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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen kalorimetrischen Durchflussmesser sowie ein Verfahren zur Kalibrierung eines kalorimetrischen Durchflussmessers.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Das grundsätzliche Messprinzip eines kalorimetrischen Durchflussmessers beruht darauf, dass ein fließendes Fluidmedium außer dem eigentlichen Massenstrom auch eine Wärmemenge mit sich führt. Dieser Effekt lässt sich zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit des Fluidmediums nutzen.
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Einer der Vorteile eines kalorimetrischen Durchflussmessers ist, dass dieser ohne bewegliche Bauteile auskommt, wodurch kein mechanischer Verschleiß auftritt und sich kompakte Bauformen realisieren lassen. Oft lassen sich dabei für den jeweiligen Anwendungsfall auch höhere Messgenauigkeiten erzielen als mit einem mechanischen Durchflussmesser. Zudem lassen sich mit Feststoffen belastete Strömungen besser messen und mit kalorimetrischen Durchflussmessern lassen sich die Fließgeschwindigkeiten sowohl von Gasen als auch von Flüssigkeiten und bedingt sogar fluidisierte Feststoffe wie feine Granulatströme messen.
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Im Folgenden wird der Begriff Durchflussmesser als Überbegriff für sämtliche Durchflussmesserarten unabhängig vom Ausgangswert des Durchflussmessers verwendet. Denn teilweise wird in der Technik häufig nur dann von einem Durchflussmesser gesprochen, wenn dieser als Durchflusswächter arbeitet, der ein binäres Signal ausgibt, je nachdem ob die Strömungsgeschwindigkeit einen bestimmten Grenzwert über- oder unterschreitet. Demgegenüber spricht man von einem Massendurchflussmesser oder Volumenstrommesser wenn der tatsächliche Massenstrom m respektive der Volumenstrom V als Messwert ausgegeben wird. Letztlich handelt es sich hierbei jedoch nur um Varianten nachgelagerter Auswerteschritte, die für die hier vorliegende Erfindung in erster Näherung unerheblich sind.
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Bei einer ersten Messmethode, nach welcher kalorimetrische Durchflussmesser nach dem Stand der Technik arbeiten, wird entlang eines Fluidkanals eine konstante Temperaturdifferenz erzeugt. Der Durchflussmesser umfasst dazu ein Heizelement und zwei Temperatursensoren. Mit dem Heizelement, das in der Nähe des ersten Temperatursensors angeordnet ist, wird das Fluidmedium auf eine vorgegebene Temperatur geheizt, welche mit dem dort befindlichen ersten Temperatursensor überwacht wird. Etwas stromab des Heizelements und des ersten Temperatursensors ist der zweite Temperatursensor angeordnet.
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Bei stehenden Fluidmedium stellt sich eine konstante Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor ein. Bei fließendem Fluidmedium würde der erste Temperatursensor aufgrund der abtransportierten Wärmemenge abkühlen, wodurch sich auch die Temperaturdifferenz verringern würde. Allerdings sorgt eine Regelung des Durchflussmessers dafür, dass die Temperaturdifferenz beibehalten wird, indem die Heizleistung am Heizelement erhöht wird. Die hierzu benötigte Mehrenergie für die Heizleistung steht in Relation zur Fließgeschwindigkeit und kann über die am Heizelement anliegenden elektrischen Werte wie Spannung und Strom einfach erfasst und in einen auszugebenden Messwert umgewandelt werden.
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Eine andere zweite Messmethode benötigt nur das Heizelement und einen einzelnen Temperatursensor. Dabei wird das Heizelement mit einer konstanten Heizleistung betrieben, d.h. es wird stets eine gleichbleibende Wärmemenge an das Fluidmedium abgegeben.
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Je nach Anordnung des Temperatursensors stromauf oder stromab des Heizelements fallen oder steigen die gemessenen Temperaturen wenn das Fluidmedium vom stehenden in einen fließenden Zustand übergeht und zwar umso stärker je höher die Fließgeschwindigkeit ist.
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Nachteilig an den bisher bekannten kalorimetrischen Durchflussmessern ist, dass diese produktspezifisch stets auf nur ein zu messendes Fluidmedium geeicht sind oder diese vor einem produktiven Einsatz in einem aufwendigen Verfahren auf das jeweilig zu messende Fluidmedium geeicht werden müssen. Denn außer baulichen und damit grundsätzlich gleichbleibenden Randbedingungen für die kalorimetrische Messung haben verschiedene Wärmetransporteigenschaften des Fluidmediums wie insbesondere die Dichte p, die spezifische Wärmekapazität c und/oder die Wärmeleitfähigkeit λ einen Einfluss auf die von dem fließenden Fluidmedium mitgeführte Wärmemenge.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Durchflussmesser anzugeben, der sich einfacher auf unterschiedliche Fluidmedien eichen lässt.
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Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren eines kalorimetrischen Durchflussmessers anzugeben, durch welches sich der Durchflussmesser einfacher auf unterschiedliche Fluidmedien eichen lässt.
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Erfindungsgemäß wird dies durch einen Kalorimetrischer Durchflussmesser mit
- a) einem Gehäuse, welches einen ersten Fluidanschluss und einen zweiten Fluidanschluss aufweist, zwischen denen sich ein Fluidkanal erstreckt, in dem sich in einem Messbetrieb des Durchflussmessers ein zu messendes Fluidmedium befindet, das sich in einer Strömungsrichtung bewegen kann,
- b) einer Heizeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Fluidmedium in einem Heizbereich des Fluidkanals zu erwärmen,
- c) einem ersten Temperatursensor, durch den die Temperatur des Fluidmediums in einem ersten Messbereich des Fluidkanals erfassbar ist,
erreicht, wobei
- d) der Durchflussmesser eine Steuerungs- und Auswerteeinheit aufweist, welche dazu eingerichtet ist,
- - die Heizeinrichtung in mindestens einem Puls definierter Dauer und/oder Leistung derart anzusteuern, dass im Fluidmedium mindestens ein Wärmepeak erzeugt wird, der sich durch das Fluidmedium im Fluidkanal vom Heizbereich zum ersten Temperatursensor ausbreitet,
- - einen sich am ersten Temperatursensor ausbildenden Temperaturverlauf zeitabhängig zu erfassen, um eine Zeitspanne bis zur Ankunft des Wärmepeaks am ersten Temperatursensor, eine Restamplitude und/oder eine zeitliche Breite des Wärmepeaks am Temperatursensor zu bestimmen, und
- - einen Korrelationsparameter zu einem vorgeeichten Fluidmedium, insbesondere Wasser, für den Messbetrieb des zu messenden Fluidmediums aus der Zeitspanne, der Restamplitude bzw. der zeitlichen Breite abzuleiten.
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Die Erfinder haben erkannt, dass durch pulsweises Ansteuern der Heizeinrichtung ein Wärmepeak entsteht, der sich aufgrund der endlichen Wärmetransportfähigkeit des Fluidmediums wie eine Wärmewelle durch das Fluidmedium im Fluidkanal fortbewegt. Insbesondere bewegt sich der Wärmepeak auch bei einem stehenden Fluidmedium statt. Da diese Fortbewegung von den kalorimetrischen Eigenschaften des Fluidmediums abhängt, beruht die Erfindung auf der Grundidee, die zeitliche Fortbewegung eines solchen Wärmepeaks zu erfassen und daraus im Umkehrschluss die kalorimetrischen Eigenschaften des Fluidmediums abzuleiten.
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Zusammen mit anderen baulichen Parametern bestimmen sich so Messparameter für eine kalorimetrische Durchflussmessung, sodass man auf diese Weise den kalorimetrischen Durchflussmesser kalibrieren kann. Der Einfachheit halber werden hierbei ein oder mehrere Korrelationsparameter im Vergleich zu einem vorgeeichten Fluidmedium, wie beispielsweise Wasser, verwendet, um den oder die für die eigentliche Durchflussmessung relevanten Messparameter festzulegen.
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Obwohl dieses Kalibrierverfahren grundsätzlich auch bei einer definierten Fließgeschwindigkeit stattfinden könnte, welche dann der Eigenbewegung des Wärmepeaks zusätzlich überlagert wäre, ist es selbstverständlich vorteilhaft, die Kalibrierung bei einem stehenden Fluidmedium durchzuführen, da dieser Zustand leicht durch entsprechende Schließventil herbeigeführt werden kann.
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Die Zeitskala, auf der sich die pulsweise Ansteuerung der Heizeinrichtung bewegt, ist dabei derart, dass Pulsraten kleiner als etwa 10 Hz, eher kleiner als etwa 1 Hz, eingesetzt werden. D.h. die einzelnen Pulse definierter Dauer und/oder Leistung der Kalibrierung sollten insbesondere dazu dienen können, jeweils einzelne Wärmepeaks zu erzeugen, die auch über den Temperatursensor entsprechend separat aufgelöst werden können. Es handelt sich bei der erfindungsgemäß verwendeten pulsweisen Ansteuerung somit nicht um eine zur Steuerung von Heizeinrichtungen bekannte pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerung, mit welcher die Gesamtheizleistung einer Heizeinrichtung quasikontinuierlich gesteuert wird und welche typischerweise im Kilohertzbereich arbeitet. Eine solche PWM-Ansteuerung kann jedoch im Rahmen der Erfindung weiterhin dazu verwendet werden, um den eigentlichen Gesamtpuls definierter Dauer und/oder Leistung zu erzeugen, der für das Kalibrierverfahren verwendet wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Korrelationsparameter die Temperaturleitfähigkeit a des Fluidmediums ist.
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Grundsätzlich kann der Korrelationsparameter bereits sehr einfach definiert und verwendet werden. Beispielsweise könnte man das Verhältnis der Zeitspanne im geeichten Fluidmedium zur Zeitspanne im zu messenden Fluidmedium heranziehen, um darüber eine mit einem der bekannten Messverfahren ermittelte als Fließgeschwindigkeit zu korrigieren. Allerdings ist der wichtigste Korrelationsparameter gegenüber einem Fluidmedium, auf welches der Durchflussmesser vorgeeicht ist, vermutlich die Temperaturleitfähigkeit des Fluidmediums, da diese sowohl den Einfluss der spezifischen Wärmekapazität als auch die Wärmeleitfähigkeit zusammenfasst. Selbstverständlich können diese aber auch einzeln zur Korrelation herangezogen werden. Andere anwendbare Korrelationsparameter könnten aber auch die Dichte und/oder Strömungskennzahlen wie Viskosität und ähnliches sein. Auch kann die Wärmetransportfähigkeit in das Fluidmedium hinein sich von einem Fluidmedium zum anderen unterscheiden oder die Wärmeabhängigkeit der kalorimetrischen Eigenschaften kann sich unterscheiden, sodass allgemein sämtlichen denkbaren Materialeigenschaften, die für das Messergebnis des kalorimetrischen Durchflussmessers relevant sein können, sich grundsätzlich als Korrelationsparameter eignen. Diese Parameter können jeweils einzeln aber auch gemeinsam durch das gepulste Kalibrierverfahren festgelegt werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Steuerungs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, ein Ende der Zeitspanne bis zur Ankunft des Wärmepeaks dadurch festzustellen, dass die Restamplitude des Wärmepeaks nach Erreichen ihres Maximalwerts wieder auf einen vordefinierten Anteil des Maximalwerts, vorzugsweise 90%, abfällt.
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Der zeitliche Temperaturverlauf des Wärmepeaks am Temperatursensor wird in etwa einer Gauß-Kurve oder einer ähnlichen Verteilungskurve entsprechen. Durch das Überschreiten des Maximalwertes des Wärmepeaks, bei welchem der Temperaturverlauf eine eher flache Kurve aufweist, lässt sich über den vordefinierten Anteil dieses Maximalwerts auf einfache Weise ein relativ gut definierter Zeitpunkt innerhalb des Kurvenverlaufs festlegen. Im einfachsten Fall vergleicht die Steuerungs- und Auswerteeinheit nur den aktuellen Messwert mit einem zwischengespeicherten Maximalwert und legt das Ende der Zeitspanne fest, sobald dieser Messwert beispielsweise unter 80% des Maximalwerts gefallen ist.
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Grundsätzlich sollte der vordefinierte Anteil so gewählt werden, dass dieser im steilsten Kurvenbereich erwartet wird. Da aber auch ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu beachten ist, sollte der vordefinierte Anteil zudem eher oberhalb von etwa 50% gewählt werden. Anteile zwischen etwa 60% und etwa 95%, insbesondere von etwa 90% haben sich als brauchbar erwiesen.
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Alternativ kann die Zeitspanne aber auch durch eine komplexere Auswertung bestimmt werden, beispielsweise durch ein Fitting einer Parameterkurve an den zeitlichen Temperaturverlauf.
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Dadurch kann beispielsweise auch die zeitliche Breite des Wärmepeaks und/oder dessen Gesamtfläche herangezogen werden, um den Korrelationsparameter oder weitere Korrelationsparameter festzulegen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Steuerungs- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, mit einem über den Korrelationsparameter festgelegten Messparameter eine Messung der Fließgeschwindigkeit des Fluidmediums durchzuführen.
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Das oben beschriebene Verfahren kann dazu dienen, den kalorimetrischen Durchflussmesser zunächst auf das zu messende Fluidmedium zu kalibrieren. Grundsätzlich wäre dann denkbar, den Korrelationsparameter an eine übergeordnete Steuerung außerhalb des Durchflussmessers zu übergeben, damit dort dann entsprechende Abweichungen der im Übrigen vom Durchflussmesser abgegebenen Messwerte berücksichtigt werden. Vorteilhaft ist aber, wenn der Korrelationsparameter bereits in der Steuerungs- und Auswerteeinheit des Durchflussmessers bei der eigentlichen Messung der Fließgeschwindigkeit berücksichtigt wird und von Steuerungs- und Auswerteeinheit für das jeweilige Fluidmedium entsprechend korrigierte Messwerte ausgibt.
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Bei der eigentlichen Messung können die eingangs erläuterten, bisher bekannten Messmethoden „konstante Differenztemperatur“, „konstante Heizleistung“ angewandt werden. Alternativ kann die beschriebene Kalibriermethode, die mit Heizpulsen und einer Bestimmung der Zeitspanne und/oder Restamplitude des dabei entstehenden Wärmepeaks auch als Messmethode „Pulsmessung“ eingesetzt werden.
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Vorteilhaft können die verschiedenen Messmethoden auch wahlweise in Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit des Fluidmediums eingesetzt werden. Die Steuerungs- und Auswerteeinheit kann dabei dazu eingerichtet sein, selbsttätig einen Wechsel der Messmethode vorzunehmen. Sie kann aber auch über entsprechende Steuersignale gezielt in den jeweiligen Messmodus versetzt werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der erste Temperatursensor und die Heizeinrichtung entlang des Fluidkanals so angeordnet sind, dass der Heizbereich und der Messbereich mehr als etwa 1 cm, vorzugsweise mehr als etwa 3 cm, insbesondere mehr als etwa 5 cm, auseinander liegen.
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Diese Abstände haben sich für verschiedene Fluidmedien als sinnvolle Strecke erwiesen, entlang welcher ein guter Kompromiss zwischen ausreichend großer Zeitspanne für die Bewegung des Wärmepeaks und noch ausreichender Höhe des Wärmepeaks gegeben ist. Als Referenzpunkt für die genannten Abstandsangaben kann in etwa die Mitte der Bereiche bezogen auf die Längserstreckung des Fluidkanals, der im Übrigen nicht zwingend geradlinig verlaufen muss, herangezogen werden. Insbesondere kann dabei die Position des Heizbereichs herangezogen werde, in welcher die höchste Heizleistung ins Fluidmedium übergeht. Beim Messbereich kann hingegen die Position herangezogen werden, an welcher die stärkste Wärmebrücke zwischen Sensor und Fluidmedium vorliegt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der erste Temperatursensor stromab der Heizeinrichtung angeordnet ist.
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Da sich der Wärmepeak in einem stehenden Fluidmedium sowohl stromab als auch stromauf bewegt (es entstehen quasi zwei Wärmepeaks), kann der erste Temperatursensor grundsätzlich beidseits der Heizeinrichtung angeordnet sein und als Kalibiersensor zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs des Wärmepeaks dienen. Ein stromab liegender erster Temperatursensor ist aber vorteilhaft, wenn das Fluidmedium fließt. Der erste Temperatursensor kann dann sowohl zum Kalibrieren des Korrelationsparameters als auch später im Messbetrieb verwendet werden. Denn dann kann es sein, dass Fließgeschwindigkeit, die sich der Eigenbewegung des Wärmepeaks aufgrund der Wärmetransportfähigkeit überlagert, höher ist als die Geschwindigkeit der Eigenbewegung. Der Wärmepeak könnte dann nicht mehr zu einem stromauf liegenden Temperatursensor gelangen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Durchflussmesser einen zweiten Temperatursensor aufweist, welcher stromauf der Heizeinrichtung angeordnet ist.
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Mit dem zweiten Temperatursensor kann nach dem Eintritt des Fluidmediums durch den ersten Fluidanschluss in den Durchflussmesser die Eingangstemperatur des Fluidmediums bestimmt werden. Der Temperatursensor kann somit als Eingangstemperatursensor dienen. Insbesondere kann hierbei eine Absoluttemperatur bestimmt werden. Diese kann als Referenz für weitere Messungen im Durchflussmesser, beispielsweise am ersten Temperatursensor dienen. Auch hängt die Wärmetransportfähigkeit eines Fluidmediums häufig von dessen Absoluttemperatur ab, sodass eine Bestimmung der Eingangstemperatur auch hierfür vorteilhaft ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Durchflussmesser einen dritten Temperatursensor aufweist, der im Heizbereich der Heizeinrichtung angeordnet ist, insbesondere in einem Abstand von weniger als etwa 1 cm, vorzugsweise weniger als etwa 5 mm, insbesondere in diese integriert, angeordnet ist.
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Der dritte Temperatursensor kann dazu verwendet werden, die Heizleistung zu überwachen. Er dient somit als Heizleistungssensor. Insbesondere muss der dritte Sensor die Temperatur nicht als Absoluttemperatur bestimmen, sondern kann nur eine Differenz zu derjenigen Temperatur des Fluidmediums am Eingangstemperatursensor messen.
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Allgemein kann hinsichtlich der ersten, zweiten und dritten Temperatursensoren angemerkt werden, dass die oben erläuterten Funktionen als Kalibriertemperatursensor, Messtemperatursensor, Eingangstemperatursensor und/oder Heizleistungstemperatursensor auch von nur einem oder nur zwei Sensoren übernommen werden können. Beispielsweise kann der erste Temperatursensor wie erläutert auch stromauf der Heizeinrichtung angeordnet sein und damit zugleich die Funktion eines Eingangstemperatursensors übernehmen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Temperaturmessung am ersten Temperatursensor und/oder am dritten Temperatursensor als Differenztemperaturmessung erfolgt, indem ein Ausgangssignal des zweiten Temperatursensors über einen Operationsverstärker mit einem Ausgangssignal des ersten und/oder dritten Temperatursensors verglichen wird.
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Durch den direkten Vergleich der elektrischen Ausgangssignale der Temperatursensoren gegenüber dem Eingangstemperatursensor über einen Operationsverstärker lässt sich ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis erreichen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Durchflussmesser ein Verschlussventil umfasst, mit welchem ein Strömen des Fluidmediums durch den Fluidkanal unterbunden werden kann.
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Das Verschlussventil kann sich innerhalb des Gehäuses befinden, es kann dem Gehäuse des Durchflussmessers aber auch vor- und/oder nachgelagert sein, insbesondere auch unter Zwischenschaltung weiterer Bauteile eines Fluidsystems wie Schläuche, Rohre oder auch Filter. D.h. auch ein Verschlussventil, das innerhalb des Fluidsystems physisch fernab des Gehäuses des Durchflussmessers angeordnet ist, wird als zum Durchflussmesser gehörig angesehen, wenn durch dieses im Fluidkanal der Zustand eines stehenden Fluidmediums hergestellt werden kann. Für die anderen zum Durchflussmesser gehörigen, erfindungsgemäßen Komponenten gilt, dass diese grundsätzlich im Gehäuse des Durchflussmessers angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Fluidkanal eine Innenmantelfläche aufweist, die mit dem Fluidmedium in Kontakt kommt und die aus einem chemisch inerten Material, insbesondere einer Keramik, vorzugsweise Siliziumcarbid, ausgebildet ist.
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Dadurch kann der kalorimetrische Durchflussmesser auch für chemisch aggressive Stoffe verwendet werden. Vorzugsweise sollte das chemisch inerte Material zugleich eine hohe Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise größer als etwa 100 W/mK, vorzugsweise größer als etwa 300 W/mK, aufweisen, damit die Ansprechgeschwindigkeit der Temperatursensoren auf Temperaturänderungen im Fluidmedium ausreichend hoch ist. Die Innenmantelfläche kann von nur einen dünnen separaten Innenschicht ausgebildet werden, welche den Fluidkanal umschließt. Der Fluidkanal kann aber auch direkt in einem chemisch inerten Materialblock vorgesehen sein, sodass dessen Innenwandung dann die Innenmantelfläche darstellt.
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Vorteilhaft kann der Fluidkanal aber auch nur in den Mess- und Heizbereichen ein Material hoher Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wohingegen zwischen den Mess- und Heizbereichen wärmeisolierendes Material mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der Wärmetransport hauptsächlich über das Fluidmedium und nicht entlang der Innenmantelfläche des Fluidkanals erfolgt.
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Der Gedanke eines chemisch inerten Fluidkanals in einem kalorimetrischen Durchflussmesser kann auch unabhängig vom erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren für sich genommen eine erfinderische Fortentwicklung bereits bekannter Durchflussmesser darstellen.
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Hinsichtlich eines Verfahrens zur Kalibrierung eines Durchflussmessers wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit folgenden Schritten gelöst:
- a) Bereitstellen eines Durchflussmessers mit
- - einem Gehäuse, welches einen ersten Fluidanschluss und einen zweiten Fluidanschluss aufweist, zwischen denen sich ein Fluidkanal erstreckt, in dem sich in einem Messbetrieb des Durchflussmessers ein zu messendes Fluidmedium befindet, das sich in einer Strömungsrichtung bewegen kann,
- - einer Heizeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Fluidmedium in einem Heizbereich des Fluidkanals zu erwärmen,
- - einem ersten Temperatursensor, durch den die Temperatur des Fluidmediums in einem ersten Messbereich des Fluidkanals erfassbar ist;
- b) Ansteuern der Heizeinrichtung in mindestens einem Puls definierter Dauer und/oder Leistung derart, dass im Fluidmedium mindestens ein Wärmepeak erzeugt wird, der sich durch das Fluidmedium im Fluidkanal vom Heizbereich zum ersten Temperatursensor ausbreitet;
- c) Zeitabhängiges Erfassen eines sich am ersten Temperatursensor ausbildenden Temperaturverlaufs, um eine Zeitspanne bis zur Ankunft des Wärmepeaks am ersten Temperatursensor, eine Restamplitude und/oder eine zeitliche Breite des Wärmepeaks am Temperatursensor zu ermitteln; und
- d) Ableiten eines Korrelationsparameters zu einem vorgeeichten Fluidmedium, insbesondere Wasser, für den Messbetrieb des zu messenden Fluidmediums aus der Zeitspanne, der Restamplitude bzw. der zeitlichen Breite.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Schritte b), c) und d) bei stehendem Fluidmedium durchgeführt werden.
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Dies ist vorteilhaft, da ein stehendes Fluidmedium einen genau definierten Zustand darstellt.
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Nach einem weiteren Aspekt ist eine Steuerungs- und Auswerteeinheit für einen bereits vorhandenen kalorimetrischen Durchflussmesser vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, eines der oben erläuterten Verfahren zur Kalibrierung an dem bereitgestellten Durchflussmesser durchzuführen.
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Da das gepulste Kalibrierverfahren durch entsprechende Ansteuerung auch an bereits bekannten kalorimetrischen Durchflussmessern anwendbar ist, kann die Steuerungs- und Auswerteeinheit auch separat, beispielsweise auch in Form eines PCs, vorgesehen werden, sofern der vorbekannte Durchflussmesser einen externen Zugriff auf die Heizeinrichtung und den oder die Temperatursensoren zulässt.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines kalorimetrischen Durchflussmessers;
- 2 einen vertikalen Querschnitt durch den Durchflussmesser aus 1;
- 3 einen vertikalen Längsschnitt durch den Durchflussmesser aus 1;
- 4 einen horizontalen Längsschnitt durch den Durchflussmesser aus 1;
- 5 einen schematischen zeitlichen Verlauf einer Temperatur, wie er bei einem erfindungsgemäßen Kalibierverfahren auftritt.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die 1 bis 4 zeigen einen kalorimetrischen Durchflussmesser 10 mit einem Gehäuse 12, das einen ersten Fluidanschluss 14 und einen zweiten Fluidanschluss 16 aufweist, zwischen welchen sich ein Fluidkanal 18 erstreckt. Während eines Messbetriebs des Durchflussmessers 10 wird der Fluidkanal 18 von einem Fluidmedium, dessen Fließgeschwindigkeit bestimmt werden soll, in einer Strömungsrichtung 20 durchströmt, die in den Figuren durch einen Pfeil veranschaulicht ist.
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Das Gehäuse 12 ist vorliegend mehrteilig ausgebildet und umfasst einerseits einen den Fluidkanal 18 umgebenden Gehäuseblock 22 und begrenzt außerdem einen Raum 24 für eine Steuerungs- und Auswerteeinheit 26. Die nur gestrichelt angedeutete Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 umfasst verschiedene Elektronikkomponenten, die zum Betrieb und zur Steuerung des Durchflussmessers 10 entsprechend der Erfindung erforderlich sind. Sofern im Folgenden nichts Näheres erläutert wird, ist einem Elektronikingenieur die Umsetzung der erfindungsgemäßen Steuerung und Auswertung in elektronische Schaltungskomponenten geläufig, sodass diese hier nicht genauer gezeigt sind. Insbesondere kann die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 auch digitale Komponenten enthalten, die eine Erfassung, Speicherung und Verarbeitung nicht nur von Messdaten sondern auch von Messparametern erlaubt.
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In den 1, 2 und 3 ist am Gehäuse 12 zudem ein Elektronikanschluss 28 zu erkennen, durch welchen der Durchflussmesser 10 mit den für den Betrieb notwendigen Leitungen zur Energieversorgung und Datenkommunikation verbunden werden kann.
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Alternativ können auch drahtlose Kommunikationsverbindungen und/oder elektrische Energiespeicher zur Anwendung kommen. Auch können die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 und deren Komponenten ganz oder teilweise außerhalb des Gehäuses 12 Durchflussmessers 10 angeordnet sein. Bevorzugt wird aber die gesamte Auswertung wie gezeigt direkt am Durchflussmesser 10 durchgeführt und am Elektronikanschluss 28 ein bereits vollständig ausgewerteter Messwert, insbesondere in digitaler Form, bereitgestellt.
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Über den Elektronikanschluss 28 kann der Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 ferner ein Signal übermittelt werden, das die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 in einen Kalibriermodus versetzt. Alternativ kann hierfür ein Taster am Gehäuse 12 vorgesehen sein.
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Zumindest eine Innenmantelfläche des Fluidkanals 18, die mit dem Fluid in Kontakt kommt, wird durch eine Materialschicht 30 aus einem chemisch inerten Material gebildet. Hierfür kommen beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) oder eine Keramik, vorzugsweise Siliziumcarbid, in Betracht. In Abwandlung kann der Gehäuseblock 22 aber auch insgesamt aus einem chemisch inerten Material ausgebildet sein.
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Der Durchflussmesser 10 weist eine Heizeinrichtung 32 auf, durch welche das Fluidmedium in einem Heizbereich des Fluidkanals 18 erwärmbar ist. Die Heizeinrichtung 32 ist beim hier gezeigten Durchflussmesser 10 etwa mittig zwischen den beiden Fluidanschlüssen 14 und 16 angeordnet.
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Mittels eines Eingangstemperatursensors 34, dessen Messbereich entlang des Fluidkanals 18 zwischen dem ersten Fluidanschluss 14 und dem Heizbereich der Heizeinrichtung 32 angeordnet ist, kann eine Eingangstemperatur des Fluidmediums als Absoluttemperatur erfasst werden.
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Mittels eines weiteren Temperatursensors, welcher hier zu besseren Erläuterung der Erfindung als Kalibriersensor 36 bezeichnet wird, lässt sich die Temperatur des Fluidmediums zwischen dem Heizbereich der Heizeinrichtung 32 und dem zweiten Fluidanschluss 16 erfassen. Dabei ist der Kalibriersensor 36 von der Heizeinrichtung 32 beabstandet. Gemessen von der Mitte des Heizbereiches bis zur Mitte des Messbereiches ist beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein Abstand von circa 4 cm vorgesehen.
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Schließlich weist der hier gezeigte Durchflussmesser 10 noch einen Heizleistungstemperatursensor 38 auf, der in unmittelbarer Nähe zur Heizeinrichtung 32 angeordnet ist oder auch direkt in diese integriert ist.
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Mit Blick auf die chemische Beständigkeit des Durchflussmessers 10 sind diejenigen Komponenten der Temperatursensoren 34, 36 und 38 sowie der Heizeinrichtung 32, die in Wirkkontakt mit dem Fluidmedium kommen, ebenfalls durch eine Materialschicht aus einem chemisch inerten Material geschützt. Dies kann durch die oben angesprochene Materialschicht 30 verwirklicht sein. Alternativ können gesonderte oder zusätzliche Hülleinrichtungen aus solchem Material vorgesehen sein, um die entsprechenden Komponenten der Temperatursensoren 34, 36 und 38 bzw. der Heizeinrichtung 32 zu umgeben, beispielsweise als Schutzhülse oder dergleichen. Als Material hierfür kommen ebenfalls vor allem PTFE oder eine Keramik wie SiC in Betracht.
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Aus 3 ist aus einem stark vereinfachten Elektronikschema der Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 ersichtlich, dass der Kalibriertemperatursensor 36 und der Heizleistungstemperatursensor 38 jeweils mit einem Eingang eines Operationsverstärkers 40, 42 verbunden sind, wohingegen der jeweils andere Eingang der Operationsverstärker 40, 42 mit dem Eingangstemperatursensor 34 verbunden ist. Die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 erfasst somit die Temperaturen der beiden Temperatursensoren 36 und 38 als Differenztemperatur zur Temperatur am Eingangstemperatursensor 34.
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Der kalorimetrische Durchflussmesser 10 arbeitet wie folgt:
- Zum Kalibrieren des Durchflussmessers 10 auf ein bestimmtes Fluidmedium, wird vom Bediener zunächst ein in 3 erkennbares Schließventil 44 geschlossen, wodurch das Fluidmedium im Fluidkanal 18 steht. Anschließend wird die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 über ein entsprechendes Signal am Elektronikanschluss 28 in einen Kalibriermodus versetzt.
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Wie aus 5 erkennbar, steuert die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 nun die Heizeinrichtung 32 mit einem Puls 48 an, der in der 5 zwar als gestrichelter Rechteckpuls gezeigt ist, aber auch andere Formen haben kann, wodurch ein Heizpuls in das Fluidmedium eingebracht wird. Zudem startet die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 einen Timer.
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Die durch den Heizpuls eingebrachte Wärme breitet sich nun als Wärmepeak 50 in dem Fluidmedium entlang des Fluidkanals 18 aus. Dieser sich fortbewegende Wärmepeak 50 benötigt eine gewisse Zeit bis er den Kalibriertemperatursensor 36 erreicht. Die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 erfasst währenddessen den zeitlichen Verlauf der Temperatur am Kalibriertemperatursensor 36.
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Dieser zeitliche Verlauf ist in 5 dargestellt, wobei die Abszissenachse t die Zeit abbildet und die erfasste Temperatur am Kalibriertemperatursensor 36 auf der Ordinatenachse T aufgetragen ist.
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Der sich entlang dem Fluidkanal 18 fortbewegende Wärmepeak 50 sorgt dafür, dass am Kalibiertemperatursensor 36 irgendwann ein maximaler Temperaturwert 54 erreicht wird, woraufhin die Temperatur wieder abfällt.
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Die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 führt jeweils den zuletzt gemessenen maximalen Temperaturwert 54 in einem Speicher mit und stoppt den Timer, sobald die Temperatur wieder auf einen 80%-Anteil 56 des maximalen Temperaturwerts 54 abgefallen ist.
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Dadurch bestimmt die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 eine Zeitspanne 60, welche umso kleiner ist, desto höhere die Temperaturleitfähigkeit des Fluidmediums ist.
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Die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 legt dann einen Korrelationsparameter zu einem vorgeeichten Fluidmedium, insbesondere Wasser, fest, beispielsweise durch Bilden eines Verhältnisses aus der Zeitspanne 60 bei dem zu kalibrierenden Fluidmedium und der Zeitspanne 60 bei dem vorgeeichten Medium.
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Anschließend wird die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 wieder in einen Messbetrieb versetzt und das Schließventil 44 geöffnet. Dabei kann dann nach einem aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren für kalorimetrische Durchflussmesser 10 unter Berücksichtigung des Korrelationsparameters die Fließgeschwindigkeit eines zu messenden Fluidmediums gemessen werden.
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Ein sich in entgegengesetzter Richtung entlang des Fluidkanals 18 fortbewegender Wärmepeak ist zunächst irrelevant. Die Steuerungs- und Auswerteeinheit 26 kann diesen jedoch zu Redundanzzwecken ebenfalls auswerten.
