. Der Messring 10 ist aus Keramik und damit möglichst thermisch isolierend ausgebildet. Der Messring 10 weist vier Temperatursensorelemente 11 auf, welche gemeinsam einen ersten Temperatursensor 11 bilden. Die Temperatur, welche durch den ersten Temperatursensor 11 erfasst wird, ist dabei der Mittelwert der Temperaturen, welche durch die vier Temperatursensorelemente 11 erfasst werden. Die vier Temperatursensorelemente 11 sind in Umfangsrichtung des Messrings 10 gleichmäßig zueinander beabstandet, d.h. zueinander um ca. 90° versetzt, angeordnet. Die vier Temperatursensorelemente 11 ragen dabei von innen durch den Mantel 10a des Messrings 10 durch entsprechende Löcher nach außen hervor, so dass jeweils eine Temperatur außerhalb des Messrings 10 erfasst werden kann.
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Die zweite Messkomponente 12 ist zylinderförmig ausgebildet, wobei der zylinderförmige Bereich der zweiten Messkomponente 12 als Mantel 12a bezeichnet werden kann. Der Mantel 12a schließt in der einen Richtung entlang der Längsachse mit einer kreisförmigen Stirnfläche 12b ab. In der entgegengesetzten Richtung ist die zweite Messkomponente 12 ausgebildet, mit dem Messring 10 verbunden zu werden. Der Mantel 12a und die Stirnfläche 12b sind aus Nickel-Chrom ausgebildet. Die zweite Messkomponente 12 kann auch als Messkopf 12 oder als Messspitze 12 bezeichnet werden. Innerhalb des Messkopfes 12 ist ein Heizelement 13 in Form einer Heizspule 13 angeordnet, wobei sich die Heizspule 13 entlang der Längsachse des Messkopfes 12 erstreckt und konzentrisch zur Längsachse ausgebildet und angeordnet ist.
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Auf der Längsachse und etwa mittig in der länglichen Erstreckung der Heizspule 13 ist ein zweiter Temperatursensor 14 innerhalb der Heizspule 13 angeordnet, so dass die Temperatur der Heizspule 13 im Betrieb erfasst werden kann. Innerhalb des Messkopfes 12 sind ferner ein dritter Temperatursensor 15 und ein vierter Temperatursensor 16 jeweils an dem Übergang zwischen dem Mantel 12a und der Stirnfläche 12b angeordnet. Der dritte Temperatursensor 15 und der vierte Temperatursensor 16 sind dabei in der Umfangsrichtung des Mantels 12a um ca. 180° zueinander versetzt angeordnet.
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Die dritte Messkomponente 17 ist ebenfalls zylinderförmig ausgebildet und weist einen Mantel 17a aus Nickel-Chrom oder aus Edelstahl auf. Die dritte Messkomponente 17 ist ausgebildet, mit der dem Messkopf 12 in Längsrichtung gegenüberliegenden Seite des Messrings 10 verbunden zu werden, z.B. durch Verschrauben, so dass die dritte Messkomponente 17 auch als Halterung 17 bezeichnet werden kann. Durch die gegenüberliegende Seite der dritten Messkomponente 17 werden mehrere Messleitungen 18 durch die Halterung 17 hindurch in den Messring 10 und in den Messkopf 12 geführt. So können die vier Temperatursensoren 11, 14, 15, 16 über die Messleitungen 18 von außen ausgelesen werden. Dabei werden der dritte Temperatursensor 15 und der vierte Temperatursensor 16 jeweils lediglich von einer Messleitung 18 kontaktiert und der Mantel 12a wirkt als zweite Messleitung, bis am Ende des Mantels 12a innerhalb des Messrings 10 eine Messleitung 18 kontaktiert wird, um den Messkreis des dritten Temperatursensors 15 und des vierten Temperatursensors 16 zu schließen. Ferner kann die Heizspule 13 über ein Paar von Messleitungen 18 mit elektrischer Energie von außen erwärmt werden.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Messeinheit 0 mit erfindungsgemäßer Sensoreinheit 1 in einem Strömungskanal 3. Der Strömungskanal 3 kann ein Rohr 3 z.B. einer häuslichen Verbrennungsheizung sein, dessen Fließgeschwindigkeit sowie Strömungsrichtung A des Abgases 4 als Medium 4 bzw. als Fluid 4 erfasst werden soll. Das Rohr 3 ist zylindrisch ausgebildet und weist eine Seitenwand 30 auf. Durch eine seitliche Öffnung 31 der Seitenwand 30 ragt eine erfindungsgemäße Sensoreinheit 1 quer derart weit in das Rohr 3 hinein, so dass die Heizspule 13 etwa mittig in der Querrichtung in dem Rohr 3 positioniert wird. Dabei ragen der Messkopf 12 und der Messring 10 der Sensoreinheit 1 entsprechend weit in das Rohr 3 hinein.
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Die Halterung 17 der Sensoreinheit 1 ist eher außerhalb des Rohres 3 angeordnet und schließt nahezu bündig und mit einer Dichtung (nicht dargestellt) mit dem Rand der seitlichen Öffnung 31 der Seitenwand 30 des Rohres 3 ab. Die Messleitungen 18 werden durch die Halterung 17 hindurch nach außen geführt und sind dort mit einer Steuerungseinheit 2 der Messeinheit 0 verbunden. Die Steuerungseinheit 2 übernimmt im Betrieb der Messeinheit 0 die geregelte Zufuhr von elektrischer Energie zu der Heizspule 13, erfasst die Temperaturen über die vier Temperatursensoren 11, 14, 15, 16 sowie wertet die erfassten Temperaturen sowie die zugeführte elektrische Energie hinsichtlich dynamischer Parameter und bzw. oder physikalischer Eigenschaften des Abgases 4 als strömendes Medium 4 aus, wie hier z.B. hinsichtlich Fließgeschwindigkeit des Abgases 4. Die Steuerungseinheit 2 kann daher auch als Auswerte- und Regelungseinheit 2 bezeichnet werden.
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Hierzu erfasst die Messeinheit 0 bzw. dessen Steuerungseinheit 2 eine Temperatur des strömenden Mediums 4 mittels des ersten Temperatursensors 11 und eine Temperatur des Heizelements 13 mittels des zweiten Temperatursensors 14. Seitens der Steuerungseinheit 2 wird nun die Zufuhr der elektrischen Energie der Heizspule 13 derart geregelt, dass die Temperatur der Heizspule 13 um eine vorbestimmte Differenztemperatur von z.B. 100 K höher als die Temperatur des strömenden Mediums 4 liegt. Aus der der Heizspule 13 zugeführten elektrischen Energie wird dann z.B. die Fließgeschwindigkeit des Abgases 4 als strömendes Medium 4 bestimmt, indem ein für die erfasste Temperatur des strömenden Mediums 4 in der Steuerungseinheit 2 hinterlegter Zusammenhang zwischen der der Heizspule 13 zugeführten elektrischen Energie und der Fließgeschwindigkeit des Abgases 4 verwendet wird, um aus der der Heizspule 13 zugeführten elektrischen Energie die aktuelle Fließgeschwindigkeit des Abgases 4 zu bestimmen. Dies kann deshalb erfolgen, weil die Heizspule 13 auf eine höhere Temperatur als das strömende Medium 4 aufgeheizt ist und somit Wärme an das strömende Medium 4 abgibt, welche elektrisch von außen wieder nachgeführt werden muss. Dabei muss umso mehr elektrische Energie nachgeführt werden, desto mehr Wärme aufgrund der Fließgeschwindigkeit von dem strömenden Medium 4 abgeführt wird. Dieser Zusammenhang wie z.B. eine mathematische Beziehung oder eine Wertetabelle kann dabei ferner die Art des Mediums 4 berücksichtigen, wobei dies der Steuerungseinheit 2 vorzugsweise durch Eingabe eines Benutzers bzw. eines Installateurs vorgegeben werden kann.
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Ferner erfasst die Messeinheit 0 bzw. dessen Steuerungseinheit 2 eine Temperatur des strömenden Mediums 4 mittels des dritten Temperatursensors 15 und eine Temperatur des strömenden Mediums 4 mittels des vierten Temperatursensors 16. Aus der Temperaturdifferenz der mittels des dritten Temperatursensors 15 erfassten Temperatur des strömenden Mediums 4 und der mittels des vierten Temperatursensors 16 erfassten Temperatur des strömenden Mediums 4 wird dann, vorzugsweise über das Vorzeichen der Temperaturdifferenz, die Strömungsrichtung A des strömenden Mediums 4 bestimmt.
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Ferner können die Temperaturen des strömenden Mediums 4, welche mittels des dritten Temperatursensors 15 und mittels des vierten Temperatursensors 16 erfasst werden, zusätzlich der Steuerungseinheit 2 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann auf diese Art und Weise die Temperatur des strömenden Mediums 4, welche von dem ersten Temperatursensor 11 erfasst wird, mit den beiden erfassten Temperaturen des strömenden Mediums 4 des dritten Temperatursensors 15 und des vierten Temperatursensors 16 verglichen werden. Dies kann die Genauigkeit der Erfassung der Temperatur des strömenden Mediums 4 erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Strömungsrichtung des Mediums 4 bzw. des Fluids 4
- 0
- Messeinheit
- 1
- Sensoreinheit
- 10
- erste Messkomponente; Messring
- 10a
- Mantel der ersten Messkomponente 10
- 11
- erste Temperatursensoren; Temperatursensorelemente
- 12
- zweite Messkomponente; Messkopf; Messspitze
- 12a
- Mantel der zweiten Messkomponente 12
- 12b
- Stirnfläche der zweiten Messkomponente 12
- 13
- Heizelement; Heizspule
- 14
- zweiter Temperatursensor
- 15
- dritter Temperatursensor
- 16
- vierter Temperatursensor
- 17
- dritte Messkomponente; Halterung
- 17a
- Mantel der dritten Messkomponente 17
- 18
- Messleitungen
- 2
- Steuerungseinheit; Auswerte- und Regelungseinheit
- 3
- Strömungskanal; Rohr
- 30
- Seitenwand des Strömungskanals 3
- 31
- seitliche Öffnung der Seitenwand 30 des Strömungskanals 3
- 4
- Medium; Fluid; Flüssigkeit; (Ab-)Gas
