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Die Erfindung betrifft eine Durchflussmesseinrichtung zur Erfassung einer Volumengröße, die ein seit Messbeginn durch ein Messvolumen der Durchflusseinrichtung geströmtes Fluidvolumen betrifft, wobei eine Verarbeitungseinrichtung der Durchflussmesseinrichtung dazu eingerichtet ist, zu aufeinanderfolgenden Messzeitpunkten jeweils anhand von Messdaten wenigstens eines Sensors der Durchflussmesseinrichtung eine den aktuellen Volumenstrom betreffende aktuelle Durchflussmessgröße zu ermitteln und bei einem Betrieb der Verarbeitungseinrichtung in einem ersten Betriebsmodus die Volumengröße in Abhängigkeit der aktuellen Durchflussmessgröße zu erhöhen und bei einem Betrieb der Verarbeitungseinrichtung in einem zweiten Betriebsmodus die Volumengröße konstant zu halten.
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Durchflussmesseinrichtungen können auf vielfältige Weise implementiert werden. Zunehmend gewinnen ultraschallbasierte Durchflussmesseinrichtungen an Relevanz, bei denen typischerweise zwei am Messvolumen angebrachte Ultraschallwandler genutzt werden. Durch Vergleich der Laufzeiten einer Ultraschallwelle zwischen diesen Ultraschallwandlern für beide Messrichtungen kann eine Strömungsgeschwindigkeit und somit bei bekannter Geometrie des Messvolumens auch ein aktueller Volumenstrom ermittelt werden. Durch Integration des Volumenstroms über die Zeit bzw. durch Summation der zeitdiskreten Messungen kann das gesamte durch das Messvolumen geströmte Volumen seit Messbeginn ermittelt werden. Daneben existieren auch eine Vielzahl unterschiedlich aufgebauter Durchflussmesseinrichtungen, beispielsweise Flügelradzähler, auf einer Verzerrung einer Temperaturverteilung eines Heizelements durch den Durchfluss basierende Durchflussmesseinrichtungen und Ähnliches.
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Bei vielen Typen von Durchflussmesseinrichtungen, beispielsweise bei den obig genannten Ultraschallzählern, können bei sehr geringen Durchflüssen aufgrund eines Rauschanteils der Messdaten im zeitlichen Mittel höhere Volumenströme ermittelt werden, als tatsächlich vorliegen. Selbst sehr geringe Offsets können in Anwendungsfällen, in denen nur zu einem Bruchteil der Messzeit überhaupt ein Durchfluss erfolgt, zu großen Messfehlern führen. Da ein zu hohes erfasstes Fluidvolumen typischerweise zu Akzeptanzproblemen führt, ist es bekannt, sehr geringe ermittelte Volumenströme oder diesen zugeordnete Durchflussmessgrößen zu verwerfen.
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Hierdurch können jedoch in einer Anlaufphase des Zählers bzw. bei generell relativ niedrigen Durchflüssen relativ große Fehler auftreten.
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Um dem entgegenzuwirken ist ein Ansatz bekannt, der für das Verhalten der Durchflussmesseinrichtung drei Phasen definiert, In einem erweiterten Nullbereich, also bei sehr geringen Durchflüssen, werden alle Messwerte verworfen und das gemessene Fluidvolumen wird nicht erhöht. In einem Bereich relativ kleiner Durchflüsse oberhalb einer Nullbereichsschwelle, jedoch unterhalb einer Anlaufschwelle, werden die den Volumenstrom betreffenden Durchflussmessgrößen bereits ermittelt und insbesondere integriert, um ein Fluidvolumen, dass innerhalb dieser Anlaufphase durch die Durchflussmesseinrichtung strömt, zu ermitteln. Wird die Anlaufschwelle innerhalb eines gewissen Zeitintervalls seit Überschreiten der Nullbereichsschwelle bzw. innerhalb einer gewissen Anzahl von Messungen überschritten, so wird dieser Wert zum Gesamtfluidvolumen addiert, da davon ausgegangen wird, dass dieser Wert einem kontinuierlichen Ansteigen innerhalb des Anlaufbereichs entspricht. Fällt der ermittelte Volumenstrom jedoch in den erweiterten Nullbereich zurück bzw. erreicht den Durchflussbereich nicht rechtzeitig, werden die bisher gemessenen Daten verworfen, da davon ausgegangen wird, dass sie keinem Anlaufen des Zählers bis in den Durchflussbereich entsprechen.
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Das beschriebene Vorgehen führt in vielen Anwendungsfällen, nämlich in jenen Anwendungsfällen, in denen ein Volumenstrom relativ schnell von dem erweiterten Nullbereich in den Durchflussbereich ansteigt, zu guten Ergebnissen. In einigen Anwendungsfällen, beispielsweise wenn langsam öffnende Ventile genutzt werden, temporäre Wechsel der Strömungsrichtung auftreten und/oder relativ häufig Durchflüsse im Bereich der Anlaufschwelle auftreten, können jedoch relativ große Messfehler resultieren.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Durchflussmesseinrichtung anzugeben, durch die insbesondere in den genannten Betriebssituationen eine verbesserte Messgenauigkeit erreicht werden kann.
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Die Aufgabe wird durch eine Durchflussmesseinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Verarbeitungseinrichtung einen Datenspeicher umfasst, wobei die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, zumindest im zweiten Betriebsmodus, vorzugsweise sowohl im ersten als auch im zweiten Betriebsmodus, für jeden Messzeitpunkt die jeweilige aktuelle Durchflussmessgröße zumindest vorübergehend in dem Datenspeicher zu speichern, womit in dem Datenspeicher nach mehreren Messzeitpunkten mehrere zu diesen Messzeitpunkten ermittelte, vorangehende Durchflussmessgrößen abgelegt sind, wobei die Verarbeitungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass sie, wenn während eines Betriebs im zweiten Betriebsmodus eine Umschaltbedingung erfüllt ist, deren Erfüllung von der aktuellen Durchflussmessgröße abhängt, in den ersten Betriebsmodus umschaltet, wobei die Volumengröße hierbei in Abhängigkeit sowohl der aktuellen Durchflussmessgröße als auch einer vorgegebenen Anzahl der vorangehenden Durchflussmessgrößen erhöht wird.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, beim Wechsel von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus grundsätzlich eine insbesondere fest vorgegebene Anzahl von insbesondere unmittelbar vorangehend ermittelten Durchflussmessgrößen zu berücksichtigen. Hierbei kann der erst Betriebsmodus im Wesentlichen dem eingangs diskutierten Durchflussbereich entsprechen, also ein Betriebsmodus sein, der bei relativ großen Volumenströmen genutzt wird. Das Verhalten im zweiten Betriebsmodus kann dem eingangs erläuterten Anlaufbereich insofern ähneln, dass auch im zweiten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Durchflusszählers Durchflussmessgrößen ermittelt und zumindest vorübergehend in einem Datenspeicher gespeichert werden. Während jedoch beim eingangs erläuterten Vorgehen diese Daten nach einer gewissen Verweilzeit im Anlaufbereich bzw. bei Eintritt in einen erweiterten Nullbereich vollständig verworfen werden, können bei der erfindungsgemäßen Durchflussmesseinrichtung stets eine insbesondere fest vorgegebene Anzahl von vorangehend ermittelten Durchflussmessgrößen berücksichtigt werden, wenn ein Umschalten der Verarbeitungseinrichtung von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus erfolgt.
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Insbesondere wird somit unabhängig von der Verweilzeit der Verarbeitungseinrichtung im zweiten Betriebsmodus eine vorgegebene Anzahl der Durchflussmessgrößen berücksichtigt, um die Volumengröße bei einem Wechsel in den ersten Betriebsmodus zu erhöhen. Hierdurch kann bei einem Wechsel in den zweiten Betriebsmodus grundsätzlich der zeitlich vorangehende Durchfluss berücksichtigt werden, womit ein besonders robustes Anlaufverhalten der Durchflussmesseinrichtung erreicht wird. Im Gegensatz zum eingangs erläuterten Vorgehen wird zudem kein erweiterter Nullbereich genutzt, innerhalb dem Messwerte grundsätzlich nicht berücksichtigt werden. Somit wird insbesondere vermieden, dass Messdaten bzw. die zwischengespeicherten Durchflussmessgrößen bei einem Übergang zwischen einem positiven und negativen Durchfluss verworfen werden. Somit wird im erfindungsgemäßen Durchflusszähler insbesondere bei langsamen Änderungen der Durchflussmessgröße bzw. bei Wechseln der Durchflussrichtung eine erheblich verbesserte Genauigkeit erreicht.
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In der erfindungsgemäßen Durchflussmesseinrichtung wird somit insbesondere eine einmal ermittelte Durchflussgröße für eine vorgegebene Zahl von folgenden Messzeitpunkten als eine der vorangehenden Durchflussmessgrößen verwendet. Prinzipiell kann die Anzahl der genutzten vorangehenden Durchflussmessgrößen eins sein, vorzugsweise werden jedoch mehrere vorangehende Durchflussmessgrößen berücksichtigt, insbesondere bis zu zehn, bis zu zwanzig, bis zu fünfzig oder mehr Durchflussmessgrößen. Der Datenspeicher kann bezüglich des Ablegens der Durchflussmessgrößen als FIFO-Puffer bzw. Ringspeicher arbeiten. Lesezugriffe können insbesondere wahlfrei bzw. sequentiell erfolgen, um beispielsweise eine Summation bzw. Mittelwertbildung der vorangehenden Durchflussmessgrößen zu ermöglichen.
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Die Durchflussmessgröße kann unmittelbar einen Volumenstrom durch das Messvolumen beschreiben, also beispielsweise zu diesem proportional sein. Es kann sich bei der Durchflussmessgröße jedoch um eine Größe handeln, von der ein solcher Volumenstrom abhängt, also beispielsweise um eine Laufzeit zwischen Ultraschallwandler bei einer Ultraschallmessung bzw. einen Laufzeitunterschied.
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Im einfachsten Fall wird die Volumengröße im ersten Betriebsmodus um die Durchflussmessgröße erhöht. Ausnahme ist hierbei der Übergang von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus, da hierbei, wie obig erläutert, zusätzlich die vorgegebene Anzahl der vorangehenden Durchflussmessgrößen berücksichtigt wird. Beispielsweise kann in diesem Fall die Erhöhung der Volumengröße vom Mittelwert der aktuellen Durchflussmessgröße und der vorgegebenen Anzahl der vorangehenden Durchflussmessgrößen abhängen. Es ist jedoch auch möglich, dass die aktuelle Durchflussmessgröße skaliert wird, um die Volumengröße im ersten Betriebsmodus zu erhöhen oder dass die Erhöhung der Volumengröße durch einen funktionalen Zusammenhang zwischen der addierten Größe und der aktuellen Durchflussmessgröße vorgegeben ist.
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Die Verarbeitungseinrichtung kann derart eingerichtet sein, dass die Umschaltbedingung erfüllt ist oder nur dann erfüllbar ist, wenn die aktuelle Durchflussmessgröße und/oder ein Mittelwert der aktuellen Durchflussmessgröße und der vorgegebenen Anzahl der vorangehenden Durchflussmessgrößen und/oder ein Volumenstrom, der aus der aktuellen Durchflussmessgröße oder dem Mittelwert ermittelt wird, einen jeweiligen Grenzwert überschreitet. Anders ausgedrückt soll die Verarbeitungseinrichtung insbesondere im ersten Betriebsmodus betrieben werden, wenn die aktuelle Durchflussmessgröße bzw. der Mittelwert indiziert, dass ein ausreichend hoher Durchfluss vorliegt, um die Durchflussmesseinrichtung in einem Durchflussbereich zu betreiben.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Umschaltbedingung den Mittelwert der aktuellen Durchflussmessgröße und der vorgegebenen Anzahl der vorangehenden Durchflussmessgrößen oder einen aus diesem Mittelwert ermittelten Volumenstrom auswertet, also beispielsweise wie obig erläutert mit einem Grenzwert vergleicht. Hierdurch kann erreicht werden, dass einzelne hohe aktuelle Durchflussmessgrößen, die beispielsweise durch eine Störung der Messung verursacht sein können, typischerweise nicht zu einem Wechsel in den ersten Betriebsmodus führen, sondern dass nur signifikante Messeffekte einen Wechsel in den ersten Betriebsmodus auslösen.
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Die Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Grenzwert in Abhängigkeit von zum aktuellen Messzeitpunkt und/oder zu vorangehenden Messzeitpunkten erfassten Messdaten des wenigstens einen Sensors und/oder wenigstens eines weiteren Sensors der Messeinrichtung vorzugeben. Insbesondere kann der Grenzwert über relativ lange Zeiträume angepasst werden, beispielsweise um eine Sensoralterung bzw. eine Verschmutzung des Messvolumens zu berücksichtigen. Dies kann beispielsweise bei Ultraschallzählern dadurch realisiert werden, dass Amplituden der durch Ultraschallwandler bereitgestellten Messsignale ausgewertet werden. Ein Sinken dieser Amplituden kann beispielsweise auf eine Verschmutzung hinweisen, was dazu führen kann, dass die Durchflussmessgrößen stärker durch Rauschen beaufschlagt sind. Dies kann beispielsweise eine Erhöhung des Grenzwerts erfordern. Ein anderes Beispiel für die Anpassung des Grenzwertes ist eine temperaturabhängige Anpassung, wobei die Temperatur beispielsweise über einen weiteren Sensor der Durchflussmesseinrichtung erfasst werden kann. Alternativ können auch zur Ermittlung der Durchflussmessgröße genutzte Sensoren genutzt werden, um eine Temperatur zu ermitteln. Beispielsweise kann eine Temperatur eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen im Fluid beeinflussen, so dass eine Summe der Laufzeiten von Ultraschallwellen zwischen Ultraschallwandlern in beide Richtungen mit der Temperatur korreliert.
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Die Verarbeitungseinrichtung kann derart eingerichtet sein, dass die Erhöhung der Volumengröße bei Erfüllung der Umschaltbedingung proportional zu dem Mittelwert der aktuellen Durchflussmessgröße und der vorgegebenen Anzahl vorangehender Durchflussmessgrößen oder zu einem aus diesem Mittelwert ermittelten Volumenstromwert ist. Anders ausgedrückt erfolgt eine gleitende Mittelwertbildung für die Durchflussmessgröße. Der Proportionalitätsfaktor kann beispielsweise so gewählt werden, dass er um eins höher ist als die Anzahl der berücksichtigten vorangehenden Durchflussmessgrößen. Die Erhöhung entspricht dann der Summe der berücksichtigten vorangehenden Durchflussmessgrößen und der aktuellen Durchflussmessgröße. Somit kann ein Durchfluss für eine vorgegebene Anzahl vorangehender Messzeitpunkte mitberücksichtigt werden, selbst wenn die Durchflussmesseinrichtung während dieser Messzeitpunkte im zweiten Betriebsmodus betrieben wurde und die ermittelten Durchflussmessgrößen somit zunächst nicht genutzt wurden, um die Volumengröße zu erhöhen. Da eine solche Addition jedoch erst erfolgt, wenn die Umschaltbedingung erfüllt ist und somit ein Wechsel vom zweiten in den ersten Betriebsmodus erfolgt, werden diese Messzeitpunkte innerhalb des zweiten Betriebsmodus nur dann berücksichtigt, wenn kurz nach den Messzeitpunkten ein Wechsel in den ersten Betriebsmodus erfolgt, also wenn für diese Messzeitpunkte voraussichtlich ein Ansteigen des Durchflusses auf ein für den ersten Betriebsmodus ausreichendes Niveau vorliegt. Anders ausgedrückt werden in dem zweiten Betriebsmodus ermittelte Durchflussmessgrößen nur dann berücksichtigt, wenn die Erfüllung der Umschaltbedingung innerhalb einer vorgegebenen Anzahl von Messzeitpunkten nach dieser Ermittlung indiziert, dass diesen Durchflussmessgrößen ein realer, signifikanter Messeffekt zugrunde liegt und entsprechende Werte nicht nur durch Messrauschen oder Störungen hervorgerufen wurden.
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Um eine Überbewertung des so ermittelten Mittelwertes bzw. Volumenstromwerts zu vermeiden, kann der Proportionalitätsfaktor reduziert werden, wenn der Betrieb im zweiten Betriebsmodus nur kurz war, also insbesondere wenn für weniger Messzeitpunkte Durchflussmessgrößen im zweiten Betriebsmodus ermittelt und vorübergehend gespeichert wurden, als die Anzahl der berücksichtigten vorangehenden Durchflussmessgrößen. Beispielsweise kann der Proportionalitätsfaktor auf die Anzahl der vorangehenden konsekutiven Messungen im ersten Betriebsmodus plus eins begrenzt werden.
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Ein ähnlicher Effekt wie die obig beschriebene Reduzierung des Proportionalitätsfaktors kann auch erreicht werden, wenn statt einer fest vorgegebenen Anzahl der berücksichtigten vorangehenden Durchflussmessgrößen diese Anzahl so gewählt wird, dass sie weder einen vorgegebenen Grenzwert noch die Anzahl der unmittelbar vorangehend im zweiten Betriebsmodus erfassten Durchflussmessgrößen übersteigt. Hierdurch können insbesondere im ersten Betriebsmodus ermittelte Durchflussmessgrößen, die bereits unmittelbar zur Erhöhung der Volumengröße herangezogen wurden, nicht erneut bei der Erfüllung der Umschaltbedingung berücksichtigt werden, um ein doppeltes Zählen entsprechender Volumen zu vermeiden.
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In einigen Anwendungsfällen, z. B. wenn ein Ermitteln von zu hohen Volumengrößen robust vermieden werden soll, kann es vorteilhaft sein, einen kleineren Proportionalitätsfaktor, beispielsweise auch einen Proportionalitätsfaktor von eins bzw. eine Konstante die durch die Messparameter der Einrichtung vorgegeben ist, zu nutzen. Die Nutzung der vorangehenden Durchflussmessgrößen bei Erfüllung der Umschaltbedingung dient in diesen Fällen primär dazu, ein definiertes Verhalten der Durchflussmesseinrichtung bei Eintritt in den ersten Betriebsmodus zu erreichen und weniger dazu, auch Volumenströme während des Betriebs im zweiten Betriebsmodus zu berücksichtigen.
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Bei einem Betrieb im ersten Betriebsmodus kann für Messzeitpunkte nach einem Messzeitpunkt, zudem aufgrund einer Erfüllung der Umschaltbedingung von dem zweiten in den erste Betriebsmodus umgeschaltet wurde, die Erhöhung der Volumengröße von den vorangehenden Durchflussmessgrößen unabhängig sein. Anders ausgedrückt werden die vorangehend ermittelten Durchflussmessgrößen ausschließlich beim Umschalten in den ersten Betriebsmodus genutzt und im weiteren Betrieb innerhalb des ersten Betriebsmodus wird auf eine Berücksichtigung dieser Durchflussmessgrößen verzichtet. Somit finden insbesondere keine Vormittelung der aktuellen Durchflussmessgröße mit den vorangehenden Durchflussmessgrößen statt, sondern die Erhöhung der Volumengröße folgt unmittelbar anhand der aktuellen Durchflussmessgröße.
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Der Datenspeicher kann insbesondere als Ringspeicher implementiert sein, so dass durch das Ablegen des aktuellen Durchflussmesswerts in dem Datenspeicher der älteste in dem Datenspeicher befindliche vorangehende Durchflussmesswert überschrieben wird. Hierdurch kann einerseits ein relativ kleiner Datenspeicher genutzt werden. Andererseits kann bei geeigneter Wahl der Länge des Ringspeichers eine besonders effiziente Datenverarbeitung erfolgen. Wird beispielsweise die Länge des Ringspeichers so gewählt, dass er eine Durchflussmessgröße mehr speichern kann, als die vorgegebene Anzahl der vorangehenden Durchflussmessgrößen, so kann zum jeweiligen Messzeitpunkt die aktuelle Durchflussmessgröße neu in den Ringspeicher gespeichert werden und anschließend können alle im Ringspeicher gespeicherten Durchflussmessgrößen berücksichtigt werden, beispielsweise um wie obig erläutert einen Mittelwert zu ermitteln.
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Die erfindungsgemäße Durchflussmesseinrichtung kann als Sensoren zwei Ultraschallwandler umfassen, die voneinander beabstandet an dem Messvolumen angeordnet sind, wobei die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet sein kann, jeweils einen der Ultraschallwandler zur Anregung einer Ultraschallwelle in dem Fluid anzusteuern und anhand der Messdaten des jeweils anderen Ultraschallwandlers eine Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen den Ultraschallwandlern zu bestimmten und die aktuelle Durchflussmessgröße in Abhängigkeit der Laufzeit zu ermitteln. Die Ultraschallwandler können beispielsweise unmittelbar mit dem Fluid schwingungsgekoppelt sein und die Ultraschallwelle schräg in ein Messrohr abstrahlen, so dass sie durch die Messrohrwände reflektiert werden kann, um zum anderen Ultraschallwandler zu gelangen bzw. das Fluid schräg durchstrahlen kann, um zum anderen Ultraschallwandler zu gelangen. Alternativ ist es beispielsweise möglich, Spiegel zu nutzen, um die eingestrahlte Ultraschallwelle umzulenken und/oder zunächst die Wände des Messvolumens zu Schwingungen anzuregen, die wiederum die Ultraschallwelle in das Fluid ankoppeln. Beispielsweise kann eine Lamb-Welle in die Seitenwand eingekoppelt werden.
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Wie bereits eingangs erläutert, können bei Durchflussmesseinrichtungen auf Basis von Laufzeitmessungen bei geringen Durchflüssen merkliche Messfehler auftreten, die durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Durchflussmesseinrichtung reduziert oder sogar weitgehend kompensiert werden können.
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Die aktuelle Durchflussmessgröße kann einen Volumenstrom oder eine Laufzeit einer Ultraschallwelle zwischen zwei als Sensor genutzten Ultraschallwandlern oder einen Laufzeitunterschied zwischen diesen Laufzeiten für unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen der Ultraschallwelle beschreiben. Ein Volumenstrom kann unmittelbar als physikalische Größe oder auch als hierzu proportionaler Zählwert oder ähnliche als Durchflussmessgröße ermittelt werden.
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Die Verarbeitungseinrichtung kann derart eingerichtet sein, dass sie, wenn während eines Betriebs im ersten Betriebsmodus eine Rückschaltbedingung erfüllt ist, deren Erfüllung von der aktuellen Durchflussmessgröße abhängt, in den zweiten Betriebsmodus umschaltet. Die Rückschaltbedingung kann insbesondere die Nichterfüllung der Umschaltbedingung sein. Es ist auch möglich, dass die Rückschaltbedingung der Nichterfüllung der Umschaltbedingung zwar im Wesentlichen entspricht, jedoch für die Rückschaltbedingung und die Umschaltbedingung unterschiedliche Grenzwerte genutzt werden. Dies kann beispielsweise dazu dienen, ein hysteretisches Umschalten zwischen den Betriebsmodi zu implementieren und hierdurch aus einem häufigen Wechsel zwischen den Betriebsmodi potentiell resultierende Fehler zu unterdrücken.
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Die Erfüllung der Rückschaltbedingung kann insbesondere von dem Mittelwert der aktuellen Durchflussmessgröße und der vorgegebenen Anzahl der vorangehenden Durchflussmessgrößen abhängen, beispielsweise von einem Vergleich dieses Mittelwerts oder des aus diesem Mittelwert ermittelten Volumenstroms mit dem oder einem weiteren Grenzwert.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten zeigen die folgenden Ausführungsbeispiele sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Durchflussmesseinrichtung,
- 2 relevante Verarbeitungsmodule und Datenstrukturen, die durch die Verarbeitungseinrichtung der in 1 gezeigten Durchflussmesseinrichtung implementiert werden,
- 3 Verarbeitungsschritte, die durch diese Steuereinrichtung zur Ermittlung der Volumengröße durchgeführt werden, und
- 4 einen beispielhaften Verlauf von Durchflussmessgrößen.
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1 zeigt eine Durchflussmesseinrichtung 1, die als Sensoren 3, 4 zwei Ultraschallwandler umfasst, die voneinander beabstandet an einem Messvolumen 2, im Beispiel an einem Messrohr, angeordnet sind, wobei Messdaten der Sensoren 3, 4 durch eine Verarbeitungseinrichtung 5 verarbeitet werden, um eine Volumengröße zu bestimmen, die ein seit Messbeginn durch das Messvolumen 2 der Durchflusseinrichtung 1 geströmtes Fluidvolumen betrifft.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Ultraschallwandler in unmittelbarem Kontakt zu dem Fluid und durchstrahlen dieses, wie durch die Pfeile 25 angedeutet ist, diagonal mit einer Ultraschallwelle. In alternativen Ausgestaltungen könnte die Ultraschallwelle beispielsweise senkrecht zur Strömungsrichtung eingekoppelt werden und anschließend durch Ultraschallspiegel parallel zur Strömungsrichtung umgelenkt werden. Es wäre auch möglich, die Ultraschallwandler außenseitig an der Wand des Messvolumens 2 anzuordnen und durch diese beispielsweise eine geführte Welle in die Seitenwand einzukoppeln, die wiederum Kompressionswellen im Fluid auslöst. Eine Vielzahl verschiedener Ansätze zur Implementierung von Ultraschalldurchflusszählern sind prinzipiell bekannt. Das beschriebene Vorgehen zur Weiterverarbeitung der jeweiligen Messdaten kann für all diese Zählertypen genutzt werden. Allgemein kann es auch auf andere Durchflussmesseinrichtungen, beispielsweise Flügelradzähler oder thermische Durchflusszähler, übertragen werden.
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Die Funktion der Verarbeitungseinrichtung 5 wird im Folgenden mit zusätzlichem Bezug auf die 2 und 3 erläutert, die relevante Verarbeitungsmodule und Datenstrukturen bzw. die durchgeführten Verarbeitungsschritte zeigen. Die beschriebenen Eigenschaften können beispielsweise implementiert werden, indem die Verarbeitungseinrichtung durch ein entsprechendes in der Durchflussmesseinrichtung gespeichertes Computerprogramm entsprechend programmiert ist. Alternativ können auch Teile der erläuterten Funktionen oder sogar alle Funktionen durch eine dedizierte Schaltung implementiert werden. Bei Ultraschallzählern werden typischerweise Teile der Datenverarbeitung durch dedizierte Komponenten, also beispielsweise durch Komparatoren, Logikgatter, etc. implementiert und Teile der Datenverarbeitung erfolgen durch eine entsprechend programmierte Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise ein Microcontroller.
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Im Rahmen der folgenden Erläuterung der Funktion der Durchflussmesseinrichtung wird zunächst davon ausgegangen, dass ein Fluid im Messvolumen 2 zunächst mit sehr niedriger Geschwindigkeit strömt bzw. steht. In diesem Fall wird die Verarbeitungseinrichtung 5 zunächst in einem zweiten Betriebsmodus betrieben, in den eine Volumengröße 13 unverändert bleibt.
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Bei einem Betrieb im ersten Betriebsmodus wird zu jedem Messzeitpunkt im Schritt S1 zunächst eine aktuelle Durchflussmessgröße ermittelt, die einen aktuellen Volumenstrom betrifft. Bei dem in 1 gezeigten Ultraschallzähler hängt die Laufzeit der Ultraschallwelle von dem Sensor 3 zu dem Sensor 4 bzw. die Laufzeit von dem Sensor 4 zu dem Sensor 3 jeweils von der Geschwindigkeit des Fluids in dem Messvolumen 2 und somit von dem Volumenstrom ab. Somit könnte eine solche Laufzeit unmittelbar als Durchflussmessgröße 6 genutzt werden. Beispielhaft soll jedoch angenommen werden, dass die Durchflussmessgröße 6 unmittelbar einen Volumenstrom beschreibt. Hierzu kann die Verarbeitungseinrichtung 5 dazu eingerichtet sein, einen Laufzeitunterschied zwischen der Laufzeit einer Ultraschallwelle vom Sensor 3 zum Sensor 4 und einer Ultraschallwelle vom Sensor 4 zum Sensor 3 zu ermitteln und aus dieser Laufzeitdifferenz eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Messvolumen 2 und somit bei bekannter Geometrie des Messvolumens 2 einen Volumenstrom zu berechnen.
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In Schritt S2 wird die aktuelle Durchflussmessgröße 6 in einen Datenspeicher 7 geschrieben. Der Datenspeicher 7 kann beispielsweise ein Ringspeicher sein, so dass nach einer vorgegebenen Anzahl von solchen Schreibvorgängen die jeweils älteste Durchflussmessgröße überschrieben wird. Das Schreiben der jeweils aktuellen Durchflussmessgröße 6 in den Datenspeicher 7 führt dazu, dass sich nach einigen Messzeitpunkten in dem Datenspeicher 7 neben der aktuellen Durchflussmessgröße 6 stets eine vorgegebene Anzahl von vorangehenden Durchflussmessgrößen 26 befindet, die zu vorangehenden Messzeitpunkten ermittelt wurden.
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In Schritt S3 wird ein Mittelwert 8 aller im Datenspeicher 7 gespeicherten Durchflussmessgrößen 6, 26 gebildet, also ein Mittel der aktuellen Durchflussmessgröße 6 und der vorgegebenen Anzahl der vorangehenden Durchflussmessgrößen 26.
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In Schritt S4 wird anschließend geprüft, ob eine Umschaltbedingung 9 erfüllt ist. Die Umschaltbedingung kann insbesondere erfüllt sein, wenn die aktuelle Durchflussmessgröße 6 oder der Mittelwert 8 größer als ein jeweiliger Grenzwert 11 ist. Anders ausgedrückt soll die Umschaltebedingung dann erfüllt sein, wenn ein ausreichender Volumenstrom vorzuliegen scheint, um einen normalen Messbetrieb aufzunehmen bzw. fortzusetzen. Bei Nichterfüllung der Umschaltebedingung 9 verbleibt die Verarbeitungseinrichtung 5 im zweiten Betriebsmodus. Da sich die Verarbeitungseinrichtung 5 im zweiten Betriebsmodus befindet, in dem die Volumengröße unverändert bleiben soll, wird bei Nichterfüllung der Umschaltbedingung 9 ein Null-Wert 10 ausgewählt, der zur Volumengröße 13 addiert wird, so dass diese unverändert bleibt. Eine solche Addition von Null-Werten kann bei einigen Implementationsansätzen vorteilhaft sein. Alternativ wäre es offensichtlich auch möglich, im zweiten Betriebsmodus vollständig auf eine solche Addition zu verzichten. Das Verfahren wird anschließend ab Schritt S1 wiederholt.
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Wird die Umschaltebedingung 9 hingegen in Schritt S4 erfüllt, so erfolgt in Schritt S5 eine Umschaltung der Verarbeitungseinrichtung 5 in den ersten Betriebsmodus. Hierbei wird einmalig im Rahmen dieser Umschaltung der Mittelwert 8, insbesondere nach einer Skalierung, durch die Additionsstufe 12 zu der Volumengröße 13 addiert. Hierbei kann zur Skalierung ein Proportionalitätsfaktor genutzt werden, der gleich der Anzahl der im Datenspeicher 7 gespeicherten Durchflussmessgrößen 6, 26 ist. Somit werden beim Umschalten nicht nur die aktuelle Durchflussmessgröße sondern auch die typischerweise im zweiten Betriebsmodus ermittelten vorangehenden Durchflussmessgrößen 26 berücksichtigt. Dadurch dass die vorangehenden Messgrößen 26 jedoch erst bei einer Umschaltung in den ersten Betriebsmodus berücksichtigt werden, ist sichergestellt, dass der Beitrag dieser vorangehenden Durchflussmessgrößen 26 nicht ausschließlich aus Rauschen, Störungen oder Ähnlichem resultiert, sondern dass ein tatsächlicher Messeffekt zugrunde liegt, der auch den Wechsel in den ersten Betriebsmodus veranlasst.
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Alternativ wäre es auch möglich, statt der Ermittlung des Mittelwertes 8 und der anschließenden Skalierung die Durchflussmessgrößen 6, 26 im Datenspeicher 7 unmittelbar zu addieren. Wie später noch mit Bezug auf 4 erläutert werden wird, ermöglicht es die Ermittlung eines Mittelwertes 8 und die Nutzung einer anschließenden Skalierung jedoch, bedarfsgerecht auch kleinere Proportionalitätsfaktoren zu nutzen, beispielsweise wenn nur ein sehr kurzfristiger Betrieb im zweiten Betriebsmodus erfolgte und eine Erhöhung der Volumengröße 13 um die Summe aller Durchflussmessgrößen 6, 26 im Datenspeicher 7 somit zu einem doppelten Zählen einzelner Durchflussmessgrößen führen würde.
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Nach Schritt S5 erfolgt für den folgenden Messzeitpunkt ein Betrieb im ersten Betriebsmodus. Hierbei werden im Schritt S6, wie bereits zu Schritt S1 erläutert, zunächst Messwerte erfasst und hieraus die aktuelle Durchflussmessgröße 6 ermittelt. Diese wird im Schritt S7 wiederum, wie bereits zu Schritt S2 erläutert wurde, in den Datenspeicher 7 geschrieben und überschreibt hierbei insbesondere die älteste vorangehende Durchflussmessgröße.
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In Schritt S8 wird geprüft, ob eine Rückschaltbedingung erfüllt ist. Die Rückschaltbedingung ist insbesondere erfüllt, wenn die aktuelle Durchflussmessgröße 6 bzw. ein wie obig erläutert ermittelter Mittelwert 8 kleiner ist als ein Grenzwert. Eine Erfüllung der Rückschaltbedingung indiziert somit, dass nur sehr geringe Durchflüsse vorliegen und somit die ermittelten Durchflussmessgrößen potentiell stark fehlerbehaftet sind und somit zunächst nicht berücksichtigt werden sollten. Somit erfolgt bei Erfüllung der Rückschaltbedingung ein Wechsel in den zweiten Betriebsmodus und das Verfahren wird ab Schritt S3 wiederholt, womit insbesondere die Volumengröße 13 zunächst unverändert bleibt.
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Wird die Rückschaltbedingung in Schritt S8 hingegen nicht erfüllt, so wird, da als Betriebsmodus 11 mittlerweile der erste Betriebsmodus genutzt wird, unmittelbar die aktuelle Durchflussmessgröße 6 gewählt, um sie anhand der Addierstufe 12 zu der Volumengröße 13 zu addieren. Da die Änderung der Volumengröße 13 in Schritt S9 nach dem der Wechsel in den ersten Betriebsmodus und somit der einmaligen Berücksichtigung der vorgegebenen Anzahl der vorangehenden Durchflussmessgrößen 26 erfolgt, ist die Änderung der Volumengröße 13 unabhängig von den vorangehenden Durchflussmessgrößen 26.
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4 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf 27 von Durchflussmessgrößen. Hierbei ist auf der X-Achse 14 die Zeit und auf der Y-Achse 15 der Wert der jeweiligen aktuellen Durchflussmessgröße 6 eingezeichnet. Die aktuellen Durchflussmessgrößen 6 zu den verschiedenen Messzeitpunkten sind als Kreuze dargestellt. Zudem ist in 4 für den fünften und alle folgenden Messzeitpunkte jeweils der Mittelwert 8 aus der zu diesem Zeitpunkt aktuellen Durchflussmessgröße 6 und den vier vorangehenden Durchflussmessgrößen 26 als Kreis dargestellt. Die vier berücksichtigten vorangehenden Durchflussmessgrößen 26 entsprechen hierbei den aktuellen Durchflussmessgrößen 6 zu den vier unmittelbar vorangehenden Messzeitpunkten.
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Zudem ist in 4 der Grenzwert 11 eingezeichnet, bei dessen Überschreiten durch den jeweiligen aktuellen Durchflussmesswert 6 oder den Mittelwert 8 ein Betrieb im bzw. ein Wechsel in den ersten Betriebsmodus 18 erfolgen soll. Bei Unterschreiten des Grenzwerts soll hingegen ein Betrieb im bzw. ein Wechsel in den zweiten Betriebsmodus 17 erfolgen. Zunächst wird ein Messbetrieb erläutert, der bei einem unmittelbaren Vergleich der aktuellen Durchflussmessgröße 6 mit dem Grenzwert 11 resultiert. Wie anschließend erläutert werden wird, kann vorteilhaft stattdessen der Mittelwert 8 mit dem Grenzwert verglichen werden.
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Bei dem gezeigten zeitlichen Verlauf 27 der Durchflussmessgröße 6 erfolgt zunächst ein Betrieb im zweiten Betriebsmodus 17. Erst am Messzeitpunkt 16 überschreitet die aktuelle Durchflussmessgröße 6 den Grenzwert 11, so dass die Umschaltbedingung erfüllt ist. Die Durchflussmessgrößen 19, die sich zu diesem Zeitpunkt im Datenspeicher 7 befinden, sind in 4 markiert. Da die vorangehenden Durchflussmessgrößen 26 zum Messzeitpunkt 16 relativ niedrige Werte aufweisen, beeinflusst die Berücksichtigung der vorangehenden Durchflussmessgrößen 26, beispielsweise in dem Fall, in dem die Summe aller im Datenspeicher 7 enthaltenen Durchflussmessgrößen zur Volumengröße 13 addiert wird, diese nur wenig. Vorangehende Durchflussmessgrößen 26, die primär durch Rauschen oder Störungen verursacht sind, beeinflussen somit die Volumengröße 13 nur geringfügig.
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Zum Messzeitpunkt 20 wird eine sehr geringe aktuelle Durchflussmessgröße 6 erfasst, womit zunächst ein Rückwechsel in den ersten Betriebsmodus 17 erfolgt. Nachfolgend steigen die aktuellen Durchflussmessgrößen 6 im Wesentlichen kontinuierlich an, was beispielsweise auf ein langsames Öffnen eines Ventils oder Ähnliches hindeutet. Der Grenzwert 11 wird jedoch erst zum Messzeitpunkt 21 wieder überschritten. Die zu diesem Zeitpunkt 21 im Datenspeicher 7 befindlichen Durchflussmessgrößen 28 sind wiederum markiert. Die vorangehenden Durchflussmessgrößen 26 liegen in diesem Fall relativ nah am Grenzwert 11, so dass durch Berücksichtigung dieser vorangehenden Durchflussmessgrößen die Volumengröße 13 deutlich erhöht werden kann und somit auch Durchflüsse, die innerhalb des zweiten Betriebsmodus vorliegen, zu einem relativ großen Teil bei der Ermittlung der Volumengröße 13 berücksichtigt werden können.
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Zum Ende des zeitlichen Verlaufs 27 hin fällt die aktuelle Durchflussmessgröße 6 zum Messzeitpunkt 22 kurzzeitig unter den Grenzwert 11, um anschließend zum Messzeitpunkt 23 wieder über den Grenzwert 11 zu steigen. Somit erfolgt ein rascher Wechsel zwischen den Betriebsmodi 17, 18. Die zum Messzeitpunkt 23 im Datenspeicher 7 befindlichen Durchflussmessgrößen 24 sind in 3 wieder hervorgehoben. In dem gezeigten Fall würde eine Erhöhung der Volumengröße um die Summe aller im Datenspeicher 7 enthaltenen Durchflussmessgrößen 24 dazu führen, dass drei der vorangehenden Durchflussmessgrößen 26 bereits zum Zeitpunkt ihrer Ermittlung berücksichtigt werden, da sie während eines Betriebs im ersten Betriebsmodus 18 ermittelt werden, und zudem erneut zum Messzeitpunkt 23. Dies wurde zu einer künstlichen Erhöhung der Volumengröße 13 in einigen Betriebssituationen führen.
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Um dies zu vermeiden, wird wie obig erläutert für die Durchflussmessgrößen 6, 26 bzw. 24 im Datenspeicher 7 der Mittelwert 8 berechnet und anschließend durch einen Proportionalitätsfaktor skaliert. Im Beispiel befinden sich im Datenspeicher 7 fünf Durchflussmessgrößen 6, 26. Somit entspricht ein Proportionalitätsfaktor von fünf bei der Skalierung einer Summenbildung. Zum Messzeitpunkt 23 kann jedoch erkannt werden, dass nur eine einzige der vorangehenden Durchflussmessgrößen 26 im zweiten Betriebsmodus 17 erfasst wurde, so dass statt einem Skalierungsfaktor von fünf beispielsweise ein Skalierungsfaktor von zwei genutzt werden kann. Alternativ wäre es in solchen Fällen möglich, die vorgegebene Anzahl der berücksichtigten vorangehenden Durchflussmessgrößen 26 entsprechend zu reduzieren.
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Bei dem obig erläuterten Vorgehen können einzelne, besonders hohe oder besonders niedrige aktuelle Durchflussmessgrößen 6, wie sie in 4 für die Messzeitpunkte 16 und 22 dargestellt sind, zu einem Wechsel des genutzten Betriebsmodus führen, obwohl entsprechende Sprünge der Durchflussmessgröße häufig durch Störungen der Messung verursacht sind und nicht durch tatsächliche Durchflussänderungen. Die Auswirkungen solcher Störungen werden durch das oben beschriebene Vorgehen zwar reduziert, die Messgenauigkeit kann jedoch weiter verbessert werden, wenn im Rahmen der Umschaltbedingung bzw. der Rückschaltbedingung statt der jeweiligen aktuellen Durchflussmessgröße 6 der Mittelwert 8 aus der aktuellen Durchflussmessgröße 6 und einer vorgegebenen Anzahl, im Beispiel vier, der vorangehenden Durchflussmessgrößen 26 berücksichtigt wird, also insbesondere mit dem Grenzwert 11 verglichen wird.
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Im gezeigten Beispiel liegt der Mittelwert 8 der Durchflussmessgrößen 19 zum Messzeitpunkt 16 unterhalb des Grenzwertes 11, so dass das problematische kurzzeitige Umschalten in den ersten Betriebsmodus 18 unterdrückt wird. Ebenso liegt der Mittelwert 8 zum Messzeitpunkt 22 oberhalb des Grenzwertes 11, so dass das problematische kurzzeitige Umschalten in den zweiten Betriebsmodus 17 unterdrückt wird.
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Ein Umschalten in den ersten Betriebsmodus 18 erfolgt bei einem Umschalten auf Basis des Mittelwertes 8 im gezeigten Beispiel erst zum Messzeitpunkt 29, zu dem der Mittelwert 8 der Durchflussmessgrößen 30 den Grenzwert 11 überschreitet, und somit erst dann, wenn ein zeitlich ausgedehnter Anstieg bzw. ein sehr hoher Wert der aktuellen Durchflussmessgröße eine tatsächliche Durchflusssteigerung indiziert. Verglichen mit dem obig erläuterten Umschalten auf Basis des aktuellen Durchflussmesswertes 6 ohne eine vorangehende Durchschnittsbildung erfolgt die Umschaltung in den ersten Betriebsmodus etwas später, was zu einer geringfügigen Unterschätzung der Volumengröße führen kann. Dies wird jedoch typischerweise weitgehend durch die Erhöhung der Volumengröße auf Basis des Mittelwertes 8 bei der Umschaltung kompensiert, da hierdurch auch vor der Umschaltung erfasste Durchflussmessgrößen mitberücksichtigt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Durchflussmesseinrichtung
- 2
- Messvolumen
- 3
- Sensor
- 4
- Sensor
- 5
- Verarbeitungseinrichtung
- 6
- Durchflussmessgröße
- 7
- Datenspeicher
- 8
- Mittelwert
- 9
- Umschaltbedingung
- 10
- Null-Wert
- 11
- Grenzwert
- 12
- Addierstufe
- 13
- Volumengröße
- 14
- X-Achse
- 15
- Y-Achse
- 16
- Messzeitpunkt
- 17
- Betriebsmodus
- 18
- Betriebsmodus
- 19
- Durchflussmessgrößen
- 20
- Messzeitpunkt
- 21
- Messzeitpunkt
- 22
- Messzeitpunkt
- 23
- Messzeitpunkt
- 24
- Durchflussmessgrößen
- 25
- Pfeil
- 26
- Durchflussmessgrößen
- 27
- Verlauf
- 28
- Durchflussmessgrößen
- 29
- Messzeitpunkt
- 30
- Durchflussmessgrößen
