DE102014012912B3

DE102014012912B3 - Kalorimetrisches Messverfahren und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102014012912B3
Application number: DE102014012912.8A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kramer; Otto Märten; Volker Brandl; Stefan Wolf
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2034-09-06
Also published as: WO2016034161A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Messgenauigkeit aus. Dazu wird ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen. Das Medium wird mit einem ersten Heizelement und mit einem zweiten Heizelement geheizt. Die Heizleistungen des ersten Heizelements und des zweiten Heizelements werden zwischen Null und einer maximalen Heizleistung moduliert. Dabei ist die Heizleistung des ersten Heizelements maximal an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements Null ist, und die Heizleistung des zweiten Heizelements ist maximal an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements Null ist. Es wird ein erstes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer ersten Temperatur des Mediums an einer Position vor dem ersten und dem zweiten Heizelement. Es wird ein zweites Signal erzeugt in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur des Mediums an einer Position zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement. Es wird ein drittes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer dritten Temperatur des Mediums an einer Position nach dem ersten und dem zweiten Heizelement. Es werden ein erstes Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal und ein zweites Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal erfasst. Ferner wird die Heizleistung des ersten und des zweiten Heizelements erfasst. Weiterhin wird auch eine Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium vorgeschlagen, welche eine Durchflussvorrichtung mit einem Medium, ein erstes Heizelement, ein zweites Heizelement, eine Steuereinheit, einen ersten Temperatursensor, einen zweiten Temperatursensor, einen dritten Temperatursensor und eine Auswerteeinheit umfasst.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium. Das Verfahren kann angewendet werden zur Bestimmung des Volumendurchflusses eines Mediums. Das Verfahren kann auch angewendet werden zur Messung von Wärmemengen, die in ein strömendes Medium eingebracht werden. Die Erfindung ist für eine kontinuierliche Messung mit hoher Genauigkeit geeignet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zur Messung des Durchflussvolumens eines Mediums sind viele unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die auf verschiedenen physikalischen Phänomenen oder technischen Konzepten beruhen, wie beispielsweise Turbinen-Durchflusszähler oder Ovalradzähler, um nur einige verbreitete, auf mechanischen Effekten beruhende Messgeräte zu nennen. Durchflussmesser dieser Art sind empfindlich gegenüber Verschmutzungen im Medium. Verschmutzungen im Medium lassen sich auch mit Partikelfiltern nicht vollständig herausfiltern und führen so zusammen mit der mechanischen Abnutzung beweglicher Teile zu erhöhten Messfehlern und einer eingeschränkten Lebensdauer dieser Messgeräte.
Zum Erzielen einer hohen Lebensdauer und Zuverlässigkeit ist die Verwendung von Messvorrichtungen günstig, die ohne bewegliche Teile auskommen. Zu dieser Kategorie gehören kalorimetrische Messungen, mit denen potentiell auch eine hohe Genauigkeit erreicht werden kann.
Kalorimetrische Durchfluss-Messungen können unterschiedlich aufgebaut sein, je nachdem welche Parameter bekannt sind und welche Größen gemessen werden sollen. Das Grundprinzip ist dabei stets dasselbe. Eine Wärmemenge wird in ein strömendes Medium eingebracht und durch Temperaturmessungen wird der Durchfluss des Mediums bestimmt.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2012 112 314 A1 zeigt beispielsweise ein Thermisches Durchflussmessgerät, bei dem das Sensorelement selbst beheizbar ist. Bei dieser Ausführungsform einer kalorimetrischen Messung wird also der Sensor selbst und dadurch auch ein kleiner lokaler Bereich in einem Medium erwärmt. Der Wärmeverlust des Sensors in das Medium ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, so dass aus der Temperaturänderung des Sensors der Durchfluss ermittelt werden kann. Bei diesem Messprinzip ist allerdings die Temperaturänderung des Sensors unter anderem auch von der Wärmeleitfähigkeit des Mediums abhängig. Dieses Verfahren erfordert daher eine aufwändige Kalibration. Auch die Strömungsverteilung innerhalb des Messrohres hat einen Einfluss auf die Messung. Die WO 2007/063407 A2 offenbart daher ein ähnliches kalorimetrisches Durchflussmessgerät, bei dem zusätzlich Streifen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sind. Aus der DE 10 2013 006 397 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem zwei Heizelemente in der unmittelbaren Nähe, aber in unterschiedlicher Entfernung, zu einem Temperaturfühler angeordnet sind, um so die Messung des Durchflusses mit einer Messung der Wärmeleitfähigkeit des Mediums zu kombinieren. Zwar kann das zuletzt genannte Verfahren durch die zusätzliche Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit für eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Medien, insbesondere auch gasförmiger Medien, verwendet werden, dennoch muss auch bei diesem Verfahren eine aufwändige Kalibration erfolgen. Aus der Offenlegungsschrift DE 102 02 210 A1 ist ein Strömungssensor mit einem Heizelement und zwei nachgeordneten Temperatursensoren bekannt. Beide Temperatursensoren erfassen nacheinander ein vom Heizelement auf das strömende Medium übertragenes Wärmepaket. Der Massenstrom des Fluids kann dabei aus der Größe der Temperaturänderungen oder aus den Zeitpunkten der Temperaturänderungen bestimmt werden. Durch die Verwendung zweier Temperatursensoren werden eine Fehlererkennung und eine verfeinerte Funktionsprüfung ermöglicht. Die Offenlegungsschrift DE 10 2013 002 598 A1 offenbart ein Flusssensorelement mit Abweichungskompensation. Das Flusssensorelement weist dort zwei getrennte und voneinander unabhängige thermische Flusssensoren auf, die jeweils ein Heizelement und mindestens ein temperaturempfindliches Element enthalten. Das zugehörige Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Heizimpulse abwechselnd an die beiden Heizelemente angelegt werden. Aus den flussabhängigen Signalen wird derart ein Ausgangssignal gebildet, dass die flussabhängigen Beiträge der flussabhängigen Signale entgegengesetzte Vorzeichen der Flussempfindlichkeit aufweisen. Das Verfahren ermöglicht eine Kompensation von Abweichungen, die durch Temperaturdrift und Langzeitdrift aufgrund zeitlicher Instabilität von Materialien des Sensors verursacht werden können.
Durch eine Kalibration wird die Genauigkeit einer Messung prinzipiell verringert, da zum einen der Messfehler der Kalibrationsmessung bei jeder Messung mit eingeht, und zum anderen auch das zum Vergleich herangezogene Normal eine endliche Genauigkeit aufweist.
Kalorimetrische Messungen können auch so ausgelegt werden, dass die eingebrachte Wärmemenge vollständig in das Medium übertragen wird und die Änderung der Temperatur des Mediums somit direkt ein Maß für die aufgenommene Wärmemenge ist. Dazu wird die Temperaturänderung des Mediums vor und nach Einbringen der Wärmemenge bestimmt. Die Wärmeleitfähigkeit des Mediums hat dabei zumindest im thermischen Gleichgewicht keinen Einfluss, nur noch die Wärmekapazität des Mediums spielt eine Rolle. Im thermischen Gleichgewicht sind daher die physikalischen Größen durch folgende einfache Relation miteinander verknüpft: P = ΔTc(T)ρ(T)dV/dt [Formel 1a]
Dabei bedeuten:

P:: in das Medium eingebrachte Wärmemenge (Leistung)
ΔT:: Temperaturdifferenz des Mediums vor und nach Einbringen der Wärmemenge
c(T):: (temperaturabhängige) spezifische Wärmekapazität des Mediums
ρ(T):: (temperaturabhängige) Dichte des Mediums
dV/dt:: Volumendurchfluss des Mediums pro Zeit

Eine mögliche Aufgabe der kalorimetrischen Messung kann darin bestehen, die eingebrachte Wärmemenge P zu bestimmen. Diese Wärmemenge kann auch negativ sein, wenn beispielsweise eine Kühlleistung bestimmt werden soll. Wenn die Wärmemenge P die gesuchte Größe ist, müssen alle anderen Größen in Formel 1a bekannt sein bzw. gemessen werden. Dazu ist in Vorrichtungen dieser Art zusätzlich ein Durchflussmessgerät zur Messung des Volumendurchflusses dV/dt vorgesehen, wobei zum Beispiel die oben erwähnten Turbinen-Durchflusszähler zum Einsatz kommen.
Eine typisches Verfahren dieser Art zur Bestimmung einer Wärmemenge in einem strömenden Medium zeigt das US Patent Nr. 4,485,449 . In der dort offenbarten Vorrichtung werden die Signale eines Durchflusssensors, eines Eingangstemperatursensors und eines Ausgangstemperatursensors mittels eines elektrischen Schaltkreises verarbeitet. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus dem US Patent Nr. 4,773,023 bekannt. Das US Patent Nr. 5,156,459 offenbart die Verwendung eines solchen kalorimetrischen Verfahrens zur Messung der Leistung eines Laserstrahls.
Das Prinzip der kalorimetrischen Messung kann auch angewendet werden zur Bestimmung des Volumendurchflusses. In dem Fall beruht das Verfahren darauf, eine definierte, d. h. eine bekannte oder genau messbare, Wärmemenge in das strömende Medium einzubringen und die Temperaturdifferenz des Mediums vor und nach dem Einbringen der Wärmemenge zu messen. Das Einbringen der Wärmemenge in das Medium kann mittels eines elektrischen Heizelements oder einer Heizpatrone erfolgen, so dass die Heizleistung elektrisch gemessen werden kann. Bei der in der DE 102 21 548 A1 offenbarten Vorrichtung werden beispielsweise Peltier-Elemente zum Einbringen einer definierten Heiz- bzw. Kühlleistung in das strömende Medium vorgeschlagen.
Aus der eingebrachten Wärmemenge und der Temperaturdifferenz ergibt sich der Volumendurchfluss durch Auflösen der Formel 1a nach diesem Parameter gemäß der folgenden Relation: dV/dt = P/[ΔTc(T)ρ(T)] [Formel 1b]
Die Messung der Heizleistung P und der Temperaturen ist grundsätzlich fehlerbehaftet und begrenzt die Messgenauigkeit. Insbesondere bei der Messung der Temperaturdifferenz ΔT des Mediums können Offset-Fehler problematisch sein, vor allem bei geringen Temperaturdifferenzen. Quelle solcher Offset-Fehler sind die Temperatursensoren selbst, aber weiterhin auch Komponenten der Signalverarbeitung wie Operationsverstärker und Analog-Digital-Wandler. Der Einfluss der Offset-Fehler ist umso größer, je geringer die zu messende Differenz ist.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur kalorimetrischen Durchflussmessung weisen demnach Nachteile in Bezug auf die erreichbare Genauigkeit auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kalorimetrisches Messverfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche zur Messung des Volumendurchflusses eines Mediums geeignet sind, eine besonders hohe Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit aufweisen und welche die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen hinsichtlich der Kalibration und der Genauigkeit vermeiden oder verringern.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein kalorimetrisches Verfahren zur Messung an einem Medium vorgeschlagen, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst. Das Medium wird mit einem ersten Heizelement und mit einem zweiten Heizelement geheizt, wobei das Medium das erste Heizelement und das zweite Heizelement nacheinander durchströmt. Eine Heizleistung des ersten Heizelements und eine Heizleistung des zweiten Heizelements werden zwischen Null und einer maximalen Heizleistung moduliert. Dabei ist die Heizleistung des ersten Heizelements maximal an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements Null ist, und die Heizleistung des zweiten Heizelements ist maximal an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements Null ist. Es wird ein erstes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer ersten Temperatur des Mediums an einer Position in Strömungsrichtung des Mediums vor dem ersten und dem zweiten Heizelement. Es wird ein zweites Signal erzeugt in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur des Mediums an einer Position zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement. Es wird ein drittes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer dritten Temperatur des Mediums an einer Position in Strömungsrichtung des Mediums nach dem ersten und dem zweiten Heizelement. Es wird ein erstes Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal erfasst. Es wird auch ein zweites Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal erfasst. Ferner wird die Heizleistung des ersten und des zweiten Heizelements erfasst durch Messung von Strom und Spannung an den Heizelementen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Summe aus der Heizleistung des ersten Heizelements und der Heizleistung des zweiten Heizelements zeitlich konstant.
Es wird auch ein Verfahren zur Verfügung gestellt, bei dem aus den erfassten Differenzsignalen eine Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur und der ersten Temperatur des Mediums bestimmt wird, und bei dem aus der Summe der erfassten Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements und der Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur und der ersten Temperatur des Mediums wird ein Quotient bestimmt wird.
In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens werden die Heizleistung des ersten Heizelements und die Heizleistung des zweiten Heizelements periodisch moduliert.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können das erste Heizelement und das zweite Heizelement abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, bei dem zeitliche Verläufe der Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements durch Pulsweitenmodulation gesteuert werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können das erste Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal und das zweite Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal vor dem Heizen des Mediums erfasst und gespeichert werden.
Die vor dem Heizen des Mediums erfassten und gespeicherten Differenzsignale können zur Korrektur der Differenzsignale verwendet werden, die während des Heizens des Mediums erfasst werden.
Aus den vor dem Heizen des Mediums erfassten und gespeicherten Differenzsignalen kann auch eine durch Druckverlust beim Strömen des Mediums erzeugte Wärmemenge bestimmt werden.
Es ist auch ein Verfahren zur Messung einer unbekannten Wärmemenge vorgesehen, bei dem die unbekannte Wärmemenge an das Medium abgegeben wird, und bei dem ein viertes Signal erzeugt wird in Abhängigkeit einer vierten Temperatur des Mediums nach Abgabe der unbekannten Wärmemenge in das Medium.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird auch eine Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium vorgeschlagen, welche eine Durchflussvorrichtung mit einem Medium, ein erstes Heizelement, ein zweites Heizelement, eine Steuereinheit, einen ersten Temperatursensor, einen zweiten Temperatursensor, einen dritten Temperatursensor und eine Auswerteeinheit umfasst. Dabei sind das erste Heizelement und das zweite Heizelement zum Heizen des Mediums ausgebildet, und das erste Heizelement und das zweite Heizelement sind in Strömungsrichtung des Mediums nacheinander in der Durchflussvorrichtung angeordnet. Die Steuereinheit ist ausgebildet zur Modulation einer Heizleistung des ersten Heizelements und zur Modulation einer Heizleistung des zweiten Heizelements. Der erste Temperatursensor ist in Strömungsrichtung des Mediums vor dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement in der Durchflussvorrichtung (20) angeordnet, der zweite Temperatursensor ist zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement in der Durchflussvorrichtung angeordnet, und der dritte Temperatursensor ist in Strömungsrichtung des Mediums nach dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement in der Durchflussvorrichtung angeordnet. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet zum Erfassen und Auswerten von Differenzsignalen zwischen den Temperatursensoren. Dabei ist die Auswerteeinheit ausgebildet, ein erstes Differenzsignal zwischen einem zweiten Signal vom zweiten Temperatursensor und einem ersten Signal vom ersten Temperatursensor zu erfassen, und ein zweites Differenzsignal zwischen einem dritten Signal vom dritten Temperatursensor und einem zweiten Signal vom zweiten Temperatursensor zu erfassen. Die Auswerteeinheit ist weiterhin ausgebildet zum Erfassen der Heizleistung des ersten und des zweiten Heizelements durch Messung von Strom und Spannung an den Heizelementen.
Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit zur Modulation der Heizleistung des ersten Heizelements und zur Modulation der Heizleistung des zweiten Heizelements jeweils zwischen Null und einer maximalen Heizleistung ausgebildet.
Dabei ist die Heizleistung des ersten Heizelements maximal an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements Null ist, und ist die Heizleistung des zweiten Heizelements maximal an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements Null ist.
Erfindungsgemäß ist die Summe aus der Heizleistung des ersten Heizelements und der Heizleistung des zweiten Heizelements zeitlich konstant.
Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, das erste Heizelement und das zweite Heizelement abwechselnd ein- und auszuschalten.
Die Steuereinheit kann auch ausgestaltet sein zur Steuerung der Modulation der Heizleistungen des ersten Heizelements und des zweiten Heizelements mittels Pulsweitenmodulation.
Es wird auch eine Vorrichtung zur Messung einer unbekannten Wärmemenge vorgeschlagen, mit einer Wärmequelle, die die unbekannte Wärmemenge in das Medium überträgt, und mit einem vierten Temperatursensor, der in Strömungsrichtung des Mediums nach der Wärmequelle angeordnet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:
1: Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem Medium.
2: Eine schematische Darstellung der Ansteuerung der zwei Heizelemente in einer Ausführungsform, bei der die Ein- und Ausschaltzeiten der beiden Heizelemente Pulsweiten-moduliert sind. In dem gezeigten Beispiel wird durch die Pulsweitenmodulation ein sinusförmiger Verlauf der Heizleistung bei beiden Heizelementen angenähert.
3: Ein Diagramm zur Darstellung der gemessenen Amplitudenhöhe der Temperatursensoren über der Frequenz der Heizleistung bei einem exemplarischen Mediendurchfluss von 5 l/min (Liter pro Minute).
4: Eine schematische Darstellung eines beispielhaften Schaltkreises zur Versorgung und Erfassung der Signale der Temperatursensoren.
5: Eine schematische Darstellung einer Anwendung der Durchfluss-Messvorrichtung nach 1 zur Bestimmung einer Wärmemenge, die an das Medium abgegeben wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Erfindung zur kalorimetrischen Messung an einem Medium 21. Dabei sind in einer Durchflussvorrichtung 20 ein erstes Heizelement 41, ein zweites Heizelement 42 und drei Temperatursensoren 31, 32, 33 angeordnet. Eine Steuereinheit 40 dient zur Ansteuerung der Heizelemente 41 und 42. Eine Auswerteeinheit 50 erfasst die Signale der drei Temperatursensoren 31, 32 und 33.
In 2 ist eine mögliche Ansteuerung der Heizelemente 41, 42 in einer Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 schematisch dargestellt. Die Heizleistung beider Heizelemente 41, 42 hat einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf, der in der 2 gestrichelt eingezeichnet ist. Der sinusförmige Verlauf wird näherungsweise erzeugt durch eine Pulsweiten-modulierte Ansteuerung (durchgezogene Rechteck-Kurven) der Heizelemente 41, 42.
3 zeigt exemplarisch ein Messergebnis der gemessenen Amplitudenhöhe der Signaldifferenz zwischen den Temperatursensoren im Medium vor und nach den Heizelementen 41, 42. Der Mediendurchfluss betrug dabei konstant 5 l/min (Liter pro Minute). Variiert wurde die Heizfreguenz der Heizelemente 41, 42, d. h. die Frequenz des sinusförmigen Verlaufs der Heizleistung der Heizelemente 41, 42.
In 4 ist ein beispielhafter Sensorschaltkreis zur Beschaltung der Temperatursensoren 31, 32, 33 schematisch dargestellt. Als Temperatursensoren werden hier zum Beispiel Pt100 Platinwiderstände eingesetzt. In Reihe mit jedem Temperatursensor 31, 32, 33 ist jeweils ein Vorwiderstand R₁, R₂, R₃ geschaltet. Die Reihenschaltungen aus Vorwiderstand und Temperatursensor sind parallel geschaltet und werden von einer Referenzspannung U_Ref versorgt. An den Knotenpunkten zwischen Vorwiderständen und Temperatursensoren können die Signalspannungen der jeweiligen Temperatursensoren abgegriffen werden. Jeweils zwei Reihenschaltungen aus Vorwiderstand und Temperatursensor bilden eine Brückenschaltung, so dass zwischen den beiden Knotenpunkten direkt die Signaldifferenz zwischen zwei Temperatursensoren abgegriffen werden kann. Die Signaldifferenzen können dann mittels Operationsverstärker verstärkt werden und anschließend mittels AD-(Analog-Digital-)Wandler in diskrete Werte umgesetzt werden. Aus diesen Signaldifferenzen können die Temperaturdifferenzen bestimmt werden.
5 zeigt eine Anwendung der kalorimetrischen Messvorrichtung nach 1 zur Bestimmung einer Wärmemenge, die von einer Wärmequelle 45 an das Medium 21 abgegeben wird. Dazu ist nach der Wärmequelle 45 ein vierter Temperatursensor 34 angeordnet, der ein viertes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer vierten Temperatur des Mediums 21 nach Einbringen der Wärmemenge durch die Wärmequelle 45.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, dass aus dem Stand der Technik bekannte kalorimetrische Messverfahren eine geringe Messgenauigkeit aufweisen.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, bei dem in einer kalorimetrischen Messung eine Wärmemenge an zwei Stellen nacheinander abwechselnd in das Medium eingebracht werden kann und dadurch eine kontinuierliche Nullpunkt- und Offset-Korrektur ermöglicht wird.
Gemäß der in 1 schematisch dargestellten Anordnung strömt ein Medium 21 durch eine Durchflussvorrichtung 20. Das Medium 21 wird mit einem ersten Heizelement 41 und mit einem zweiten Heizelement 42 geheizt. Die beiden Heizelemente 41, 42 sind nacheinander in der Durchflussvorrichtung angeordnet. An einer Position, die sich in Strömungsrichtung des Mediums 21 vor dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 befindet, wird ein erstes Signal in Abhängigkeit einer ersten Temperatur T₁ des Mediums 21 erzeugt. Dazu befindet sich vor dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 ein erster Temperatursensor 31. Zwischen dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 ist ein zweiter Temperatursensor 32 angeordnet, mit dem ein zweites Signal in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur T₂ des Mediums 21 zwischen dem Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 erzeugt wird. Ein dritter Temperatursensor 33 ist in Strömungsrichtung des Mediums 21 nach dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 angeordnet. Mit dem dritten Temperatursensor 33 wird ein drittes Signal in Abhängigkeit einer dritten Temperatur T₃ des Mediums 21 nach dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 erzeugt.
Mit der Auswerteeinheit 50 wird ein erstes Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal erfasst. Dieses erste Differenzsignal ist ein Maß fair die Temperaturdifferenz T₂ – T₁ des Mediums 21 vor und nach dem Heizelement 41. Ein zweites Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal wird mit der Auswerteeinheit 50 erfasst. Das zweite Differenzsignal ist ein Maß für die Temperaturdifferenz T₃ – T₂ des Mediums 21 vor und nach dem zweiten Heizelement 42. Die Summe aus der Heizleistung P_H1 des Heizelements 41 und der Heizleistung P_H2 des zweiten Heizelements 42 wird erfasst durch Messung von Strom und Spannung an den Heizelementen 41, 42.
In der Auswerteeinheit 50 wird aus den erfassten Differenzsignalen eine Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur T₃ und der ersten Temperatur T₁ bestimmt. Dies kann beispielsweise durch Addition des ersten Differenzsignals und des zweiten Differenzsignals erfolgen. Schließlich wird ein Quotient aus der Summe der Heizleistungen P_H1 und P_H2 der ersten und zweiten Heizelemente 41, 42 und der Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur T₃ und der ersten Temperatur T₁ bestimmt.
Dieser Quotient stellt gemäß der folgenden Relation (Formel 2a) den „wärmekapazitiven” Durchfluss c(T)☐ρ(T)☐dV/dt des Mediums 21 dar. Außerdem kann daraus in einfacher Weise der Volumendurchfluss des Mediums entsprechend der Formel 2b berechnet werden: c(T)ρ(T)dV/dt = (P_H1 + P_H2)/(T₃ – T₁) [Formel 2a] dV/dt = (P_H1 + P_H2)/[(T₃ – T₁)c(T)ρ(T)] [Formel 2b]
Dabei bedeuten:

P_H1:: Heizleistung des ersten Heizelements
P_H2:: Heizleistung des zweiten Heizelements
T₁:: Temperatur des Mediums vor den beiden Heizelementen
T₃:: Temperatur des Mediums nach den beiden Heizelementen
c(T):: (temperaturabhängige) spezifische Wärmekapazität des Mediums
ρ(T):: (temperaturabhängige) Dichte des Mediums
dV/dt:: Volumendurchfluss des Mediums pro Zeit

Die Steuereinheit 40 moduliert die Heizleistungen des ersten Heizelements 41 und des zweiten Heizelements 42. Die Heizleistungen beider Heizelemente 41, 42 werden dadurch zwischen Null und einer maximalen Heizleistung geändert. Zu einem Zeitpunkt, wenn die Heizleistung des ersten Heizelements 41 maximal ist, ist die Heizleistung des zweiten Heizelements 42 Null. Zu einem anderen Zeitpunkt, wenn die Heizleistung des ersten Heizelements 41 Null ist, ist die Heizleistung des zweiten Heizelements 42 maximal.
Aufgrund dieser Modulation der Heizleistung gibt es an beiden Heizelementen 41, 42 Zeitpunkte, an denen jeweils die an das Medium 21 abgegebene Wärmemenge Null ist. Zu diesen Zeitpunkten können daher Offset-Fehler, genauer: Differenzen von Offset-Fehlern, an den Signalen der jeweiligen Temperatursensoren 31, 32, bzw. 33 ermittelt werden und bei der Auswertung berücksichtigt werden. Da sich Offset-Fehler in der Signalverarbeitung zeitlich ändern (Drift), bietet die nach diesem Verfahren vorgesehene wiederholte bzw. periodische Erfassung der Offset-Fehler eine besonders hohe Genauigkeit. Eine periodische Erfassung ist dabei vollkommen ausreichend, da die Drift von Offset-Fehlern in der Regel eine langsame Änderung ist.
Durch eine zeitlich versetzte (phasenverschobene) Modulation der Heizleistungen an den beiden Heizelementen 41, 42 wird erreicht, dass permanent eine definierte Wärmemenge in das Medium 21 eingebracht wird. Dadurch wird eine kontinuierliche Messung des Durchflusses ermöglicht. Würde man hingegen nur ein Heizelement verwenden und dieses zur Erfassung von Offset-Fehlern modulieren, dann gäbe es bei der Messung des Durchflusses periodisch Totzeiten, nämlich immer dann, wenn die Heizleistung gerade Null ist.
Es ist vorgesehen, ein Verfahren zur Messung des Durchflussvolumens eines Mediums 21 in folgender Weise auszuführen. Beide Heizelemente 41, 42 durchlaufen einen Leistungsmodulationszyklus, d. h. die Heizleistung wird periodisch geändert. Die Ansteuerung erfolgt durch eine Pulsweitenmodulation (PWM). Mittels der Pulsweiten-modulierten Ansteuerung wird die Heizleistung in Form einer Sinusfunktion verändert. Die Variation der Heizleistung erfolgt also mit der Frequenz der Sinusfunktion, die im Folgenden als Heizfrequenz bezeichnet wird. Die Pulsweiten-modulierte Ansteuerung der beiden Heizelemente 41, 42 ist schematisch in 2 dargestellt. Im Maximum der Ansteuerung wird das erste Heizelement 41 mit maximaler Leistung betrieben, während das zweite Heizelement 42 ausgeschaltet ist. Zum Zeitpunkt der Ansteuerung im Minimum (d. h. Heizleistung Null) am ersten Heizelement 41 ist die Heizleistung maximal am zweiten Heizelement 42.
Die in das Medium 21 (beispielsweise Wasser) eingebrachte Heizleistung führt lokal zu einer Temperaturerhöhung, die mit der Fließgeschwindigkeit des Mediums 21 entlang der Rohrleitung der Durchflussvorrichtung 20 transportiert wird. An den Messpunkten vor, zwischen und nach den Heizelementen 41, 42 befinden sich Pt100-Platinwiderstände als Temperatursensoren 31, 32, 33, welche die lokalen Temperaturen und deren Schwankungen im Medium 21 registrieren. Die Änderung eines jeden temperaturabhängigen Pt100-Widerstands aufgrund der Temperaturvariationen im Medium wird über eine Messbrücke in Form einer Spannungsdifferenz zwischen zwei Pt100-Widerständen gemessen (Relativmessung). Über AD-(Apalog-Digital-)Wandler werden die analogen Spannungswerte digitalisiert; diese AD-Counts werden als Messwerte aufgezeichnet.
Es ist vorgesehen, im analogen Schaltungsbereich die Spannungsdifferenz zwischen den Temperatursensoren 31, 32, 33 zu bilden bzw. zu erfassen. Dadurch werden die Offsetspannungen der Temperatursensoren eliminiert, die damit nicht digitalisiert werden müssen. Der mögliche Spannungshub von 1,25 V der AD-Wandler kann erheblich besser genutzt werden, indem die Differenzspannung zunächst mit rauscharmen Operationsverstärkern verstärkt wird, und anschließend die verstärkte Differenzspannung mittels AD-Wandler digitalisiert wird. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann dadurch verbessert werden. Operationsverstärker weisen jedoch eine gewisse Drift bzw. zeitliche Veränderung der Eingangs-Offsetspannungen auf, vereinfacht als Nullpunkt-Drift bezeichnet. Deshalb kann der Nullpunkt der Operationsverstärker regelmäßig nachkalibriert werden. Dies kann durch Abschalten der Heizelemente 41, 42 und Messung des Nullpunkts erfolgen.
Exemplarisch wurde in einer Messvorrichtung ein Medien-Durchfluss von 5 l/min (Liter pro min) eingestellt. Dabei wurden Messungen bei verschiedenen Heizfrequenzen im Bereich von 0,001 Hz bis 10 Hz durchgeführt. Hieraus resultiert das in 3 gezeigte Bode-Diagramm, das die rechnerisch ermittelte Amplitudenhöhe (d. h. die Amplitudenhöhe der Differenzsignale zwischen den Temperatursensoren) der Counts eines AD-Wandlers in Beziehung zur eingestellten Heizfrequenz setzt. Die Grenzfrequenz, d. h. der Übergang zwischen Potenzabhängigkeit und linearem Zusammenhang zwischen dem Logarithmus der Amplitudenhöhe und dem Logarithmus der Heizfrequenz, beträgt ungefähr 0,5 Hz. Bei mittleren Heizfrequenzen oberhalb der Grenzfrequenz wird das Verhältnis zwischen Amplitudenhöhe und Heizfrequenz in der doppelt-logarithmischen Darstellung ungefähr linear. Die Amplitudenhöhe fällt mit weiter steigender Frequenz deutlich schneller ab.
Aus dem ermittelten Zusammenhang zwischen Amplitudenhöhe und Heizfrequenz können verschiedene Auswertungsmethoden für das erfindungsgemäße Messverfahren abgeleitet werden.
Eine mögliche Form der Auswertung ist eine Amplituden-Methode. Dabei wird im niederfrequenten Bereich des dargestellten Bode-Diagramms bei einer fest eingestellten Heizfrequenz die Amplitudenhöhe betrachtet. Diese Amplitudenhöhe wird direkt einem fest eingestellten Medien-Durchfluss zugeordnet. Anhand mehrerer verschiedener Medien-Durchflüsse kann eine Kennlinie aufgenommen werden. Hier wurde eine 1/x (d. h. reziproke) Abhängigkeit der Amplitudenhöhe vom Medien-Durchfluss nachgewiesen.
Eine weitere mögliche Auswertung ist eine Phasendifferenz-(Δϕ-)Methode. Direkt oberhalb der Grenzfrequenz, d. h. bei Heizfrequenzen größer als die Grenzfrequenz, ist der Verlust an Amplitude noch vergleichsweise gering. Hier wird die Phasenverschiebung in einem Bereich von 0–90° relativ zur Phasenlage der Heizleistungs-Ansteuerungsfunktion gemessen. Die Phasenverschiebung ist hierbei umgekehrt proportional korreliert zur Durchflussgeschwindigkeit des Mediums in der Messstrecke bei definiertem Querschnitt der Rohrleitung.
Eine kontinuierliche Messung kann erfolgen durch Betrachtung und Auswertung der eingebrachten elektrischen Gesamt-Heizleistung in das Medium 21. Dabei wird eine konstante Heizleistung auf der Messstrecke aufrechterhalten und die gemessenen Amplituden (Amplituden der Differenzsignale zwischen den Temperatursensoren) hinter beiden Heizelementen 41, 42 werden addiert. Die kontinuierliche periodische Verlagerung der Anteile an der Gesamtheizleistung zwischen beiden Heizelementen 41, 42 ermöglicht den Ausgleich fertigungsbedingter Toleranzen zwischen den Heizwiderständen der beiden Heizelemente 41, 42. Das Einbringen einer konstanten Heizleistung in das Medium 21 resultiert über die Wärmekapazität des Mediums 21 in eine Temperaturerhöhung des Mediums 21.
Weiterhin kann eine Kompensation von Temperaturschwankungen des Mediums 21 im Bereich des Medieneinlass 22 mittels Nullpunkt-Kalibrierung vorgenommen werden. Dazu werden die absoluten Temperaturschwankungen im Medieneinlauf gemessen. Mit einem mathematischen Modell wird die Amplitudenänderung kompensiert, die ausschließlich auf fluktuierende Temperaturänderungen im Medienkreislauf zurückzuführen ist.
Im Folgenden werden weitere mögliche Merkmale und Einzelheiten weiterer Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Die Durchflussvorrichtung 20 kann beispielsweise eine Rohrleitung sein, durch die das Medium 21 strömt. Das eine Ende der Durchflussvorrichtung 20 ist mit einem Medieneinlass 22 ausgestattet, am anderen Ende der Durchflussvorrichtung 20 befindet sich ein Medienauslass 23. Die Rohrleitung der Durchflussvorrichtung 20 kann in mehrere Abschnitte aufgeteilt sein.
Die Durchflussvorrichtung 20 kann Bestandteil eines offenen oder eines geschlossenen Medienkreislaufs sein. Der Medienkreislauf kann beispielsweise ein Kühlkreislauf sein mit einem Kühlmittel als Medium 21. Als Kühlmittel bzw. Medium wird oftmals Wasser verwendet, zumindest als Grundbestandteil. Bei einem geschlossenen Medienkreislauf kann das Medium 21 nach dem Medienauslass 23 durch eine Pumpe und einen Wärmetauscher geführt werden und dann wieder dem Medieneinlass 22 zugeführt werden. Die Durchflussvorrichtung 20 kann auch in den Medienkreislauf eines externen Geräts eingeschaltet werden. In diesem Fall können sich Pumpe und Wärmetauscher im Medienkreislauf des externen Geräts befinden.
Die Temperatursensoren 31, 32, 33 können temperaturempfindliche Widerstände wie zum Beispiel Platinwiderstände vom Typ Pt100 oder Pt1000 sein. Die Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf die Verwendung von Platinwiderständen. Es können auch beliebige andere Temperatursensoren wie beispielsweise Halbleiter-Temperaturfühler verwendet werden.
Es ist vorgesehen, dass die Heizelemente 41, 42 elektrisch betriebene Heizwiderstände beinhalten. Die momentane Heizleistung ergibt sich dann als Produkt der am Heizwiderstand anliegenden Spannung und dem durch den Heizwiderstand fließenden Strom. Als Heizelemente 41, 42 können zum Beispiel handelsübliche Heizpatronen zur Erwärmung von Wasser eingesetzt werden.
Der zeitliche Verlauf der Heizleistung an den beiden Heizelementen 41, 42 kann sinusförmig sein. Es können auch andere periodische Funktionen zur Steuerung der Heizleistung verwendet werden, beispielsweise Dreieck-Funktionen, Rechteckfunktionen, Trapezfunktionen oder andere Funktionen ähnlicher Art.
Es ist vorgesehen, dass die Funktion, die den zeitlichen Verlauf der Heizleistung der Heizelemente 41, 42 abbildet, eine Funktion ist, die sich durch Invertieren und Phasenverschiebung in sich selbst überführen lasst. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei einer zeitlich versetzten Ansteuerung der beiden Heizelemente 41, 42 die Summe der Heizleistungen der beiden Heizelemente 41, 42 zeitlich konstant ist. Ist der zeitliche Verlauf der Heizleistung beispielsweise sinusförmig, dann wird durch eine um 180° verschobene Heizleistung am zweiten Heizelement 42 gegenüber dem ersten Heizelement 41 eine zeitlich konstante Summe der Heizleistungen erreicht.
Wenn die Heizelemente 41, 42 mit einer symmetrischen sinusförmigen elektrischen Spannung oder einem symmetrischen sinusförmigen Strom betrieben werden, dann ist zum Erzielen einer konstanten Summe oder Heizleistung eine Phasenverschiebung um 90° zwischen der Spannung (bzw. Strom) am ersten Heizelement 41 und der Spannung (bzw. Strom) am zweiten Heizelement 42 erforderlich.
Es ist vorgesehen, den zeitlichen Verlauf der Heizleistung des ersten Heizelements 41 und der Heizleistung des zweiten Heizelements 42 mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren zu steuern. Die Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation (PWM-Taktfrequenz) kann wesentlich höher sein als die Frequenz des durch die Pulsweitenmodulation modulierten Verlaufs der Heizleistungen der Heizelemente 41, 42 (Heiz-Frequenz). Die PWM-Taktfrequenz kann beispielsweise im Bereich 1 kHz bis 100 kHz liegen. Die Heiz-Frequenz kann beispielsweise im Bereich 0,001 Hz bis 10 Hz liegen.
Die Steuereinheit 40 kann mit einem Umschalter ausgestattet sein, mit dem eine konstante elektrische Spannung oder ein konstanter Strom zwischen den beiden Heizelementen 41, 42 hin und her geschaltet werden kann. Der Umschalter kann aus Halbleiterbauelementen wie beispielsweise Transistoren, Thyristoren, Triacs, FETs, MOSFETs oder IGBTs bestehen. Der Umschalter kann durch Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert werden.
Die Umschaltfunktion zwischen den Heizelementen 41, 42 kann den Vorteil haben, dass zur Erfassung der Heizleistung eine elektrische Leistungsmessung eingesetzt werden kann, die mit einer geringen Geschwindigkeit bzw. mit einer niedrigen Erfassungsrate auskommt, da die Gesamtleistung zu jedem Zeitpunkt konstant ist. Ebenso ist die Gesamtspannung als auch der Gesamtstrom konstant. Der Stromfluss wird dabei während des Umschaltens höchstens für wenige 10 ns unterbrochen. Der Umschaltvorgang selbst kann mit LC-Gliedern gedämpft werden, sodass er keinen Einfluss auf das Messergebnis hat.
Die Umschaltfunktion kann auch den Vorteil haben, dass darauf verzichtet werden kann, für jeden Zweig (d. h. für jedes der beiden Heizelemente 41, 42) eine separate Leistungsmessung einzusetzen. Würde für jeden Zweig eine eigene Leistungsmessung eingesetzt werden, dann müssten diese Leistungsmessungen zum einen auch mit Scheitelwertfaktoren (bzw. Crest-Faktoren) umgehen können. Die dazu benötigten Schaltkreise sind aufwändiger und dadurch kostenintensiver und weisen eine geringere Genauigkeit auf. Zum anderen müssten diese Leistungsmessungen dann auch deutlich schneller als die PWM-Taktfrequenz abtasten. Dies hätte wiederum einen nachteiligen Einfluss auf die Auflösung. Die höchsten Auflösungen erreicht man zurzeit bei Abtastfrequenzen von 6 Hz (200 nV Rauschen). Aufgrund der thermischen Geschwindigkeit der Temperatursensoren kann es erforderlich sein, dass die PWM-Taktfrequenz im Bereich von 100 Hz oder auch im Bereich von 1 kHz liegt. Die Abtastfrequenz für die Leistungsmessung müsste dann in diesem Fall bei mindestens 10 kHz liegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen somit die nachfolgend benannten Vorteile auf:

• Es werden keine beweglichen mechanischen Bauteile in der Durchflussvorrichtung verwendet. Daraus ergibt sich eine hohe Lebensdauer der Vorrichtung und eine hohe Zuverlässigkeit des Verfahrens.
• Der Volumendurchfluss des Mediums kann kontinuierlich, d. h. ohne Unterbrechungen ermittelt werden.
• Die Nullpunkt- und Offset-Korrektur erfolgt quasikontinuierlich; das Verfahren bietet daher eine besonders hohe Messgenauigkeit.
• Das Verfahren bestimmt in erster Linie den „wärmekapazitiven” Volumendurchfluss c(T)☐ρ(T)☐dV/dt eines Mediums und ist daher besonders geeignet für die Verwendung in Vorrichtungen zur hochgenauen Messung von in ein Medium eingebrachten unbekannten Wärmemengen.

5 zeigt eine mögliche Anwendung des kalorimetrischen Messverfahrens zur Bestimmung einer unbekannten Wärmemenge P, die in das Medium 21 eingebracht wird. Dazu wird von einer Wärmequelle 45 eine Wärmemenge P an das Medium 21 abgegeben. Die Wärmequelle 45 kann in der Durchflussvorrichtung 20 angeordnet werden an einer Position in Strömungsrichtung des Mediums 21 nach dem dritten Temperatursensor 33. Ein vierter Temperatursensor 34 kann in Strömungsrichtung des Mediums 21 nach der Wärmequelle 45 in der Durchflussvorrichtung 20 angeordnet sein. Der vierte Temperatursensor 45 erzeugt ein viertes Signal in Abhängigkeit einer vierten Temperatur des Mediums 21 nach Abgabe der unbekannten Wärmemenge P an das Medium 21. Ein drittes Differenzsignal zwischen dem vierten Signal und dem dritten Signal kann von der Auswerteeinheit 50 erfasst werden. Das dritte Differenzsignal ist ein Maß für die Temperaturdifferenz T₄ – T₃ des Mediums 21 vor und nach der Wärmequelle 45.
Die unbekannte Wärmemenge P steht entsprechend der folgenden Relation über den „wärmekapazitiven” Durchfluss c(T)☐ρ(T)☐dV/dt des Mediums 21 in Relation zur Temperaturdifferenz T₄ – T₃ des Mediums 21 vor und nach der Wärmequelle 45: P = (T₄ – T₃)c(T)ρ(T)dV/dt [Formel 3]
Aus Formel 3 in Verbindung mit Formel 2a ergibt sich die unbekannte Wärmemenge P gemäß der folgenden Relation: P = (P_H1 + P_H2)(T₄ – T₃)/(T₃ – T₁) [Formel 4]
Aus Formel 4 ist ersichtlich, dass es in diesem Fall besonders günstig ist, dass das erfindungsgemäße kalorimetrische Verfahren geeignet ist zur Messung des „wärmekapazitiven” Durchflusses c(T)☐ρ(T)☐dV/dt eines Mediums und nicht lediglich der Volumendurchfluss dV/dt bestimmt wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die physikalischen Parameter des Mediums wie die Dichte und die Wärmekapazität zur Bestimmung der unbekannten Wärmemenge P nicht benötigt. Schwankungen in der Zusammensetzung des Mediums beispielsweise haben damit keinen Einfluss auf das Messergebnis. Dadurch wird eine hohe Messgenauigkeit erreicht.
Bei dieser und ähnlichen möglichen Anwendungen des kalorimetrischen Verfahrens wird gewissermaßen eine kontinuierliche Kalibration durchgeführt, indem die unbekannte Wärmemenge mit der über die Heizelemente 41, 42 in das Medium 21 eingebrachte bekannte Wärmemenge über die gemessenen Temperaturdifferenzen direkt ins Verhältnis gesetzt wird.
Die Wärmequelle 45 kann beispielsweise ein Absorber sein, der von dem Medium 21 durchströmt wird. Der Absorber kann einen Energiestrahl absorbieren und dadurch die Leistung des Energiestrahls in eine Wärmemenge umsetzen, die dann vom Absorber an das Medium 21 abgegeben wird. Das derart ausgestaltete Verfahren kann somit zur Messung der Leistung eines Energiestrahls verwendet werden. Der Energiestrahl kann zum Beispiel ein Laserstrahl sein.
Die Genauigkeit des Verfahrens kann weiterhin durch eine geeignete Wahl der Heizleistung optimiert werden. Dies wird nachfolgend durch Dimensionierungsbeispiele erläutert.
Um eine möglichst hohe Messgenauigkeit zu erzielen, ist es günstig, wenn die Temperaturdifferenzen möglichst hoch sind. Andererseits darf die Temperatur des Mediums 21 nicht zu groß werden. Bei einem auf Wasser basierenden Medium sollte die Temperatur des Mediums 21 am Medienauslass 23 deutlich unter 100°C liegen. Die Temperatur des Mediums 21 am Medieneinlass 22 liegt meist im Bereich der Umgebungstemperatur, also typischerweise um 25°C. Daher sollten die größten auftretenden Temperaturdifferenzen im Medium 21 nicht größer sein als einige 10 K (Kelvin).
Bei einer Messung relativ geringer unbekannter Wärmemengen kann es günstig sein, wenn die Heizleistung etwa im Bereich der zu messenden unbekannten Wärmemenge liegt oder darüber. Bei der Messung hoher Wärmemengen hingegen würde dies zu unpraktikabel hohen Heizleistungen und einem sehr hohen Stromverbrauch führen.
Die Heizleistung kann beispielsweise im Bereich von bis zu 100 W liegen.
Wenn eine unbekannte Wärmemenge in der Größenordnung von etwa 1000 W gemessen werden soll, dann ist dazu ein Mediendurchfluss von mindestens etwa 0,5 l/min (Liter pro Minute) erforderlich. Die Temperaturdifferenz vor und nach der Wärmequelle 45 würde dann bei Verwendung von Wasser als Medium etwa 30 K betragen. Im Hinblick auf eine Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität und der Dichte des Mediums 21 kann es sinnvoll sein, einen höheren Mediendurchfluss zu wählen, damit die Temperaturdifferenz geringer ist. Bei einem Mediendurchfluss von 5 l/min (Liter pro Minute) und einer zu messenden Wärmemenge in der Größenordnung von 1000 W beträgt die Temperaturdifferenz vor und nach der Wärmequelle etwa 3 K. Bei einer Heizleistung von 100 W ergibt sich damit eine Temperaturdifferenz von etwa 0,3 K vor und nach den Heizelementen 41, 42. Bei Verwendung von Platinwiderständen als Temperatursensoren 31, 32, 33 (und ggfs. 34) und einer geeigneten Rausch- und Offset-armen Signalverarbeitung bzw. einer Signalwandlung mit hoher Auflösung (z. B. mit 24 bit Auflösung) liegt die Messunsicherheit der Temperatur im Bereich von etwa 100 μK oder noch weniger. Damit ergibt sich eine sehr hohe Messgenauigkeit für das Verfahren, mit einem Messfehler, der etwa in der Größenordnung von 0,1% oder darunter liegt.
Es ist auch vorgesehen, die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität und/oder der Dichte des Mediums 21 bei der kalorimetrischen Messung zu berücksichtigen. Dazu kann eine Funktion für die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität und/oder der Dichte des Mediums 21 (beispielsweise von Wasser) in einem Speicher der Auswerteeinheit 50 hinterlegt werden. Die gemessenen Temperaturdifferenzen können verwendet werden, um eine Stützstelle für die Funktion der Wärmekapazität zu finden. Die Wärmekapazität üblicher Medien wie zum Beispiel von Wasser variiert nicht unerheblich mit der Temperatur. Mit der Berücksichtigung dieser Temperaturabhängigkeit kann daher die Genauigkeit des Verfahrens weiter erhöht werden.
Der Volumendurchfluss des Mediums 21 kann auch näherungsweise bestimmt werden aus der thermischen Dissipation einer Wärmemenge, die durch den Druckverlust beim Strömen des Mediums 21 durch die Durchflussvorrichtung 20 bzw. beim Strömen durch Rohrleitungsabschnitte der Durchflussvorrichtung 20 erzeugt wird. Der Druckverlust beim Strömen erzeugt Wärme, die direkt gemessen werden kann. Dazu können vor dem Heizen des Mediums 21, d. h. bevor die Heizelemente 41, 42 eingeschaltet werden, die Differenzsignale der Temperatursensoren erfasst und gespeichert werden. Daraus kann die durch Druckverlust beim Strömen des Mediums 21 erzeugte Wärmemenge bestimmt werden. Diese Druckverlust-Wärmemenge bzw. durch Strömung erzeugte Abwärme kann sich bei hohen Medien-Durchflüssen in einer Größenordnung von bis zu 30 W–100 W (Watt) befinden.
Es ist daher auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem eine ermittelte Wärmemenge um die durch Druckverlust beim Strömen des Mediums 21 erzeugte Wärmemenge korrigiert wird.
Mit der Bestimmung der Druckverlust-Wärmemenge kann man auch vor dem ersten Einschalten der Heizelemente 41, 42 prüfen, ob überhaupt ein Medien-Durchfluss vorhanden ist. Dies ist zumindest ein Indikator, da es auch passieren könnte, dass kein Medium 21 in der Durchflussvorrichtung 20 vorhanden ist und nur die gleiche Lufttemperatur gemessen wird.
Um zu erkennen, ob die Rohrleitungen der Durchflussvorrichtung 20 mit einem Medium 21 gefüllt sind und das Medium 21 strömt, ist es vorgesehen, einen kurzen Heiz-Puls auf die Heizelemente 41, 42 zu geben und zu registrieren, ob die Temperatur des Mediums 21 sich wie erwartet verändert.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit 50 ein Warnsignal ausgibt, wenn der ermittelte Volumendurchfluss des Mediums 21 einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet und somit die Gefahr der Überhitzung des Mediums 21 oder eines Teils der Durchflussvorrichtung 20 besteht. Das Warnsignal kann ein elektrisches Signal sein, ein akustisches Signal, ein optisches Signal oder das Öffnen eines Schalters. Ein Warnsignal im Form des Öffnens eines Schalters kann verwendet werden, um einen Sicherheitsschaltkreis (sogenannter Interlock) eines externen Geräts auszulösen.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die maximale Heizleistung der Heizelemente 41, 42 an die aktuellen Bedingungen der Messung angepasst werden kann. Die Heizleistung kann beispielsweise so angepasst werden, dass die Temperaturdifferenz vor und nach den Heizelementen 41, 42 vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 K (Kelvin) bis 10 K liegt.
Die Heizleistung der Heizelemente 41, 42 kann auch angepasst werden in Abhängigkeit des Mediendurchflusses.
Es ist ein einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch vorgesehen, dass die Heizfrequenz der Heizelemente 41, 42 an die aktuellen Bedingungen der Messung angepasst werden kann. Beispielsweise kann die Heizfrequenz in Abhängigkeit des Mediendurchflusses verändert werden.
Bezugszeichenliste

20: Durchflussvorrichtung
21: Medium
22: Medieneinlass
23: Medienauslass
31: Erster Temperatursensor
32: Zweiter Temperatursensor
33: Dritter Temperatursensor
34: Vierter Temperatursensor
40: Steuereinheit
41: Erstes Heizelement
42: Zweites Heizelement
45: Wärmequelle
50: Auswerteeinheit

Claims

Verfahren zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium (21), umfassend die Verfahrensschritte: • Heizen des Mediums (21) mit einem ersten Heizelement (41) und mit einem zweiten Heizelement (42), wobei das Medium (21) das erste Heizelement (41) und das zweite Heizelement (42) nacheinander durchströmt, • Modulieren einer Heizleistung des ersten Heizelements (41) und einer Heizleistung des zweiten Heizelements (42) zwischen Null und einer maximalen Heizleistung, wobei die Heizleistung des ersten Heizelements (41) maximal ist an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements (42) Null ist, und wobei die Heizleistung des zweiten Heizelements (42) maximal ist an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements (41) Null ist, und wobei die Summe aus der Heizleistung des ersten Heizelements (41) und der Heizleistung des zweiten Heizelements (42) zeitlich konstant ist, • Erzeugen eines ersten Signals in Abhängigkeit einer ersten Temperatur des Mediums (21) an einer Position in Strömungsrichtung des Mediums (21) vor dem ersten und dem zweiten Heizelement (41, 42), • Erzeugen eines zweiten Signals in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur des Mediums (21) an einer Position zwischen dem ersten Heizelement (41) und dem zweiten Heizelement (42), • Erzeugen eines dritten Signals in Abhängigkeit einer dritten Temperatur des Mediums (21) an einer Position in Strömungsrichtung des Mediums (21) nach dem ersten und dem zweiten Heizelement (41, 42), • Erfassen eines ersten Differenzsignals zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal, • Erfassen eines zweiten Differenzsignals zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal, und • Erfassen der Heizleistung des ersten und des zweiten Heizelements (41, 42) durch Messung von Strom und Spannung an den Heizelementen (41, 42).
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin die Verfahrensschritte umfasst: • Bestimmen einer Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur und der ersten Temperatur des Mediums (21) aus den erfassten Differenzsignalen, und • Bestimmen eines Quotienten aus der Summe der erfassten Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements (41, 42) und der Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur und der ersten Temperatur des Mediums (21).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Heizelement (41) und das zweite Heizelement (42) abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zeitliche Verläufe der Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements (41, 42) durch Pulsweitenmodulation gesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zeitliche Verlauf der Heizleistung des ersten Heizelements (41) und der zeitliche Verlauf der Heizleistung des zweiten Heizelements (42) durch eine Funktion dargestellt werden, die durch Invertieren und Phasenverschiebung in sich selbst überführbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zeitliche Verlauf der Heizleistung des ersten Heizelements (41) und der zeitliche Verlauf der Heizleistung des zweiten Heizelements (42) sinusförmig sind, und wobei der zeitliche Verlauf der Heizleistung des zweiten Heizelements (42) um 180° gegenüber dem zeitlichen Verlauf der Heizleistung des ersten Heizelements (41) verschoben ist
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei vor dem Heizen des Mediums (21) das erste Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal und das zweite Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal erfasst und gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die vor dem Heizen des Mediums (21) erfassten und gespeicherten Differenzsignale zur Korrektur der Differenzsignale verwendet werden, die während des Heizens des Mediums (21) erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei aus den vor dem Heizen des Mediums (21) erfassten und gespeicherten Differenzsignalen eine durch Druckverlust beim Strömen des Mediums (21) erzeugte Wärmemenge bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Messung einer unbekannten Wärmemenge, die an das Medium (21) abgegeben wird, wobei ein viertes Signal in Abhängigkeit einer vierten Temperatur des Mediums (21) nach Abgabe der unbekannten Wärmemenge in das Medium (21) erzeugt wird.
Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium (21), umfassend • eine Durchflussvorrichtung (20) mit einem Medium (21), • ein erstes Heizelement (41) und ein zweites Heizelement (42), wobei das erste Heizelement (41) und das zweite Heizelement (42) zum Heizen des Mediums (21) ausgebildet sind und in Strömungsrichtung des Mediums (21) nacheinander in der Durchflussvorrichtung angeordnet sind, • eine Steuereinheit (40), die zur Modulation einer Heizleistung des ersten Heizelementes (41) und zur Modulation einer Heizleistung des zweiten Heizelements (42) ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit (40) weiterhin ausgebildet ist, die Heizleistung des ersten Heizelements (41) und die Heizleistung des zweiten Heizelements (42) jeweils zwischen Null und einer maximalen Heizleistung zu modulieren, wobei die Heizleistung des ersten Heizelements (41) maximal ist an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements (42) Null ist, und wobei die Heizleistung des zweiten Heizelements (42) maximal ist an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements (41) Null ist, und wobei die Summe aus der Heizleistung des ersten Heizelements (41) und der Heizleistung des zweiten Heizelements (42) zeitlich konstant ist, • einen ersten Temperatursensor (31), der in Strömungsrichtung des Mediums (21) vor dem ersten Heizelement (41) und dem zweiten Heizelement (42) in der Durchflussvorrichtung (20) angeordnet ist, • einen zweiten Temperatursensor (32), der zwischen dem ersten Heizelement (41) und dem zweiten Heizelement (42) in der Durchflussvorrichtung (20) angeordnet ist, • einen dritten Temperatursensor (33), der in Strömungsrichtung des Mediums (21) nach dem ersten Heizelement (41) und dem zweiten Heizelement (42) in der Durchflussvorrichtung (20) angeordnet ist, und • eine Auswerteeinheit (50), die ausgebildet ist zum Erfassen und Auswerten von Differenzsignalen zwischen den Temperatursensoren (31, 32, 33), wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, ein erstes Differenzsignal zwischen einem zweiten Signal vom zweiten Temperatursensor (32) und einem ersten Signal vom ersten Temperatursensor (31) zu erfassen und ein zweites Differenzsignal zwischen einem dritten Signal vom dritten Temperatursensor (33) und einem zweiten Signal vom zweiten Temperatursensor (32) zu erfassen, und • wobei die Auswerteeinheit (50) ausgebildet ist zum Erfassen der Heizleistung des ersten und des zweiten Heizelements (41, 42) durch Messung von Strom und Spannung an den Heizelementen (41, 42).
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit (40) ausgebildet ist, das erste Heizelement (41) und das zweite Heizelement (42) abwechselnd ein- und auszuschalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Steuereinheit (40) ausgebildet ist, die Modulation der Heizleistungen des ersten Heizelements (41) und des zweiten Heizelements (42) durch Pulsweitenmodulation zu steuern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der zeitliche Verlauf der Heizleistung des ersten Heizelements (41) und der zeitliche Verlauf der Heizleistung des zweiten Heizelements (42) durch eine Funktion dargestellt sind, die durch Invertieren und Phasenverschiebung in sich selbst überführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der zeitliche Verlauf der Heizleistung des ersten Heizelements (41) und der zeitliche Verlauf der Heizleistung des zweiten Heizelements (42) sinusförmig sind, und wobei der zeitliche Verlauf der Heizleistung des zweiten Heizelements (42) um 180° gegenüber dem zeitlichen Verlauf der Heizleistung des ersten Heizelements (41) verschoben ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15 zur Messung einer unbekannten Wärmemenge, weiterhin umfassend eine Wärmequelle (45), die ausgestaltet ist zur Übertragung der unbekannten Wärmemenge in das Medium (21), und einen vierten Temperatursensor (34), der in Strömungsrichtung des Mediums (21) nach der Wärmequelle (45) angeordnet ist.