WO1995011427A1 - Verfahren und vorrichtung zur insbesondere nicht invasiven ermittlung mindestens eines interessierenden parameters eines fluid-rohr-systems - Google Patents

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WO1995011427A1
WO1995011427A1 PCT/EP1994/003384 EP9403384W WO9511427A1 WO 1995011427 A1 WO1995011427 A1 WO 1995011427A1 EP 9403384 W EP9403384 W EP 9403384W WO 9511427 A1 WO9511427 A1 WO 9511427A1
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tube
influencing
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fluid
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PCT/EP1994/003384
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Elmar K. Wolff
Werner Rosenthal
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KÜMMEL, Bernd
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    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
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    • G—PHYSICS
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    • 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
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6847—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow where sensing or heating elements are not disturbing the fluid flow, e.g. elements mounted outside the flow duct
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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

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for, in particular, non-invasively determining a parameter of interest in a fluid pipe system.
  • the expression "parameter of interest” is intended to mean in particular the flow velocity;
  • a parameter of interest can also be, for example, the fluid composition, the viscosity, the degree of contamination of a fluid, pitting in the pipe and incrustations on the inner wall of the pipe.
  • Several parameters of interest of the fluid pipe system can also be determined simultaneously.
  • the expression “fluid” refers to both gas and liquid streams and also two-phase streams, all optionally with particles (solid and liquid in the form of drops).
  • the exact measurement of small to very small flow velocities of fluids is of great interest for a large number of applications, in particular for many biotechnological questions. It is also required that the flow velocity measurement be carried out on-line.
  • the known sensor arrangements for determining flow velocities can be divided into the following groups: Sensors in which measuring bodies (rotating bodies or floating bodies) are introduced into a flowing fluid in order to detect the movement of the measuring bodies optically or magnetically in order to infer the flow velocity from them .
  • sensor arrangements are known in the prior art which carry out a thermodynamic measurement in the fluid pipe system.
  • a measuring device for thermodynamically determining the flow velocity of a fluid is described in EP 0 342 763 B1.
  • This known measuring structure has a measuring tube through which the fluid flows. The two ends of the measuring tube are thermally coupled and a heating element for influencing the temperature of the measuring tube is arranged in the middle between the two ends.
  • the measuring tube is connected between its two ends and the heating element via a thermally conductive material.
  • Two temperature sensors are arranged on the outside of the tube, one of which is arranged on each side of the temperature influencing region (heating element). For the thermodynamic measurement of the flow velocity, it is assumed that the temperature drop starting from the heating element to the two ends is linear in each case.
  • EP 0 467 430 A1 describes a flow meter with differently dimensioned active sensors and a heater, the sensors being arranged on one side of the heater, namely downstream of the fluid flow.
  • the output signals of the two sensors are fed to the inputs of an operational amplifier, the output of which is connected to the base, with the interposition of electrical resistances a transistor is connected, the emitter of which is connected to the inputs of the operational amplifier via electrical resistors.
  • the output signal of this sensor arrangement which represents the flow rate, is tapped at the non-inverting input of the operational amplifier.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for determining at least one parameter of interest of a fluid pipe system, with which even the smallest changes in the parameter of interest can be reliably determined.
  • the method proposes that a non-linear temperature profile is impressed on the tube along its axial extent by influencing the temperature in an area of influence of the tube, viewed in axial extent of the tube at several measuring points, the temperature of the tube for the point-by-point sampling of its temperature profile is measured and - the parameter of interest of the fluid is determined on the basis of the measured temperature profile.
  • the device according to the invention is provided with a pipe in which the fluid is located, a temperature changing device for influencing the temperature of the pipe in order to impress a non-linear temperature profile along the longitudinal extension of the pipe, the Temperature change device is arranged in an influencing area of the pipe, a plurality of temperature sensors which are arranged in the axial extension of the pipe and by means of which the temperature of the pipe can be determined at a plurality of measuring points for the point-by-point scanning of the temperature profile of the pipe, and one Control and signal processing device, which is connected to the temperature changing device and the temperature sensors and the
  • the non-linear temperature profile of the tube which occurs due to a local temperature change in the area of influence of the tube, is scanned point by point.
  • a large number of measuring points are provided in the axial extent of the tube.
  • the decisive factor for the invention is the knowledge that when the pipe is heated (or cooled) locally, there is no linear temperature profile along the axial extent of the pipe. This non-linearity is used to determine the parameter of interest thermodynamically.
  • the pipe is locally temperature-influenced (heated or cooled).
  • the temperature profile that is set is sampled point by point in order then to be determined on the basis of the individual sampling points. the resulting temperature profile to calculate the parameter of interest.
  • the tube is exposed to a temperature influence in the area of influence and the respective temperature of the tube is measured at such a number of measuring points in the axial extension of the tube and at different distances from the area of influence that a non-linear temperature caused by the temperature influence is measured ⁇ temperature profile is available so that this temperature profile in conjunction with a characteristic field defines the parameter of interest. There should be a temperature difference between the temperature of the tube and the fluid.
  • the temperature scanning of the entire tube makes it easy to detect changes in the temperature profile which are due to a change in the parameter of interest. If the thermal behavior of the fluid pipe system is known or can be calculated, the parameter of interest can be drawn directly from the temperature profile sampled point by point. Surprisingly, in experiments in which very small flow rates were measured using the device according to the invention and the method according to the invention, it turned out that the smaller the mass flow, the greater the response signals of the individual temperature sensors. That is, the smaller the mass flow, the greater the sensitivity which arises according to the method according to the invention or the device according to the invention. A plurality of measuring points or temperature sensors are advantageously provided on both sides of the temperature influencing region of the tube.
  • the measuring points are selected symmetrically on both sides of the area of influence. If the measuring arrangement is not symmetrical in this respect, a different temperature profile is set for different flow directions with the same mass or volume throughput, which does not have a negative effect on the accuracy of the evaluation, but makes it more complicated.
  • one of the two measuring points furthest away from the influencing area of the tube is thermally decoupled, ie at this measuring point an influence of temperature due to a change in temperature in the influencing area of the tube cannot be measured. This serves to compensate for the natural temperature of the fluid to be measured. It should be pointed out that it is generally sufficient that the measuring point located upstream furthest from the area of influence of the pipe is thermally decoupled; however, the direction of flow would then have to be known in order to actually be able to compensate for the intrinsic temperature of the fluid when determining the flow rate as the parameter of interest for the fluid. The same applies in the event that not the flow rate, but another one of interest. Parameters of a flowing fluid to be determined. In this case too, the direction of flow must be known. In this respect, it is advantageous if when arranging several measuring points on both sides of the influencing area of the tube, the most distant measuring point is thermally decoupled.
  • the temperature change in the area of influence of the tube is advantageously kept constant continuously for the duration of the temperature influence.
  • Faster measurements can be made by pulsing the temperature change, i.e. by discontinuous temperature changes.
  • the temperature change pulses can be measured at the individual measuring points; Both their chronological succession and the "temperature settling phases" at the individual measuring points then indicate the parameter or parameters of interest.
  • the measured temperature profile can be used to infer the parameter or parameters of interest, provided the thermodynamic behavior of the fluid-pipe system is known or can be calculated as a function of a change in the parameter or parameters of interest.
  • the measuring device is expediently calibrated before the measurement. Characteristic fields of temperature profiles can thus be measured, which arise when the parameter or parameters of interest of the fluid to be examined have certain known values. The characteristic curve field or fields are saved. In the current measurement, the temperature profile which is established is compared with the stored characteristic field, in order then to infer the size of the (unknown) parameter of interest of the measured fluid.
  • the device according to the invention and the method according to the invention can be used with existing fluid pipe systems. Men are used without specific data on this system to adapt the method or the device are required.
  • An embodiment of the invention which is expedient in terms of construction relates to a measuring tube which consists of two measuring tube halves which have been created by a horizontal section through a measuring tube.
  • One of the two measuring tube halves carries the temperature influencing device (heating and / or cooling element) and the temperature sensors. Except for the two temperature sensors located furthest away from the heating and / or cooling element, all temperature sensors and the cooling / heating element are in good heat-conducting contact with the measuring tube half.
  • the two tube halves are attached in a heat-conducting manner from the outside to an existing tube through which a fluid to be measured flows.
  • fluids are now sent through the tube, the parameters of which are known.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a device for the non-invasive determination of the flow rate or the mass (volume) of a fluid and
  • FIG. 2 shows an example of a characteristic field which results from the calibration of the device according to FIG. 1.
  • FIG. 1 schematically shows a device 10 for thermodynamically determining the flow rate or the mass flow of a liquid.
  • the core of the device 10 is a measuring tube 12 which is integrated in a line system shown schematically at 14.
  • the line system 14 is provided with a pump 16 for conveying the liquid from a reservoir (not shown).
  • the measuring tube 12 is provided on the outside with a centrally arranged heating element 18.
  • the heating element 18 is in the form of a heating coil and is in heat-conducting contact with the wall of the tube 12. Five temperature sensors are arranged on each side of the heating element 18 (when viewed in the axial extent of the measuring tube 12), whereby the temperature sensors 20, 22, 24, 26, 28 are arranged on one side and the sensors 30, 32, 34, 36, 38 on the other side of the heating element 18.
  • All temperature sensors 20 to 38 are attached to the outside of the measuring tube and are in heat-conducting contact with the wall thereof.
  • the temperature sensors 20 to 28 and 30 to 38 belonging to the two groups are evenly spaced from one another and arranged symmetrically with respect to the heating element 18.
  • the temperature sensors 20 to 38 are temperature-dependent electrical resistors.
  • the temperature sensors 20 to 38 and the heating element 18 are electrically connected to a switching unit 40, which in turn is coupled to a control and evaluation unit 42.
  • Two voltage supply units 44, 46 for are also connected to the switching unit 40 the heating element 18 and the temperature sensors 20 to 38.
  • the device 10 is used to control or regulate the flow in the line 14.
  • the control and evaluation unit 42 is coupled to the pump 16.
  • the voltage supplies 44, 46 deliver their supply voltages to the heating element 18 and the temperature sensors 20 to 38 along the measuring tube 12 the (local) temperature is measured, which results when the heating element 18 in the middle of the measuring tube 12 imprints a certain temperature on the latter.
  • the area of the heating element 18 is therefore the temperature influencing area 48 of the measuring tube 12.
  • the two (outside) temperature sensors 20 and 38 which are the most distant from this area of influence, serve, thermally decoupled, to compensate for the intrinsic temperature of the fluid to be measured , this inherent temperature compensation being carried out by the first temperature sensor in the flow direction (either temperature sensor 20 or temperature sensor 38).
  • the individual voltage drops are supplied as electrical signals via the switching unit 40 to the control and evaluation unit 42, in which the individual measured values are combined to form a temperature profile and are compared with temperature profiles of a characteristic field recorded in a calibration phase.
  • the comparison characteristic field of temperature profiles is determined in a calibration phase.
  • the measuring tube 12 is successively by Flow through liquid at different known flow rates.
  • the temperature of the heating element 18 is kept constant.
  • the characteristic curve according to FIG. 2 shows the temperature profile over the individual temperature sensors in the case of different known mass flow rates. At a mass flow rate of zero, a symmetrical bell-shaped temperature profile is established. The temperature is lowest at the two ends of the measuring tube 12. With increasing mass flow (with flow in the direction of arrow 50 in FIG. 1), the measuring point of the highest temperature shifts downstream of the heating element 18.
  • a heat flow is fed constantly (or alternatively in pulses) to the liquid flow through the electrical heating element 18.
  • Heat conduction and heat transfer cause a transfer of the heat through the fluid from the heating element 18 to the temperature sensors 20 to 38.
  • the time behavior of the transmission is a measure of the mass flow.
  • the shape of the signal profile (as well as the rate of migration of a pulse-shaped signal) can be used to infer the flow rate.
  • the thermal loads on the fluid that occur are very small.
  • the flow sensor described here is able to carry out a mass flow measurement in a closed pipeline without mechanically stressing the fluid.
  • the thermal loads are very low.
  • Several parameters which are proportional to the flow rate can be used to determine the flow rate of the fluid. Test results show that rapid on-line measurements are possible with the "pulse heating method". In contrast, the "profile comparison method" is more suitable for calibrating the system and for very precise measurements. Overall, it is striking that the smaller the mass flow, the higher the response signals of the individual temperature sensors 20 to 38, i.e. the smaller the mass flow, the greater the sensitivity of the entire device.
  • the entire device can be attached to an existing pipeline from the outside without having to be opened.
  • a map can be recorded by using at least ten individual sensors. With the help of this map, the flow velocity (especially with very small mass flows) can be measured very precisely. If the flow rate is constant, the composition of a multi-substance medium can be concluded. Contamination in fluid circuits can also occur. be grasped. Other parameters such as viscosity can also be measured.
  • the state of the tube to which the device 10 is attached from the outside can also be detected with the aid of the thermodynamic measurement. For example, pitting and incrustations can be determined on the basis of an abnormality in the temperature profiles.
  • the thermally decoupled sensor at the respective upstream end of the measuring tube 12 enables the compensation of the natural temperature of the fluid. Since the individual temperature sensors 20 to 38 cannot interact with the fluid, inexpensive designs are sufficient.
  • the use of a map enables both the analysis of the profile of the temperature sensor signals and their area / height. Through the skillful use of heating pulses or continuous heating, with the help of a computer, a self-balancing system can be created which is able to adapt to different operating temperatures, such as changing compositions of the fluid or changing viscosity.

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Abstract

Bei dem Verfahren bzw. der Vorrichtung wird ein Rohr (12) verwendet, das von dem zu vermessenden Fluid durchströmt wird. Außen an dem Rohr (12) in axialer Erstreckung desselben sind aufeinanderfolgend mehrere Temperatursensoren (20-38) angeordnet, mit denen sich die Temperatur des Rohres (12) an mehreren Meßpunkten bestimmen läßt. Im mittleren Abschnitt des Rohres (12) befindet sich ein Heizelement (18), das über das Rohr (12) örtlich beheizt werden kann. Das sich einstellende Temperaturprofil wird dann durch die einzelnen Temperatursensoren (20-38) abgetastet. Dieses Temperaturprofil ist für jeden Wert des interessierenden Parameters des Fluid-Rohr-Systems charakteristisch, so daß anhand der Meßwerte auf den interessierenden Parameter, beispielsweise den Massedurchfluß geschlossen werden kann.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur insbesondere nicht invasiven Ermittlung mindestens eines interessierenden
Parameters eines Fluid-Rohr-Systems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich¬ tung zur insbesondere nicht invasiven Ermittlung eines interessierenden Parameters eines Fluid-Rohr-Systems. Mit dem Ausdruck "interessierender Parameter" soll ins- besondere die Strömungsgeschwindigkeit gemeint sein; ein interessierender Parameter kann aber beispielsweise auch die Fluidzusammensetzung, die Viskosität, der Verschmutzungsgrad eines Fluids, Lochfraßbildung im Rohr und Inkrustierungen an der Innenwand des Rohres sein. Mehrere interessierende Parameter des Fluid-Rohr- Systems können auch gleichzeitig ermittelt werden. Mit dem Ausdruck "Fluid" sind im Rahmen dieser Erfindung sowohl Gas- als auch Flüssigkeitsströme als auch Zwei- Phasen-Ströme, sämtliche gegebenenfalls mit Partikeln (fest und flüssig in Form von Tropfen) gemeint. Für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere bei vielen biotechnologischen Fragestellungen, ist die exakte Messung kleiner bis kleinster Strömungsgeschwin¬ digkeiten von Fluiden von großem Interesse. Dabei wird ferner gefordert, daß die Strömungsgeschwindigkeitsmes¬ sung on-line erfolgt. Die bekannten Sensoranordnungen zur Ermittlung von Strömungsgeschwindigkeiten lassen sich in folgende Gruppen unterteilen: Sensoren, bei denen Meßkörper (Rotationskörper oder Schwebekδrper) in ein strömendes Fluid eingebracht werden, um optisch oder magnetisch die Bewegung der Meßkörper zu erfassen, um daraus wiederum auf die Strömungsgeschwindigkeit zu schließen. Ferner sind im Stand der Technik Sensor¬ anordnungen bekannt, die eine thermodynamische Messung im Fluid-Rohr-System vornehmen.
Eine Meßvorrichtung zur thermodynamisehen Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids ist in EP 0 342 763 Bl beschrieben. Dieser bekannte Meßaufbau weist ein Meßrohr auf, durch das das Fluid strömt. Die beiden Enden des Meßrohres sind thermisch gekoppelt und in der Mitte zwischen den beiden Enden ist ein Heizelement zum Beeinflussen der Temperatur des Me߬ rohres angeordnet. Das Meßrohr ist zwischen seinen bei- den Enden und dem Heizelement über ein wärmeleitendes Material verbunden. Außen an dem Rohr sind zwei Tempe¬ ratursensoren angeordnet, von denen jeweils einer zu einer Seite des Temperaturbeeinflussungsbereichs (Heiz¬ element) angeordnet ist. Für die thermodynamische Mes- sung der Strömungsgeschwindigkeit wird angenommen, daß der Temperaturabfall ausgehend von dem Heizelement zu den beiden Enden jeweils linear ist. Sofern sich kein Fluid im Rohr befindet oder aber die Fluidströmung steht (Strömungsgeschwindigkeit gleich Null) , sollen beide linearen Temperaturabfälle vom Heizelement zu den beiden Rohrenden gleich sein. Sobald Fluid strömt, stellt sich eine Temperaturdifferenz an den beiden Me߬ punkten ein, die ein Maß für die Strömungsgeschwindig¬ keit ist . Zur Kompensation des Fehlers aufgrund des mangelnden Temperaturausgleichs bei hohen Strömungs- raten wird in EP 0 512 655 A2 für einen Sensor nach EP 0 342 763 Bl vorgeschlagen, zusätzlich die Steigung des linearen Temperaturabfalls stromauf oder stromab des Heizelements zu ermitteln. Die bekannten Meßan- Ordnungen nach EP 0 342 763 Bl und deren Verbesserung gemäß EP 0 512 655 A2 sind für Kleinstflußraten (klei¬ ner als einige ml/Min. bis einige 10 ml/Min.) nicht ausgelegt. Aus EP 0 131 318 AI ist ein Fluid-Rohr- System zur Strömungsgeschwindigkeitsermittlung bekannt, bei dem vier Dünnschichtwiderstände, die in wärme¬ leitendem Kontakt mit dem Rohr stehen und sich infolge eines Stromdurchflusses erwärmen, zu einer Brücken¬ schaltung geschaltet sind, wobei das Meßsignal an der Brücke der Brückenschaltung abgenommen wird.
Aus EP 0 210 509 AI ist ein Meßaufbau zur invasiven Messung der Strömungsgeschwindigkeit bekannt, bei dem ein dem Fluidstrom ausgesetzter aktiver Sensor inter¬ mittierend aufgeheizt und danach jeweils abgekühlt wird. Anhand der Abkühlrate kann dann auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden.
Schließlich ist in EP 0 467 430 AI ein Strömungsmesser mit unterschiedlich dimensionierten aktiven Sensoren und einer Heizung beschrieben, wobei die Sensoren zu einer Seite der Heizung, nämlich stromab des Fluid- stroms, angeordnet sind. Die Ausgangssignale der beiden Sensoren werden unter Zwischenschaltung von elek¬ trischen Widerständen den Eingängen eines Operations- Verstärkers zugeführt, dessen Ausgang mit der Basis eines Transistors verbunden ist, dessen Emitter über elektrische Widerstände mit den Eingängen des Opera¬ tionsverstärkers verbunden ist. Das Ausgangssignal dieser Sensoranordnung, das die Flußrate repräsentiert, wird am nicht invertierenden Eingang des Operationsver¬ stärkers abgegriffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung mindestens eines interessierenden Parameters eines Fluid-Rohr-Systems zu schaffen, mit denen sich auch kleinste Veränderungen des interessierenden Parameters zuverlässig ermitteln lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem Verfahren vorge¬ schlagen, daß dem Rohr längs seiner axialen Erstreckung ein nicht lineares Temperaturprofil durch Beeinflus¬ sung der Temperatur in einem Beeinflussungsbereich des Rohres aufgeprägt wird, in axialer Erstreckung des Rohres betrachtet an mehreren Meßpunkten die Temperatur des Rohres zur punktweisen Abtastung von dessen Temperaturprofil gemessen wird und - anhand des gemessenen Temperaturprofils der interessierende Parameter des Fluids ermittelt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist versehen mit - einem Rohr, in dem sich das Fluid befindet, einer Temperaturveränderungsvorrichtung zur Be¬ einflussung der Temperatur des Rohres zwecks Auf- prägung eines nicht linearen Temperaturprofils entlang der Längserstreckung des Rohres, wobei die Temperaturveränderungsvorrichtung in einem Beein¬ flussungsbereich des Rohres angeordnet ist, mehreren Temperatursensoren, die in axialer Er¬ streckung des Rohres angeordnet sind und mittels derer die Temperatur des Rohres an einer Vielzahl von Meßpunkten zur punktweisen Abtastung des Tem¬ peraturprofils des Rohres ermittelbar ist, und einer Steuer- und Signalverarbeitungsvorrichtung, die mit der Temperaturveränderungsvorrichtung sowie den Temperatursensoren verbunden ist und die
Temperaturveränderungsvorrichtung ansteuert sowie Ausgangssignale von den Temperatursensoren empfängt und diese auswertet, wobei die Ermittlung des interessierenden Para- meters des Fluids anhand des punktweise abgetaste¬ ten Temperaturprofils des Rohres erfolgt.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung wird der nicht lineare Tempe- raturverlauf des Rohres, der sich aufgrund einer örtli¬ chen Temperaturveränderung im Beeinflussungsbereich des Rohres einstellt, punktweise abgetastet. Zu diesem Zweck sind eine Vielzahl von Meßpunkten in axialer Er¬ streckung des Rohres vorgesehen. Entscheidend für die Erfindung ist die Erkenntnis, daß sich bei örtlicher Erwärmung (oder Abkühlung) des Rohres kein linearer Temperaturverlauf längs der axialen Erstreckung des Rohres einstellt. Diese Nichtlinearität wird ausge¬ nutzt, um den interessierenden Parameter thermodyna- misch zu ermitteln.
Nach der Erfindung wird das Rohr lokal temperaturbeein¬ flußt (erwärmt oder abgekühlt) . Das sich einstellende Temperaturprofil wird punktweise abgetastet, um dann anhand des sich aus den einzelnen Abtastpunkten er- gebenden Temperaturverlaufs den interessierenden Para¬ meter zu errechnen.
Anders ausgedrückt wird nach der Erfindung das Rohr im Beeinflussungsbereich einer Temperaturbeeinflussung ausgesetzt und in axialer Erstreckung des Rohres und in unterschiedlichen Entfernungen vom Beeinflussungsbe¬ reich an derart vielen Meßpunkten die jeweilige Tempe¬ ratur des Rohres gemessen, daß ein nicht lineares, durch die Temperaturbeeinflussung hervorgerufenes Tem¬ peraturprofil erhältlich ist, so daß dieses Temperatur¬ profil in Verbindung mit einem Kennlinienfeld den in¬ teressierenden Parameter festlegt. Zwischen der Tempe¬ ratur des Rohres und dem Fluid sollte eine Temperatur- differenz bestehen.
Durch die Temperaturabtastung des gesamten Rohres las¬ sen sich leicht Temperaturprofil-Änderungen erfassen, die auf eine Veränderung des interessierenden Para- meters zurückzuführen sind. Sofern das thermische Ver¬ halten des Fluid-Rohr-Systems bekannt ist oder be¬ rechenbar ist, kann direkt aus dem punktweise abge¬ tasteten Temperaturprofil auf den interessierenden Parameter geschlossen werden. Überraschenderweise hat sich bei Versuchen, bei denen mit Hilfe der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens Kleinstflußraten gemessen wurden, herausge¬ stellt, daß die AntwortSignale der einzelnen Tempera¬ tursensoren umso größer werden, je kleiner der Masse- durchfluß ist. Das heißt, je kleiner der Masse¬ durchfluß, desto größer die Empfindlichkeit, die sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung einstellt. Vorteilhafterweise sind zu beiden Seiten des Tempera¬ turbeeinflussungsbereichs des Rohres jeweils mehrere Meßpunkte bzw. Temperatursensoren vorgesehen. Damit ist es beispielsweise möglich, den interessierenden Para- meter "Massedurchfluß" auch dann genau zu ermitteln, wenn die Strömungsrichtung unbekannt ist. Hierbei ist es ferner zweckmäßig, daß die Meßpunkte symmetrisch zu beiden Seiten des Beeinflussungsbereichs gewählt wer¬ den. Bei einem insoweit nicht symmetrischen Aufbau der Meßanordnung stellt sich für unterschiedliche Strömungsrichtungen bei gleichem Masse- bzw. Volumen¬ durchsatz jeweils ein unterschiedliches Temperaturpro¬ fil ein, was sich nicht negativ auf die Genauigkeit der Auswertung auswirkt, diese jedoch komplizierter gestal- tet.
Zweckmäßigerweise ist einer der beiden am weitesten von dem Beeinflussungsbereich des Rohres entfernt liegende Meßpunkt thermisch entkoppelt, d.h. in diesem Meßpunkt ist eine Temperaturbeeinflussung aufgrund einer Tempe¬ raturveränderung im Beeinflussungsbereich des Rohres nicht meßbar. Dies dient der Kompensation der Eigen¬ temperatur des zu messenden Fluids. Es sei darauf hin¬ gewiesen, daß es grundsätzlich ausreichend ist, daß der stromauf am weitesten von dem Beeinflussungsbereich des Rohres entfernt liegende Meßpunkt thermisch entkoppelt ist; allerdings müßte dann die Strömungsrichtung be¬ kannt sein, um bei der Ermittlung der Flußrate als der interessierende Parameter des Fluids tatsächlich die Eigentemperatur des Fluids kompensieren zu können. Das gleiche gilt für den Fall, daß nicht die Durchflußrate, sondern ein anderer interessierender . Parameter eines strömenden Fluids ermittelt werden soll. Auch in diesem Fall muß die Strömungsrichtung bekannt sein. Insofern vorteilhaft ist es, wenn bei Anordnung mehrerer Meß- punkte jeweils zu beiden Seiten des Beeinflussungsbe¬ reichs des Rohres der jeweils am weitesten entfernt liegende Meßpunkt thermisch entkoppelt ist.
Die Temperaturveränderung im Beeinflussungsbereich des Rohres wird vorteilhafterweise für die Dauer der Tempe¬ raturbeeinflussung kontinuierlich konstant gehalten. Schnellere Messungen lassen sich durch eine Pulsung der Temperaturveränderung, d.h. durch diskontinuierliche Temperaturveränderung erreichen. Die Temperaturverände¬ rungsimpulse sind an den einzelnen Meßpunkten meßbar; sowohl ihre zeitliche Aufeinanderfolge als auch die "Temperatur-Einschwingphasen" an den einzelnen Meßpunk¬ ten lassen dann auf den oder die interessierenden Para- meter schließen.
Wie bereits weiter oben kurz erläutert, kann anhand des gemessenen Temperaturprofils auf den oder die interes¬ sierenden Parameter geschlossen werden, sofern das thermodynamische Verhalten des Fluid-Rohr-Systems in Abhängigkeit von einer Veränderung des oder der interessierenden Parameter bekannt ist bzw. berechenbar ist. Zweckmäßigerweise jedoch wird die Meßvorrichtung vor der Messung kalibriert. Damit können Kennlinien- felder von Temperaturprofilen gemessen werden, die sich einstellen, wenn der oder die interessierenden Para¬ meter des zu untersuchenden Fluids bestimmte vorbe¬ kannte Werte aufweisen. Das oder die Kennlinienfelder werden abgespeichert. Bei der aktuellen Messung wird das sich einstellende Temperaturprofil mit dem abge¬ speicherten Kennlinienfeld verglichen, um dann auf die Größe des (unbekannten) interessierenden Parameters des ausgemessenen Fluids zu schließen. Auf diese Weise kön¬ nen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfin- dungsgemäße Verfahren bei bestehenden Fluid-Rohr-Syste- men eingesetzt werden, ohne daß spezifische Daten über dieses System zur Anpassung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung erforderlich sind.
Eine in konstruktiver Hinsicht zweckmäßige Ausgestal¬ tung der Erfindung betrifft ein Meßrohr, das aus zwei Meßrohrhälften besteht, die durch einen Horizontal¬ schnitt durch ein Meßrohr entstanden sind. Eine der beiden Meßrohrhälften trägt die Temperaturbeeinflus- sungsvorrichtung (Heiz- und/oder Kühlelement) und die Temperatursensoren. Bis auf die beiden am weitesten von dem Heiz- und/oder Kühlelement entfernt angeordneten Temperatursensoren sind sämtliche Temperatursensoren und das Kühl-/Heizelement in gutem wärmeleitenden Kon- takt mit der Meßrohrhälfte. Die beiden Rohrhälften wer¬ den wärmeleitend von außen an ein bestehendes Rohr an¬ gebracht, das von einem zu vermessenden Fluid durch¬ flössen ist. In der Kalibrierungsphase werden nun Fluide durch das Rohr hindurchgeschickt, dessen bzw. deren interessierende Parameter bekannt sind. Durch Abspeicherung der Temperaturprofile, die sich beim Durchströmen des Rohres von Fluiden mit bekannten interessierenden Parametern ergeben, wird ein Kenn¬ linienfeld erstellt, das die Grundlage der späteren Auswertung der aktuellen Temperaturprofile für Fluide mit unbekannten interessierenden Parametern darstellt.
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei- spiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur nicht invasiven Ermittlung der Strömungsge¬ schwindigkeit bzw. des Masse (volumen) durchflus- ses eines Fluids und Fig. 2 ein Beispiel für ein Kennlinienfeld, das sich bei der Kalibrierung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ergibt.
In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung 10 zur thermodynamischen Ermittlung der Flußrate bzw. des Massedurchflusses einer Flüssigkeit dargestellt. Kern¬ stück der Vorrichtung 10 ist ein Meßrohr 12, das in einem bei 14 schematisch dargestellten Leitungssystem integriert ist. Das Leitungssystem 14 ist mit einer Pumpe 16 zur Förderung der Flüssigkeit aus einem (nicht dargestellten) Reservoir versehen. Das Meßrohr 12 ist außen mit einem zentral angeordneten Heizelement 18 versehen. Das Heizelement 18 ist in Form einer Heiz- wendel ausgeführt und steht in wärmeleitendem Kontakt mit der Wandung des Rohres 12. Zu beiden Seiten des Heizelementes 18 (bei Betrachtung in axialer Er¬ streckung des Meßrohres 12) sind jeweils fünf Tempera¬ tursensoren angeordnet, wobei die Temperatursensoren 20,22,24,26,28 zu der einen Seite und die Sensoren 30, 32,34,36,38 zur anderen Seite des Heizelementes 18 an¬ geordnet sind. Sämtliche Temperatursensoren 20 bis 38 sind außen am Meßrohr angebracht und stehen in wärme¬ leitendem Kontakt mit dessen Wandung. Die zu den beiden Gruppen gehörenden Temperatursensoren 20 bis 28 bzw. 30 bis 38 sind gleichmäßig voneinander beabstandet und symmetrisch in Bezug auf das Heizelement 18 angeordnet.
Bei den Temperatursensoren 20 bis 38 handelt es sich um temperaturabhängige elektrische Widerstände. Die Tempe¬ ratursensoren 20 bis 38 und das Heizelement 18 sind elektrisch mit einer Schalteinheit 40 verbunden, die ihrerseits mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 42 gekoppelt ist. Mit der Schalteinheit 40 ferner verbun- den sind zwei Spannungsversorgungseinheiten 44,46 für das Heizelement 18 und die Temperatursensoren 20 bis 38. Die Vorrichtung 10 ist in dem Beispiel gemäß Fig. 1 zur Steuerung bzw. Regelung des Durchflusses in der Leitung 14 eingesetzt. Demzufolge ist die Steuer- und Auswerteeinheit 42 mit der Pumpe 16 gekoppelt.
Auf Ansteuerungssignale der Steuer- und Auswerteeinheit 42 hin liefern die Spannungsversorgungen 44,46 ihre VersorgungsSpannungen an das Heizelement 18 und die Temperatursensoren 20 bis 38. Durch Abfragen jedes ein¬ zelnen Spannungsabfalls über den temperaturabhängigen elektrischen Widerständen der Temperatursensoren 20 bis 38 kann an den zehn Meßpunkten längs des Meßrohres 12 die (örtliche) Temperatur gemessen werden, die sich ergibt, wenn das Heizelement 18 in der Mitte des Me߬ rohres 12 diesem eine bestimmte Temperatur aufprägt. Der Bereich des Heizelements 18 ist also der Tempera¬ turbeeinflussungsbereich 48 des Meßrohres 12. Die bei¬ den am weitesten von diesem Beeinflussungsbereich ent- fernt liegenden (Außen-)Temperatursensoren 20 und 38 dienen, thermisch entkoppelt, der Kompensation der Eigentemperatur des zu messenden Fluids, wobei diese Eigentemperatur-Kompensation jeweils durch den in Flu߬ richtung ersten Temperatursensor (entweder Temperatur- sensor 20 oder Temperatursensor 38) erfolgt. Die ein¬ zelnen Spannungsabfälle werden als elektrische Signale über die Schalteinheit 40 der Steuer- und Auswerte¬ einheit 42 zugeführt, in der die einzelnen Meßwerte zu einem Temperaturprofil zusammengestellt werden und mit in einer Kalibrierungsphase aufgenommenen Temperatur¬ profilen eines Kennlinienfeldes verglichen werden.
Das Vergleichs-Kennlinienfeld von Temperaturprofilen wird in einer Kalibrierungsphase ermittelt. In dieser Kalibrierungsphase wird das Meßrohr 12 nacheinander von Flüssigkeit mit unterschiedlichen bekannten Durchflu߬ raten durchflössen. Die Temperatur des Heizelements 18 wird dabei konstant gehalten. Den Temperaturverlauf über den einzelnen Temperatursensoren bei unterschied- liehen bekannten Massedurchflüssen zeigt das Kenn¬ linienfeld gemäß Fig. 2. Beim Massedurchfluß von Null stellt sich ein symmetrisches glockenkurvenfδrmiges Temperaturprofil ein. Dabei ist die Temperatur an den beiden Enden des Meßrohres 12 am niedrigsten. Mit stei- gendem Massedurchfluß (bei Strömung in Richtung des Pfeils 50 der Fig. 1) verschiebt sich der Meßpunkt höchster Temperatur stromab des Heizelements 18. Dabei fällt auf, daß sämtliche stromab des Heizelementes 18 angeordneten Temperatursensoren 30 bis 38 (bei gleich- bleibender Heizleistung des Heizelementes 18) mit stei¬ gendem Massedurchfluß zunächst höhere Temperatur sen- sieren als beim Massedurchfluß von Null. Schließlich fallen die gemessenen Temperaturwerte der Sensoren 30 bis 38 mit weiter steigendem Massedurchfluß ab, wobei die Temperaturwerte der weiter entfernt vom Heizelement 18 liegenden Sensoren 34 bis 38 jeweils höher sind als beim Massedurchfluß von Null. Das Temperaturverhalten in den Meßpunkten zu beiden Seiten des Heizelements 18 ist nicht symmetrisch, was Fig. 2 verdeutlicht. Insge- samt läßt sich das Kennlinienfeld gemäß Fig. 2 dadurch erklären, daß mit einsetzendem Massedurchfluß ein durch die Strömung verursachter Wärmetransport stromab des Rohres 12 erfolgt, der ursächlich für das Kennlinien¬ feld gemäß Fig. 2 ist.
Bei der hier beschriebenen Vorrichtung wird dem Flüs¬ sigkeitsstrom durch das elektrische Heizelement 18 ein Wärmestrom konstant (oder alternativ in Pulsen) zuge¬ führt. Wärmeleitung und Wärmedurchgang bedingen eine Übertragung der Wärme durch das Fluid von dem Heiz- element 18 auf die Temperatursensoren 20 bis 38. Dabei ist das zeitliche Verhalten der Übertragung ein Maß für den Massedurchfluß. Mittels eines geeigneten Rechners (Steuer- und Auswerteeinheit 42) kann von der Form des Signalprofils (sowie der Wanderungsgeschwindigkeit eines pulsförmigen Signals) auf die Strömungsgeschwin¬ digkeit rückgeschlossen werden. Die dabei auftretenden thermischen Belastungen des Fluids sind sehr klein.
Der hier beschriebene Durchflußsensor ist in der Lage, eine Massedurchflußmessung in einer geschlossenen Rohr¬ leitung durchzuführen, ohne das Fluid mechanisch zu belasten. Die thermischen Belastungen sind dabei sehr gering. Zur Feststellung der Flußrate des Fluids können mehrere Parameter dienen, die der Flußrate proportional sind. Versuchsergebnisse zeigen, daß mit der "Puls- Heiz-Methode" schnelle on-line Messungen möglich sind. Zur Kalibrierung des Systems sowie zur sehr genauen Messung ist dagegen die "Profil-Vergleichsmethode" bes- ser geeignet. Insgesamt fällt auf, daß die Antwort- Signale der einzelnen Temperatursensoren 20 bis 38 umso höher werden, je kleiner der Massedurchfluß ist, d.h. je kleiner der Massedurchfluß ist, desto größer ist die Empfindlichkeit der gesamten Vorrichtung.
Die gesamte Vorrichtung kann von außen an eine vorhan¬ dene Rohrleitung angebracht werden, ohne daß diese auf¬ getrennt werden muß. Durch den Einsatz von mindestens zehn Einzelsensoren ist die Aufnahme eines Kennfeldes möglich. Mit Hilfe dieses Kennfeldes kann die Strömungsgeschwindigkeit (speziell bei sehr kleinen Massedurchflüssen) sehr genau gemessen werden. Bei kon¬ stanter Strömungsgeschwindigkeit kann auf die Zusammen¬ setzung eines Mehrstoffmediums geschlossen werden. Ebenso kann die Verschmutzung in Fluid-Kreisläufen er- faßt werden. Andere Parameter wie beispielsweise Vis¬ kosität sind ebenfalls meßbar. Außerdem kann auch der Zustand des Rohres, an dem die Vorrichtung 10 von außen angebracht wird, mit Hilfe der thermodynamischen Mes- sung erfaßt werden. So lassen sich beispielsweise an¬ hand einer Annormalität der Temperaturprofile Lochfraß und Inkrustierungen feststellen. Der thermisch entkop¬ pelte Sensor am jeweiligen stromauf liegenden Ende des Meßrohres 12 ermöglicht die Kompensation der Eigen- temperatur des Fluids. Da die einzelnen Temperatursen¬ soren 20 bis 38 nicht mit dem Fluid wechselwirken kön¬ nen, genügen preiswerte Bauarten. Der Einsatz eines Kennfeldes ermöglicht sowohl die Analyse des Profils der Temperatursensorsignale als auch deren Fläche/Höhe. Durch geschickten Einsatz von Heizpulsen bzw. durch Dauerbeheizung läßt sich, unter Zuhilfenahme eines Rechners, ein selbstabgleichendes System erstellen, welches in der Lage ist, sich unterschiedlichen Be¬ triebstemperaturen wie beispielsweise wechselnden Zu- sammensetzungen des Fluids oder veränderter Viskosität anzupassen.

Claims

ANSPRÜCHE
Verfahren zur insbesondere nicht invasiven Ermitt¬ lung mindestens eines interessierenden Parameters eines Fluid-Rohr-Systems, bei dem dem Rohr (12) längs seiner axialen Erstreckung ein nicht lineares Temperaturprofil durch Be¬ einflussung der Temperatur in einem Beeinflus¬ sungsbereich (48) des Rohres (12) aufgeprägt wird, in axialer Erstreckung des Rohres (12) betrach¬ tet an mehreren Meßpunkten die Temperatur des Rohres (12) zur punktweisen Abtastung von des¬ sen Temperaturprofil gemessen wird und anhand des gemessenen Temperaturprofils der interessierende Parameter des Fluids ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Rohres (12) zu beiden Sei¬ ten des Beeinflussungsbereichs (48) jeweils an mehreren Meßpunkten gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß in einer Kalibrierungsphase für Fluide mit jeweils unterschiedlichem bekannten interessie¬ renden Parameter die sich bei im Beeinflus¬ sungsbereich (48) des Rohres (12) ergebenden Temperaturprofile ermittelt und als Kennlinien¬ feld gespeichert werden, und daß für ein Fluid mit unbekanntem interes¬ sierenden Parameter das sich bei im Beeinflus¬ sungsbereich (48) des Rohres (12) erfolgender gleicher Temperaturbeeinflussung ergebende Temperaturprofil gemessen wird, daß das gemessene Temperaturprofil mit den in der Kalibrierungsphase ermittelten Temperatur¬ profilen verglichen wird und daß der unbekannte interessierende Parameter des Fluids anhand des Vergleichs ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Meßpunkte symme¬ trisch zu beiden Seiten des Beeinflussungsbereichs (48) gewählt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Me߬ punkte relativ zum Beeinflussungsbereich (48) des Rohres und/oder das Rohr derart gewählt wird bzw. werden, daß die Wirkung der Temperaturbeeinflus¬ sung in den zu beiden Seiten jeweils am weitesten von dem Beeinflussungsbereich (48) entfernten Me߬ punkten vernachlässigbar ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Beeinflussungsbe¬ reich (48) des Rohres (12) während der Dauer der Temperaturbeeinflussung einer kontinuierlich kon¬ stant gehaltenen Temperatur ausgesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Beeinflussungsbe¬ reich (48) des Rohres (12) während der Dauer der Temperaturbeeinflussung einer diskontinuierlichen Temperatur ausgesetzt wird. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Beeinflussungsbereich (48) des Rohres (12) während der Dauer der Temperaturbeeinflussung eine gepulste Temperaturveränderung erfährt.
9. Vorrichtung zur insbesondere nicht invasiven Er¬ mittlung mindestens eines interessierenden Para¬ meters eines Fluid-Rohr-Systems, mit einem Rohr (12) , in dem sich das Fluid befin¬ det, einer Temperaturveränderungsvorrichtung (18) zur Beeinflussung der Temperatur des Rohres (12) zwecks Aufprägung eines nicht linearen Temperaturprofils entlang der Längserstreckung des Rohres (12) , wobei die Temperaturverände¬ rungsvorrichtung (18) in einem Beeinflussungs- bereich (48) des Rohres (12) angeordnet ist, mehreren Temperatursensoren (20-38) , die in axialer Erstreckung des Rohres (12) angeordnet sind und mittels derer die Temperatur des Rohres (12) an einer Vielzahl von Meßpunkten zur punktweisen Abtastung des Temperaturprofils des Rohres (12) ermittelbar ist, und einer Steuer- und Signalverarbeitungsvorrich¬ tung (40,42), die mit der Temperaturverände¬ rungsvorrichtung (18) sowie den Temperatursen¬ soren (20-38) verbunden ist und die Temperatur¬ veränderungsvorrichtung (18) ansteuert sowie Ausgangssignale von den Temperatursensoren (20- 38) empfängt und diese auswertet, wobei die Ermittlung des interessierenden Para¬ meters des Fluids anhand des punktweise abge¬ tasteten Temperaturprofils des Rohres (12) und eines Kennlinienfeldes erfolgt. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich¬ net, daß zu beiden Seiten des Beeinflussungsbe¬ reichs (48) jeweils mehrere Temperatursensoren angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Temperatursensoren (20-38) symmetrisch zu beiden Seiten des Beeinflussungsbe¬ reichs (48) angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Me߬ punkte relativ zum Beeinflussungsbereich (48) des Rohres (12) und/oder das Rohr (12) derart gewählt ist bzw. sind, daß die Auswirkung der Temperatur¬ beeinflussung durch die Temperaturveränderungsvor¬ richtung (18) in den zu beiden Seiten jeweils am weitesten von dem Beeinflussungsbereich entfernten Meßpunkten vernachlässigbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Beeinflussungsbe¬ reich (48) des Rohres (12) während der Dauer der Temperaturbeeinflussung einer kontinuierlich kon¬ stant gehaltenen Temperatur ausgesetzt ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Beeinflussungsbe¬ reich (48) des Rohres (12) während der Dauer der Temperaturbeeinflussung einer diskontinuierlichen Temperatur ausgesetzt ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Beeinflussungsbereich (48) des Rohres (12) während der Dauer der Temperaturbeeinflussung eine gepulste Temperaturveränderung erfährt.
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