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Die Erfindung betrifft einen thermischen Massendurchflussmesser zur Bestimmung eines Materialflusses durch ein Gefäß sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.
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Derartige Massendurchflussmesser sind seit langem bekannt. Das Messprinzip thermischer Massendurchflussmesser beruht auf der Abkühlung eines auf einen Halter montierten Heizelements, wenn dieses in ein strömendes Fluid eingetaucht wird. Die Strömung, welche über die Oberfläche des Heizelements strömt, nimmt Wärme von dieser auf und kühlt das Heizelement hierdurch ab. Der Aufbau und das Verhalten sind in 4 prinzipiell dargestellt. Die Menge an Wärme, die die Strömung aufnimmt, hängt dabei von der Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Fluid sowie der Strömung selber ab. Sie kann durch eine Funktion q . = α(TO – TF) beschrieben werden, mit
- q .:
- abgeführte Wärmemenge,
- (TO – TF):
- Temperaturdifferenz und
- α:
- Proportionalitätskonstante.
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Die Proportionalitätskonstante α ist dabei direkt von der Strömung abhängig und ist eine Funktion der Massenstromdichte über das Heizelement α = f(ρν) ~ i√ρν. Ist nun die Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Fluid sowie die Heizleistung, die zum Erzeugen dieser Temperaturdifferenz nötig ist, bekannt, so kann hieraus somit der Massenstrom über das Heizelement bestimmt werden.
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Für die praktische Durchführung solch einer thermischen Massendurchflussmessung werden daher wie in 5 dargestellt nun zwei Temperaturfühler in die Strömung gebracht, von welchen einer geheizt wird und für die Durchflussmessung verwendet wird. Der zweite Temperaturfühler dient zur Messung der Fluidtemperatur TF.
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Die Messung erfolgt dabei allgemein rein statisch mit einer konstanten Heizleistung oder einer konstanten Temperaturdifferenz zwischen Heizer und Strömung. Es könnte hierbei aber auch ein gepulster Betrieb erfolgen, welcher mit etwas höherem Aufwand ausgewertet wird.
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Eine Besonderheit an dieser thermischen Massendurchflussmessung ist die geringe Richtungsempfindlichkeit des Sensors. Die Kühlwirkung der Strömung auf den Sensor wird in erster Näherung durch den Betrag der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt und nicht durch deren Richtung, so dass diese nur einen geringen Einfluss auf das Messsignal hat. Die Anströmung des Sensors kann somit aus jeglicher Richtung erfolgen. Dies führt nur zu einer leichten Veränderung des Messsignals und zu entsprechenden kleinen Messfehlern. Dies hat den Vorteil, dass die Sensoren nicht so empfindlich auf Abweichungen von einer senkrechten Anströmung reagieren, wie sie z. B. durch Einbautoleranzen hervorgerufen wird. Zudem werden thermische Durchflusssensoren daher auch noch häufig möglichst symmetrisch aufgebaut, um solche Messfehler weiter zu reduzieren.
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Von Nachteil ist dabei aber, dass daher mit einem einfachen thermischen Sensor nicht zwischen Vorwärts- und Rückwärtsströmungen in einem Rohr unterschieden werden kann. Im Prozess entstehen aber häufig durch äussere Einflüsse und die verschiedenen Komponenten im System Fluktuationen in der Strömung, so dass die Strömung nicht immer nur in einer Richtung am Sensor vorbeiströmt sondern auch Rückströmungen auftreten können. Dies geschieht vor allem bei niedrigen Strömungen. Da der Sensor unabhängig von der Strömungsrichtung diese Strömung registriert, wird auch die Rückströmung positiv gezählt, was zu grossen Fehlmessungen bei kleinen Flüssen und zu der Anzeige einer Strömung bei Nulldurchfluss führen kann. Eine Richtungserkennung der Strömung ist daher erforderlich, um solche Fehlmessungen zu vermeiden.
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Auch sind die Sensoren in der Regel in eine Vorzugsrichtung kalibriert. Sie zeigen dann bei einem um 180° versetzten Einbau zwar trotzdem näherungsweise korrekte Werte an, so dass der falsche Einbau nicht sofort an einem sehr ungewöhnlichen Durchflusssignal erkannt werden kann. Die durch die falsche Einbaulage entstehenden Messfehler sind deutlich höher als bei einer richtigen Einbauorientierung. Auch hier ist eine Richtungserkennung von Vorteil um bei einer falschen Einbaulage sofort eine entsprechende Fehlermeldung zu erzeugen.
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Aus der
DE 33 04 710 A1 ist bekannt, zur Richtungserkennung das Verhalten des Strömungssignals insbesondere nahe des Nulldurchgangs zu analysieren und hieraus einen Vorzeichenwechsel abzuleiten. Vorraussetzung für dieses Verfahren ist jedoch, dass Informationen über die Art der Anwendung, in der der Sensor eingesetzt ist, vorhanden sind, um ein entsprechendes Modell hierzu bilden zu können. Für einen universellen Durchflussmesser ist dies daher nur sehr schwierig zu realisieren. Auch sind in vielen Anwendungen die Sensoren nicht untereinender vernetzt, so dass keine weiteren Informationen vorliegen. Eine falsche Einbaulage kann hiermit auch nicht erkannt werden.
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Um unabhängig von zusätzlichen äusseren Informationen die Strömungsrichtung zu erkennen, werden daher in
EP 1 396 709 A1 zwei strömungsempfindliche Heizelemente in einem speziellen Gehäuse in der Strömung angeordnet. Dieses Gehäuse ist so gestaltet, dass abhängig von der Strömungsrichtung entweder der eine oder der andere Heizer stärker von der Strömung umspult wird und somit der eine oder der andere Sensor stärker gekühlt wird.
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Mit diesem Verfahren ist eine unabhängige Strömungsrichtungserkennung möglich. Das zusätzliche Gehäuse und der zusätzliche Sensor bedeuten aber einen deutlich höheren Aufwand für die Herstellung und den Betrieb des Sensors.
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In vergleichbare Richtung funktioniert der Vorschlag gemäss
EP 1 291 622 A2 bei der nur ein strömungsempfindlicher Sensor verwendet wird. Dieser befindet sich aber in einem Kanal innerhalb eines speziellen Sensorgehäuse, wobei dieser Kanal eine Einlassöffnung in Richtung der Einlaufströmung hat und einen Auslass, welcher seitlich das Gehäuse verlässt, so dass eine Strömung in dem Kanal durch den Staudruck am Kanaleinlass hervorgerufen wird und der Sensor somit nur empfindlich gegenüber Strömung in einer Richtung ist.
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Auch in
DE 10 2005 019 614 A1 wird durch ein geeignetes Gehäuse die pulsierende Strömung zum Sensor hin gedämpft und teilweise unterdrückt. Aber auch für diese Verfahren wird der Sensor durch das erforderliche Gehäuse recht aufwendig.
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Im Vergleich zu den oben beschriebenen thermischen Massendurchflussmessern, bei denen die Abkühlung des Heizers als Messeffekt verwendet wird, wird bei den kalorimetrischen thermischen Massendurchflussmessern die Durchflussrichtung automatisch mitbestimmt, wie in
EP 1 310 775 A1 ,
WO 2004/018976 A3 und
EP 1 452 838 A2 gezeigt. Bei den kalorimetrischen Massendurchflussmessern wird im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Prinzip nicht die Abkühlung des Heizers gemessen, sondern es befinden sich zwei Temperaturfühler in unmittelbarer Nähe des Heizers, einer stromauf und einer stromab vom Heizer. Bei einer Strömung wird die Wärme des Heizers durch die Strömung zu dem stromabgelegenen Sensor transportiert und dieser registriert eine höhere Temperatur. Aus dem Temperaturunterschied zwischen stromauf- und stromabgelegenem Sensor kann dann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Ändert sich die Strömungsrichtung der Strömung so kehrt sich das Vorzeichen der Temperaturdifferenz entsprechend um und die Strömungsrichtung kann hieraus detektiert werden.
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Dieses Messprinzip ist aber auf Strömungen mit niedriger Reynolds-Zahl, d. h. vorwiegend auf laminare Strömungen, beschränkt, da durch die Turbulenz in der Strömung die Wärme in der Strömung stark verteilt wird und der Messeffekt durch den Transport der Wärme in eine Richtung stark reduziert bis vollständig überdeckt wird. Daher können nur langsame Strömungen in engen Kanälen gemessen werden können. Für höhere Fluiddurchsätze nimmt die Empfindlichkeit ab und es können hier nur entsprechende Bypass-Lösungen eingesetzt werden. Auch werden diese Sensoren in der Regel mit einer geringen thermischen Masse hergestelt, um schnell und empfindlich auf die Strömung reagieren zu können, so dass sie entsprechend klein und filigran aufgebaut werden. Sie sind dadurch dementsprechend empfindlich gegenüber äusseren mechanischen Einflüssen. Für das Anwendungsgebiet der oben beschriebenen Sensoren für grosse Massenströme und auch unter harten Umgebungsbedingungen sind sie daher nicht geeignet und können im Allgemeinen nicht als Alternative verwendet werden.
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Aus der
DE 10 2004 058 553 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums bekannt, die zwei Temperatursensoren aufweist, wobei der zweite Fühler gegenüber dem ersten Fühler querab zur Strömungsrichtung versetzt angeordnet ist. Dabei wird ausdrücklich vermieden, dass der zweite Fühler von der vom Heizer aufgeheizten Strömung getroffen wird. Zur Mittelwertbildung des Messwerts wird eine wechselweise Beheizung der beiden Fühler vorgeschlagen.
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Schließlich wird in der
EP 0 314 325 A1 eine Durchflußmesseinrichtung mit zwei unabhängigen Fühlerpaaren offenbart, die entgegengesetzt in der Strömung liegen und jeweils für sich in einem festen Modus betrieben werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten thermischen Massendurchflussmessers zur einfachen und sicheren Erkennung der Strömungsrichtung zu ertüchtigen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe konstruktiv mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch die Schritte des Verfahrens nach Patentanspruch 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht aus von einem thermischen Massendurchflussmesser mit mindestens zwei Messelementen, die in ein Gefäß mit strömendem Medium eingetaucht sind, wobei eines der Messelemente beheizt ist.
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Zur Richtungsdetektion für die thermische Massendurchflussmessung nach dem Abkühlungsprinzip, wird vorgeschlagen, das Heizer- und das Fühlerelement hintereinander in Strömungsrichtung anzuordnen und Heizer und Fühler wechselseitig als Heizer und Fühler zu betreiben.
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Im Normalbetrieb wird das hintere Element als Fühler zur Messung der Fluidtemperatur verwendet und der vordere Fühler als Heizer für die Strömungsmessung. Für die Bestimmung der Strömungsrichtung werden nun phasenweise Fühler und Heizer vertauscht und das vordere Element als Heizer verwendet. Durch das Heizen eines Elementes wird nun die Strömung lokal um das Element aufgeheizt und diese Wärme wird mit der Strömung weiter zum zweiten Element, welches die Fluidtemperatur misst, transportiert. Hierdurch misst das zweite Element eine höhere Fluidtemperatur und der Unterschied zwischen den Temperaturen in beiden Betriebsmodi wird zur Strömungsrichtungsdetektion verwendet.
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Dabei wird ein vergleichbarer Effekt genutzt wie beim kalorimetrischen Massendurchflussmesser, es wird aber auf den zweiten Temperaturfühler vor dem Heizer verzichtet, da die Fluidtemperatur aus der Messung vor dem Fühlerwechsel verwendet wird. Auch wird bei viel höheren Strömungsgeschwindigkeiten gearbeitet, da keine hohe Auflösung für die Durchflussmessung benötigt wird, sondern nur eine Richtungserkennung erfolgt.
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Die Messung kann sowohl statisch mit einer konstanten Heizleistung/Temperatur erfolgen, aber auch gepulst bzw. mit zeitlich veränderlicher Heizleistung. Letzteres hat den Vorteil, dass ein Temperaturunterschied zwischen den Messungen auf die Aufheizung der Strömung durch den Heizer zurückgeführt werden kann. Da durch die turbulente Strömung um den Heizer die eingebrachte Heizleistung relativ schnell in der Strömung verteilt wird und somit die erreichbare Temperaturerhöhung der Strömung und des nachfolgenden Temperaturfühlers je nach Aufbau und Abstand der Fühler klein sein kann, können Ungenauigkeiten in der Temperaturmessung der beiden Fühler die Richtungserkennung beeinflussen. Wird aber mit gepulsten oder zeitlich veränderlichen Signalen gearbeitet, wobei bei zeitlich veränderlichen Signalen bereits eine einfache Änderung der Heizleistung ausreichen kann, können diese Signale durch eine entsprechende Mustererkennung in der Temperaturmessung, wie z. B. durch eine Lock-in Verstärkung, verstärkt und sichtbar gemacht werden.
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Da durch die Trägheit der Sensoren eine entsprechende Wartezeit beim Fühlerwechsel eingehalten werden muss und somit die Durchflussmessung für eine befristete Zeit unterbrochen werden muss, so ist es von Vorteil, die Richtungserkennung nur sporadisch in den Messprozess einzufügen. Insbesondere ist es sinnvoll diese Messung nur dann durchzuführen, wenn die Richtung nicht bekannt ist, bzw. wenn ein Richtungswechsel erwartet wird, d. h. speziell bei niedrigen Durchflussgeschwindigkeiten. Auch ist hier die Empfindlichkeit des Verfahrens höher. Der Zeitpunkt, wann eine Richtungserkennung sinnvoll ist, könnte z. B. durch eine Analyse des Durchflussverhaltens wie in
DE 33 04 710 A1 vorgeschlagen, bestimmt werden.
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Um durch den Fühlerwechsel die Unterbrechung in der Durchflussmessung so klein wie möglich zu halten, kann auch während der Richtungserkennung mit getauschten Fühlern eine Durchflussmessung erfolgen, indem die Heizleistung/Temperatur des neuen Heizers für die Durchflussmessung verwendet wird. Hier muss für die Durchflussmessung eine entsprechende Temperaturkompensation erfolgen, da der aktuelle Temperaturfühler ja in diesem Messmodus eine erhöhte Fluidtemperatur misst und somit eine höhere Durchflussrate angezeigt würde. Andererseits kann aber dieser Effekt bei der Durchflussmessung in der Art ausgenutzt werden, dass nicht die erhöhte Fluidtemperatur für die Richtungserkennung verwendet wird, sondern diese Abweichung bei der Durchflussmessung bei vertauschten Heizern/Fühlern.
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Wird mit einer gepulsten bzw. zeitlich veränderlichen Heizleistung gearbeitet, so kann sogar vollständig auf den Fühlerwechsel verzichtet werden, indem sich der Heizer immer vor dem Temperaturfühler befindet. Der Heizer wird wechselweise mit höherer und niedriger Heizleistung betrieben, so dass das Fluid unterschiedlich stark aufgewärmt wird. In den Phasen mit niedriger Heizleistung nimmt der Temperaturfühler näherungsweise die Temperatur des ungeheizten Fluids an und es kann entsprechend die Referenztemperatur bestimmt werden. In den Phasen mit hoher Heizleistung erfolgt die Richtungserkennung.
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Da auch bei kleiner Heizleistung die Temperaturmessung für die Referenztemperatur etwas beeinflusst werden kann, so kann diese auch mit Hilfe eines Models des Systems korrigiert werden. Insbesondere wenn die Heizleistung z. B. mit einem Sinus moduliert wird, so kann die Amplitude dieses Sinus im Temperaturfühler gemessen werden und aus dem Verhältnis der Amplitude der modulierten Heizleistung und der gemessenen Amplitude am Temperaturfühler kann dann bestimmt werden, wie viel Wärme vom Heizer auf den Temperaturfühler übertragen wird. Mit dieser Information kann dann die Temperaturmessung entsprechend korrigiert werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Messanordnung mit zwei Messelementen
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2 eine Prinzipdarsteltung einer Messanordnung mit drei Messelementen
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3 eine Prinzipdarstellung einer Messanordnung mit zwei Messelementpaaren
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4 eine Prinzipdarstellung eines thermischen Massendurchflussmesser
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5 eine Prinzipdarstellung einer Messanordnung
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In der 1 ist eine Messanordnung gezeigt, bei der in Strömungsrichtung v aufeinanderfolgend zwei Messelemente, die mit F/H und H/F bezeichnet sind, angeordnet sind. Im Normalbetrieb wird das in der erwarteten Strömungsrichtung hintere Messelement als Fühler F und das in der erwarteten Strömungsrichtung vordere Messelement als Heizer H betrieben. Zur Ermittlung der tatsächlichen Strömungsrichtung wird das in der erwarteten Strömungsrichtung hintere Messelement als Heizer H und das in der erwarteten Strömungsrichtung vordere Messelement als Fühler F betrieben. In beiden Betriebsarten wird der Durchfluss gemessen. Aus der Differenz der Messwerte wird die tatsächliche Strömungsrichtung ermittelt.
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In 2 ist eine Messanordnung gezeigt, bei der in Strömungsrichtung v aufeinanderfolgend zwei Messelemente, die mit F1/H1 und H1/F1 bezeichnet sind, angeordnet sind. Darüber hinaus ist ein drittes Messelement F2/H2 außerhalb der Strömung über das erste und zweite Messelement F1/H1 und H1/F1 angeordnet.
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Im Normalbetrieb wird das in der erwarteten Strömungsrichtung hintere Messelement als Fühler F1 und das in der erwarteten Strömungsrichtung vordere Messelement als Heizer H1 betrieben. Zur Ermittlung der tatsächlichen Strömungsrichtung wird das in der erwarteten Strömungsrichtung hintere Messelement als Heizer H1 und das in der erwarteten Strömungsrichtung vordere Messelement als Fühler F1 betrieben. In beiden Betriebsarten wird der Durchfluss gemessen. Aus der Differenz der Messwerte wird die tatsächliche Strömungsrichtung ermittelt. Dabei wird das dritte Messelement F2/H2 als Fühler F2 zur Durchflussmessung betrieben.
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Darüber ist das dritte Messelement F2/H2 periodisch kurzzeitig beheizbar. Dabei wird das dritte Messelement F2/H2 als Heizer H2 betrieben. Durch Vergleich der Messwerte des dritten Messelement F2/H2 mit den Messwerten des ersten Messelement F1/H1 und/oder des zweiten Messelement H1/F1 werden durch Beschichtung hervorgerufene Änderungen der Durchflussmessung erkannt, da sich durch verschiedene Beheizungszeiten die Quantitaten der Ablagerungen auf den Messelementen unterscheiden.
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Das dritte Messelement F2/H2 kann an einer beliebigen Stelle positioniert sein, sofern es sich außerhalb der beheizten Strömung hinter dem Heizer H1 befindet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in 3 eine Messanordnung gezeigt, bei der in Strömungsrichtung v aufeinanderfolgend zwei Messelemente, die mit F1/H1 und H1/F1 bezeichnet sind, als erstes Paar angeordnet sind. Darüber hinaus sind zwei weitere Messelemente, die mit F2 und H2 bezeichnet sind, als zweites Paar außerhalb der Strömung über das erste und zweite Messelement F1/H1 und H1/F1 angeordnet.
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Im einer ersten Betriebsart wird das in der erwarteten Strömungsrichtung vordere Messelement des ersten Paares als Heizer H1 und das in der erwarteten Strömungsrichtung hintere Messelement des ersten Paares als Fühler F1 betrieben. Damit liegt der Fühler F1 in Stromungsrichtung hinter dem Heizer H1 und misst eine erhöhte Fluidtemparatur. Das zweite Paar Messelemente F2 und H2 ist in der erwarteten Strömungsrichtung derart angeordnet, dass der Fühler F2 vor dem Heizer H2 liegt.
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Aus dem Vergleich der Messwerte des ersten Paares und des zweiten Paares wird die tatsächliche Strömungsrichtung ermittelt. Unabhängig von der tatsächlichen Strömungsrichtung liegt stets bei einem der Paare der Fühler vor dem Heizer und bei dem anderen Paar der Fühler hinter dem Heizer, so dass sich stets eine Differenz der Messwerte zwischen den Paaren ergibt.
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In einer zweiten Betriebsart wird die Position des Heizer H1 und des Fühler F1 des ersten Paares getauscht. Nunmehr liegen beide Fühler F1 und F2 bezogen auf die Strömungsrichtung auf deselben Seite der jeweiligen Heizer H1 und H2.
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Durch Wechsel zwischen den beiden Betriebsarten bilden sich auf den als Heizer betriebenen Messelementen verschiedene Quantitäten von Beschichtungen heraus, da der Heizer H2 ständig als Heizer betrieben wird; hingegen ist die Funktion des Heizers H1 auf die zwei Messelemente des ersten Paares verteilt. Durch Vergleich der Messwerte der Heizer H1 und H2 wird die durch Beschichtung hervorgerufene Änderungen der Durchflussmessung erkannt.