DE102004040110A1

DE102004040110A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses

Info

Publication number: DE102004040110A1
Application number: DE200410040110
Authority: DE
Inventors: Christian Schneid; Dirk Dr. Boghun
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2006-02-23
Also published as: WO2006018366A3; WO2006018366A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses eines durch eine Rohrleitung (1) strömenden Messmediums (2). DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf: DOLLAR A - Ein beheizbarer Temperatursensor (3) wird mit dem Messmedium (2) in thermischen Kontakt gebracht; DOLLAR A - eine dem Temperatursensor (3) zugeordnete Heizeinheit (4) wird mit einem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal beaufschlagt; DOLLAR A - der Massedurchfluss des Messmediums (2) durch die Rohrleitung (1) wird anhand der Amplitude und/oder anhand der Phase des Temperaturmesssignals bestimmt, wobei das Temperaturmesssignal dem Antwortsignal des Temperatursensors (3) auf die von der Heizeinheit (4) zugeführte alternierende Heizleistung entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein thermisches bzw. kalorimetrisches Verfahren und eine thermische bzw. kalorimetrische Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses bzw. des Massedurchflusses eines durch eine Rohrleitung strömenden Messmediums. Bei dem Messmedium handelt es sich um ein fließfähiges Medium, insbesondere um ein flüssiges, ein dampfförmiges oder ein gasförmiges Medium.

Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte verwenden meist zwei Temperatursensoren. Für industrielle Anwendung sind beide Temperatursensoren üblicherweise in ein Messrohr eingebaut, in dem der Durchfluss eines Messmediums gemessen wird. Einer der beiden Temperatursensoren ist ein sog. passiver Temperatursensor; er erfasst die aktuelle Temperatur des Messmediums. Bei dem zweiten Temperatursensor handelt es sich um einen sog. aktiven Temperatursensor, der über eine Heizeinheit beheizt wird. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung vorgesehen, oder bei dem Temperatursensor selbst handelt es sich um ein Widerstandselement, z.B. um einen RTD (Resistance Temperature Detector) Temperatursensor, der selbst durch Umsetzung einer elektrischen Leistung (z.B. durch erhöhten Messstrom) erwärmt wird. Entsprechende Temperatursensoren werden beispielsweise von der Firma Honeywell angeboten und vertrieben.

Gemäß einer bekannten Ausführungsform wird der beheizbare Temperatursensor so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren einstellt. Alternativ ist es auch bekannt geworden, über eine Regel-/Steuereinheit eine zeitkonstante Heizleistung einzuspeisen.

Tritt in dem Messrohr kein Durchfluss auf, so erfolgt die Ableitung der Wärme von dem beheizten Temperatursensor über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und ggf. auch freie Konvektion innerhalb des Messmediums. Ist das zu messende Medium in Bewegung, kommt eine zusätzliche Abkühlung des beheizten Temperatursensors durch das vorbeiströmende kältere Medium hinzu. Durch das vorbeiströmende Messmedium tritt hier zusätzlich ein Wärmetransport infolge einer erzwungenen Konvektion auf. Um unter diesen Umständen die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren aufrecht zu erhalten, ist folglich eine höhere Heizleistung für den beheizten Temperatursensor erforderlich. Im Falle der Einspeisung einer zeitkonstanten Heizleistung verringert sich infolge des Durchflusses des Messmediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren.

Es besteht ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des Temperatursensors notwendigen Heizenergie und dem Massedurchfluss eines vorgegebenen Messmediums durch eine Rohrleitung bzw. durch das Messrohr. Parameter sind – wie bereits angedeutet – die thermophysikalischen Eigenschaften des Messmediums selbst und der im Messmedium herrschende Druck. Sind die entsprechenden vom Durchfluss abhängigen Kennlinien für diese Parameter erstellt bzw. sind die entsprechenden Parameter in den Funktionsgleichungen bekannt, lässt sich der Massedurchfluss des Messmediums exakt bestimmen. Thermische Messgeräte, die auf dem zuvor beschriebenen Prinzip beruhen, werden von Endress+Hauser unter der Bezeichnung 't-mass' angeboten und vertrieben.

Wenig vorteilhaft ist es bei den bekannten thermischen Durchflussmessgeräten, dass stets zwei Temperatursensoren notwendig sind, was abgesehen von den Kosten für den zusätzlichen Temperatursensor auch einen entsprechenden Platzbedarf und eine relativ große Anzahl von elektronischen Bauelementen für die Auswertung der Temperaturmesssignale erforderlich macht. Darüber hinaus ist die Messgenauigkeit der bekannten Vorrichtung mit zwei Temperatursensoren dadurch eingeschränkt, dass sich hier relativ große Querempfindlichkeiten gegenüber Störgrößen, insbesondere von Temperatur- und Druckschwankungen im Messmediums zeigen und der unbeheizte Temperatursensor sich oftmals konstruktiv nur aufwendig von der Heizeinheit thermisch entkoppeln lässt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine konstruktiv verbesserte Vorrichtung zur thermischen bzw. kalorimetrischen Bestimmung und/oder Überwachung eines in einer Rohrleitung strömenden Messmediums vorzuschlagen, das/die sich durch eine vergleichbare Messgenauigkeit auszeichnet, aber konstruktiv einfacher, preiswerter und fertigungstechnisch reproduzierbarer realisieren lässt.

Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die nachfolgend genannten Verfahrensschritte gelöst:

– ein beheizbarer Temperatursensor wird mit dem Messmedium in thermischen Kontakt gebracht;
– eine dem Temperatursensor zugeordnete Heizeinheit bzw. der beheizbare Temperatursensor, z.B. ein RTD-Temperatursensor, wird mit einem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal beaufschlagt;
– der Massedurchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung wird anhand der Amplitude und/oder anhand der Phase des Temperaturmesssignals bestimmt, wobei das Temperaturmesssignal dem Antwortsignal des Temperatursensors auf die von der Heizeinheit zugeführte alternierende Heizleistung entspricht.

Das wesentliche Merkmal der Erfindung – und zwar sowohl der Vorrichtung als auch des Verfahrens – ist, dass nur ein beheizbarer Temperatursensor benötigt wird. Auf eine separate Messung der Temperatur des Messmediums kann gänzlich verzichtet werden, wobei zu erwähnen ist, dass die Messung der Temperatur des Messmediums in der Praxis meist recht schwierig und aufwändig zu realisieren ist. Der zweite Temperatursensor, der die Temperatur des Messmediums bestimmt, ist erfindungsgemäß überflüssig. Durch die Einsparung eines Temperatursensors sowie der entsprechenden Elektronik kommt es natürlich zu einer Kosteneinsparung. Darüber hinaus sind zusätzliche und u.U. sehr aufwändige konstruktive Maßnahmen zur Entkopplung des Temperatursensors, der die Temperatur des Messmediums misst, von der Heizeinheit bzw. von dem beheizten Temperatursensor hinfällig. Vorteilhaft ist auch, dass nur ein Temperatursensor in Kontakt mit dem Messmedium ist; daher besteht eine verringerte Verschmutzungsgefahr und – da weniger Einbauten im Messrohr angeordnet sind – ist der Druckverlust im strömenden Messmedium geringer als bei der Verwendung von zwei Temperatursensoren. Da nur ein Temperatursensor erforderlich ist, ist darüber hinaus der Platzbedarf ebenfalls geringer als bei der bekannten Lösung, wodurch möglich ist, das thermische Durchflussmessgerät auch für Rohrleitungen mit entsprechend kleineren Durchmessern zu konzipieren.

Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Heizeinheit mit einem periodischen Spannungs- oder Stromsignal mit wechselnder Amplitude betrieben wird. Bevorzugt handelt es sich um ein Sinussignal, jedoch sind auch andere periodische Signalverläufe im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung anwendbar. Die Frequenz des Spannungs- oder Stromsignals ist dabei bevorzugt so gewählt, dass sich ein äquivalenter periodischer Verlauf des Temperaturmesssignals des Temperatursensors einstellt. Eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums und damit des thermischen Widerstands (also des Temperatursensors) wirkt sich daher primär auf die Amplitude (oder die Phase) des über die Zeit gemessenen Temperaturmesssignals aus. Bei der sich ändernden Amplitude handelt es sich um die maßgebliche Messgröße, da sie die Information über den Massedurchfluss in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr liefert. Störgrößen, wie Temperatur- oder Druckschwankungen des Messmediums, haben auf den Wechselanteil des Temperaturmesssignals keinen großen bzw. einen vernachlässigbaren Einfluss.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bzw. wird die Frequenz und/oder die Amplitude des alternierenden Spannungs- oder Stromsignals in Abhängigkeit von der verwendeten Heizeinheit und/oder in Abhängigkeit von dem jeweiligen Messmedium bestimmt und/oder ausgewählt. Diese Maßnahme wird ergriffen, um einen äquivalenten Verlauf von Spannungs- oder Stromsignal und Temperaturmesssignal zu erreichen – das Temperaturmesssignal kann dem Spannungs- oder Stromsignal folgen.

Wie bereits gesagt, beeinflussen Störgrößen wie Temperatur- und Druckschwankungen des Messmediums nicht den Wechselanteil des Temperaturmesssignals. Sie haben lediglich Einfluss auf den Gleichanteil (Offset) des Temperaturmesssignals. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt daher vor, dass aus dem Wechselanteil des Temperaturmesssignals der Massedurchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung ermittelt wird, während anhand des Geichanteils des Temperaturmesssignals die Temperatur des Messmediums bestimmt wird. Es ist daher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Information über die Temperatur des Messmediums quasi als Nebenprodukt zu erhalten.

Bevorzugt ist gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Heizleistung der Heizeinheit bzw. des Temperatursensors auf einen näherungsweise konstanten Amplitudenwert geregelt wird. Aus einer Amplitudenänderung und/oder aus einer Phasenänderung des resultierenden Temperaturmesssignals lässt sich folglich auf den Massedurchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr schließen.

Die Aufgabe wird bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, dass eine dem Temperatursensor zugeordnete Heizeinheit und eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, dass der Temperatursensor so in dem Gehäuse angeordnet ist, dass er im Messbetrieb im thermischen Kontakt mit dem Messmedium ist, dass die Heizeinheit mit dem Temperatursensor thermisch in Verbindung steht, dass die Heizeinheit und/oder das Gehäuse so ausgestaltet sind/ist, dass die Heizeinheit definiert thermisch an das Messmedium gekoppelt ist, und dass die Regel-/Auswerteeinheit die Heizeinheit mit einem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal beaufschlagt und anhand des Antwortsignals bzw. des Temperaturmesssignals des Temperatursensors den Massedurchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung ermittelt. Wie bereits erwähnt, ist dem beheizbaren Temperatursensor (Pt100, Pt1000, usw.) eine zusätzlich angebrachte Widerstandsheizung zugeordnet, oder aber es handelt sich bei dem Temperatursensor um ein Widerstandselement, z. B. um einen RTD Temperatursensor.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein möglichst konstanter und definierter Wärmetransport zwischen der Heizeinheit und dem Temperatursensor nahezu ausschließlich über Wärmeleitung erfolgt. Während der Temperatursensor in gutem thermischem Kontakt mit dem Messmedium steht, ist die Heizeinheit idealer Weise in sehr gutem thermischem Kontakt mit dem Temperatursensor, aber ansonsten von der Umgebung weitgehend thermisch entkoppelt. Das heißt, die einzige Verbindung, die die Heizeinheit zur Umgebung hat, ist über den Temperatursensor realisiert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Heizeinheit in einem von dem Messmedium abgewandten Teilbereich des Gehäuses angeordnet ist. Zwischen der Innenwand des Gehäuses und der korrespondierenden Außenfläche der Heizeinheit ist ein Füllmaterial mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit angeordnet. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Temperatursensor in einem dem Messmedium zugewandten Teilbereich des Gehäuses angeordnet ist, wobei zwischen der Innenwand des Gehäuses und der korrespondierenden Außenfläche des Temperatursensors ein Füllmaterial mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit vorgesehen ist. Der Temperatursensor selbst ist an der Stirnfläche des Gehäuses vorgesehen.

Nach einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Temperatursensors bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der Temperatursensor und die Heizeinheit ringförmig ausgebildet, wobei der Temperatursensor und die Heizeinheit in dem dem Messmedium zugewandten Teilbereich des Gehäuses konzentrisch angeordnet sind. Hierbei findet sich die Heizeinheit im Innenbereich des Gehäuses, während der Temperatursensor im Außenbereich des Gehäuses angeordnet ist. Diese Art der Ausgestaltung bietet zudem den Vorteil einer Richtungsunabhängigkeit bei der Durchflussmessung. Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte oder Sensoranordnungen setzen dagegen oftmals eine definierte Einbaurichtung bzw. Einbaulage in Bezug zur Strömungsrichtung voraus. Die thermische Isolation der Heizeinheit von der Umgebung – mit Ausnahme des Temperatursensors – wird über das Einbringen eines Füllmaterials mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit erreicht. Der Temperatursensor ist bevorzugt in direktem Kontakt mit der thermisch gut leitenden Innenwand des Gehäuses. Möglich ist selbstverständlich auch das Einbringen eines thermisch gut leitenden Füllmaterials zwischen dem Temperatursensor und der Innenwand des Gehäuses, falls zwischen dem Temperatursensor und dem Gehäuse ein Spalt frei bleibt.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Füllmaterial mit der geringen thermischen Leitfähigkeit und/oder bei dem Füllmaterial mit der vergleichsweise hohen thermischen Leitfähigkeit um ein Vergussmaterial wie Polyurethan, Silikonkautschuk o.ä. Denkbar ist auch die Verwendung von Keramikpulver aus Al₂O₃, Magnesiumoxid oder vergleichbaren Substanzen. Für die Realisierung einer vergleichsweise schlechten Temperaturleitfähigkeit ist es auch möglich, die entsprechenden Bereiche einfach luftgefüllt zu belassen.

Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, wird als alternierendes Spannungs- oder Stromsignal vorteilhafter Weise ein periodisches Spannungs- oder Stromsignal genutzt. Bevorzugt ist das Spannungs- oder Stromsignal sinusförmig. Im Prinzip kann es jedoch jede beliebige periodische Form aufweisen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Eingabeeinheit vorgesehen, über die die Frequenz des alternierenden Spannungs- oder Stromsignals für die Heizeinheit so wählbar und einstellbar ist, dass das alternierende Antwort- bzw. Temperaturmessignal näherungsweise die gleiche Frequenz aufweist wie das alternierende Spannungs- bzw. Stromsignal. Hierdurch wird sichergestellt, dass zwischen dem Spannungs- oder Stromsignal und dem Temperaturmesssignal eine Äquivalenz besteht, wodurch die Auswertung erheblich vereinfacht wird.

Wie bereits zuvor erwähnt, ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit anhand der Amplitude und/oder der Phase (also anhand des Wechselteils) des periodischen Antwortsignals bzw. des Temperaturmesssignals den Massedurchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung.

Als besonders vorteilhaft wird die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erachtet, nach der die Regel-/Auswerteeinheit anhand des Gleichanteils des Antwortsignals bzw. des Temperaturmesssignals zumindest eine weitere Zustandsvariable des in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr strömenden Messmediums ermittelt. Bei der Zustandsvariablen handelt es sich beispielsweise um die Temperatur des Messmediums.

Bevorzugt versorgt die Regel-/Auswerteeinheit die Heizeinheit mit einer konstanten Heizleistung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist darüber hinaus so ausgestaltet, dass sie den Massedurchfluss entweder kontinuierlich misst, und/oder dass sie erkennt, ob der Massedurchfluss einen vorgegebenen Grenzwert unter- oder überschreitet. Im zweiten Fall wird die Vorrichtung also als Durchflussschalter verwendet, die erkennt, ob das Messmedium in Ruhe oder in Bewegung ist.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
1a: eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten ersten erfindungsgemäßen beheizbaren Temperatursensors,
2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen beheizbaren Temperatursensors,
3: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen beheizbaren Temperatursensors,
4: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Heizleistung, wenn das Messmedium in Ruhe ist,
5: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des korrespondierenden Temperaturmesssignals bei zunehmendem Massedurchfluss und bei konstanter Temperatur des Messmediums,
6: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des korrespondierenden Temperaturmesssignals bei konstantem Massedurchfluss und bei steigender Temperatur des Messmediums und
7: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des korrespondierenden Temperaturmesssignals bei abnehmendem Massedurchfluss und bei steigender Temperatur des Messmediums.
1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser Ausführungsform sind die Heizeinheit 4 und der Temperatursensor 3 in Richtung der Längsachse 17 des Gehäuses 7 versetzt voneinander angeordnet. Die Heizeinheit 4 ist im mediumsabgewandten Bereich 8 des Gehäuses 7 angeordnet, während der Temperatursensor 3 im mediumszugewandten Bereich 9 des Gehäuses 7 positioniert ist. Im Bereich zwischen der Heizeinheit 4 und dem Temperatursensor 3 herrscht ein optimierter Wärmestrom, da in diesem Bereich ein Material 11 mit einer sehr guten Wärmeleitung angeordnet ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Material 11 um Kupfer. Mit Ausnahme dieser direkten Verbindung zu dem Temperatursensor 3 ist der Wärmestrom der Heizeinheit 4 in alle anderen Richtung wirkungsvoll unterbunden, indem die entsprechenden Bereiche mit einem Material 12 mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit aufgefüllt sind. Bevorzugt handelt es sich übrigens bei dem Material 12 mit der geringen thermischen Leitfähigkeit um einen Verguss.
Der mediumszugewandte Bereich 9 des Gehäuses 7, in dem der Temperatursensor 3 angeordnet ist, ist gleichfalls mit einem Verguss aufgefüllt. Allerdings handelt es sich herbei um einen Verguss aus einem Material 13 mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit. Hierdurch wird eine gute thermische Ankopplung des Temperatursensors 3 an das im Außenraum des mediumszugewandten Bereichs 9 des Gehäuses 7 befindliche Messmedium 2 erzielt.
Über die Regel-/Auswerteeinheit 6 wird die Heizeinheit 4 mit einem periodischen Spannungs- oder Stromsignal bespeist, wobei die Heizleistung, die der Heizeinheit 4 zugeführt wird, bevorzugt über die Zeit konstant ist. Ein entsprechendes Spannungs- oder Stromsignal ist in der 3 dargestellt. Die Amplitude und/oder Frequenz des Spannungs- oder Stromsignals sind/ist über die Eingabeeinheit 16 vorgebbar bzw. einstellbar. Hierdurch lässt sich eine optimale Anpassung der Heizleistung an das in der Rohrleitung 1 bzw. in dem Messrohr strömende Messmedium 2 erreichen. Die Frequenz des Spannungs- oder Stromsignals ist so gewählt, dass das resultierende und die Information über den Massedurchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung 1 tragende Temperatur- bzw. Antwortsignal dem Spannungs- oder Stromsignal folgen kann. Beide Signalformen sind daher zueinander äquivalent, was die Auswertung erheblich vereinfacht.
Über Verbindungsleitungen 18 leitet die Regel-/Auswerteeinheit 6 die Information über den Massedurchfluss und/oder über andere Parameter, wie die Temperatur des Messmediums 2, an eine entfernte in der 1 nicht gesondert dargestellt Leitstelle weiter. Möglich ist es natürlich auch, die Information vor Ort auf einem Display auszugeben.
In 1a ist eine stark schematisierte Darstellung des in 1 gezeigten ersten erfindungsgemäßen beheizbaren Temperatursensors 3 zu sehen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen beheizbaren Temperatursensors 3. Der wesentliche Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Heizeinheit 4 und der Temperatursensor 3 ringförmig ausgebildet sind und sich im mediumszugewandten Bereich 9 des Gehäuses 7 befinden. Wiederum besteht eine gute thermische Ankopplung zwischen der Heizeinheit 4 und dem Temperatursensor 3 über ein entsprechend angeordnetes thermisch gut leitfähiges Material 15. In allen anderen Bereichen ist die Heizeinheit 4 von ihrer Umgebung durch ein Material 12 mit geringer thermischer Leitfähigkeit thermisch entkoppelt. Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist die relativ große Kontaktfläche zwischen Temperatursensor 3 und Messmedium 2.
In 3 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen beheizbaren Temperatursensors 3 zu sehen. Bei dieser Ausführungsform übernimmt der Temperatursensor 3 gleichzeitig auch noch die Funktion des Heizelements 4, indem er durch Umsetzung einer elektrischen Leistung erwärmt wird. Bei dem Temperatursensor 3 handelt es sich um ein sog. Widerstandselement, z.B. um einen RTD (Resistance Temperature Detector) Temperatursensor, der selbst durch Umsetzung einer elektrischen Leistung (z.B. durch erhöhten Messstrom) auf einen vorgegebenen Temperaturwert erwärmt wird. Die Ansteuerung des Widerstands elements erfolgt mittels des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei – in diesem Fall – der Temperatursensor 3 selbst mit einem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal beaufschlagt wird, und wobei der Massedurchfluss bzw. der Durchfluss des Messmediums 2 durch die Rohrleitung 1 anhand der Amplitude und/oder anhand der Phase des Temperaturmesssignals bestimmt wird, wobei das Temperaturmessignal dem Antwortsignal des Temperatursensors 3 auf die dem Temperatursensor 3 zugeführte alternierende Heizleistung entspricht.
Der als Widerstandselement ausgebildete Temperatursensor 3 kann beispielsweise radial an der Innenwand des üblicherweise zylindrischen Gehäuses 7 positioniert sein. Er kann aber auch axial im Bereich der Stirnseite des Gehäuses aufgebracht bzw. angebracht sein. Bevorzugt ist der Temperatursensor 3 übrigens in Dünnfilmtechnik ausgeführt, allerdings sind auch andere Ausgestaltungen des Temperatursensors 3 in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich. Bei der zuvor genannten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorteilhaft, das Antwortsignal des Temperatursensors auf das periodische, z.B. sinusförmige, sägezahnförmige oder auch gepulste Spannungs- oder Stromsignal jeweils im Bereich der Minima oder der Maxima zu bestimmen. Dies ist aufgrund der thermischen Verzögerung sinnvoll, aber auch leicht realisierbar, da das Antwortsignal des Temperatursensors sowieso periodisch bestimmt werden muss, um eine Regelung der Heizleistung auf einen annähernd konstanten Wert realisieren zu können.
Wie bereits zuvor erwähnt, ist in 4 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Heizleistung mit einer über die Zeit nahezu konstanten Amplitude gezeigt. Mit dieser Heizleistung wird die Heizeinheit 4 bzw. der Temperatursensor 3 beaufschlagt. In den Figuren 5 – 7 sind die entsprechenden Verläufe des Antwortsignals bzw. des Temperaturmesssignals des Temperatursensor 3 in Abhängigkeit von verschiedenen Messgrößen oder von verschiedenen Parametern des Messmediums 2 zu sehen.
In 5 ist der zeitliche Verlauf des korrespondierenden Temperaturmesssignals bei zunehmendem Massedurchfluss und bei konstanter Temperatur des Messmediums 2 dargestellt. Während der Offset, also der Gleichanteil des Temperaturmesssignals, zumindest näherungsweise konstant bleibt, nimmt die Amplitude des Temperaturmesssignals über die Zeit ab. Im Wechselanteil des Temperaturmesssignals kommt die Abhängigkeit der Amplitude von dem Massedurchfluss zum Ausdruck: Je höher der Massedurchfluss, um so mehr Wärme gibt der Temperatursensor 3 pro Zeiteinheit an das strömende Medium 2 ab. Da die Amplitude eine funktionale Abhängigkeit zum Massedurchfluss besitzt, lässt sich der Massedurchfluss aus der Amplitude des Temperaturmesssignals bestimmen.
6 zeigt eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des korrespondierenden Temperaturmesssignals bei konstantem Massedurchfluss und bei steigender Temperatur des Messmediums 2. Da der Massedurchfluss konstant ist, ist die Amplitude des Temperaturmesssignals konstant; allerdings ändert sich nunmehr der Gleichanteil des Temperaturmesssignals. Da die Temperatur ansteigt, ändert das Temperaturmessignal seine Lage in Richtung der positiven Y-Achse.
In 7 ist der zeitliche Verlauf des korrespondierenden Temperaturmesssignals bei abnehmendem Massedurchfluss und bei steigender Temperatur des Messmediums 2 dargestellt. Hier ändern sich also die eigentliche Messgröße 'Massedurchfluss' und ein Parameter 'Temperatur' des Messmediums 2. Die steigende Temperatur des Messmediums 2 drückt sich wiederum in einer Verschiebung des Gleichanteils des Temperaturmesssignals in Richtung der positiven Y-Achse aus; der abnehmende Massedurchfluss des Messmediums zeigt sich in einem Ansteigen der Amplitude des Wechselanteils des Temperaturmesssignals.

1: Rohrleitung / Messrohr
2: Messmedium
3: Temperatursensor
4: Heizeinheit
5: Außenfläche der Heizeinheit
6: Regel-/Auswerteeinheit
7: Gehäuse
8: Mediumsabgewandter Teilbereich des Gehäuses
9: Mediumszugewandter Teilbereich des Gehäuses
10: Innenwand des Gehäuses
11: Thermisch leitendes Material
12: Füllmaterial mit geringer thermischer Leitfähigkeit / (Verguss, Luft)
13: Füllmaterial mit hoher thermischer Leitfähigkeit / Verguss
14: Außenfläche des Temperatursensors
15: Thermisch leitendes Material
16: Eingabeeinheit
17: Längsachse
18: Verbindungsleitung

Claims

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses eines durch eine Rohrleitung (1) strömenden Messmediums (2), wobei ein beheizbarer Temperatursensor (3) mit dem Messmedium (2) in thermischen Kontakt gebracht wird, wobei eine dem Temperatursensor (3) zugeordnete Heizeinheit (4) oder beheizbare Temperatursensor (3) mit einem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal beaufschlagt wird, und wobei der Massedurchfluss des Messmediums (2) durch die Rohrleitung (1) anhand der Amplitude und/oder anhand der Phase des Temperaturmesssignals bestimmt wird, wobei das Temperaturmessignal dem Antwortsignal des Temperatursensors (3) auf die von der Heizeinheit (4) zugeführte bzw. auf die dem Temperatursensor (3) zugeführte alternierende Heizleistung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Frequenz und/oder die Amplitude des alternierenden Spannungs- oder Stromsignals in Abhängigkeit von der verwendeten Heizeinheit (4) bzw. dem verwendeten Temperatursensor (3) und/oder in Abhängigkeit von dem jeweiligen Messmedium (2) bestimmt und/oder ausgewählt werden/wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus dem Wechselanteil des Temperaturmesssignals der Massedurchfluss des Messmediums (2) durch die Rohrleitung (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus dem Geichanteil des Temperaturmesssignals die Temperatur des Messmediums (2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Heizleistung der Heizeinheit (4) bzw. des Temperatursensors (3) auf einen näherungsweise konstanten Amplitudenwert geregelt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses eines Messmediums (2) durch eine Rohrleitung (1) mit einem in einem Gehäuse (7) angeordneten Temperatursensor (3), mit einer Heizeinheit (4) und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (6), wobei der Temperatursensor (3) so in dem Gehäuse (7) angeordnet ist, dass er im Messbetrieb im thermischen Kontakt mit dem Messmedium (2) ist, wobei die Heizeinheit (4) mit dem Temperatursensor (3) thermisch in Verbindung steht, wobei die Heizeinheit (4) und/oder das Gehäuse (7) so ausgestaltet sind/ist, dass die Heizeinheit (4) von dem Messmedium (2) thermisch entkoppelt ist, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (6) die Heizeinheit (4) mit einem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal beaufschlagt und anhand des Antwortsignals bzw. des Temperaturmesssignals des Temperatursensors (3) den Massedurchfluss des Messmediums (2) durch die Rohrleitung (1) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Heizelement (4) in einem von dem Messmedium (2) abgewandten Teilbereich (8) des Gehäuses (7) angeordnet ist und wobei zwischen der Innenwand (10) des Gehäuses (7) und der korrespondierenden Außenfläche der Heizeinheit (4) ein Füllmaterial (12) mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Temperatursensor (3) in einem dem Messmedium (2) zugewandten Teilbereich (9) des Gehäuses (7) angeordnet ist und wobei zwischen der Innenwand (10) des Gehäuses (7) und der korrespondierenden Außenfläche (14) des Temperatursensors (3) ein Füllmaterial (13) mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Temperatursensor (3) und die Heizeinheit (4) ringförmig ausgebildet sind, wobei der Temperatursensor (3) und die Heizeinheit (4) in dem dem Messmedium (2) zugewandten Teilbereich (9) des Gehäuses (7) konzentrisch angeordnet sind, wobei die Heizeinheit (4) im Innenbereich des Gehäuses (7) angeordnet ist, wobei der Temperatursensor (3) im Außenbereich des Gehäuses (7) angeordnet ist, und wobei das Füllmaterial (12) mit der geringen thermischen Leitfähigkeit so angeordnet ist, das die Heizeinheit (4) thermisch von dem Gehäuse (7) entkoppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei es sich bei dem Füllmaterial (12) mit der geringen thermischen Leitfähigkeit und/oder bei dem Füllmaterial (13) mit der hohen thermischen Leitfähigkeit um einen Verguss handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal um ein periodisches Spannungs- oder Stromsignal handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 11, wobei eine Eingabeeinheit (16) vorgesehen ist, über die die Frequenz des alternierenden Spannungs- oder Stromsignals für die Heizeinheit (4) so wählbar und einstellbar ist, dass das alternierende Antwort- bzw. Temperaturmesssignal näherungsweise die gleiche Frequenz aufweist wie das alternierende Spannungs- bzw. Stromsignal.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (6) anhand der Amplitude und/oder Phase des periodischen Antwortsignals bzw. des Temperaturmesssignals den Massedurchfluss des Messmediums (2) durch die Rohrleitung (1) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (6) anhand des Gleichanteils des Antwortsignals bzw. des Temperaturmesssignals zumindest eine weitere Zustandsvariable (p, T) des in der Rohrleitung (1) strömenden Messmediums (2) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (6) die Heizeinheit (4) so ansteuert, dass diese eine konstante Heizleistung einspeist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6-15, die Regel-/Auswerteeinheit (6) so ausgestaltet ist, dass sie den Massedurchfluss kontinuierlich misst, und/oder dass sie erkennt, ob der Massedurchfluss einen vorgegebenen Grenzwert unter- oder überschreitet.