WO2006018366A2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des massedurchflusses - Google Patents

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WO2006018366A2
WO2006018366A2 PCT/EP2005/053651 EP2005053651W WO2006018366A2 WO 2006018366 A2 WO2006018366 A2 WO 2006018366A2 EP 2005053651 W EP2005053651 W EP 2005053651W WO 2006018366 A2 WO2006018366 A2 WO 2006018366A2
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Christian Schneid
Dirk Boghun
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Endress+Hauser Wetzer Gmbh+Co. Kg
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    • G01F1/6986—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters with pulsed heating, e.g. dynamic methods

Definitions

  • the invention relates to a thermal or calorimetric method and a thermal or calorimetric device for determining and / or monitoring the flow or the mass flow of a flowing through a pipeline measuring medium.
  • the measuring medium is a flowable medium, in particular a liquid, a vaporous or a gaseous medium.
  • 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 medium to be measured.
  • the second temperature sensor is a so-called active temperature sensor, which is heated by 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 Detector) temperature sensor, which itself is heated by conversion of an electrical power (e.g., by increased measurement current).
  • RTD Resistance Temperature Detector
  • Corresponding temperature sensors are offered and sold, for example, by Honeywell.
  • the heatable temperature sensor is heated so that sets a fixed temperature difference between the two tempera ture sensors.
  • it has become known to feed a constant-time heating power via a control / control unit.
  • the dissipation of the heat from the heated temperature sensor takes place via heat conduction, thermal radiation and possibly also free convection within the measuring medium. If the medium to be measured is in motion, an additional cooling of the heated temperature sensor is added by the colder medium flowing past. Due to the measuring medium flowing past, heat transport due to forced convection also occurs here. Consequently, in order to maintain the fixed temperature difference between the two temperature sensors, a higher heating power is required for the heated temperature sensor. In the case of the supply of a time-constant heating power, the temperature difference between the two temperature sensors decreases as a result of the flow of the measuring medium.
  • the measurement accuracy of the known device with two temperature sensors is limited by the fact that here relatively large cross sensitivities to disturbances, in particular of temperature and pressure fluctuations in the medium show and the unheated temperature sensor can often be structurally expensive to decouple thermally from the heating unit.
  • the invention has for its object to provide a method and a structurally improved device for thermal or calorimetric determination and / or monitoring of a flowing in a pipeline measuring medium, which is characterized by a comparable accuracy, but structurally simple, cheaper and manufacturing reproducible realize.
  • a heatable temperature sensor is brought into thermal contact with the measuring medium
  • a heating unit assigned to the temperature sensor or the heatable temperature sensor eg an RTD temperature sensor, is subjected to an altering voltage or current signal; the mass flow rate of the measured medium through the pipeline is determined on the basis of the amplitude and / or on the basis of the phase of the temperature measurement signal, wherein the temperature measurement signal corresponds to the response signal of the temperature sensor to the alternating heating power supplied by the heating unit.
  • the essential feature of the invention - both the device as also the process - is that only a heatable temperature sensor is needed. On a separate measurement of the temperature of the medium can be dispensed with entirely, it being noted that the measurement of the temperature of the medium to be measured is usually quite difficult and expensive to implement in practice.
  • the second temperature sensor which determines the temperature of the medium to be measured, is superfluous according to the invention.
  • additional and possibly very complex design measures for decoupling the temperature sensor, which measures the temperature of the measuring medium, from the heating unit or from the heated temperature sensor are obsolete.
  • only one temperature sensor is in contact with the measuring medium; Therefore, there is a reduced risk of contamination and - since fewer internals are arranged in the measuring tube - the pressure loss in the flowing medium is lower than when using two temperature sensors.
  • the space requirement is also lower than in the known solution, which makes it possible to design the thermal flow meter also for pipelines with correspondingly smaller diameters.
  • the heating unit is operated with a periodic voltage or current signal of varying amplitude.
  • a periodic voltage or current signal Preferably, it is a sinusoidal signal, but other periodic waveforms are applicable in connection with the inventive solution.
  • the frequency of the voltage or current signal is preferably selected so that adjusts an equivalent periodic profile of the temperature measurement signal of the temperature sensor.
  • a change in the flow velocity of the measuring medium and thus of the thermal resistance (ie of the temperature sensor) therefore primarily affects the amplitude (or the phase) of the temperature measuring signal measured over time.
  • the changing amplitude is the relevant measure, as it provides the information about the mass flow in the pipe or in the measuring tube. Disturbance variables, such as temperature or pressure fluctuations of the measuring medium, have no great or negligible influence on the alternating component of the temperature measuring signal.
  • the frequency and / or the amplitude of the alternating voltage or current signal is determined and / or selected as a function of the heating unit used and / or as a function of the respective measuring medium.
  • This measure is taken to achieve an equivalent waveform of voltage or current signal and temperature measurement signal - the temperature measurement signal can follow the voltage or current signal.
  • disturbing variables such as temperature and pressure fluctuations of the measuring medium do not influence the alternating component of the temperature measuring signal. They only have an influence on the DC component (offset) of the temperature measurement signal.
  • An advantageous embodiment of the inventive method therefore proposes that from the alternating component of the temperature measurement signal of the mass flow of the measured medium is determined through the pipeline, while based on the Geichanteils of the temperature measurement signal, the temperature of the measured medium is determined. It is therefore possible with the method according to the invention to obtain information about the temperature of the medium to be measured as a by-product.
  • the calorimetric flow measurement method with only one temperature sensor lacks, in contrast to the solution with a plurality of sensors, a possibility for continuous compensation of fluctuations in the process or medium temperature.
  • the measurement of the maximum temperature of the tempera ture sensor when the heating unit is switched on or at a maximum heating power therefore takes place in principle at a different time. Intermediate changes in the medium temperature are thus not taken into account and may thus result in a falsification of the determined flow measured value.
  • a reliable für ⁇ flow measurement is possible only at a medium during the heating / cooling cycle almost constant Me ⁇ . According to the invention, it is therefore proposed to computationally compensate for changes in the medium or process temperature. Thus, an accurate flow measurement is ensured even in the case of temperature changes of the measuring medium.
  • a practical application for the flowmeter method according to the invention is in the area of flow switches, which monitor flow rates of media in a process and output signals when exceeding or falling below previously defined limit values or activate or deactivate integrated switching outputs. For this application, it is usually not necessary to measure the flow rates absolutely accurately, but it is usually sufficient to reproducibly detect the relative changes in flow rates. On a complex calibration of the flowmeter can thus be dispensed with mostly.
  • the frequency or the pulse width of the alternating heating power depends on the selected measuring range of the flow rate and on the respective measuring medium. For example, at the same flow rate or at the same flow rate, air transports orders of magnitude less heat than, for example, water. In air, the heating power required for a calorimetric flow measurement according to the method presented will thus be significantly smaller than in water or in another liquid measuring medium. In addition, it requires a significantly lower frequency or pulse rate in the alternating heating power, as to a thermodynamic equilibrium between the heating unit, the temperature sensor and the measuring medium a longer time passes. The temperature of the temperature sensor will follow in air much slower the time-varying heat output of the heating unit than, for example, in water.
  • such quasi-automatic settings and adjustments to the measuring medium and to the measuring range take place at a temperature that is as constant as possible and at a flow rate of the measuring medium that is as constant as possible, since only then can the required static-thermal balance between the heating unit, Temperature sensor and measuring medium can be realized.
  • a flow rate at the lower range limit is selected.
  • the method according to the invention for automatic adaptation to different measuring media and measuring ranges comprises at least the following steps:
  • the switching point is set in the case of a flow switch.
  • a user can set the range using a "learn" function, with the user specifying the desired flow rates for a possible minimum and maximum value in the flowmeter, which need not necessarily be the minimum or maximum value of the desired range since, given a known transfer characteristic of the flowmeter, they can also be extrapolated in the selected range on the basis of at least two other known flow measurement values.
  • the device By calling the implemented “learning function", the device detects the respective flow rates and stores the associated measured values in an internal memory
  • the heating power of the heating unit or the temperature sensor an approximately constant amplitude value is controlled. From a amplitude change and / or from a phase change of the resulting temperature measurement signal, it is thus possible to conclude the mass flow of the measured medium through the pipeline or through the measuring tube.
  • a heating unit assigned to the temperature sensor and a control / evaluation unit are provided such that the temperature sensor is arranged in the housing in such a way that it is in thermal contact with the measured medium during measuring operation.
  • the heating unit is thermally in communication with the temperature sensor, that the heating unit and / or the housing is configured such that the heating unit is thermally coupled to the measuring medium in a defined manner, and that the control / evaluation unit interchanges the heating unit with an alternating Voltage or current signal applied and determined on the basis of the response signal or the Temperatur ⁇ measuring signal of the temperature sensor, the mass flow rate of the medium through the pipeline.
  • the heatable temperature sensor PtIOO, PtIOOO, etc.
  • the temperature sensor is a resistance element, for. B. an RTD temperature sensor.
  • the device according to the invention is characterized in that the heat transfer between the heating unit and the temperature sensor, which is as constant and as defined as possible, occurs almost exclusively via heat conduction. While the temperature sensor is in good thermal contact with the measuring medium, the heating unit is ideally in very good thermal contact with the temperature sensor, but otherwise largely thermally decoupled from the environment. That is, the only connection that the heating unit has to the environment is realized via the temperature sensor.
  • the heating unit is arranged in a portion of the housing facing away from the measuring medium. Between the inner wall of the housing and the corresonding outer surface of the heating unit, a filling material with a low thermal conductivity is arranged.
  • the temperature sensor is arranged in a part of the housing facing the measuring medium, wherein a filling material with a high thermal conductivity is provided between the inner wall of the housing and the corresonding outer surface of the temperature sensor.
  • the temperature sensor itself is provided on the end face of the housing.
  • the temperature sensor and the Heating unit ring-shaped, wherein the temperature sensor and the heating unit are arranged concentrically in the part of the housing facing the measuring medium.
  • the heating unit is located in the interior of the housing, while the temperature sensor is arranged in the outer region of the housing.
  • This type of embodiment also offers the advantage of a direction-independent flow measurement.
  • conventional thermal flowmeters or sensor arrangements often require a defined installation direction or installation position in relation to the flow direction.
  • the thermal insulation of the heating unit from the environment - with the exception of the temperature sensor - is achieved by introducing a filler with a low thermal conductivity.
  • the temperature sensor is preferably in direct contact with the thermally highly conductive inner wall of the housing.
  • the filler material with the low thermal conductivity and / or the filler material with the comparatively high thermal conductivity is preferably a potting material such as polyurethane, silicone rubber or the like. Also conceivable is the use of ceramic powder of Al 2 O, magnesium oxide or comparable substances. For the realization of a comparatively poor temperature conductivity, it is also possible to leave the corresponding areas simply filled with air.
  • the device according to the invention is also distinguished by the fact that defined and if possible only one-dimensional heat flows from the heating unit to the temperature sensor and to the measuring medium are realized.
  • resistance structures which are applied to support materials, for example to ceramic layers or metal surfaces by thin-film technology, and are spatially arranged in a suitable manner.
  • the heating unit and the temperature sensor are arranged in layers one above the other, for example on both sides of the same carrier material. It is also possible to position the heating unit and the temperature sensor in the same plane on the carrier material; For example, the rotationally symmetrical, flat heating unit is arranged centrally, while the temperature sensor surrounds the heating unit in an annular structure. In principle, the reverse construction is possible.
  • a periodic voltage or current signal is advantageously used as the alternating voltage or current signal.
  • the voltage or current signal is sinusoidal. In principle, however, it may have any periodic shape; Of course, this can also be a triangular or square wave signal. In the simplest case, it is a clocked switching on and off of the heater; i.e. to a pulse of heating power with fixed or possibly also with variable switching frequency.
  • an input unit is provided, via which the frequency of the alternating voltage or current signal for the heating unit is selectable and adjustable so that the alternating response or temperature measurement signal has approximately the same frequency as the alternating one Voltage or current signal.
  • This ensures that an equivalence exists between the voltage or current signal and the temperature measuring signal, which considerably simplifies the evaluation.
  • a change in the flow velocity of the measured medium can then be determined on the basis of the change in amplitude and / or the phase of the temperature measurement signal measured over time. It is also possible to use the time delay between the heating signal and the corresponding temperature measurement signal for the evaluation. In the simplest case, it is sufficient to determine the difference between the minimum for the quasi-switched off heating and the maximum of the temperature measuring signal during a heating cycle for the flow measurement.
  • control / evaluation unit determines on the basis of
  • Amplitude and / or the phase (ie on the basis of the change part) of the periodic response signal or the temperature measurement signal the mass flow of the measured medium through the pipeline.
  • control / evaluation unit based on the DC component of the response signal or the temperature measurement signal determined at least one further state variable of the measuring medium flowing in the pipe or in the measuring tube.
  • the state variable is, for example, the temperature of the measuring medium.
  • control / evaluation unit supplies the heating unit with a constant
  • the device according to the invention is furthermore designed such that it
  • Mass flow either continuously measures, and / or that it detects whether the mass flow mass falls below or exceeds a predetermined limit.
  • the device is thus used as a flow switch, which detects whether the measuring medium is at rest or in motion.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 1 a a schematic representation of the first inventive heated temperature sensor shown in FIG. 1,
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a second embodiment of the heatable temperature sensor according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of a third embodiment of the heatable temperature sensor according to the invention.
  • FIG. 4 is a graph showing the time course of the heating power when the measuring medium is at rest
  • FIG. 5 a graphical representation of the time course of the correspon- ding
  • FIG. 6 is a graphical representation of the time course of the correspondence
  • FIG. 7 a graphical representation of the time course of the corresponding response
  • FIG. 8 a graphical representation of the time profile of the measuring signal of the
  • Temperature sensor at a temperature change of the medium.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of the device according to the invention.
  • the heating unit 4 and the temperature sensor 3 in the direction of the longitudinal axis 17 of the housing 7 are arranged offset from one another.
  • the heating unit 4 is arranged in the region 8 of the housing 7 facing away from the medium, while the temperature sensor 3 is positioned in the region 9 of the housing 7 facing the medium.
  • there is an optimized heat flow since in this area a material 11 with a very good heat conduction is arranged.
  • the material 11 is copper.
  • the heat flow of the heating unit 4 in all other directions is effectively prevented by the corresponding areas are filled with a material 12 having a low thermal conductivity.
  • a material 12 having a low thermal conductivity it is preferable for the material 12 with the low thermal Conductivity around a potting.
  • the temperature sensor 3 is also filled with a potting. However, this involves a casting of a material 13 with a high thermal conductivity. In this way, a good thermal coupling of the temperature sensor 3 to the measuring medium 2 which is located in the outer space of the medium-facing region 9 of the housing 7 is achieved.
  • control / evaluation unit 6 uses a periodic heating unit 4
  • Voltage or current signal fed wherein the heating power, which is supplied to the heating unit 4, is preferably constant over time.
  • a corresponding voltage or current signal is shown in FIG.
  • the amplitude and / or frequency of the voltage or current signal are / can be predetermined or set via the input unit 16. This makes it possible to achieve optimum adaptation of the heating power to the measuring medium 2 flowing in the pipeline 1 or in the measuring tube.
  • the frequency of the voltage or current signal is chosen so that the resulting and the information about the mass flow of the measuring medium through the pipe line 1 bearing temperature or response signal can follow the voltage or current signal. Both signal forms are therefore equivalent to one another, which considerably simplifies the evaluation.
  • control / evaluation unit 6 forwards the information about the mass flow and / or about other parameters, such as the temperature of the measuring medium 2, to a remote control center not shown separately in FIG. Of course, it is also possible to output the information on-site on a display.
  • FIG. 1a shows a highly schematic representation of the first inventive heated temperature sensor 3 shown in FIG.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the inventive heatable temperature sensor 3.
  • the essential difference from the first embodiment is that the heating unit 4 and the temperature sensor 3 are ring-shaped and located in the area 9 of the medium facing the first Housing 7 are located. Again, there is a good thermal coupling between the heating unit 4 and the temperature sensor 3 via a correspondingly arranged thermally highly conductive material 15. In all other areas, the heating unit 4 is thermally decoupled from its environment by a material 12 having low thermal conductivity.
  • An advantage of this embodiment is the relatively large contact area between the temperature sensor 3 and the measuring medium 2.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the heatable temperature sensor 3 according to the invention.
  • the temperature sensor 3 also assumes the function of the heating element 4 by heating it by converting an electrical power.
  • the temperature sensor 3 is a so-called resistance element, eg an RTD (Resistance Temperature Detector) temperature sensor, which itself is heated to a predetermined temperature value by conversion of an electrical power (eg by increased measurement current).
  • RTD Resistance Temperature Detector
  • the temperature sensor 3 embodied as a resistance element can for example be positioned radially on the inner wall of the usually cylindrical housing 7. But it can also be applied or mounted axially in the region of the end face of the housing.
  • the temperature sensor 3 is preferably designed using thin-film technology, although other configurations of the temperature sensor 3 are also possible in conjunction with the method according to the invention.
  • FIG. 4 is a graphical representation of the temporal
  • FIGS. 5 to 7 show the corresponding courses of the response signal or the temperature measurement signal of the temperature sensor 3 as a function of different measured variables or of different parameters of the measuring medium 2.
  • FIG. 5 shows the time profile of the corresponding temperature measurement signal with increasing mass flow and at a constant temperature of the measuring medium 2. While the offset, ie the DC component of the temperature measurement signal, remains at least approximately constant, the amplitude of the temperature measurement signal decreases over time. In the alternating component of the temperature measurement signal comes the Dependence of the amplitude of the mass flow to the expression: The higher the mass flow, the more heat is the temperature sensor 3 per unit time to the flowing medium 2 from. Since the amplitude has a functional dependence on the mass flow rate, the mass flow rate can be determined from the amplitude of the temperature measurement signal.
  • FIG. 6 shows a graph of the chronological progression of the corresponding temperature measuring signal at constant mass flow and with increasing temperature of the measuring medium 2. Since the mass flow rate is constant, the amplitude of the temperature measuring signal is constant; however, now the DC component of the temperature measurement signal changes. As the temperature rises, the temperature measuring signal changes its position in the direction of the positive Y-axis.
  • FIG. 7 shows the time profile of the corresponding temperature-measuring signal with decreasing mass flow and with increasing temperature of the measuring medium 2.
  • the actual measured variable 'mass flow' and a parameter 'temperature' of the measuring medium 2 change.
  • the rising temperature of the measuring medium 2 is expressed in turn in a shift of the DC component of the temperature measuring signal in the direction of the positive Y axis; the decreasing mass flow of the measuring medium is reflected in an increase in the amplitude of the alternating component of the temperature measuring signal.
  • FIG. 8 shows a corresponding graphical representation of the time profile of the measuring signal of the temperature sensor 3 during a temperature change of the measuring medium 2.
  • the temperature is twice in the cooled-off state Measured values T and T - and in between the maximum temperature in the heated state - this corresponds to the measured value T - of the temperature sensor 3 measured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses eines durch eine Rohrleitung (1) strömenden Messmediums (2). Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf: ein beheizbarer Temperatursensor (3) wird mit dem Messmedium (2) in thermischen Kontakt gebracht; eine dem Temperatursensor (3) zugeordnete Heizeinheit (4) wird mit einem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal beaufschlagt; der Massedurchfluss des Messmediums (2) durch die Rohrleitung (1) wird anhand der Amplitude und/oder anhand der Phase des Temperaturmesssignals bestimmt, wobei das Temperaturmessignal dem Antwortsignal des Temperatursensors (3) auf die von der Heizeinheit (4) zugeführte alternierende Heizleistung entspricht.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses
[001] Die Erfindung bezieht sich auf ein thermisches bzw. kalorimetrisches Verfahren und eine thermische bzw. kalorimetrische Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses bzw. des Masse-durchflusses eines durch eine Rohrleitung strömenden Messmediums. Bei dem Messmedium handelt es sich um ein fließfähiges Medium, insbesondere um ein flüssiges, ein dampfförmiges oder ein gasförmiges Medium.
[002] Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte verwenden meist zwei Tempera¬ tursensoren. Für industrielle Anwendung sind beide Temperatur-sensoren übli¬ cherweise in ein Messrohr eingebaut, in dem der Durchfluss eines Messmediums gemessen wird. Einer der beiden Temperatursensoren ist ein sog. passiver Tempera¬ tursensor; er erfasst die aktuelle Temperatur des Messmediums. Bei dem zweiten Tem¬ peratursensor handelt es sich um einen sog. aktiven Temperatursensor, der über eine Heizeinheit beheizt wird. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche Wider¬ standsheizung vorgesehen, oder bei dem Temperatursensor selbst handelt es sich um ein Widerstands-element, z.B. um einen RTD (Resistance Temperature Detector) Temperatur-sensor, der selbst durch Umsetzung einer elektrischen Leistung (z.B. durch erhöhten Messstrom) erwärmt wird. Entsprechende Temperatursensoren werden bei¬ spielsweise von der Firma Honey well angeboten und vertrieben.
[003] Gemäß einer bekannten Ausführungsform wird der beheizbare Temperatur-sensor so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Tempera¬ tursensoren einstellt. Alternativ ist es auch bekannt gewor-den, über eine Regel- /Steuereinheit eine zeitkonstante Heizleistung einzuspeisen.
[004] Tritt in dem Messrohr kein Durchfluss auf, so erfolgt die Ableitung der Wärme von dem beheizten Temperatursensor über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und ggf. auch freie Konvektion innerhalb des Messmediums. Ist das zu messende Medium in Bewegung, kommt eine zusätzliche Abkühlung des beheizten Temperatursensors durch das vorbeiströmende kältere Medium hinzu. Durch das vorbeiströmende Messmedium tritt hier zusätzlich ein Wärmetransport infolge einer erzwungenen Konvektion auf. Um unter diesen Umständen die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatur-sensoren 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 Messmediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatur-sensoren. [005] Es besteht ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des Tempe¬ ratursensors notwendigen Heizenergie und dem Massedurchfluss eines vorgegebenen Messmediums durch eine Rohrleitung bzw. durch das Messrohr. Parameter sind - wie bereits angedeutet - die thermophysika-lischen Eigenschaften des Messmediums selbst und der im Messmedium herrschende Druck. Sind die entsprechenden vom Durchfluss abhängigen Kennlinien für diese Parameter erstellt bzw. sind die entsprechenden Parameter in den Funktionsgleichungen bekannt, lässt sich der Massedurch-fluss des Messmediums exakt bestimmen. Thermische Messgeräte, die auf dem zuvor be¬ schriebenen Prinzip beruhen, werden von Endress+Hauser unter der Bezeichnung 't-mass' angeboten und vertrieben.
[006] Wenig vorteilhaft ist es bei den bekannten thermischen Durchflussmess-geräten, dass stets zwei Temperatursensoren notwendig sind, was abgesehen von den Kosten für den zusätzlichen Temperatursensor auch einen entsprechenden Platzbedarf und eine relativ große Anzahl von elektronischen Bauelementen für die Auswertung der Temperaturmesssignale erforderlich macht. Darüber hinaus ist die Messgenauigkeit der bekannten Vorrichtung mit zwei Temperatursensoren dadurch eingeschränkt, dass sich hier relativ große Querempfindlichkeiten gegenüber Störgrößen, insbesondere von Temperatur- und Druckschwankungen im Messmediums zeigen und der unbeheizte Temperatursensor sich oftmals konstruktiv nur aufwendig von der Heizeinheit thermisch entkoppeln lässt.
[007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine konstruktiv verbesserte Vorrichtung zur thermischen bzw. kalorimetrischen Bestimmung und/oder Überwachung eines in einer Rohrleitung strömenden Messmediums vorzuschlagen, das/die sich durch eine vergleichbare Messgenauigkeit auszeichnet, aber konstruktiv einfacher, preiswerter und fertigungstechnisch reproduzierbarer realisieren lässt.
[008] Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die nachfolgend genannten Ver¬ fahrensschritte gelöst:
- ein beheizbarer Temperatursensor wird mit dem Messmedium in thermischen Kontakt gebracht;
- eine dem Temperatursensor zugeordnete Heizeinheit bzw. der beheizbare Temperatursensor, z.B. ein RTD-Temperatursensor, wird mit einem alter¬ nierenden Spannungs- oder Stromsignal beaufschlagt; der Massedurchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung wird anhand der Amplitude und/oder anhand der Phase des Temperatur-messsignals bestimmt, wobei das Temperaturmesssignal dem Antwortsignal des Tempera¬ tursensors auf die von der Heizeinheit zugeführte alternierende Heizleistung entspricht. [009] Das wesentliche Merkmal der Erfindung - und zwar sowohl der Vorrichtung als auch des Verfahrens - ist, dass nur ein beheizbarer Temperatursensor benötigt wird. Auf eine separate Messung der Temperatur des Messmediums kann gänzlich verzichtet werden, wobei zu erwähnen ist, dass die Messung der Temperatur des Messmediums in der Praxis meist recht schwierig und aufwändig zu realisieren ist. Der zweite Tem¬ peratursensor, der die Temperatur des Messmediums bestimmt, ist erfindungsgemäß überflüssig. Durch die Einsparung eines Temperatursensors sowie der entsprechenden Elektronik kommt es natürlich zu einer Kosteneinsparung. Darüber hinaus sind zu¬ sätzliche und u.U. sehr aufwändige konstruktive Maßnahmen zur Entkopplung des Temperatursensors, der die Temperatur des Messmediums misst, von der Heizeinheit bzw. von dem beheizten Temperatursensor hinfällig. Vorteilhaft ist auch, dass nur ein Temperatursensor in Kontakt mit dem Messmedium ist; daher besteht eine verringerte Verschmutzungsgefahr und - da weniger Einbauten im Messrohr angeordnet sind - ist der Druckverlust im strömenden Messmedium geringer als bei der Verwendung von zwei Temperatursensoren. Da nur ein Temperatursensor erforderlich ist, ist darüber hinaus der Platzbedarf ebenfalls geringer als bei der bekannten Lösung, wodurch möglich ist, das thermische Durchflussmessgerät auch für Rohrleitungen mit ent¬ sprechend kleineren Durchmessern zu konzipieren.
[010] Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Heizeinheit mit einem periodischen Spannungs- oder Stromsignal mit wechselnder Amplitude betrieben wird. Bevorzugt handelt es sich um ein Sinussignal, jedoch sind auch andere periodische Signalverläufe im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung anwendbar. Die Frequenz des Spannungs- oder Stromsignals ist dabei bevorzugt so gewählt, dass sich ein äquivalenter periodischer Verlauf des Temperaturmesssignals des Temperatursensors einstellt. Eine Änderung der Strömungsgeschwindig-keit des Messmediums und damit des thermischen Widerstands (also des Temperatursensors) wirkt sich daher primär auf die Amplitude (oder die Phase) des über die Zeit gemessenen Temperaturmesssignals aus. Bei der sich ändernden Amplitude handelt es sich um die maßgebliche Messgröße, da sie die Information über den Massedurchfluss in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr liefert. Störgrößen, wie Temperatur- oder Druckschwankungen des Messmediums, haben auf den Wechselanteil des Temperatur¬ messsignals keinen großen bzw. einen vernachlässigbaren Einfluss.
[011] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bzw. wird die Frequenz und/oder die Amplitude des alternierenden Spannungs¬ oder Stromsignals in Abhängigkeit von der verwendeten Heizeinheit und/oder in Ab¬ hängigkeit von dem jeweiligen Messmedium bestimmt und/oder ausgewählt. Diese Maßnahme wird ergriffen, um einen äquivalenten Verlauf von Spannungs- oder Stromsignal und Temperaturmess-signal zu erreichen - das Temperaturmesssignal kann dem Spannungs- oder Stromsignal folgen. [012] Wie bereits gesagt, beeinflussen Störgrößen wie Temperatur- und Druck¬ schwankungen des Messmediums nicht den Wechselanteil des Temperatur¬ messsignals. Sie haben lediglich Einfluss auf den Gleichanteil (Offset) des Tempera¬ turmesssignals. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungs-gemäßen Verfahrens schlägt daher vor, dass aus dem Wechselanteil des Temperaturmesssignals der Masse- durchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung ermittelt wird, während anhand des Geichanteils des Temperatur-messsignals die Temperatur des Messmediums bestimmt wird. Es ist daher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, In¬ formation über die Temperatur des Messmediums quasi als Nebenprodukt zu erhalten.
[013] Dem kalorimetrischen Durchflussmessverfahren mit nur einem Temperatursensor fehlt, im Gegensatz zur Lösung mit mehreren Sensoren, eine Möglichkeit zur kontinu¬ ierlichen Kompensation von Schwankungen der Prozess- bzw. der Medium¬ stemperatur. Es besteht nur zu bestimmten Zeitpunkten, bei quasi abgeschalteter Heizeinheit, die Möglichkeit, die Mediumstemperatur mit dem einen vorhandenen Temperatursensor zu messen. Die Messung der maximalen Temperatur des Tempera¬ tursensors bei eingeschalter Heizeinheit bzw. bei einer maximalen Heizleistung erfolgt daher prinzipbedingt zu einem anderen Zeitpunkt. Zwischenzeitliche Änderungen der Mediumstemperatur werden somit nicht berücksichtigt und können so eine Ver¬ fälschung des ermittelten Durchflussmesswerts zur Folge haben. Eine sichere Durch¬ flussmessung ist nur bei einer während des Heiz-/Kühlzyklus' nahezu konstanten Me¬ diumstemperatur möglich. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, Änderungen der Mediums- bzw. Prozesstemperatur rechnerisch zu kompensieren. Somit ist auch im Falle von Temperatur-änderungen des Messmediums eine genaue Durchflussmessung sichergestellt.
[014] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher vorgeschlagen, eine numerische Kompensation der Temperatur-änderungen des Messmediums mittels einer linearen Interpolation anzuwenden. Innerhalb eines Messzyklus', beispielsweise bei gepulster Heizleistung, wird zweimal die Temperatur im abgekühlten Zustand (Messwerte T und T in Fig. 8) und dazwischen die Maxi¬ maltemperatur im aufgeheizten Zustand (Messwert T in Fig. 8) des Tempera-
2 tursensors gemessen. Für die Bestimmung des Durchflusses wird dann die Differenz aus dem Maximalwert T und dem Mittelwert T der Temperaturen T und T
2 M 1 3 berechnet.
[015] Für eine verbesserte Kompensation, insbesondere bei nichtlinearen Tempera¬ turdriften des Messmediums, ist es vorteilhaft, mehr als nur zwei Temperaturwerte heranziehen. So lässt sich der Verlauf der Temperatur-änderung des Messmediums durch eine quadratische Funktion oder durch ein Polynom höherer Ordnung rechnerisch interpolieren, was den tatsächlichen Temperaturverlauf ggf. besser beschreibt und somit zu einer höheren Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Durchflusses führt.
[016] Eine praktische Einsatzmöglichkeit für das erfindungsgemäße Durchfluss- messverfahren liegt im Bereich der Durchflussschalter, die Durchflussraten von Medien in einem Prozess überwachen und bei Über- oder Unterschreiten von zuvor de¬ finierten Grenzwerten Signale ausgeben oder integrierte Schaltausgänge aktivieren bzw. deaktivieren. Für diesen Anwendungsfall ist es in der Regel nicht notwendig, die Durchflussgeschwindigkeiten absolut genau zu messen, sondern meist ist es ausreichend, die relativen Änderungen von Durchflussraten reproduzierbar zu erfassen. Auf eine aufwendige Kalibrierung des Durchflussmessgeräts kann somit meist verzichtet werden.
[017] Stand der Technik ist, dass solche Durchflussschalter relativ variabel für unter¬ schiedliche Messmedien einsetzbar sind und sich weitgehend automatisch den thermischen Übergangsbedingungen der verschiedenen Messmedien und Durch¬ flussraten anpassen lassen. Dies betrifft insbesondere die Verwendung einer an- gepassten Heizleistung, so dass einerseits ausreichend große, vom Durchfluss abhängige Temperaturänderungen im Temperatursensor generiert werden und dass andererseits das System nicht mehr als nötig aufgeheizt wird.
[018] Im Falle der Verwendung von nur einem Temperatursensor mit periodischer oder gepulster Heizleistung bedarf es eines speziell ausgestalteten Verfahrens zur auto¬ matischen Anpassung an die im System bzw. im Mess-medium herrschenden Be¬ dingungen. Neben der Ermittlung der erforderlichen Heiz-leistung ist die Frequenz bzw. die Pulsbreite der alternierenden Heizleistung abhängig vom gewählten Messbereich der Durchflussrate und von dem jeweiligen Messmedium. Beispielsweise transportiert Luft bei gleicher Durchflussrate bzw. bei gleicher Strömungsge¬ schwindigkeit um Größenordnungen weniger Wärme als beispielsweise Wasser. In Luft wird die für eine kalorimetrische Durchflussmessung nach dem vorgestellten Verfahren erforderliche Heizleistung somit deutlich kleiner sein als in Wasser oder in einem anderen flüssigen Messmedium. Darüber hinaus bedarf es einer deutlich geringeren Frequenz bzw. Pulsrate bei der alternierenden Heizleistung, da bis zum Erreichen eines thermodynamischen Gleichwichts zwischen der Heizeinheit, dem Temperatursensor und dem Messmedium eine längere Zeit vergeht. Die Temperatur des Temperatursensors wird in Luft deutlich langsamer der zeitlich variierenden Heizleistung der Heizeinheit folgen als beispielsweise in Wasser.
[019] Bevorzugt finden solche quasi-automatischen Einstellungen und Anpassungen an das Messmedium und an den Messbereich bei möglichst konstanter Temperatur und bei möglichst konstanter Durchflussrate des Messmediums statt, da nur dann das Erreichen des erforderlichen statisch-thermischen Gleichwichts zwischen Heizeinheit, Temperatursensor und Messmedium realisierbar ist. Bevorzugt und falls möglich wird eine Durchflussrate an der unteren Messbereichsgrenze gewählt.
[020] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur automatischen Anpassung an unterschiedliche Messmedien und Messbereiche mindestens die folgenden Schritte:
• Detektion, ob die Temperatur T des Messmediums innerhalb vorgegebener Grenzen hinreichend konstant ist;
• Messung der Temperatur T des Messmediums bei deaktivierter Heizung über den Temperatursensor bzw. über das temperaturempfindliche Sensorelement;
• Langsame, schrittweise Erhöhung der Heizleistung, bis eine hinreichend große Temperaturerhöhung (Übertemperatur AT = max(T ) -T ) am
Mess F
Temperatursensor detektiert wird;
• Abschalten der Heizung;
• kontinuierliche Erfassung der Temperatur T Mess des Temperatursensors und
Messung des Zeitintervalls At bis zum Erreichen der ursprünglichen Temperatur T des Messmediums bzw. eines Temperaturwertes innerhalb vorgegebener Grenzen;
• der reziproke Wert dieses Intervalls At ist gleich der Maximalfrequenz/ max , mit der die Heizleistung bei diesen Einsatzbedingungen periodisch alternieren bzw. geschaltet wird.
[021] Weiterhin ist vorgesehen, dass bei einem Durchflussschalter der Schaltpunkt eingestellt wird. In der Regel kann ein Benutzer den Messbereich mittels einer „Lern"- Funktion einstellen. Dabei gibt der Anwender die gewünschten Durchflussraten für einen möglichen Minimal- und Maximalwert im Durchflussmesser vor. Diese Werte müssen nicht zwangsläufig dem Minimal- bzw. Maximalwert des gewünschten Messbereichs entsprechen, da sich diese bei bekannter Übertragungskennlinie des Durchflussmessgeräts auch anhand von mindestens zwei anderen bekannten Durch- flussmess werten im gewählten Bereich extrapolieren lassen.
[022] Durch das Aufrufen der implementierten „Lernfunktion" erfasst das Gerät die j eweils anliegenden Durchflussraten und speichert die zugehörigen Messwerte in einen internen Speicher
[023] Beim hier vorgestellten Messverfahren sind weiterhin zu jedem eingestellten
Durchflussmesswert die zugehörigen Temperaturdifferenzwerte
[024] Übertemperaturwerte AT = max(T ) - min(T ) = max(T ) - T
SP Mess Mess Mess F
[025] zu bestimmen oder ggf. rechnerisch zu extrapolieren sowie intern zu speichern.
[026] Bevorzugt ist gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Heizleistung der Heizeinheit bzw. des Temperatursensors auf einen näherungsweise konstanten Amplitudenwert geregelt wird. Aus einer Amplitu¬ denänderung und/oder aus einer Phasenänderung des resultierenden Temperatur¬ messsignals lässt sich folglich auf den Massedurchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr schließen.
[027] Die Aufgabe wird bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, dass eine dem Temperatursensor zugeordnete Heizeinheit und eine Regel- /Auswerteeinheit vorgesehen ist, dass der Temperatursensor so in dem Gehäuse angeordnet ist, dass er im Messbetrieb im thermischen Kontakt mit dem Messmedium ist, dass die Heizeinheit mit dem Temperatursensor thermisch in Verbindung steht, dass die Heizeinheit und/oder das Gehäuse so ausgestaltet sind/ist, dass die Heizeinheit definiert thermisch an das Mess-medium gekoppelt ist, und dass die Regel- /Auswerteeinheit die Heizeinheit mit einem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal beaufschlagt und anhand des Antwortsignals bzw. des Temperatur¬ messsignals des Temperatursensors den Massedurchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung ermittelt. Wie bereits erwähnt, ist dem beheizbaren Temperatursensor (PtIOO, PtIOOO, usw.) eine zusätzlich angebrachte Widerstandsheizung zugeordnet, oder aber es handelt sich bei dem Temperatursensor um ein Widerstandselement, z. B. um einen RTD Temperatursensor.
[028] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein möglichst konstanter und definierter Wärmetransport zwischen der Heizeinheit und dem Tempe¬ ratursensor nahezu ausschließlich über Wärmeleitung erfolgt. Während der Tempera¬ tursensor in gutem thermischem Kontakt mit dem Messmedium steht, ist die Heizeinheit idealer Weise in sehr gutem thermischem Kontakt mit dem Tempera¬ tursensor, aber ansonsten von der Umgebung weitgehend thermisch entkoppelt. Das heißt, die einzige Verbindung, die die Heizeinheit zur Umgebung hat, ist über den Temperatur-sensor realisiert.
[029] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Heizeinheit in einem von dem Messmedium abgewandten Teilbereich des Gehäuses angeordnet ist. Zwischen der Innenwand des Gehäuses und der korrespon¬ dierenden Außenfläche der Heizeinheit ist ein Füllmaterial mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit angeordnet. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Temperatursensor in einem dem Messmedium zugewandten Teilbereich des Gehäuses angeordnet ist, wobei zwischen der Innenwand des Gehäuses und der korrespon¬ dierenden Außenfläche des Temperatursensors ein Füllmaterial mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit vorgesehen ist. Der Temperatursensor selbst ist an der Stirnfläche des Gehäuses vorgesehen.
[030] Nach einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperatur-sensors bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der Temperatursensor und die Heizeinheit ringförmig ausgebildet, wobei der Temperatursensor und die Heizeinheit in dem dem Messmedium zugewandten Teilbereich des Gehäuses konzentrisch angeordnet sind. Hierbei findet sich die Heizeinheit im Innenbereich des Gehäuses, während der Temperatursensor im Außen-bereich des Gehäuses angeordnet ist. Diese Art der Ausgestaltung bietet zudem den Vorteil einer Richtungsunabhängigkeit bei der Durchflussmessung. Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte oder Sensoran¬ ordnungen setzen dagegen oftmals eine definierte Einbaurichtung bzw. Einbaulage in Bezug zur Strömungsrichtung voraus. Die thermische Isolation der Heizeinheit von der Umgebung - mit Ausnahme des Temperatursensors - wird über das Einbringen eines Füllmaterials mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit erreicht. Der Tempera¬ tursensor ist bevorzugt in direktem Kontakt mit der thermisch gut leitenden Innenwand des Gehäuses. Möglich ist selbstverständlich auch das Einbringen eines thermisch gut leitenden Füllmaterials zwischen dem Temperatursensor und der Innenwand des Gehäuses, falls zwischen dem Temperatursensor und dem Gehäuse ein Spalt frei bleibt.
[031] Bevorzugt handelt es sich bei dem Füllmaterial mit der geringen thermischen Leit¬ fähigkeit und/oder bei dem Füllmaterial mit der vergleichsweise hohen thermischen Leitfähigkeit um ein Vergussmaterial wie Polyurethan, Silikonkautschuk o.a. Denkbar ist auch die Verwendung von Keramikpulver aus Al O , Magnesiumoxid oder ver¬ gleichbaren Substanzen. Für die Realisierung einer vergleichsweise schlechten Tempe¬ raturleitfähigkeit ist es auch möglich, die entsprechenden Bereiche einfach luftgefüllt zu belassen.
[032] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnete sich auch dadurch aus, dass definierte und möglichst nur eindimensionale Wärmeströme von der Heizeinheit zum Tempera¬ tursensor und zum Messmedium realisiert werden. Einige prinzipielle Anordnungen dazu wurden bereits zuvor vorgestellt. Mit Hinblick auf gewünschte kurze An¬ sprechzeiten bei Änderungen des Durchflusses oder der Mediumstemperatur ist es praktisch sinnvoll, dass die Heizeinheit und der Temperatursensor kleine Volumina und eine geringe Wärmekapazität aufweisen.
[033] Als vorteilhaft wird es in diesem Zusammenhang angesehen, wenn Widerstands¬ strukturen verwendet werden, die auf Trägermaterialien, z.B. auf Keramikschichten oder Metalloberflächen in Dünnschichttechnik aufgebracht und in geeigneter Weise räumlich angeordnet sind. Beispielsweise sind die Heizeinheit und der Tempera¬ tursensor in Schichten übereinander angeordnet, beispielsweise zu beiden Seiten desselben Trägermaterials. Möglich ist auch eine Positionierung von Heizeinheit und Temperatursensor in der gleichen Ebene auf dem Trägermaterial; beispielsweise ist die rotationssymmetrische, flächig ausgebildete Heizeinheit zentrisch angeordnet, während der Temperatursensor in einer ringförmigen Struktur die Heizeinheit umgibt. Prinzipiell ist auch der umgekehrte Aufbau möglich.
[034] Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, wird als alternierendes Spannungs¬ oder Stromsignal vorteilhafter Weise ein periodisches Spannungs- oder Stromsignal genutzt. Bevorzugt ist das Spannungs- oder Stromsignal sinusförmig. Im Prinzip kann es jedoch jede beliebige periodische Form aufweisen; so kann es sich natürlich auch um ein Dreiecks- oder ein Rechtecksignal handeln. Im einfachsten Fall handelt es sich um ein getaktetes Ein- und Ausschalten der Heizung; d.h. um ein Pulsen der Heizleistung mit fester oder ggf. auch mit variabler Schaltfrequenz.
[035] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Eingabeeinheit vorgesehen, über die die Frequenz des alternierenden Spannungs- oder Stromsignals für die Heizeinheit so wählbar und einstellbar ist, dass das alternierende Antwort- bzw. Temperaturmessignal näherungsweise die gleiche Frequenz aufweist wie das alternierende Spannungs- bzw. Stromsignal. Hierdurch wird sichergestellt, dass zwischen dem Spannungs- oder Stromsignal und dem Temperatur¬ messsignal eine Äquivalenz besteht, wodurch die Auswertung erheblich vereinfacht wird. Eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums lässt sich dann anhand der Änderung von Amplitude und/oder der Phase des über die Zeit gemessenen Temperaturmesssignals ermitteln. Möglich ist es darüber hinaus, die zeitliche Verzögerung zwischen dem Heizsignal und dem entsprechenden Temperatur¬ messsignal für die Auswertung heranzuziehen. Im einfachsten Fall ist es ausreichend, für die Durchflussmessung direkt die Differenz zwischen dem Minimum bei quasi ab¬ geschalteter Heizung und dem Maximum des Temperaturmesssignals während eines Heizzyklus' zu ermitteln.
[036] Wie bereits zuvor erwähnt, ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit anhand der
Amplitude und/oder der Phase (also anhand des Wechselteils) des perio-dischen Ant¬ wortsignals bzw. des Temperaturmesssignals den Masse-durchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung.
[037] Als besonders vorteilhaft wird die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung erachtet, nach der die Regel-/Auswerteeinheit anhand des Gleichanteils des Antwortsignals bzw. des Temperaturmesssignals zumindest eine weitere Zu- standsvariable des in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr strömenden Messmediums ermittelt. Bei der Zustandsvariablen handelt es sich beispielsweise um die Temperatur des Messmediums.
[038] Bevorzugt versorgt die Regel-/Auswerteeinheit die Heizeinheit mit einer konstanten
Heizleistung.
[039] Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist darüber hinaus so ausgestaltet, dass sie den
Massedurchfluss entweder kontinuierlich misst, und/oder dass sie erkennt, ob der Mas- sedurchfluss einen vorgegebenen Grenzwert unter- oder überschreitet. Im zweiten Fall wird die Vorrichtung also als Durchflussschalter verwendet, die erkennt, ob das Messmedium in Ruhe oder in Bewegung ist.
[040] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
[041] Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung,
[042] Fig. Ia: eine schematische Darstellung des in Fig. 1 gezeigten ersten erfin¬ dungsgemäßen beheizbaren Temperatursensors,
[043] Fig. 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfin¬ dungsgemäßen beheizbaren Temperatursensors,
[044] Fig. 3: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfin¬ dungsgemäßen beheizbaren Temperatursensors,
[045]
[046] Fig. 4: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Heizleistung, wenn das Messmedium in Ruhe ist,
[047] Fig. 5: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des korrespon-dierenden
Temperaturmesssignals bei zunehmendem Massedurchfluss und bei konstanter Temperatur des Messmediums,
[048] Fig. 6: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des korrespon-dierenden
Temperaturmesssignals bei konstantem Massedurchfluss und bei steigender Temperatur des Messmediums,
[049] Fig. 7: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des korrespon-dierenden
Temperaturmesssignals bei abnehmendem Massedurchfluss und bei steigender Temperatur des Messmediums und
[050] Fig. 8: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Messsignals des
Temperatursensors bei einer Temperaturänderung des Messmediums.
[051] Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser Ausführungsform sind die Heizeinheit 4 und der Temperatursensor 3 in Richtung der Längsachse 17 des Gehäuses 7 versetzt voneinander angeordnet. Die Heizeinheit 4 ist im mediumsabgewandten Bereich 8 des Gehäuses 7 angeordnet, während der Temperatursensor 3 im mediumszugewandten Bereich 9 des Gehäuses 7 positioniert ist. Im Bereich zwischen der Heizeinheit 4 und dem Temperatur-sensor 3 herrscht ein optimierter Wärmestrom, da in diesem Bereich ein Material 11 mit einer sehr guten Wärmeleitung angeordnet ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Material 11 um Kupfer. Mit Ausnahme dieser direkten Verbindung zu dem Temperatursensor 3 ist der Wärmestrom der Heizeinheit 4 in alle anderen Richtung wirkungsvoll unterbunden, indem die entsprechen-den Bereiche mit einem Material 12 mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit aufgefüllt sind. Bevorzugt handelt es sich übrigens bei dem Material 12 mit der geringen thermischen Leitfähigkeit um einen Verguss.
[052] Der mediumszugewandte Bereich 9 des Gehäuses 7, in dem der Temperatur-sensor
3 angeordnet ist, ist gleichfalls mit einem Verguss aufgefüllt. Allerdings handelt es sich herbei um einen Verguss aus einem Material 13 mit einer hohen thermischen Leit¬ fähigkeit. Hierdurch wird eine gute thermische Ankopplung des Temperatursensors 3 an das im Außenraum des mediums-zugewandten Bereichs 9 des Gehäuses 7 be¬ findliche Messmedium 2 erzielt.
[053] Über die Regel-/Auswerteeinheit 6 wird die Heizeinheit 4 mit einem periodischen
Spannungs- oder Stromsignal bespeist, wobei die Heizleistung, die der Heizeinheit 4 zugeführt wird, bevorzugt über die Zeit konstant ist. Ein entsprechendes Spannungs¬ oder Stromsignal ist in der Fig. 3 dargestellt. Die Amplitude und/oder Frequenz des Spannungs- oder Stromsignals sind/ist über die Eingabeeinheit 16 vorgebbar bzw. einstellbar. Hierdurch lässt sich eine optimale Anpassung der Heizleistung an das in der Rohrleitung 1 bzw. in dem Messrohr strömende Messmedium 2 erreichen. Die Frequenz des Spannungs- oder Stromsignals ist so gewählt, dass das resultierende und die Information über den Massedurchfluss des Messmediums durch die Rohr-leitung 1 tragende Temperatur- bzw. Antwortsignal dem Spannungs- oder Stromsignal folgen kann. Beide Signalformen sind daher zueinander äquivalent, was die Auswertung erheblich vereinfacht.
[054] Über Verbindungsleitungen 18 leitet die Regel-/Auswerteeinheit 6 die Information über den Massedurchfluss und/oder über andere Parameter, wie die Temperatur des Messmediums 2, an eine entfernte in der Fig. 1 nicht gesondert dargestellt Leitstelle weiter. Möglich ist es natürlich auch, die Information vor Ort auf einem Display auszugeben.
[055] In Fig. Ia ist eine stark schematisierte Darstellung des in Fig. 1 gezeigten ersten er¬ findungsgemäßen beheizbaren Temperatursensors 3 zu sehen.
[056] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des er¬ findungsgemäßen beheizbaren Temperatursensors 3. Der wesentliche Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Heizeinheit 4 und der Tempera¬ tursensor 3 ringförmig ausgebildet sind und sich im mediumszugewandten Bereich 9 des Gehäuses 7 befinden. Wiederum besteht eine gute thermische Ankopplung zwischen der Heizeinheit 4 und dem Temperatursensor 3 über ein entsprechend an¬ geordnetes thermisch gut leitfähiges Material 15. In allen anderen Bereichen ist die Heizeinheit 4 von ihrer Umgebung durch ein Material 12 mit geringer thermischer Leitfähigkeit thermisch entkoppelt. Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist die relativ große Kontaktfläche zwischen Temperatursensor 3 und Messmedium 2.
[057] In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfin¬ dungsgemäßen beheizbaren Temperatursensors 3 zu sehen. Bei dieser Ausfüh- rungsform übernimmt der Temperatursensor 3 gleichzeitig auch noch die Funktion des Heizelements 4, indem er durch Umsetzung einer elektrischen Leistung erwärmt wird. Bei dem Temperatursensor 3 handelt es sich um ein sog. Widerstandselement, z.B. um einen RTD (Resistance Temperature Detector) Temperatursensor, der selbst durch Umsetzung einer elektrischen Leistung (z.B. durch erhöhten Messstrom) auf einen vorge-gebenen Temperaturwert erwärmt wird. Die Ansteuerung des Widerstands¬ elements erfolgt mittels des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei - in diesem Fall - der Temperatursensor 3 selbst mit einem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal beaufschlagt wird, und wobei der Massedurchfluss bzw. der Durchfluss des Messmediums 2 durch die Rohrleitung 1 anhand der Amplitude und/oder anhand der Phase des Temperaturmesssignals bestimmt wird, wobei das Temperaturmessignal dem Antwortsignal des Temperatursensors 3 auf die dem Tem¬ peratursensor 3 zugeführte alternierende Heizleistung entspricht.
[058] Der als Widerstandselement ausgebildete Temperatursensor 3 kann beispielsweise radial an der Innenwand des üblicherweise zylindrischen Gehäuses 7 positioniert sein. Er kann aber auch axial im Bereich der Stirnseite des Gehäuses aufgebracht bzw. angebracht sein. Bevorzugt ist der Temperatursensor 3 übrigens in Dünnfilmtechnik ausgeführt, allerdings sind auch andere Ausgestaltungen des Temperatursensors 3 in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich. Bei der zuvor genannten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorteilhaft, das Ant¬ wortsignal des Temperatursensors auf das periodische, z.B. sinusförmige, säge- zahnförmige oder auch gepulste Spannungs- oder Stromsignal jeweils im Bereich der Minima oder der Maxima zu bestimmen. Dies ist aufgrund der thermischen Verzögerung sinnvoll, aber auch leicht realisierbar, da das Antwortsignal des Tempera¬ tursensors sowieso periodisch bestimmt werden muss, um eine Regelung der Heizleistung auf einen annähernd konstanten Wert realisieren zu können.
[059] Wie bereits zuvor erwähnt, ist in Fig. 4 eine graphische Darstellung des zeitlichen
Verlaufs der Heizleistung mit einer über die Zeit nahezu konstanten Amplitude gezeigt. Mit dieser Heizleistung wird die Heizeinheit 4 bzw. der Temperatursensor 3 beaufschlagt. In den Figuren Fig. 5 - Fig. 7 sind die entsprechenden Verläufe des Ant¬ wortsignals bzw. des Temperaturmess-signals des Temperatursensor 3 in Abhängigkeit von verschiedenen Messgrößen oder von verschiedenen Parametern des Messmediums 2 zu sehen.
[060] In Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf des korrespondierenden Temperatur-messsignals bei zunehmendem Massedurchfluss und bei konstanter Temperatur des Messmediums 2 dargestellt. Während der Offset, also der Gleichanteil des Temperaturmesssignals, zumindest näherungsweise konstant bleibt, nimmt die Amplitude des Temperatur¬ messsignals über die Zeit ab. Im Wechselanteil des Temperaturmesssignals kommt die Abhängigkeit der Amplitude von dem Massedurchfluss zum Ausdruck: Je höher der Massedurchfluss, um so mehr Wärme gibt der Temperatursensor 3 pro Zeiteinheit an das strömende Medium 2 ab. Da die Amplitude eine funktionale Abhängigkeit zum Massedurchfluss besitzt, lässt sich der Massedurchfluss aus der Amplitude des Tempe¬ raturmesssignals bestimmen.
[061] Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des korrespon¬ dierenden Temperaturmesssignals bei konstantem Massedurchfluss und bei steigender Temperatur des Messmediums 2. Da der Massedurchfluss konstant ist, ist die Amplitude des Temperaturmesssignals konstant; allerdings ändert sich nunmehr der Gleichanteil des Temperaturmesssignals. Da die Temperatur ansteigt, ändert das Tem¬ peraturmessignal seine Lage in Richtung der positiven Y-Achse.
[062] In Fig. 7 ist der zeitliche Verlauf des korrespondierenden Temperatur-messsignals bei abnehmendem Massedurchfluss und bei steigender Temperatur des Messmediums 2 dargestellt. Hier ändern sich also die eigentliche Messgröße 'Massedurchfluss' und ein Parameter 'Temperatur' des Messmediums 2. Die steigende Temperatur des Messmediums 2 drückt sich wiederum in einer Verschiebung des Gleichanteils des Temperatur-messsignals in Richtung der positiven Y-Achse aus; der abnehmende Masse-durchfluss des Messmediums zeigt sich in einem Ansteigen der Amplitude des Wechselanteils des Temperaturmesssignals.
[063] Gemäß einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor¬ geschlagen, eine numerische Kompensation der Temperaturänderungen des Messmediums 2 mittels einer linearen Interpolation anzuwenden. Fig. 8 zeigt eine ent¬ sprechende graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Messsignals des Tem¬ peratursensors 3 bei einer Temperaturänderung des Messmediums 2. Innerhalb eines Messzyklus', hier bei gepulster Heizleistung, wird zweimal die Temperatur im ab¬ gekühlten Zustand - dies entspricht den Messwerten T und T - und dazwischen die Maximaltemperatur im aufgeheizten Zustand - dies entspricht dem Messwert T - des Temperatursensors 3 gemessen. Für die Bestimmung des Durchflusses wird dann die Differenz aus dem Maximalwert T 2 und dem Mittelwert T M der Temperaturen Tl und
T berechnet.
3

Claims

Ansprüche
[001] 1. Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurch-flusses eines durch eine Rohrleitung (1) strömenden Messmediums (2), wobei ein be¬ heizbarer Temperatursensor (3) mit dem Messmedium (2) in thermischen Kontakt gebracht wird, wobei eine dem Temperatursensor (3) zugeordnete Heizeinheit (4) oder beheizbare Temperatursensor (3) mit einem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal beaufschlagt wird, und wobei der Massedurchfluss des Messmediums (2) durch die Rohrleitung (1) anhand der Amplitude und/oder anhand der Phase des Temperaturmess-signals bestimmt wird, wobei das Tempe¬ raturmessignal dem Antwortsignal des Temperatursensors (3) auf die von der Heizeinheit (4) zugeführte bzw. auf die dem Temperatursensor (3) zugeführte al¬ ternierende Heizleistung entspricht.
[002] 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Frequenz und/oder die Amplitude des alternierenden Spannungs- oder Stromsignals in Abhängigkeit von der verwendeten Heizeinheit (4) bzw. dem verwendeten Temperatursensor (3) und/ oder in Abhängigkeit von dem jeweiligen Messmedium (2) bestimmt und/oder ausgewählt werden/wird.
[003] 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus dem Wechselanteil des Temperatur¬ messsignals der Massedurchfluss des Messmediums (2) durch die Rohrleitung (1) ermittelt wird.
[004] 4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus dem Geichanteil des Temperatur¬ messsignals die Temperatur des Messmediums (2) ermittelt wird.
[005] 5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Heizleistung der Heizeinheit (4) bzw. des Temperatursensors (3) auf einen näherungsweise konstanten Amplitudenwert geregelt wird.
[006] 6. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurch-flusses eines Messmediums (2) durch eine Rohrleitung (1) mit einem in einem Gehäuse (7) angeordneten Temperatursensor (3), mit einer Heizeinheit (4) und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (6), wobei der Temperatursensor (3) so in dem Gehäuse (7) angeordnet ist, dass er im Messbetrieb im thermischen Kontakt mit dem Messmedium (2) ist, wobei die Heizeinheit (4) mit dem Temperatursensor (3) thermisch in Verbindung steht, wobei die Heizeinheit (4) und/oder das Gehäuse (7) so ausgestaltet sind/ist, dass die Heizeinheit (4) von dem Messmedium (2) thermisch entkoppelt ist, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (6) die Heizeinheit (4) mit einem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal be¬ aufschlagt und anhand des Antwortsignals bzw. des Temperaturmesssignals des Temperatursensors (3) den Massedurchfluss des Messmediums (2) durch die Rohrleitung (1) ermittelt.
[007] 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Heizelement (4) in einem von dem
Messmedium (2) abgewandten Teilbereich (8) des Gehäuses (7) angeordnet ist und wobei zwischen der Innenwand (10) des Gehäuses (7) und der korres¬ pondierenden Außenfläche der Heizeinheit (4) ein Füllmaterial (12) mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit vorgesehen ist.
[008] 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Temperatursensor (3) in einem dem Messmedium (2) zugewandten Teilbereich (9) des Gehäuses (7) angeordnet ist und wobei zwischen der Innenwand (10) des Gehäuses (7) und der korres-pondierenden Außenfläche (14) des Temperatursensors (3) ein Füllmaterial (13) mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit vorgesehen ist.
[009] 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Temperatursensor (3) und die
Heizeinheit (4) ringförmig ausgebildet sind, wobei der Temperatursensor (3) und die Heizeinheit (4) in dem dem Messmedium (2) zugewandten Teilbereich (9) des Gehäuses (7) konzentrisch angeordnet sind, wobei die Heizeinheit (4) im In¬ nenbereich des Gehäuses (7) angeordnet ist, wobei der Temperatursensor (3) im Außenbereich des Gehäuses (7) angeordnet ist, und wobei das Füllmaterial (12) mit der geringen thermischen Leitfähigkeit so angeordnet ist, das die Heizeinheit (4) thermisch von dem Gehäuse (7) entkoppelt.
[010] 10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei es sich bei dem Füllmaterial
(12) mit der geringen thermischen Leitfähigkeit und/oder bei dem Füllmaterial
(13) mit der hohen thermischen Leitfähigkeit um einen Verguss handelt. [011] 11. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem alternierenden
Spannungs- oder Stromsignal um ein periodisches Spannungs- oder Stromsignal handelt.
[012] 12. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 11, wobei eine Eingabeeinheit (16) vorgesehen ist, über die die Frequenz des alternierenden Spannungs- oder Stromsignals für die Heizeinheit (4) so wählbar und einstellbar ist, dass das al¬ ternierende Antwort- bzw. Temperatur-messsignal näherungsweise die gleiche Frequenz aufweist wie das alternierende Spannungs- bzw. Stromsignal.
[013] 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (6) anhand der Amplitude und/oder Phase des periodischen Antwortsignals bzw. des Tempe¬ raturmesssignals den Massedurchfluss des Messmediums (2) durch die Rohrleitung (1) ermittelt.
[014] 14. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (6) anhand des Gleichanteils des Antwort-signals bzw. des Temperaturmesssignals zumindest eine weitere Zustandsvariable (p, T) des in der Rohrleitung (1) strömenden Messmediums (2) ermittelt. [015] 15. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (6) die
Heizeinheit (4) so ansteuert, dass diese eine konstante Heizleistung einspeist.
[016] 16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6-15, die Regel-
/Auswerteeinheit (6) so ausgestaltet ist, dass sie den Massedurchfluss konti¬ nuierlich misst, und/oder dass sie erkennt, ob der Massedurchfluss einen vor¬ gegebenen Grenzwert unter- oder überschreitet.
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