Herkömmliche
thermische Durchflussmessgeräte
verwenden meist zwei möglichst
gleichartig ausgestaltete 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
Device) Sensor, der durch Umsetzung einer elektrischen Leistung
(z.B. durch erhöhten
Messstrom) erwärmt
wird. Entsprechende Temperatursensoren werden beispielsweise von
der Firma Honeywell angeboten und vertrieben.
Üblicherweise
wird in einem thermischen Durchflussmessgerät 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 Durchfluss,
insbesondere 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.
Üblicherweise
sind die beiden Temperatursensoren stiftförmig bzw. gerade und parallel
zueinander angeordnet. Dabei haben die Anordnung der Temperatursensoren
bezüglich
der Strömungsrichtung
des Messmediums und das Messmedium selbst unter Umständen einen
relativ großen
Einfluss auf das Messergebnis.
Die
Einbauposition des Durchflussmessgeräts in die Rohrleitung ist üblicherweise
so gewählt, dass
gewährleistet
ist, dass das Messmedium mit den Temperatursensoren in stetigem
thermischem Kontakt ist. Mögliche
Einbaupositionen sind die seitliche Einbauposition bei vertikal
angeordneten Rohrleitungen, oder die Temperatursensoren befinden sich
bei einer waagerecht angeordneten Rohrleitung im oberen, im unteren
Bereich oder im seitlichen Bereich der Rohrleitung. Im letzten Fall
ist die Positionierung im seitlichen Bereich der Rohrleitung insofern
günstig,
da bei dieser Art der Montage weder Ablagerungen nach Luftpolster
die Funktion des Messgeräts negativ
beeinflussen können.
Je nach Einbauposition tritt nun aber bei den bekannten parallel
angeordneten, stiftförmigen
Temperatursensoren das Problem auf, dass die Messwerte in Abhängigkeit von
der Einbauposition variieren. Sind die beiden Temperatursensoren
in Strömungsrichtung
hintereinander positioniert, so besteht die Gefahr, dass von dem
beheizbaren Temperatursensor Wärmeenergie zu
dem in Strömungsrichtung
nachfolgend angeordneten passiven Temperatursensor transportiert,
wodurch dieser nicht die korrekte Temperatur des Messmediums liefert.
Sind die beiden Temperatursensoren quer zur Strömungsrichtung positioniert,
so wirken sich Temperaturgradienten quer zur Strömungsrichtung negativ auf das
Messergebnis aus. Derartige Temperaturgradienten treten z.B. dadurch
auf, dass auf einer Seite der Rohrleitung, z.B. infolge einer dort
angeordneten Heizquelle, eine höhere
Temperatur herrscht als auf der anderen Seite der Rohrleitung.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kalorimetrisches Durchflussmessgerät vorzuschlagen,
dessen Messwerte im wesentlichen unabhängig sind von der Einbauposition
in dem Messrohr bzw. in der Rohrleitung.
Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die beiden Temperatursensoren in einem dem Messmedium zugewandten
Bereich eines Gehäuses
angeordnet und in thermischem Kontakt mit dem durch die Rohrleitung
bzw. durch das Messrohr strömende Messmedium
sind, dass die beiden Temperatursensoren in Strömungsrichtung (x) und quer
zur Strömungsrichtung
(y) jeweils in einem definierten x-Abstand und in einem definierten
y-Abstand versetzt zueinander angeordnet sind, dass ein erster Temperatursensor
beheizbar ausgestaltet ist, dass ein zweiter Temperatursensor Information über die
aktuelle Temperatur des Messmediums bereitstellt, und dass die Regel-/Auswerteeinheit
anhand der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren und/oder
anhand der dem ersten Temperatursensor zugeführten Heizleistung den Durchfluss
des Messmediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr ermittelt.
Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind/ist der
x-Abstand und/oder der y-Abstand zwischen den beiden Temperatursensoren
so bemessen, dass eine Übertragung
von thermischer Energie von dem beheizbaren Temperatursensor auf
den Temperatursensor, der die Temperatur des Mediums misst, näherungsweise
Null ist.
Eine
alternative oder additive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
schlägt
vor, dass der y-Abstand und/oder der x-Abstand zwischen den beiden
Temperatursensoren so bemessen sind/ist, dass eine Übertragung
von mechanischer Energie über
die Karman'sche
Wirbelstraße,
die durch den in Strömungsrichtung
ersten Temperatursensor hervorgerufen ist, auf den in Strömungsrichtung
nachfolgenden zweiten Temperatursensor näherungsweise Null ist.
Insbesondere
wird es im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung als vorteilhaft angesehen,
dass der x-Abstand zwischen den beiden Temperatursensoren derart
minimiert ist, dass ein quer zur Strömungsrichtung des Messmediums auftretender
Temperaturgradient zumindest näherungsweise
keinen Einfluss auf die Temperaturmessung der beiden Temperatursensoren
hat.
Wie
bereits erwähnt,
ist entweder eine Heizeinheit vorgesehen, die dem beheizbaren Temperatursensor
zugeordnet ist, oder bei dem ersten Temperatursensor und/oder bei
dem zweiten Temperatursensor handelt es sich um einen RTD-Sensor,
also um ein Resistance Temperature Device.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass die Regel-/Auswerteeinheit die Heizeinheit bzw. den beheizbaren
Temperatursensor so ansteuert, dass der beheizbare Temperatursensor
mit einer konstanten Heizleistung beaufschlagt ist; anschließend bestimmt die
Regel-/Auswerteeinheit anhand der Temperaturdifferenz zwischen dem
ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor den Durchfluss des
Messmediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr. bestimmt. Alternativ
ist vorgesehen, dass die Regel-/Auswerteinheit die Heizeinheit bzw.
den beheizbaren Temperatursensor so ansteuert, dass zwischen dem
ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor eine näherungsweise konstante
Temperaturdifferenz herrscht; anschließend bestimmt die Regel-/Auswerteeinheit
anhand der dem beheizbaren Temperatursensor zugeführten Heizleistung
den Durchfluss des Messmediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr.
Darüber hinaus
ist vorgesehen, dass die Regel-/Auswerteeinheit so ausgestaltet
ist, dass sie den Durchfluss kontinuierlich misst und/oder dass
sie erkennt, ob der Durchfluss zumindest einen vorgegebenen Grenzwert
unter- oder überschreitet.
Im zuletzt genannten Fall arbeitet das thermische Durchflussmessgerät als Schalter.
Es erkennt also nur, ob Messmedium durch die Rohrleitung bzw. das
Messrohr fließt
oder nicht.
Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
schlägt
desweiteren vor, dass beide Temperatursensoren so ausgestaltet sind,
dass sie beheizbar sind, und dass die Regel-/Auswerteeinheit die
beiden Temperatursensoren so ansteuert, dass wahlweise einer der
beiden Temperatursensoren die Temperatur des Messmediums liefert
und dass der andere Temperatursensor aufgeheizt wird. Das Messergebnis
wird dann beispielsweise durch eine Mittelwertbildung der Messwerte
aus den unterschiedlichen Messungen gewonnen.
Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es
zeigt:
1:
eine schematische Darstellung eines thermischen Durchflussmessgeräts,
2: mögliche
Anordnungen der beiden Temperatursensoren
- a)
in Strömungsrichtung
hintereinander
- b) quer zur Strömungsrichtung
nebeneinander
3:
eine Ausführungsform
der Anordnung der Temperatursensoren bei dem erfindungsgemäßen thermischen
Durchflussmessgerät.
1 zeigt
eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts 1.
Das Durchflussmessgerät 1 ist über ein Schraubgewinde 9 in
einem Stutzen 4, der sich an der Rohrleitung 2 befindet,
befestigt. In der Rohrleitung 2 befindet sich das strömende Messmedium 3.
Alternativ ist es möglich,
das Durchflussmessgerät 1 mit
integriertem Messrohr als Inline-Messgerät auszubilden.
Die
Temperaturmesseinrichtung 6 befindet sich in dem dem Messmedium 3 zuge-wandten
Bereich des Gehäuses 5.
Die Ansteuerung der Temperatursensoren 11, 12 und/oder
die Auswertung der von den Temperatursensoren 11, 12 gelieferten Messsignale
erfolgt über
die Regel-/Auswerteeinheit 10,
die im gezeigten Fall im Umformer 7 angeordnet ist. Über die
Verbindung 8 erfolgt die Kommunikation mit einer entfernten,
in der 1 nicht gesondert dargestellten Kontrollstelle.
Wie
bereits zuvor erwähnt,
kann es sich bei zumindest einem der beiden Temperatursensoren 11, 12 um
ein elektrisch beheizbares Widerstandselement, um einen sog. RTD-Sensoren,
handeln. Selbstverständlich
kann in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung auch ein üblicher
Temperatursensor, z.B. ein Pt100 oder Pt1000 oder ein Thermoelement
eingesetzt werden, dem eine thermisch angekoppelte Heizeinheit 13 zugeordnet
ist. Die Heizeinheit 13 ist in der 1 im Gehäuse 5 angeordnet und
thermisch an den beheizbaren Temperatursensor 11, 12 gekoppelt,
aber von dem Messmedium weitgehend entkoppelt. Die Ankopplung bzw.
die Entkopplung erfolgt bevorzugt über die Auffüllung der entsprechenden
Zwischenräume
mit einem thermisch gut leitenden bzw. einem thermisch schlecht leitenden
Material. Bevorzugt kommt hierzu ein Vergussmaterial zum Einsatz.
Wie
bereits an vorhergehender Stelle beschrieben, ist es mit dem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät 1 möglich, den
Durchfluss kontinuierlich zu messen; alternativ ist es möglich, das
erfindungsgemäße Durchflussmessgerät 1 als
Durchflussschalter zu verwenden, der immer dann die Änderung
eines Schaltzustandes anzeigt, wenn zumindest ein vorgegebener Grenzwert
unter- oder überschritten
wird.
Vorteilhafter
Weise ist darüber
hinaus vorgesehen, dass beide Temperatursensoren 11, 12 beheizbar
ausgestaltet sind, wobei die gewünschte Funktion des
ersten Temperatursensors 11 oder des zweiten Temperatursensors 12 von
der Regel/Auswerteeinheit 10 bestimmt ist. Beispielsweise
ist es möglich,
dass die Regel-/Auswerteeinheit 10 die beiden Temperatursensoren 11, 12 alternierend
als aktiven oder passiven Temperatursensor 11, 12 ansteuert
und den Durchflussmesswert über
eine Mittelung der von beiden Temperatursensoren 11, 12 gelieferten
Messwerte bestimmt.
In 2 sind bekannte Anordnungen der beiden
Temperatursensoren dargestellt. In 2a sind
die beiden Temperatursensoren 11, 12 in Strömungsrichtung
S gesehen hintereinander angeordnet, während sie in 2b nebeneinander
quer zur Strömungsrichtung
S angeordnet sind. Die Nachteile der in 1a gezeigten
Lösung
sind darin zu sehen, dass einerseits der Wirbelstrom, der an dem
ersten Temperatursensor 11 erzeugt wird, den zweiten Temperatursensor 12 zu
mechanischen Schwingungen anregt. Im schlimmsten Fall beginnt der
zweite Temperatursensor 12 mit seiner Resonanzfrequenz
zu schwingen, was zu einer Materialermüdung führen kann. Andererseits wird
das fluide Messmedium, das an dem ersten beheizbaren Temperatursensor 11 vorbeiströmt, durch
diesen erwärmt.
Nachfolgend stellt der zweite Temperatursensor 12 nicht
die korrekte Temperatur des Messmediums 3 bereit, sondern
misst eine erhöhte
Temperatur. Durch die Erwärmung
des Messmediums 3 wird ein Messfehler bei der Durchflussmessung
verursacht, welcher sich aus dem Quotienten der von dem zweiten
Temperatursensor 12 gemessenen erhöhten Temperatur des Messmediums 3 und
der zwischen den beiden Temperatursensoren 11, 12 vorgegebenen
Temperaturdifferenz ergibt. Im schlimmsten Fall kann dies dazu führen, dass
der zweite Temperatursensor 12 durch den Einfluss des ersten
heizbaren Temperatursensors 11 und insbesondere im Falle
eines gasförmigen Messmediums
durch das vorbeiströmende
bereits heiße
Messmedium 3 immer weiter aufgeheizt wird, wodurch der
erste Temperatursensor 11 zwecks Aufrechterhaltung der
vorgegebenen Temperaturdifferenz ebenfalls immer weiter aufgeheizt
wird. Um diese Gefahr auszuschließen, ist es daher unbedingt
erforderlich, dass in Strömungsrichtung
und quer zur Strömungsrichtung
ein gewisser Abstand zwischen den beiden Temperatursensoren 11, 12 besteht. Letztlich
ist dies auch aus Fertigungsgründen
notwendig.
In 2b sind
die beiden Temperatursensoren 11, 12 quer zur
Strömungsrichtung
S nebeneinander angeordnet. Wie bereits erwähnt, ist diese Anordnung sehr
kritisch, wenn innerhalb des Messrohres bzw. der Rohrleitung ein
Temperaturgradient quer zur Strömungsrichtung
S auftritt. Insbesondere bei kleinen Nennweiten der Rohrleitung 2 ergeben
sich hierdurch erhebliche Messfehler bei der Bestimmung des Durchflusses.
Verursacht wird ein Temperaturgradient quer zur Strömungsrichtung
S in dem Messmedium 3 beispielsweise dadurch, dass sich
auf einer Seite der Rohrleitung 2 eine externe Wärmequelle
oder eine Wärmesenke
befindet.
3 zeigt
eine Ausführungsform
der Anordnung der Temperatursensoren 11, 12 bei
dem erfindungsgemäßen thermischen
Durchflussmessgerät 1.
Der erste Temperatursensor 11 ist beheizbar ausgestaltet,
während
der zweite Temperatursensor 12 die Temperatur des Messmediums 3 misst.
Die beiden Temperatursensoren 11, 12 sind in Strömungsrichtung
x und quer zur Strömungsrichtung
y jeweils in einem definierten x-Abstand und in einem definierten
y-Abstand versetzt zueinander angeordnet.
Vorteilhafter
Weise sind bzw. ist der x-Abstand und/oder der y-Abstand zwischen
den beiden Temperatursensoren 11, 12 so bemessen,
dass eine Übertragung
von thermischer Energie von dem beheizbaren Temperatursensor 11 auf
den Temperatursensor 12, der die Temperatur des Messmediums 3 misst,
näherungsweise
Null ist. Insbesondere wird es im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
als vorteilhaft angesehen, dass der x-Abstand zwischen den beiden
Temperatursensoren 11, 12 derart minimiert ist,
dass ein quer zur Strömungsrichtung
S des Messmediums 3 auftretender Temperaturgradient zumindest
näherungsweise
keinen Einfluss auf die Temperaturmessung der beiden Temperatursensoren 11, 12 und
damit auf die Durchflussmessung hat. Wie bereits erwähnt, ist
entweder eine Heizeinheit vorgesehen, die dem beheizbaren Temperatursensor 11 zugeordnet
ist, oder bei dem ersten Temperatursensor 11 und/oder bei
dem zweiten Temperatursensor 12 handelt es sich um einen
RTD-Sensor, also um ein Resistance Temperature Device.
Alternativ
oder additiv sind bzw. ist der y-Abstand und der x-Abstand zwischen
den beiden Temperatursensoren 11, 12 so bemessen,
dass eine Übertragung von
mechanischer Energie über
die Karman'sche
Wirbelstraße,
die durch den in Strömungsrichtung
S ersten Temperatursensor 11 hervorgerufen ist, auf den
in Strömungsrichtung
S nachfolgenden zweiten Temperatursensor 12 näherungsweise
Null ist. Laut einer Abschätzung
von Heisenberg (Werner Heisenberg: 'Absolute Dimensions of Karman Vortex
Motion', Technical
Notes, National Advisory Committee for Aeronautics, No. 126, 1922) ist
das Verhältnis
zwischen der Breite h der Karman'schen
Wirbelstraße
im Verhältnis
zum Durchmesser d des den Durchfluss des Messmediums 3 störenden Temperatursensors 11 ein
Faktor 1,54. Daher ist der zweite Temperatursensor 12 bevorzugt so
angeordnet, dass er außerhalb
der Karman'schen Wirbelstraße mit einer
Breite von h = 1,54·d
liegt.