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Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchflussmesser, auch als kalorimetrischer Durchflussmesser bezeichnet, zur Messung einer Fluidmenge in einem fluidführenden Hohlraum, beispielsweise einer Leitung, einem Rohr oder einem anderen Hohlraum. Als integrierender Durchflussmesser wird auf Basis einer Strömungsrate und dem Leitungsquerschnitt auf den Volumenstrom geschlossen. Thermische Durchflusssensoren, bei denen die Temperaturänderung an einer Heizeinrichtung im Fluidstrom oder des eine Messstrecke durchströmenden Fluids ermittelt wird, sind nach dem Stand der Technik bekannt. Zumeist werden dabei der Sensor und die Heizeinrichtung, z.B. ein Draht oder eine Platte, in den Fluidstrom eingebracht, so dass dieser beeinflusst und der Sensor zudem messwertverfälschend verunreinigt wird. Weiterhin ist ein nachträglicher Einbau erschwert.
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Diese Nachteile werden vermieden durch eine Lösung nach der Druckschrift
DE 10 2010 008 914 A1 (Linde AG) 23.02.2010, Zusammenfassung, Seite 7, Absatz 0053,
3. Dabei werden sowohl Heizeinrichtungen als auch Einrichtungen zur Temperaturmessung auf der Außenseite einer Leitung angebracht, um mittels einer vorgebbaren Wärmemenge und einer Oberflächentemperatur auf den Volumenstrom rückschließen zu können. Anstelle einer Heizeinrichtung ist alternativ eine Kühleinrichtung vorgesehen, um eine Temperaturdifferenz hervorzurufen. Nachteilig ist hierbei, dass eine leistungsfähige Energiequelle notwendig ist, um ausreichend Heiz- oder Kühlenergie bereitzustellen, was die Einsatzmöglichkeiten stark einschränkt.
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Daraus resultiert die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzubieten, die ohne Zuführung von Heiz- oder Kühlenergie eine thermische Durchflussmessung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen thermischen Durchflussmesser für einen fluidführenden Hohlraum mit außen am Hohlraum angeordneten Temperatursensoren, wobei ein erster Temperatursensor am Eingang einer Messtrecke und ein zweiter Temperatursensor am Ausgang der Messtrecke die Temperaturänderung des Fluids durch Wärmeabgabe oder Wärmeaufnahme über die Messstrecke ermitteln, wobei wenigstens ein Messmantel aus einem wärmeleitenden Material und mit definierten thermischen Eigenschaften vorgesehen ist, der über die Wand des Hohlraums Wärme aus dem Fluid über eine Messtrecke mit der Länge (L) abzieht und beispielsweise an die Umgebung abgibt oder Wärme beispielsweise aus der Umgebung abzieht und an das Fluid abgibt. Ein weiteres Sensorpaar ist zur Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen einer Hohlraumseite und einer Umgebungsseite des Messmantels vorgesehen. Die thermische Kopplung des Messmantels kann neben der Umgebung an einen weiteren Messmantel, einen Wärmeübertrager, eine externe Wärme- oder Kältequelle oder ähnliches erfolgen. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht zusätzlich einen Lufttemperatursensor zur Ermittlung der Umgebungstemperatur vor, der auch alternativ zum Sensor an der Umgebungsseite des Messmantels eingesetzt werden kann.
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Das Arbeitsprinzip des Durchflussmessers beruht auf der Messung des Wärmestromes, welcher auf einer definierten Messstrecke von einem Hohlraum, beispielsweise einem Rohr, durch das sich das Fluid mit einer bestimmten Temperatur bewegt, abgegeben oder aufgenommen wird. Der Wärmestrom bewegt sich durch ein Material mit definierten Eigenschaften. Es erfolgt die Messung einer Temperaturdifferenz, welche auf der Messstrecke in dem Fluid durch diese Wärmeabgabe oder -aufnahme entsteht. Weiterhin wird eine Berechnung der Masse bzw. des Volumens des Fluids mit einer spezifischen Wärmekapazität vorgenommen, das in einem definierten Zeitraum diesen Wärmestrom abgegeben hat.
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Zur Messung des Wärmestromes wurde neben der geometrischen Form und den Maßen des wärmeleitenden Materials, der spezifischen Wärmeleitfähigkeit und den Bedingungen, unter denen der Wärmeübergang erfolgt bei den gegebenen Temperaturen des Fluids im Rohr die Temperatur an der Hohlraumseite und an der Umgebungsseite des Messmantels ermittelt. Der Wärmestrom Q errechnet sich wie folgt: Q = A × λ × ΔT / S mit
- Q
- = Wärmestrom in W,
- A
- = Fläche des Messmantels in m2,
- λ
- = spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials in W/m·K (umfasst bevorzugt alle thermischen Konstanten, wie Wärmeübergangskoeffizienten, des Messmantels),
- ΔT
- = Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur TH an der Hohlraumseite und der Temperatur TU an der Umgebungsseite in K und
- S
- = Stärke des Messmantels in m.
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Dieser Wärmestrom ist gleich der von dem Fluid abgegebenen Wärmemengen auf der Messstrecke L. Am Beginn und am Ende der Messstrecke werden die Temperaturen gemessen und das dabei ausgewiesene ΔTm dient der Berechnung der Masse des Wärmeträgers, z.B. des Fluids, welches die Messstrecke in einer bestimmten Zeit durchflossen hat. Q' = m × c × ΔTm mit
- Q‘
- = Wärmeabgabe in Ws,
- c
- = spezifische Wärmekapazität des Fluids in J/g·K (1 Ws = 1 J)
- ΔTm
- = Temperaturdifferenz zwischen TA am Anfang und TE am Ende der Messstrecke in K
- m
- = Masse des Fluids in kg
V = m / ρ = Q × t / c × Δt × ρ - ρ
- = Dichte des Fluids in g/cm3
- t
- = Messzeit in s
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Der Volumenstrom V . des Fluids, der Durchfluss, resultiert als Ergebnis der Berechnung: D = V / t in cm3/s
- D
- = Durchfluss
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Falls eine zu geringe Temperaturdifferenz zwischen Umgebung und Fluid vorhanden ist, kann dies durch Erwärmung des Fluids vor dem Eintritt in die Messstrecke oder die Erwärmung der Umgebung, beispielsweise durch die Erwärmung des Raums einer Kapsel um den Durchflussmesser, erfolgen.
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Eine weitere Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht jedoch darin, wenigstens einen Zusatzmessmantel vorzusehen. Dieser trägt auch zu einer höheren Genauigkeit der Messung bei.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der fluidführende Hohlraum als Rohr ausgebildet, der Messmantel aus einem Blech oder einer Folie, beispielsweise bestehend aus einem gut wärmeleitenden Metall, um das Rohr gewickelt, so dass ein massiver Wickel entsteht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der fluidführende Hohlraum als Rohr ausgebildet, der Messmantel zumindest zweischalig aufgebaut und auf das Rohr von außen aufbringbar. Damit ist der Durchflussmesser einfach installierbar und auch ohne Eingriff in ein Rohrsystem nachrüstbar. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung ist es vorgesehen, vor der Montage Wärmeleitpaste auf die Flächen aufzutragen, über die im Betrieb eine Wärmeleitung erfolgen soll.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung ist der fluidführende Hohlraum als Rohr ausgebildet, der Durchflussmesser einteilig oder aus Teilen zusammengefügt mit dem Rohr verbunden und als Einheit in ein Rohrsystem einsetzbar. Damit sind eine sichere Funktion und ein optimaler und definierter Wärmeübergang gewährleistet. Fehler oder Ungenauigkeiten beim Einbau, die zu Messunsicherheiten führen können, werden vermieden.
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Ein bevorzugtes Material für die Herstellung des Messmantels oder wenigstens eines der Messmäntel stellt wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit Kupfer dar. Dieses kann massiv oder schichtweise aufgebracht sein, beispielsweise durch Wickeln von Kupferblech, so dass um das Rohr eine Kupferwicklung entsteht.
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Es hat sich zur Erhöhung der Messgenauigkeit als vorteilhaft erwiesen, einen Zusatzmessmantel vorzusehen, der über dem Messmantel angeordnet ist, also auf dessen Umgebungsseite aufgebracht ist. Damit erfolgt ein Wärmeübergang von der Umgebungsseite des Messmantels zu der Hohlraumseite des Zusatzmessmantels. Dabei ist eine weitere Temperaturdifferenz ermittelbar, nämlich die zwischen der Hohlraumseite und der Umgebungsseite des Zusatzmessmantels bzw. der Umgebung, ermittelt mit einem weiteren Temperatursensor bzw. einem Lufttemperatursensor.
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Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn der jeweils äußere Messmantel bzw. Zusatzmessmantel eines beispielsweise konzentrischen Aufbaus wenigstens ein mit Wärmeübertragerflächen ausgestattetes Wärmerohr aufweist, das besonders effektiv Wärme aus dem Messmantel bzw. dem Zusatzmessmantel in die Umgebung ableitet. Wärmerohre sind nach dem Stand der Technik bekannt (vgl. Enyklopädie Wikipedia, http://de.wikipedia.org/wiki/Wärmerohr, 22.01.2014).
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Das Wärmerohr ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt als Heatpipe ausgeführt. Weiterhin ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, Wärmeübertragerflächen an dem Wärmerohr anzubringen und/oder mehrere Wärmerohre vorzusehen.
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Bei der Ausgestaltung der Erfindung mit einem Zusatzmessmantel ist dieser bevorzugt aus Stahl, insbesondere Edelstahl ausgeführt.
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Es ist im Interesse der Messgenauigkeit vorteilhaft, wenn die Stirnflächen des Durchflussmessers mit einem Isoliermittel thermisch isoliert sind, so dass ein Wärmeübergang im Wesentlichen ausschließlich über die definierten Mantelflächen erfolgt.
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Weiterhin dient es der Erhöhung der Messgenauigkeit, wenn der Temperatursensor in der Weise von dem Einfluss der Umgebungstemperatur abgeschirmt ist, dass die an dem fluidführenden Hohlraum, z.B. dem Rohr, herrschende Temperatur gemessen wird. Dies kann durch eine Isolierung erfolgen, die den Temperatursensor so umgibt, dass er zwar mit dem Rohr wärmeleitend verbunden, ansonsten aber von der Umgebung abgeschirmt ist. Gleiches gilt für die Ermittlung der Temperatur der Hohlraumseite des Messmantels, die alternativ zur Ermittlung der Rohrtemperatur erfolgen kann, und für die Ermittlung der Temperatur der Umgebungsseite des Messmantels, die alternativ zur Ermittlung der Temperatur der Hohlraumseite des Zusatzmessmantels erfolgen kann. Weiterhin kommt ein solcherart isolierter Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der Umgebungsseite des Zusatzmessmantels zum Einsatz.
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Mit der Erfindung ist es möglich, auf einfach Weise, verschleiß- und störungsarm sowie ohne Einsatz von Heiz- oder Kühlenergie einen thermischen Durchflusssensor zu betreiben.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: einen thermischen Durchflussmesser mit einem Messmantel in geschnittener Vorderansicht;
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2: eine Diagrammdarstellung des Temperaturverlaufs über die Messstrecke;
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3: einen thermischen Durchflussmesser mit einem Messmantel in geschnittener Seitenansicht;
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4: eine Diagrammdarstellung des Temperaturverlaufs über den Messmantel;
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5: einen thermischen Durchflussmesser mit einem Messmantel, einem Zusatzmessmantel und Heatpipes in geschnittener Seitenansicht und
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6: einen Temperatursensor mit Isolierung.
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1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessers 1 mit einem Messmantel 4 in geschnittener Vorderansicht. Ein Fluid 2 strömen in einem Rohr 3, das von dem Durchflussmesser 1 umgeben ist. Dieser weist die Länge L auf, die der Länge der Messstrecke entspricht, die der Ermittlung der Temperaturdifferenz in dem Fluid (2) dient.
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Am Anfang der Messstrecke ist ein erster Temperatursensor 5 angeordnet und am Ende der Messstrecke ein zweiter Temperatursensor 6. Aus der Differenz zwischen den Messwerten beider Sensoren wird die Veränderung der Temperatur des Fluids 2 ermittelt, die es durch den Wärmeentzug oder den Wärmeeintrag über den Messmantel 4, der eine Stärke von S1 aufweist, erfährt.
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Über den Messmantel 4 fließt ebenfalls ein Wärmestrom, im Ausführungsbeispiel quer zur Fluidströmung in Pfeilrichtung, aus dem eine Temperaturdifferenz zwischen einer Hohlraumseite 10 und einer Umgebungsseite 11 resultiert. Auf beiden Seiten 10, 11 ist jeweils ein Sensor angeordnet, nämlich ein dritter Temperatursensor 7 und ein vierter Temperatursensor 8. Anstelle eines vierten Temperatursensors 8 ist es auch vorgesehen, die Temperatur der Umgebungsluft zu messen und dazu einen Lufttemperatursensor 21 einzusetzen. Aus der Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 7 und 8 bzw. 21 kann auf die Wärmemenge geschlossen werden, die über den Messmantel 4 fließt, wenn die Materialkonstanten und die sonstigen thermischen Randbedingungen bekannt sind.
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Um einen undefinierten Wärmeabfluss über die Stirnseiten des Messmantels 4 zu vermeiden, wird dort ein Isoliermittel 9 angebracht. Dieses schützt auch die Temperatursensoren 5, 6 vor Umgebungseinflüssen, so dass deren Messgenauigkeit steigt.
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2 zeigt eine Diagrammdarstellung des Temperaturverlaufs über die Messstrecke, zwischen den Messpunkten SA und SE, die den Anfang und das Ende der Messstrecke markieren. Dort sind die beiden Temperatursensoren 5, 6 angeordnet, die die entsprechenden Temperaturmesswerte liefern. Aus diesen Messwerten TA (Fluidtemperatur bei Eintritt in die Messstrecke) und TE (Fluidtemperatur bei Austritt aus der Messstrecke), ermittelt an Anfang und Ende der Messtrecke kann die Temperaturdifferenz ΔT errechnet werden.
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3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmesser 1 mit einem Messmantel 4 in geschnittener Seitenansicht, wobei hier eine auf das Rohr 3 aufklickbare Variante mit zwei Mantelschalen 12, verbunden durch ein Verbindungsmittel 13, beispielsweise eine Schraube, eine Klemme oder ein ähnliches Element, dargestellt ist. Die Temperatursensoren 7, 8 sind in einer der Mantelschalen 12 des Messmantels 4 eingebracht. Eine abweichende Anordnung der Sensoren, beispielsweise an verschiedenen Schalen und außerhalb des Schalenprofils, sind vorgesehen.
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4 zeigt eine Diagrammdarstellung des Temperaturverlaufs über den Messmantel (4), wie in 3 dargestellt. Die Temperatur TH entspricht dabei der Fluidtemperatur, ermittelt an der Hohlraumseite 10 (vgl. 1) des Messmantels 4, gemessen durch den Temperatursensor 7. Die Temperatur TU hingegen entspricht der Umgebungs- bzw. Oberflächentemperatur, ermittelt in der Umgebung durch einen Lufttemperatursensor 21 (vgl. 5) oder an der Umgebungsseite 11 (vgl. 1) des Messmantels 4, gemessen durch den Temperatursensor 7.
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5 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmesser 1‘ mit einem Messmantel 4, einem Zusatzmessmantel 20 und Heatpipes 22 in geschnittener Seitenansicht. Zusätzlich zu dem Aufbau gemäß der 1 und 2 ist hier ein Zusatzmessmantel 20 aufgebracht. Dieser weist darüber hinaus eine Heatpipe 22 auf, die die Wärmeableitung in die Umgebung noch weiter verbessert, insbesondere beim Einsatz von hier nicht dargestellten Wärmetauscherflächen, die den Wärmeaustausch mit der Umgebung nochmals verbessern.
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Zur Ermittlung des Wärmeflusses über den Zusatzmessmantel 20 wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Temperatursensor 7 und dem Lufttemperatursensor 21 ermittelt. Ebenso gut könnte jedoch bei einer alternativen Ausgestaltung ein weiterer Temperatursensor auf der Oberfläche des Zusatzmessmantels 20 angeordnet oder in diese eingebettet sein.
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In jedem Falle dient die ermittelte Temperaturdifferenz unter Berücksichtigung der thermischen Konstanten von Material und sonstige Ausgestaltung des Zusatzmessmantels 20 dazu, den Wärmestrom über diesen Zusatzmessmantel 20 festzustellen. Dadurch steht ein weiterer Messwert zur Verfügung, der zur Erhöhung der Genauigkeit des Gesamtsystems bei der Ermittlung des genauen Volumenstroms, des Durchflusses, herangezogen werden kann.
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6 zeigt schematisch eine geschnittene Darstellung einer Ausführungsform eines Temperatursensors 5, 6, 7, 8 mit einem Isoliermittel 9, das eine thermische Isolierung 9 eines Sensorelements 23 gegen die Umgebung erreicht, so dass der Messfehler bei der Ermittlung einer Wandtemperatur, hier beispielshaft der Fluidtemperatur über die Wandung des Rohrs 3, an der das Sensorelement 23 anliegt, minimiert werden kann. Eine entsprechende Ausbildung weisen die Temperatursensoren auf, an den Wandungen eines der Messmäntel angeordnet sind.
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Entsprechendes trifft auf die Gestaltung der hier nicht dargestellten elektrischen Zuleitungen zu, die ebenfalls das Messergebnis nicht verfälschen sollen und deshalb entsprechend thermisch abgeschirmt und/oder entkoppelt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1‘
- Durchflussmesser
- 2
- Fluid
- 3
- fluidführender Hohlraum, Rohr
- 4
- Messmantel
- 5
- erster Temperatursensor
- 6
- zweiter Temperatursensor
- 7
- dritter Temperatursensor
- 8
- vierter Temperatursensor
- 9
- Isoliermittel
- 10
- Hohlraumseite
- 11
- Umgebungsseite
- 12
- Mantelschale
- 13
- Verbindungsmittel
- 20
- Zusatzmessmantel
- 21
- Lufttemperatursensor
- 22
- Wärmerohr, Heatpipe
- 23
- Sensorelement
- L
- Länge der Messstrecke
- S1
- Stärke des Messmantels
- S2
- Stärke des Zusatzmessmantels
- T
- Temperatur
- TA
- Temperatur am Anfang der Messtrecke
- TE
- Temperatur am Ende der Messtrecke
- LA
- Anfang der Messtrecke
- LE
- Ende der Messtrecke
- TH
- Temperatur an der Hohlraumseite
- TU
- Temperatur an der Umgebungsseite
- Tm
- Temperaturdifferenz (TA – TE) zwischen Hohlraumseite und Umgebungsseite
- SH
- Ort der Hohlraumseite
- SU
- Ort der Umgebungsseite
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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 102010008914 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Enyklopädie Wikipedia, http://de.wikipedia.org/wiki/Wärmerohr, 22.01.2014 [0016]
