WO2016062443A1

WO2016062443A1 - Thermisches durchflussmessgerät

Info

Publication number: WO2016062443A1
Application number: PCT/EP2015/070022
Authority: WO
Inventors: Krishna Malladi; Martin Arnold; Michel Wagner
Original assignee: Endress+Hauser Flowtec Ag
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2016-04-28
Also published as: DE102014115305A1; US20170307428A1

Abstract

Thermisches Durchflussmessgerat zur Ermittlung eines Massendurchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums (M) in einem Rohr (7), wobei das thermische Durchflussmessgerat zumindest einen Messaufnehmer (1, 16) mit zumindest einem ersten und einem zweiten Sensorelement (2 und 12; 17 und 18), aufweist; wobei das erste Sensorelement (12, 17) eine stiftformige Metallhülse (4, 19) aufweist, die einen in Gravitationsrichtung (g) niedrigsten Punkt (1 1, 20) an einer Wandung der Metallhülse (4, 19) aufweist, wobei in der Metallhülse (4, 19) zumindest eine Heizeinrichtung (3, 21), insbesondere ein beheizbaren Temperatursensor, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (3, 21) in der Metallhülse (4, 14) und in Gravitationsrichtung (g) oberhalb des vorgenannten Punktes (11, 20) angeordnet ist, derart dass der maximale Wärmeeintrag pro Fläche durch die Heizeinrichtung (3, 21) in das Medium (M) in Gravitationsrichtung (g) oberhalb dieses Punktes (11, 20) erfolgt.

Description

Thermisches Durchflussmessgerat

Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisches Durchflussmessgerat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind thermische Durchflussmessgeräte bekannt welche als Stab ausgebildet sind. Dieser Stab wird in eine bestehende Rohrleitung geschoben oder in ein Messrohr integriert. Endständig am Stab sind zwei metallische stiftförmige Hülsen, sogenannte Prongs, angebracht. In einem der beiden Hülsen ist ein Heizer angeordnet und in der anderen der beiden Hülsen ein Temperatursensor zur Ermittlung der Mediumstemperatur. Das Prinzip, nach welchem ein thermischer Durchflussmesser arbeitet, ist seit vielen Jahren bekannt.

Die Nutzung eines thermischen Durchflussmessers kann jedoch je nach Art und Zusammensetzung des Messmediums Probleme mit sich bringen. So können sich bei der Messung von Gasen und Dämpfen Flüssigkeitströpfchen auf der Oberfläche der Hülse, genauer gesagt, an der Spitze der Hülse abscheiden. Üblicherweise erfolgt an dieser Stelle auch der hauptsächliche Wärmeeintrag ins Medium durch den Heizer. Während ein feiner und zumeist gleichmäßig-verteilter Fluidfilm keine Auswirkung auf die Messung hat, wird der Wärmeübergang durch die Bildung von Tröpfchen behindert und es kommt zu einer Störung des Messsignals.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein thermisches Durchflussmessgerät und ein Verfahren zur Ermittlung des Massendurchflusses bereitzustellen, welches auch bei

Tröpfchenbildung eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein thermisches Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Ermittlung des Massedurchflusses mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Ein erfindungsgemäßes thermisches Durchflussmessgerät zur Ermittlung eines Massendurchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums in einem Rohr umfasst zumindest einen

Messaufnehmer mit zumindest einem ersten und einem zweiten Sensorelement; wobei das erste Sensorelement eine stiftförmige Metallhülse aufweist, die einen in Gravitationsrichtung g niedrigsten Punkt an einer Wandung der Metallhülse aufweist, wobei in der Metallhülse zumindest eine Heizeinrichtung, vorzugsweise ein beheizbaren Temperatursensor, insbesondere ein beheizbares Widerstandsthermometer, angeordnet ist.

Die besagte Heizeinrichtung ist dabei in der Metallhülse und in Gravitationsrichtung oberhalb des vorgenannten Punktes angeordnet ist, derart dass der maximale Wärmeeintrag pro Fläche durch die Heizeinrichtung in das Medium in Gravitationsrichtung oberhalb dieses Punktes erfolgt.

Aufgrund dieser Anordnung der Heizeinrichtung wird ein Abfließen von gebildeten Tröpfchen erreicht und damit eine im Wesentlichen tröpfchenstörungsfreie Messung erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Durchflussgerätes sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das Heizelement kann vorzugsweise um mehr als das Zweifache des Durchmessers der

Metallhülse, besonders bevorzugt um das 4 bis lOfache des Durchmessers der Metallhülse von dem besagten niedrigsten Punkt beabstandet sein.

Die Metallhülse kann z.B. eine Biegung aufweist, wobei der besagte niedrigste Punkt in der Biegung angeordnet ist.

Alternativ kann die Metallhülse gerade ausgebildet sein und der niedrigste Punkt endständig an der Metallhülse angeordnet sein.

Das zweite Sensorelement kann zudem eine Metallhülse aufweisen in welcher ein

Temperatursensor angeordnet ist, wobei dieser Temperatursensor im Wesentlichen auf der gleichen Höhe des Messaufnehmers angeordnet ist wie die Heizeinrichtung des ersten Sensorelements. Dadurch kann das Strömungsprofil auf einer gleichen Höhe bzw. Einstecktiefe im Rohr

aufgenommen werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Messaufnehmer ein drittes Sensorelement aufweisen, wobei das dritte Sensorelement eine stiftförmige Metallhülse aufweist, die einen in Gravitationsrichtung g niedrigsten Punkt an einer Wandung der Metallhülse aufweist, wobei in der Metallhülse zumindest eine Heizeinrichtung, vorzugsweise ein beheizbarer

Temperatursensor, angeordnet ist,

wobei die Heizeinrichtung in der Metallhülse und in Gravitationsrichtung im Bereich des

vorgenannten Punktes angeordnet ist, derart dass der maximale Wärmeeintrag pro Fläche der Heizeinrichtung in das Medium in Gravitationsrichtung an diesem Punkt erfolgt. Vereinfacht ausgedrückt werden bei auftretender Tendenz des Messmediums zur Tröpfchenbildung diese Tröpfchen entlang des Prongs bzw. der metallischen Hülse gebildet und an der Spitze gesammelt. Da in diesem Bereich auch das Heizelement bzw. die Heizeinrichtung des

Sensorelements angeordnet ist, wird ein Messfehler auftreten, welcher charakteristisch ist für eine Tröpfchenbildung. Dadurch kann man mittels dieses dritten Sensorelements das Auftreten einer Tröpfchenbildung anzeigen (z.B. als visueller oder akustischer Alarm). Zudem ermöglicht die Einbeziehung der Messsignale des ersten und des dritten Sensorelements eine Quantifizierung dahingehend, wie regelmäßig Tröpfchen gebildet werden und in welcher Größe. Das thermische Durchflussmessgerät kann vorteilhaft eine Regel- und/oder Auswerteeinheit aufweisen, welche eingerichtet ist a) zum Empfangen von Messignalen der Heizeinrichtungen des ersten und des dritten Sensorelements und und/oder davon abgewandelten Werten; und b) zur Überwachung ob eine Tröpfchenbildung auf dem ersten Sensorelement erfolgt ist.

Selbstverständlich kann die Regel-und/oder Auswerteeinheit Grundrechenoperationen und auch komplexere mathematische Rechenoperationen durchführen. Bereits durch Beobachtung des Signalverlaufs des dritten Sensorelements kann bei Tröpfchenbildung einen Ausschlag bzw. Peak aufweisen, der sich bei der Tröpfchenbildung und beim Abtropfen des Tröpfchens ausbildet. Dies ist ein Hinweis auf eine Tröpfchenbildung. Ein Überwachen umfasst dabei vorrangig eine Ausgabe, dass eine Tröpfchenbildung auftritt. Dies kann durch einen Ist- /Sollwertvergleich erfolgen. Wenn also das Messsignal einen unerwarteten Ausschlag aufweist der außerhalb einer festgegeigten Sollwertgrenze liegt und dieser Ausschlag innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls wieder unterhalb dieser Sollwertgrenze sinkt, so kann die Information an den Nutzer ausgegeben werden, dass eine Tröpfchenbildung erfolgt. Unter Zuhilfenahme des Messignals des ersten Sensorelements kann sogar eine Quantifizierung der Tröpfchenbildung erfolgen.

Demgegenüber ist vorteilhaft auch eine Quantifizierung der Störung möglich, durch Vergleich der beiden Messkurven und durch Bestimmung der Abweichung des Signals des dritten

Sensorelements vom Signal des ersten Sensorelements.

Ebenso kann eine Driftüberwachung erfolgen, z.B. hervorgerufen durch elektrische Störungen oder einer Belagsbildung. Dabei handelt es sich vorrangig um eine dauerhafte und anwachsende Störung, während Tröpfchen das Messsignal nur bis zum Abtropfen eine Störung hervorrufen. Auch der Drift ist quantifizierbar. Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der Ermittlung eines Massendurchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines gas- und/oder dampfförmigen Mediums in einem Rohr. Dies erfolgt mittels eines thermischen Durchflussmessgerates. Das thermische Durchflussmessgerät weist zumindest einen Messaufnehmer mit zumindest einem ersten Sensorelement auf. Das

Sensorelement ist derart ausgestaltet ist, dass das erste Sensorelement eine Heizeinrichtung, vorzugsweise einen beheizbaren Temperatursensor, aufweist. Dieses Heizelement ist in einer stiftförmigen Hülse angeordnet. Die stiftförmige Hülse ist derart ausgebildet, dass sich eine

Flüssigkeit, die sich im Messbetrieb auf der Hülsenoberfläche abgesetzt hat in einen Bereich abfließen kann. Voraussetzung dafür ist, dass im besagten Messbetrieb eine Tröpfchenbildung an der Oberfläche des Messaufnehmers erfolgt. Das Heizelement steht im thermischen Kontakt mit dem Messmedium. Es ist derart in der Hülse angeordnet, dass der maximale Wärmeeintrag pro Flächeneinheit in das Messmedium durch das Heizelement oberhalb des Bereichs der

Tröpfchenbildung erfolgt.

Weiterhin erfindungsgemäß ist die Verwendung des thermischen Durchflussmessgerätes nach einem der Ansprüche 1-8 zur Detektion einer Tröpfchenbildung während der Duchflussmessung, sowie die Verwendung des thermischen Durchflussmessgerätes nach einem der Ansprüche 1-8 zur Quantifizierung der Tröpfchenbildung bezogen auf die Tröpfchengröße und/oder der

Geschwindigkeit der Tröpfchenbildung.

Nachfolgend werden weitere vorteilhafte Ausgestaltungen näher beschrieben.

Es ist von Vorteil, wenn das thermische Durchflussmessgerät einen Grundkörper, insbesondere einen stabförmigen Grundkörper, aufweist, aus welchem die beiden Sensorelemente hervorstehen. Dieser Grundkörper weist vorzugsweise eine Ablaufgeometrie auf, welche Tröpfchen die sich am Grundkörper bilden seitlich und von den Sensorelementen weg ableitet. Dadurch wird ein Abfließen dieser Tröpfchen entlang der Sensorelemente verhindert.

Besonders bevorzugt kann sich die Ablaufgeometrie als eine Fläche darstellen, welche in einem Winkel ungleich 90° zur Längsachse des Grundkörpers steht und auf weiche im eingebauten Zustand dem Medium exponiert ist

Sofern die Metallhülse hakenförmig ausgebildet ist, so weist sie gegenüber einer Senkrechten zur Rohrachse einen Abknickwinkel von mehr als 90°, insbesondere mehr als 120° aufweist. Die Heizeinrichtung des ersten Heizelements weist vorzugsweise sowohl zur Heizeinrichtung des dritten Sensorelements als auch zum Temperatursensor des zweiten Sensorelements vorzugsweise den gleichen Abstand auf. Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme der beiliegenden Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Messaufnehmers eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgerätes;

Fig. 2 schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Messaufnehmers eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgerätes; Fig. 3 schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Messaufnehmers eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgerätes;

Fig. 4 schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines Messaufnehmers eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgerätes;

Fig. 5 schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines Messaufnehmers eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgerätes;

Fig. 6 schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Messaufnehmers eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgerätes;

Fig. 7 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes in einem Rohrabschnitt; Fig. 8 Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 4;

Fig. 9 schematische Darstellung einer zeitlichen Verlaufskurve des Leistungskoeffizienten; und

Fig. 10 schematische Darstellung des Verhältnisses zwischen dem Wärmetransfertkoeffizienten und dem Leistungskoeffizienten.

Thermische Durchflussmessgeräte werden seit Jahrzehnten im Bereich der Prozessmesstechnik eingesetzt. Das Messprinzip ist dem Fachmann allgemein bekannt. Ein Aufbau eines thermischen Durchflussmessgerätes wird in der EP 2 282 179 B1 vorgestellt. Hierbei weist der Messaufnehmer des Sensors des Durchflussmessgerätes zumindest zwei Stifthülsen, sogenannte Prongs auf, in welchen endständig zumindest ein Temperatursensor und eine Heizeinrichtung angeordnet sind. Für die industrielle Anwendung ist der Messaufnehmer in ein Messrohr eingebaut; die

Widerstandsthermometer können aber auch direkt in der Rohrleitung montiert sein. Einer der beiden Widerstandsthermometer ist ein sogenanntes aktives Sensorelement, der mittels einer Heizeinheit beheizt wird. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung vorgesehen, oder bei dem Widerstandsthermometer selbst handelt es sich um ein Widerstandselement, z. B. um einen RTD-(Resistance Temperature Detector Sensor, der durch Umsetzung einer elektrischen Leistung, z. B. durch eine entsprechende Variation des Messstroms erwärmt wird. Bei dem zweiten

Widerstandsthermometer handelt es sich um ein sog. passives Sensorelement: Es misst die

Temperatur des Mediums. Selbstverständlich kann auch das passive Sensorelement beheizbar ausgestaltet sein, so dass beide Sensorelemente wechselweise als passives oder aktives

Sensorelement betrieben werden können. Die Widerstandsthermometer können einzeln oder beide als beheizbare Widerstandsthermometer ausgestaltet sind und beispielsweise ein Platinelement sein, wie es unter den Bezeichnungen PT10, PT100 und PT1000 auch kommerziell erwerblich ist.

Üblicherweise wird in einem thermischen Durchflussmessgerät ein beheizbares

Widerstandsthermometer so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerstandsthermometer einstellt. Alternativ ist es auch bekannt geworden, über eine Regel- und/oder Auswerteeinheit eine konstante Heizleistung einzuspeisen.

Tritt in dem Messrohr kein Durchfluss auf, so wird eine zeitlich konstante Wärmemenge zur

Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperaturdifferenz benötigt. Ist hingegen das zu messende Medium in Bewegung, ist die Abkühlung des beheizten Widerstands-thermometers wesentlich von dem spezifischen Massedurchfluss (Massefluss pro Fläche) des vorbeiströmenden Mediums abhängig. Da das Medium kälter ist als das beheizte Widerstands-thermometer, wird durch das vorbeiströmende Medium Wärme von dem beheizten Widerstands-thermometer abtransportiert. Um also bei einem strömenden Medium die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden

Widerstandsthermometern aufrecht zu erhalten, ist eine erhöhte Heizleistung für den beheizten Widerstandsthermometer erforderlich. Die erhöhte Heizleistung ist ein Maß für den Massedurchfluss bzw. den Massestrom des Mediums durch die Rohrleitung. Wird hingegen eine konstante Heizleistung eingespeist, so verringert sich infolge des Durchflusses des Mediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerstandsthermometern. Die jeweilige Temperaturdifferenz ist dann ein Maß für den Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr. Es besteht somit ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des Widerstandsthermometers notwendigen Heizenergie und dem Massedurchfluss durch eine

Rohrleitung bzw. durch ein Messrohr. Die Abhängigkeit des Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Massedurchfluss des Mediums durch das Messrohr bzw. durch die Rohrleitung wird in thermischen Durchflussmessgeräten zur Bestimmung des Massedurchflusses genutzt. Geräte, die auf diesem Prinzip beruhen, werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung, 't-switch', 't-trend' oder 't-mass' angeboten und vertrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines endständigen Abschnitts eines Messaufnehmers 1 eines ersten erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgerätes. Ein solcher Messaufnehmer ist üblicherweise mit einem Transmitter verbunden. Entsprechende Messgeräte mit Messaufnehmer und Transmitter u.a. von der Anmelderin seit vielen Jahren erfolgreich verkauft.

Der in Fig. 1 dargestellte Messaufnehmer ein erstes Sensorelement 2 auf, welches eine Hakenform aufweist. Das Sensorelement umfasst zumindest eine Heizeinrichtung 3, welche in einer in

Hakenform-gebogenen Metallhülse 4 angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 3 kann als beheizbarer Temperatursensor, insbesondere als beheizbares Widerstandsthermometer ausgebildet sein und endständig in der Metallhülse 4 angeordnet sein. Die Metallhülse weist endständig eine Stirnfläche 5 auf, welche von einem Messmedium M umströmt wird. Der Wärmeeintrag der Heizeinrichtung 3 in das Messmedium erfolgt vorwiegend entlang dieser Stirnfläche 5.

Der Messaufnehmer 1 weist zudem eine Halterung 6 auf, mit welcher der Messaufnehmer an einem Messrohr 7 oder eine Rohrleitung festgelegt. Diese Halterung ist in Fig. 1 eine Platte, mit welcher das Sensorelement 2 verbunden ist. Eine typische Verbindung ist z.B. eine Schweißverbindung. Die Halterung 6 kann allerdings beliebige Ausgestaltungen und Geometrien aufweisen. Sie muss lediglich eine vergrößerte Oberfläche zum Festlegen und zur Beabstandung von Sensorelementen des Messaufnehmers 1 an einem Rohr aufweisen.

Die stiftförmige Metallhülse des Sensorelements 2 weist ausgehend von einer Halterung 6 zunächst einen ersten Teilbereich 8 aufweist, in welchem die Metallhülse einem linearen bzw. geradlinigen Verlauf aufweist.

An den ersten Teilbereich 8 schließt sich ein zweiter Teilbereich 9 an in welchem die stiftförmige Metallhülse einen haken- oder bogenförmigen Verlauf aufweist.

An diesen zweiten Teilbereich 9 schließt sich ein dritter Teilbereich 10 an. Dieser Teilbereich weist einen linearen Verlauf auf. Der erste und der dritte Teilbereich 8 und 10 schließen in Fig. 1 dabei einen Winkel α weniger als 90°, insbesondere von 20-70° ein.

Das hakenförmige Sensorelement 2 weist endständig, also im dritten Teilbereich 10 die

Heizeinrichtung 3 auf.

Neben dem hakenförmigen Sensorelement 2 ist in Fig. 1 an der Halterung 6 auch ein geradliniges Sensorelement 3 angeordnet. Dieses weist eine Metallhülse 14 auf in welcher endständig ein Temperatursensor 6 angeordnet ist. Dieser kann beheizt oder unbeheizt sein und ermittelt die Temperatur des Mediums.

Das zweite Sensorelement kann in einer alternativen Ausführungsvariante auch lediglich den besagten Temperatursensor umfassen, welcher in der Hülse des ersten Sensorelements angeordnet sein kann. Wichtig ist bei dieser Variante jedoch eine thermische Entkopplung zwischen der Heizeinrichtung und dem Temperatursensor. Die Maßnahmen zur thermischen Isolierung, ist allerdings zumeist kostenaufwendiger als jedem Sensorelement jeweils mit einer Metallhülse zu versehen. Daher ist diese Variante weniger bevorzugt.

Während der Wärmeeintrag durch die Heizeinrichtung 3 in das Messmedium M durch eine

Tröpfchenbildung gestört wird, ist die Tröpfchenbildung am Temperatursensor, welcher die

Mediumstemperatur ermittelt, unbeachtlich. Die Temperatur des Tröpfchens weist im Wesentlichen die Temperatur des Messmediums auf.

Das Medium bzw. Messmedium ist vorzugsweise dampfförmig oder gasförmig. Solche Medien können z.B. flüssige Medien mitreißen, welche sich an der Sensoroberfläche absetzen. Ein weiterer Fall tritt bei Kondensation auf.

Zur Erfassung des Gesamtkonzeptes der vorliegenden Erfindung ist das hakenförmige

Sensorelement derart zu verstehen, dass das Sensorelement, insbesondere die stiftförmige Metallhülse, einen Punkt 1 1 an der Wandung der Metallhülse 4 aufweist, mit einer minimalen potentiellen Energie im Gravitationsfeld. Es ist somit der in Gravitationsrichtung g niedrigste Punkt der Wandung.

Die Heizeinrichtung 3 dieses Sensorelements 2 ist in Gravitationsrichtung oberhalb dieses Punktes angeordnet und mit einem Abstand von zumindest dem Zweifachen des Durchmessers der

Metallhülse 4, vorzugsweise dem 4-10-fachen des Durchmessers der Metallhülse 4 von diesem Punkt 11 beabstandet. Der Messaufnehmer 1 weist zudem ein zweites Sensorelement 12 auf. Dieses zweite Sensorelement 12 umfasst einen Temperatursensor 13 und einer Metallhülse 14 mit einer geradlinigen Längsachse über den gesamten Verlauf der Metallhülse 14. Die Metallhülse 14 weist eine Stirnfläche 15 auf, welche von Messmedium M umspült wird. Endständig innerhalb der Metallhülse 14 ist der Temperatursensor 13 angeordnet. Der Temperatursensor 13 dient der

Ermittlung der Mediumstemperatur. Das Sensorelement 12 ist somit ein passives Sensorelement. Der Temperatursensor muss daher nicht zwingend beheizbar sein. Er kann diese Funktionalität jedoch optional aufweisen. In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von Fig. 1 , indem die Teilbereiche 8 und 10 des Sensorelements 2 lediglich einen Winkel α von 0° einschließen. Die Teilbereiche 8 und 10 liegen somit parallel zueinander. Alle weiteren Elemente des Messaufnehmers und geometrischen Ausgestaltungen sind analog zu Fig. 1 ausgestaltet.

Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Einbauposition des in Fig. 2 dargestellten Messaufnehmers des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes in einem Rohr 7, welches im vorliegenden Fall ein Messrohr ist. Die Halterung 6 ist in Fig. 7 an der Innenwandung des Messrohres festgelegt. Es können aber auch beliebige andere Möglichkeiten der Festlegung im Rohr genutzt werden. Auch die Einbauposition kann beliebig gewählt werden. Einzig ist beim Einbau darauf zu achten, dass das Medium sich an den äußersten Punkten sammelt und nicht an der Metallhülse in Richtung des Halters fließt. Selbstverständlich kann der Messaufnehmer 1 auch mittels einer Wechselarmatur im Rohr 7 positioniert werden. Dies bietet sich insbesondere bei größeren Nennweiten, insbesondere DN größer als DN100 an. Im vorliegenden Fall weißt das Rohr 7 endständig Flansche 30 auf, welche jedoch nicht erfindungsgegenständlich sind.

Neben dem Messaufnehmer 1 weist das Durchflussmessgerät auch eine Regel- und/oder

Auswerteeinheit 32 auf. In Fig. 7 zeigt in schematischer Weise auch die Tröpfchenbildung.

Tröpfchen 31 bilden sich an der Stirnfläche 15 des Sensorelements 12 und im Punkt 1 1 des Sensorelements 2. Dies ermöglicht der Heizeinrichtung 3 einen störungsfreien Wärmeeintrag in das Medium, da der Wärmeübergang nicht durch Tröpfchen behindert wird. In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers 16. Dieser Messaufnehmer 16 weist zumindest ein erstes und ein zweites Sensorelement 17 und 18 auf.

Das erste Sensorelement 17 weist eine gerade Metallhülse 19 mit einer geraden Längsachse auf. Das erste Sensorelement 17 weist einen Punkt 20 an der Wandung der Metallhülse 19 auf, mit einer minimalen potentiellen Energie im Gravitationsfeld. Er ist somit der in Gravitationsrichtung g niedrigste Punkt der Wandung. Das erste Sensorelement 17 weist eine Heizeinrichtung 21 auf, welche in Gravitationsrichtung g oberhalb dieses Punktes 20 angeordnet und mit einem Abstand von vorzugsweise zumindest dem Zweifachen des Durchmessers der Metallhülse 19, vorzugsweise dem 4-10-fachen des

Durchmessers der Metallhülse 19 von diesem Punkt 20 beabstandet ist. Dieser Temperatursensor 21 ist beheizbar.

Im Bereich 22 unterhalb der Heizeinrichtung 21 kann die Metallhülse unterschiedliche von Fig. 3 abweichende Formen aufweisen. Sie kann z.B. spitz zulaufen und/oder gebogen sein um eine bessere Ableitung der Tröpfchen zu erzielen. Wie schon in Fig. 1 und 2 ist auch im Fall des Messaufnehmers 16 der Fig. 3 eine Halterung 25 zur Festlegung der Sensorelemente 17 und 18 an einem Rohr vorgesehen.

Das Sensorelement 18 weist eine Metallhülse 23 mit einem Temperatursensor 24 auf, welcher der Ermittlung der Mediumstemperatur dient. Dieser Temperatursensor muss nicht zwingend beheizbar sein. Die Position des Temperatursensors 24 innerhalb der Metallhülse 19 muss auch nicht endständig sein, sondern kann er an auf einer beliebigen Höhe der Längsachse der Metallhülse 19 angeordnet sein. Dies gilt analog auch für den Temperatursensor des Sensorelements 12 in Fig. 1 und 2. Die Halterung 25 kann ebenfalls eine Ablaufgeometrie 26 aufweisen, um eine„Dusche" der

Sensorelemente zu verhindern und die an der Halterung gebildeten Tröpfchen randseitig abzuleiten. Im konkreten Fall der Fig. 3 ist die Ablaufgeometrie eine schräg zu einer Längsachse des

Messaufnehmers 16 verlaufende Fläche, welche in Kontakt mit dem Messmedium M steht und auf welcher sich daher Tröpfchen abscheiden können.

Das zweite Sensorelement 18 ist analog zum Sensorelement 12 der Fig. 1 & 2 ausgebildet.

Besonders von Vorteil ist es, wenn die Heizeinrichtung 21 und der Temperatursensor 24 der Sensorelemente 17 und 18 im Wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet sind. Im Wesentlichen bedeutet, dass eine Varianz um etwa einen halben Durchmesser der Metallhülse 19 auftreten kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, um mit Heizeinrichtung und Temperatursensor am gleichen Ort des Temperaturprofils des Mediums zu messen. Der Messaufnehmer, wie er in Fig. 1-3 dargestellt ist, ermöglicht aufgrund der speziellen Anordnung der Heizeinrichtung 3 und 21 innerhalb der jeweiligen Metallhülse des jeweiligen Sensorelements eine Messung welche im Wesentlichen ungestört von Tröpfchen erfolgt. In Fig. 4-6 wurden die jeweiligen Messaufnehmer 6 und 25 um ein zusätzliches Sensorelement 42 ergänzt. Alle anderen Bauteile der Fig. 4 und 5 sind baugleich zu Fig. 1 und 2. In Fig. 6 wurde gegenüber der Fig. 3 zudem die Ablaufgeometrie 26 weggelassen.

Bei dem Sensorelement 42 handelt es sich um ein zweites aktives bzw. um ein drittes

Sensorelement, also um ein Sensorelement mit einer Heizeinrichtung 43. Dieser ist endständig in einer Metallhülse 44 angeordnet. Während beim Sensorelement 12 und 18 die Positionierung des Temperatursensors unerheblich ist, sollte die Heizeinrichtung 43 des dritten Sensorelements 43 an dem in Gravitationsrichtung tiefsten Punkt des Sensorelements angeordnet sein. An dieser Stelle wird eine Tropfenbildung erfolgen, sofern das Medium bei den Messbedingungen zur Tropfenbildung neigt.

Durch das dritte Sensorelement ist es dem Messaufnehmer bzw. dem Durchflussaufnehmer nicht nur möglich trotz Tröpfchenbildung störungsfrei zu messen, es ist sogar möglich Tröpfchenbildung zu detektieren. Dies soll nachfolgend näher erläutert werden:

Die Messsignale der Heizeinrichtungen 3 und 43 der aktiven Sensorelemente 2 und 42 werden durch eine Regel- und/oder Auswerteeinheit 32 aufgenommen.

Durch Vergleich der beiden Messungen kann eine Tröpfchenbildung erkannt werden. Dabei ist davon auszugehen, dass bei Tröpfchenbildung die Tröpchen in Richtung des Hakens und sich am Punkt 11 sammeln. Dieses Messignal wird daher störungsfrei übertragen. Demgegenüber sammeln sich im Bereich des Sensorelements 42 in welchem die Heizeinrichtung 43 angeordnet ist,

Tröpfchen an und verfälschen das Messergebnis. Divergieren die beiden Messsignale der

Sensorelemente 2 und 42 so ist eine Tröpfchenbildung erfolgt. Als Heizeinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist nicht nur ein monolithisches Element sondern auch möglich eine Baugruppe aus einem separaten Heizelement und einem separaten Temperatursensor zu verstehen. Beheizbar bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Möglichkeit der Erwärmung vorgesehen ist, sei es durch ein separates Heizelement als Teil der Baugruppe oder aufgrund einer Erwärmung des Widerstandsthermometers selbst. Der beheizbare Temperatursensor kann somit durch die Regel- und/oder Auswerteeinheit als passives

(unbeheiztes) oder aktives (beheiztes) Sensorelement betrieben werden.

Somit kann im Falle eines Ausfalls eines Sensorelements, z.B. des Sensorelements 12, der Durchflusssensor weiter betrieben werden. Die Regel- und/oder Auswerteeinheit schaltet den Heizmodus der Heizeinrichtung 43 ab und betreibt dieses Sensorelement 42 als passives

Sensorelement. Freilich kann in diesem Fall nicht mehr die Tropfchendetektion durchgeführt werden. Allerdings kann ein Notbetrieb zumindest weiterhin die Durchflussmessung gewährleisten. Alternativ kann auch durch Vergleich der Messsignale der beiden Betriebsmodi ein Drift des Sensors erkannt und ggf. quantifiziert werden, sofern das Medium nicht zur Tröpfchenbildung neigt. Der Drift ist als eine Änderung des Wärmewiderstandes des Sensors. Dieser führt zu einem Wechsel des Wärmeübergangs von der Heizeinrichtung in das Medium bei gleichen bzw. konstanten

Strömungsbedingungen. Als Ergebnis ermittelt das Durchflussmessgerät einen anderen Wert für den Leistungskoeffizienten. Das Vorliegen oder Nichtvorliegen dieses Drifts ist durch das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät überprüfbar und kann besonders bevorzugt auch quantifiziert werden. Durch Messwertvergleich der Messsignale der beiden aktiven Sensorelemente 12 und 42 kann eine Drifterkennung gewährleistet werden. Die in Fig. 4-6 dargestellten Temperatursensoren und Heizeinrichtungen sind idealerweise derart angeordnet und ausgebildet, dass alle diese Elemente auf einer Höhe stehen. Eine maximale Abweichung dieser Anordnung um einen halben Durchmesser einer Metallhülse ist dabei berücksichtigt. Idealerweise haben alle Metallhülsen den gleichen Durchmesser. Selbstverständlich kann der Sensor um weitere aktive oder passive Sensorelemente ergänzt werden.

In den vorbeschriebene Ausführungsvarianten wird stets ein Punkt beschrieben, in welchen eine Tröpfchenbildung stattfindet. Demgegenüber kann das gesamte Metallröhrchen auch mit einem Flüssigkeitsfilm überzogen sein, welcher jedoch die Messung nicht oder nur gering beeinflusst und nicht mit einem hängendem Tropfen vergleichbar ist.

Bei den in Fig. 1-3 und die in der Beschreibung offenbarten weiteren Varianten eines

Messaufnehmers können die jeweiligen Metallhülsen und/oder die Halterungen mittels eines SD- Druckverfahrens für metallische Objekte erzeugt werden. Dies umfasst u.a. auch selektives

Laserschmelzen.

Fig. 8 zeigt eine Draufsicht zur Klarstellung der Strömungsrichtung und der Anordnung der jeweiligen Sensorelemente der Fig. 4. Das zweite und das dritte Sensorelement 12 und 42 bilden eine Verbindungslinie S. Diese steht in Fig. 8 senkrecht zur Strömungsrichtung FL. Die Verbindungslinie kann vorzugsweise auch in einem Winkel zwischen 80-100° zur Strömungsrichtung FL angeordnet sein. Diese Anordnung ist vorteilhaft jedoch nicht zwingend vorgeschrieben.

Das hakenförmig-ausgebildete Sensorelement 2 ist derart angeordnet und ausgerichtet, dass die Heizeinrichtung 3, insbesondere der beheizbare Temperatursensor, des ersten Sensorelements 2 i Strömungsrichtung vor dem Temperatursensor des zweiten Sensorelements 12 und vor der Verbindungslinie S angeordnet ist. Somit wird die Heizeinrichtung als erstes Element von einer ankommenden Strömung angeströmt.

Die Strömung ist in diesem vorderen Bereich nicht durch andere Sensorelemente perturbiert. Daher ist die Messung an dieser Stelle besonders bevorzugt.

Fig. 9 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Leistungskoeffizienten bei der Durchflussmessung. Ein entsprechender Messaufnehmer kann dem Aufbau der Fig. 4 entsprechend eine solche Messkurve aufnehmen.

Die obere Messkurve I stellt eine Messung dar, wie sie durch das dritte Sensorelement 42 aufgenommen wird. Man erkennt Peaks. Diese Peaks können positiv oder negativ ausgestaltet sein. Der Peak wird durch Ausbildung eines Tröpfchens gebildet und fällt auf Normalniveau zurück sobald der Tropfen abgetropft ist.

Demgegenüber weist die untere Messkurve II keine derartige Peaks bzw. Ausschläge auf. Dies liegt daran, dass sich der Tropfen nicht im Bereich sammelt, in welchem ein Wärmeeintrag ins Medium erfolgt. Zwar ist ein herkömmliches Rauschen zu erkennen, jedoch kein Peak. Eine derartige Messkurve II kann mit dem gebogenen ersten Sensorelement 2 erreicht werden.

In den normalen Bereichen, also in den Bereichen zwischen den Peaks, kann eine Mittelung der Messwerte des ersten und dritten Sensorelements erfolgen, um eine höhere Messgenauigkeit zu erreichen. Auch eine redundante Überwachung des ersten und des dritten Sensorelements 2 und 42 ist möglich. Dies kann selbstverständlich nur in den Bereichen des zeitlichen Verlaufs erfolgen, in welchen keine Peaks auftreten. Entsprechende Sollwerte wann es sich um einen Peak handelt und wann nicht können definiert und mit Istwerten verglichen werden. Dadurch können beide, das erste und das dritte Sensorelement auf Drift überwacht werden.

Der Umfang der Tröpfchenbildung, also die Größe der Tröpfchen, kann zudem durch Vergleich beider Messkurven I und II quantifiziert werden.

In Fig. 10 wurden die Wärmetransfertkoeffizienten bei verschiedenen Leistungskoeffizienten dargestellt. Messkurve III bezieht sich dabei auf eine Messung, welche mit dem Sensorelement 42 durchgeführt wurde und Messkurve IV bezieht sich auf eine Messung, welche mit dem

Sensorelement 2 durchgeführt wurde.

Daraus kann eine Korrelationskurve erstellt werden und ein rechnerischer Zusammenhang ermittelt werden. Die Regel- und Auswerteeinheit kann zu verschiedenen Zeiten im Messbetrieb diese Korrelationskurve erstellen und diese mit einer Sollvorgabe vergleichen. Je nach Höhe der Abweichung von der Sollvorgabe kann entschieden werden ob ein Sensordrift vorliegt oder nicht.

Bezugszeichenliste

1 Messaufnehmer

2 Sensorelement

3 Heizeinrichtung

4 Metallhülse

5 Stirnfläche

6 Halterung

7 Rohr

8 Teilbereich

9 Teilbereich

10 Teilbereich

1 1 Punkt

12 Sensorelement

13 Temperatursensor

14 Metallhülse

15 Stirnfläche

16 Messaufnehmer

17 Sensorelement

18 Sensorelement

19 Metallhülse

20 Stirnfläche

21 Heizeinrichtung

22 Bereich

23 Metallhülse

24 Temperatursensor

25 Halterung

26 Ablaufgeometrie 30 Flansch

31 Tröpfchen

32 Regel-und/oder Auswerteeinheit

42 Sensorelement

43 Temperatursensor

44 Metallhülse α Winkel Messmedium

Verbindungslinie

Strömungsrichtung

Claims

Patentansprüche

1. Thermisches Durchflussmessgerat zur Ermittlung eines Massendurchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums (M) in einem Rohr (7),

wobei das thermische Durchflussmessgerat zumindest einen Messaufnehmer (1 , 16) mit zumindest einem ersten und einem zweiten Sensorelement (2 und 12; 17 und 18), aufweist; wobei das erste Sensorelement (12, 17) eine stiftförmige Metallhülse (4, 19) aufweist, die einen in Gravitationsrichtung (g) niedrigsten Punkt (1 1 , 20) an einer Wandung der

Metallhülse (4, 19) aufweist,

wobei in der Metallhülse (4, 19) zumindest eine Heizeinrichtung (3, 21 ), insbesondere ein beheizbarer Temperatursensor, angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (3, 21 ) in der Metallhülse (4, 14) und in Gravitationsrichtung (g) oberhalb des vorgenannten Punktes (11 , 20) angeordnet ist, derart dass der maximale Wärmeeintrag pro Fläche durch die Heizeinrichtung (3, 21 ) in das Medium (M) in Gravitationsrichtung (g) oberhalb dieses Punktes (1 1 , 20) erfolgt.

2. Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (3, 21 ) vorzugsweise um mehr als das Zweifache des Durchmessers der Metallhülse (4, 19), besonders bevorzugt um das 4 bis 10fache des Durchmessers der Metallhülse (4, 19) von dem besagten niedrigsten Punkt (11 , 20) beabstandet ist.

3. Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülse (4) eine Biegung aufweist und der niedrigste Punkt (11 ) in der Biegung angeordnet ist.

4. Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülse (19) gerade ausgebildet ist und der niedrigste Punkt (20) endständig an der Metallhülse (19) angeordnet ist.

5. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sensorelement (12, 18) eine Metallhülse (14, 23) aufweist in welcher ein Temperatursensor (13, 24) angeordnet ist, wobei dieser Temperatursensor (13, 24)im Wesentlichen auf der gleichen Höhe des Messaufnehmers (1 , 16) angeordnet ist wie die Heizeinrichtung (3, 21 ) des ersten Sensorelements (2, 17).

6. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (1 , 16) ein drittes Sensorelement (42) aufweist, wobei das dritte Sensorelement (42) eine stiftförmige Metallhülse (44) aufweist, die einen in Gravitationsrichtung (g) niedrigsten Punkt an einer Wandung der Metallhülse (44) aufweist, wobei in der Metallhülse (44) zumindest eine Heizeinrichtung (43), vorzugsweise ein beheizbarer Temperatursensor, angeordnet ist,

wobei die Heizeinrichtung (43) in der Metallhülse (44) und in Gravitationsrichtung (g) im

Bereich des vorgenannten Punktes angeordnet ist, derart dass der maximale Wärmeeintrag pro Fläche der Heizeinrichtung (44) in das Medium (M) in Gravitationsrichtung (g) an diesem Punkt erfolgt.

7. Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Durchflussmessgerät eine Regel- und/oder Auswerteeinheit (32) aufweist, welche eingerichtet ist

c) zum Empfangen von Messsignalen der Heizeinrichtungen (3, 21 , 43) des ersten und des dritten Sensorelements (2, 17, 42) und/oder davon abgewandelten Werten; und

d) zur Überwachung ob eine Tröpfchenbildung auf dem dritten Sensorelement (42) erfolgt ist.

8. Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Durchflussmessgerät eine Regel- und/oder Auswerteeinheit (32) aufweist, welche eingerichtet ist

a) zum Empfangen von Messsignalen der Heizeinrichtungen (3, 21 , 43) des ersten und des dritten Sensorelements (2, 17, 42) und/oder davon abgewandelten Werten; und

b) zur Überwachung ob eines der beiden vorgenannten Sensorelemente (2, 17, 42) einen Drift aufweist ist.

9. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel- und/oder Auswerteeinheit (32) eingerichtet ist zur

Quantifizierung des Umfangs der Tröpfchenbildung am dritten Sensorelement (42)und/oder des Driftes eines der beiden Sensorelemente (2, 17, 42) mit einer Heizeinrichtung.

10. Verfahren zur Ermittlung eines Massendurchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines gas- und/oder dampfförmigen Mediums (M) in einem Rohr (7) mittels eines thermischen Durchflussmessgerätes;

wobei das thermische Durchflussmessgerät zumindest einen Messaufnehmer (1 , 16) mit zumindest einem ersten Sensorelement (2, 17) aufweist;

welches Sensorelement (2, 17) derart ausgestaltet ist, dass das erste Sensorelement (2, 17) eine Heizeinrichtung (3, 21 ), vorzugsweise einen beheizbaren Temperatursensor, aufweist, welche Heizeinrichtung (3, 21) in einer stiftformigen Hülse, insbesondere einer Metallhülse (4, 23), angeordnet ist;

wobei sich die stiftformige Hülse derart ausgebildet ist, dass sich eine Flüssigkeit, die sich im Messbetrieb auf der Hülsenoberfläche abgesetzt hat in einen Bereich abfließen kann, in welchem eine Tröpfchenbildung erfolgt;

und wobei die Heizeinrichtung (3, 21 ) im thermischen Kontakt mit dem Messmedium (M) steht und derart in der Hülse angeordnet ist, dass der maximale Wärmeeintrag pro

Flächeneinheit in das Messmedium (M) durch die Heizeinrichtung (3, 21 ) oberhalb des Bereichs der Tröpfchenbildung erfolgt.

1 1. Verwendung des thermischen Durchflussmessgerätes nach Anspruch 1-9 zur Detektion einer Tröpfchenbildung während der Duchflussmessung.

12. Verwendung des thermischen Durchflussmessgerätes nach Anspruch 1-9 zur

Quantifizierung der Tröpfchenbildung und/oder der Geschwindigkeit der Tröpfchenbildung.