EP1955020A2 - Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des massedurchflusses eines gasförmigen mediums - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des massedurchflusses eines gasförmigen mediums

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EP1955020A2
EP1955020A2 EP06830257A EP06830257A EP1955020A2 EP 1955020 A2 EP1955020 A2 EP 1955020A2 EP 06830257 A EP06830257 A EP 06830257A EP 06830257 A EP06830257 A EP 06830257A EP 1955020 A2 EP1955020 A2 EP 1955020A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
medium
mass flow
temperature
temperature sensor
corrected value
Prior art date
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Ceased
Application number
EP06830257A
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English (en)
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Inventor
Oliver Popp
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Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP1955020A2 publication Critical patent/EP1955020A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G—PHYSICS
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/6965—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters comprising means to store calibration data for flow signal calculation or correction
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    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/698—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
    • G01P5/12—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables using variation of resistance of a heated conductor

Definitions

  • the invention relates to a thermal or calorimetric device for determining and / or monitoring the flow of a flowing through a pipe or through a measuring tube compressible medium with two temperature sensors and a control / evaluation unit, wherein a first temperature sensor is designed to be heated wherein a second temperature sensor provides information about the current temperature of the medium, wherein the control / evaluation determines the mass flow of the medium based on the temperature difference between the two temperature sensors and / or based on the first temperature sensor heating power, the two temperature sensors in a the Medium-facing region of a housing and are in thermal contact with the flowing through the pipe or through the measuring tube medium.
  • the compressible medium is a gaseous or vaporous medium.
  • thermal flow meters usually use two as possible identically designed temperature sensors.
  • both temperature sensors are usually installed in a measuring tube in which the flow of a measuring medium is measured.
  • one of the two temperature sensors is a so-called passive temperature sensor: it detects the current temperature of the measuring medium.
  • the further temperature sensor is a so-called active temperature sensor, which is heated by means of a heating unit.
  • the heating unit is either an additional resistance heater, or the temperature sensor itself is a resistance element, e.g. around a RTD (Resistance Temperature Device) sensor, which is powered by conversion of an electrical power, e.g. is heated by a corresponding variation of the measuring current.
  • RTD Resistance Temperature Device
  • Temperature sensor so heated that sets a fixed temperature difference between the two temperature sensors.
  • it has also become known to feed a constant heat output via a control / control unit.
  • the cooling of the heated temperature sensor is substantially dependent on the mass flow of the passing colder medium. Heat is removed from the heated temperature sensor due to the flowing medium.
  • a higher heating power for the heated temperature sensor is required.
  • the temperature difference between the two temperature sensors is then a measure of the mass flow through the pipeline or through the measuring tube.
  • the heat transfer coefficient is only a measure of the mass flow of the medium in the pipe or in the measuring tube in a first approximation.
  • process variables For highly accurate measurements, it is necessary to consider other process variables. For a compressible medium, these are pressure, flow rate, and temperature.
  • the invention has for its object to provide a thermal flowmeter for highly accurate measurement of the mass flow of compressible media.
  • control / evaluation unit determines a corrected value for the determined due to the temperature difference or the supplied heat output mass flow due to at least one further process variable of the flowing medium and the corrected value for the mass flow through the pipe or through the measuring tube makes available.
  • the fact is taken into account that with the same mass flow the pressure, the flow velocity and the temperature have an influence on the mass flow.
  • the heat transfer coefficient is dependent in particular on the pressure and the flow velocity, but also on the Temperature of the medium flowing in the pipeline or in the measuring tube. According to a development of the device according to the invention, it can thus be said that the determined corrected value for the mass flow rate is dependent on the flow velocity of the gaseous or vaporous, compressible medium.
  • the Mach number (M) is equal to the quotient of the flow velocity (v ) and the speed of sound c of the gaseous medium.
  • the Mach number can vary considerably depending on the speed of sound of the flowing through the pipe or through the measuring tube medium.
  • hydrogen gas is characterized by a very high speed of sound - which means that the Mach number of hydrogen gas is relatively small - while the speed of sound of carbon dioxide is relatively small, which translates into a relatively large Mach number.
  • the control / evaluation unit can also decide on the basis of appropriate specifications, whether a correction should be made or not. For example, the correction quantity should be at least as large as the measurement error.
  • the value of the constant const. determined experimentally.
  • FIG. 2 is a graph showing heating power and flow rate versus pressure.
  • 4a is a graph showing the dependence of the heating power on the mass flow of air for corrected and uncorrected values at two different pressures
  • Fig. 4b a diagram showing the dependence of the heating power of the
  • Fig. 4c a diagram showing the dependence of the heating power of the
  • Mass flow of hydrogen for corrected and uncorrected values at two represents different pressures
  • Fig. 41 is a diagram showing the dependence of the heating power of the
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the thermal flow meter 1 according to the invention with thermal flow sensor 6 and transmitter 7.
  • the flow meter 1 is a screw thread 9 in a nozzle 4, which is located on the pipe 2, attached.
  • the pipe 2 is the flowing medium 3.
  • the temperature measuring device which is an essential part of the sensor 6, is located in the region of the housing 5, which faces the medium 3.
  • Temperature sensors 11, 12 to an electrically heatable resistance element act.
  • a conventional temperature sensor e.g. a PtIOO or PtIOOO or a thermocouple to which a thermally coupled heating unit 13 is assigned.
  • the heating unit 13 is arranged in the housing 5 in FIG. 1 and thermally coupled to the heatable temperature sensor 11, 12, but largely decoupled from the medium.
  • the coupling or decoupling is preferably carried out via the filling of the corresponding intermediate spaces with a thermally highly conductive or a thermally poorly conductive material.
  • this is a potting material used.
  • the flowmeter 1 With the flowmeter 1, it is possible to continuously measure the mass flow rate; Alternatively, it is possible to use the flow meter 1 as a switch, which always indicates the change of a switching state when at least a predetermined limit is exceeded or exceeded.
  • both temperature sensors 11, 12 are designed to be heatable, wherein the desired function of the first temperature sensor 11 or the second temperature sensor 12 of the rule / Evaluation unit 10 is determined.
  • the control / evaluation unit 10 it is possible for the control / evaluation unit 10 to actuate the two temperature sensors 11, 12 alternately as active or passive temperature sensors 11, 12 and to determine the flow measured value via an averaging of the measured values supplied by the two temperature sensors 11, 12.
  • Flow rate v is plotted against different prevailing in the pipeline 2 or in the measuring tube pressures p.
  • the temperature T and the mass flow are kept constant.
  • the heating power Q rises steeply depending on the prevailing pressure in the pipe 2 and then passes in the range above 2 bar in a curve Q (p) with a moderate slope over.
  • I Q has a definite dependence on the Mach number M.
  • the dependence can be described by the following formula: [0032]
  • Fig. 3 shows a diagram showing the functional relationship between the normalized heating power
  • FIGS. 4a, 4b, 4c and 4d show the uncorrected measured values of a thermal flow meter 1 and the corresponding measured values corrected according to the invention against the mass flow. It is clear from the figures that the corrected measured values correlate with the mass flow almost independently of the pressure: They are characterized by a clear and unambiguous dependence on the mass flow.
  • FIG. 4 a shows the functional dependence of the heating power Q, which is essentially dominated only by the mass flow rate, when air flows through the pipeline 2 or the measuring tube. The corrected values are almost independent of the pressure.
  • Figures 4b, 4c and 4d show the corresponding diagrams for methane, hydrogen and carbon dioxide. Here, methane has the largest Mach number M with 0.3, while hydrogen has the lowest Mach number M with 0.05. ] List of reference numerals

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses eines gasförmigen Mediums durch eine Rohrleitung (2) bzw. durch ein Messrohr mit zwei Temperatursensoren (11, 12) und einer Regel-/ Auswerteeinheit (10), wobei die beiden Temperatursensoren (11, 12) in einem dem Medium (3) zugewandten Bereich eines Gehäuses (5) angeordnet und in thermischem Kontakt mit dem durch die Rohrleitung (2) bzw. durch das Messrohr strömende Medium (3) sind, wobei ein erster Temperatursensor (11) beheizbar ausgestaltet ist, wobei ein zweiter Temperatursensor (12) Information über die aktuelle Temperatur des Mediums (3) bereitstellt, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) anhand der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen den beiden Temperatursensoren (11, 12) und/oder anhand der dem ersten Temperatursensor (11) zugeführten Heizleistung (Q) den Massedurchfluss des Mediums (3) bestimmt und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) aufgrund von zumindest einer weiteren Prozessgröße (p, T, v) des strömenden Mediums (3) einen Korrigierten Wert für den aufgrund der Temperaturdifferenz (ΔT) bzw. der zugeführten Heizleistung bestimmten Massedurchfluss ermittelt und einen korrigierten Wert (Qmc) für den Massedurchfluss durch die Rohrleitung (2) bzw. durch das Messrohr zur Verfügung stellt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses eines gasförmigen Mediums
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische bzw. kalorimetrische Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines durch eine Rohrleitung oder durch ein Messrohr strömenden kompressiblen Mediums mit zwei Temperatursensoren und einer Regel-/ Auswerteeinheit, wobei ein erster Temperatursensor beheizbar ausgestaltet ist, wobei ein zweiter Temperatursensor Information über die aktuelle Temperatur des Mediums bereitstellt, wobei die Regel- /Auswerteeinheit anhand der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren und/oder anhand der dem ersten Temperatursensor zugeführten Heizleistung den Massedurchfluss des Mediums bestimmt, wobei die beiden Temperatursensoren in einem dem Medium zugewandten Bereich eines Gehäuses angeordnet und in thermischem Kontakt mit dem durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr strömende Medium sind. Bei dem kompressiblen Medium handelt es sich um ein gasförmiges oder ein dampfförmiges Medium.
[0002] Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte verwenden meist zwei möglichst gleichartig ausgestaltete Temperatursensoren. Für industrielle Anwendung sind beide Temperatursensoren üblicherweise in ein Messrohr eingebaut, in dem der Durchfluss eines Messmediums gemessen wird. Wie bereits zuvor erwähnt, ist einer der beiden Temperatursensoren ein sog. passiver Temperatursensor: er erfasst die aktuelle Temperatur des Messmediums. Bei dem weiteren Temperatursensor handelt es sich um einen sog. aktiven Temperatursensor, der mittels einer Heizeinheit beheizt wird. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung vorgesehen, oder bei dem Temperatursensor selbst handelt es sich um ein Widerstandselement, z.B. um einen RTD-(Resistance Temperature Device) Sensor, der durch Umsetzung einer elektrischen Leistung, z.B. durch eine entsprechende Variation des Messstroms erwärmt wird.
[0003] Üblicherweise wird in einem thermischen Durchflussmessgerät der beheizbare
Temperatursensor so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren einstellt. Alternativ ist es auch bekannt geworden, über eine Regel-/Steuereinheit eine konstante Heizleistung einzuspeisen.
[0004] Tritt in dem Messrohr kein Durchfluss auf, so wird eine konstante Wärmemenge zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperaturdifferenz benötigt. Ist hingegen das zu messende Medium in Bewegung, ist die Abkühlung des beheizten Temperatursensors wesentlich von dem Massestrom des vorbeiströmenden kälteren Mediums abhängig. Durch das vorbeiströmende Medium wird Wärme von dem beheizten Temperatursensor abtransportiert. Um also bei einem strömenden Medium die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren aufrecht zu erhalten, ist folglich eine höhere Heizleistung für den beheizten Temperatursensor erforderlich. Im Falle der Einspeisung einer zeitkonstanten Heizleistung verringert sich infolge des Durchflusses des Mediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren. Die Änderung ist dann ein Maß für den Massestrom durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr.
[0005]
[0006] Es besteht somit ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des Temperatursensors notwendigen Heizenergie und dem Massestrom durch eine Rohrleitung bzw. durch ein Messrohr. Generell lässt sich sagen, dass der Wärmeübertragungskoeffizient abhängig ist von dem Massestrom des Mediums durch das Messrohr bzw. durch die Rohrleitung. Thermische Durchflussmessgeräte, die auf dem zuvor beschriebenen Prinzip beruhen, werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung 't-mass' angeboten und vertrieben.
[0007] Es hat sich nun herausgestellt, dass der Wärmeübertragungskoeffizient nur in erster Näherung ein Maß für den Massestrom des Mediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr ist. Für hochgenaue Messungen ist es erforderlich, weitere Prozessgrößen zu berücksichtigen. Bei einem kompressiblen Medium sind dies der Druck, die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermisches Durchflussmessgerät für die hochgenaue Messung des Massestroms von kompressiblen Medien vorzuschlagen.
[0009] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Regel-/ Auswerteeinheit aufgrund von zumindest einer weiteren Prozessgröße des strömenden Mediums einen korrigierten Wert für den aufgrund der Temperaturdifferenz bzw. der zugeführten Heizleistung bestimmten Massedurchfluss ermittelt und den korrigierten Wert für den Massedurchfluss durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr zur Verfügung stellt. Erfindungsgemäß wird somit die Tatsache berücksichtigt, dass bei gleichem Massestrom der Druck, die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur einen Einfluss auf den Massestrom haben. Der Wärmeübergangskoeffizient ist insbesondere abhängig von dem Druck und der Strömungsgeschwindigkeit, aber auch von der Temperatur des in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr strömenden Mediums. Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich somit sagen, dass der ermittelte korrigierte Wert für den Massedurchfluss abhängig ist von der Strömungsgeschwindigkeit des gas- bzw. dampfförmigen, kompressiblen Mediums.
[0010] Als besonders vorteilhaft wird es im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung angesehen, wenn der korrigierte Wert für den Massedurchfluss in Abhängigkeit von der Machzahl des strömenden gasförmigen Mediums ermittelt wird, wobei die Machzahl (M) gleich ist dem Quotienten aus der Strömungsgeschwindigkeit (v) und der Schallgeschwindigkeit c des gasförmigen Mediums. Bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit kann die Machzahl in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit des durch die Rohrleitung oder durch das Messrohr strömenden Mediums erheblich variieren. So zeichnet sich beispielsweise Wasserstoffgas durch eine sehr hohe Schallgeschwindigkeit auf - was heißt, dass die Machzahl von Wasserstoffgas relativ klein ist -, während die Schallgeschwindigkeit von Kohlendioxid relativ klein ist, was sich in einer relativ großen Machzahl niederschlägt.
[0011] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der korrigierte Wert für die dem ersten beheizbaren Temperatursensor zuzuführende Leistung nach folgender Formel berechnet wird:
[0012]
Q01C = Q - const. λ \ + —1 ^ -Mι 1 - 1
[0013] Hierbei ist
Qιnc die dem beheizbaren Temperatursensor zugeführte Heizleistung im Bereich kleiner
Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums, wenn also gilt: v « c. In diesem Bereich verhält sich das strömende Medium wie ein inkompressibles Medium. Q ist die dem beheizbaren Temperatursensor bei einer gegebenen Geschwindigkeit zugeführte
Heizleistung. ϊ ist der Isentropenexponent des Gases, und c ist die Schallgeschwindigkeit. Beide
Größen sind generell vom Gas sowie von dem thermodynamischen Zustand des Gases abhängig. Das Verhältnis von Qιnc zu Q entspricht somit der auf die zugeführte Heizleistung bei inkompressiblen Medien normierten Heizleistung des erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts.
[0014] Aufgrund der quadratischen Abhängigkeit der normierten Heizleistung von der Machzahl ist eine Berücksichtigung der weiteren Prozessgrößen bzw. eine entsprechende Korrektur des Massedurchflusses eines kompressiblen Mediums um so wichtiger, je größer die Machzahl ist. Das heißt einerseits, dass bei gleicher Schallgeschwindigkeit die Korrektur um so wichtiger wird, je höher die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr ist. Andererseits bedeutet es, dass eine Korrektur aufgrund einer Druckänderung bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit um so wichtiger wird, je größer die Schallgeschwindigkeit in dem gas- oder dampfförmigen Medium ist. So kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die Korrekturmöglichkeit von dem Bediener ein- und ausgeschaltet wird, wenn dies erforderlich scheint. Alternativ kann die Regel-/ Auswerteeinheit aufgrund entsprechender Vorgaben auch selbst entscheiden, ob eine Korrektur erfolgen soll oder nicht. Beispielsweise sollte die Korrekturgröße mindestens so groß sein wie der Messfehler.
[0015] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Wert der Konstanten const. experimentell ermittelt.
[0016] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
[0017] Fig. 1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen thermischen Durchflus smes sgeräts ,
[0018] Fig. 2: ein Diagramm, das die Heizleistung und die Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Druck darstellt,
[0019] Fig. 3: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Heizleistung von der Machzahl wiedergibt,
[0020] Fig. 4a: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Heizleistung von dem Massedurchfluss von Luft für korrigierte und nicht korrigierte Werte bei zwei unterschiedlichen Drücken darstellt,
[0021] Fig. 4b: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Heizleistung von dem
Massedurchfluss von Methan für korrigierte und nicht korrigierte Werte bei zwei unterschiedlichen Drücken darstellt,
[0022] Fig. 4c: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Heizleistung von dem
Massedurchfluss von Wasserstoff für korrigierte und nicht korrigierte Werte bei zwei unterschiedlichen Drücken darstellt, und
[0023] Fig. 41: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Heizleistung von dem
Massedurchfluss von Kohlendioxid für korrigierte und nicht korrigierte Werte bei zwei unterschiedlichen Drücken darstellt.
[0024] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts 1 mit thermischem Durchflusssensor 6 und Messumformer 7. Das Durchflussmessgerät 1 ist über ein Schraubgewinde 9 in einem Stutzen 4, der sich an der Rohrleitung 2 befindet, befestigt. In der Rohrleitung 2 befindet sich das strömende Medium 3. Alternativ ist es möglich, das Durchflussmessgerät 1 mit integriertem Messrohr als Inline-Messgerät auszubilden.
[0025] Die Temperaturmesseinrichtung, die wesentlicher Teil des Sensors 6 ist, befindet sich in dem bereich des Gehäuses 5, der dem Medium 3 zugewandt ist. Die Ansteuerung der Temperatursensoren 11, 12 und/oder die Auswertung der von den Temperatursensoren 11, 12 gelieferten Messsignale erfolgt über die Regel- /Auswerteeinheit 10, die im gezeigten Fall im Messumformer 7 angeordnet ist. Über die Verbindung 8 erfolgt die Kommunikation mit einer entfernten, in der Fig. 1 nicht gesondert dargestellten Kontrollstelle.
[0026] Wie bereits zuvor erwähnt, kann es sich bei zumindest einem der beiden
Temperatursensoren 11, 12 um ein elektrisch beheizbares Widerstandselement, um einen sog. RTD-Sensoren, handeln. Selbstverständlich kann in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung auch ein üblicher Temperatursensor, z.B. ein PtIOO oder PtIOOO oder ein Thermoelement eingesetzt werden, dem eine thermisch angekoppelte Heizeinheit 13 zugeordnet ist. Die Heizeinheit 13 ist in der Fig. 1 im Gehäuse 5 angeordnet und thermisch an den beheizbaren Temperatursensor 11, 12 gekoppelt, aber von dem Medium weitgehend entkoppelt. Die Ankopplung bzw. die Entkopplung erfolgt bevorzugt über die Auffüllung der entsprechenden Zwischenräume mit einem thermisch gut leitenden bzw. einem thermisch schlecht leitenden Material. Bevorzugt kommt hierzu ein Vergussmaterial zum Einsatz.
[0027] Mit dem Durchflussmessgerät 1 ist es möglich, den Massedurchfluss kontinuierlich zu messen; alternativ ist es möglich, das Durchflussmessgerät 1 als Schalter zu verwenden, der immer dann die Änderung eines Schaltzustandes anzeigt, wenn zumindest ein vorgegebener Grenzwert unter- oder überschritten wird.
[0028] Vorteilhafter Weise ist darüber hinaus vorgesehen, dass beide Temperatursensoren 11, 12 beheizbar ausgestaltet sind, wobei die gewünschte Funktion des ersten Temperatursensors 11 oder des zweiten Temperatursensors 12 von der Regel/ Auswerteeinheit 10 bestimmt ist. Beispielsweise ist es möglich, dass die Regel- /Auswerteeinheit 10 die beiden Temperatursensoren 11, 12 alternierend als aktiven oder passiven Temperatursensor 11, 12 ansteuert und den Durchflussmesswert über eine Mittelung der von beiden Temperatursensoren 11, 12 gelieferten Messwerte bestimmt.
[0029] Bei dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm sind die Heizleistung Q und die
Strömungsgeschwindigkeit v gegen unterschiedliche in der Rohrleitung 2 oder in dem Messrohr herrschende Drücke p aufgetragen. Die Temperatur T und der Massedurchfluss sind jeweils konstant gehalten. Im Bereich von lbar bis 2bar steigt die Heizleistung Q in Abhängigkeit von dem in der Rohrleitung 2 herrschenden Druck p steil an und geht dann im Bereich oberhalb von 2 bar in eine Kurve Q(p) mit einer gemäßigten Steigung über.
[0030] Die Kurve, bei der die Strömungsgeschwindigkeit v in Abhängigkeit von dem in der Rohrleitung 2 oder in dem Messrohr herrschenden Druck p dargestellt ist, weist ein analoges Steigungsverhalten auf - allerdings ist das Vorzeichen entgegengesetzt. Im Bereich kleiner Drücke p fällt die Kurve v(p) relativ stark ab und zeigt im Bereich oberhalb von 2 bar eine deutlich abgeflachte negative Steigung. Um den Massedurchfluss durch die Rohrleitung 2 bzw. durch das Messrohr hochgenau zu messen, muss folglich der Einfluss der unterschiedlichen Prozessgrößen v, p, T auf den Massedurchfluss berücksichtigt werden.
[0031] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, zeigt die normierte Größe
Qmc
I Q eine eindeutige Abhängigkeit von der Machzahl M auf. Insbesondere lässt sich die Abhängigkeit durch die folgende Formel beschreiben: [0032]
Q01C = Q - const. λ \ + —1 ^ -Mι 1 - 1
[0033] Hierbei ist
Qιnc die dem beheizbaren Temperatursensor 11 zugeführte Heizleistung Q im Bereich kleiner Strömungsgeschwindigkeiten v des Mediums 3, wenn also gilt: v « c. In diesem Bereich verhält sich das strömende Medium 3 wie ein inkompressibles Medium. Q ist die dem beheizbaren Temperatursensor 11 bei einer gegebenen
Geschwindigkeit zugeführte Heizleistung. ϊ ist der Isentropenexponent des Gases, und c ist die Schallgeschwindigkeit. Beide
Größen sind generell vom Gas und von dem thermodynamischen Zustand des Gases abhängig. Das Verhältnis von
Q„lc zu Q entspricht somit der auf die zugeführte Heizleistung Q bei inkompressiblen Medien normierte Heizleistung
des erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts 1.
[0034] Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das den funktionalen Zusammenhang zwischen der normierten Heizleistung
Q„lc
/Q und einer von der Machzahl M abhängigen Funktion wiedergibt. Insbesondere besteht eine quadratische Abhängigkeit zwischen
/Q und der Machzahl M. Explizit lässt sie sich die Abhängigkeit durch die bereits im Zusammenhang mit der Fig. 2 angeführten Funktion mathematisch darstellen.
[0035] In den Figuren Fig. 4a, Fig. 4b, Fig. 4c und Fig. 4d sind die unkorrigierten Messwerte eines thermischen Durchflussmessgeräts 1 und die entsprechenden erfindungsgemäß korrigierten Messwerte gegen den Massedurchfluss aufgetragen. Anhand der Figuren ist klar ersichtlich, dass die korrigierten Messwerte nahezu unabhängig vom Druck mit dem Massedurchfluss korrelieren: Sie zeichnen sich durch eine klare und eindeutige Abhängigkeit vom Massedurchfluss aus.
[0036] Wie aus einem Vergleich der Figuren Fig. 4a, Fig. 4b, Fig. 4c, Fig. 4d untereinander ersichtlich ist, gilt diese Aussage darüber hinaus auch für die unterschiedlichsten Medien. In Fig. 4a ist die funktionale, im Wesentlichen nur noch von dem Massedurchfluss dominierte Abhängigkeit der Heizleistung Q dargestellt, wenn Luft durch die Rohrleitung 2 bzw. das Messrohr strömt. Die korrigierten Werte sind nahezu unabhängig vom Druck. Fig. 4b, Fig. 4c und Fig. 4d zeigen die entsprechenden Diagramme für Methan, Wasserstoff und Kohlendioxid. Hierbei hat Methan mit 0.3 die größte Machzahl M, während Wasserstoff die niedrigste Machzahl M mit 0,05 aufweist. ] Bezugszeichenliste
1. Thermisches Durchflussmessgerät
2. Rohrleitung / Messrohr
3. Messmedium
4. Stutzen
5. Gehäuse
6. Sensor
7. Umformer
8. Verbindungsleitung
9. Gewinde
10. Regel-/Auswerteeinheit
11. Erster Temperatursensor
12. Zweiter Temperatursensor
13. Heizeinheit

Claims

Ansprüche
[0001] 1. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses eines gasförmigen Mediums durch eine Rohrleitung (2) bzw. durch ein Messrohr mit zwei Temperatursensoren (11, 12) und einer Regel-/ Auswerteeinheit (10), wobei die beiden Temperatursensoren (11, 12) in einem dem Medium (3) zugewandten Bereich eines Gehäuses (5) angeordnet und in thermischem Kontakt mit dem durch die Rohrleitung (2) bzw. durch das Messrohr strömende Medium (3) sind, wobei ein erster Temperatursensor (11) beheizbar ausgestaltet ist, wobei ein zweiter Temperatursensor (12) Information über die aktuelle Temperatur des Mediums (3) bereitstellt, wobei die Regel-/ Auswerteeinheit (10) anhand der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen den beiden Temperatursensoren (11, 12) und/oder anhand der dem ersten Temperatursensor (11) zugeführten Heizleistung (Q) den Massedurchfluss des Mediums (3) bestimmt und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) aufgrund von zumindest einer weiteren Prozessgröße (p, T, v) des strömenden Mediums (3) einen Korrigierten Wert für den aufgrund der Temperaturdifferenz (ΔT) bzw. der zugeführten Heizleistung bestimmten Massedurchfluss ermittelt und einen korrigierten Wert für den Massedurchfluss durch die Rohrleitung (2) bzw. durch das Messrohr zur Verfügung stellt.
[0002] 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der korrigierte Wert abhängig ist von der
Strömungsgeschwindigkeit (v) des gasförmigen Mediums (2).
[0003] 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der korrigierte Wert abhängig ist von der
Machzahl (M) des strömenden gasförmigen Mediums (3), wobei die Machzahl (M) gleich ist dem Quotienten aus Strömungsgeschwindigkeit (v) und der Schallgeschwindigkeit ( c) des gasförmigen Mediums (3).
[0004] 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei sich der korrigierte Wert (
) für die dem ersten beheizbaren Temperatursensor (11) zuzuführende Leistung nach folgender Formel berechnet:
Q1n, = Q - constA l + ^-M- 1-1
, wobei
Qmc die dem beheizbaren Temperatursensor (11) zugeführte Energie bei einer kleinen Strömungsgeschwindigkeit (v) des Mediums (3) ist, wenn also gilt: v « c, wobei Y der Isentropenexponent des Gases und c die Schallgeschwindigkeit des Gases. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei es sich bei der Konstanten ( const.) um einen experimentell ermittelten Wert handelt.
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