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WO2016096460A1 - Thermisches durchflussmessgerät mit diagnosefunktion - Google Patents

Thermisches durchflussmessgerät mit diagnosefunktion Download PDF

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Publication number
WO2016096460A1
WO2016096460A1 PCT/EP2015/078531 EP2015078531W WO2016096460A1 WO 2016096460 A1 WO2016096460 A1 WO 2016096460A1 EP 2015078531 W EP2015078531 W EP 2015078531W WO 2016096460 A1 WO2016096460 A1 WO 2016096460A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor element
temperature
resistance
thermal
heating power
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/EP2015/078531
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Arnold
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.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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 Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of WO2016096460A1 publication Critical patent/WO2016096460A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/6965—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters comprising means to store calibration data for flow signal calculation or correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692—Thin-film arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/10—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
    • G01P5/12—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables using variation of resistance of a heated conductor

Definitions

  • the invention relates to a thermal flow meter, in particular a thermal flow meter for determining and / or monitoring the mass flow and / or the flow rate of a fluid through a conduit having at least one sensor element and an electronic unit, and a method for operating such a flow meter. Furthermore, a statement about the state of the at least one sensor element can be made.
  • Flowmeter thus has a diagnostic function.
  • Corresponding field devices are manufactured and distributed by the applicant, for example, under the name t-switch, t-trend or t-mass.
  • the underlying measurement principles are accordingly made up of a large number of
  • a generic flow meter comprises at least two sensor elements, each of which has a temperature sensor designed as similar as possible, and at least one of the sensor elements is designed to be heated.
  • a temperature sensor designed as similar as possible
  • an additional resistance heater can be integrated within the respective sensor element.
  • the temperature sensor itself as
  • Resistance element, z. B. in the form of an RTD resistance element Resistance element, z. B. in the form of an RTD resistance element (Resistance
  • Temperature Detector in particular in the form of a platinum element, as it is also commercially available under the names PT10, PT100, and PT1000, be formed.
  • the resistance element also referred to as a resistance thermometer, is then on the implementation of a supplied electrical power, for. B. due to an increased power supply, heated.
  • the temperature sensor within a cylindrical sleeve, in particular a sleeve made of a metal, in particular made of stainless steel or Hastelloy arranged.
  • the sleeve then has the function of a housing which protects the temperature sensor, for example against aggressive media.
  • Temperature sensor must also be ensured that there is the best possible thermal contact between the heated temperature sensor and the sleeve.
  • the at least two sensor elements are introduced into a pipeline which is flowed through at least intermittently and partly by a flowable medium, such that they communicate with the Medium in thermal contact. They can either be introduced directly into the pipeline, or be integrated into a measuring tube, which can be installed in an existing pipeline. Both possibilities are the subject of the present invention, even if in the following always only one pipeline will be mentioned.
  • the passive temperature sensor is used to detect the temperature of the flowable medium.
  • the temperature of the medium is understood to mean the temperature which the medium has without an additional heat input of a heating unit.
  • the active sensor element is usually either heated so that sets a fixed temperature difference between the two temperature sensors, wherein the change in heating power is used as a measure of the mass flow and / or the flow rate. Alternatively, however, the fed heating power can be kept constant over time, so that the corresponding
  • the heat is dissipated from the active temperature sensor via heat conduction, thermal radiation and possibly also via free convection within the medium.
  • Temperature difference is then required, for example, a time constant amount of heat.
  • thermophysical properties of the medium and the pressure prevailing in the pipeline have an influence on the measured flow.
  • thermophysical properties in the form of characteristics or as components of functional determination equations within an electronic unit of the flowmeter deposited are for example, the thermophysical properties in the form of characteristics or as components of functional determination equations within an electronic unit of the flowmeter deposited.
  • the thermal resistance of an inner and an outer thermal resistance depends i.a. of individual components within the sensor element, e.g. inside the pods, off.
  • the outer thermal resistance depends i.a. of individual components within the sensor element, e.g. inside the pods, off.
  • resistance is influenced by deposit formation, material removal or material conversion (for example corrosion) on the surfaces of the respective sensor element that touch the medium.
  • a change in the external thermal resistance is thus relevant in particular in long-term operation and / or in contact with aggressive media.
  • gaseous or vaporous media the measurement of the mass flow or the
  • DE102005057687A1 describes a thermal flow meter with at least two heatable designed temperature sensors, wherein the first temperature sensor and the second temperature sensor alternately as a passive, unheated temperature sensor, which provides information about the current temperature of the medium during a first measurement interval, and as an active heated temperature sensor, the during a second measurement interval information about the mass flow of the medium through the pipeline provides, controllable.
  • a control / evaluation unit issues a message and / or makes a correction as soon as the during the first measurement interval and the second
  • Measurement interval provided corresponding measured values of the two
  • Temperature sensors differ from each other. In this way, deposit deposits and condensate formation can be detected.
  • DE102007023823A1 discloses a thermal flow meter with two phase-wise alternately or alternately heatable sensor elements and a method for its operation. The mass flow is then determined alternately on the basis of the respectively heated sensor element, wherein the respective non-heated sensor element is used to determine the medium temperature. From a comparison of the measured values obtained with the two sensor elements, a contamination of at least one of the two sensor elements can additionally be detected.
  • US8590360B2 is described to heat or cool a first heatable sensor element with a first heating power, and at the same time to heat or cool a second heatable sensor element with a second heating power.
  • the two heating powers are chosen so that the temperatures of the two sensor elements differ.
  • thermometers GB2140923A an in situ method and an apparatus for testing the properties of the respective thermometer has become known, in which a statement about the properties is possible on the basis of a model for heat transfer or for the corresponding transfer function, or defects can be detected on the resistance thermometer.
  • the reaction of the resistance of the thermometer is recorded to changes in temperature during a determinable in the duration and supplied heating power heating period.
  • the present invention therefore has the object, a thermal flow meter and a method for
  • the electronics unit is configured to
  • the supplied heating power can either be constant, ie correspond to a fixed value, or adjustable, such that during operation the supplied
  • Heating power can be changed, controlled and / or regulated.
  • a change in the internal thermal resistance of the at least one sensor element can be detected.
  • the diagnostic function can furthermore advantageously be carried out during the operation of the respective flowmeter.
  • the measuring device does not need to be specially removed. Also during the execution of the diagnostic function medium can flow through the pipeline.
  • the step response of the at least one sensor element can be detected, for example, if a previously unheated sensor element is heated from a certain point in time, or conversely, if the heating power supplied to a sensor element is switched off. But even with a change in each supplied heating power ⁇ from a first to a second value, the
  • Step response can be recorded. It is important that the change in the supplied heating power ⁇ occurs abruptly, and is not regulated continuously or steplessly.
  • An electronic unit according to the invention must be designed accordingly to record a step response, that is, have a sufficiently high sampling rate f for detecting the measured variable whose step response is to be recorded and analyzed. Ideally, the sampling rate should be in the range of milliseconds or less. It is therefore a method which can be implemented in a simple manner in a measuring device.
  • the procedure for carrying out an analysis of a step response of the at least one sensor element for diagnostic purposes is based on the following facts:
  • the abrupt change in the supplied heating power ⁇ also abruptly changes the heat transported by the heating unit within the sensor element to its surface, ie the heat propagation. This heat transfer depends in general on different factors and different physical, chemical and
  • the heat transfer is defined only by the variables mentioned. From the moment on which the heat transported reaches the surface of the sensor element, the heat transfer, however, by the on
  • the at least one sensor element comprises a
  • Housing in particular of a metal, in particular stainless steel or Hastelloy, wherein in the interior of the housing at least the temperature sensor, in particular an RTD resistance element, is arranged such that the housing and the temperature sensor are in thermal contact.
  • the housing protects the sensor element
  • the electronic unit comprises a memory unit on which memory unit at least one reference for a reaction of the sensor element to a sudden change of the supplied power is stored in the functional state.
  • This reference curve can be used at the time of manufacture or parameterization of the
  • Flowmeter are included.
  • the analysis of the step response can then be made from a comparison of a measured curve with a reference curve stored on the memory unit, for example by comparing the respective function values at specific predefinable characteristic times.
  • the electronics unit is designed so that it can record at least 100 measured values in a time interval of typically less than 100 ms. This requirement for a minimum sampling rate of the measured variable whose step response is analyzed ensures a sufficient number of measured values in that short time interval available for the detection of the step response.
  • the object of the invention by specifying a
  • a method for operating a thermal flow meter for determining the mass flow and / or a flow rate of a fluid medium in a pipeline comprising at least one sensor element and a
  • Electronic unit with a sampling rate in the range of milliseconds or less wherein the at least one sensor element is heated with a heating power, and whose temperature is detected, wherein from the heating power and / or temperature and / or at least one of at least the heating power and / or temperature derived Size of the mass flow and / or the flow rate of the medium are determined, wherein at a definable time, the heating power is changed rapidly, and wherein from the step response of the sensor element to the change in heating power generates a statement about the state of the at least one sensor element and / or output becomes.
  • a change in the internal thermal resistance of the at least one sensor element can be determined from the step response. This allows a statement about the functionality of the at least one sensor element, or about the state of individual components, e.g. within the sleeves, or also via solder connections.
  • the sudden change in the supplied heating power can be positive or negative.
  • the step response of a characteristic of the heating element dependent characteristic value of the sensor element is evaluated.
  • These sizes are particularly easy to capture.
  • the temperature is recorded anyway in a thermal flow meter, for example.
  • the at least one sensor element is recorded as a function of time and is, wherein by means of a comparison of
  • the at least one sensor element with at least one reference jump response of the temperature and / or the resistance to a change in the thermal resistance of the at least one sensor element is closed, and wherein in the case of exceeding a
  • the predeterminable limit value for the change of the thermal resistance a message about a malfunction of the at least one sensor element is generated and output.
  • the curve of the temperature or the electrical resistance changes as a function of the external heat transfer coefficient and / or the external flow conditions.
  • the gradient of the temperature and / or the resistance is determined, wherein by means of a comparison of the gradient of the step response of the temperature and / or the resistance and / or derived therefrom size of the at least one sensor element with the gradient of at least one Reference jump response of the temperature and / or resistance is closed to a change in the thermal resistance of the at least one sensor element, and
  • the measured step response and the reference step response may be more clearly visible through the analysis.
  • the time interval for recording the step response of the temperature T (t) and / or of the resistor R (t) is selected such that it is less than the time which is supplied by means of the abrupt change in the heating power
  • Heat is needed to get from the interior of the sensor element to its surface. Based on appropriate estimates, a maximum expected time period for the heat transfer within the at least one sensor element can be determined. This saves the storage of unnecessary measurements, which at a time
  • FIG. 1 is a schematic drawing of a thermal flow measuring device according to the prior art
  • Fig. 2 are schematic drawings of two typical sensor elements Fig. 3 (a) shows a temperature change as a function of time in response to a sudden change in heating power (b) is an electrical equivalent circuit diagram of a
  • Fig. 2; and Fig. 4 are graphs showing different temperature gradients by varying the internal thermal resistance in response to a power jump on a sensor element.
  • a thermal flow meter 1 according to the prior art is shown.
  • two sensor elements 4,7 are tightly integrated such that they are at least partially and at least temporarily in thermal contact with the medium 3.
  • Each of the two sensor elements 4, 7 comprises a housing 6, 6 a, which in this case is cylindrical, in each case one
  • Temperature sensor 5,8 is arranged.
  • the two temperature sensors 5, 8, each of the two sensor elements 4, 7 should be in thermal contact with the medium 3.
  • the first sensor element 4 is designed as an active sensor element that it has a heatable temperature sensor 5. It goes without saying that a sensor element 4 with external heating element, as mentioned above, also falls under the present invention. In operation, it can be done accordingly by supplying a
  • Heating power P1 are heated to a temperature T1.
  • the temperature sensor 8 of the second sensor element 7, however, is not heated and serves to detect the
  • the thermal flow meter 1 also comprises an electronic unit 9, which serves for signal acquisition, evaluation and feeding.
  • This electronic unit can optionally be assigned a memory unit 9a on which reference values or sensor-specific characteristics or characteristic quantities are stored.
  • Both thermal flow measuring devices 1 with more than two sensor elements 4, 7 have become known over the course of time, as have very different geometrical configurations and arrangements of the respective sensor elements 4, 7.
  • Fig. 2 are schematic, perspective views of two sensor elements, as they can be used for example for the flowmeter shown in Flg.1 shown. Both are basically designed as active sensor elements 4 and can be heated if necessary.
  • the two housings 6, 6 'each have the shape of a
  • Spacer 12 is also a resistance element 14 soldered, so that a good thermal contact and, correspondingly, a good heat conduction is ensured.
  • the second solder joint opposite surface 14a of the resistor element 14 is free in this example.
  • a second embodiment of a typical sensor element is shown in FIG. 2b.
  • the spacer 12 ' forms an interference fit with the housing 6' in the form of a pin sleeve. Usually, it is inserted during manufacture by means of the plug 1 1 'from the end face 10', starting in the housing 6 '. The plug 1 1 'is then welded to the housing 6', for example via a laser welding process.
  • the spacer 12 ' has the shape of a cylinder with a along the longitudinal axis extending groove 15', in which a resistance element 14 'is soldered.
  • the second solder joint opposite surface 14a 'of the resistor element 14' is also free in this example.
  • cavities are still filled with a suitable filling material of low thermal conductivity (not shown), such that inter alia the surfaces 14a opposite the respective solder joints, 14a 'of the respective resistive element 14,14' are covered by the filling material used in each case. Also not shown are any necessary connection cables.
  • the resistance element 14, 14 ' is a platinum element, for example a PT10, PT100 or PT1000 element, which is arranged on a ceramic carrier.
  • the spacer 12, 12 'in turn copper is often used, while the housing 6, 6' made of stainless steel.
  • the housing may also be provided with a coating from the outer surface.
  • FIG. 3 a the temperature as a function of time in response to a sudden change in the supplied heating power for a sensor element, as shown in FIG. 2, is shown by way of example.
  • the following description refers without limitation to the generality exclusively to the evaluation of the characteristic measure of the temperature. However, the respective assumptions and results can be easily transferred to other characteristic variables, such as electrical resistance.
  • the power supplied to the at least one sensor element is changed abruptly from a first value Pi to a second value P 2 .
  • the power loss at the sensor element kept constant.
  • Temperature is then measured at appropriate intervals.
  • the sampling rate is typically - ⁇ 1 ms in order to ensure a sufficient number of measured values for the small time interval over which the step response takes place.
  • the time interval 16 of interest for the analysis of the step response is marked in FIG. 3 by a circle. It is about a time interval of 100ms.
  • the temperature change in response to the power jump is determined solely by the geometric structure of the sensor element 4 and the heat propagation occurring within the sensor element, ie by the thermal resistances and heat capacities of the materials used in each case. The dependence of the
  • Heat transport from the individual components and material transitions can for example by a, such as. B. shown in Fig. 3b, equivalent circuit diagram are shown.
  • Top left is a sketch of a sensor element with integrated resistance element 14,14 'in the form of a arranged on a ceramic support 17 PlatinPlann Anlagenelements 18 shown. This is shown in the equivalent circuit shown as a heat source.
  • everybody Component of the sensor element is associated with an electrical resistor 19a-f and a capacitor 20a-f connected in parallel thereto.
  • the influence of the flowing fluid is also in the form of an electrical resistance R f
  • Sensor element as shown in Fig. 2, then arise in each case a resistor and a capacitor for the platinum element (R p i a tin. Cpiatin) 19 a, 20 a, for the ceramic carrier (Rceramic, C cer amic) 19 b, 20 b , for the solder joint (R SO ider, C S0
  • the temperatures surrounding the respective components are noted, namely the temperature of the sensor element T sen sor, the temperature of the environment T amb ient and the temperature at the surface of
  • the measurement duration which is smaller than the time required for the heat transfer from the heating unit to the surface of the sensor element, it is possible to ensure that the respectively recorded measured values, for example for the temperature, are independent of external influences, in particular independent of changes in the mass flow or the flow rate. This advantageously allows the measurement duration, which is smaller than the time required for the heat transfer from the heating unit to the surface of the sensor element.
  • Diagnostic function can be performed in the continuous operation of the flowmeter. Ideally, the diagnostic function can even run parallel to the determination of the
  • Mass flow and / or the flow rate can be performed.
  • Sensor element is ideally considered the first derivative, or the gradient of the temperature. In the present example, therefore, the rate of rise of the temperature is analyzed. This changes with an occurring sensor drift. If the sensor drift is caused merely by a change in the internal thermal resistance, the rate of rise of the temperature changes with changes in the internal thermal resistances and / or capacitances according to the equivalent circuit diagram from FIG. 3b. In the event, for example, that the resistance element 14, 14 'of the at least one sensor element 4, 4' comes off, the thermal resistance Rsoider between the spacer 12, 12 'and the resistance element 14, 14' increases due to formation of a thin air layer. Since air is a good electrical insulator with a small thermal
  • Resistance element 14,14 'outgoing heat can not be passed as fast to the spacer 12,12'. Accordingly, the rate of increase of the temperature measured at the sensor element 4,4 'increases. Similar considerations can be made for each of in the equivalent circuit shown resistors 19a-g and for the capacitors 20a-f are performed.
  • the temperature gradient which is normalized to the supplied heating power is particularly suitable as the measured variable.
  • Reference curves or reference values at characteristic predeterminable discrete time points are then advantageously stored on a memory unit 9a integrated within the electronic unit 9, by means of which the respective measured values can be compared. If a predefinable deviation between the respective reference and a measurement is determined, a message and / or warning for the customer is generated and
  • the permissible deviations can be adapted specifically for an application or for the respective requirements of the flowmeter. This allows the customer depending on the one given by him
  • Resistance element 14,14 varies.
  • the time constant ⁇ and the end value t end of the step response of the temperature can be determined in response to a power jump.
  • Deposit formation and / or erosion are made on the at least one sensor element, which are based on a change in the external thermal resistance.
  • sensor-specific characteristics of the time constant ⁇ or of the temperature rise AT t end -t start of the step response as a function of the mass flow, the flow velocity or one with the mass flow and / or the
  • Flow rate stored in a mathematically related quantities in the electronic unit offers the following advantages:
  • a sensor drift caused by a change in the internal thermal resistance can be detected independently of external influences, such as, for example, a flow that is not constant over time, or deposits, dirt or erosion on the sensor element.
  • the diagnostic function can be performed during operation, ie under process conditions.
  • the interruption of the measuring mode to carry out a diagnosis is a maximum of « 1 ms.

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Abstract

Thermisches Durchflussmessgerät (1) zur Bestimmung des Massedurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums (3) in einer Rohrleitung (2) und Verfahren, um ein thermisches Durchflussmessgerät zu betrieben, mit zumindest einem Sensorelement (4,7) und einer Elektronikeinheit (9) mit einer Abtastrate im Bereich von Millisekunden oder weniger, wobei das zumindest eine Sensorelement (4,7) zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium (3) in thermischem Kontakt steht, und einen beheizbaren Temperatursensor (5) umfasst, wobei die Elektronikeinheit (9) dazu ausgestaltet ist, das zumindest eine Sensorelement (4,7) mit einer Heizleistung (P) zu heizen, dessen Temperatur (T) zu erfassen, aus der Heizleistung (P) und/oder Temperatur (T) und/oder zumindest einer aus zumindest einer dieser Größen abgeleiteten Größe den Massedurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums (3) zu bestimmen, und wobei zu einem bestimmbaren Zeitpunkt (tstart) die Heizleistung sprunghaft geändert (ΔΡ) wird, und aus einer Sprungantwort des zumindest einen Sensorelements auf eine sprunghafte Änderung der zugeführten Heizleistung (ΔΡ) eine Aussage über den Zustand des zumindest einen Sensorelements zu generiert und/oder ausgegeben wird.

Description

Thermisches Durchflussmessgerät mit Diagnosefunktion
Die Erfindung betrifft ein thermisches Durchflussmessgerät, insbesondere ein thermisches Durchflussmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums durch eine Rohrleitung mit zumindest einem Sensorelement und einer Elektronikeinheit, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Durchflussmessgeräts. Ferner kann eine Aussage über den Zustand des zumindest einem Sensorelement getroffen werden. Das
Durchflussmessgerät weist also eine Diagnosefunktion auf.
Thermische Durchflussmessgeräte finden vielfach Anwendung im Bereich der
Prozessmesstechnik. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung t-switch, t-trend oder t-mass hergestellt und vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind entsprechend aus einer Vielzahl von
Veröffentlichungen bekannt.
Typischerweise umfasst ein gattungsgemäßes Durchflussmessgerät zumindest zwei Sensorelemente, wovon jedes einen möglichst gleichartig ausgestalteten Temperatursensor aufweist, und zumindest eines der Sensorelemente beheizbar ausgestaltet ist. Dazu kann innerhalb des jeweiligen Sensorelements entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung integriert werden. Alternativ kann aber der Temperatursensor auch selbst als
Widerstandselement, z. B. in Form eines RTD- Widerstandselements (Resistance
Temperature Detector), insbesondere in Form eines Platinelements, wie es unter den Bezeichnungen PT10, PT100, und PT1000 auch kommerziell erhältlich ist, ausgebildet sein. Das Widerstandselement, auch als Widerstandsthermometer bezeichnet, wird dann über die Umsetzung einer ihm zugeführten elektrischen Leistung, z. B. in Folge einer erhöhten Stromzufuhr, erwärmt.
Oftmals ist der Temperatursensor innerhalb einer zylindrischen Hülse, insbesondere einer Hülse aus einem Metall, insbesondere aus Edelstahl oder Hastelloy, angeordnet. Die Hülse hat dann die Funktion eines Gehäuses, welches den Temperatursensor beispielsweise vor aggressiven Medien schützt. Bei dem jeweils zumindest einen beheizbaren
Temperatursensor muss zudem gewährleistet sein, dass zwischen dem beheizbaren Temperatursensor und der Hülse ein möglichst guter thermischer Kontakt besteht.
Zur Erfassung des Massedurchflusses und/oder der Strömungsgeschwindigkeit werden die zumindest zwei Sensorelemente in eine von einem strömungsfähigen Medium zumindest zeitweise und teilweise durchströmte Rohrleitung eingebracht, derart, dass sie mit dem Medium in thermischem Kontakt stehen. Sie können dazu entweder direkt in die Rohrleitung eingebracht werden, oder in ein Messrohr integriert werden, welches in eine bestehende Rohrleitung einbaubar ist. Beide Möglichkeiten sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch wenn im Folgenden stets nur von einer Rohrleitung die Rede sein wird.
Im Betrieb wird zumindest einer der zumindest zwei Temperatursensoren beheizt (aktiver Temperatursensor) während der zweite Temperatursensor unbeheizt bleibt (passiver Temperatursensor). Der passive Temperatursensor wird zur Erfassung der Temperatur des strömungsfähigen Mediums eingesetzt. Unter der Mediumstemperatur sei dabei jene Temperatur verstanden, welche das Medium ohne einen zusätzlichen Wärmeeintrag einer Heizeinheit aufweist. Das aktive Sensorelement wird üblicherweise entweder so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren einstellt, wobei die Änderung der Heizleistung als Maß für den Massedurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit herangezogen wird. Alternativ kann aber auch die eingespeiste Heizleistung zeitlich konstant gehalten werden, so dass die entsprechende
Temperaturänderung zur Bestimmung des Massedurchflusses und/oder der
Durchflussgeschwindigkeit heranzuziehen ist.
Ist in der Rohrleitung keine Strömung vorhanden, erfolgt die Ableitung der Wärme von dem aktiven Temperatursensor über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und ggf. auch über freie Konvektion innerhalb des Mediums. Zur Aufrechterhaltung einer bestimmten
Temperaturdifferenz wird dann beispielsweise eine zeitlich konstante Wärmemenge benötigt. Beim Vorliegen einer Strömung hingegen kommt es zu einer zusätzlichen Abkühlung des aktiven Temperatursensors durch das vorbeiströmende kältere Medium. Es tritt ein zusätzlicher Wärmetransport aufgrund von erzwungener Konvektion auf. Entsprechend muss also in Folge einer Strömung entweder eine erhöhte Heizleistung eingespeist werden, um eine feste Temperaturdifferenz aufrecht erhalten zu können, oder aber die
Temperaturdifferenz zwischen dem aktiven und passiven Temperatursensor verringert sich. Dieser funktionale Zusammenhang zwischen der dem aktiven Temperatursensor
zugeführten Heizleistung bzw. der Temperaturdifferenz und dem Massedurchfluss und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Mediums durch die Rohrleitung kann mittels des sogenannten Wärmeübertragungskoeffizienten ausgedrückt werden. Die Abhängigkeit des Wärmeübertragungskoeffizienten vom Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung wird dann zu dessen Bestimmung und/oder der Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit ausgenutzt. Daneben haben die thermophysikalischen Eigenschaften des Mediums sowie der in der Rohrleitung herrschende Druck einen Einfluss auf den gemessenen Durchfluss. Um auch der Abhängigkeit des Durchflusses von diesen Größen Rechnung zu tragen, sind beispielsweise die thermophysikalischen Eigenschaften in Form von Kennlinien oder als Bestandteile funktionaler Bestimmungsgleichungen innerhalb einer Elektronikeinheit des Durchflussmessgeräts hinterlegt. Durch Änderungen des thermischen Widerstands eines Sensorelements kann es gegebenenfalls zu erheblichen Messwertverfälschungen kommen, welche zu einem Wechsel des Wärmeübergangs von der Heizeinheit in das Medium bei ansonsten gleich bleibenden Strömungsbedingungen führen können. Eine solche Änderung des thermischen Widerstands wird auch als Sensordrift bezeichnet. Unter Umständen, wenn die Änderung des effektiven thermischen Widerstandes unter einem bestimmten vorgebbaren Grenzwert verbleibt, und falls die Änderung erkannt wird, kann die Sensordrift sowie der negative Einfluss auf die Bestimmung des Massedurchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit durch geeignete Gegenmaßnahmen zumindest teilweise behoben werden. Ansonsten muss ggf. das Durchflussmessgerät zumindest teilweise ausgetauscht werden.
Grundsätzlich werden in Bezug auf den thermischen Widerstand ein innerer und ein äußerer thermischer Widerstand unterschieden. Der innere thermischen Widerstand hängt u.a. von einzelnen Bauteilen innerhalb des Sensorelements, z.B. innerhalb der Hülsen, ab. So kann eine Sensordrift durch Fehlstellen bei Lötanbindungen aufgrund von Zugbelastungen durch Materialausdehnung oder dergleichen zustande kommen. Der äußere thermischen
Widerstand wird dagegen durch Belagsbildung, Materialabtrag oder Materialumwandlung (z.B. Korrosion) an den das Medium berührenden Flächen des jeweiligen Sensorelements beeinflusst. Eine Änderung des äußeren thermischen Widerstands ist somit insbesondere im Langzeitbetrieb und/oder bei Kontakt mit aggressiven Medien relevant. Im Falle von gas- oder dampfförmigen Medien kann die Messung des Massedurchflusses oder der
Durchflussgeschwindigkeit darüber hinaus auch durch Kondensatsbildung an zumindest einem der Temperatursensoren beeinträchtigt werden.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Durchflussmessgeräte bekannt geworden, mittels welcher sich eine Diagnose über zumindest eines der jeweils verwendeten Sensorelemente tätigen lässt. Es lässt sich also eine Aussage über den Zustand von zumindest einem der jeweils verwendeten Sensorelemente treffen.
Die DE102005057687A1 beschreibt ein thermisches Durchflussmessgerät mit zumindest zwei beheizbar ausgestalteten Temperatursensoren, wobei der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor alternierend als passiver, nicht beheizter Temperatursensor, der während eines ersten Messintervalls Information über die aktuelle Temperatur des Mediums bereitstellt, und als aktiver beheizter Temperatursensor, der während eine zweiten Messintervalls Information über den Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung bereitstellt, ansteuerbar. Eine Regel-/Auswerteeinheit gibt eine Meldung aus und/oder nimmt eine Korrektur vor, sobald die während des ersten Messintervalls und des zweiten
Messintervalls bereitgestellten korrespondierenden Messwerte der beiden
Temperatursensoren voneinander abweichen. Auf diese Weise können Belagsablagerungen und Kondensatsbildung erkannt werden.
Ähnlich ist in der DE102007023823A1 ist ein thermisches Durchflussmessgerät mit zwei phasenweise abwechselnd oder alternierend beheizbaren Sensorelementen sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb offenbart. Der Massed urchfluss wird dann abwechselnd anhand des jeweils beheizten Sensorelements ermittelt, wobei das jeweils nicht beheizte Sensorelement zur Ermittlung der Mediumstemperatur herangezogen wird. Aus einem Vergleich der mit den beiden Sensorelementen gewonnen Messwerte kann zusätzlich eine Verschmutzung zumindest eines der beiden Sensorelemente erkannt werden. In der US8590360B2 ist beschrieben, ein erstes beheizbares Sensorelement mit einer ersten Heizleistung zu heizen oder kühlen, und gleichzeitig ein zweites beheizbares Sensorelement mit einer zweiten Heizleistung zu heizen oder zu kühlen. Typischerweise werden die beiden Heizleistungen so gewählt, dass sich die Temperaturen der beiden Sensorelemente unterscheiden. Durch einen Vergleich der Mediumstemperatur, und/oder von zumindest zwei unabhängigen die Wärmeübergangskoeffizienten charakterisierenden Größen kann dann eine Diagnose über das Durchflussmessgerät gefällt werden.
Schließlich ist aus der WO/2008/142075A1 ein Verfahren bekannt geworden, bei welchem beheizbarer mit einem Medium in thermischen Kontakt stehender Temperatursensor mit einem alternierenden Strom- oder Spannungssignal geheizt wird und die erzeugte Wärme zumindest teilweise an das strömende Medium abgibt. Der Verlauf eines innerhalb des Temperatursensors stattfindenden Heiz- und/oder Abkühlvorgangs wird gemessen und daraus der Zustand des Temperatursensors, insbesondere eine Verschmutzung und/oder eine Beschichtung diagnostiziert. Gleichzeitig kann der Massedurchfluss bestimmt werden.
Im Prinzip wird mit den beschriebenen Durchflussmessgeräten mit einer Diagnosefunktion eine Änderung des thermischen Widerstands detektiert. Daraus wird dann auf eine Belagsund/oder Kondensatsbildung geschlossen. Dies entspricht einer Änderung des äußeren thermischen Widerstands. Wie eingangs beschrieben, kann eine Sensordrift jedoch auch durch eine Änderung des inneren thermischen Widerstands hervorgerufen werden. Der innere thermische Widerstand wird durch den Aufbau und die verwendeten Materialien innerhalb des jeweiligen Sensorelements bestimmt, insbesondere durch die verschiedenen Bauteile z.B. innerhalb der Hülsen bzw. Gehäuse, oder durch verschiedene Materialverbindungen, bzw. -Übergänge, wie z. B. Lötverbindungen. Es wäre also wünschenswert, eine Diagnosefunktion zur Verfügung zu haben, mittels welcher im Falle einer Sensordrift an zumindest einem der zumindest drei Sensorelemente zwischen einer Änderung des äußeren und inneren thermischen Widerstands unterschieden werden könnte.
Im Falle von Widerstandsthermometern ist aus der GB2140923A eine in situ Methode und eine Vorrichtung zum Testen der Eigenschaften des jeweiligen Thermometers bekannt geworden, bei welcher anhand eines Modells für die Wärmeübertragung bzw. für die entsprechende Übertragungsfunktion eine Aussage über die Eigenschaften möglich ist, bzw. Defekte am Widerstandsthermometer erkannt werden können. Dazu wird die Reaktion des Widerstands des Thermometers auf Änderungen der Temperatur während einer in der Dauer und zugeführten Heizleistung bestimmbaren Heizperiode aufgezeichnet.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, ein thermisches Durchflussmessgerät sowie ein Verfahren zum
Betreiben eines entsprechenden Durchflussmessgeräts bereitzustellen, mittels welchem eine Aussage über die Funktionsfähigkeit von zumindest einem Sensorelement getroffen werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein thermisches Durchflussmessgerät zur Bestimmung des Massedurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums in einer Rohrleitung, mit zumindest
einem Sensorelement und einer Elektronikeinheit mit einer Abtastrate im Bereich von Millisekunden oder weniger,
wobei das zumindest eine Sensorelement
zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium in thermischem Kontakt steht, und
einen beheizbaren Temperatursensor umfasst,
wobei die Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist,
- das zumindest eine Sensorelement mit einer Heizleistung P zu heizen, dessen Temperatur T zu erfassen,
aus der Heizleistung P und/oder Temperatur T und/oder zumindest einer aus zumindest einer dieser Größen abgeleiteten Größe den
Massedurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums zu bestimmen, und
aus einer Sprungantwort des zumindest einen Sensorelements auf eine sprunghafte Änderung der zugeführten Heizleistung ΔΡ eine Aussage über den Zustand des zumindest einen Sensorelements zu generieren und/oder auszugeben.
Die zugeführte Heizleistung kann dabei entweder konstant sein, also einem festen Wert entsprechen, oder aber einstellbar, derart, dass im laufenden Betrieb die zugeführte
Heizleistung geändert, gesteuert und/oder geregelt werden kann. Vorteilhaft lässt sich aus der Sprungantwort, eine Änderung des inneren thermischen Widerstands des zumindest einen Sensorelements feststellen. Dies ermöglicht eine Aussage über die Funktionsfähigkeit eines Sensorelements, bzw. über den Zustand einzelner Bauteile z.B. innerhalb der Hülsen, oder auch über Lötanbindungen. Die Diagnosefunktion kann weiterhin vorteilhaft während des Betriebs des jeweiligen Durchflussmessgeräts durchgeführt werden. Das Messgerät muss dazu nicht extra ausgebaut werden. Auch kann während der Durchführung der Diagnosefunktion Medium durch die Rohrleitung strömen. Die sprunghafte Änderung der zugeführten Heizleistung AP=PrP2 kann dabei positiv oder negativ sein. Entsprechend kann die Sprungantwort des zumindest einen Sensorelements beispielsweise erfasst werden, wenn ein zuvor unbeheiztes Sensorelement ab einem bestimmten Zeitpunkt beheizt wird, oder auch umgekehrt, wenn die einem Sensorelement zugeführte Heizleistung abgeschaltet wird. Aber auch bei einer Änderung der jeweils zugeführten Heizleistung ΔΡ von einem ersten auf einen zweiten Wert kann die
Sprungantwort aufgezeichnet werden. Wichtig ist, dass die Änderung der zugeführten Heizleistung ΔΡ abrupt erfolgt, und nicht kontinuierlich oder stufenlos geregelt wird. Eine erfindungsgemäße Elektronikeinheit muss entsprechend dazu ausgestaltet sein, eine Sprungantwort aufzuzeichnen, also über eine ausreichend hohe Abtastrate f zur Erfassung der Messgröße, deren Sprungantwort aufgezeichnet und analysiert werden soll, aufweisen. Idealerweise, sollte die Abtastrate im Bereich von Millisekunden oder weniger liegen. Es handelt sich also um ein auf einfache Weise in einem Messgerät implementierbares Verfahren. Dem Vorgehen, eine Analyse einer Sprungantwort des zumindest einen Sensorelements zu Diagnosezwecken durchzuführen, liegt folgender Sachverhalt zugrunde: Durch die sprunghafte Änderung der zugeführten Heizleistung ΔΡ ändert sich ebenfalls sprunghaft die von der Heizeinheit innerhalb des Sensorelements zu dessen Oberfläche transportierte Wärme, also die Wärmeausbreitung. Dieser Wärmetransport hängt ganz allgemein von unterschiedlichen Faktoren und verschiedenen physikalischen, chemischen und
materialspezifischen Parametern, insbesondere den thermophysikalischen
Stoffeigenschaften, wie beispielsweise von der Dichte p, der Wärmeleitfähigkeit λ, der spezifischen Wärmekapazität c oder auch der Wärmediffusivität α des jeweils verwendeten Materials bzw. der jeweils verwendeten Materialien, ab. Aber auch die Geometrie des jeweiligen Bauteils sowie Materialübergänge spielen eine Rolle. In der Realität kommen jedoch noch weitere durch die Alterung des Sensorelements bedingte Effekte zum Tragen, welche den Wärmetransport beeinflussen, wie beispielsweise thermische und/oder mechanische Belastungen.
Bis zu jenem Zeitpunkt, an welchem die jeweils transportierte Wärme zur Oberfläche des Sensorelements gelangt ist, ist der Wärmetransport lediglich durch die genannten Größen definiert. Ab dem Moment, an welchem die transportierte Wärme die Oberfläche des Sensorelements erreicht, wird der Wärmetransport dagegen durch das an dem
Sensorelement vorbeiströmenden Medium dominiert. Die Analyse der Sprungantwort gibt also, da sie sich auf die Zeitskala konzentriert, in welcher die transportierte Wärme noch nicht bis zur Oberfläche des Sensorelements gelangt ist, Aufschluss über eine Änderung des inneren thermischen Widerstands. Eine Elektronikeinheit mit einer Abtastrate f>1 HZ, vorzugsweise f>10Hz, was gleichbedeutend ist mit einem Abtastintervall im Bereich von
Millisekunden oder weniger, gewährleistet dabei, dass während der relevanten Zeitskala, in welcher die transportierte Wärme noch nicht bis zur Oberfläche des Sensorelements gelangt ist, eine ausreichende Anzahl an Datenpunkten aufgenommen werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das zumindest eine Sensorelement ein
Gehäuse, insbesondere aus einem Metall, insbesondere Edelstahl oder Hastelloy, wobei im Inneren des Gehäuses zumindest der Temperatursensor, insbesondere ein RTD- Widerstandselement, angeordnet ist, derart, dass das Gehäuse und der Temperatursensor in thermischem Kontakt stehen. Das Gehäuse schützt das Sensorelement vor
Beschädigungen. Insbesondere bei einem Einsatz in aggressiven Medien ist ein derartiger Schutz von großem Vorteil.
Es ist von Vorteil, wenn die Elektronikeinheit eine Speichereinheit umfasst, auf welcher Speichereinheit zumindest eine Referenz für eine Reaktion des Sensorelements auf eine sprunghafte Änderung der zugeführten Leistung im funktionsfähigen Zustand gespeichert ist. Diese Referenzkurve kann zum Zeitpunkt der Fertigung oder Parametrierung des
Durchflussmessgeräts aufgenommen werden. Die Analyse der Sprungantwort kann dann aus einem Vergleich einer gemessenen Kurve mit einer auf der Speichereinheit hinterlegten Referenzkurve vorgenommen werden, beispielsweise durch einen Vergleich der jeweiligen Funktionswerte zu bestimmten vorgebbaren charakteristischen Zeitpunkten.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Elektronikeinheit so ausgestaltet ist, dass sie in einem Zeitintervall von typischer weniger als 100ms zumindest 100 Messwerte aufnehmen kann. Diese Vorgabe für eine minimale Abtastrate der Messgröße, deren Sprungantwort analysiert wird, gewährleistet in jenem kurzen für die Erfassung der Sprungantwort zur Verfügung stehenden Zeitintervall eine ausreichende Anzahl an Messwerten. Bezüglich des Verfahrens wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch Angabe eines
Verfahrens zum Betreiben eines thermischen Durchflussmessgeräts zur Ermittlung des Massedurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums in einer Rohrleitung, mit zumindest einem Sensorelement und einer
Elektronikeinheit mit einer Abtastrate im Bereich von Millisekunden oder weniger, wobei das zumindest eine Sensorelement mit einer Heizleistung beheizt wird, und dessen Temperatur erfasst wird, wobei aus der Heizleistung und/oder Temperatur und/oder zumindest einer aus zumindest der Heizleistung und/oder Temperatur abgeleiteten Größe der Massedurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums bestimmt werden, wobei zu einem bestimmbaren Zeitpunkt die Heizleistung sprunghaft geändert wird, und wobei aus der Sprungantwort des Sensorelements auf die Änderung der Heizleistung eine Aussage über den Zustand des zumindest einen Sensorelements generiert und/oder ausgegeben wird. Vorteilhaft lässt sich aus der Sprungantwort eine Änderung des inneren thermischen Widerstands des zumindest einen Sensorelements feststellen. Dies ermöglicht eine Aussage über die Funktionsfähigkeit des zumindest einen Sensorelements, bzw. über den Zustand einzelner Bauteile z.B. innerhalb der Hülsen, oder auch über Lötanbindungen. Die sprunghafte Änderung der zugeführten Heizleistung kann dabei positiv oder negativ sein.
Es ist von Vorteil, wenn die Sprungantwort einer von der Heizleistung abhängigen charakteristischen Messgröße des Sensorelements, insbesondere der Temperatur oder des elektrischen Widerstandes, ausgewertet wird. Diese Größen lassen sich besonders einfach erfassen. Die Temperatur wird bei einem thermischen Durchflussmessgerät beispielsweise ohnehin aufgezeichnet.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass die Sprungantwort der
Temperatur T(t) und/oder des Widerstandes R(t), des zumindest einen Sensorelements als Funktion der Zeit aufgezeichnet und wird, wobei mittels eines Vergleichs der
aufgezeichneten Sprungantwort der Temperatur und/oder des Widerstandes, des zumindest einen Sensorelements mit zumindest einer Referenzsprungantwort der Temperatur und/oder des Widerstandes auf eine Änderung des thermischen Widerstands des zumindest einen Sensorelements geschlossen wird, und wobei im Falle des Überschreitens eines
vorgebbaren Grenzwertes für die Änderung des thermischen Widerstands eine Meldung über eine Fehlfunktion des zumindest einen Sensorelements generiert und ausgegeben wird. Sobald die von der Heizeinheit generierte Wärme zur Oberfläche des zumindest einen Sensorelements gelangt ist, ändert sich der Kurvenverlauf der Temperatur bzw. des elektrischen Widerstands als Funktion des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten und/oder der äußeren Strömungsbedingungen. In einer weiteren besonders bevorzugte Ausgestaltung wird der Gradient der Temperatur und/oder des Widerstandes ermittelt, wobei mittels eines Vergleichs des Gradienten der Sprungantwort der Temperatur und/oder des Widerstandes und/oder einer daraus abgeleiteten Größe des zumindest einen Sensorelements mit dem Gradienten von zumindest einer Referenzsprungantwort der Temperatur und/oder des Widerstandes auf eine Änderung des thermischen Widerstands des zumindest einen Sensorelements geschlossen wird, und
wobei im Falle des Überschreitens eines vorgebbaren Grenzwertes für die Änderung des thermischen Widerstands eine Meldung über eine Fehlfunktion des zumindest einen Sensorelements generiert und ausgegeben wird. Die Änderungen zwischen der
gemessenen Sprungantwort und der Referenzsprungantwort werden unter Umständen durch die Betrachtung deutlicher sichtbar.
Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn das Zeitintervall zur Aufzeichnung der Sprungantwort der Temperatur T(t) und/oder des Widerstandes R(t), derart gewählt wird, dass es kleiner ist als die Zeit, welche die mittels der sprunghaften Änderung der Heizleistung zugeführte
Wärme benötigt, um vom Inneren des Sensorelements zu dessen Oberfläche zu gelangen. Anhand geeigneter Abschätzungen kann ein maximale zu erwartende Zeitspanne für den Wärmetransport innerhalb des zumindest einen Sensorelements festgelegt werden. Dies erspart die Speicherung nicht benötigter Messwerte, welche zu einem Zeitpunkt
aufgenommen werden, in welchen der Wärmetransport bereits durch das strömungsfähige Medium dominiert wird, und damit einhergehend werden die Kapazitäten des thermischen Durchflussmessgeräts in Bezug auf die zur Verfügung stehende Rechenleistung gespart.
Die Erfindung sowie ihre Vorteile werden anhand der nachfolgenden Figuren Fig. 1 bis Fig. 4 näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines thermischen Durchflussmessgeräts gemäß Stand der Technik,
Fig. 2 schematische Zeichnungen zweier typischer Sensorelemente Fig. 3 (a) eine Temperaturänderung als Funktion der Zeit in Reaktion auf eine sprunghaft geänderte Heizleistung (b) ein elektrisches Ersatzschaltbild eines
Sensorelements wie in Fig. 2 dargestellt, und Fig. 4 Graphen, welche durch Veränderung des inneren thermischen Widerstands unterschiedliche Temperaturgradienten als Reaktion auf einen Leistungssprung an einem Sensorelement zeigen.
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1. Striche an einem Bezugszeichen weisen jeweils auf unterschiedliche Ausführungsbeispiele hin.
In Fig. 1 ist ein thermisches Durchflussmessgerät 1 gemäß Stand der Technik gezeigt. In eine von einem Medium 3 durchströmte Rohrleitung 2 sind zwei Sensorelemente 4,7 dicht integriert derart, dass sie zumindest teilweise und zumindest zeitweise mit dem Medium 3 in thermischem Kontakt stehen. Jedes der beiden Sensorelemente 4,7 umfasst ein Gehäuse 6,6a, welches in diesem Falle zylindrisch ausgestaltet ist, in welchem jeweils ein
Temperatursensor 5,8 angeordnet ist. Insbesondere die beiden Temperatursensoren 5,8, jedes der beiden Sensorelemente 4,7 sollten in thermischem Kontakt mit dem Medium 3 stehen.
In diesem Beispiel ist das erste Sensorelement 4 als aktives Sensorelement ausgestaltet, dass es einen beheizbaren Temperatursensor 5 aufweist. Es versteht sich von selbst, dass ein Sensorelement 4 mit externem Heizelement, wie eingangs erwähnt, ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fällt. Im Betrieb kann es entsprechend durch Zuführung einer
Heizleistung P1 auf eine Temperatur T1 geheizt werden. Der Temperatursensor 8 des zweiten Sensorelements 7 ist dagegen nicht beheizbar und dient der Erfassung der
Mediumstemperatur TM. Schließlich umfasst das thermische Durchflussmessgerät 1 noch eine Elektronikeinheit 9, welche der Signalerfassung, -auswertung und -speisung dient. Dieser Elektronikeinheit kann optional eine Speichereinheit 9a zugeordnet sein, auf welcher Referenzwerte oder sensorspezifische Kennlinien oder Kenngrößen hinterlegt sind. Es sind im Laufe der Zeit sowohl thermische Durchflussmessgeräte 1 mit mehr als zwei Sensorelementen 4,7 bekannt geworden, als auch unterschiedlichste geometrische Ausgestaltungen und Anordnungen der jeweiligen Sensorelemente 4,7. In Fig. 2 sind schematische, perspektivische Ansichten zweier Sensorelemente, wie sie beispielsweise für das in Flg.1 gezeigte Durchflussmessgerät verwendet werden können, gezeigt. Beide sind grundsätzlich als aktive Sensorelemente 4 ausgestaltet und können bei Bedarf beheizt werden. Die beiden Gehäuse 6, 6' weisen jeweils die Form einer
zylindrischen Stifthülse auf. Die Stirnseiten 10, 10' ragen im Betrieb zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium 3 in thermischem Kontakt. Bei den zum Bau der Sensorelemente 4, 4' verwendeten Materialien handelt es sich üblicherweise um solche Materialien, welche sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnen. Der Einfachheit halber sind für die beiden Sensorelemente 4,4' jeweils die der Stirnseiten
10,10' gegenüberliegenden zweiten Endseiten, welche beispielsweise in einem Gehäuse der Elektronikeinheit oder auch an einem Sensorhalter befestigt sind, nicht dargestellt. Das gleiche gilt für die Darstellung aus Fig.1. Das Sensorelement 4 in Fig. 2a schließt an seiner Stirnseite 10 mit einem Stopfen 1 1 ab, welcher üblicherweise mit dem Gehäuse 6 verschweißt ist. Dieser Stopfen sowie ein darauf folgendes Distanzstück 12 bilden in diesem Beispiel ein einteiliges, monolithisches Bauteil, welches in mechanischen und thermischen Kontakt mit der Innenseite 13 des stiftförmigen Gehäuse 6 steht. Es sind jedoch auch zweiteilige Ausführungen bekannt. Auf das
Distanzstück 12 ist ferner ein Widerstandselement 14 gelötet, derart dass ein guter thermischer Kontakt und entsprechend eine gute Wärmeleitung, gewährleistet ist. Die zweite der Lötverbindung gegenüberliegende Oberfläche 14a des Widerstandselements14 ist in diesem Beispiel frei. Eine zweite Ausgestaltung eines typischen Sensorelements ist in Fig. 2b gezeigt.
Das Distanzstück 12' bildet mit dem Gehäuse 6' in Form einer Stifthülse eine Presspassung. Üblicherweise wird es während der Fertigung mittels des Stopfens 1 1 ' von der Stirnseite 10' ausgehend in das Gehäuse 6' hineingeschoben. Der Stopfen 1 1 ' wird anschließend mit dem Gehäuse 6' verschweißt, beispielsweise über ein Laserschweißverfahren. Das Distanzstück 12' weist die Form eines Zylinders mit einer entlang der Längsachse verlaufenden Nut 15' auf, in welche ein Widerstandselement 14' gelötet ist. Die zweite der Lötverbindung gegenüberliegende Oberfläche 14a' des Widerstandselements14' ist in diesem Beispiel ebenfalls frei. Oftmals werden in einem späteren Fertigungsschritt Hohlräume noch mit einem geeigneten Füllmaterial geringer Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt (nicht eingezeichnet), derart dass unter anderem auch die den jeweiligen Lötverbindungen gegenüberliegenden Oberflächen 14a, 14a' des jeweiligen Widerstandselements 14,14' von dem jeweils verwendeten Füllmaterial bedeckt werden. Nicht gezeigt sind ferner jegliche notwendige Verbindungskabel.
Oft handelt es sich bei dem Widerstandselement 14, 14' um ein Platinelement, beispielsweise um ein PT10, PT100, oder PT1000 Element, welches auf einem keramischen Träger angeordnet ist. Für das Distanzstück 12, 12' wird wiederum häufig Kupfer verwendet, während das Gehäuse 6, 6' aus Edelstahl besteht. Optional kann das Gehäuse darüber hinaus von der äußeren Oberfläche mit einer Beschichtung versehen werden. In Fig. 3a ist exemplarisch die Temperatur als Funktion der Zeit in Reaktion einer sprunghaften Änderung der zugeführten Heizleistung für ein Sensorelement wie in Fig. 2 gezeigt, dargestellt. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich ohne Beschränkung der Allgemeinheit ausschließlich auf die Auswertung der charakteristischen Messgröße der Temperatur. Die jeweiligen Annahmen und Ergebnisse lassen sich jedoch auf einfache Weise auch auf andere charakteristische Messgrößen, wie beispielsweise dem elektrischen Widerstand übertragen.
Zum Zeitpunkt tstart=0 werde die dem zumindest einen Sensorelement zugeführte Leistung sprunghaft von einem ersten Wert P-i auf eine zweiten Wert P2 geändert. Typischerweise beträgt der Leistungssprung ca. Ap=50-500mW. Vorzugsweise wird während der
Durchführung des Leistungssprungs die Verlustleistung am Sensorelement konstant gehalten. Alternativ kann aber auch mit einem konstanten Strom- oder Spannungssignal gearbeitet werden. Die durch den Leistungssprung verursachte Sprungantwort der
Temperatur wird dann in geeigneten Zeitabständen gemessen. Die Abtastrate beträgt typischerweise -Ξ1 ms, damit eine ausreichende Anzahl an Messwerten für das geringe Zeitintervall, innerhalb von welchem die Sprungantwort erfolgt, gewährleistet ist.
Das für die Analyse der Sprungantwort interessante Zeitintervall 16 ist in Fig. 3 durch einen Kreis markiert. Es handelt sich dabei in etwa um ein Zeitintervall von 100ms. In dieser Zeitspanne wird die Temperaturänderung als Reaktion auf den Leistungssprung lediglich vom geometrischen Aufbau des Sensorelements 4 sowie der innerhalb des Sensorelements erfolgende Wärmeausbreitung bestimmt, also von den thermischen Widerständen und Wärmekapazitäten der jeweils verwendeten Materialien. Die Abhängigkeit des
Wärmetransports von den einzelnen Bauteilen und Materialübergangen kann beispielweise durch ein, wie z. B. das in Fig. 3b gezeigte, Ersatzschaltbild dargestellt werden. Links oben ist eine Skizze eines Sensorelements mit integriertem Widerstandselement 14,14' in Form eines auf einem keramischen Träger 17 angeordneten Platindünnschichtelements 18 dargestellt. Dieses ist in dem gezeigten Ersatzschaltbild als Heizquelle eingezeichnet. Jeder Komponente des Sensorelements ist ein elektrischer Widerstand 19a-f und ein dazu parallel geschalteter Kondensator 20a-f zugeordnet. Der Einfluss des strömenden Fluides ist ebenfalls in Form eines elektrischen Widerstands Rf|Uid 19g berücksichtigt. Für ein
Sensorelement, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ergeben sich dann jeweils ein Widerstand und ein Kondensator für das Platinelement (Rpiatin. Cpiatin) 19a, 20a, für den keramischen Träger (Rceramic, Cceramic) 19b, 20b, für die Lötverbindung (RSOider, CS0|der) 19c, 20c zwischen dem Widerstandselement 14,14' und dem Distanzstück 12,12', für das Distanzstück 12,12' selbst (Rco en Ccopper) 19d, 20d, für das Gehäuse 6,6' (Rsteei> Csteei) 19e, 20e und gegebenenfalls für eine Beschichtung des Gehäuses 6,6'(RCOating, CCOating) 19f, 20f. Weiterhin sind in dem Ersatzschaltbild die die jeweiligen Komponenten umgebenden Temperaturen vermerkt, nämlich die Temperatur des Sensorelements Tsensor, die Temperatur der Umgebung Tambient und die Temperatur an der Oberfläche des Sensorelements Tsurface.
Durch eine Wahl der Messdauer, welche kleiner ist, als die für den Wärmetransport von der Heizeinheit zur Oberfläche des Sensorelements benötigten Zeit kann gewährleistet werden, dass die jeweils aufgezeichneten Messwerte, beispielsweise für die Temperatur, unabhängig von äußeren Einflüssen, insbesondere unabhängig von Änderungen des Massedurchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit sind. Dies ermöglicht es vorteilhaft, dass die
Diagnosefunktion im fortlaufenden Betrieb des Durchflussmessgeräts durchgeführt werden kann. Idealerweise kann die Diagnosefunktion sogar parallel zur Bestimmung des
Massedurchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit durchgeführt werden.
Zur Stellung einer Diagnose über die Funktionsfähigkeit des zumindest einen
Sensorelements wird idealerweise die erste Ableitung, bzw. der Gradient der Temperatur betrachtet. Im vorliegenden Beispiel wird also die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur analysiert. Diese ändert sich mit einer auftretenden Sensordrift. Wird die Sensordrift lediglich durch eine Änderung des inneren thermischen Widerstands hervorgerufen, so ändert sich die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur mit Änderungen der inneren thermischen Widerstände und/oder Kapazitäten gemäß des Ersatzschaltbildes aus Fig. 3b. Im Falle, dass sich beispielsweise das Widerstandselement 14,14' des zumindest einen Sensorelements 4,4' löst, vergrößert sich durch Bildung einer dünnen Luftschicht der thermische Widerstand Rsoider zwischen dem Distanzstück 12,12' und dem Widerstandselement 14, 14'. Da es sich bei Luft um einen guten elektrischen Isolator mit einer kleinen thermischen
Wärmeleitfähigkeit handelt vergrößert sich durch die Bildung der Luftschicht die
Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur. Der Grund hierfür besteht darin, dass die vom
Widerstandselement 14,14' ausgehende Wärme nicht mehr so schnell an das Distanzstück 12,12' weitergegeben werden kann. Entsprechend steigt die Anstiegsgeschwindigkeit der am Sensorelement 4,4' gemessenen Temperatur. Ähnliche Betrachtungen können für jeden der im Ersatzschaltbild gezeigten Widerstände 19a-g sowie für die Kondensatoren 20a-f durchgeführt werden.
Neben der Temperatur eignet sich als Messgröße darüber hinaus insbesondere der auf die zugeführte Heizleistung normierte Temperaturgradient.
Auf einer innerhalb der Elektronikeinheit 9 integrierten Speichereinheit 9a sind dann vorteilhaft Referenzkurven, oder Referenzwerte zu charakteristischen vorgebbaren diskreten Zeitpunkten hinterlegt, mittels welcher die jeweiligen Messwerte verglichen werden können. Wird eine vorgebbare Abweichung zwischen der jeweiligen Referenz und einer Messung festgestellt, wird eine Meldung und/oder Warnung für den Kunden generiert und
ausgegeben. Dabei können die zulässigen Abweichungen jeweils spezifisch für eine Anwendung oder für die jeweiligen Anforderungen an das Durchflussmessgerät angepasst werden. Dadurch kann der Kunde je nach den von ihm vorgegebenen
Genauigkeitsanforderungen zwischen verschiedenen Grenzwerten für die maximal zulässige Abweichung zwischen einem Messwert und dem zugehörigen Referenzwert wählen.
In Fig. 4 sind schließlich beispielhaft verschiedene Kurven für den Temperaturgradienten als Funktion der Zeit in einem Zeitintervall von 100ms nach einem Leistungssprung gezeigt. Die einzelnen Kurven entsprechen unterschiedlichen baugleichen Sensorelementen, für welche die Qualität der Lötverbindung zwischen dem Distanzstück 12,12' und dem
Widerstandselement 14,14' variiert.
Zusätzlich zum Temperaturgradienten kann beispielsweise die Zeitkonstante τ sowie der Endwert tend der Sprungantwort der Temperatur als Reaktion auf einen Leistungssprung ermittelt werden. Mittels dieser zusätzlichen Größen lassen sich in Kombination mit dem jeweils zeitgleich ermittelten Massedurchfluss und/oder der Durchflussgeschwindigkeit oder bei bekannten äußeren Prozessbedingungen, wie beispielsweise während einer sogenannten Nullpunktsmessung, mittels Plausibilitätschecks bezüglich eines Soll- und Istwerts der Zeitkonstante τ oder des Temperaturanstiegs AT=tend - tstart zusätzliche
Diagnosen stellen. Beispielsweise könnte eine Aussage über Verschmutzungen,
Belagsbildung und/oder Abtragungen an dem zumindest einen Sensorelement getroffen werden, welche auf einer Änderung des äußeren thermischen Widerstands beruhen. Hierfür müssen jedoch ebenfalls sensorspezifische Kennwerte der Zeitkonstante τ oder des Temperaturanstiegs AT=tend - tstart der Sprungantwort in Abhängigkeit vom Massedurchfluss, der Durchflussgeschwindigkeit oder einer mit dem Massedurchfluss und/oder der
Durchflussgeschwindigkeit in einer mathematischen Beziehung stehende Größen in der Elektronikeinheit hinterlegt sein. In seiner Gesamtheit bietet ein erfindungsgemäßes Durchflussmessgerat und/oder die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens folgende Vorteile:
1 ) Eine aufgrund einer Änderung des inneren thermischen Widerstands hervorgerufene Sensordrift kann unabhängig von äußeren Einflüssen, wie beispielsweise einer zeitlich nicht konstanten Strömung des Mediums, oder Belägen, Verschmutzungen oder Abtragungen am Sensorelement, detektiert werden.
2) Die Diagnosefunktion kann im laufenden Betrieb, also unter Prozessbedingungen durchgeführt werden.
3) Keine zusätzlichen Installationen sind notwendig.
4) Die Unterbrechung des Messbetriebs zur Durchführung einer Diagnose beträgt maximal «1 ms.
5) Durch Auswertung mehrerer mit der Sprungantwort zusammenhängender
Kenngrößen lässt sich ggf. neben einer Änderung des inneren thermischen
Widerstands auch auf eine Änderung des äußeren thermischen Widerstands schließen.
6) Die Messwertauswertung während der Ausführung der Diagnosefunktion ist einfach zu realisieren.
Bezugszeichenliste
1 Thermisches Durchflussmessgerät
2 Rohrleitung, bzw. Messrohr
3 Medium
4 aktives Sensorelement
5 beheizbarer Temperatursensor
6,6a Gehäuse
7 passives Sensorelement
8 Temperatursensor
9 Elektronikeinheit
9a Speichereinheit der Elektronikeinheit
10 Stirnseite eines Sensorelements
1 1 Stopfen
12 Distanzstück
13 Innenseite des stiftförmigen Gehäuse
14 Widerstandselement
15 Nut des Distanzstücks
16 für die Sprungantwort interessantes Zeitintervall
17 keramischer Träger eines Widerstandselements
18 Platinelement eines Widerstandselements
19,19a-g elektrische Widerstände für ein Ersatzschaltbild des Wärmetransports durch ein Sensorelement
20,20a-f Kondensatoren für ein Ersatzschaltbild des Wärmetransports durch ein
Sensorelement

Claims

Patentansprüche
Thermisches Durchflussmessgerät (1 ) zur Bestimmung des Massedurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums (3) in einer Rohrleitung (2), mit zumindest
einem Sensorelement (4,7) und einer Elektronikeinheit (9) mit einer
Abtastrate im Bereich von Millisekunden oder weniger
wobei das zumindest eine Sensorelement (4,7)
zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium (3) in thermischem Kontakt steht, und
einen beheizbaren Temperatursensor (5) umfasst,
wobei die Elektronikeinheit (9) dazu ausgestaltet ist,
das zumindest eine Sensorelement (4,7) mit einer Heizleistung (P) zu heizen,
dessen Temperatur (T) zu erfassen,
aus der Heizleistung (P) und/oder Temperatur (T) und/oder zumindest einer aus zumindest einer dieser Größen abgeleiteten Größe den Massedurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums (3) zu bestimmen, und
aus einer Sprungantwort des zumindest einen Sensorelements auf eine sprunghafte Änderung der zugeführten Heizleistung eine Aussage über den Zustand des zumindest einen Sensorelements zu generieren und/oder auszugeben.
Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 ,
wobei das zumindest eine Sensorelement (4,7) ein Gehäuse (6), insbesondere aus einem Metall, insbesondere Edelstahl oder Hastelloy, umfasst, wobei im Inneren des Gehäuses (6) zumindest der Temperatursensor (5, 7), insbesondere ein RTD- Widerstandselement (14), angeordnet ist, derart, dass das Gehäuse (6) und der Temperatursensor (5,7) in thermischem Kontakt stehen.
Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Elektronikeinheit (9) eine Speichereinheit (9a) umfasst, auf welcher Speichereinheit (9a) zumindest eine Referenz für eine Reaktion des Sensorelements (4,7) auf eine sprunghafte Änderung der zugeführten Leistung (ΔΡ) im
funktionsfähigen Zustand gespeichert ist. Thermisches Durchflussmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Elektronikeinheit (9) so ausgestaltet ist, dass sie in einem Zeitintervall von typischerweise weniger als 100ms zumindest 100 Messwerte aufnehmen kann.
Verfahren zum Betreiben eines thermischen Durchflussmessgeräts (1 ) zur Ermittlung des Massedurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines
strömungsfähigen Mediums (3) in einer Rohrleitung (2), mit zumindest einem Sensorelement (4,7) und einer Elektronikeinheit (9) mit einer Abtastrate im Bereich von Millisekunden oder weniger ,
wobei das zumindest eine Sensorelement (4,7) mit einer Heizleistung (P) beheizt wird, und dessen Temperatur (T) erfasst wird,
wobei aus der Heizleistung (P) und/oder Temperatur (T) und/oder zumindest einer aus zumindest der Heizleistung (P) und/oder Temperatur (T) abgeleiteten Größe der Massed urchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums (3) bestimmt werden,
wobei zu einem bestimmbaren Zeitpunkt ( t) die Heizleistung sprunghaft geändert (ΔΡ) wird,
wobei aus der Sprungantwort des Sensorelements (4,7) auf die sprunghafte Änderung der Heizleistung (ΔΡ) eine Aussage über den Zustand des zumindest einen Sensorelements (4,7) generiert und/oder ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 4,
wobei die Sprungantwort einer von der Heizleistung (P) abhängigen
charakteristischen Messgröße des Sensorelements (4,7), insbesondere der Temperatur (T) oder des elektrischen Widerstandes (R), ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 5,
wobei die Sprungantwort der Temperatur (T(t)) und/oder des Widerstandes (R(t)) des zumindest einen Sensorelements (4,7) als Funktion der Zeit (t) aufgezeichnet wird,
wobei mittels eines Vergleichs der aufgezeichneten Sprungantwort der Temperatur (T(t)) und/oder des Widerstandes (R(t)) des zumindest einen
Sensorelements (4,7) mit zumindest einer Referenzsprungantwort der Temperatur (T(t)) und/oder des Widerstandes (R(t)) auf eine Änderung des thermischen Widerstands des zumindest einen Sensorelements (4,7) geschlossen wird, und wobei im Falle des Überschreitens eines vorgebbaren Grenzwertes für die Änderung des thermischen Widerstands eine Meldung über eine Fehlfunktion des zumindest einen Sensorelements (4,7) generiert und ausgegeben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
wobei der Gradient der Temperatur (T) und/oder des Widerstandes (R) ermittelt wird, und
wobei mittels eines Vergleichs des Gradienten der Sprungantwort der Temperatur (T) und/oder des Widerstandes (R) und/oder einer daraus abgeleiteten Größe des zumindest einen Sensorelements (4,7) mit dem Gradienten von zumindest einer Referenzsprungantwort der Temperatur (T) und/oder des
Widerstandes (R) auf eine Änderung des thermischen Widerstands des zumindest einen Sensorelements (4,7) geschlossen wird, und
wobei im Falle des Überschreitens eines vorgebbaren Grenzwertes für die Änderung des thermischen Widerstands eine Meldung über eine Fehlfunktion des zumindest einen Sensorelements (4,7) generiert und ausgegeben wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Zeitintervall (16) zur Aufzeichnung der Sprungantwort der Temperatur (T) und/oder des Widerstandes (R), derart gewählt wird, dass es kleiner ist als die Zeit, welche die mittels der sprunghaften Änderung der Heizleistung (ΔΡ) zugeführte Wärme benötigt, um vom Inneren des Sensorelements (4,7) zu dessen Oberfläche zu gelangen.
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