DE69309100T2

DE69309100T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung eines Flüssigkeitsstromes

Info

Publication number: DE69309100T2
Application number: DE69309100T
Authority: DE
Inventors: Albertus Theodorus 1034 Bp Amsterdam Huiberts
Original assignee: Gascontrol BV
Current assignee: Gascontrol BV
Priority date: 1992-11-02
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: WO1994010540A1; EP0670034A1; AU670162B2; US5869758A; ATE150546T1; DE69309100D1; CA2147619C; AU5576994A; CA2147619A1; NL9201906A; EP0670034B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.
Ein Verfahren der oben genannten Art ist in der EP-A-0269823 offenbart. Diese Druckschrift zum Stande der Technik beschreibt nicht die Art des benutzten Sensors oder der benutzten Erfassungseinrichtung. Die Erfassungseinrichtung ist in einen Spannungsteiler geschaltet. Während zweiter Zeitintervalle wird ein Meßstrom durch den gesamten Spannungsteiler geleitet und wird von einem Knotenpunkt des Spannungsteilers ein Signal abgeleitet, das einen elektrischen Parameter widergibt, der von der Temperatur der Erfassungseinrichtung abhängt. Dieses Signal wird einer Anzahl an Komparatoren zugeführt, von denen jeder zusätzlich eine andere Schwellenspannung empfängt. Die Schwellenspannungen sind vorher so gewählt, daß sie in einer bestimmten Weise nach einer oder mehreren Gleichungen in Beziehung stehen, deren Anzahl von der Anzahl von Komparatoren und von der angenommenen exponentiellen Entwicklung der Abkühlung der Erfassungseinrichtung abhängt. Am Anfang jedes zweiten Zeitintervalls wird jeder Komparator daher einen Impuls liefern und die Impulse von den Komparatoren werden verschiedene Dauer haben. Aus den Zeiten zwischen den nachlaufenden Flanken der Impulse, welche Zeiten jeweils einer bestimmten Temperatur der Erfassungseinrichtung entsprechen, wird ein Durchsatzwert bestimmt. Obwohl die Druckschrift die Verwendung mehrerer Erfassungseinrichtungen mit identischen oder verschiedenen Charakteristiken beschreibt, sagt diese Druckschrift nichts über die Positionierungen der Erfassungseinrichtung und nichts über die Strömungscharakteristik an diesen Positionen aus.
Die DE-Al-3210888 beschreibt ein Verfahren zum Messen des Durchsatzes eines Mediums, das die Verwendung eines Strömungskanals mit Meßstellen mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten für irgendeinen Durchsatz zu einem Zeitpunkt einschließt. An jeder Meßstelle ist ein Wärmezuführungselement angeordnet und in einem geringen Abstand stromabwärts davon ist ein Temperatursensor angeordnet. Die Wärmezuführungselemente eignen sich dazu, Wärme auf das Medium, und zwar auf einen elektrischen Stromimpuls ansprechend zu übertragen, der von einem Impulsgenerator empfangen wird. Die Zeit, die zwischen der Zuführung eines Heizstromimpulses zu einem Wärmezuführungselement einer Meßstelle und dem Empfang eines Meßsignals vom Temperatursensor der Meßstelle vergeht, ist ein Maß, das für die Bestimmung eines Durchsatzwertes verwandt wird. Die verschiedenen Meßstellen mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten werden dazu benutzt, eine Messung des Durchsatzes mit der höchsten Genauigkeit auszuwählen.
Die US-A-4653321 beschreibt ein Verfahren zum Messen des Durchsatzes eines Mediums, das die Verwendung von wenigstens zwei Strömungskanälen mit verschiedenen Größen einschließt, von denen jeder ein wärmeempfindliches Widerstandselement, wie beispielsweise einen Thermistor enthält. Jeder Strömungskanal ist mit einer Öffnung versehen, die für eine genaue Korrelation und Messung wichtig ist, da die Öffnung die Empfindlichkeit der Eichung des Systems auf Änderungen im System herabsetzt. Der Temperatursensor in jedem Kanal ist direkt stromabwärts von der Öffnung angeordnet. Einige Strömungskanäle sind mit Ventilen versehen, die elektrisch mit einer elektronischen Steuerung verbunden sind und durch diese betätigt werden. Das Ausgangssignal eines Sensors liegt an einer zugehörigen Brückenschaltung, die dann die elektronische Steuerung mit der gewünschten Durchsatzinformation oder mit einer elektrischen Information versorgt, von der diese Information durch die elektronische Steuerung berechnet werden kann. In Abhängigkeit vom Durchsatz öffnet oder schließt die elektronische Steuerung ein oder mehrere Ventile, um für einen breiten Durchsatzmeßbereich zu sorgen. Jede Brücke ist mit einem Differentialverstärker verbunden, dessen Ausgang mit einem Versorgungsknotenpunkt der Brücke verbunden ist, was eine Rückkopplung zur Brücke darstellt. Der Sensor empfängt fortlaufend einen elektrschen Strom vom Ausgang des Verstärkers. Dieser Strom hängt von der Temperatur des Sensors ab, welche Temperatur vom Durchsatz im zugehörigen Unterkanal abhängt. Obwohl die Druckschrift die Verwendung von Strömungskanälen mit verschiedenen Größen beschreibt, beschreibt sie nicht eine solche Auslegung der Unterkanäle und Öffnungen, daß das Medium mit verschiedenen Geschwindigkeiten an den verschiedenen Meßstellen strömt. Darüberhinaus definiert jeder bekannte Unterkanal mehrere Meßbereiche individuell oder in Abhängigkeit davon, welche der anderen Unterkanäle geöffnet oder geschlossen sind. Darüberhinaus kann eine Geschwindigkeit des Mediums, das durch einen Unterkanal strömt, für mehrere Gesamtdurchsätze auftreten, und zwar in Abhängigkeit davon, welche anderen Unterkanäle geöffnet oder geschlossen sind.
Die bekannten Verfahren berücksichtigen nicht die Tatsache, daß während der Erwärmung einer Erfassungseinrichtung oder eines Sensors die Wärme zu den Anschlußdrähten der Erfassungseinrichtung und zum Gehäuse abfließen wird, in das die Erfassungseinrichtung eingesetzt ist, und daß während eines Abkühlintervalls Wärme vom Gehäuse und den Drähten zur Erfassungseinrichtung zurückfließen wird, was die Genauigkeit der Messung mit der Erfassungseinrichtung beeinflußt.
Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Messen des Durchsatzes eines Mediums mit höherer Genauigkeit als bei bekannten Verfahren zu schaffen, das sich zur Anwendung bei einer Vorrichtung eignet, die nur stationäre Bauteile hat.
Dieses Ziel wird durch das Verfahren nach dem Anspruch 1 erreicht.
Da für jedes erste Zeitintervall die Erwärmung einer Erfassungseinrichtung über eine feste Zeitdauer und mit im wesentlichen identischen Entwicklungskurven stattfindet, werden im wesentlichen identische Erwärmungsendtemperaturen am Ende aller ersten Zeitintervalle erhalten, wird während aller ersten Zeitintervalle im wesentlichen die gleiche Wärmemenge von der Erfassungseinrichtung, beispielsweise zu den Anschlußdrähten und zu einem Gehäuse abfließen und wird während der folgenden zweiten Zeitintervalle im wesentlichen dieselbe Wärmemenge zu der Erfassungseinrichtung zurückfließen. Die Meßgenauigkeit ist daher sehr wenig durch diesen Abfluß und Rückfluß von Wärme beeinflußt.
Vorzugsweise ist das Verfahren gemäß der Erfindung entsprechend Anspruch 2 gekennzeichnet. Durch diese Kennzeichnung kann eine Bezugsentwicklungskurve des elektrischen Parameters, der von der Temperatur der Erfassungseinrichtung abhängt, sehr genau approximiert werden.
Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, wie sie im Anspruch 13 beschrieben ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden sich aus der Beschreiung von Ausführungsbeispielen der Erfindung ergeben, die im folgenden anhand der zugehörigen Zeichnungen gegeben wird, in denen
Fig. 1 einen Querschnitt einer Meßanordnung für den Durchgang eines zu messenden Mediumstromes zeigt,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung der in Fig. 1 dargestellten Art zeigt,
Fig. 3 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Erfassungseinrichtung zur Verwendung bei der Anordnung von Fig. 1 oder Fig. 2 zeigt,
Fig. 4, 5 und 6 in Zeitdiagrammen mit gleichem zeitlichen Maßstab die Abkühlungskurven von Temperatursensoren in der Anordnung gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 zeigen,
Fig. 7 ein Zeitdiagramm von Abkühlungskurven zeigt, um die Verarbeitung der Meßsignale deutlich zu machen, die von den Temperatursensoren kommen,
Fig. 8 ein Zeitdiagramm von Linien zeigt, die die natürlichen Logarithmen der Abkühlungskurven wiedergeben, die in Fig. 4 bis Fig. 6 einschließlich dargestellt sind,
Fig. 9 ein elektrisches Schaltbild des wichtigsten elektronischen Bauteils eines Ausführungsbeispiels einer Meßvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 10 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Erwärmung eines Temperatursensors und zur Messung seiner Temperaturänderung zeigt,
Fig. 11 leer ist,
Fig. 12 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Erwärmung eines Temperatursensors und eines weiteren Verfahrens zum Messen seiner Temperaturänderung zeigt,
Fig. 13 ein elektrisches Schaltbild des wichtigsten elektronischen Bauteils eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Meßvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt und
Fig. 14 ein weiteres elektrisches Schaltbild des wichtigsten elektronischen Bauteils noch eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Meßvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.
Soweit es möglich ist, ist in den Figuren ein Strom Φ oder φ eines Mediums, das ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann, mit einem Pfeil dargestellt, der die Strömungsrichtung zeigt und der gleichfalls mit dem Symbol Φ oder φ jeweils dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung aus einem Hauptrohr 10, einer Trennwand 11, die lecksicher an der Innenwand des Rohres 10 befestigt ist, welche Trennwand 11 Perforationen aufweist, durch die eine Anzahl von Rohren, wie beispielsweise die Rohre 12, 13, 14 parallel zum Hauptrohr 10 in lecksicherer Weise hindurchgehen. Die Zirkulationsbereiche oder Querschnittsflächen der Bohrungen der Rohre 12, 13 und 14 sind A&sub1;, A&sub2; und A&sub3; jeweils, wobei gilt A&sub1;> A&sub2;> A&sub3;. Die Summe dieser Flächenbereiche läßt sich darstellen als ΣA = A&sub1; + A&sub2; + A&sub3;.
In jedem Rohr an einer Meßstelle ist eine Erfassungseinrichtung 15 angebracht, die der Einfachheit halber in der Zeichnung nur durch einen Punkt dargestellt ist und deren elektrischen Drähte, die zu den äußeren elektrischen Einrichtungen führen, nicht dargestellt sind. Der Einfachheit halber wird in der Beschreibung angenommen, daß die Erfassungseinrichtung 15 verglichen mit dem kleinsten Zirkulationsbereich der Rohre 12, 13 und 14 klein ist und im wesentlichen kein Hindernis für die Strömung in dem zugehörigen Rohr darstellt und gegebenenfalls in die Innenwand des Rohres eingepaßt ist.
Das Hauptrohr 10 bildet einen Hauptkanal 16, durch den der Mediumstrom Φ befördert wird. Die Rohre 12, 13 und 14 bilden Unterkanäle 17, 18 und 19 jeweils, zwischen denen der Strom Φ in φ&sub1;, φ&sub2; und φ&sub3; jeweils aufgeteilt wird.
Die Erfassungseinrichtung 15 ist im relevanten Mediumstrom φ&sub1; in jedem Kanal 12, 13, 14 positioniert.
Wie es im folgenden fur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden wird, kann die Erfassungseinrichtung 15 ein Heizelement und einen Temperatursensor umfassen, wobei der Temperatursensor kurzzeitig periodisch durch das Heizelement erwärmt wird, wonach die Temperaturänderung, die durch den Temperatursensor gemessen wird und in diesem Fall eine Abkühlung ist, gegenüber der Temperatur des ankommenden Stromes φ&sub1; überwacht und danach auf dieser Grundlage ein Wert für den Durchsatz des Stromes Φ gebildet wird.
Der Durchsatz eines Stromes durch ein Rohr i der Rohre 12, 13 und 14 kann gebildet werden durch:
φ&sub1; = [Ai/ΣA]Φ (1)
Der Durchsatz φ&sub1; durch ein Rohr i wird somit umso kleiner, je kleiner der Zirkulationsbereich Ai des Rohres i ist. Es ist zu erwarten, daß mit kleinerem Durchsatz φi des Rohres i die Abkühlung des Temperatursensors des Rohres i langsamer als in einem Rohr j mit einem größeren Zirkulationsbereich Aj für den gleichen Gesamtdurchsatz Φ auftreten wird. Wenn die Erfassungseinrichtungen 15 der verschiedenen Rohre 12, 13 und 14 im wesentlichen identisch sind, trifft das nicht zu oder trifft das nicht vollständig zu, wie es sich im folgenden ergeben wird, da der Temperatursensor jeder Erfassungseinrichtung 15 im wesentlichen im Mittel in dieselbe Menge an Medium pro Zeiteinheit eingetaucht sein wird. Das kann von der Tatsache abgeleitet werden, daß die Geschwindigkeit des Mediums in einem Rohr i ist gleich:
vi = φi/Ai (2)
Nach Einsetzen der Gleichung (1) ergibt sich:
vi = Φ/ΣA = vm (3)
wobei vm die mittlere Geschwindigkeit des Mediums sowohl im Hauptrohr 10 als auch in den Rohren 12, 13 und 14 ist.
Mit der oben erwähnten Hypothese bezüglich der Erfassungseinrichtung 15 ergibt sich daraus, daß die gleiche Menge an Medium pro Zeiteinheit an jeder Erfassungseinrichtung 15 in jedem Rohr 12, 13 und 14 entlang strömen wird. Das gilt auch für den Fall, in dem die Strömung in der Nähe der Erfassungseinrichtung 15 turbulent ist. Da es weiterhin zutrifft, daß die Menge an Medium, die in ein Rohr strömt, auch wieder herausströmt, wird das Ergebnis der Turbulenz sein, daß die mittlere Geschwindigkeit vm auch für die lange Strecke gilt, daß jedoch in der Zwischenzeit sich die Geschwindigkeit ändert und aus diesem Grunde eine genaue Messung einer Temperaturentwicklungskurve des Temperatursensors in der Praxis schwieriger wird.
Da im Fall von Fig. 1 mit der oben erwähnten Hypothese bezüglich der Abmessungen und/oder Position einer Erfassungseinrichtung 15 in einem Rohr die mittlere Geschwindigkeit vm sowohl für das Hauptrohr 10 als auch für die Rohre 12, 13 und 14 theoretisch identisch ist, ergibt sich erneut in der Theorie, daß es nicht wichtig ist, welche Erfassungseinrichtung 15 für die Bildung des Durchsatzes verwandt wird und die Anordnung aus der Trennwand 11 und den Rohren 12, 13 und 14 mit den darin befindlichen Erfassungseinrichtungen 15 durch eine einzelne Erfassungseinrichtung 15 im Hauptrohr 10 ersetzt werden kann. In der Praxis hat sich das für eine genaue Messung mit einem schnellen Ansprechvermögen des Durchsatzes Φ über einen großen Bereich als ungeeignet herausgestellt.
Als ein Beispiel wird auf die Messung einer Menge an Erdgas, das in einem Haushalt verwandt wird, im Bereich von 0,02 bis 10 m³ pro Stunde Bezug genommen, bei der der Durchsatz nicht nur ausreichend genau, sondern auch ausreichend dynamisch bezüglich einer möglicherweise beträchtlich variierenden Benutzung einer Wasserheizeinrichtung gemessen werden kann, die beispielsweise für eine kurze Zeit oder in regulierender Weise angeschaltet wird.
In der Praxis wird die Situation jedoch von der theoretischen Situation, die oben im Fall von Fig. 1 beschrieben wurde, verschieden sein. Aufgrund des Auftretens von Reibungskräften zwischen der Innenwand der Rohre 12, 13 und 14 und dem dort entlang strömenden Medium wird die Geschwindigkeit des Mediums in jedem Rohr i tatsächlich nicht gleichmäßig aufgeteilt sein. Je kleiner der Zirkulationsbereich Ai des Rohres ist, umso größer wird darüberhinaus der Einfluß der Reibung auf die mittlere Geschwindigkeit des Mediums im Rohr i sein. Folglich kann für jeden Durchsatz Φ an verschiedenen Meßstellen, die jeweils eine Erfassungseinrichtung 15 aufweisen, dennoch auftreten, daß für jeden bestimmten Durchsatz Φ die Temperatursensoren der verschiedenen Erfassungseinrichtungen 15 der Rohre 12, 13 und 14 mit verschiedenen Geschwindigkeiten abkühlen. Gemäß der Erfindung können die Abkühlungskurven der verschiedenen Erfassungseinrichtungen 15 zu allen Zeiten gemessen werden, können erforderlichenfalls die Steigungen oder Zeitkonstanten auf dieser Grundlage gebildet werden und kann unter Verwendung eines bestimmten Gesetzes eine Abkühlungskurve gewählt werden, mit der der Gesamtdurchsatz Φ mit ausreichender Genauigkeit gebildet werden känn. Das bestimmte Gesetz umfaßt einen Entscheidungsalgorithmus und wird insbesondere durch ein Programm von einer Datenverarbeitungseinrichtung wiedergegeben, wobei die Parameter des Gesetzes oder des Algorithmus vorher in einer Eichphase gebildet werden. In der Eichphase können die relevanten Charakteristiken und eine Meßgenauigkeit der Abkühlungskurven der verschiedenen Erfassungseinrichtungen 15 für eine Anzahl von bekannten Werten des Gesamtdurchsatzes Φ gespeichert werden. Nach der Eichung kann der relevante gesamte Durchsatz für jede gemessene Abkühlungskurve mit ausreichender Genauigkeit auf dieser Grundlage erhalten werden, indem eine Interpolation für einen Durchsatz Φ zwischen zwei benachbarten Werten von Φ möglicherweise ausgeführt wird.
Infolge der Eichung ist es nicht notwendig, die Verteilung der Geschwindigkeit des Mediums im Inneren jedes Rohres zu kennen. Die Geschwindigkeit des Mediums im Inneren eines Rohres i ist jedoch, wie oben erwähnt, von der Reibung an der Innenwand des Rohres abhängig. Da der Reibungskoeffizient der Innenwand sich im Laufe der Zeit ändern kann, werden die Messungen des Durchsatzes Φ weniger zuverlässig.
Um den Mängeln entgegenzuwirken, die sich aus der oben erwähnten Reibung ergeben, werden vorzugsweise Rohre mit einem relativ großen Zirkulationsbereich verwandt und wird für eine gewünschte Verteilung der Geschwindigkeit des Mediums in den verschiedenen Rohren über die Verwendung einer Verengung in jedem Rohr gesorgt.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Anordnung des in Fig. 1 dargestellten Typs, bei der das angewandt wird.
Fig. 2 zeigt ein Hauptrohr 10, in dem eine radiale Trennwand 20 lecksicher eingepaßt ist. Die Trennwand 20 weist Perforationen auf, in die eine Anzahl von Rohren, beispielsweise fünf Rohre 21 bis 25 einschließlich, parallel zum Hauptrohr 10 lecksicher eingesetzt sind. In jedem Rohr 21 bis 25 einschließlich befindet sich eine Erfassungseinrichtung 15, die von einem Typ sein kann, der bereits anhand von Fig. 1 beschrieben wurde. Das Hauptrohr 10 bildet erneut den Hauptkanal 16 für das Medium und die Rohre 21 bis 25 einschließlich bilden Kanäle 26 bis 30 einschließlich jeweils. Jeder Kanal weist einen Einlaß (auf der linken Seite in Fig. 2) und einen Auslaß (auf der rechten Seite in Fig. 2) auf, obwohl diese nicht mit separaten Bezugszeichen versehen sind. In einem Abstand von ihrem Einlaß und in Fig. 2 nahe an ihrem Auslaß weisen die Rohre 21 bis 25 einschließlich eine Verengung 31 bis 35 einschließlich mit einem Durchgang 36 bis 40 einschließlich jeweils auf. Wie es sich im folgenden ergeben wird, kann eines der Rohre, beispielsweise das Rohr 21, ohne Verengung 31 ausgebildet sein, obwohl dieses Rohr so benutzt wird, als hätte es die Verengung 31. Es können weiterhin mehr oder weniger Rohre mit oder ohne Verengung und mit oder ohne eine Erfassungseinrichtung, wie beispielsweise die Erfassungseinrichtung 15 in die Trennwand 20 eingesetzt sein. Der Einfachheit halber wird im folgenden angenommen, daß jedes der Rohre 21 bis 25 einschließlich jeweils eine Verengung 31 bis 35 einschließlich aufweist.
Die Anordnung aus dem Hauptrohr 10, der Trennwand 11 oder 20 mit den Rohren 12, 13 oder 14 oder den Rohren 21 bis 25 einschließlich mit Verengungen 31 bis 35 einschließlich kann ein einziges Bauteil sein, das in einem Stück beispielsweise durch Spritzgießen ausgebildet ist. Durch die Anwendung einer Kalibrierung bei der Benutzung einer derartigen Anordnung können deren Toleranzen relativ groß sein. Als Folge davon können die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnungen mit relativ geringen Kosten hergestellt werden.
Die Trennwand 20 der Anordnung von Fig. 2 und deren Erfassungseinrichtung 15 sind in einem Abstand von den Einlässen der Rohre 21 bis 25 einschließlich angeordnet, derart, daß die Turbulenz des Mediums in der Nähe jeder Erfassungseinrichtung 15 relativ klein ist, was zur Folge hat, daß dem Auftreten der oben erwähnten Nachteile bezüglich der Turbulenz entgegengewirkt wird und die Geschwindigkeit des Mediums in der Nähe der Erfassungseinrichtung 15 im wesentlichen identisch mit der mittleren Geschwindigkeit des Mediums im zugehörigen Rohr 21 bis 25 einschließlich ist.
Von den Durchlässen 36 bis 40 einschließlich der jeweiligen Verengungen 31 bis 35 einschließlich wird angenommen, daß sie Zirkulationsbereiche A&sub1; bis A&sub5; einschließlich jeweils haben. Der Durchsatz φ&sub1; und die Geschwindigkeit vi des Mediums in einem Durchlaß 36 bis 40 einschließlich sind dann durch die oben erwähnten Gleichungen 1 und 2 jeweils gegeben.
Es sei nun angenommen, daß die Rohre 21 bis 25 einschließlich Zirkulationsbereiche A'&sub1; bis A'&sub5; einschließlich jeweils haben. Die mittlere Geschwindigkeit v'i in einem Rohr i ist dann:
v'i = φi/A'i
und nach Einsetzen von φi gemäß Gleichung (1):
v'i = Ai/A'i Φ/ΣA
und nach Einsetzen von vm gemäß Gleichung (3):
v'i = Ai/A'i vm
v'i = Civm (4)
wobei Ci eine Konstante bezüglich des Rohres i ist, die das Verhältnis des Zirkulationsbereiches Ai des Durchlasses der Verengung des Rohres i und des Zirkulationsbereiches des Rohres i angibt. Es zeigt sich somit, daß die mittlere Geschwindigkeit v'i des Mediums in einem Rohr umso niedriger ist, je niedriger die Konstante Ci, beispielsweise umso kleiner der Zirkulationsbereich Ai des zugehörigen Durchlasses der Verengung und/oder umso größer der Zirkulationsbereich A'i des Rohres i ist. Die Konstante Ci kann folglich in verschiedener Weise vorbestimmt werden. Die Tatsache, daß die Rohre 21 bis 25 einschließlich in Fig. 2 den gleichen Durchmesser haben, darf daher nur als ein Beispiel angesehen werden.
Die Geschwindigkeit des Mediums im Inneren eines Rohres 21 bis 25 einschließlich der in Fig. 2 dargestellten Anordnung hängt somit von einer geeigneten Wahl von zwei Zirkulationsbereichen, nämlich dem Durchlaß der zugehörigen Verengung und des Rohres selbst ab und kann durch diese Wahl vorbestimmt werden. Wenn die Anordnung von Fig. 2 ausgelegt wird, kann folglich eine große Anzahl verschiedener Geschwindigkeiten des Mediums in verschiedenen Rohren 21 bis 25 einschließlich in einfacher Weise und mit größerer Genauigkeit zugewiesen werden, als es bei der in Fig. 1 dargestellten Situation der Fall ist, bei der theoretisch zutrifft, daß die Konstante Ci für alle Rohre 12, 13 und 14 gleich ist. Als Folge davon wird es möglich sein, die Anordnung von Fig. 2 mit einer besseren vorbestimmten Festlegung auszulegen. Da bei der Anordnung von Fig. 2 Rohre 21 bis 25 einschließlich mit relativ großen Zirkulationsbereichen verwandt werden können, hängt die Messung des Durchsatzes Φ weniger vom Reibungskoeffizienten des Materials der Rohre während der Eichung und während einer langen Zeit danach ab und ist das Risiko einer Blockierung der Rohre niedriger als bei der Anordnung von Fig. 1.
Es ist daher ersichtlich, daß in Wirklichkeit die mittlere Geschwindigkeit v'i des Mediums in einem Rohr i mit dem theoretischen Wert nach Gleichung (4) variieren kann. Das ist jedoch für die Erläuterung der Erfindung nicht von wesentlicher Bedeutung. Durch die Anwendung einer Kalibrierung auch im Fall der Anordnung von Fig. 2 stellt der Unterschied zwischen der tatsächlichen mittleren Geschwindigkeit und der theoretischen mittleren Geschwindigkeit des Mediums in einem Rohr kein Problem dar.
Da nach Gleichung (4) das Medium in den Rohren 21 bis 25 einschließlich verschiedene mittlere Geschwindigkeiten hat, wird ein Temperatursensor der Erfassungseinrichtung 15 in einem Rohr i langsamer abkühlen, wenn die Geschwindigkeit des Mediums in diesem Rohr i kleiner ist. Wenn der Gesamtdurchsatz Φ abnimmt, wird die Geschwindigkeit v'i im selben Rohr i jedoch gleichfalls abnehmen und sogar einen derart niedrigen Wert erreichen, daß sie nicht länger dazu benutzt werden kann, eine Temperaturentwicklungskurve eines Temperatursensors der Erfassungseinrichtung 15 genau zu messen. In diese Fall muß die Messung mit eine Erfassungseinrichtung 15 eines Rohres erfolgen, in dem die Geschwindigkeit des Mediums tatsächlich ausreichend groß ist, um die Temperaturentwicklungskurve der zuletzt erwähnten Erfassungseinrichtung 15 genau messen zu können. Im Fall des kleinsten Durchsatzes, der noch eine ausreichend genaue Messung erlaubt, wird daher die Erfassungseinrichtung 15 eines Rohres i mit der größten Konstante Ci, d.h. im Fall von Fig. 2 die Erfassungseinrichtung 15 des Rohres 21 benutzt.
Wenn umgekehrt der Gesamtdurchsatz Φ zunimmt, nimmt auch die mittlere Geschwindigkeit v'i des Mediums in einem Rohr i zu, was zur Folge hat, daß ein erwärmter Temperatursensor der Erfassungseinrichtung 15 des Rohres i schneller abkühlt. Das kann in einem derartigen Maß auftreten, daß die Temperaturentwicklungskurve, die durch den Temperatursensor zu messen ist, zu steil ist, um mit der ausreichenden Genauigkeit gemessen zu werden. In diesem Fall wird die Messung mit der Erfassungseinrichtung 15 eines Rohres, in dem die Geschwindigkeit des Mediums niedriger ist, d.h. eines Rohres mit einer kleineren Konstanten Ci erfolgen. Um den größten meßbaren Durchsatz Φ zu messen, wird daher die Erfassungseinrichtung 15 des Rohres mit der kleinsten Konstante Ci, d.h. im Fall von Fig. 2 die Erfassungseinrichtung 15 des Rohres 25 benutzt.
Wie es erwähnt wurde, kann die Erfassungseinrichtung 15 aus einem Heizelement und einem Temperatursensor bestehen, der periodisch und kurzzeitig durch das Heizelement erwärmt wird. Das Erwärmen des Temperatursensors kann daher merklich schneller erfolgen als sein Abkühlen. Eine Erfassungseinrichtung 15 dieser Art kann den in Fig. 3 dargestellten Aufbau haben, der aus einem Substrat 50 aus einem wärmeleitenden Material mit einem Heizelement 51 und einem darin (oder daran) angeordneten Temperatursensor 52 besteht. Das Heizelement 51 ist beispielsweise in an sich bekannter Weise ein Widerstand, eine Diode oder ein Transistor. Der Temperatursensor 52 ist beispielsweise in an sich bekannter Weise ein Widerstand, insbesondere ein Thermistor (negativer Temperaturkoeffizient oder positiver Temperaturkoeffizient), eine Diode oder ein Transistor. Der Widerstand kann beispielsweise ein Wolframdraht sein. Da das Heizelement 51 und der Temperatursensor 52 zu getrennten Zeitintervallen jeweils aktiviert oder benutzt werden, kann beispielsweise für die Erfassungseinrichtung 15 auch ein einziges Bauelement, wie beispielsweise ein Widerstand, insbesondere ein Thermistor, eine Diode oder ein Transistor verwandt werden. Es trifft im allgemeinen zu, daß der Temperatursensor der Erfassungseinrichtung 15 nach seinem Erwärmen mit einem konstanten Gesamtdurchsatz Φ auf hoher Temperatur Th, auf die er erwärmt wird, allmählich nach einem exponentiellen Gesetz auf eine niedrigere Temperatur Ta absinken wird, die gleich der Temperatur des Mediums am Einlaß des zugehörigen Kanals ist. Die niedrige Temperatur Ta kann auch Umgebungstemperatur oder Erwärmungsanfangstemperatur genannt werden. Die hohe Temperatur Th kann auch als Erwärmungsendtemperatur oder als Meßanfangstemperatur bezeichnet werden.
Die Temperaturentwicklungskurve (Abkühlung) Ti,j (t) eines Temperatursensors der oben beschriebenen Art einer Erfassungseinrichtung 15 eines Rohres i bei einem konstanten Gesamtdurchsatz Φj durch den Hauptkanal 16 kann dann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Ti,j (t) = Ta + (Th-Ta) e-t/τi,j (5)
τi,j ist dabei eine Zeitkonstante, die zu einem bestimmten Rohr i (21 bis 25 einschließlich) für einen gegebenen Gesamtdurchsatz Φj gehört. Je mehr Medium am Temperatursensor pro Zeiteinheit entlangströmt, d.h. umso größer die Temperatur des Mediums im Rohr i ist, umso schneller wird der Temperatursensor abkühlen und umso kleiner wird die Zeitkonstante sein.
Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen jeweils im gleichen Maßstab die Temperaturentwicklungskurve von drei Temperatursensoren dreier Rohre mit i = 1, 2, 3, beispielsweise der Rohre 22, 23, 24, jeweils bei einem bestimmten Gesamtdurchsatz Φj mit j = 1, 2, 3. Im Fall der Fig. 4, 5, 6 ist jeweils Φ&sub1; > Φ&sub2; > Φ&sub3;.
Die Fig. 4 bis 6 einschließlich zeigen, daß mit steigendem Gesamtdurchsatz die Kurven Ti,j (t) für alle drei Rohre 22, 23 und 24 steiler werden. Wenn andererseits der Gesamtdurchsatz Φ abnimmt, werden die relevanten Kurven Ti,j (t) für alle Rohre 22, 23 und 24 flacher.
Obwohl theoretisch die Kurven an keinem Punkt linear sind, können ihre Anfangsteile linear mit einer Steigung approximiert werden, die durch die Zeitkonstante τi,j bestimmt ist. Wie es oben erwähnt wurde, ist es aus diesem Grunde während einer Kalibrierung für verschiedene Werte des Gesamtdurchsatzes Φ für jedes Rohr i möglich, den relevanten Wert des Gesamtdurchsatzes Φ der Steigung oder der Zeitkonstanten der Abkühlungskurve zuzuordnen, die zu diesem Zeitpunkt beobachtet wird. Folglich kann eine Tabelle mit einer Anzahl von Wertepaaren für jedes Rohr i gebildet werden, wobei jedes Paar aus einem Wert, der die Steigung oder die Zeitkonstante der Abkühlungskurve angibt, und einem Wert des zugehörigen Gesamtdurchsatzes besteht.
Es ist ersichtlich, daß dann, wenn eine der Steigungen größer wird und somit die Geschwindigkeit des Mediums im zugehörigen Rohr größer wird, die Temperaturentwicklungskurve weniger genau zu Zeitpunkten mit identischen Intervallen gemessen werden kann. Zum Beispiel: Im virtuell linearen Abschnitt der Kurve T&sub1;,&sub1; (t) in Fig. 4 können wesentlich weniger Temperaturmeßwerte als im virtuell linearen Abschnitt der Kurve T3,3 (t) von Fig. 6 genommen werden. Da weiterhin Quantisierungsfehler und Störungen immer zunehmen können und es erwünscht ist, eine gewisse Filterung beispielsweise eine Mittelung einer Anzahl von erhaltenen Meßwerten durchzuführen, ist die Kurve T&sub1;,&sub1; (t) für die Bildung des Gesamtdurchsatzes auf ihrer Basis weniger geeignet als es dann der Fall ist, wenn das auf der Basis beispielsweise der Kurve T&sub3;,&sub1; (t) erfolgen würde.
Im Fall der Kurve T&sub3;,&sub3; (t) ist es tatsächlich möglich, eine relativ große Anzahl von Meßwerten im virtuell linearen Abschnitt zu nehmen, der Temperaturabfall über diesen nahezu linearen Bereich ist jedoch sehr klein, so daß auch die Messung weniger genau ist als es der Fall wäre, wenn eine der anderen in Fig. 6 dargestellten Kurven benutzt würde.
Aus dem obigen ergibt sich, daß der Inhalt der genannten Tabelle erheblich beschränkt werden muß, indem nur die Werte der am meisten geeigneten Kurven gespeichert werden.
Da es nicht möglich ist, Wertepaare bezüglich entsprechend geeigneter Kurven für alle Werte des Gesamtdurchsatzes Φ zu speichern, wird eine Interpolation für Werte des Durchsatzes notwendig sein, für die keine Werte gespeichert worden sind. Da die Anfangsabschnitte der Kurven nicht genau linear sind und es gewöhnlich nicht möglich ist, Temperaturmeßwerte gleichzeitig für alle Rohre zu nehmen, kann das zu Fehlern führen.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß dann, wenn verschiedene Temperatursensoren auf verschiedene Erwärmungsendtemperaturen Th erwärmt werden oder wenn ein Temperatursensor nicht immer auf dieselbe Erwärmungsendtemperatur Th erwärmt wird, Abkühlungskurven mit verschiedenen Steigungen für denselben Wert Φ oder mit derselben Steigung für verschiedene Werte Φ für jedes Rohr auftreten können. In Fig. 7 sind beispielsweise drei Abkühlungskurven S&sub1;, S&sub2; und S&sub3; fur ein Rohr bei einer Erwärmungsendtemperatur Th1, Th2 und Th3 jeweils mit Th1< Th2< Th3 dargestellt. Die Kurven S&sub1; und S&sub2; haben die gleiche Zeitkonstante τ, d.h. daß für diese Kurven der Durchsatz Φ durch dieses Rohr, der zu messen ist, der gleiche ist und daß folglich derselbe Gesamtdurchsatz Φ gebildet werden muß. Da die Kurven S&sub1; und S&sub2; zum gleichen Zeitpunkt nach Beginn der Messung verschiedene Steigungen haben, muß eine Korrektur durchgeführt werden. Die Kurve S&sub3; hat darüberhinaus eine größere Zeitkonstante τ, was bedeutet, daß der zu messende Gesamtdurchsatz Φ größer als der Gesamtdurchsatz Φ ist, der für die Kurven S&sub1;, S&sub2; gilt. Dennoch hat die Kurve S&sub3; am Anfang der Messung die gleiche Steigung wie die Kurve S&sub1;, wobei jedoch danach die Steigungen verschieden sind. Da der Temperaturunterschied Th-Ta in Fig. 5 ein Multiplikationswert ist, während die Zeitkonstante τ im Exponenten des Exponentialgesetzes auftritt, ist es von der gemessenen Steigung einer Abkühlungskurve schwierig, durch Division oder Multiplikation mit einem Faktor abzuleiten, welcher Durchsatz Φ für dieses Rohr zu dieser Steigung gehört. Wenn der Durchsatz Φ auf der Grundlage einer ermittelten Steigung einer Abkühlungskurve gebildet werden muß, ist es daher notwendig, daß der Temperaturunterschied Th-Ta immer der gleiche ist.
Im folgenden werden anhand der Fig. 8 und später anhand der Fig. 10 ein erstes alternatives Verfahren und anhand der Fig. 12 ein zweites alternatives Verfahren zur Bestimmung der Zeitkonstanten einer Abkühlungskurve beschrieben, bei denen die oben beispielsweise anhand von Fig. 7 beschriebenen Probleme nicht auftreten.
Gemäß des ersten der beiden alternativen Meßverfahren wird während der Messung der Temperatur des Temperatursensors eine Erfassungseinrichtung 15 der natürliche Logarithmus des gebildeten Meßwertes oder des Meßwertes abzüglich der Umgebungstemperatur gebildet. Für jede gemessene Kurve führt das zu einer virtuell geraden Linie, die ausgedrückt werden kann als:
y = y ln (Ti,j (t) - Ta)
und nach Einsetzen von Ti,j (t) nach Gleichung (5):
y = yo - t/τ (6)
wobei
yo = ln(Th-Ta) (7)
Die Linie, die durch die Gleichung (6) wiedergegeben wird, hat somit eine Steigung, die durch die Erwärmungsanfangstemperatur Ta und die Erwärmungsendtemperatur Th unbeeinflußt ist. Fig. 8 zeigt drei derartige Linien yi,j für den Fall von Fig. 5. Da nur die Steigung der Linien von Bedeutung ist, ist es unwichtig, ob der Wert yo für die drei Linien gleich ist und wie groß der relevante Wert davon ist. Wenn die Zeitkonstante τ größer wird, wird sich die zugehörige Linie enger an die Horizontallinie (für τ =∞) durch den Anfangswert yo der berechneten Linie annähern.
Indem für jedes Rohr der natürliche Logarithmus der Temperaturmeßwerte oder Temperaturprobewerte für verschiedene bekannte Werte des Gesamtdurchsatzes Φ in der oben beschriebenen Weise während einer Kalibrierung genommen wird, kann eine Liste mit den entsprechenden Zeitkonstanten oder Werten der Steigungswinkel der Linien, wie sie durch die Gleichung (6) wiedergegeben und in Fig. 8 dargestellt sind, für jedes Rohr und für verschiedene Werte des Gesamtdurchsatzes Φ leichter gebildet werden. Da die zuletzt erwähnten Linien im wesentlichen gerade sind, kann es ausreichend sein, weniger Wertepaare für jedes Rohr zur Verfügung zu haben, und kann es leichter sein, eine Interpolation für ein exaktes Ergebnis durchzuführen. Nach der Eichung kann es auch einfacher sein, d.h. unter Verwendung eines relativ einfachen Gesetzes möglich sein, welche Meßergebnisse, d.h. Meßergebnisse von welchem Rohr zu wählen und nach der Bildung des natürlichen Logarithmus davon zu wählen, welche am geeignetsten sind, um als Basis für die Bildung eines genauen Wertes des Gesamtdurchsatzes Φ zu dienen.
Während der Eichung ist in allen beschriebene Fällen (anhand der Fig. 4-6, 8, 10 und 12) zum Messen der Steigung oder der Zeitkonstante einer Abkühlungskurve die gesamte Anordnung, die in Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellt ist, involviert, so daß jede Abweichung von einem theoretischen Modell oder von einem theoretisch angenommenen Ergebnis, wie es oben beschrieben wurde, in dem Gesetz berücksichtigt wird, das während der Eichung gebildet wird und danach für diese Wahl benutzt wird. Wie es erwähnt wurde, können die folglich die Toleranzen der Anordnung relativ groß sein. Das wäre in einem wesentlich geringerem Maß der Fall, wenn die Bauteile der Anordnung gemeinsam nicht eine feste Anordnung bilden würden.
Es ist ersichtlich, daß mit steigender Anzahl von Rohren, wie beispielsweise der Rohre im Inneren des Hauptrohres 10 und mit einem bestimmten Gesamtdurchsatz Φ in der Nähe der Mitte des Meßbereiches beispielsweise im Fall von Fig. 5 die Abkühlungskurven von mehr als einem dieser Rohre herangezogen werden können, so daß der Durchsatz Φ mit ausreichender Genauigkeit auf dieser Grundlage, d.h. innerhalb der Erfordernisse, die für die laufende Anwendung gelten, gebildet werden kann. In diesem Fall kann das Gesetz so definiert werden, daß die Abkühlungskurven einer begrenzten Gruppe derartiger Rohre immer überwacht werden können, solange die Erfordernisse an die Meßgenauigkeit für die relevante Anwendung erfüllt sind. Das hat den Vorteil, daß die Anzahl an Heizelementen begrenzt werden kann, die mit Energie zu versorgen sind, was zur Folge hat, daß die Meßvorrichtung von einer Versorgung versorgt werden kann, die eine relativ kleine Kapazität hat und die möglicherweise von einem Generator geladen wird, der über den Mediumstrom angetrieben wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Temperatursensoren der Rohre außerhalb der Gruppe dazu benutzt werden können, die Erwärmungsanfangstemperatur Ta zu messen. Da eine Messung von Ta im Inneren eines Rohres ausreicht, kann als ein derartiges Rohr ein Rohr genommen werden, das bezüglich des aktuellen Durchsatzes Φ innerhalb einer bestimmten Zeit kaum in die Messung des Durchsatzes Φ involviert wird. Wenn beispielsweise das aktuelle Rohr 21 der Anordnung von Fig. 2 dazu benutzt wird, den Durchsatz Φ zu bilden, dann kann die Temperatur Ta mit dem Temperatursensor des Rohres 25 gemessen werden. Als Folge davon ist die Messung der Temperatur Ta am wenigsten durch die Restwärme beeinflußt, die im relevanten Temperatursensor bleibt, wobei diese Wärme während der Benutzung des Temperatursensors bei der Bildung des Durchsatzes Φ daran abgegeben wurde.
Wie es erwähnt wurde, kann der Durchsatz Φ mit Hilfe des genannten Gesetzes ausgehend von der Abkühlungskurve eines inneren Rohres gebildet werden, für das der Durchsatz Φ mit ausreichender Genauigkeit gebildet werden kann. Wenn der Durchsatz Φ jedoch mit ausreichender Genauigkeit mit einem anderen Rohr gebildet werden kann, kann das gleichfalls zum Zweck der Überwachung erfolgen und kann das Gesetz die Erzeugung eines Alarmsignals für einen Benutzer der Meßvorrichtung erlauben, wenn diese beiden Rohre wesentlich verschiedene Meßwerte des Durchsatzes Φ liefern. Wenn das der Fall ist, hat die Meßvorrichtung wahrscheinlich einen Fehler, ist beispielsweise ein inneres Rohr, wie beispielsweise das Rohr 14 in Fig. 1 oder der Durchlaß der Verengung in Fig. 2 vollständig oder teilweise blockiert.
Fig. 9 zeigt in einem Schaltbild das wesentlichste elektronische Bauteil einer Meßvorrichtung zur Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung, das oben erläutert wurde. Die Meßvorrichtung umfaßt eine Verarbeitungseinrichtung zum Steuern der Heizelemente der Erfassungseinrichtung 15, um Meßsignale der Temperatursensoren der Erfassungseinrichtung 15 zu erhalten und zu verarbeiten und die erhaltenen Meßsignale dazu zu benutzen, einen Wert für den Durchsatz Φ durch den Hauptkanal 16 der Meßvorrichtung zu bilden, um wahlweise über die Zeit die Menge an Medium, die durch den Hauptkanal 16 geflossen ist, zu addieren und Meßwerte des Durchsatzes Φ und/oder der addierten Menge an Medium nach außen abzugeben. Eine derartige Verarbeitungseinrichtung kann durch einen Mikrocomputer 60, der auf einem einzigen Substrat integriert ist, beispielsweise durch den Mikrocomputer MC68HCO5B6 von Motorola gebildet sein, der auf einem einzigen Substrat integriert ist. Der Mikrocomputer MC68HCO5B6 enthält u.a. einen Zentralprozessor, einen 176-Byte- Speicher mit direktem Zugriff (RAM), einen Festspeicher (ROM) mit 5952 Byte, einen elektrisch löschbaren Speicher (EEPROM) mit 255 Byte, drei Verknüpfungsglieder jeweils mit acht Dreizustandseingängen/-ausgängen, zwei Pulsbreitenmodulatoren 61 und 62 und einen Analog-Digital-Wandler 63 mit acht wählbaren analogen Eingängen. Da Einrichtungen zur Kommunikation mit der Umgebung außerhalb der Meßvorrichtung an sich bekannt sind und nicht von primärer Bedeutung für die Erfindung sind, sind diese Einrichtungen zur Vereinfachung der Zeichnungen nicht dargestellt.
Bei der Ausbildung des Schaltbildes von Fig. 9 besteht jede Erfassungseinrichtung 15 in einem Rohr 21 bis 25 einschließlich aus einem einzigen Bauelement, nämlich einem Thermistor 64 mit negativem Temperaturkoeffizient. Ein Anschluß des Thermistors 64 ist mit einer Quelle einer positiven Spannung V+ verbunden. Der andere Anschluß 65 des Thermistors 64 ist mit dem Kollektor eines NPN-Transistors 66 verbunden. Der Emitter des Transistors 66 liegt an Masse. Die Basis des Transistors 66 ist mit einem ersten Steuerausgang 68 des Mikrocomputers 60 über eine Widerstand 67 verbunden. Der Anschluß 65 des Thermistors 64 ist auch mit einem zweiten Steuerausgang 70 des Mikrocomputers 60 über einen Widerstand 69 verbunden. Der Anschluß 65 ist weiterhin mit einem Analogmeßeingang 71 des Analog-Digital-Wandlers 63 verbunden. Eine identische Gruppe von Bauelementen 64-67, 69, Steuereingängen 68, 70 und einem Meßeingang 71 einschließlich sind jedem der anderen Rohre mit einer Erfassungseinrichtung 15 zugeordnet. Der erste und der zweite Steuerausgang für die verschiedenen Thermistoren 64 können fortlaufend im selben Zustand (mit niedriger Spannung, hoher Spannung oder schwebend) gehalten sein, während die Meßeingänge 71 für die verschiedenen Thermistoren 64 der Reihe nach durch den Wandler 63 abgetastet werden, und zwar wenigstens insoweit, als sie in eine Messung involviert sind.
Wie es in Fig. 10 dargestellt ist, wird jeder Thermistor 64, der in eine Messung des Durchsatzes Φ involviert ist, fur ein erstes Zeitinvervall oder ein Heizzeitintervall I&sub1; von einer Erwärmungsanfangstemperatur Ta auf eine Erwärmungsendtemperatur Th erwärmt. Das findet deswegen statt, weil während des Heizintervalls I&sub1; der Mikrocomputer 60 die Spannung am ersten Steuerausgang 68 auf eine hohe Spannung heraufsetzt und den zweiten Steuerausgang 70 schwebend macht. Als Folge davon geht ein relativ großer Strom durch den Thermistor 64 und den Transistor 66 und geht kein Strom durch den Widerstand 69. Während eines zweiten Zeitintervalls oder eines Meßzeitintervalls I&sub2; setzt der Mikrocomputer 60 die Spannung am ersten Steuerausgang 68 auf eine niedrige Spannung herab, was zur Folge hat, daß der Transistor 66 nicht leitet, und setzt den Mikrocomputer 60 die Spannung am zweiten Steuerausgang 70 auf eine niedrige Spannung herab, was zur Folge hat, daß ein Strom nur durch den Thermistor 64 und den Widerstand 69 geht, die in diesem Fall einen Spannungsteiler bilden. Der Wert des Widerstandes 69 ist so gewählt, daß der durch den Thermistor 64 während des Meßzeitintervalls I&sub2; fließende Strom relativ klein ist, so daß dieser den Thermistor 64 nicht wesentlich erwärmt und folglich im wesentlichen keinen Einfluß auf die Messung der Temperatur des Thermistors 64 hat. Der Knotenpunkt 65 des Spannungsteilers aus den Widerständen 64 und 69 hat während des Meßzeitintervalls I&sub2; eine Spannung, die von der Temperatur des Thermistors 64 und folglich über die Zeit von der Geschwindigkeit abhängt, mit der das Medium am Thermistor 64 entlang strömt, und somit gleichfalls von dem Gesamtdurchsatz Φ des Mediums durch den Hauptkanal 16 abhängt.
Um die Temperaturentwicklungskurve, insbesondere die Abkühlungsentwicklungskurve des Thermistors 64 zu messen, greift der Analog/Digital-Wandler 63 periodisch Spannungsmeßwerte am Knotenpunkt 65 mit einem Meßintervall Δts ab. Nach dem oben genannten Gesetz oder dem relevanten Programmteil werden die Parameterwerte davon im EEPROM des Mikrocomputers 60 während der Eichung der Meßvorrichtung gespeichert und wird der natürliche Logarithmus jedes erhaltenen Meßwertes gebildet, gegebenenfalls nach einer Multiplikation mit einer Konstanten. Dieser Arbeitsvorgang wird fortgesetzt, bis eine Spannung am Knotenpunkt 65 gemessen wird, die einer relativ niedrigen Temperatur Te, d.h. einer Temperatur im Bereich der Anfangstemperatur oder der Umgebungstemperatur Ta entspricht, an der die Temperatur des Thermistors nach einer relativ großen Abnahme nur langsam weiter abnimmt. Es ist nicht nur ausreichend Information bereits im Weg der Abkühlungskurve zwischen der hohen Temperatur Th und Te zur Bildung eines Wertes des Gesamtdurchsatzes Φ erhalten, die Meßwerte unter der Temperatur Te sind auch nicht genau genug, was sich im Meßwert Φ zeigen würde. Im Fall eines größeren Gesamtdurchsatzes Φ wird sich ein Thermistor schnell abkühlen und wird die Temperatur Te schneller erreicht. Das zeigt sich in der Tatsache, daß die Linien yi,j (t) in Fig. 8, die auf der Grundlage des Ausgangspunktes berechnet wurden, mit größerem Durchsatz Φ kürzer werden.
Da die Zeitkonstante einer verwendbaren Abkühlungskurve für den kleinsten meßbaren Durchsatz Φ wesentlich größer als die Zeitkonstante der benutzbaren Abkühlungskurve für den größten meßbaren Durchsatz Φ ist, macht das Programm des Mikrocomputers 60 vorzugsweise die Abgriffszeit Δts größer, wenn der Durchsatz Φ kleiner wird. Als Folge davon können immer ausreichend Meßwerte der Spannung am Verbindungsabzweigungspunkt 65 und somit der Temperatur des Thermistors 64 genommen werden, um die Steigung der Linie yi,j (t) zu bestimmen, und zwar mit Herausfilterung störender Effekte, wie beispielsweise der Quantisierungsstörung, wie es in Fig. 8 dargestellt ist.
Wenn die Abgriffszeit Δts größer wird, wird die Dauer des Meßintervalls I&sub2; entsprechend größer, was zur Folge hat, daß das Intervall, in dem das Heizintervall I&sub1; periodisch auftritt, gleichfalls größer wird, mit dem Ergebnis, daß insbesondere im Fall eines kleinen Durchsatzes Φ ein unnötiges Erwärmen einer Anzahl von Thermistoren verhindert wird, was wiederum zur Folge hat, daß elektrische Energie eingespart wird und die Versorgung einfacher sein kann und eine kleinere Kapazität haben kann. Wenn die Meßvorrichtung als Erdgasmeßvorrichtung für einen Haushalt benutzt wird, hat das Heizintervall I&sub1; beispielsweise eine Dauer von 3 s und liegt bei einem Durchsatz Φ von 10 m³/h, die Abgriffszeit Δts bei 0,3 s und bei einem Durchsatz von 0,02 m³/h bei 2 s.
Um den Umwandlungsbereich des Analog-Digital-Wandlers 63 soweit wie möglich auszunutzen, wird ein zu erwärmender Thermistor 64 vorzugsweise immer mit im wesentlichen dem gleichen Temperaturunterschied (Th-Ta) erwärmt und wird die niedrige Bezugsspannung VRL, die dem Wandler 63 geliefert wird, und eine hohe Bezugsspannung VRH, auf die der Wandler 63 die Spannung am Verbindungsabzweigungspunkt 65 umwandeln kann, darauf eingestellt. Die niedrige Bezugsspannung VRL wird beispielsweise auf eine Spannung eingestellt, die der vorher gemessenen Erwärmungsanfangstemperatur Ta minus 1ºC entspricht. Die hohe Bezugsspannung VRH kann auf eine Spannung am Knotenpunkt 65 eingestellt werden, die beispielsweise der gewünschten Temperatur Th plus 1ºC entspricht. Bei einer Versorgungsspannung von +5V, einem Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten als Thermistor 64 vom Typ 212 ET-1 (2612 Ohm bei 20ºC) und einem geeigneten Wert des Widerstandes 69 eignen sich beispielsweise VRL = 2,5 V und VRH = 3,16 V. Bei einem MC68HCO5B6 Mikrocomputer als Mikrocomputer 60, dessen Analog-Digital-Wandler 63 ein 8 Bit Wandler ist, liegt die Quantisierungsstufe dann bei 2,58 mV, was einer Temperaturänderung von 0,04ºC entspricht. Die Messung der Erwärmungsanfangstemperatur Ta erfolgt vorzugsweise mittels des Temperatursensors der Erfassungseinrichtung 15 eines Rohres, das bei einem aktuellen Durchsatz Φ nicht in die Messung des Durchsatzes Φ involviert ist. Der Mikrocomputer 60 setzt die Spannung am ersten Steuerausgang 68 für diesen Thermistor daher konstant auf eine niedrige Spannung herab oder macht diesen Ausgang schwebend und setzt die Spannung am zweiten Steuerausgang 70 für diesen Thermistor 64 gleichfalls konstant auf eine niedrige Spannung herab, so daß ein Meßstrom konstant durch den Spannungsteiler aus dem Thermistor 64 und dem Widerstand 69 fließt.
Die Erwärmungsendtemperatur Th, die im Heizintervall Ia gewünscht ist, kann ziemlich genau immer dadurch approximiert werden, daß der Widerstandswert des relevanten Thermistors 64 bei der Temperatur Ta bestimmt und auf dieser Basis die Dauer des Heizintervalls Ia unter Berücksichtigung der Abnahme des Widerstandswertes des Thermistors mit negativem Temperaturkoeffizienten 64 während der Erwärmung berechnet wird.
Wenn der betreffende Programmteil des Mikrocomputers die Temperaturen Ta und Th bestimmt hat, steuert er die zugeordneten Pulsbreitenmodulatoren 61 und 62, um eine Rechteckwellenspannung abzugeben, deren Impulsdauer oder Leistungsfaktor von der relevanten Temperatur abhängt. Die Ausgangsspannungen der Pulsbreitenmodulatoren 61 und 62 werden über entsprechende Tiefpaßfilter 81 oder 82 jeweils dem Steuereingang VRL oder dem Steuereingang VRH jeweils des Wandlers 63 zugeführt. Die Tiefpaßfilter 81 und 82 bestehen jeweils beispielsweise aus einer Reihe von beispielsweise drei Integratoren, von denen jeder einen Widerstand und einen Kondensator aufweist. Wenn die Impulsdauer oder der Leistungsfaktor der einem Tiefpaßfilter 81, 82 zugeführten Spannung zunimmt, dann wird die Ausgangsspannung des Filters 81, 82 größer. Mit kürzer werdender Impulsdauer wird die zuletzt genannte Spannung niedriger. Die Frequenz der Ausgangsspannungen der Modulatoren 61 und 62 kann festgelegt sein und bei einem Mikrocomputer 60 vom Typ MC68HCO5B6 von einem Quarzoszillator stammen, der auf dem einzigen Substrat vorliegt, wobei diese beispielsweise auf 1.982 Hz heruntergeteilt sein kann.
Der Thermistor vom Typ 212 ET-1 hat einen Durchmesser von weniger als 1,25 mm, eine Größe, die für die Anwendung in einem Erdgasmeßgerät für einen Haushalt so klein ist, daß jeder störende Einfluß auf den Mediumstrom und daher auf die Messung des Durchsatzes Φ als Folge der Messungen durch Eichung kompensiert werden kann, um nach der Eichung beseitigt zu sein. Der genannte Typ eines Thermistors mit negativem Temperaturkoeffizienten kann für einen Preis unter 0,75 Gulden erworben werden. Das wichtigste elektronische Bauteil insbesondere der Mikrocomputer 60 vom Typ MC68HCO5B6 kann für einen Preis von unter 7 Gulden erworben werden. Wie es bereits angegeben wurde, kann die in den Fig. 1 oder 2 dargestellte Anordnung einfach durch Spritzgießen und mit relativ großen Toleranzen hergestellt werden. Wie es erläutert wurde, kann eine Eichung einfach ohne Verwendung bestimmter Temperaturen des Testgases durchgeführt werden. Unter Ausnutzung aller dieser Faktoren kann eine Meßvorrichtung gemäß der Erfindung unter geringen Kosten hergestellt werden. Da bewegliche Teile fehlen, ist die Meßvorrichtung darüberhinaus robust und keinem Verschleiß und keiner Versetzung der sich bewegenden Teile unterworfen. Die Meßvorrichtung ist dennoch dazu geeignet, dynamisch den Gesamtdurchsatz Φ genau und in einem breiten Bereich zu messen.
Das zweite alternative Verfahren (drittes Verfahren) zum Bestimmen der Zeitkonstanten einer Abkühlungskurve zum Ausschließen der anhand von Fig. 7 dargestellten Probleme wird im folgenden anhand von Fig. 12 erläutert. Nachdem das erste Zeitintervall I&sub1; abgelaufen ist, wird die Erfassungseinrichtung 15 auf die Erwärmungsendtemperatur Th erwärmt. Nach dem Erwärmen der Erfassungseinrichtung 15 wird die Temperatur an der Meßstelle gemessen. Diese Temperatur wird als Anfangsmeßtemperatur Tb bezeichnet. Die Anfangsmeßtemperatur Tb kann mit der Erwärmungsendtemperatur Th identisch oder faktisch identisch sein. Der Temperaturunterschied Δt = Tb-Ta wird gebildet. Dieser Temperaturunterschied wird mit einem Reduktionsfaktor k multipliziert. Eine Endmeßtemperatur Te wird nach Maßgabe der Beziehung Te = Th - kΔT berechnet. Wenn eine Zeitmeßeinrichtung zu dem Zeitpunkt ausgelöst wird, an dem die Anfangsmeßtemperatur Tb gemessen wird, und wenn der Reduktionsfaktor beispielsweise bei 0,63 liegt, dann wird die berechnete Endmeßtemperatur Te zu dem Zeitpunkt erreicht, an dem die Zeitmeßvorrichtung eine Zeit gemessen hat, die mit der Zeitkonstante τ identisch ist. Diese gemessene Zeit t = τ gibt daher die Zeitkonstante der Abkühlungskurve an. Um die Zeitkonstante τ zu bestimmen, ist es irrelevant, zu welchem Zeitpunkt im zweiten Intervall die Anfangsmeßtemperatur Tb gemessen und die Zeitmeßeinrichtung ausgelöst wird. Die Messung der Zeit wird jedoch genauer sein, je stärker der relativ hohe Temperaturunterschied Th-Ta ausgenutzt wird. Die gebildete Zeitkonstante kann in derselben Weise verarbeitet werden, wie es oben dargestellt wurde.
Jeder Faktor, mit dem eine ausreichende Meßgenauigkeit erzielt werden kann, kann als Temperaturreduktionsfaktor benutzt werden. Bei beispielsweise einem Reduktionsfaktor von 0,5 wird die entsprechende Endmeßtemperatur Ta zu einer gemessenen Zeit t = 0,69 τ erzielt. Anschließend kann die gemessene Zeit t die zum Erreichen der Endmeßtemperatur Te gehört, dazu benutzt werden, die Zeitkonstante τ zu berechnen, (beim letzten Beispiel τ = t/0,69), wenn das erwünscht ist. Die oben erwähnte Eichtabelle kann jedoch für das letzte Beispiel Werte von 0,69 τ statt Werte von τ umfassen.
Die beiden Beispiele, die mit k = 0,63 und k = 0,5 dargestellt wurden, sind in Fig. 12 mit den Ziff. 63% oder 50% jeweils dargestellt, wobei Δt 100% wiedergibt. Der Reduktionsfaktor liegt vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,8. Die Reduktionsfaktoren können für verschiedene Meßstellen verschieden sein und darüberhinaus dynamisch als Funktion der Verhältnisse angewandt werden.
Nachdem die Endmeßtemperatur Te erreicht ist, ist die Durchsatzmessung für die involvierte Meßstelle abgeschlossen und kann die gemessene Zeit verarbeitet werden. Immer wenn am Anfang eines folgenden Meßzyklus, der mit einem ersten Zeitintervall I&sub1; beginnt, noch eine Restwärme, die aus der vorhergehenden Durchsatzmessung an der Meßstelle stammt, insbesondere an der Erfassungseinrichtung 15 verblieben ist, hat das ebenso wie bei dem ersten alternativen Verfahren (das anhand der Fig. 8 und 10 erläutert wurde) keinen Einfluß auf die Steigung oder die Zeitkonstante der Abkühlungskurve.
Wenn das Heizelement und der Temperatursensor an einer Meßstelle von einem einzigen Thermistor als Erfassungseinrichtung 15 gebildet sind, wird ein elektrischer Strom, der den Thermistor erwärmen wird, durch den Thermistor während der Messung der Temperatur des Thermistors fließen, was die Meßgenauigkeit nachteilig beeinflußt. Der elektrische Meßstrom durch den Thermistor wird daher so niedrig wie möglich gehalten. Die Genauigkeit kann weiterhin dadurch verbessert werden, daß auf der Grundlage von früheren Messungen die Zeit abgeschätzt wird, an der die berechnete Endmeßtemperatur Te erreicht sein wird und daß nur die Anfangsmeßtemperatur Tb und die Temperatur des Thermistors beginnend kurz vor dem Erreichen des abgeschätzten Zeitpunktes gemessen werden, an dem die Endmeßtemperatur Te erreicht sein wird. Als Folge davon wird der Thermistor durch den Meßstrom so gering wie möglich während der Abkühlung erwärmt. Nach welcher Zeitdauer anschließend an die Messung der Anfangsmeßtemperatur Tb die Temperatur erneut zu messen ist, hängt von der Dynamik des Mediumstromes, der gewünschten Genauigkeit, der Steigung an der Endmeßtemperatur Te und der Anzahl der Meßstellen ab, für die eine Durchsatzmessung ausgeführt wird. Fur ein Gasmeßgerät für den Haushalt kann ausgehend von der Messung der Anfangsmeßtemperatur Tb die Zeit, während der die Temperatur nicht gemessen wird, wenigstens 80% der abgeschätzten Zeit zum Erreichen der Endmeßtemperatur Te betragen.
Wenn die Erfassungseinrichtung 15 bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung, die oben erläutert wurden, ein Thermistor ist, dann ist der Thermistor periodisch relativ großen Temperaturschwankungen (von bis zu 15ºC) unterworfen. Das kann dazu führen, daß der Thermistor schneller altert, was zur Folge hat, daß sich seine Temperaturwiderstandschakteristik so stark ändert, daß die Anfangmeßgenauigkeit der relevanten Meßstelle durch diesen Thermistor nicht mehr gewährleistet ist. Dieses Problem kann wie folgt überwunden werden: Ein Hilfsthermistor wird vorgesehen, der mit dem Thermistor identisch ist, mit dem eine Durchsatzmessung an einer Meßstelle durchgeführt wird. Der Hilfsthermistor wird nur zur Ausführung von Temperaturmessungen benutzt, so daß nur ein kleiner elektrischer Strom durch den Hilfsthermistor hindurchgeht, was zur Folge hat, daß er langsamer als der Thermistor altert, mit dem eine Durchsatzmessung ausgeführt wird. Vorzugsweise wird die Temperatur des Hilfsthermistors nur periodisch und für eine kurze Zeit von beispielsweise einer ms gemessen, was zur Folge hat, daß die Alterung des Hilfsthermistors minimal sein wird. Periodisch und zu Zeitpunkten, an denen der Thermistor, mit dem die Durchsatzmessungen ausgeführt werden, auf die Umgebungstemperatur Ta abgekühlt ist, wird die Temperatur dieses Thermistors vorzugsweise faktisch gleichzeitig mit der Messung der Temperatur des Hilfsthermistors gemessen und wird ein Unterschied zu den beiden gemessenen Temperaturwerten dieser beiden Thermistoren zu diesem Zeitpunkt dazu benutzt, die Meßwerte des Thermistors zu eichen, mit dem die Durchsatzmessungen ausgeführt werden, wobei der Hilfsthermistor als Bezugsthermistor benutzt wird. Da das regelmäßig erfolgen kann, kann eine Eichtabelle aufgebaut und fortlaufend für jeden Thermistor fortgeschrieben werden, mit dem Durchsatzmessungen ausgeführt werden. Wenn die Eigenschaften der Thermistoren einer Meßstelle nicht zu stark voneinander verschieden sind, kann es auch ausreichend sein, derartige Tabellen nur während der Benutzung des Durchsatzmeßgerätes zu bilden. Die Kosten eines Durchsatzmeßgerätes gemäß der Erfindung können folglich im wesentlichen begrenzt werden.
Obwohl es nicht dargestellt ist, ist der Hilfsthermistor vorzugsweise stromaufwärts von den Thermistoren angebracht, mit denen die Durchsatzmessungen ausgeführt werden, was zur Folge hat, daß die Temperatur des Hilfsthermistors nicht durch die Erwärmung eines oder mehrerer der anderen Thermistoren beeinflußt wird. Vorzugsweise hat jede Meßstelle ihren eigenen Hilfsthermistor in einem kurzen Abstand stromaufwärts vom anderen Thermistor der Meßstelle, was zur Folge hat, daß eine noch genauere Eichung erfolgen kann und ein Thermistor mit der geeignetsten Temperaturwiderstandscharakteristik für einen bestimmten Bereich der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums für jede Meßstelle gewählt werden kann.
Bei allen Verfahren zum Bestimmen der Zeitkonstanten einer Abkühlungskurve, die oben beschrieben wurden, kann die folgende Interpretationsgleichung zum Berechnen des Durchsatzes mit einer gemessenen Zeitkonstanten benutzt werden:
Q = Q1 * (Q2/Q1) (r1-τ)/(τ1-τ2) [m³/h]
wobei
Q = zu berechnender Durchsatz [m³/h]
τ = gemessene Zeitkonstante [s]
Q1, τ1 = erstes Eichpaar aus Durchsatz und Zeitkonstante mit τ1> τ
(Q2, τ2) = zweites Eichpaar mit τ1 > τ > τ2
Es hat sich herausgestellt, daß die Meßgenauigkeit weiter erhöht werden kann, wenn der Abfluß an Wärme zu den Anschlußdrähten der Erfassungseinrichtung 15 (Thermistor 14 in Fig. 9) während des ersten Zeitintervalls und zum Gehäuse, in das die Erfassungseinrichtung 15 eingesetzt ist, und der Rückfluß eines Teils dieser Wärme während des zweiten Zeitintervalls I&sub2; zur Erfassungseinrichtung 15 berücksichtigt werden. Gemäß der Erfindung erfolgt das dadurch, daß alle ersten Zeitintervalle I&sub1; für jede Meßstelle eine feste Dauer haben und daß die Erwärmung in allen ersten Zeitintervallen I&sub1; mit der gleichen Entwicklungskurve stattfinden gelassen wird. Um das zu erzielen, wird das in Fig. 9 dargestellte Diagramm in das Diagramm abgewandelt, das in Fig. 13 dargestellt ist. In Fig. 13 empfängt der Bezugseingang VRH für die hohe Bezugsspannung des Analog-Digital-Wandlers 63 eine feste Bezugsspannung VH von 3,16 V. Der Ausgang des Pulsbreitenmodulators 62 ist nun mit einem Tiefpaßfilter 100 verbunden, dessen Aufbau identisch mit dem der Tiefpaßfilter 81 und 82 in Fig. 9 sein kann. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 100 ist mit einem Eingang eines elektronischen Schalters 101 verbunden. Der Anschluß des Thermistors 64, der bei dem Schaltbild von Fig. 9 eine feste Spannung +V empfängt, ist bei dem Schaltbild von Fig. 13 mit dem Ausgang des elektronischen Schalters 101 verbunden. Ein Steuereingang des elektronischen Schalters 101 ist mit einem Steuerausgang 102 des Mikrocomputer 60 verbunden. Ein elektronischer Schalter, wie beispielsweise der elektronische Schalter 101 ist für jede Meßstelle (mit einem entsprechenden Thermistor 64) vorgesehen und empfängt ein Steuersignal vorn zugehörigen Steuerausgang, beispielsweise dem Steuerausgang 102 des Mikrocomputers 60. Vor der Erwärmung einer Meßstelle berechnet der Mikrocomputer 60 auf der Grundlage der gemessenen Umgebungstemperatur Ta und/oder der Temperatur des Thermistors 64 einen gewünschten Temperaturunterschied und eine feste Dauer des ersten Zeitintervalls I&sub1;, die Anzahl, die Breite und die Verteilung einer Anzahl von Impulsen, die der Mikrocomputer 60 erzeugt und dem Thermistor 64 über den Pulsbreitenmodulator 62, das Tiefpaßfilter 100 und den elektronischen Schalter 101 zuführt. Die Spannung am Ausgang des elektronischen Schalters 101 ist annähernd eine Gleichspannung.
Der Pulsbreitenmodulator 62 und das Tiefpaßfilter 100 werden gemeinsam für alle Meßstellen verwandt. Da über die Verwendung eines Multiplex nur eine Meßstelle zu einem Zeitpunkt erwärmt wird, öffnet der Mikrocomputer 60 nur einen elektronischen Schalter 101 zu einem Zeitpunkt und schließt diesen Schalter 101 genau exakt am Ende des ersten Zeitintervalls I&sub1; für die fragliche Meßstelle.
Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel von Fig. 13 ist es natürlich möglich, dem Bezugseingang VRH des Analog-Digital-Wandlers 63 eine Bezugsspannung in der Weise zu liefern, die unter Bezug auf Fig. 9 erläutert wurde.
Fig. 14 zeigt das Schaltbild des wichtigsten elektronischen Bauteils eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Durchsatzmeßvorrichtung gemäß der Erfindung. Das Schaltbild von Fig. 14 umfaßt einen Mikrocomputer 110 und einen Digital-Analog-Wandler 111, die die einzigen Bauteile des Schaltbildes von Fig. 14 sind, die allen Meßstellen gemeinsam sind. Der Digital-Analog-Wandler 111 empfängt einen digitalen Wert vom Mikrocomputer 110 und gibt an einem Ausgang eine dementsprechende analoge Spannung ab.
Für jede Meßstelle umfaßt das Schaltbild in Fig. 14 einen Operationsverstärker 112, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Ausgang des Wandlers 111 verbunden ist und dessen invertierender Eingang mit einem Anschluß 113 des Mikrocomputers 110 verbunden ist. Ein Widerstand 115 ist zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Verstärkers 112 geschaltet. Der invertierende Eingang des Verstärkers 112 ist auch mit einem Anschluß 116 des Mikrocomputers 110, und zwar über einen Widerstand 115 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 112 liegt über eine Reihenschaltung aus einem ersten Thermistor 112 und einem zweiten Thermistor 118 an Masse. Der Knotenpunkt der beiden Thermistoren 117, 118 ist mit einem Eingang 119 eines Analog- Digital-Wandlers des Mikrocomputers 110 verbunden. Ein Ausgang 120 des Mikrocomputers 110 ist mit dem Knotenpunkt der Thermistoren 117, 118 über einen Puffer 121 verbunden.
Beide Thermistoren 117 und 118 sind an der Meßstelle angebracht, wobei der sich der Thermistor 118 stromaufwärts vom Thermistor 117 befindet. Der Thermistor 117 wird während des zuerst genannten ersten Zeitintervalls I&sub1; erwärmt, indem ein relativ hoher erster elektrischer Strom durch den Thermistor 117 geleitet und kein Strom durch den Thermistor 118 geleitet wird. Während der Messung wird ein relativ kleiner, zweiter elektrischer Strom durch beide Thermistoren 117 und 118 geführt.
Wenn der Mikrocomputer 110 die Meßstelle nicht zur Ausführung einer Durchsatzmessung gewählt hat, dann legt der Mikrocomputer 110 eine hohe Spannung an den Anschluß 113, was zur Folge hat, daß der Ausgang des Verstärkers 112 abfällt und somit kein Strom durch die Thermistoren 117 und 118 fließt, was zum Ergebnis hat, daß die Thermistoren nicht unnötig erwärmt werden und eine Alterung als Folge der Erwärmung entgegengewirkt wird.
Wenn der Mikrocomuter 110 eine Meßstelle zur Ausführung einer Durchsatzmessung gewählt hat, und die Spannung am Eingang 119 des Mikrocomputers 110 zu messen ist, dann steuert der Mikrocomputer 110 die Anschlüsse 113, 116 und 120 auf eine hohe Impedanz und liefert der Computer dem Digital-Analog-Wandler 111 einen digitalen Wert, der am Ausgang des Wandlers 111 zur Abgabe einer relativ niedrigen Spannung von beispielsweise 5 V führt. Da der Verstärker 112 in dieser Situation als Spannungsfolger geschaltet ist, ist das die Spannung am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 111. Der Computer 110 mißt die Spannung am Knotenpunkt der Thermistoren 117 und 118 am Eingang 119. Wenn die Thermistoren 117 und 118 vollständig identisch sind, und die Temperatur der beiden Thermistoren 117 und 118 identisch ist, dann wird die Spannung am Eingang 119 gleich der Hälfte der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 111 sein. Wenn die Thermistoren nicht identisch sind, erfolgt eine Korrektur am Meßwert in der im vorhergehenden erläuterten Weise, nämlich auf der Basis einer Eichtabelle, die fortlaufend fortgeschrieben werden kann. Die am Eingang 119 in dieser Situation gemessene Spannung kann als Temperatur an der Meßstelle interpretiert werden. In dem Schaltbild von Fig. 14 ist es jedoch niemals notwendig, die am Knotenpunkt der Thermistoren 117, 118 gemessene Spannung in einen Temperaturwert umzuwandeln oder als Temperaturwert zu verarbeiten.
Der Mikrocomputer 110 erwärmt eine Meßstelle, an der eine Durchsatzmessung durchzuführen ist, in jedem Fall für ein erstes Zeitintervall I&sub1; mit einer festen Dauer von beispielsweise 2,5 s. Das erste Zeitintervall wird in Unterintervalle, beispielsweise 25 Unterintervalle mit jeweils 10 ms unterteilt. Während jedes Unterintervalls kann der Mikrocomputer 110 eine Anzahl von Impulse, beispielsweise normalerweise 5 und als Maximum 10 mit jeweils 10 ms an den Digital-Analog-Wandler 111 abgeben. Aufeinander folgende Impulse konnen in diesem Fall während im wesentlichen des gesamten Zeitintervalls bis zum folgenden Impuls aktiv sein. Während des ersten Zeitintervalls Ii liefert der Computer 110 die Impulse in Form einer Reihe von aufeinanderfolgenden digitalen Werten dem Digital-Analog-Wandler 111. Zur Erwärmung steuert der Comuter 110 den Anschluß 113 auf eine hohe Impedanz während des ersten Zeitintervalls I&sub1; und steuert der Computer 110 die Anschlüsse 116 und 120 auf eine niedrige Impedanz. Wenn beispielsweise der Widerstand 114 einen Wert von 3 kΩ hat und der Widerstand 115 einen Wert von 1 kΩ, wird die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 111 am Ausgang des Verstärkers 112 folglich mit einem Verstärkungsfaktor 4 verstärkt. In diesem Fall leitet der Verstärker 112 einen relativ großen Strom durch den Thermistor 112 und den Puffer 121, während kein Strom durch den Thermistor 118 geht.
Im ersten Zeitintervall I&sub1; mißt der Computer 110 periodisch beispielsweise alle 10 ms und in jedem Fall über nur beispielsweise 1 rns die Spannung am Knotenspunkt der Thermistoren 117, 118 in der oben beschriebenen Weise, wobei der Verstärker 112 als Spannungsfolger geschaltet ist (die Anschlüsse 113, 116 und 120 haben eine hohe Impedanz) und ein relativ niedriger Strom durch beide Thermistoren 117 und 118 geht. Im zweiten Zeitintervall 12 wird die Spannung am Knotenpunkt der Thermistoren 117, 118 in der gleichen Weise gemessen.
Vor dem ersten Zeitintervall I&sub1; berechnet der Computer 110 auf der Basis der am Anfang gemessenen Spannung ("Umgebungstemperatur") und eines gewünschten Spannungsunterschiedes über dem Thermistor 112 am Ende des ersten Zeitintervalls I&sub1; eine bestimmte Verteilung der Impulse über das erste Zeitintervall I&sub1;. Auf der Grundlage der Spannung am Knotenpunkt der Thermistoren 117 und 118, die periodisch während des ersten Zeitintervalls I&sub1; gemessen wird, kann der Computer 110 die Verteilung der Impulse nachstellen oder nicht und die Amplitude der Impulse am Ende jedes Unterintervalls von 100 ms durch Änderung des Eingangswertes des aktiven Teils der Impulse am Digital-Analog-Wandler 111 ändern oder nicht. Der Computer 110 ist so programmiert, daß er die Kurve der Erwärmung des Thermistors 117 während jedes ersten Zeitintervalls I&sub1; im wesentlichen identisch hält. Es ist auch das Ziel, daß beispielsweise die gemessene Spannung am Knotenpunkt der Thermistoren 117 und 118 (faktisch) gleich VH (= 3,16 V) am Anfang jedes zweiten Zeitintervalls 12 ist.
Während des zweiten Zeitintervalls 12 kann die am Knotenpunkt der Thermistoren 117 und 118 gemessene Spannung in der gleichen Weise verarbeitet werden, wie es oben für die anderen Ausführungsbeispielse dargestellt wurde, als würde die gemessene Spannung eine Temperatur wiedergeben.
Da der Spannungsteiler, der mit dem Ausgang des Verstärkers 112 verbunden ist, aus im wesentlichen zwei identischen Thermistoren besteht und die Thermistoren der gleichen Umgebungstemperatur ausgesetzt sind, werden für einen großen Bereich der Umgebungstemperatur die Widerstandswerte näher aneinander liegen als dann der Fall wäre, wenn ein fester Widerstandswert für den Thermistor 118 genommen würde. Die Auflösung und die Genauigkeit der Messung werden folglich gleichfalls besser sein. Zum selben Zweck können die Widerstände 69 in den Fig. 9 und 13 gleichfalls Thermistoren sein, die im wesentlichen identisch mit den Thermistoren 64 sind.
Alle Ausführungsbeispiele haben den wesentliche Vorteil, daß eine "Festkörper"-Vorrichtung erzielt wird, die zur Messung des Durchsatzes eines Mediumstromes durch die Vorrichtung über einen breiten Meßbereich und mit großer Genauigkeit geeignet ist.

Claims

1. Verfahren zum Messen des Durchsatzes eines Mediums, welches das Vorsehen von wenigstens einer Meßstelle im Strom des Mediums, wobei jede Meßstelle eine elektronische Erfassungseinrichtung (15) aufweist, das Erwärmen der Erfassungseinrichtung (15) während eines ersten Zeitintervalls (I&sub1;) durch einen elektrischen Heizstrom von einer Umgebungstemperatur (Ta) auf eine Erwärmungsendtemperatur (Th), das Unterbrechen des Heizstromes und das Abkühlenlassen der Erfassungseinrichtung (15) während eines zweiten Zeitintervalls (12) anschließend an das erste Zeitintervall (I&sub1;), das Messen eines elektrischen Parameters, der von der Temperatur (T) der Erfassungseinrichtung (15) abhangt, indem ein elektrischer Meßstrom durch die Erfassungseinrichtung (15) gespeist wird, und das Bestimmen eines Wertes für den Durchsatz unter Verwendung eines vorher gebildeten Gesetzes und der gemessenen Werte des elektrischen Parameters während des zweiten Zeitintervalls (I&sub2;) sowie das abwechselnde Wiederholen des ersten und des zweiten Zeitintervalls (I&sub1;, I&sub2;) umfaßt, um abwechselnd die Erfassungseinrichtung (15) jeweils zu erwärmen und abzukühlen und während jedes zweiten Zeitintervalls (I&sub2;) einen Wert für den Durchsatz zu bestimmen, wobei die ersten Zeitintervalle (I&sub1;) gleiche Dauer haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstellen so angeordnet werden, daß die Erfassungseinrichtung (15) fortlaufend dem Strom des Mediums bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten an verschiedenen Meßstellen für irgendeinen Gesamtströmungsdurchsatz ausgesetzt ist, vor der Bestimmung eines Wertes für den Durchsatz das Gesetz mit einer Meßbereichsinformation für jede Stelle vorgegeben wird, in Abhängigkeit von einer vorhergehenden Messung des Durchsatzes eine Gruppe aus einer Meßstelle bis zu allen Meßstellen so gewählt wird, daß die Gruppe einen durchgehenden Meßbereich liefert, für jede Stelle der Gruppe von Stellen ein vorläufiger Wert des Durchsatzes bestimmt wird und auf der Basis der Meßbereichsinformation das Gesetz einen vorläufigen Wert mit der höchsten Meßgenauigkeit aus den vorläufigen Werten auswählt, die für die Gruppe der Stellen bestimmt wurden, wobei der gewählte vorläufige Wert den gesuchten Endmeßwert für den Durchsatz bis zu seiner Erneuerung durch eine nächste Wahl aus den vorläufigen Werten bildet, wobei die Gruppe der Meßstellen auch so gewählt wird, daß die Meßstelle eingeschlossen ist, die zu dem Endmeßwert gehört, der direkt vorher gewählt wurde, und das Erwärmen der Erfassungseinrichtung (15) mit im wesentlichen identischen Entwicklungskurven des elektrischen Parameters für alle ersten Zeitintervalle (I&sub1;) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Heizstrom aus Impulsen besteht, zwischen den Impulsen des Heizstromes der elektrische Parameter gemessen wird und die Impulse mit einer Steuerung wenigstens einer Variablen aus der Anzahl, der Verteilung und der Stärke der Impulse erzeugt werden, um die Entwicklungskurve der Werte des elektrischen Parameters an eine Bezugsentwicklungskurve anzunähern.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erfassungseinrichtung (15) in einem Spannungsteiler (64, 69; 117, 118) angeordnet wird, dann, wenn der elektrische Parameter gemessen wird, der Meßstrom durch den Teiler gespeist wird und an einem Knotenpunkt des Teilers ein Signal abgenommen wird, das den elektrischen Parameter wiedergibt, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts von der Erfassungseinrichtung (15) jeder Stelle eine weitere identische Erfassungseinrichtung im Strom des Mediums angeordnet wird und dann, wenn der elektrische Parameter gemessen wird, der zu einer Meßstelle gehört, die stromaufwärts liegende Erfassungseinrichtung in den Teiler eingebunden wird, der zu der Meßstelle gehört.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unterschied zwischen dem zuletzt gewählten Endmeßwert, der zu einer Meßstelle gehört, und dem vorläufigen Wert, der zu einer anderen Meßstelle aus der Gruppe von Meßstellen gehört, bestimmt wird, wobei die Meßstellen mit den zu vergleichenden Meßwerten Genauigkeitsbereiche haben, die nahe aneinander liegen, und eine Warnung erzeugt wird, wenn der Unterschied einen bestimmten Wert überschreitet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebungstemperatur durch die Erfassungseinrichtung (15) einer Meßstelle gemessen wird, an der momentan keine Strömungsmessung durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 einschließlich, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebungstemperatur durch einen Temperatursensor stromaufwärts der gewählten Gruppe von Meßstellen im Strom gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorläufige Wert des Durchsatzes auf der Grundlage der Steigung eines im wesentlichen linearen Anfangsteils der Entwicklung des elektrischen Parameters während des zweiten Zeitintervalls (I&sub2;) bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 einschließlich, dadurch gekennzeichnet, daß während des zweiten Zeitintervalls (I&sub2;) aufeinanderfolgende Werte des elektrischen Parameters genommen werden, der natürliche Logarithmus jedes Wertes gebildet wird und der vorläufige Wert des Durchsatzes auf der Grundlage der Steigung der aufeinanderfolgenden logarithmischen Werte bestimmt wird, die von den Werten gebildet wurden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 einschließlich, bei dem während des zweiten Zeitintervalis (I&sub2;) die Zeit zwischen dem Auftreten eines ersten Wertes des elektrischen Parameters und eines folgenden zweiten Wertes des elektrischen Parameters gemessen wird, wobei der erste und der zweite Wert des elektrischen Parameters vorbestimmt sind und von der Umgebungstemperatur abhängen, und ein Wert des Durchsatzes auf der Grundlage der gemessenen Zeit bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Messung die zu messende Zeit auf der Grundlage der Messungen der Zeit abgeschätzt wird, die während eines oder mehrerer vorhergehender zweiter Zeitintervalle (I&sub2;) gemessen wurde, und im aktuellen zweiten Zeitintervall (I&sub2;) nach der Messung des ersten Wertes der Messung des elektrischen Parameters das Weitergehen der Messung aufgeschoben wird, bis die geschätzte Zeit nahezu abgelaufen ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet&sub1; daß die Messung für etwa 80 % der geschätzten Zeit aufgeschoben wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Meßstelle eine Bezugserfassungseinrichtung angeordnet wird, die mit der besagten ersten Erfassungseinrichtung (15) der besagten Stelle identisch ist, zu Zeitpunkten, an denen die Meßstelle nicht eine Stelle der gewählten Gruppe von Meßstellen ist, die Umgebungstemperatur durch beide Erfassungseinrichtungen an der Stelle gemessen wird, der Unterschied zwischen den durch beide Erfassungseinrichtungen gemessenen Werte bestimmt wird und in Abhängigkeit von diesem Unterschied die Meßwerte, die von der ersten besagten Erfassungseinrichtung erhalten werden, kalibriert werden.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Kalibrierungsphase für jede Meßstelle und für jeden von verschiedenen Kalibrierungsdurchsätzen ein Wert des elektrischen Parameters gemessen und in Form eines Paares mit dem aktuellen Wert des Durchsatzes gespeichert wird, um das Gesetz zu bilden, und nach der Kalibrierungsphase ein Wert des Durchsatzes an einer Meßstelle durch Interpolation von den gespeicherten Paaren der Werte berechnet wird, die zu der besagten Stelle gehören.

13. Vorrichtung zum Messen des Durchsatzes eines Mediumstromes mit einer Zirkulationseinrichtung (10) und einer elektrischen Steuer- und Meßschaltung, wobei die Zirkulationseinrichtung (10) einen Strömungskanal (16) mit einem Einlaß und einem Auslaß zum Ermöglichen des Durchgangs des Mediums und eine Anzahl von Meßstellen aufweist, die im Kanal (16) angeordnet sind, jede Meßstelle eine Erfassungseinrichtung (15) aufweist, die durch einen Heizstrom erwärmt werden kann, der durch die elektronische Schaltung während erster Zeitintervalle (I&sub1;) geliefert wird, und die dazu dient, einen Meßstrom hindurchzuleiten, der von der elektronischen Schaltung während zweiter Zeitintervalle (I&sub2;) geliefert wird, die mit den ersten Zeitintervallen (I&sub1;) abwechseln, dann, wenn der Meßstrom durch die Erfassungseinrichtung (15) geleitet wird, die Erfassungseinrichtung ein Meßsignal liefert, das einen elektrischen Parameter wiedergibt, der von der Temperatur der Erfassungseinrichtung (15) abhängt, und die elektronische Schaltung einen Wert des Durchsatzes in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Gesetz und von den Meßwerten des elektrischen Parameters während des zweiten Zeitintervalls (I&sub2;) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtungen (15) an Meßstellen mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten für irgendeinen Gesamtdurchsatz angeordnet sind, die elektronische Schaltung Impulserzeugungseinrichtungen umfaßt, die eine Reihe von Impulsen während jedes ersten Zeitintervalls (I&sub1;) erzeugen, wobei die Reihe von Impulsen den Heizstrom liefert, die elektronische Schaltung den elektrischen Parameter zwischen den Impulsen mißt und die Erzeugungseinrichtung die Impulse mit einer Steuerung wenigstens einer Variablen aus der Anzahl, der Verteilung und der Stärke der Impulse derart erzeugt, daß eine Entwicklungskurve der gemessenen Werte des elektrischen Parameters an eine Bezugsentwicklungskurve angenähert wird, die für alle ersten Zeitintervalle (I&sub1;) im wesentlichen identisch ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Erfassungseinrichtung (15) in einen Spannungsteiler (64, 69; 117, 118) geschaltet ist, wobei ein Knotenpunkt des Teilers das Meßsignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler eine weitere Erfassungseinrichtung (69; 118) umfaßt, die mit der ersten Erfassungseinrichtung (64; 117) identisch ist und stromaufwärts von dieser im Strom angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß beide Erfassungseinrichtungen des Spannungsteilers Thermistoren (117, 118) sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 einschließlich, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (16) eine Anzahl von parallelen Unterkanälen (17, 18, 19; 26, 27, 28, 29, 30) umfaßt, wobei in jedem Unterkanal eine Meßstelle angeordnet ist und die Unterkanäle so angeordnet sind, daß sie verschiedene Geschwindigkeiten des Mediums an den jeweiligen Meßstellen bei irgendeinem Gesamtdurchsatz liefern.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Unterkanal (26, 27, 28, 29, 30) eine Verengung (31, 32, 33, 34, 35) umfaßt und die Verengungen so ausgebildet sind, daß sie verschiedene Geschwindigkeiten des Mediums an den jeweiligen Meßstellen für irgendeinen Gesamtdurchsatz liefern.