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WO2008142075A1 - Diagnostic method for thermal mass flow measuring devices - Google Patents

Diagnostic method for thermal mass flow measuring devices Download PDF

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Publication number
WO2008142075A1
WO2008142075A1 PCT/EP2008/056177 EP2008056177W WO2008142075A1 WO 2008142075 A1 WO2008142075 A1 WO 2008142075A1 EP 2008056177 W EP2008056177 W EP 2008056177W WO 2008142075 A1 WO2008142075 A1 WO 2008142075A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signal
temperature sensor
fluid
heating element
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/056177
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Detlef Pape
Daniel Schrag
Kai Hencken
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of WO2008142075A1 publication Critical patent/WO2008142075A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68Measuring 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
    • G01F1/696Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/6965Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters comprising means to store calibration data for flow signal calculation or correction
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68Measuring 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
    • G01F1/696Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/698Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/10Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of flowmeters

Definitions

  • the invention relates to the field of thermal mass flowmeters.
  • it relates to a method for diagnosing a mass flow meter according to the preamble of the independent claims.
  • the measuring principle of thermal mass flow meters is based on the cooling of a heating element by the fluid flowing around the heating element.
  • the decisive factor here is the heat transfer ⁇ from the outside of the heating element into the flow, which is the ratio between the introduced heating power density q and the temperature difference T 0 -T F between the surface of the heating element and
  • the present invention seeks to alleviate at least some of the above problems.
  • the object is achieved by a method for diagnosing a device according to the independent claims. Further advantages, features, aspects and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the figures.
  • a method for the diagnosis of a device for measuring a process variable of a flowing fluid comprises a heating element, which is acted upon by an alternating current or voltage signal and thereby heated.
  • an alternating signal is here to understand the regular change between different current or voltage levels, which can be given by any function such as sinusoidal staircase or pulse sequences. Under alternating should also be understood a current or voltage, the a DC or DC voltage component and an AC or AC voltage component.
  • the heat generated by the heating element is then released to the flowing fluid.
  • the device comprises a sensor which is in thermal contact with the fluid, ie the sensor is typically surrounded by the fluid. The heating and cooling process in the sensor caused by the heating element is measured in the sensor.
  • Heating element and temperature sensor can be two separate components. Heating element and Temeperatursensor but may well be united in a single component, for example in the form of a heated Temsperatursensors with the heated and the temperature can be measured simultaneously.
  • diagnostic method according to the invention it is now possible in situ during operation of the device to determine the functionality and thus aging, soiling, deposits, erosion on the heating element and / or on the temperature sensor. By determining the functionality, the measurement of the process variable in the device can be corrected during the measurement.
  • a method is proposed with the steps defined in claim 1 0, in which a flow measurement of a fluid is made in a device and at the same time a diagnosis of the same device is created.
  • the simultaneous flow measurement and diagnosis takes place in situ and thus during operation of the device. Any removal of heating element or sensor for this purpose is not necessary.
  • Simultaneous flow measurement and diagnostics are performed with the measurement and diagnostic function determination at the same time or at least during the same measurement cycle.
  • the inventive method for simultaneous flow measurement and for the diagnosis of the measuring device thus allows to check the functionality of the measuring device during the measuring operation. This is particularly advantageous in creeping or continuously occurring measurement errors that cause no complete malfunction of the device and thus would remain undetected over a long period of time until a revision of the device.
  • the measured process size of the fluid is the mass flow or the temperature of the fluid.
  • the diagnosed condition of the temperature sensor or state of the heating element provides information about the operability, i. about degree of soiling or coating of temperature sensor or
  • Heating element This makes it possible to monitor the temperature sensor and the heating element, thus avoiding errors when measuring the mass flow or the temperature.
  • the alternating current or voltage signal supplied to the heating element is a quasi-periodic signal.
  • a quasi-periodic signal is characterized by the fact that the period duration is finite, thus interruptions in the period occur and the period length can change after interruption of the period.
  • the current or voltage signal may be a periodic, in particular a sinusoidal or cosinusoidal signal.
  • Fig. 3 Simulation of the frequency response (phase) of the heater without a) and b) with 100 ⁇ m coating
  • the heat capacity in particular of gases
  • the gas and thus the flow hardly influence the high-frequency signals.
  • a contamination or surface abrasion applied to the surface influences it very much.
  • this causes a change in the amplitude and the phase for the individual frequencies, which can be detected by the evaluation of individual frequencies or a comparison of different frequencies. This can be done both in the frequency range, as described by the direct comparison of different frequencies, as well as in the time domain by a corresponding evaluation of the time course of the signal.
  • Figure 1 shows schematically the cross section through a layer-like (hatched shown) constructed heating element 4, on which a coating 2 has deposited and which is flowed by a fluid 1 in the arrow direction.
  • the associated electrical equivalent circuit diagram illustrates the heat transfer from the location of the heat generation 5 by the heating element 4 in the fluid. 1
  • the introduced heating power P is attenuated due to the structure (layers) of the heater 4, a coating 2 and the fluid 1, symbolized by attenuators RiCi, R2C2, R3C3, RcCc and the
  • Heat transfer resistance RM between the surface of the heater 4 and the fluid 1.
  • the heating power of the heating element 4 is now selectively varied. This can be done on the one hand in a special measurement in offline mode, but it can also be measured online by modulating on the static measurement signal a time-varying signal. This can be filtered out again in a later step for flow measurement. Or if the temperature sensor already works in a pulsed mode for the flow measurement, these changes in the heating power can additionally be utilized for the coating detection.
  • the sensor reacts to this variation of the heating signal with a temperature change at the sensor, which is analyzed for coating detection as described above.
  • This type of diagnosis is particularly interesting for thermal mass flow sensors for gases, since the measurement signal is very strongly influenced by a coating or change in the structure. For liquids, the diagnosis is more difficult but can still be used. Further applications are pure temperature sensors. In these, any coating, debris or contamination will initially cause no change in the sensor signal, it will especially only the response time influenced. But with very thick deposits or interruptions in thermal contact between the sensor element and the medium to be measured, this diagnosis may be advantageous. With this diagnosis it is possible to detect coatings on the sensor or erosions from the surface of the sensor. Likewise, however, fractures within the sensor, which arise, for example, as a result of tensions or chemical changes in the sensor, can be detected. This process even reacts much more sensitively to these because they are closer to the sensor element. For very sensitive measurement technology or at
  • the sensor shows even at low frequencies depending on the coating 2 a different frequency response as shown in Figure 2 and Figure 3.
  • FIG. 2 shows the simulation of the frequency response (amplitude) of the sensor in FIG.
  • the amplitude and phase response of the coated sensor deviate significantly from the uncoated sensor.
  • these frequencies become influenced by a change in the flow rate only slightly. This behavior is used to determine the coating without disturbing the flow measurement.
  • the principle of the measurement is based on exciting the sensor with a frequency in which e.g. the heating power is varied sinusoidally, and then the amplitude or the phase is analyzed by the resulting temperature signal.
  • the sensor can be excited with several frequencies or a complete frequency spectrum and then the interesting frequency (s) is filtered out.
  • the amplitude or phase of this frequency is measured once in the original state of the sensor and used as a reference. Later, this amplitude or phase is again measured during operation and compared with the initial state. Since the amplitude or phase is changed by the coating state, a change in the amplitude indicates the coating of the sensor.
  • the frequency should be chosen so that it is only slightly influenced by a change in flow.
  • the interesting frequencies which are most sensitive to a coating, are in the range of 1 -1 0 Hz.
  • this range for a general sensor is in the range of the "natural frequency" of the sensor, which follows
  • Thermal diffusivity and ⁇ is the thermal conductivity, p the density and c the specific heat capacity of the sensor, d represents the distance between the heating wires and the surface. In the example shown here, this frequency is about 5 Hz.
  • a localization of malfunction occurring at the sensor can be made with the diagnostic method.
  • various measurements are made by means of the temperature sensor, wherein the AC component of the heating power generated in the heating element is excited in each case with a different frequency. It is used that due to the periodic component in the heating signal, the propagating amplitude of the spatial temperature distribution is frequency-dependent and the propagating amplitude attenuates faster at higher frequencies than at lower frequencies. At higher frequencies, therefore, there is a greater localization of the amplitude around the heating element.
  • FIG. 8 Such a behavior is illustrated in FIG. 8 for a one-dimensional rod-shaped body and can be calculated for the respective body by means of the heat conduction equation.
  • cracks or breaks within the sensor can be detected.
  • the device advantageously stores the behavior of the sensor at different flow rates and later compares it with the values during operation. A discrepancy between different measured values can then be used to localize the cause of the error and appropriate corrections to the flow signal can be made.
  • the flow rate determination for thermal mass flow meters is performed in the low frequency range between O Hz to several Hz. Since the diagnosis, for example, the determination of a coating on the temperature sensor or the heating element to be performed in this frequency range, eliminates the possibility of filtering to separate the useful signals for the flow measurement of the useful signals for the diagnosis. Thus, no separation of the signals can be used in the conventional case, which would allow a simultaneous flow measurement with simultaneous diagnosis.
  • Figure 5 shows an inventive control loop 1 0 on the means of a
  • Diagnosis may be, for example, the detection of a coating on the heatable temperature sensor T H.
  • the control loop 10 has a first regulator R, an amplification unit V, a heatable temperature sensor T H , a temperature sensor T F for measuring the fluid temperature and an adaptive signal regulator A.
  • the resulting temperature difference between the temperature of the heatable temperature sensor T H and the temperature of the fluid is an input to the controller R.
  • the controller R which is for example a proportional integral controller, regulates the temperature difference, so that the temperature of the heater T H a assumes a constant higher temperature than that of the fluid 1, the latter being measured via the temperature sensor T F.
  • the required power at the output of the regulator R is adjusted so that the
  • Temperature increase corresponds to the reference value ref at the input of the regulator R.
  • the value for the output power of the regulator R becomes an alternating one Power signal P a it superimposed by means of amplification unit V, which may consist of several periodic components.
  • the output of the amplification unit V provides a time-varying power 1 1.
  • the acted upon by the time-varying power 1 1 heater of the heatable temperature sensor T H changes its temperature 1 2 in correlation with the applied power. This temperature 1 2 is measured by means of temperature sensor T H.
  • the output signal of the heatable temperature sensor T H is corrected by means of the output signal 1 3 of the adaptive signal regulator A.
  • This corrected signal serves as input signal for the adaptive signal regulator A and as input variable for the regulator R.
  • the adaptive signal control algorithm of the adaptive signal regulator A divides new the time-varying signal at the output of the heated temperature sensor T H in two components: a DC signal (DC signal) and an AC signal (AC signal), the latter consists of periodic components.
  • the DC signal is primarily a measure of the primary flow signal.
  • the comparison of the superimposed AC power signal P a to the AC content at the output of the heatable temperature sensor T H is a measure of the properties of the heater and the surrounding media. The subtraction of these ascertained AC components supplies the overtemperature of the heater T H , which has been adjusted by the superimposed signals, with respect to the temperature of the fluid.
  • Figure 6 shows an algorithm of adaptive signal control.
  • the input signal 1 4 is present in the time domain continuously or time / value-discreet. With recursive use of the algorithm it corresponds to the Error signal between signal and compensation.
  • the signal in the time domain is decomposed by product demodulation 15 into its Fourier components. This can also be done by means of a Fourier transformation, which becomes interesting with several simultaneous frequency components.
  • the Fourier coefficients x are transformed into vectors u by vector transformation.
  • the matrix A contains the information about the system and is subject to stability criteria.
  • the compensation signal is calculated in the recursive case by summing with the old compensation signal Fourier transformation or product modulation is calculated a compensation signal 1 3, which is given back into the measuring system.

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for the diagnosis of a device for measuring a process variable of a flowing fluid (1), wherein a heatable heating element (4, TH) is heated using an alternating current or voltage signal, and dissipates the generated heat at least partially to the fluid (1), and a temperature sensor (TF) is placed in thermal contact with the fluid (1), and wherein the course of a heating and/or cooling process occurring in the temperature sensor (TF) is measured, and the state of the temperature sensor (TF) and/or of the heating element (4, TH), particularly a decontamination and/or a coating, is diagnosed from the same. The invention further relates to a method for the simultaneous throughflow measurement of a fluid (1) and the diagnosis of a device for measuring a mass flow of a flowing fluid (1) by using an adaptive signal control.

Description

DIAGNOSEVERFAHREN FÜR THERMISCHE MASSENDURCHFLUSSMESSGERÄTE DIAGNOSTIC PROCEDURES FOR THERMAL MASS FLOW GAUGES

B E S C H R E I B U N GDESCRIPTION

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet thermischer Massendurchflussmesser. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Verfahren zur Diagnose eines Massendurchflussmessgerätes gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to the field of thermal mass flowmeters. In particular, it relates to a method for diagnosing a mass flow meter according to the preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

Das Messprinzip thermischer Massendurchflussmesser beruht auf der Abkühlung eines Heizelements durch das das Heizelement umströmende Fluid. Die entscheidende Grosse ist dabei der Wärmeübergang α von der Aussenseite des Heizelementes in die Strömung, welcher sich aus dem Verhältnis zwischen der eingebrachten Heizleistungsdichte q und der Temperaturdifferenz T0 -TF zwischen der Oberfläche des Heizelements undThe measuring principle of thermal mass flow meters is based on the cooling of a heating element by the fluid flowing around the heating element. The decisive factor here is the heat transfer α from the outside of the heating element into the flow, which is the ratio between the introduced heating power density q and the temperature difference T 0 -T F between the surface of the heating element and

dem Fluid ergibt α = — - — . Dieser Wärmeübergang ist direkt abhängig vonthe fluid gives α = - - -. This heat transfer is directly dependent on

der Strömung um das Heizelement und kann durch eine Gleichung der Form α = A(p v)m + B beschrieben werden. Der Wärmeübergang ist somit direkt abhängig vom Massenstrom p v . Die Konstanten A, B und m werden dabei durch den Sensoraufbau und die thermischen Eigenschaften des Fluids bestimmt. Aus der Temperaturdifferenz zwischen Heizer und Fluid sowie der dem Heizer zugefϋhrten Heizleistung kann nun der Massenstrom berechnet werden unter der Annahme, dass die Konstanten

Figure imgf000004_0001
konstant und z.B. aus einer Kalibrierung bekannt sind.the flow around the heating element and can by an equation of the form α = A (pv) m + B. The heat transfer is thus directly dependent on the mass flow pv. The constants A, B and m are determined by the sensor structure and the thermal properties of the fluid. From the temperature difference between heater and fluid as well as the heating power supplied to the heater, the mass flow can now be calculated under the assumption that the constants
Figure imgf000004_0001
constant and known eg from a calibration.

Bei thermischen Massendurchflussmessern erfolgt im Allgemeinen wie in der DE 361 7770 beschrieben, die Messung rein statisch mit einer konstanten Heizleistung oder einer konstanten Temperaturdifferenz zwischen Heizer und Strömung. Aus den Schriften GBl 345324, WO03/0581 78 sind allerdings auch Ausführungen bekannt, bei denen ein gepulster Betrieb erfolgt. Dort wird gepulster Betrieb mit dem Ziel angewendet, den Energieverbrauch für die Durchflussmessung zu senken, oder wie in der WO2006/01 8366, um sowohl die Durchflussrate als auch die Fluidtemperatur mit Hilfe nur eines Temperatursensors zu bestimmen.In the case of thermal mass flow meters, in general, as described in DE 361 7770, the measurement is purely static with a constant heat output or a constant temperature difference between the heater and the flow. From the writings GBl 345324, WO03 / 0581 78, however, embodiments are also known in which a pulsed operation takes place. There pulsed operation is used with the aim of reducing the energy consumption for the flow measurement, or as in WO2006 / 01 8366, to determine both the flow rate and the fluid temperature using only one temperature sensor.

Für die zuvor beschrieben Messverfahren wird dabei immer vorausgesetzt, dass der Wärmkontakt zwischen dem Heizelement bzw. der zum Heizelement zugehörigen Temperaturmessung und der Sensoroberfläche über die Lebensdauer des Messgerätes konstant bleibt. Jedoch beeinflussen Ablagerungen auf dem Sensor oder auch Veränderungen im Sensor den Wärmekontakt und verändern ihn. Damit ändern sich aber auch die Messeigenschaften des Sensors und führen zu Fehlmessungen in der Durchflussmessung. Das ausgegebene Messsignal kann dadurch deutlich von dem tatsächlichen Durchfluss abweichen. Um solche Änderungen detektieren zu können, wird in der WO 2004/001 349 vorgeschlagen, bei Betrieb mit einem geheizten und einem ungeheizten Temperaturfühler die Funktion der beiden Temperaturfühler zu tauschen und den Durchfluss ebenso bei getauschter Funktion der Sensoren zu bestimmen. Eine Abweichung der Durchflussraten im normalen und getauschten Betrieb zeigt dabei eine mögliche Fehlfunktion des Sensors an. Diese Erkennung setzt dabei aber eine unterschiedliche Änderung der Sensoren oder eine unterschiedlich starke Ablagerung auf den beiden Sensoren voraus. Bei gleicher Ablagerung oder Änderung in den Sensoren würde trotz stark abweichenden Messsignals ein korrekter Betrieb angezeigt. Auch entsteht durch den Wechsel der beiden Sensoren ein Unterbruch in der Messung, so dass ein kontinuierlicher Betrieb des Messgerätes nicht möglich ist.For the measurement methods described above, it is always assumed that the thermal contact between the heating element or the temperature measurement associated with the heating element and the sensor surface remains constant over the life of the measuring device. However, deposits on the sensor or changes in the sensor affect the thermal contact and change it. But this also changes the measuring characteristics of the sensor and leads to incorrect measurements in the flow measurement. As a result, the output measuring signal can deviate significantly from the actual flow rate. In order to be able to detect such changes, it is proposed in WO 2004/001 349 that, when operated with a heated and an unheated temperature sensor, the function of the to exchange both temperature sensors and to determine the flow also when the function of the sensors is changed. A deviation of the flow rates in normal and exchanged operation indicates a possible malfunction of the sensor. However, this detection requires a different change of the sensors or a different degree of deposition on the two sensors. In the case of the same deposit or change in the sensors, correct operation would be indicated despite a strongly deviating measurement signal. Also caused by the change of the two sensors an interruption in the measurement, so that a continuous operation of the meter is not possible.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die vorliegende Erfindung versucht zumindest einige der oben genannten Probleme zu mindern. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Diagnose eines Gerätes gemäss den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.The present invention seeks to alleviate at least some of the above problems. The object is achieved by a method for diagnosing a device according to the independent claims. Further advantages, features, aspects and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the figures.

Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Diagnose eines Gerätes zur Messung einer Prozessgrösse eines strömenden Fluids vorgeschlagen. Das Gerät zur Messung der Prozessgrösse umfasst ein Heizelement, welches mit einem alternierenden Strom- oder Spannungssignal beaufschlagt und dadurch beheizt wird. Als alternierendes Signal wird hier der regelmässige Wechsel zwischen unterschiedlichen Strom- bzw. Spannungsniveaus zu verstehen, was durch beliebige Funktion wie z.B. Sinus- Treppen- oder Pulsfolgen gegeben sein kann. Unter alternierend soll auch ein Strom oder eine Spannung verstanden werden, die einem Gleichstrom- bzw. einem Gleichspannungsanteil und einen Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsanteil enthält. Die vom Heizelement erzeugte Wärme wird sodann an das strömende Fluid abgegeben. Weiterhin umfasst das Gerät einen Sensor, welcher mit dem Fluid in thermischen Kontakt steht, d.h. der Sensor ist typischerweise vom Fluid umgeben. Der im Sensor stattfindenden Heiz- und Abkϋhlvorgang verursacht durch das Heizelement wird im Sensor gemessen. Aus dem Verlauf der gemessenen Kurven kann der Zustand des Temperatursensors und/ oder der Zustand des Heizelementes bestimmt werden. Heizelement und Temperatursensor können zwei separate Bauteile sein. Heizelement und Temeperatursensor können aber durchaus auch in einem einziges Bauteil vereint sein, beispielsweise in Form eines beheizbaren Temsperatursensors mit dem geheizt und die Temperatur gleichzeitig gemessen werden kann. Mit dem erfindungsgemässen Diagnoseverfahren ist nunmehr in situ also während des Betriebes des Gerätes möglich, die Funktionsfähigkeit und somit Altern, Verschmutzungen, Ablagerungen, Abtragungen am Heizelement und/ oder am Temperatursensor festzustellen. Mit der Feststellung der Funktionsfähigkeit kann die Messung der Prozessgrösse im Gerät während der Messung korrigiert werden.According to one aspect of the invention, a method for the diagnosis of a device for measuring a process variable of a flowing fluid is proposed. The device for measuring the process variable comprises a heating element, which is acted upon by an alternating current or voltage signal and thereby heated. As an alternating signal is here to understand the regular change between different current or voltage levels, which can be given by any function such as sinusoidal staircase or pulse sequences. Under alternating should also be understood a current or voltage, the a DC or DC voltage component and an AC or AC voltage component. The heat generated by the heating element is then released to the flowing fluid. Furthermore, the device comprises a sensor which is in thermal contact with the fluid, ie the sensor is typically surrounded by the fluid. The heating and cooling process in the sensor caused by the heating element is measured in the sensor. From the course of the measured curves, the state of the temperature sensor and / or the state of the heating element can be determined. Heating element and temperature sensor can be two separate components. Heating element and Temeperatursensor but may well be united in a single component, for example in the form of a heated Temsperatursensors with the heated and the temperature can be measured simultaneously. With the diagnostic method according to the invention, it is now possible in situ during operation of the device to determine the functionality and thus aging, soiling, deposits, erosion on the heating element and / or on the temperature sensor. By determining the functionality, the measurement of the process variable in the device can be corrected during the measurement.

Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren mit den in Anspruch 1 0 definierten Schritten vorgeschlagen, bei dem in einem Gerät eine Durchflussmessung eines Fluides vorgenommen und gleichzeitig eine Diagnose des selbigen Gerätes erstellt wird. Die gleichzeitige Durchflussmessung und Diagnose findet in situ und somit im Betrieb des Gerätes statt. Eine etwaige Entnahme von Heizelement oder Sensor zu diesem Zweck ist nicht nötig. Bei der gleichzeitigen Durchflussmessung und Diagnose laufen die Messung und die diagnostische Funktionsfeststellung parallel zur gleichen Zeit oder finden zumindest während des gleichen Messzyklus statt.According to a further aspect of the invention, a method is proposed with the steps defined in claim 1 0, in which a flow measurement of a fluid is made in a device and at the same time a diagnosis of the same device is created. The simultaneous flow measurement and diagnosis takes place in situ and thus during operation of the device. Any removal of heating element or sensor for this purpose is not necessary. Simultaneous flow measurement and diagnostics are performed with the measurement and diagnostic function determination at the same time or at least during the same measurement cycle.

Das erfinderische Verfahren zur gleichzeitigen Durchflussmessung und zur Diagnose des Messgerätes erlaubt somit, während des Messbetriebes die Funktionsfähigkeit des Messgerätes zu prüfen. Dies ist besonders vorteilhaft, bei schleichend oder kontinuierlich auftretenden Messfehlern, die keinen völligen Funktionsausfall des Gerätes bewirken und somit über eine lange Zeitdauer bis zu einer Revision des Gerätes unentdeckt bleiben würden.The inventive method for simultaneous flow measurement and for the diagnosis of the measuring device thus allows to check the functionality of the measuring device during the measuring operation. This is particularly advantageous in creeping or continuously occurring measurement errors that cause no complete malfunction of the device and thus would remain undetected over a long period of time until a revision of the device.

In Ausführungsformen ist die gemessene Prozessgrösse des Fluids der Massendurchfluss oder die Temperatur des Fluids. In Ausführungsformen gibt der diagnostizierte Zustand des Temperatursensors bzw. Zustand des Heizelementes Auskunft über die Funktionsfähigkeit d.h. über Verschmutzungsgrad oder Beschichtung von Temperatursensor bzw.In embodiments, the measured process size of the fluid is the mass flow or the temperature of the fluid. In embodiments, the diagnosed condition of the temperature sensor or state of the heating element provides information about the operability, i. about degree of soiling or coating of temperature sensor or

Heizelement. Hierdurch ist eine Überwachung von Temperatursensor und Heizelement möglich, womit Fehler bei Messung des Massendurchflusses oder der Temperatur vermieden werden.Heating element. This makes it possible to monitor the temperature sensor and the heating element, thus avoiding errors when measuring the mass flow or the temperature.

In Ausführungsformen ist das alternierende Strom -oder Spannungssignal mit welchem dem Heizelement versorgt wird ein quasi-periodisches Signal. Ein quasi-periodisches Signal zeichnet sich dadurch aus, dass die Periodendauer endlich ist, somit Unterbrechungen in der Periode auftreten und sich die Periodenlänge nach Unterbrechung der Periode ändern kann. In wieder anderen Ausführungsformen kann das Strom- oder Spannungssignal ein periodisches, insbesondere ein sinus- oder cosinusförmiges Signal sein. Kurze Beschreibung der ZeichnungenIn embodiments, the alternating current or voltage signal supplied to the heating element is a quasi-periodic signal. A quasi-periodic signal is characterized by the fact that the period duration is finite, thus interruptions in the period occur and the period length can change after interruption of the period. In still other embodiments, the current or voltage signal may be a periodic, in particular a sinusoidal or cosinusoidal signal. Brief description of the drawings

Es zeigen schematisch:They show schematically:

Fig. 1 ; Modell thermischer MassendurchflussmesserFig. 1; Model thermal mass flowmeter

Fig. 2 ; Simulation des Frequenzgangs (Amplitude) des Heizers ohne a) und b) mit 1 00 μm BeschichtungFig. 2; Simulation of the frequency response (amplitude) of the heater without a) and b) with 1 00 μm coating

Fig. 3 ;Simulation des Frequenzgangs (Phase) des Heizers ohne a) und b) mit 100 um BeschichtungFig. 3: Simulation of the frequency response (phase) of the heater without a) and b) with 100 μm coating

Fig. 4 ; Simulation der Änderung der Amplitude relativ zu einerFig. 4; Simulation of the change in amplitude relative to a

Referenzamplitude (keine Beschichtung, v= 1 0 m/s) a) durch eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit von 1 -1 00 m/s, b) durch eine Änderung der Beschichtung von 1 - 1 00 um, Anregungsleistung: Sinus (P=I +sin(2 pi f t)) mit 1 Hz (2 Hz)Reference amplitude (no coating, v = 1 0 m / s) a) due to a change in the flow velocity of 1 - 100 m / s, b) due to a change in the coating from 1 - 100 μm, excitation power: sinusoidal (P = I + sin (2 pi ft)) with 1 Hz (2 Hz)

Fig. 5 ; Regelstruktur mit adaptiver SignalkontrolleFig. 5; Control structure with adaptive signal control

Fig. 6 ; Algorithmus der adaptiven SignalkontrolleFig. 6; Algorithm of adaptive signal control

Fig. 7 ; Verlauf der Temperatur durch einen eindimensionalen Stab bei verschiedenen Anregungsfrequenzen der HeizquelleFig. 7; Course of the temperature by a one-dimensional rod at different excitation frequencies of the heat source

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenenThe reference numerals used in the drawings and their meaning are listed in the list of reference numerals. Basically, the same or equivalent parts are provided with the same or similar reference numerals in the figures. For the understanding of the invention non-essential parts are not shown in part. The described

Ausfϋhrungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung. Wege zur Ausführung der ErfindungExemplary embodiments are exemplary of the subject matter of the invention and have no limiting effect. Ways to carry out the invention

Um Messfehler eines thermischen Massendurchflussmesser zu detektieren, wird vorgeschlagen, die Heizleistung des Heizers 4 zeitlich zu verändern und die Antwort auf diese Änderung im Temperatursignal in Bezug auf die Verschmutzung des Sensors hin auszuwerten. Hierzu wird insbesondere der Unterschied im Verhalten von höher- und niederfrequenten Signalen im Sensor ausgenutzt. Die niederfrequenten (<0.1 -l Hz abhängig vom Sensoraufbau) Anteile im Temperatursignal werden sowohl von dem Wärmeübergang an der Aussenseite, welcher durch den Durchfluss gegeben ist, als auch die Wärmeleitfähigkeit des Sensors bestimmt. Höherfrequente Anteile werden dagegen vor allem durch die Wärmekapazität bzw. der Koppelung aus Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Sensors und des Fluids bestimmt. Da die Wärmekapazität insbesondere von Gasen sehr klein im Vergleich zu der Wärmekapazität eines Festkörpers, wie er für das Sensorelement verwendet wird, ist, beeinflusst das Gas und damit der Durchfluss die hochfrequenten Signale kaum. Eine auf die Oberfläche aufgebrachte Verschmutzung oder ein Abtrag an der Oberfläche beeinflusst diese dagegen sehr. In dem hochfrequenten Messsignal wird hierdurch eine Veränderung der Amplitude und der Phase für die einzelnen Frequenzen hervorgerufen, welche durch die Auswertung einzelner Frequenzen oder einem Vergleich verschiedener Frequenzen detektiert werden kann. Dies kann sowohl im Frequenzbereich, wie beschrieben durch den direkten Vergleich verschiedener Frequenzen, erfolgen als auch im Zeitbereich durch eine entsprechende Auswertung des Zeitverlaufs des Signals.In order to detect measurement errors of a thermal mass flow meter, it is proposed to change the heating power of the heater 4 in time and to evaluate the response to this change in the temperature signal with respect to the contamination of the sensor. In particular, the difference in the behavior of higher and low frequency signals in the sensor is exploited for this purpose. The low-frequency components (<0.1-l Hz depending on the sensor structure) in the temperature signal are determined both by the heat transfer on the outside, which is given by the flow, and the thermal conductivity of the sensor. In contrast, higher-frequency components are primarily determined by the heat capacity or the coupling of heat capacity and thermal conductivity of the sensor and of the fluid. Since the heat capacity, in particular of gases, is very small in comparison to the heat capacity of a solid, as used for the sensor element, the gas and thus the flow hardly influence the high-frequency signals. On the other hand, a contamination or surface abrasion applied to the surface influences it very much. In the high-frequency measurement signal, this causes a change in the amplitude and the phase for the individual frequencies, which can be detected by the evaluation of individual frequencies or a comparison of different frequencies. This can be done both in the frequency range, as described by the direct comparison of different frequencies, as well as in the time domain by a corresponding evaluation of the time course of the signal.

Figur 1 zeigt schematisch den Querschnitt durch ein schichtartig (schraffiert dargestellt) aufgebautes Heizelement 4, an dem sich eine Beschichtung 2 abgelagert hat und das von einem Fluid 1 in Pfeilrichtung angeströmt wird. Das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild verdeutlicht den Wärmeϋbertrag vom Ort der Wärmeerzeugung 5 durch das Heizelement 4 in das Fluid 1 . Die eingebrachte Heizleistung P wird bedingt durch den Aufbau (Schichten) des Heizers 4, eine Beschichtung 2 und das Fluid 1 gedämpft, symbolisiert durch Dämpfungsgliedern RiCi, R2C2, R3C3, RcCc und denFigure 1 shows schematically the cross section through a layer-like (hatched shown) constructed heating element 4, on which a coating 2 has deposited and which is flowed by a fluid 1 in the arrow direction. The associated electrical equivalent circuit diagram illustrates the heat transfer from the location of the heat generation 5 by the heating element 4 in the fluid. 1 The introduced heating power P is attenuated due to the structure (layers) of the heater 4, a coating 2 and the fluid 1, symbolized by attenuators RiCi, R2C2, R3C3, RcCc and the

Wärmeϋbergangswiderstand RM zwischen der Oberfläche des Heizers 4 und dem Fluid 1 .Heat transfer resistance RM between the surface of the heater 4 and the fluid 1.

In der Praxis wird nun die Heizleistung des Heizelementes 4 gezielt variiert. Dies kann zum einen in einer speziellen Messung im Offline Modus erfolgen, aber es kann auch online gemessen werden, indem auf das statische Messsignal ein zeitlich veränderliches Signal aufmoduliert wird. Dies kann in einem späteren Schritt für die Durchflussmessung wieder herausgefiltert werden. Oder falls der Temperatursensor bereits für die Durchflussmessung in einem gepulsten Modus arbeitet, können diese Änderungen in der Heizleistung zusätzlich für die Beschichtungserkennung ausgenutzt werden. Die Form, in welcher die Heizleistung P variiert wird, kann unterschiedlich gewählt werden. Wichtig dabei ist nur, dass relevante Frequenzanteile enthalten sind oder zumindest zusätzlich zum statischen Grundsignal f=0 Hz ein höherfrequentes Signal also mit einer Frequenz f>0 Hz vorhanden ist. Auf diese Variation des Heizsignals reagiert der Sensor mit einer Temperaturänderung am Sensor, welche wie oben beschrieben auf eine Beschichtungserkennung hin analysiert wird.In practice, the heating power of the heating element 4 is now selectively varied. This can be done on the one hand in a special measurement in offline mode, but it can also be measured online by modulating on the static measurement signal a time-varying signal. This can be filtered out again in a later step for flow measurement. Or if the temperature sensor already works in a pulsed mode for the flow measurement, these changes in the heating power can additionally be utilized for the coating detection. The shape in which the heating power P is varied may be selected differently. It is important only that relevant frequency components are included or at least in addition to the static fundamental signal f = 0 Hz a higher-frequency signal is thus present with a frequency f> 0 Hz. The sensor reacts to this variation of the heating signal with a temperature change at the sensor, which is analyzed for coating detection as described above.

Interessant ist dieser Art von Diagnose vor allem für thermische Massendurchflusssensoren für Gase, da hier das Messsignal sehr stark durch eine Beschichtung bzw. Änderung des Aufbaus beeinflusst wird. Bei Flüssigkeiten wird die Diagnose schwieriger kann aber auch noch angewandt werden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind reine Temperatursensoren. Bei diesen ruft eine etwaige Beschichtung, Ablagerungen oder Verschmutzungen zunächst keine Änderung im Sensorsignal hervor, es wird vor allem nur die Ansprechzeit beeinflusst. Aber bei sehr dicken Ablagerungen oder bei Unterbrϋchen im Wärmekontakt zwischen Sensorelement und zu messenden Medium kann diese Diagnose von Vorteil sein. Detektiert werden können mit dieser Diagnose Beschichtungen auf dem Sensor oder Abtragungen von der Oberfläche des Sensors. Ebenso können aber Brüche innerhalb des Sensors, welche z.B. durch Spannungen oder chemischen Veränderungen im Sensor entstehen, detektiert werden. Auf diese reagiert dieses Verfahren sogar deutlich empfindlicher, da sie näher am Sensorelement liegen. Bei sehr empfindlicher Messtechnik oder beiThis type of diagnosis is particularly interesting for thermal mass flow sensors for gases, since the measurement signal is very strongly influenced by a coating or change in the structure. For liquids, the diagnosis is more difficult but can still be used. Further applications are pure temperature sensors. In these, any coating, debris or contamination will initially cause no change in the sensor signal, it will especially only the response time influenced. But with very thick deposits or interruptions in thermal contact between the sensor element and the medium to be measured, this diagnosis may be advantageous. With this diagnosis it is possible to detect coatings on the sensor or erosions from the surface of the sensor. Likewise, however, fractures within the sensor, which arise, for example, as a result of tensions or chemical changes in the sensor, can be detected. This process even reacts much more sensitively to these because they are closer to the sensor element. For very sensitive measurement technology or at

Flüssigkeiten könnten sogar zusätzlich auch noch Materialeigenschaften des Fluids, wie dessen Wärmekapazität gemessen werden und als zusätzliche Diagnosefunktion ausgegeben werden.In addition, even fluid properties of the fluid, such as its heat capacity, could be measured and liquids could be output as an additional diagnostic function.

Der Sensor zeigt schon bei niedrigen Frequenzen je nach Beschichtung 2 einen unterschiedlichen Frequenzverlauf wie Figur 2 und Figur 3 dargestellt.The sensor shows even at low frequencies depending on the coating 2 a different frequency response as shown in Figure 2 and Figure 3.

Figur 2 zeigt die Simulation des Frequenzgangs (Amplitude) des Sensor imFIG. 2 shows the simulation of the frequency response (amplitude) of the sensor in FIG

Graph (a) ohne Beschichtung und in Graph b) mit einer 1 00 μmGraph (a) without coating and in graph b) with a 1 00 μm

Beschichtung. Es ist die relative Amplitude über der Frequenz in Hz aufgetragen. Eine deutliche Änderung in der Amplitude zwischen beschichtetem Sensor und unbeschichtetem Sensor ist im Bereich zwischenCoating. The relative amplitude is plotted against the frequency in Hz. A significant change in amplitude between coated sensor and uncoated sensor is in the range between

0.3 Hz und 1 2 Hz feststellbar. Eine entsprechende Simulation des0.3 Hz and 1 2 Hz detectable. An appropriate simulation of the

Frequenzgangs (Phase φ) des Sensor wurde in Figur 3 vorgenommen, wobeiFrequency response (phase φ) of the sensor was made in Figure 3, wherein

Graph a) die Simulation für einen Sensor ohne Beschichtung und Graph b) dieGraph a) the simulation for a sensor without coating and graph b) the

Simulation mit 1 00 μm Beschichtung am Sensor zeigt. Es ist dabei die relative Phasenverschiebung φ gegenüber der Frequenz f aufgetragen.Simulation with 1 00 μm coating on the sensor shows. It is the relative phase shift φ plotted against the frequency f.

Insbesondere im Bereich 1 -1 0 Hz weichen in diesem Beispiel der Amplituden- und Phasengang des beschichteten Sensors deutlich vom unbeschichteten Sensor ab. Im Gegensatz dazu werden diese Frequenzen von einer Änderung der Durchflussmenge nur wenig beeinflusst. Dieses Verhalten wird zur Bestimmung der Beschichtung genutzt , ohne dabei die Durchflussmessung zu stören.In particular, in the range 1 -1 0 Hz in this example, the amplitude and phase response of the coated sensor deviate significantly from the uncoated sensor. In contrast, these frequencies become influenced by a change in the flow rate only slightly. This behavior is used to determine the coating without disturbing the flow measurement.

Das Prinzip der Messung beruht darauf, den Sensor mit einer Frequenz anzuregen, in dem z.B. die Heizleistung sinusförmig variiert wird, und anschliessend von dem resultierenden Temperatursignal die Amplitude oder die Phase analysiert wird. Alternativ kann der Sensor auch mit mehreren Frequenzen oder einem kompletten Frequenzspektrum angeregt werden und anschliessend wird die interessierende(n) Frequenz(en) herausgefiltert. Die Amplitude bzw. Phase dieser Frequenz wird einmal im Urzustand des Sensors gemessen und als Referenz verwendet. Später wird regelmässig während des Betriebs diese Amplitude bzw. Phase wiederum gemessen und mit dem Ausgangszustand verglichen. Da die Amplitude bzw. Phase durch den Beschichtungszustand verändert wird, zeigt eine Änderung der Amplitude die Beschichtung des Sensors an. Die Frequenz sollte dabei so gewählt werden, dass sie nur noch wenig durch eine Strömungsänderung beeinflusst wird.The principle of the measurement is based on exciting the sensor with a frequency in which e.g. the heating power is varied sinusoidally, and then the amplitude or the phase is analyzed by the resulting temperature signal. Alternatively, the sensor can be excited with several frequencies or a complete frequency spectrum and then the interesting frequency (s) is filtered out. The amplitude or phase of this frequency is measured once in the original state of the sensor and used as a reference. Later, this amplitude or phase is again measured during operation and compared with the initial state. Since the amplitude or phase is changed by the coating state, a change in the amplitude indicates the coating of the sensor. The frequency should be chosen so that it is only slightly influenced by a change in flow.

Dieser Vorgang ist in Figur 4 dargestellt. Hier ist die Änderung der Amplitude bei einer Frequenz von 1 Hz durch eine Beschichtung dargestellt. Es zeigt sich deutlich, wie sich diese Amplitude A/Ao mit zunehmender Beschichtung der Dicke dcoat ändert. Ist das Material der Beschichtung bekannt, kann sogar direkt die Beschichtungsdicke dcoat bestimmt werden. Gleichzeitig ist auch einmal der Durchfluss Ffiow innerhalb des allgemeinen Durchflussbereichs variiert worden. Hier zeigt sich, dass bereits für diese Frequenz die Änderung des Durchflusses Ffiow nur einen minimalen Einfluss auf diese Amplitude A/Ao hat und eine Änderung der Amplitude A/Ao somit eine klare Indikation für die Beschichtung des Sensors ist. Zusätzlich kann der Einfluss einer Durchflussänderung aber auch noch durch die Messung bei anderen z.B. niedrigeren Frequenzen korrigiert werden, da diese stärker auf den Durchfluss reagieren. Z.B. wird im statischen Fall der Durchfluss gemessen und mit diesem Wert das Ergebnis für die Beschichtung korrigiert.This process is shown in FIG. Here, the change in amplitude at a frequency of 1 Hz is represented by a coating. It clearly shows how this amplitude A / Ao changes with increasing coating thickness d coa t. If the material of the coating is known, it is even possible to directly determine the coating thickness d coa t. At the same time once the flow Ffi ow has been varied within the general flow range. This shows that even for this frequency, the change in the flow Ffow ow has only a minimal effect on this amplitude A / O o and a change in the amplitude A / Ao is thus a clear indication for the coating of the sensor. In addition, the influence of a flow change but also by the measurement at other eg lower frequencies can be corrected, as they react more to the flow. For example, in the static case the flow is measured and with this value the result for the coating is corrected.

In dem hier vorgestellten Beispiel liegen die interessanten Frequenzen, welche am empfindlichsten auf eine Beschichtung reagieren, im Bereich von 1 -1 0 Hz. Allgemein liegt dieser Bereich für einen generellen Sensor im Bereich der „Eigenfrequenz" des Sensors, welche sich gemäss

Figure imgf000013_0001
In the example presented here, the interesting frequencies, which are most sensitive to a coating, are in the range of 1 -1 0 Hz. In general, this range for a general sensor is in the range of the "natural frequency" of the sensor, which follows
Figure imgf000013_0001

berechnen lässt, wobei a = — die thermische Diffusivität odercan calculate, where a = - the thermal diffusivity or

Temperaturleitfähigkeit ist und λ die Wärmeleitfähigkeit, p die Dichte und c die spezifische Wärmekapazität des Sensors, d stellt den Abstand zwischen den Heizdrähten und der Oberfläche dar. Im hier dargestellten Beispiel liegt dieser Frequenz etwa bei 5 Hz.Thermal diffusivity and λ is the thermal conductivity, p the density and c the specific heat capacity of the sensor, d represents the distance between the heating wires and the surface. In the example shown here, this frequency is about 5 Hz.

Weiterhin kann mit dem Diagnoseverfahren eine Lokalisierung auftretender Fehlfunktion am Sensor vorgenommen werden. Dazu werden verschiedene Messungen mittels des Temperatursensors vorgenommen, wobei der AC Anteil der im Heizelement erzeugten Heizleistung jeweils mit einer anderen Frequenz angeregt wird. Man nutzt, dass bedingt durch den periodischen Anteil im Heizsignal die sich ausbreitende Amplitude der räumlichen Temperaturverteilung frequenzabhängig ist und sich die ausbreitende Amplitude bei höheren Frequenzen schneller abschwächt als bei niedrigeren Frequenzen. Bei höheren Frequenzen findet somit eine stärkere Lokalisierung der Amplitude um das Heizelement herum statt. Ein solches Verhalten ist in Figur 8 für einen eindimensionalen stabförmigen Körper dargestellt und lässt sich mittels der Wärmeleitungsgleichung für jeweilige Körper berechnen. Die Temperatur Treι ist über den Abstand drei zur Heizquelle für ausgewählte Anregungsfrequenzen f/b=0.1 , f/b= l , f/b=l O und f/b= 100 aufgetragen. Lösungen der zugehörigen Wärmeleitungsgleichungen sind in diesem Fall von der FormFurthermore, a localization of malfunction occurring at the sensor can be made with the diagnostic method. For this purpose, various measurements are made by means of the temperature sensor, wherein the AC component of the heating power generated in the heating element is excited in each case with a different frequency. It is used that due to the periodic component in the heating signal, the propagating amplitude of the spatial temperature distribution is frequency-dependent and the propagating amplitude attenuates faster at higher frequencies than at lower frequencies. At higher frequencies, therefore, there is a greater localization of the amplitude around the heating element. Such a behavior is illustrated in FIG. 8 for a one-dimensional rod-shaped body and can be calculated for the respective body by means of the heat conduction equation. The Temperature T re ι is applied over the distance three to the heating source for selected excitation frequencies f / b = 0.1, f / b = 1, f / b = 1 O and f / b = 100. Solutions of the associated heat equation are in this case of the form

T(x) = A1 * ea + A2 * e~a mit κ = (l + i)* J—T (x) = A 1 * e a + A 2 * e ~ a with κ = (l + i) * J-

V b und wobei f die anregende Frequenz, K der Wellenvektor, x der Abstand und b eine materialabhängige Konstante sind. Es ist ersichtlich, dass höhere Frequenzen zu einem grosseren Realteil des Wellenvektors K und damit zu einer stärkeren Dämpfung der Wärmeausbreitung führen. Insbesondere kann man dadurch die Wärmeableitung durch die Halterung des Sensorelementes bestimmen und eine Änderung der Wärmeleitung erkennen, die z.B. durch eine Veränderung einer Wandtemperatur, oder einer Änderung der Wärmeleitung in der Halterung selber verursacht wird, da Amplitude und Phase der Wärmewelle bei kleinen Frequenzen durch diesen Wärmeübergang verändert werden, während sie bei grossen Frequenzen unabhängig davon sind.V b and where f is the exciting frequency, K is the wave vector, x is the distance and b is a material-dependent constant. It can be seen that higher frequencies lead to a larger real part of the wave vector K and thus to a greater attenuation of the heat propagation. In particular, it can thereby determine the heat dissipation through the support of the sensor element and detect a change in the heat conduction, which is e.g. is caused by a change in a wall temperature, or a change in the heat conduction in the holder itself, since the amplitude and phase of the heat wave at low frequencies are changed by this heat transfer, while they are independent of it at high frequencies.

Als weitere Diagnose lassen sich Risse oder Brüche innerhalb des Sensors erkennen. Hier wählt man wiederum eine Frequenz klein genug, dass die Wärmewelle bis zur Riss- oder Bruchstelle reicht und vergleicht dies mit einem Wert bei einer so hohen Frequenz, bei der dieser Unterbruch des Wärmestromes keine Rolle mehr spielt.As a further diagnosis, cracks or breaks within the sensor can be detected. Here again, one chooses a frequency small enough that the heat wave reaches to the crack or break point and compares this with a value at such a high frequency at which this interruption of the heat flow no longer plays any role.

Im Gerät wird dazu vorteilhaft das Verhalten des Sensors bei verschiedenen Durchflussraten abgespeichert und später mit den Werten im Betrieb verglichen. Eine Diskrepanz zwischen verschiedenen Messwerten kann dann zur Lokalisierung der Fehlerursache benutzt und geeignete Korrekturen des Durchflusssignals vorgenommen werden. Die Durchflussratenbestimmung für thermische Massendurchflussmesser wird im niederfrequenten Bereich zwischen O Hz bis einige Hz durchgeführt. Da auch die Diagnose, z.B. die Feststellung einer Beschichtung am Temperatursensor oder am Heizelement, in diesem Frequenzbereich durchgeführt werden soll, entfällt die Möglichkeit der Filterung um die Nutzsignale für die Durchflussmessung von den Nutzsignalen für die Diagnose zu trennen. Somit kann keine Trennung der Signale im konventionellen Fall verwendet werden, was eine gleichzeitige Durchflussmessung bei gleichzeitiger Diagnose ermöglichen würde.The device advantageously stores the behavior of the sensor at different flow rates and later compares it with the values during operation. A discrepancy between different measured values can then be used to localize the cause of the error and appropriate corrections to the flow signal can be made. The flow rate determination for thermal mass flow meters is performed in the low frequency range between O Hz to several Hz. Since the diagnosis, for example, the determination of a coating on the temperature sensor or the heating element to be performed in this frequency range, eliminates the possibility of filtering to separate the useful signals for the flow measurement of the useful signals for the diagnosis. Thus, no separation of the signals can be used in the conventional case, which would allow a simultaneous flow measurement with simultaneous diagnosis.

Figur 5 zeigt einen erfinderischen Regelkreis 1 0 auf dem mittels einesFigure 5 shows an inventive control loop 1 0 on the means of a

Algorithmus die unabhängige und gleichzeitige Messung von Durchflussrate und Diagnose ermöglicht wird. Dabei kann Diagnose z.B. die Feststellung einer Beschichtung am heizbaren Temperatursensor TH sein. Der Regelkreis 1 0 weist einen ersten Regler R, ein Verstärkungseinheit V, einen heizbaren Temperatursensor TH, einen Temperatursensor TF zur Messung der Fluidtemperatur und einen adaptiven Signalregler A auf.Algorithm allows independent and simultaneous measurement of flow rate and diagnosis. Diagnosis may be, for example, the detection of a coating on the heatable temperature sensor T H. The control loop 10 has a first regulator R, an amplification unit V, a heatable temperature sensor T H , a temperature sensor T F for measuring the fluid temperature and an adaptive signal regulator A.

Der resultierende Temperaturunterschied zwischen der Temperatur des heizbaren Temperatursensors TH und der Temperatur des Fluids ist eine Eingangsgrösse für den Regler R. Der Regler R, welcher z.B. ein Proportionalintegral-Regler ist, regelt den Temperaturunterschied nach, so dass die Temperatur des Heizers TH eine konstant höhere Temperatur als diejenige Temperatur des Fluids 1 annimmt, wobei letztere über den Temperatursensor TF gemessen wird. Die dafür benötigte Leistung am Ausgang des Reglers R wird so nachgestellt, dass dieThe resulting temperature difference between the temperature of the heatable temperature sensor T H and the temperature of the fluid is an input to the controller R. The controller R, which is for example a proportional integral controller, regulates the temperature difference, so that the temperature of the heater T H a assumes a constant higher temperature than that of the fluid 1, the latter being measured via the temperature sensor T F. The required power at the output of the regulator R is adjusted so that the

Temperaturüberhöhung dem Referenzwert ref am Eingang des Reglers R entspricht. Zur Charakterisierung von zusätzlichen Eigenschaften wird dem Wert für die Ausgangsleistung des Reglers R neu ein alternierendes Leistungssignal Pait mittels Verstärkungseinheit V überlagert, welches aus mehreren periodischen Komponenten bestehen kann. Der Ausgang der Verstärkungseinheit V liefert eine zeitveränderliche Leistung 1 1 . Der mit der zeitveränderlichen Leistung 1 1 beaufschlagte Heizer des heizbaren Temperatursensors TH ändert seine Temperatur 1 2 in Korrelation mit der beaufschlagten Leistung. Diese Temperatur 1 2 wird mittels Temperatursensor TH gemessen. Abhängig von den Eigenschaften des Heizers und dessen Beschichtung 2, von den Eigenschaften des umgebenden Fluids und dessen Geschwindigkeit bezüglich des Heizers, fällt diese Korrelation unterschiedlich aus. Das Ausgangssignal des beheizbaren Temperatursensors TH wird korrigiert mittels des Ausgangssignals 1 3 des adaptiven Signalreglers A. Dieses korrigiert Signal dient einerseits als Eingangssignal für den adaptiven Signalregler A und andererseits als Eingangssgrösse für den Regler R. Der adaptive Signal Kontroll Algorithmus des adtaptiven Signalreglers A teilt neu das zeitveränderliche Signal am Ausgang des beheizbaren Temperatursensors TH in zwei Komponenten auf: ein Gleichspannungssignal (DC Signal) und ein Wechselspannungssignal (AC Signal), wobei letzteres aus periodischen Komponenten besteht. Das DC Signal ist hier in erster Linie ein Mass für das primäre Durchflusssignal. Der Vergleich von überlagertem AC Leistungssignal Pait zu dem AC Anteil am Ausgang des heizbaren Temperatursensors TH ist ein Mass für die Eigenschaften des Heizers und der ihn umgebenden Medien. Die Subtraktion dieser ermittelten AC Anteile liefert die um die überlagerten Signale bereinigte Übertemperatur des Heizers TH gegenüber der Temperatur des Fluids.Temperature increase corresponds to the reference value ref at the input of the regulator R. In order to characterize additional properties, the value for the output power of the regulator R becomes an alternating one Power signal P a it superimposed by means of amplification unit V, which may consist of several periodic components. The output of the amplification unit V provides a time-varying power 1 1. The acted upon by the time-varying power 1 1 heater of the heatable temperature sensor T H changes its temperature 1 2 in correlation with the applied power. This temperature 1 2 is measured by means of temperature sensor T H. Depending on the properties of the heater and its coating 2, the properties of the surrounding fluid and its speed with respect to the heater, this correlation is different. The output signal of the heatable temperature sensor T H is corrected by means of the output signal 1 3 of the adaptive signal regulator A. This corrected signal serves as input signal for the adaptive signal regulator A and as input variable for the regulator R. The adaptive signal control algorithm of the adaptive signal regulator A divides new the time-varying signal at the output of the heated temperature sensor T H in two components: a DC signal (DC signal) and an AC signal (AC signal), the latter consists of periodic components. The DC signal is primarily a measure of the primary flow signal. The comparison of the superimposed AC power signal P a to the AC content at the output of the heatable temperature sensor T H is a measure of the properties of the heater and the surrounding media. The subtraction of these ascertained AC components supplies the overtemperature of the heater T H , which has been adjusted by the superimposed signals, with respect to the temperature of the fluid.

Figur 6 zeigt einen Algorithmus der adaptiven Signalkontrolle. Das Eingangssignal 1 4 liegt im Zeitbereich kontinuierlich oder zeit-/wertediskret vor. Bei rekursiver Verwendung des Algorithmus entspricht es dem Fehlersignal zwischen Signal und Kompensation. Das Signal im Zeitbereich wird durch Produktdemodulation 1 5 in seine Fourierkomponeten zerlegt. Dies kann auch mittels einer Fouriertransformation geschehen, was bei mehreren gleichzeitigen Frequenzkomponenten interessant wird. Durch Anwenden des „Adaptive Control Law" werden die Fourierkoeffizienten x per Vektortransformation in Vektoren u transformiert. Die Matrix A enthält dabei die Informationen über das System und unterliegt Stabilitätskriterien. Das Kompensationssignal wird im rekursiven Fall durch Summation mit dem alten Kompensationssignals berechnet. Durch eine inverse Fouriertransformation oder Produktmodulation wird ein Kompensationssignal 1 3 berechnet, welches zurück ins Messsystem gegeben wird. Figure 6 shows an algorithm of adaptive signal control. The input signal 1 4 is present in the time domain continuously or time / value-discreet. With recursive use of the algorithm it corresponds to the Error signal between signal and compensation. The signal in the time domain is decomposed by product demodulation 15 into its Fourier components. This can also be done by means of a Fourier transformation, which becomes interesting with several simultaneous frequency components. By applying the "Adaptive Control Law", the Fourier coefficients x are transformed into vectors u by vector transformation.The matrix A contains the information about the system and is subject to stability criteria.The compensation signal is calculated in the recursive case by summing with the old compensation signal Fourier transformation or product modulation is calculated a compensation signal 1 3, which is given back into the measuring system.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

a Kurve für einen unbeschichteten Sensor b Kurve für eine Sensor mit Ablagerungen Ci , C2, C3. Cc Kapazitäta Curve for an uncoated sensor b Curve for a sensor with deposits Ci, C2, C3. Cc capacity

P HeizleistungP heating power

Pait altern. Leistungssignal am Eingang der Verstärkungseinheit VPait age. Power signal at the input of the amplification unit V

Ri , R2, R3, Rc WiderstandRi, R2, R3, Rc resistance

RM Widerstand ref ReferenzwertRM resistance ref reference value

TH heizbarer TemperatursensorT H heatable temperature sensor

TF TemperatursensorT F temperature sensor

1 Fluid1 fluid

2 Ablagerung, Verschmutzung, Beschichtung auf dem Heizer 3 Richtung des Wärmetransports2 deposition, contamination, coating on the heater 3 direction of heat transport

4 Heizelement4 heating element

5 Ort der Wärmeerzeugung im Heizelement5 Place of heat generation in the heating element

1 0 Regelkreis1 0 control loop

1 1 Leistungssignal am Ausgang der Verstärkungseinheit 1 2 Temperatursignal am Ausgang des heizbaren Temperatursensors1 1 Power signal at the output of the amplification unit 1 2 Temperature signal at the output of the heatable temperature sensor

1 3 Korrektursignal u. des adaptiven Signalreglers1 3 correction signal u . the adaptive signal controller

1 4 Eingangssignal des Algorithmus1 4 input signal of the algorithm

1 5 Produktmodulation 1 5 Product Modulation

Claims

PATENTANSPRÜCHE . Verfahren zur Diagnose eines Gerätes zur Messung einer Prozessgrösse eines strömenden Fluids (1 ), wobei ein heizbares, Method for diagnosing a device for measuring a process variable of a flowing fluid (1), wherein a heatable Heizelement (4, TH) mit einem alternierenden Strom- oder Spannungssignal geheizt wird und die erzeugte Wärme zumindest teilweise an das Fluid (1 ) abgibt und ein Temperatursensor (TF, TH) mit dem Fluid (1 ) thermisch in Kontakt gebracht wird, und wobei der Verlauf eines im Temperatursensor stattfindenden Heiz- und/oderHeating element (4, T H ) is heated with an alternating current or voltage signal and at least partially releases the heat generated to the fluid (1) and a temperature sensor (T F , T H ) is thermally brought into contact with the fluid (1) , and wherein the course of taking place in the temperature sensor heating and / or Abkϋhlvorganges gemessen wird und daraus der Zustand des Temperatursensors (TF, TH) und/ oder des Heizelementes (4, TH) diagnostiziert wird.Abkühlvorganges is measured and from the condition of the temperature sensor (T F , T H ) and / or the heating element (4, T H ) is diagnosed. 2. Verfahren zur Diagnose eines Gerätes zur Messung einer2. Method for diagnosing a device for measuring a Prozessgrösse gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgrösse der Massendurchfluss und/ oder die Temperatur gemessen wird und dass aus dem Zustand des Temperatursensors (TF, TH) und / oder des Heizelementes (4, TH) die Funktionsfähigkeit, insbesondere eine Verschmutzung und/oder eine Beschichtung desProcess variable according to claim 1, characterized in that the mass flow and / or the temperature is measured as the process variable and that from the state of the temperature sensor (T F , TH) and / or the heating element (4, T H ), the functionality, in particular pollution and / or a coating of Temperatursensors (TF, TH) und/oder des Heizelementes (4, TH), ermittelt wird.Temperature sensor (T F , T H ) and / or the heating element (4, T H ), is determined. 3. Verfahren zur Diagnose eines Gerätes zur Messung einer Prozessgrösse gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das alternierende Strom- oder Spannungssignal ein quasi-periodisches Signal ist. 3. A method for diagnosing a device for measuring a process variable according to one of claims 1 or 2, characterized in that the alternating current or voltage signal is a quasi-periodic signal. 4. Verfahren zur Diagnose gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das alternierende Strom- oder Spannungssignal ein periodisches, insbesondere ein sinusförmiges Signal ist.4. Method for diagnosis according to one of claims 1 to 3, characterized in that the alternating current or voltage signal is a periodic, in particular a sinusoidal signal. 5. Verfahren zur Diagnose gemäss einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem DC-Signal oder einem niederfrequenten quasi DC-Signal die Temperatur des Fluids (1 ) bestimmt wird und/oder der Durchfluss des Fluids (1 ) bestimmt wird.5. A method for diagnosis according to one of the preceding claims, characterized in that from a DC signal or a low frequency quasi DC signal, the temperature of the fluid (1) is determined and / or the flow of the fluid (1) is determined. 6. Verfahren zur Diagnose gemäss einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal im Anfangszustand, insbesondere in einem unverschmutzten Zustand des Heizelements (4, TH) und des Temperatursensors (TF, TH) bestimmt wird und als Sollsignal mit einem Istsignal während des Betriebs verglichen und aus einer Abweichung zwischen Soll- und Istsignal ein6. Method for diagnosis according to one of the preceding claims, characterized in that the signal in the initial state, in particular in an unpolluted state of the heating element (4, TH) and the temperature sensor (T F , T H ) is determined and as a desired signal with an actual signal during operation and a deviation between the setpoint and actual signal Funktionsfähigkeitssignal oder eine Signalkorrektur bestimmt wird.Functional signal or a signal correction is determined. 7. Verfahren zur Diagnose gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phase und/oder eine Amplitude des Sollsignals mit einer Phase und/oder einer Amplitude des Istsignal während des Betriebs verglichen wird.7. Method for the diagnosis according to one of the preceding claims, characterized in that a phase and / or an amplitude of the desired signal is compared with a phase and / or an amplitude of the actual signal during operation. 8. Verfahren zur Diagnose gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4, TH) ein beheizbarer erster Temperatursensor (TH) ist und der8. Method for diagnosis according to one of the preceding claims, characterized in that the heating element (4, T H ) is a heatable first temperature sensor (T H ) and the Temperatursensor ein beheizbarer zweiter Temperatursensor (TH) ist, insbesondere dass erster und zweiter Temperatursensor austauschbar betreibbar sind, z.B. bei Umkehr der Durchströmrichtung des Fluids. Temperature sensor is a heatable second temperature sensor (T H ), in particular that the first and second temperature sensor are interchangeable operable, for example, upon reversal of the flow direction of the fluid. 9. Verfahren zur Diagnose gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Vergleich vom Istsignal und Sollsignal die Dicke der Beschichtung bestimmt wird.9. Method for the diagnosis according to claim 7, characterized in that the thickness of the coating is determined from the comparison of the actual signal and desired signal. 1 0. Verfahren zur gleichzeitigen Durchflussmessung eines Fluides und Diagnose eines Gerätes zur Messung eines Massendurchflusses eines strömenden Fluids, wobei ein heizbares Heizelement (TH) mit einem periodischen Strom- oder Spannungssignal beaufschlagt wird, wobei der Verlauf des im Temperatursensor (TF) stattfindenden Heiz- und/oder Abkϋhlvorganges gemessen wird und wobei ein periodischer Anteil eines Signals welcher aus dem Verlauf des Temperatursensor (TF) stattfindenden Heiz- und/oder Abkϋhlvorganges resultiert mittels eines Algorithmus subtrahiert wird.1 0. A method for simultaneous flow measurement of a fluid and diagnosis of a device for measuring a mass flow of a flowing fluid, wherein a heatable heating element (T H ) is acted upon by a periodic current or voltage signal, wherein the course of the temperature sensor (T F ) taking place Heating and / or Abkϋhlvorganges is measured and wherein a periodic portion of a signal which resulting from the course of the temperature sensor (TF) heating and / or cooling process is subtracted by means of an algorithm. 1 1 . Verfahren gemäss Anspruch 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal fouriertransformiert wird und der niederfrequente Anteil zur Durchflussmessung und der höherfrequente Anteil zur Überwachung der Funktionsfähigkeit, insbesondere des Verschmutzungsgrades und optional zur Bestimmung eines korrigierten Durchflussmesssignals, verwendet wird. 1 1. A method according to claim 1 0, characterized in that the signal is Fourier transformed and the low-frequency component for flow measurement and the higher-frequency component for monitoring the functionality, in particular the degree of contamination and optionally for determining a corrected flow measurement signal is used.
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