DE19858307C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Volumenstromes oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Temperatur eines durch ein Rohr strömenden Mediums - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Volumenstromes oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Temperatur eines durch ein Rohr strömenden Mediums

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Volumenstromes oder der Strömungsgeschwindigkeit und/­ oder der Temperatur eines durch ein Rohr strömenden Mediums.
Aus der Praxis sind vielfältige Anwendungen bekannt, bei denen der Volumenstrom, die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Temperatur eines durch ein Rohr strömenden Mediums gemessen wird. Beispielhaft seien hier nur die An­ wendungen eines solchen Verfahrens bei einem Kalt- oder Warmwasserzähler oder als Volumenteil eines Wärmezählers aufgeführt.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Durchflussmessung beinhalten sowohl mechanische Mess­ verfahren, bei denen anhand eines im Strömungsquerschnitt angeordneten Flügelrades oder dergleichen der Volumen­ strom oder die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird, aber auch sogenannte "statische" Messverfahren, bei denen ohne bewegte Teile entweder durch eine im Strömungsquerschnitt angeordnete Blende bzw. von außen mittels MID- oder Ultraschalldurchflussmessern die Messwerte erfasst werden.
Bei den mechanischen Messverfahren ist ein Eingriff in das strömende Medium unvermeidlich, und durch den Ver­ schleiß der bewegten Teile ist ein regelmäßiges Nachkalibrieren bzw. ggf. sogar Austauschen verschlissener Teile erfor­ derlich. Die "statischen" Messverfahren erfordern eine aufwendige Sensorik, wobei beim MID-Verfahren zwecks Indu­ zierung/Abgriff einer Spannung im strömenden Medium mittels außerhalb der Rohrleitung angeordneter Magnetspulen die Rohrstrecke nicht magnetisch sein darf, und somit aus teurem Edelstahl o. ä. gefertigt werden muss. Bei der Ultra­ schallmessung ist prinzipiell eine Montage an der Rohraußenwand möglich, jedoch wird die Schallausbreitung, und so­ mit auch die Genauigkeit der Messung, durch die Rohrwandung erheblich gestört.
Bei den praxisbekannten Vorrichtungen sind insofern entweder starke Eingriffe in das strömende Medium erforderlich oder die Vorrichtung ist nicht bei allen Rohrmate­ rialien einsetzbar bzw. bringt keine ausreichende Messgenauigkeit.
Aus der DE 29 06 186 C2 ist eine Vorrichtung zur Messung des Wärme­ flusses in geschlossenen Wärmetransportsystemen bekannt, bei der zwischen Vorlauf- und Rücklaufleitung für ein Wärmetransportmedium eine Wärmeleitstrecke geringer Wärmeleitfähigkeit sowie Temperatur­ meßfühler in der Vorlauf- und in der Rücklaufleitung vorgesehen sind, wobei der Wärmedurchgang durch die Wärmeleitstrecke hindurch geringer ist als der Wärmeübergang an den beiden Grenzflächen zwischen dem Wärmetransportmedium und der Wärmeleitstrecke.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Volu­ menstromes oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Temperatur eines durch ein Rohr strömenden Mediums anzugeben, welches verschleißfrei ist und vielfältig sowie ohne Einschränkungen betreffend das Rohrmaterial eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 8.
Hierdurch ist eine Messung ohne verschleißbehaftete Elemente möglich, so dass regelmäßige Wartungen oder dergleichen nicht erforderlich sind.
Zur Bestimmung der Temperatur des Mediums werden in der Praxis üblicherweise sensorbestückte Tauchhülsen in das Rohr eingesetzt, die jedoch ebenfalls Nachteile aufweisen. Zum einen ist für die Tauchhülsen eine Montageöffnung im Rohr erforderlich, und die Tauchhülsen stellen einen die Strömung behindernden Eingriff in das strömende Medium dar, und zum anderen erfolgt durch die Hülse und den Sensor eine Wärmeleitung, welche die Messgenauigkeit der An­ ordnung verringert.
Es ist insofern ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Volumenstromes oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Temperatur eines durch ein Rohr strömenden Mediums anzugeben, mit dem ohne Eingriff in das strömende Medium eine Messung mit ausreichender Messgenauigkeit erreicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3 und eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10.
Durch die Anordnung der Wärmestromsensoren auf der äußeren Rohroberfläche ist ein Eingriff in das Medium nicht notwendig, so dass zum einen der technische Aufwand zur Integration eines nach einem solchen Verfahren betriebenen Messgerätes in eine Heizanlage, Wasserversorgung etc. sehr gering ist und auch eine Nachrüstung bei bestehenden An­ lagen einfach und problemlos erfolgen kann, und zum anderen weder die Strömung behindert wird noch eine die Mess­ genauigkeit der Anordnung verringernde Wärmeleitung durch den Temperatursensor erfolgt.
Hierbei kann ein zusätzlicher Wärmeleitwiderstand zwischen der äußeren Rohroberfläche und dem anderen Wärmestromsen­ sor und/oder zwischen dem anderen Wärmestromsensor und der Umgebung angeordnet sein.
Zur Berechnung von Volumenstrom oder Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Temperatur können die folgenden Formeln verwendet werden:
mit
q1 = Wärmestrom an der Stelle "1"
q2 = Wärmestrom an der Stelle "2"
ϑw = Temperatur des strömenden Mediums
ϑu = Temperatur der einheitlichen Umgebung
Rs = Wärmeleitwiderstand des Sensors
Rz = zusätzlicher Wärmeleitwiderstand
Rw = Wärmeleitwiderstand der Rohrwand
1/αu = Wärmeübergangswiderstand (Sensor bzw. zusätzl. Wärmeleitwiderstand/einheitliche Umgebung)
1/αw = Wärmeübergangswiderstand (Medium/Rohr)
wobei Rs, Rz, DR (Rohrdurchmesser) sowie die Messwerte q1, q2 bekannt sind.
Durch Subtraktion der Reziproke von (1) und (2) folgt nach Umstellung:
und vw ergibt sich dann aus der hier nur ansatzweise aufgeführten Funktion
bei ϑw < 100°C.
Erfindungsgemäß kann die Messung des Wärmestromes unter Nutzung des thermoelektrischen Effekts mittels geeig­ neter Wärmestromsensoren, wie z. B. Thermopiles, erfolgen, und es kann zumindest ein den thermo­ elektrischen Effekt nutzendes Element die Energieversorgung gewährleisten, so dass durch eine autarke Energieversor­ gung mittels sowieso vorhandener Sensor-Komponenten sowohl separate Installationen für eine leitungsgebundene Energieversorgung als auch Servicetätigkeiten bei der Verwendung von Energiespeichern wie z. B. Batterien etc. entfal­ len und eine Bauteil- und Kostenreduktion durch die Verwendung des Wärmestromsensors als Energieversorgung erzielt wird.
Die Integration einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10 kann in eine Heizanlage, Wasserversorgung etc. aufgrund der äußeren Anordnung der Wärmestromsensoren ohne einen Eingriff in das Medium erfolgen, so dass der Aufwand sehr gering ist und auch eine Nachrüstung bestehender An­ lagen problemlos und einfach erfolgen kann.
Hierbei kann ein zusätzlicher Wärmeleitwiderstand zwischen der äußeren Rohroberfläche und dem Wärmestromsen­ sor und/oder zwischen dem anderen Wärmestromsensor und der Umgebung angeordnet sein.
Erfindungsgemäß können die Wärmestromsensoren als den thermoelektrischen Effekt nutzende Elemente, wie z. B. Thermopiles, ausgebildet sein, und es kann zumindest ein den thermoelektrischen Effekt nutzendes Ele­ ment zur Gewährleistung der Energieversorgung vorgesehen sein, so dass durch eine autarke Energieversorgung mittels sowieso vorhandener Sensor-Komponenten sowohl separate Installationen für eine leitungsgebundene Energieversor­ gung als auch Servicetätigkeiten bei der Verwendung von Energiespeichern wie z. B. Batterien etc. entfallen und eine Bauteilreduktion durch die Verwendung des Wärmestromsensors als Energieversorgung erzielt wird.
Vorteilhafterweise können zumindest die Wärmestromsensoren seitlich von einer Isolierung umgeben sein, so dass ein Wärmestrom in seitlicher Richtung vermieden und somit die Messgenauigkeit erhöht wird.
Im folgenden werden in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine an einer äußeren Rohroberfläche angebrachte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Volu­ menstromes oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Temperatur eines durch das Rohr strömenden Mediums und
Fig. 2 die Halbschnitte A-A und B-B des Gegenstandes nach Fig. 1.
In den Figuren ist auszugsweise die Rohrwand 1 eines von einem Medium durchströmten Rohres dargestellt, auf des­ sen äußerer Rohroberfläche voneinander beabstandet zwei Wärmestromsensoren 2 angeordnet sind. An der dem Rohr abgewandten Seite der Wärmestromsensoren 2 sind als einheitliche Umgebung 3 jeweils Kühlrippen 3a angeordnet, die durch einen Verbindungssteg 3b miteinander verbunden sind, wobei der linke Wärmestromsensor 2 unmittelbaren Kon­ takt mit der äußeren Rohroberfläche und der Kühlrippe 3a hat, und zwischen dem rechten Wärmestromsensor 2 und der Kühlrippe 3a ein zusätzlicher Wärmeleitwiderstand 4 angeordnet ist. Die Wärmestromsensoren 2 mit den Kühlrippen 3a und dem zusätzlichen Wärmeleitwiderstand 4 sind mit einer bis zur äußeren Rohroberfläche reichenden Isolierung 5 um­ geben. In der Mitte des Verbindungssteges 3b ist ein Temperatursensor 6 zur Messung der Umgebungstemperatur ange­ ordnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert dabei so, dass von dem strömenden Medium - sofern es eine andere Temperatur hat als die einheitliche Umgebung 3 bzw. deren Verbindungssteg 3b - ein Wärmestrom durch die Rohrwand 1 und die Wärmestromsensoren 2 sowie den zusätzlichen Wärmeleitwiderstand 4 und die Kühlrippen 3a zum Verbin­ dungssteg 3b erfolgt. Diese Wärmeströme q1 und q2 werden von den Wärmestromsensoren 2 gemessen, und anhand der in der Beschreibung aufgeführten Formeln lassen sich hieraus die gewünschten Werte Strömungsgeschwindigkeit oder Volumenstrom und/oder Temperatur des Mediums errechnen. Dies kann durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auswerteeinrichtung erfolgen, die über Kabel, Funk, Infrarot oder auf anderem Wege die Messwerte von den Wärme­ stromsensoren und dem (den) Temperatursensor(en) erhält.

Claims (15)

1. Verfahren zur Bestimmung des Volumenstromes oder der Strömungsgeschwindigkeit eines durch ein Rohr strömenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein an der äußeren Rohroberfläche angeord­ neter Wärmestromsensor den Wärmestrom von der äußeren Rohroberfläche an eine Umgebung misst, die Temperatur des Mediums und die Temperatur der Umgebung durch entsprechend angeordnete Temperatursensoren erfasst werden und der Vo­ lumenstrom oder die Strömungsgeschwindigkeit aus dem Wär­ mestrommesswert und den Temperaturmesswerten gemäß den Formeln
und
bei ϑw < 100°C
mit
q1 = Wärmestrom
ϑw = Temperatur des strömenden Mediums
ϑu = Temperatur der Umgebung
Rs = Wärmeleitwiderstand des Sensors
Rw = Wärmeleitwiderstand der Rohrwand
1/αu = Wärmeübergangswiderstand Sensor/Umgebung
1/αw = Wärmeübergangswiderstand Medium/Rohr
DR = Rohrdurchmesser
rechnerisch ermittelt wird.
2. Verfahren zur Bestimmung des Volumenstromes oder der Strömungsgeschwindigkeit eines durch ein Rohr strömenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei an der äußeren Rohroberfläche ange­ ordnete Wärmestromsensoren (2) den Wärmestrom von der äußeren Rohroberfläche an eine für alle Wärmestromsensoren (2) hinsichtlich der Temperatur einheitliche Umgebung (3), wie z. B. die umgebende Raumluft, einen Kühlkörper, ein die Wärmestromsensoren (2) verbindendes Element, messen, die Temperatur des Mediums von einem entsprechend angeordneten Tem­ peratursensor erfasst wird und der Volumenstrom oder die Strömungsgeschwindigkeit aus den verschiedenen Wärmestrommesswerten und dem Temperaturmesswert rechnerisch ermittelt wird, wo­ bei wenigstens ein Wärmestromsensor (2) jeweils unmittel­ baren Kontakt mit der äußeren Rohroberfläche und der Um­ gebung (3) hat und bei zumindest einem anderen Wär­ mestromsensor (2) zwischen der äußeren Rohroberfläche und der Umgebung (3) wenigstens ein zusätzlicher Wärme­ leitwiderstand (4) angeordnet ist.
3. Verfahren zur Bestimmung des Volumenstromes oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Temperatur eines durch ein Rohr strömenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei an der äußeren Rohroberfläche ange­ ordnete Wärmestromsensoren (2) den Wärmestrom von der äußeren Rohroberfläche an eine für alle Wärmestromsensoren (2) hinsichtlich der Temperatur einheitliche Umgebung (3), wie z. B. die umgebende Raumluft, einen Kühlkörper, ein die Wärmestromsensoren (2) verbindendes Element, messen, die Temperatur der Umgebung von einem entsprechend angeordneten Tem­ peratursensor erfasst wird und der Volumenstrom oder die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Temperatur des Me­ diums aus den verschiedenen Wärmestrommesswerten und dem Temperaturmesswert rechnerisch ermittelt werden/wird, wo­ bei wenigstens ein Wärmestromsensor (2) jeweils unmittel­ baren Kontakt mit der äußeren Rohroberfläche und der Um­ gebung (3) hat und bei zumindest einem anderen Wär­ mestromsensor (2) zwischen der äußeren Rohroberfläche und der Umgebung (3) wenigstens ein zusätzlicher Wärme­ leitwiderstand (4) angeordnet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Wärmeleitwiderstand (4) zwischen der äußeren Rohroberfläche und dem anderen Wärmestromsensor (2) ange­ ordnet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein zusätzlicher Wärmeleitwiderstand (4) zwischen dem anderen Wärmestromsensor (2) und der Umgebung (3) angeordnet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Wärmestromes unter Nutzung des thermoelektrischen Effekts mittels geeigneter Wärmestromsensoren (2), wie z. B. Thermopiles, erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein den thermoelektrischen Effekt nutzendes Element die Energieversorgung gewährlei­ stet.
8. Vorrichtung zur Bestimmung des Volumenstromes oder der Strömungsgeschwindigkeit eines durch ein Rohr strömenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein an der äußeren Rohroberfläche angeordneter Wärmestromsensor (2) zur Messung des Wärmestromes von der äußeren Rohroberfläche an eine Umgebung (3) vorgesehen ist, Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur des Mediums und der Temperatur der Umgebung entsprechend angeordnet sind und weiterhin eine zumindest den Wärmestrommesswert und die Tem­ peraturmesswerte empfangende Auswerteeinheit zur rechne­ rischen Ermittlung des Volumenstromes oder der Strömungs­ geschwindigkeit aus dem Wärmestrommesswert und den ver­ schiedenen Temperaturmesswerten gemäß den Formeln
und
bei ϑw < 100°C
mit
q1 = Wärmestrom
ϑw = Temperatur des strömenden Mediums
ϑu = Temperatur der Umgebung
Rs = Wärmeleitwiderstand des Sensors
Rw = Wärmeleitwiderstand der Rohrwand
1/αu = Wärmeübergangswiderstand Sensor Umgebung
1/αw = Wärmeübergangswiderstand Medium/Rohr
DR = Rohrdurchmesser
vorgesehen ist.
9. Vorrichtung zur Bestimmung des Volumenstromes oder der Strömungsgeschwindigkeit eines durch ein Rohr strömenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei an der äuße­ ren Rohroberfläche angeordnete Wärmestromsensoren (2) zur Messung des Wärmestromes von der äußeren Rohroberfläche an eine für alle Wärmestromsensoren (2) hinsichtlich der Temperatur einheitliche Umgebung (3), wie z. B. die umge­ bende Raumluft, einen Kühlkörper, ein die Wärmestromsen­ soren (2) verbindendes Element, vorge­ sehen sind, wobei wenigstens ein Wärmestromsensor (2) jeweils unmittelbaren Kontakt mit der äußeren Rohroberfläche und der Umgebung (3) hat und bei zumindest einem anderen Wärmestromsensor (2) zwischen der äußeren Rohroberfläche und der Umgebung (3) wenigstens ein zusätzlicher Wärmeleitwiderstand (4) angeordnet ist, ein Temperatursensor zur Messung der Mediums­ temperatur entsprechend angeordnet ist und wei­ terhin eine zumindest die Wärmestrommesswerte der Wär­ mestromsensoren (2) und den Temperaturmesswert des Tempe­ ratursensors empfangende Auswerteeinheit zur rechnerischen Ermittlung des Volumenstromes oder der Strömungsge­ schwindigkeit aus den verschiedenen Wärmestrommesswerten und dem Temperatur­ messwert vorgesehen ist.
10. Vorrichtung zur Bestimmung des Volumenstromes oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Temperatur eines durch ein Rohr strömenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei an der äuße­ ren Rohroberfläche angeordnete Wärmestromsensoren (2) zur Messung des Wärmestromes von der äußeren Rohroberfläche an eine für alle Wärmestromsensoren (2) hinsichtlich der Temperatur einheitliche Umgebung (3), wie z. B. die umge­ bende Raumluft, einen Kühlkörper, ein die Wärmestromsen­ soren (2) verbindendes Element, vorge­ sehen sind, wobei wenigstens ein Wärmestromsensor (2) jeweils unmittelbaren Kontakt mit der äußern Rohroberfläche und der Umgebung (3) hat und bei zumindest einem anderen Wärmestromsensor (2) zwischen der äußeren Rohroberfläche und der Umgebung (3) wenigstens ein zusätzlicher Wärmeleitwiderstand (4) angeordnet ist, ein Temperatursensor zur Messung der Umgebungstemperatur entsprechend angeordnet ist und wei­ terhin eine zumindest die Wärmestrommesswerte der Wär­ mestromsensoren (2) und den Temperaturmesswert des Tempe­ ratursensors empfangende Auswerteeinheit zur rechnerischen Ermittlung des Volumenstromes oder der Strömungsge­ schwindigkeit und/oder der Temperatur des Mediums aus den verschiedenen Wärmestrommesswerten und dem Temperatur­ messwert vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Wärmeleitwiderstand (4) zwischen der äußeren Rohroberfläche und dem anderen Wärmestromsensor (2) ange­ ordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein zusätzlicher Wärmeleitwiderstand (4) zwischen dem anderen Wärmestromsensor (2) und der Umgebung (3) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass die Wärmestromsensoren (2) als den thermoelektrischen Effekt nutzende Elemente, wie z. B. Thermopiles, ausgebildet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, dass zumindest ein den thermoelek­ trischen Effekt nutzendes Element zur Gewährleistung der Energieversorgung vorgesehen ist.
15. Vorrichtung einem der Ansprüche 8 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, dass zumindest der(die) Wärmestrom­ sensor(en) (2) seitlich von einer Isolierung (5) umgeben ist (sind).
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