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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur bidirektionalen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten gasförmiger Medien, bei dem zwei asymmetrisch aufgebaute thermische Strömungssensorelemente derart gegenläufig in einer zu messenden Medienströmung angeordnet werden, dass jeweils eines der beiden Strömungssensorelemente von dem Medium in Standardmessrichtung und gleichzeitig das andere gegen Standardmessrichtung angeströmt wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Auswertegerät zur bidirektionalen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten gasförmiger Medien, bei der zwei asymmetrisch aufgebaute thermische Strömungssensorelemente derart gegenläufig in einer zu messenden Medienströmung angeordnet werden, dass jeweils eines der beiden Strömungssensorelemente von dem Medium in Standardmessrichtung und das andere gegen Standardmessrichtung angeströmt wird.
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Derartige Verfahren und Auswertegeräte sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Die bei dem bekannten Verfahren sowie im Zusammenhang mit dem bekannten Auswertegerät verwendeten thermischen Strömungssensorelemente arbeiten wie thermische Anemometer, bei denen ein Sensorelement elektrisch beheizt wird, dessen elektrischer Widerstand von der Mediumstemperatur abhängt. Durch die Umströmung mit dem gasförmigen Medium findet ein Wärmetransport weg von dem Sensor in das Strömungsmedium statt, der mit der Strömungsgeschwindigkeit korreliert.
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Je stärker die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums ist, umso stärker wird das beheizte Sensorelement abgekühlt.
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Durch entsprechende Regelung wird das Sensorelement dann derart mit Strom beaufschlagt, dass es eine konstante Temperatur oberhalb der Temperatur des zu messenden Mediums aufweist. Neben diesem Betriebsverfahren, bei dem auf eine konstante Differenztemperatur geregelt wird, sind weitere Betriebsverfahren bekannt, bei denen beispielsweise auf konstante Leistung, konstante Spannung, konstanten Strom, konstante Temperatur etc. geregelt wird.
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Aus den elektrischen Messgrößen in diesem System lässt sich nach entsprechender Kalibrierung dann die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums berechnen, wenn die Sensorelemente oder die Sensoren, in denen die Sensorelemente verbaut sind, in ihrer Standardmessrichtung angeströmt werden.
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Die Sensorelemente können dabei unterschiedlich ausgeführt sein, es sind Drahtelemente, Filmelemente oder Halbleiterelemente bekannt, die auf einem Substrat aufgebracht sein können. Weil die dabei eingesetzten, bekannten Sensorelemente in der Regel asymmetrisch aufgebaut sind, messen sie unidirektional. Sie werden für Anströmung in ihrer Standardmessrichtung kalibriert, bei Anströmung gegen ihre Standardmessrichtung geben sie ein falsches Signal aus.
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Für den Betrieb der Strömungssensoren ist eine entsprechende Elektronik erforderlich, die den Heizstrom regelt und das Sensorsignal verstärkt. Diese Elektronik ist in einer Sensorelektronik untergebracht, die in an sich bekannter Weise für die Regelung und Messung der elektrischen Größen sorgt und die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt, die dann von einem Auswertegerät angezeigt und ggf. weiterverarbeitet oder anderweitig zur Verarbeitung angeboten oder weitergeleitet wird.
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Da die Sensoreigenschaften und die elektronischen Regel- und Verstärkungssysteme das Messergebnis wesentlich beeinflussen, wird üblicherweise das gesamte Messsystem kalibriert, das aus dem Strömungssensor mit dem thermischen Sensorelement sowie der Sensorelektronik besteht, die zusammen mit dem Sensorelement in dem Strömungssensor untergebracht ist.
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Die bekannten thermischen Strömungssensoren werden in der Technik vielfach verwendet, beispielsweise zur Überwachung laminarer Strömungen in Reinräumen, zur Überwachung von Raumüberströmungen, zur Kühlluftüberwachung und zur Durchflussmessung in Prüfständen. Ein wichtiges Einsatzgebiet für die bekannten thermischen Strömungssensoren sind Massen- und Volumenstrommessungen, beispielsweise im Zusammenhang mit der Lieferung von Druckluft oder technischen Gasen.
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Die thermischen Strömungssensoren werden dabei jeweils auf das zu messende gasförmige Medium kalibriert und dienen dann dazu, die der Verbrauchsabrechnung zugrunde zu legenden Mengen zu bestimmen. Es ist auch bekannt, die Sensoren mit Luft zu kalibrieren und die Messwerte dann mit gasspezifischen bekannten Transferfunktionen umzurechnen.
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Wenn die thermischen Strömungssensoren in Gasleitungen zur Verbrauchsabrechnung eingesetzt werden, werden sie so montiert, dass ihre Standardmessrichtung der Lieferrichtung des Gases entspricht. Dabei tritt prinzipiell das Problem auf, dass – je nach Abnahme des Mediums bei den Verbrauchsstellen – auch ein Rückfluss des Mediums durch die Leitungen erfolgen kann, so dass die thermischen Strömungssensoren mal in ihrer Standardmessrichtung und mal gegen die Standardmessrichtung angeströmt werden.
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Der Verbrauchsabrechnung sollen aber nur die Gasmengen zugrunde gelegt werden, die in Lieferrichtung transportiert werden. Die in den Strömungssensoren enthaltenen Sensorelemente können jedoch nicht zwischen einer Medienströmung in Lieferrichtung, also in Standardmessrichtung, und einer Medienströmung gegen Standardmessrichtung unterscheiden, so dass sie in jedem Fall eine Strömungsgeschwindigkeit messen, was zu falschpositiven Messwerten bei der Volumenstrombestimmung führen kann.
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Vor diesem Hintergrund sind thermische Strömungssensoren zur bidirektionalen Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Luft und Gasen mit gleichzeitiger Detektion der Strömungsrichtung bekannt. Zu nennen ist hier insbesondere der Strömungssensor SS 20.400 der Anmelderin der vorliegenden Erfindung.
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Dieser thermische Strömungssensor enthält zwei Temperatur-Sensoren hintereinander angeordnet, zwischen denen ein Heizelement angeordnet ist. Anhand der Temperaturen der beiden in Strömungsrichtung vor und hinter dem Heizelement angeordneten Temperatur-Sensoren kann dann bestimmt werden, ob die Strömungsrichtung des Mediums von dem ersten zu dem zweiten Temperatur-Sensor oder umgekehrt von dem zweiten zu dem ersten Temperatur-Sensor erfolgt. Dies wird daran erkannt, dass der stromabwärts von dem Heizelement liegende Temperatur-Sensor eine höhere Temperatur aufweist als der stromaufwärts gelegene Temperatur-Sensor.
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Darüber hinaus erfolgt in dem bekannten Strömungssensor auch die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in oben beschriebener Weise.
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Anhand der bestimmten Strömungsrichtung und der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit kann der bekannte Strömungssensor jetzt dazu verwendet werden, den Volumenstrom in beiden Richtungen zu bestimmen, so dass der Nettoverbrauch ermittelt werden kann.
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Obwohl der bekannte Strömungssensor sich im Alltagseinsatz gut bewährt hat, ist er für den Einsatz in druckbehafteten Medien nur begrenzt einsetzbar.
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Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Durchfluss-Messstationen mit Richtungserkennung in eine Richtung zu verwenden, um sicherzustellen, dass zurückströmendes Medium nicht doppelt gemessen wird.
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Die bekannte Messstation umfasst neben einem Auswertegerät ein thermisches Sensorelement der oben beschriebenen Art sowie zusätzlich einen Richtungsschalter, der mit Abstand zu dem thermischen Sensorelement in die Gasleitung eingesetzt wird. Dieser Richtungsschalter enthält eine Art Klappe, die von dem strömenden Medium geöffnet und von dem rückströmenden Medium geschlossen wird.
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Zwei derartige Durchfluss-Messstationen können auch miteinander verschaltet werden, um eine Richtungserkennung in beide Richtungen zu ermöglichen.
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Hierzu wird jeweils ein Auswertegerät mit einem thermischen Sensorelement eingesetzt, wobei die beiden Sensorelemente im Abstand zueinander in der Gasleitung angeordnet werden.
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Mittig zwischen den beiden Sensorelementen wird der Richtungsschalter in die Gasleitung eingesetzt und mit beiden Auswertegeräten verbunden.
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Das eine Auswertegerät misst jetzt den Gasfluss in Vorwärtsrichtung, während das andere Auswertegerät den Gasfluss in Rückwärtsrichtung messen kann.
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Das bekannte Verfahren sowie das bekannte Messsystem sind insofern problematisch, als mechanisch bewegte Elemente für die Bestimmung der Strömungsrichtung eingesetzt werden und zum anderen viele Bauteile für eine bidirektionale Messung benötigt werden. Prinzipiell muss bei diesem Verfahren nämlich ein 3tes Messgerät zur Richtungsdetektion eingesetzt werden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein Auswertegerät der eingangs genannten Art bereitzustellen, das bei konstruktiv einfachem Aufbau der einzelnen Komponenten robust und einfach zu bedienen ist. Ferner sollen das bekannte Verfahren und das bekannte Auswertegerät auch im Zusammenhang mit druckbeaufschlagten gasförmigen Medien einsetzbar sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem eingangs genannten Verfahren für jedes der beiden Strömungssensorelemente die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird und aus dem Vergleich der beiden bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten die Richtung der Strömung und die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden.
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Dementsprechend wird die Aufgabe bei dem eingangs genannten Auswertegerät dadurch gelöst, dass es dazu eingerichtet ist, mit zwei gegenläufig angeordneten Strömungssensorelementen zusammenzuwirken, wobei für jedes der beiden Strömungssensorelemente die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird, und wobei das Auswertegerät ferner dazu eingerichtet ist, aus dem Vergleich der beiden bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten die Richtung der Strömung und die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat nämlich erkannt, dass es möglich ist, eine bidirektionale Messung mit zwei jeweils asymmetrisch aufgebauten, also im Standardeinsatz unidirektional messenden Sensorelementen zu realisieren. Diese Sensorelemente können in zwei getrennten Sensoren angeordnet sein oder aber in einem Sensor kombiniert werden, wie dies weiter unten noch beschrieben wird.
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Die beiden Sensorelemente werden dann entweder erst beim Messeinsatz oder bereits in dem die beiden Sensorelemente enthaltenden thermischen Strömungssensor gegenläufig angeordnet. Für beide Sensorelemente wird dann gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt und aus dem Vergleich dieser beiden Strömungsgeschwindigkeiten die Richtungsinformation abgeleitet. Die Sensorelektronik zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ist dabei in der Regel in den beiden Sensoren oder dem einen Sensor untergebracht, kann sich aber auch in dem Auswertegerät befinden.
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Sobald dann bekannt ist, in welcher Richtung das Medium an den Strömungssensorelementen vorbeifließt, kann auch die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden.
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Unter ”Standardmessrichtung” wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Strömungsrichtung verstanden, für die das jeweilige Sensorelement kalibriert wurde. In der Regel werden thermische Sensorelemente so kalibriert, dass der Temperatur-Sensor stromaufwärts von dem Heizelement angeordnet ist, so dass das Heizelement nicht auf die Messung der Temperatur des Mediums an dem Temperatur-Sensor rückwirkt.
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Wenn jetzt ein derartiges thermisches Strömungssensorelement gegen Standardmessrichtung, also rückwärts, von dem Medium angeströmt wird, so beeinflusst die Temperatur des Heizelementes die Messung an dem Temperatur-Sensor, der folglich eine höhere Medientemperatur anzeigt als tatsächlich vorhanden ist. Dies führt wiederum dazu, dass der Stromfluss durch das Heizelement weiter erhöht wird, um die eingestellte Differenztemperatur von beispielsweise 40 K aufrechtzuerhalten. Dieses bedingt eine Mitkopplung, so dass es bei gegen Standardmessrichtung angeströmten thermischen Sensorelementen zu einer Verfälschung der Messergebnisse führt. Die aus den elektrischen Größen berechnete Strömungsgeschwindigkeit stimmt nicht mit der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit überein.
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Versuche des Erfinders bei der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung haben nun ergeben, dass diese Verfälschung des Messergebnisses bei gegen Standardmessrichtung angeströmten Strömungssensorelementen derart reproduzierbar ist, dass aus dem Vergleich mit einem von dem gleichen Medium in Standardmessrichtung angeströmten thermischen Sensorelement sowohl auf die Strömungsrichtung als auch auf die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden kann.
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Dass sich bei zwei gegensinnig angeströmten Strömungssensorelementen das Signal des in Standardmessrichtung angeströmten Strömungssensorelementes reproduzierbar und definiert von dem des gegen Standardströmungsrichtung angeströmten Strömungssensorelementes unterscheiden lässt, war nicht zu erwarten.
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In diesem Zusammenhang muss das Auswertegerät lediglich dazu eingerichtet sein, mit beiden thermischen Strömungssensorelementen zusammenzuwirken, sie also in der oben beschriebenen Weise betreiben und abfragen zu können. Aus den Messwerten beider Strömungssensorelemente bestimmt das Auswertegerät dann die Strömungsgeschwindigkeit für jedes der beiden Sensorelemente.
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Selbstverständlich ist es nicht zwingend erforderlich, die Auswertung für beide Sensorelemente für die Richtungsbestimmung so weit voranzutreiben, dass jeweils die Strömungsgeschwindigkeit ausgegeben wird, es kann auch ausreichend sein, einen elektrischen Messparameter heranzuziehen, der für die Strömungsgeschwindigkeit kennzeichnend ist.
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Aus dem Vergleich der beiden Werte für die Strömungsgeschwindigkeiten bzw. der entsprechenden Parameter ermittelt das Auswertegerät dann die Strömungsrichtung.
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Von Vorteil bei dem neuen Verfahren sowie bei dem neuen Auswertegerät ist zum einen die Tatsache, dass keine mechanisch bewegten Elemente eingesetzt werden, wobei ferner überhaupt auf zusätzliche Elemente wie einen Richtungsschalter verzichtet werden kann.
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Von besonderem Vorteil ist es ferner, dass bei dem neuen Verfahren und im Zusammenwirken mit dem neuen Auswertegerät thermische Strömungssensoren eingesetzt werden können, die für unidirektionale Messungen seit vielen Jahren auf dem Markt eingeführt sind.
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Im einfachsten Fall ist es lediglich erforderlich, zwei derartige thermische Strömungssensoren gegensinnig in eine Gasleitung einzusetzen, so dass bei Gasfluss in vorgesehener Transportrichtung der eine Strömungssensor in seiner Standardmessrichtung angeströmt und der andere entgegen seiner Standardmessrichtung angeströmt wird. Bei Rückfluss des Gases gegen die vorgesehene Transportrichtung wird dann der andere Strömungssensor in seiner Standardmessrichtung angeströmt und der erste entsprechend gegen seine Standardmessrichtung.
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Ein weiterer Vorteil bei dem neuen Verfahren und dem neuen System liegt in der Fehlersicherheit, denn welcher der beiden Strömungssensoren ”richtig” und welcher ”verkehrt herum” in die Gasleitung eingesetzt wird, spielt weder für die Messung noch für die Auswertung eine Rolle. Es muss lediglich dafür gesorgt werden, dass beide Strömungssensoren nicht gleichsinnig eingebaut sind.
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Aber selbst wenn beide Strömungssensoren gleichsinnig eingebaut werden, so erkennt dies das Auswertegerät sofort daran, dass die Messwerte für beide Strömungssensoren nahezu identisch sind, so dass eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben werden kann.
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Das neue Verfahren ist somit robust und einfach umzusetzen, wobei Versuche bei der Anmelderin gezeigt haben, dass das Verfahren unabhängig von dem Druck des jeweils zu messenden Mediums sehr sicher und zuverlässig arbeitet.
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Es hat sich dabei herausgestellt, dass das Strömungssensorelement, das in seiner Standardmessrichtung angeströmt wird, immer die geringere Strömungsgeschwindigkeit ausgibt. Mit anderen Worten, ein ”rückwärts” angeströmtes Strömungssensorelement gibt über den gesamten Messbereich hin ein zu hohes Messsignal aus. Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung konnte zeigen, dass dies für einen großen Strömungsmessbereich und für einen großen Druck- und Temperaturbereich gilt.
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Damit muss also lediglich bewertet werden, welches der beiden Strömungssensorelemente das niedrigere oder geringere Signal ausgibt, dieses wird in seiner Standardmessrichtung angeströmt, und sein Ausgangssignal gibt somit die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit wieder. Mit anderen Worten, das Strömungssensorelement, für das die geringere Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird, wird in seiner Standardmessrichtung angeströmt und entsprechend identifiziert.
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Diese Ergebnisse gelten zumindest für einen Messbereich für Strömungsgeschwindigkeiten von 0 bis 200 m/s, für Temperaturen von –40°C bis zu 400°C und für Drücke bis 16 bar und höher.
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Vor diesem Hintergrund betrifft die vorliegende Erfindung auch einen thermischen Strömungssensor zur bidirektionalen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten gasförmiger Medien, der für das oben beschriebene Verfahren und zusammen mit dem oben beschriebenen Auswertegerät eingesetzt werden kann. Der neue thermische Strömungssensor enthält in einem gemeinsamen Sensorgehäuse zwei derart gegenläufig angeordnete, asymmetrisch aufgebaute thermische Strömungssensorelemente, so dass im Messeinsatz gleichzeitig jeweils eines der beiden Strömungssensorelemente von dem Medium in Standardmessrichtung und das andere gegen Standardmessrichtung angeströmt wird.
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Hier ist zum einen von Vorteil, dass lediglich ein Strömungssensor mit zwei gegenläufig angeordneten Sensorelementen verwendet wird, was insbesondere bei der Handhabung von Vorteil ist. Durch den neuen Strömungssensor wird ein Fehleinbau vollständig verhindert, denn eines der beiden Sensorelemente ist immer in Standardmessrichtung und folglich das andere immer gegen Standardmessrichtung angeordnet. Da die beiden Strömungssensorelemente vor dem Einsatz miteinander kalibriert wurden, spielt es auch keine Rolle, welches Sensorelement in Lieferrichtung stromaufwärts und welches stromabwärts liegt. In dem neuen Sensor kann auch die Sensorelektronik zur Ansteuerung der Sensorelemente und zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeiten für beide Sensorelemente vorgesehen sein.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn jedes Sensorelement einen Temperatur-Sensor zur Messung der Temperatur des Mediums und ein elektrisches Heizelement umfasst. Der neue Sensor kann dabei für das Betriebsverfahren der konstanten Differenztemperatur vorgesehen sein, bei dem das Heizelement im Betrieb auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur des Mediums geregelt wird, wobei in Standardmessrichtung gesehen der Temperatur-Sensor stromaufwärts von dem Heizelement angeordnet ist. Natürlich kann der neue Sensor auch mit anderen Betriebsverfahren verwendet werden, bei denen beispielsweise auf konstante Leistung, konstante Spannung, konstanten Strom, konstante Temperatur etc. geregelt wird.
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Die beiden Sensorelemente können dabei entweder nebeneinander, also antiparallel, oder aber hintereinander, also Kopf-an-Kopf in dem Sensorgehäuse angeordnet sein. Ferner ist es möglich, die beiden Sensorelemente nicht in einer Ebene sondern sozusagen übereinander anzuordnen, wobei sie dabei wieder entweder antiparallel oder Kopf-auf-Kopf bzw. Rücken-auf-Rücken liegen können.
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Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung noch ein Messsystem zur bidirektionalen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten gasförmiger Medien mit dem neuen Auswertegerät und dem neuen thermischen Strömungssensor.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird also unter einem „asymmetrisch aufgebauten Strömungssensorelement” ein Sensorelement verstanden, wie es üblicher Weise für unidirektionale Messungen kalibriert und eingesetzt wird. Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat nun erkannt, dass ein solches Sensorelement nicht nur bei Anströmung in Standardmessrichtung die Strömungsgeschwindigkeit ergibt sondern bei Anströmung in Rückwärtsrichtung ein zwar höheres, aber dennoch eindeutiges und monotones Signal ergibt.
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Wie sich bei den Versuchen bei der Anmelderin herausgestellt hat, lässt sich die steilere Kennlinie für das rückwärts angeströmte Strömungssensorelement zumindest im unteren Messbereich, also bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, so weit kalibrieren, dass das rückwärts angeströmte Sensorelement dazu verwendet werden kann, Leckströme präziser zu detektieren oder den Beginn des Messbereiches weiter nach unten zu verschieben, als es bei vorwärts angeströmten Strömungssensorelementen möglich ist.
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Durch den Vergleich der Signale der beiden Sensorelemente können darüber hinaus weitere Informationen über das Messsystem im Einsatz gewonnen werden. So kann beispielsweise durch einen Vergleich der beiden Messwerte erkannt werden, ob die Messung durch Kondensation gestört wird, oder ob Fehler an einem der beiden Sensorelemente aufgetreten sind.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 den schematischen Aufbau eines thermischen Strömungssensorelementes, wie es im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
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2 einen Strömungssensor mit zwei antiparallel angeordneten Sensorelementen aus 1, in einem gemeinsamen Sensorgehäuse;
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3 einen Strömungssensor mit zwei gegensinnig hintereinander angeordneten Sensorelementen aus 1, in einem gemeinsamen Sensorgehäuse;
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4 ein Messsystem, bestehend aus einem Auswertegerät und zwei thermischen Strömungssensoren, die in einer Gasleitung angeordnet sind; und
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5 verschiedene Kennlinien für das Messsystem aus 4.
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In 1 ist schematisch ein Strömungssensor 10 dargestellt, der auf einem beispielsweise aus Keramik gefertigten Träger 11 ein thermisches Strömungssensorelement 12 enthält. Das Strömungssensorelement 12 umfasst ein Heizelement 14 sowie einen daneben angeordneten Temperatur-Sensor 15.
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Bei 16 ist in 1 die Standardmessrichtung für das Strömungssensorelement 12 angegeben, in der ein gasförmiges Medium dem Temperatur-Sensor 15 zugeführt wird. Dabei liegt der Temperatur-Sensor 15 stromaufwärts zu dem Heizelement 14.
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Das Heizelement 14 ist ein elektrisches Heizelement, das durch Strom auf eine bestimmte Temperatur eingeregelt wird, die um einen vorbestimmten Bereich, in der Regel 40 K, oberhalb der Temperatur des Mediums 17 liegt, die an dem Temperatur-Sensor 15 erfasst wird.
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Die an dem Heizelement 14 erzeugte Wärme wird durch den Medienstrom von dem Sensorelement 12 weg transportiert, so dass das Heizelement 14 sozusagen nachgeheizt werden muss, um die Differenztemperatur zu der Temperatur des Mediums 17 beizubehalten.
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Die für die Aufrechterhaltung der Differenztemperatur benötigte Leistung ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit 16. Das Verfahren der konstanten Differenztemperatur wird hier lediglich beispielshaft erwähnt. Die Erfindung erfasst auch die eingangs erwähnten Verfahren, bei denen beispielsweise auf konstante Leistung, konstante Spannung, konstanten Strom, konstante Temperatur etc. geregelt wird.
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In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass derartige Sensorelemente 12 stets für den Betrieb mit einem bestimmten Medium 17 kalibriert oder deren Messwerte auf das betreffende Medium umgerechnet werden müssen.
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Solange der Temperatur-Sensor 15 in seiner Standardmessrichtung 16 von dem Medium 17 angeströmt wird, beeinflusst die Erwärmung des Heizelementes 14 die Temperaturmessung an dem Temperatur-Sensor 15 praktisch nicht.
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Wird das Sensorelement 12 dagegen in einer Strömungsrichtung 18 von dem Medium 17 angeströmt, die entgegengesetzt zu seiner Standardmessrichtung 16 gerichtet ist, so beeinflusst die Erwärmung des Heizelementes 14 die Temperaturmessung an dem Temperatur-Sensor 15 nach Art einer Mitkopplung, so dass das Heizelement 14 stärker aufgeheizt wird, um die Differenztemperatur zu der jetzt erhöht gemessenen Temperatur des Mediums 17 aufrechtzuerhalten.
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Bei Anströmung des Sensorelements 12 in der Strömungsrichtung 18 gibt der Sensor 10 damit über den gesamten Messbereich von 0 m/s bis 200 m/s und über einen Temperaturbereich von etwa –40°C bis etwa 400°C ein Signal aus, das gegenüber der Anströmung in Standardmessrichtung 16 erhöht ist.
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Diese Differenz ist reproduzierbar und kann zur Bestimmung der Strömungsrichtung verwendet werden.
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Dazu werden zwei Sensorelemente 12 entweder parallel nebeneinander, wie in 2 gezeigt, oder hintereinander, wie in 3 gezeigt, in ein gemeinsames Sensorgehäuse 19 eingebaut. Während die Sensorelemente 12 in den 2 und 3 in einer Ebene liegen, können sie auch übereinander angeordnet werden. Dazu können beispielsweise die Sensorelemente 12a und 12b in 2 oder 3 mit hinreichend vertikalem Abstand übereinander geschoben werden, so dass die Anschlüsse des Sensorelementes 12b nach links die des Sensorelementes 12a nach rechts weisen. Ferner könnten die Sensorelemente 12a und 12b in 2 aufeinander geklappt werden, so dass die Kopf-auf-Kopf oder Rücken-auf-Rücken liegen und ihre Anschlüsse in dieselbe Richtung weisen.
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Wenn der in den 2 und 3 gezeigte Strömungssensor 21 jetzt in Standardmessrichtung 16 mit einem gasförmigen Medium angeströmt wird, so werden die Strömungssensorelemente 12a jeweils in Standardmessrichtung 16 angeströmt, während die um 180° versetzt angeordneten Strömungssensorelemente 12b entgegengesetzt angeströmt werden.
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In noch zu beschreibender Weise kann der thermische Strömungssensor 21 jetzt dazu verwendet werden, Strömungsgeschwindigkeiten gasförmiger Medien bidirektional zu messen.
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Den gleichen Effekt erzielt man auch dann, wenn statt eines thermischen Strömungssensors 21 mit zwei gegensinnig angeordneten Strömungssensorelementen zwei getrennte Strömungssensoren 10a und 10b verwendet werden, in denen jeweils ein Strömungssensorelement 12a bzw. 12b angeordnet ist, wie dies in 4 gezeigt ist.
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In 4 sind die beiden Strömungssensoren 10a und 10b mit ihrem Kopf 22a bzw. 22b in einer Gasleitung 23 angeordnet, in der gasförmiges Medium 17 längs des Pfeils 16 transportiert wird.
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Die Strömungssensoren 10a und 10b sind über Kabel 24 bzw. 25 mit einem Auswertegerät 26 verbunden, das in oben beschriebener Weise mit den thermischen Sensorelementen 12a bzw. 12b in den Köpfen 22a bzw. 22b zusammenwirkt. Die Ankopplung der Strömungssensoren 10a und 10b an das Auswertegerät 26 kann auch anderweitig, beispielsweise über Funk erfolgen.
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Das Auswertegerät 26 bestimmt auf diese Weise die Strömungsgeschwindigkeit anhand der Messwerte der beiden Sensorelemente 12a und 12b, wobei diese Sensorelemente gegensinnig in der Gasleitung 23 sitzen.
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Sofern beide Sensoren 10a und 10b das annähernd gleiche Signal abgeben, das jeweils auf eine merkliche Strömungsgeschwindigkeit rückschließen lässt, so liegt ein Einbaufehler vor, den das Auswertegerät 26 meldet.
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Solange nämlich die beiden Sensorelemente 12a und 12b gegensinnig in der Gasleitung 23 sitzen, geben sie bei Anströmung durch das gasförmige Medium 17 unterschiedliche Signale aus, wie dies jetzt anhand der 5 beschrieben wird.
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5 zeigt oben die Kennlinie für das Messsystem aus 4 bei Anströmung in Standardmessrichtung 16. Auf der x-Achse ist die Strömungsgeschwindigkeit in m/s angegeben, auf der y-Achse die Heizleistung in μW.
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Die obere Kurve 27 wurde für das ”rückwärts” in die Gasleitung 23 eingebaute Strömungssensorelement 12b und die untere Kurve 28 für das ”vorwärts” in die Gasleitung 23 eingebaute Strömungssensorelement 12a gemessen.
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Diese Messkurven 27 und 28 wurden für Gase 17 gemessen, die unter 1 bar, 3 bar und 6 bar Druck standen, wobei sich quasi keine Abweichungen in den Kurvenverläufen ergaben.
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In 5 unten ist ein entsprechendes Diagramm wie in 5 oben gezeigt, nur wurde dort das Gas jetzt in Strömungsrichtung 18, also gegen die Standardmessrichtung 16, durch die Gasleitung 23 geführt.
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Die untere Messkurve 29 wurde für das jetzt in seiner Standardmessrichtung angeströmte Strömungssensorelement 12b und die obere Messkurve 31 für das jetzt entgegengesetzt angeströmte Strömungssensorelement 12a gemessen.
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Auch hier wurde die Messung mit drei verschiedenen Gasdrücken durchgeführt, es ergaben sich keine merklichen Abweichungen.
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Aus den Kennlinien in den 5 oben und unten ist zu entnehmen, dass der jeweils in Vorwärtsrichtung, also in seiner eigenen Standardmessrichtung, angeströmte Strömungssensor jeweils reproduzierbar das niedrigere Signal abgibt.
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Aus einem Vergleich zwischen den Signalen der beiden Strömungssensoren 10a und 10b kann das Auswertegerät 26 also immer unmittelbar erkennen, welcher Strömungssensor in Vorwärtsrichtung angeströmt wird, ob also das Gas in 4 von rechts nach links oder von links nach rechts durch die Gasleitung 23 fließt.
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Dieses niedrigere Signal entspricht auch gleichzeitig der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit.
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In den Diagrammen aus 5 ist ferner zu erkennen, dass die Kennlinien stetig sind, sie weisen keine Sprünge oder sonstigen störenden Effekte auf, die dem beschriebenen Auswerteverfahren entgegenstehen können.
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Ferner sind die Kennlinien in 5 oben und in 5 unten spiegelbildlich zueinander.
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Aus der steileren Kennlinie 27 bzw. 31, also für den jeweils gegen Standardmessrichtung angeströmten Strömungssensor, lässt sich weiterer Nutzen dahingehend ziehen, dass im Bereich des Nullpunktes hier eine höhere Auflösung als bei vorwärts angeströmten Strömungssensoren möglich ist. Dies erlaubt eine höhere Auflösung im Bereich des Nullpunktes, so dass dieses neue Auswerteverfahren auch dazu verwendet werden kann, Leckagen präziser zu erfassen, als dies mit in Standardmessrichtung angeströmten Strömungssensoren möglich ist.
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In y-Richtung ist der Abstand zwischen den Kennlinien 27 und 28 bzw. 29 und 31 auch derart groß, dass sicher auf den niedrigeren Messwert und damit den in Vorwärtsrichtung angeströmten Strömungssensor geschlossen werden kann.
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Dieser Abstand zwischen den Kennlinien 27, 28; 29, 31 ermöglicht auch die Erkennung, ob ein fehlerhafter Einbau eines Strömungssensors 10a, 10b vorliegt.
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Wenn nämlich fälschlicherweise beide Strömungssensoren 10a und 10b gleichsinnig in die Gasleitung 23 eingebaut würden, so würden sie entweder beide in Vorwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung angeströmt, so dass sich kein signifikanter Signalunterschied feststellen ließe.
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Mit anderen Worten, bei einem derartigen Fehleinbau werden die Temperatur-Sensoren 10a und 10b in Vorwärtsrichtung betrieben die Kennlinien 28 und 29 zeigen, während sie in Rückwärtsrichtung betrieben die Kennlinien 27 und 31 zeigen würden.
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Ein Vergleich der Kennlinien aus den 5 oben und unten zeigt, dass dann kein messbarer Unterschied zwischen den Signalen der beiden Strömungssensoren 10a und 10b vorliegen würde.
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Wenn in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 das gasförmige Medium 17 jetzt von rechts nach links durch die Gasleitung 23 fließt, wird der jetzt in seiner Standardmessrichtung 16 angeströmte Strömungssensor 10a als der Strömungssensor erkannt, der ein der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit entsprechendes Signal liefert. Solange also gasförmiges Medium 17 gemäß dem Pfeil 16 durch die Gasleitung 23 fließt, wird die Mengen- und Volumenbestimmung anhand der Messsignale anhand des Strömungssensors 10a bestimmt.
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Kehrt sich die Strömungsrichtung dagegen um und fließt das gasförmige Medium 17 längs des Pfeils 18, so wird der Strömungssensor 10b in seiner Standardströmungsrichtung angeströmt und für die Mengen- und Volumenbestimmung in der anderen Strömungsrichtung 18 verwendet.
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Auf diese Weise ist das Auswertegerät 26 in der Lage, anhand der Signale der Strömungssensoren 10a und 10b die Strömungsgeschwindigkeiten 16 und 18 bidirektional zu erfassen und daraus den Volumenstrom in die eine oder andere Richtung zu bestimmen, so dass eine korrekte Verbrauchsermittlung und Abrechnung für das gasförmige Medium 10 möglich wird.
