WO2006074850A2 - Verfahren zur regelung eines thermischen bzw. kalorimetrischen durchflussmessgeräts - Google Patents

Verfahren zur regelung eines thermischen bzw. kalorimetrischen durchflussmessgeräts Download PDF

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WO2006074850A2
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Oliver Popp
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/10—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/698—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a thermal or calorimetric flow meter, which determines the flow of a flowing through a pipe or through a measuring tube measuring medium in a process by means of two temperature sensors and / or monitored, the current temperature of the medium to a Time is determined by a first temperature sensor and wherein a second temperature sensor, a defined heating power is supplied, which is so dimensioned that a predetermined temperature difference between the two temperature sensors occurs.
  • a PID controller is used to control the heatable temperature sensor.
  • control parameters are taken, which have been determined in advance under defined physical conditions in a process.
  • a key factor in the physical conditions in the process is the flow rate of the medium to be measured by the flowmeter.
  • the physical conditions in the process are largely reflected in the heat transfer coefficient, which characterizes the heat transfer from the temperature sensor to the measuring medium.
  • Fig. 1 and Fig. 2 the readjustment of a typical conventional thermal flow meter is sketched in the event of a change in the target temperature.
  • a change in the setpoint temperature corresponds to a temperature jump that triggers a control process.
  • the reaction of the flowmeter corresponds to the solid line.
  • h is the heat transfer coefficient under defined conditions in the process, ie, for example, at a given flow rate of the medium to be measured through the pipeline.
  • the readjustment of the flowmeter reacts relatively quickly to the temperature jump (FIG. 1).
  • the flowmeter provides almost instantaneous readings that reliably represent the flow rate of the sample through the tubing ( Figure 2).
  • the step response shows a less ideal behavior.
  • This case is shown in the figures Fig. 1 and Fig. 2 with reference to the dotted lines. It takes a relatively long time until the target temperature of the system 'temperature sensor - measuring medium' is reached; The same applies to the flow readings provided in parallel: the flowmeter delivers over a relatively long period of time too low measured values. It is generally said that the current size of the corresponding target size approaches creeping.
  • the invention has for its object to provide a method for fast and stable control of a thermal flow meter under a variety of process conditions.
  • the object is achieved in that in the case of a deviation of the actual
  • the heating power is determined taking into account the physical conditions in the process, which are reflected in a time constant.
  • the time constant which reflects the physical conditions in the process, determined by the following estimate:
  • the time constant which reflects the physical conditions in the process, is determined by the following estimation: [0015] ⁇ , ⁇ x - -
  • the rate of change for the supply of heating power to compensate for the deviation determined so that the System reaches the target state as quickly as possible.
  • the rate of change to reach the desired state is calculated using the following estimate:
  • the rate of change for the supply of the heating power is calculated according to the following formula:
  • c [W-s / K] represents a proportionality constant dependent on the controller used
  • FIG. 1 is a graphical representation of the response of a conventional control unit to a temperature jump at different flow rates of the measurement medium in the conduit or in the measuring tube;
  • FIG. 2 is a graph of thermal flow - measured values due to the control processes shown in FIG. 1,
  • FIG. 3 is a schematic representation of a thermal flow measuring device for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 4 is a graph showing different rates of change for achieving the target temperature difference
  • FIG. 5 shows a graphic representation of the measured values supplied by a thermal flow meter during the control processes shown in FIG. 4.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a thermal flow meter 1, which is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the flow meter 1 is fastened via a screw thread 9 in a socket 4 which is located on the pipe 2.
  • the pipe 2 is the flowing measuring medium 3.
  • the temperature measuring device 6 is located in the measuring medium 3 facing the region of the housing 5.
  • the control of the two temperature sensors 11, 12 and / or the evaluation of the temperature sensors 11, 12 supplied measurement signals via the control / evaluation unit 10, the in the case shown in the converter 7 is arranged.
  • the connection 8 the communication with a remote, not separately shown in FIG. 3 control point.
  • At least one of the two temperature sensors 11, 12 may be an electrically heatable resistance element, a so-called RTD sensors.
  • a conventional temperature sensor e.g. a PtIOO or PtIOOO or a thermocouple to which a thermally coupled heating unit 13 is assigned.
  • the heating unit 13 is arranged in the housing 5 in FIG. 3 and thermally coupled to the heatable temperature sensor 11, 12, but largely decoupled from the measuring medium 3.
  • the coupling or decoupling is preferably carried out via the filling of the corresponding intermediate spaces with a thermally highly conductive or a thermally poorly conductive material. Preferably, this is a potting material used.
  • the flow meter 1 With the flow meter 1, it is possible to measure the flow continuously; Alternatively, it is possible to use the flow meter 1 as a flow switch, which always indicates the change of a switching state, if at least a predetermined limit is exceeded or exceeded.
  • both temperature sensors 11, 12 are designed to be heatable, wherein the desired function of the first temperature sensor 11 or of the second temperature sensor 12 is determined by the control / evaluation unit 10.
  • the control / evaluation unit 10 it is possible for the control / evaluation unit 10 to control the two temperature sensors 11, 12 alternately as active or passive temperature sensors 11, 12 and to determine the flow measured value via an averaging of the measured values delivered by the two temperature sensors 11, 12.
  • a heatable temperature sensor can be described by means of a simplified model of the following dimensions:
  • T the time constant of the temperature sensor.
  • the time constant t is a measure of the inertia of the system 'temperature sensor -
  • time constant t can be described by the following formula: [0046] in -c "
  • H the external heat transfer coefficient [W / (m 2 -K)].
  • the flow meter 1 responds to any sudden change in the physical conditions also with a sudden change, as already explained in connection with the description of FIG. 1. This means that the amount of heat supplied to the temperature sensor 12 is more ideal Way as a jump function (Fig. 5). In reality, such a reaction can only be approximately achieved since the control / evaluation unit 10 does not know the final conditions of the steady state exactly enough in advance.
  • Heating power - would the temperature ⁇ react as follows - here it is assumed that the system is at a previous time t ⁇ 0 in a steady state.
  • equation (3) can be described by the temperature rise mathematically detected in the equation (7). Consequently, the temperature profile shown in equation (7) is to be regarded as the desired temperature profile.
  • This desired temperature profile is characterized by the initial rate of change: The rate of change is linked to the rate of change to reach the desired temperature difference. This rate of change for reaching the target temperature difference is hereinafter referred to as optimal rate of change.
  • FIG. 5 shows graphic representations of the measured values supplied by a thermal flowmeter 1 during the control processes shown in FIG. 4. If the method according to the invention is used, the flowmeter 1 delivers a current correct measured value (solid line) within the shortest possible time. On the other hand, if the rate of change is too small (dotted line) or too large (dashed line), it will take a long time for the system to be in equilibrium and the flowmeter 1 will again provide correct readings. Since the behavior of the system is approximated to the ideal state, by using the method according to the invention, the measuring accuracy of a flow measuring device 1 during transient processes can be determined significantly improve. The control algorithm according to the invention is therefore based on the fact that the current
  • Rate of change of the temperature is closely linked with the optimal rate of change, which is adapted to the respective process conditions
  • the heating power supplied to the temperature sensor 12 is linked to the difference between the current rate of change and the rate of change predetermined for the desired state.
  • the measuring accuracy of a flow device can be considerably improved during transient processes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines thermischen bzw. kalorimetrischen Durchflussmessgeräts (1), das den Durchfluss eines durch eine Rohrleitung (2) oder durch ein Messrohr (2) strömenden Messmediums (3) in einem Prozess mittels zweier Temperatursensoren (11, 12) bestimmt und/oder überwacht, wobei die aktuelle Temperatur (Ti) des Messmediums (3) zu einem Zeitpunkt (ti) über einen ersten Temperatursensor (12) bestimmt wird, wobei einem zweiten Temperatursensor (11) eine definierte Heizleistung zugeführt wird, die so bemessen ist, dass eine vorgegebene Temperaturdifferenz (Θtarget) zwischen den beiden Temperatursensoren (11, 12) auftritt, und wobei im Falle einer Abweichung (Θtarget - Θi) der im Ist-Zustand gemessenen aktuellen Temperaturdifferenz Θi von der für den Sollzustand vorgegebenen Temperaturdifferenz (Θtarget) zu einem nachfolgenden Zeitpunkt (ti+1) die dem beheizbaren Temperatursensor zugeführte Heizleistung (Qi+1) bestimmt wird, wobei die Heizleistung (Qi+1) unter Berücksichtigung der physikalischen Gegebenheiten im Prozess, die sich in einer Zeitkonstanten (τ) widerspiegeln, bestimmt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Regelung eines thermischen bzw. kalorimetrischen
Durchflussmessgeräts
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines thermischen bzw. kalorimetrischen Durchflussmessgeräts, das den Durchfluss eines durch eine Rohrleitung oder durch ein Messrohr strömenden Messmediums in einem Prozess mittels zweier Temperatursensoren bestimmt und/oder überwacht, wobei die aktuelle Temperatur des Messmediums zu einem Zeitpunkt über einen ersten Temperatursensor bestimmt wird und wobei einem zweiten Temperatursensor eine definierte Heizleistung zugeführt wird, die so bemessen ist, dass eine vorgegebene Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren auftritt.
[0002] Üblicherweise wird zur Regelung des beheizbaren Temperatursensors ein PID- Regler eingesetzt. Für das Regelverfahren werden üblicherweise Regelparameter genommen, die vorab unter definierten physikalischen Gegebenheiten in einem Prozess bestimmt worden sind. Als wesentliche Größe bei den physikalischen Gegebenheiten im Prozess ist die Durchfluss-rate des Messmediums durch das Durchfluss- messgerät zu nennen. Die physikalischen Gegebenheiten im Prozess spiegeln sich weitgehend in dem Wärmeübertragungskoeffizienten wider, der die Wärmeübertragung vom Temperatursensor an das Messmedium kennzeichnet.
[0003] In den Figuren Fig. 1 und Fig. 2 ist die Nachregelung eines typischen herkömmlichen thermischen Durchflussmessgeräts im Falle einer Änderung der Soll- Temperatur skizziert. Eine Änderung der Soll-Temperatur entspricht einem Temperatursprung, der einen Regelprozess auslöst. Idealer Weise entspricht die Reaktion des Durchflussmessgeräts der durchgezogenen Linie. Hierbei ist h der Wärmeübertra- gungskoeffizient bei definierten Gegeben-heiten im Prozess, also z.B. bei einer vorgegebenen Durchflussrate des Messmediums durch die Rohrleitung. Die Nachregelung des Durchflussmess-geräts reagiert relativ schnell auf den Temperatursprung (Fig. 1). Das Durchflussmessgerät liefert nahezu umgehend Messwerte, die die Durchfluss-rate des Messmediums durch die Rohrleitung zuverlässig repräsentieren (Fig. 2). [0004] Strömt das Messmedium jedoch mit einer Geschwindigkeit durch die Rohrleitung, die einen viermal so grossen Wärmeübergangskoeffizienten bewirkt wie im zuvor genannten Fall, so zeigt die Sprungantwort ein weniger ideales Verhalten. Dieser Fall ist in den Figuren Fig. 1 und Fig. 2 anhand der punktierten Linien dargestellt. Es dauert relativ lange, bis die Soll-Temperatur des Systems 'Temperatursensor - Messmedium' erreicht ist; gleiches gilt auch für die parallel zur Verfügung gestellten Durchfluss- messwerte: Über eine relativ lange Zeitspanne hinweg liefert das Durchflussmessgerät zu niedrig liegende Messwerte. Man spricht allgemein davon, dass sich die aktuelle Größe der entsprechenden Sollgröße kriechend annähert.
[0005] Der gegenteilige Fall ist anhand der strichlierten Kurven in den beiden Figuren dargestellt. Hier beträgt der Wärmeübergangskoeffizient nur ein Viertel (h /4) des
Wertes des mit h charakterisierten Falles, für den die Regelung optimiert ist. Die
Reaktion auf den Temperatursprung zeigt sich in einer Überreaktion des Systems: Da dem Temperatursensor die gleiche Heizleistung wie im Falle der viermal größeren Durchflussrate zugeführt wird, kommt es bei der Regelung zu einem Überschwingen. Auch hier dauert es relativ lange, bis sich der gewünschte konstante Soll- Temperaturwert einstellt. Die Reaktion der Regeleinheit spiegelt sich auch in variierenden Messwerten wieder, die das Durchflussmessgerät während des Regelprozesses ausgibt. Anhand der Darstellungen in den Figuren Fig. 1 und Fig. 2 wird somit verdeutlicht, dass ein thermisches Durchflussmessgerät, welches über einen Re- gelprozess betrieben ist, der nicht die in dem Prozess herrschenden aktuellen physikalischen Gegebenheiten berücksichtigt, u.U. eine relativ hohe Messun-genauigkeit aufweist.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur schnellen und stabilen Regelung eines thermischen Durchflussmessgeräts unter unter-schiedlichsten Prozessbedingungen vorzuschlagen.
[0007] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Falle einer Abweichung der im Ist-
Zustand gemessenen aktuellen Temperaturdifferenz von der für den Sollzustand vorgegebenen Temperaturdifferenz zu einem nachfolgenden Zeitpunkt die dem beheizbaren Temperatursensor zugeführte Heizleistung bestimmt wird, wobei die Heizleistung unter Berücksichtigung der physikalischen Gegebenheiten im Prozess, die sich in einer Zeitkonstanten widerspiegeln, bestimmt wird.
[0008] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zeitkonstante, die die physikalischen Gegebenheiten im Prozess widerspiegelt, über folgende Abschätzung ermittelt:
[0009]
Figure imgf000003_0001
[sec]
[0010] wobei [0011] θ : die vorgegebene Temperaturdifferenz zwischen beheiztem und target
[0012] unbeheiztem Temperatursensor [ °C ] und
[0013] Q i : die dem beheizten Sensor zum Zeitpunkt t i zugeführte Heizleistung [W] kennzeichnet. [0014] Alternativ wird die Zeitkonstante, die die physikalischen Gegebenheiten im Prozess widerspiegelt, über die folgende Abschätzung ermittelt: [0015] θ, τ x — -
Q1
[sec]
. Hierbei ist
[0016] θ : die aktuelle Temperaturdifferenz zwischen beheiztem und unbeheiztem [0017] Temperatursensor [ °C ] und [0018] Q : die dem beheizbaren Sensor zum Zeitpunkt t zugeführte Heizleistung [ W ]. i i
[0019] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Falle, dass die im Ist-Zustand gemessene aktuelle Temperatur-differenz von der für den Sollzustand vorgegebenen Temperaturdifferenz abweicht, die Änderungsgeschwindigkeit für die Zufuhr der Heizleistung zur Kompensation der Abweichung so bestimmt, dass das System möglichst schnell den Sollzustand erreicht.
[0020] Bevorzugt wird die Änderungsgeschwindigkeit zum Erreichen des Sollzustands über die folgende Abschätzung errechnet:
[0021] dθλ _ θtΛ^, -θι dt
[0022] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Falle, dass die im Ist-Zustand gemessene aktuelle Temperatur-differenz von der für den Sollzustand vorgegebenen Temperaturdifferenz abweicht, die Änderungsgeschwindigkeit für die Zufuhr der Heizleistung nach folgender Formel berechnet:
[0023]
Figure imgf000004_0001
[0024] Hierbei repräsentiert c [ W-s/K ] eine von dem verwendeten Regler abhängige Proportionalitätskonstante und
At
[ s ] die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen. [0025] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt: [0026] Fig. 1 : eine graphische Darstellung der Reaktion einer herkömmlichen Regeleinheit auf einen Temperatursprung bei unterschiedlichen Durchflussraten des Messmediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr, [0027] Fig. 2 : eine graphische Darstellung der von einem thermischen Durchfluss- messgerät gelieferten Messwerte aufgrund der in Fig. 1 gezeigten Regelprozesse,
[0028] Fig. 3: eine schematische Darstellung eines thermischen Durchflussmess-geräts zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
[0029] Fig. 4: eine graphische Darstellung unterschiedlicher Änderungsgeschwindig-keiten zum Erreichen der Soll-Temperaturdifferenz und
[0030] Fig. 5: eine graphische Darstellung der von einem thermischen Durchfluss- messgerät gelieferten Messwerte während der in Fig. 4 gezeigten Regel-prozesse.
[0031] Die Figuren Fig. 1 und Fig. 2 sind bereits in der Beschreibungseinleitung abgehandelt.
[0032] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines thermischen Durchfluss-messgeräts 1, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Das Durch- flussmessgerät 1 ist über ein Schraubgewinde 9 in einem Stutzen 4, der sich an der Rohrleitung 2 befindet, befestigt. In der Rohrleitung 2 befindet sich das strömende Messmedium 3. Alternativ ist es möglich, das Durchflussmessgerät 1 mit integriertem Messrohr als Inline-Messgerät auszubilden.
[0033] Die Temperaturmesseinrichtung 6 befindet sich in dem Messmedium 3 zugewandten Bereich des Gehäuses 5. Die Ansteuerung der beiden Temperatursensoren 11, 12 und/oder die Auswertung der von den Temperatursensoren 11, 12 gelieferten Messsignale erfolgt über die Regel-/Auswerteeinheit 10, die im gezeigten Fall im Umformer 7 angeordnet ist. Über die Verbindung 8 erfolgt die Kommunikation mit einer entfernten, in der Fig. 3 nicht gesondert dargestellten Kontrollstelle.
[0034] Bei zumindest einem der beiden Temperatursensoren 11, 12 kann es sich um ein elektrisch beheizbares Widerstandselement, um einen sog. RTD-Sensoren, handeln. Selbstverständlich kann in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung auch ein üblicher Temperatursensor, z.B. ein PtIOO oder PtIOOO oder ein Thermoelement eingesetzt werden, dem eine thermisch angekoppelte Heizeinheit 13 zugeordnet ist. Die Heizeinheit 13 ist in der Fig. 3 im Gehäuse 5 angeordnet und thermisch an den beheizbaren Temperatursensor 11, 12 gekoppelt, aber von dem Messmedium 3 weitgehend entkoppelt. Die Ankopplung bzw. die Entkopplung erfolgt bevorzugt über die Auffüllung der entsprechenden Zwischenräume mit einem thermisch gut leitenden bzw. einem thermisch schlecht leitenden Material. Bevorzugt kommt hierzu ein Vergussmaterial zum Einsatz.
[0035] Mit dem Durchflussmessgerät 1 ist es möglich, den Durchfluss kontinuierlich zu messen; alternativ ist es möglich, das Durchflussmessgerät 1 als Durchflussschalter zu verwenden, der immer dann die Änderung eines Schaltzustandes anzeigt, wenn zumindest ein vorgegebener Grenzwert unter- oder überschritten wird.
[0036] Alternativ ist es auch möglich, dass beide Temperatursensoren 11, 12 beheizbar ausgestaltet sind, wobei die gewünschte Funktion des ersten Temperatursensors 11 oder des zweiten Temperatursensors 12 von der Regel/Auswerteeinheit 10 bestimmt ist. Beispielsweise ist es möglich, dass die Regel-/Auswerteeinheit 10 die beiden Temperatursensoren 11, 12 alternierend als aktiven oder passiven Temperatursensor 11, 12 ansteuert und den Durchflussmesswert über eine Mittelung der von beiden Temperatur-sensoren 11, 12 gelieferten Mess werte bestimmt.
[0037] Ein beheizbarer Temperatursensor lässt sich mittels eines vereinfachten Modells folgender Maßen beschreiben:
[0038]
*- + -■* = . ° dt T in - cp
(1)
[0039] Hierbei kennzeichnet:
[0040] Q: die dem Temperatursensor zugeführte Wärmemenge [ W ] [0041] θ: die Temperaturdifferenz des Temperatursensors zur Temperatur des [0042] Messmediums [ K ] [0043] f. die Zeit [ s ]
[0044] t: die Zeitkonstante des Temperatursensors. [0045] Die Zeitkonstante t ist ein Maß für die Trägheit des Systems 'Temperatur-sensor -
Messmedium' im Hinblick auf Änderungen im Prozess. Die Zeitkonstante t lässt sich über die folgende Formel beschreiben: [0046] in - c„
H - A (2)
[0047] Hierbei kennzeichnet:
[0048] m: die Masse des Temperatursensors [ kg ]
[0049] c : Spezifische Wärme des beheizten Temperatursensors [ J/(kg-K) ]
[0050] A: die Oberfläche des Sensors [ m2 ]
[0051] h: der äußere Wärmeübertragungskoeffizient [ W/(m2-K) ].
[0052] Die drei zuerst genannten Größen sind zwar konstant, ihre exakten Werte sind jedoch üblicherweise nicht bekannt. Der Wärmeübertragungskoeffizient h ist darüber hinaus abhängig von den herrschenden physikalischen Gegebenheiten im Prozess bzw. im System. Eine exakte Berechung der Zeitkonstante t ist somit nicht möglich.
[0053] Idealer Weise reagiert das Durchflussmessgerät 1 auf jede sprunghafte Änderung in den physikalischen Gegebenheiten gleichfalls mit einer sprunghaften Änderung, wie bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 1 dargelegt wurde. Dies bedeutet, dass sich die dem Temperatursensor 12 zugeführte Wärmemenge idealer Weise als Sprungfunktion darstellen lässt (Fig. 5). In der Realität ist eine derartige Reaktion lediglich näherungsweise zu erreichen, da die Regel-/Auswerteeinheit 10 die Endbedingungen des stationären Zustandes nicht im Voraus exakt genug kennt.
[0054] Unter idealen Verhältnissen - einer sofortigen sprunghaften Antwort der
Heizleistung - würde die Temperatur θ wie folgt reagieren - hierbei wird davon ausgegangen, dass sich das System zu einem früher liegenden Zeitpunkt t < 0 in einem stationären Zustand befindet.
[0055] Hier gilt:
[0056]
Qk)= Qn für t < 0 und [0057]
h - A
Figure imgf000007_0001
(5) [0058] für t < 0
(3) [0059] Eine sprunghafte Änderung in den physikalischen Gegebenheiten lässt sich wie folgt darstellen: [0060] θ(ή = O„ +Q für t > 0
(4) [0061] Die Sprungantwort des Temperatursensors 12 auf diesen 'Wärmesprung' lässt sich dann wie folgt beschreiben: [0062]
(5) [0063] Falls der Sprung in der Heizleistung der Heizeinheit 13 die physikalischen Gege- benheiten korrekt widerspiegelt, so nähert sich die Temperatur asymptotisch der Soll- Temperatur θ . Dies lässt sich mathematisch durch die folgende Formel target wiedergeben: [0064]
Q = h - A - (θr^er - θo)
(6)
[0065] Eingesetzt in die Formel (5) ergibt sich dann die folgende Gleichung: [0066]
Figure imgf000008_0001
(7)
[0067] Hieraus ergibt sich, dass die Gleichung (3) durch den Temperaturanstieg, der in Gleichung (7) mathematisch erfasst ist, beschrieben werden kann. Folglich ist der in Gleichung (7) dargestellte Temperaturverlauf als Soll-Temperatur- verlauf zu werten. Dieser Soll-Temperaturverlauf ist durch die anfängliche Änderungsgeschwindigkeit gekennzeichnet: Die Änderungsgeschwindigkeit ist verknüpft mit der Änderungsgeschwindigkeit zum Erreichen der Soll-Temperaturdifferenz. Diese Änderungsgeschwindigkeit zum Erreichen der Soll-Temperaturdifferenz wird nachfolgend als optimale Änderungs-geschwindigkeit bezeichnet.
[0068]
OθΛ θrΛ,w, - θo
(8)
[0069] Zeichnerisch dargestellt ist das Zuvorgesagte in der Fig. 4 für den aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens erreichbaren Fall (durchgezogene Linie), für den Fall, dass die Änderungsgeschwindigkeit zu klein bemessen ist (punktierte Linie), und für den Fall, dass die Änderungsgeschwindigkeit zu groß ist (strichlierte Linie).
[0070] In Fig. 5 sind graphische Darstellungen der von einem thermischen Durch- flussmessgerät 1 gelieferten Messwerte während der in Fig. 4 gezeigten Regelprozesse zu sehen. Wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet, so liefert das Durch- flussmessgerät 1 innerhalb kürzester Zeit einen aktuellen korrekten Messwert (durchgezogene Linie). Ist die Änderungsgeschwindigkeit hingegen zu klein gewählt (punktierte Linie) oder zu groß gewählt (strichlierte Linie), so dauert es sehr lange, bis das System im Gleichgewicht ist und das Durchflussmessgerät 1 wieder korrekte Messwerte zur Verfügung stellt. Da das Verhalten des Systems dem Idealzustand angenähert ist, lässt sich durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Messgenauigkeit eines Durchflussmessgeräts 1 während transienter Vorgänge erheblich verbessern. [0071] Der erfindungsgemäße Regelalgorithmus basiert folglich darauf, dass die aktuelle
Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur eng verknüpft wird mit der optimalen, auf die jeweiligen Prozessbedingungen abgestimmten Änderungsgeschwindigkeit zum
Erreichen der Soll-Temperatur. [0072] Eine Möglichkeit der Realisierung besteht somit darin, die für den Fall, dass die im
Ist-Zustand gemessene aktuelle Temperaturdifferenz
Θ, von der für den Sollzustand vorgegebenen Temperaturdifferenz
abweicht, die Änderungsgeschwindigkeit für die Zufuhr der Heizleistung
Q1+1 nach folgender Formel berechnet wird: [0073]
Figure imgf000009_0001
(9)
[0074] Hierbei kennzeichnet [0075] i: einen Zeitpunkt i [0076] i+1: einen nachfolgenden Zeitpunkt i+1 [0077]
At
: die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten i und i+1
[0078] c : einen konstanter Regelparameter [ W/K ].
[0079] Hier ist also die dem Temperatursensor 12 zugeführte Heizleistung verknüpft mit der Differenz der aktuellen Änderungsgeschwindigkeit und der für den Sollzustand vorgegebenen Änderungsgeschwindigkeit.
[0080] Es versteht sich von selbst, dass die nach Gleichung (9) für den Zeitpunkt i+1 berechenbare Heizleistung
Q1+1 nur eine Möglichkeit darstellt, eine ideale Änderungsgeschwindigkeit zwecks Temperaturanpassung an den Soll-Temperaturwert zu erreichen. Allerdings ist jede wählbare Ausführungsform mit dem Problem konfrontiert, dass die Zeitkonstante t nicht konstant ist, sondern in hohem Maße abhängig ist von der Durchflussrate des Messmediums 3 durch die Rohrleitung 2. Diese spiegelt sich in dem Wärmeübertragungskoeffizienten h aus Gleichung (2) wider. Folglich ist die Zeitkonstante t nicht exakt bestimmbar. Nachfolgend wird eine Möglichkeit beschrieben, wie ein relativ genauer Wert für die Zeitkonstante t berechenbar ist. [0081] Wie bereits gesagt, lässt sich die Zeitkonstante
T über die Gleichung (2) exakt beschreiben. Ist der stationäre Zustand erreicht, so gilt folgende Beziehung: [0082]
H-A = S-
(10) [0083] Während des Übergangszustandes gilt diese Beziehung allerdings nicht. Vielmehr gilt während des Übergangs: [0084]
Figure imgf000010_0001
(H) [0085] Durch Einsetzen von Gleichung (2) in Gleichung (11) ergibt sich die folgende
Beziehung: [0086]
τ * ιn - cn —
Q
(12) [0087] Hierbei sind m und c Materialkonstanten, die unabhängig sind von den im Prozess
P herrschenden physikalischen Gegebenheiten. Allerdings sind die Werte dieser Größen üblicherweise nicht exakt bekannt. Um dennoch zu einer Abschätzung für den Wert der Zeitkonstanten τ zu gelangen, wird - wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben - beispielsweise die folgende Abschätzung für die Zeitkonstante τ verwendet: [0088] τ cc
Q1 (13).
[0089] Mit Hilfe dieser Abschätzung lässt sich durch Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Messgenauigkeit eines Durchflussgeräts während transienter Vorgänge erheblich verbessern.
[0090]
[0091] Bezugszeichenliste 1. erfindungsgemäße Vorrichtung
2. Rohrleitung / Messrohr
3. Messmedium
4. Stutzen
5. Gehäuse
6. Temperaturmesseinrichtung
7. Umformer
8. Verbindungsleitung
9. Gewinde
10. Regel-/Auswerteeinheit
11. Erster Temperatursensor
12. Zweiter Temperatursensor
13. Heizeinheit

Claims

Ansprüche
[0001] 1. Verfahren zur Regelung eines thermischen bzw. kalorimetrischen Durch- flussmessgeräts, das den Durchfluss eines durch eine Rohrleitung
(2) oder durch ein Messrohr strömenden Messmediums (3) in einem Prozess mittels zweier Temperatursensoren (11, 12) bestimmt und/oder überwacht, wobei die aktuelle Temperatur (T) des Messmediums (3) zu einem Zeitpunkt (t) über einen ersten Temperatursensor (12) bestimmt wird, wobei einem zweiten Temperatursensor (11) eine definierte Heizleistung (Q) zugeführt wird, die so bemessen ist, dass eine vorgegebene Temperatur-differenz (Θ ) zwischen den beiden Tempera- target tursensoren (11, 12) auftritt, und wobei im Falle einer Abweichung (Θ - Θ ) target i der im Ist-Zustand gemessenen aktuellen Temperaturdifferenz (Θ) von der für den Sollzustand vorgegebenen Temperaturdifferenz (Θ ) zu einem nach- target folgenden Zeitpunkt (t ) die dem beheizbaren Temperatursensor (11) zugeführte Heizleistung (Q ) bestimmt wird, wobei die Heizleistung (Q ) unter Berück- l+l l+l sichtigung der physikalischen Gegebenheiten im Prozess, die sich in einer Zeitkonstanten (τ) widerspiegeln, bestimmt wird.
[0002] 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die von den physikalischen Gegebenheiten im Prozess abhängige Zeitkonstante (τ) durch die folgende Abschätzung ermittelt wird: τ GC -
Q1
[sec] mit q : die vorgegebene Temperaturdifferenz zwischen beheiztem und un- target beheiztem Temperatursensor [ 0C ] O : die dem beheizten Sensor zum Zeitpunkt t zugeführte Heizleistung [W]
[0003] 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die von den physikalischen Gegebenheiten im Prozess abhängige Zeitkonstante (τ) durch die folgende Abschätzung ermittelt wird:
Q1
[sec] mit q : die aktuelle Temperaturdifferenz zwischen beheiztem und unbeheiztem
Temperatursensor [ 0C ] Q : die dem beheizbaren Temperatursensor (11) Sensor zum Zeitpunkt t zugeführte Heizleistung [W ]
[0004] 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei im Falle, dass die im Ist-Zustand gemessene aktuelle Temperatur-Differenz (Q) von der für den Sollzustand vorgegebenen Temperaturdifferenz (Θ ) abweicht, die Änderungsgeschwindigkeit target für die Zufuhr der Heizleistung (Q ) zur Kompensation der Abweichung (Θ i+l target
Θ i) so bestimmt wird, dass das System 'Temperatursensor (11) - Messmedium
(3)' möglichst schnell den Sollzustand (Θ ) erreicht. target
[0005] 5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Änderungsgeschwindigkeit zum
Erreichen des Sollzustands (Θ ) über die folgende Abschätzung errechnet target wird:
dt
[0006] 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei im Falle, dass die im Ist-Zustand gemessene aktuelle Temperatur-Differenz (Q) von der für den Sollzustand vorgegebenen Temperaturdifferenz (Θ ) abweicht, die Änderungsgeschwindigkeit für die Zufuhr der Heizleistung (Q ) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Änderungsgeschwindigkeit der aktuellen Temperaturdifferenz und der optimalen Änderungsgeschwindigkeit
Figure imgf000013_0001
bestimmt wird.
[0007] 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Änderungsgeschwindigkeit für die Zufuhr der Heizleistung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der aktuellen Änderungsgeschwindigkeit der Temperaturdifferenz und der optimalen Änderungsgeschwindigkeit nach folgender Formel berechnet wird:
Figure imgf000013_0002
wobei c [ W-s/K ] eine von der Regeleinheit (10) abhängige Proportionalitätskonstante und Δt [ s ] die Zeitdauer zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen ist.
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