DE10356443A1

DE10356443A1 - Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Messen von Durchflüssen

Info

Publication number: DE10356443A1
Application number: DE10356443A
Authority: DE
Inventors: Victor Neuman; Christophe Verjus
Original assignee: Digmesa AG
Current assignee: Digmesa AG
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2005-07-07
Also published as: WO2005054787A3; WO2005054787A2

Abstract

Ein Durchflussmessgerät und ein Verfahren zur Durchflussmessung an einem fluiddurchströmten Rohr, wobei ein Teilvolumen des Fluids mittels einer Heizeinrichtung erwärmt und ein Temperatur-Messsignal durch wenigstens eine erste Temperaturmesseinrichtung auf Höhe der Heizeinrichtung oder stromabwärts dieser aufgenommen wird und wobei anschließend eine Bestimmung einer Messgröße des Fluidstroms durch geeignete Auswertemittel erfolgt, zeichnen sich dadurch aus, dass das Heizen des Fluids und das Messen der Fluid-Temmperatur berührungslos erfolgen. Da das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät auf diese Weise ohne im Strömungsraum angeordnete Funktionselemente auskommt, ist es besonders leicht zu reinigen und daher in besonderer Weise für Durchflussmessungen an Fluiden geeignet, die hohen hygienischen Anforderungen genügen müssen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchflussmessung an einem fluiddurchströmten Rohr, wobei ein Teilvolumen des Fluids mittels einer Heizeinrichtung erwärmt und ein Temperatur-Messsignal durch wenigstens eine erste Temperaturmesseinrichtung auf Höhe der Heizeinrichtung oder stromabwärts dieser aufgenommen wird und wobei anschließend eine Bestimmung einer Messgröße des Fluidstroms durch geeignete Auswertemittel erfolgt.

Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung sind beispielsweise aus der DE 44 27 554 A1 bekannt. Das bekannte Durchflussmessgerät weist eine im fluiddurchströmten Strömungsraum befindliche Platte auf, auf der eine Heizeinrichtung in Form eines Heizwiderstands, zwei Wärmeimpulsempfänger und ein Temperaturmessfühler angeordnet sind. Der Heizwiderstand wird in zeitlich vorgegebenen Abständen aufgeheizt, wobei die abgegebenen Wärmepul se zu den Wärmeimpulsempfängern transportiert werden und dort zeitlich zueinander versetzte Messsignale abgeben, aus denen eine Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden kann.

Bei weiteren vorbekannten thermischen Durchflussmessgeräten nach dem Konstanttemperatur-Prinzip (Heißfilm-Anemometer) sind zwei temperaturabhängige Widerstände R_s und R_t Teil einer Wheatstone-Brücke. An ihnen strömt das zu messende Fluid m (Fluidmasse/Zeit) durch eine Rohrleitung vorbei. Der Zweig der Brückenschaltung mit dem Widerstand R_T ist hochohmig, der Zweig mit R_S niederohmig: R_S < R_T.

Die elektrische Leistung P, allgemein gegeben durch P = U²/R, ist für eine gegebene Spannung U für kleinere Widerstände R größer. Daher heizt sich R_S deutlich über die Temperatur des umgebenden Fluids auf, R_T liegt dagegen praktisch auf Fluidtemperatur, da hier die Heizleistung klein ist. Im ruhenden Fluid wird R_S durch Strahlung, Wärmeleitung und natürliche Konvektion des Fluids gekühlt. Strömt das Fluid jedoch, tritt als weiterer Kühlmechanismus an R_S noch der Wärmeentzug durch die Fluidströmung hinzu. R_T ändert dagegen seine Temperatur nicht. Der Brückenstrom wird nun so geregelt, dass sich zwischen dem beheizten Widerstand R_S und dem auf der Fluidtemperatur liegenden R_T eine konstante Temperaturdifferenz einstellt.

Die bei Fluidströmung in R_S zusätzlich umzusetzende elektrische Leistung muss also exakt dessen Wärmeverlust an das strömende Fluid kompensieren. Aus der Erhöhung des Stromes F_S durch R_S lässt sich also auf den Massenfluss ṁ schließen.

Vorbekannte technische Ausführungen enthalten zwei Platin-Dünnschichtwiderstände R_S und R_r in korrosionsfester Keramik. Sie sind in einen Einsteckfühler integriert, der mit einer Flansch bzw. Schraubverbindung senkrecht in die Rohrleitung eingebaut werden kann. Es ist darauf zu achten, dass zunächst R_T und dann erst R_S vom Fluid angeströmt werden. Die Messanordnung ist also richtungsabhängig.

Bei einem Einsatz speziell in Flüssigkeiten besitzen die Widerstände R_S, R_T einen Isolierdünnfilm (z.B. Quartz) zum Schutz vor einem Kontakt mit der Flüssigkeit aufgrund der Elektrolysegefahr. Diese Zusatzschicht bremst die Wärmeübertragung. Auch unvermeidbare Schmutzablagerungen wirken in die gleiche Richtung und stören entsprechend die Messgenauigkeit. Aufgrund der im Fluidstrom vorhandenen Funktionselemente (Widerstände R_S, R_T) lässt sich das vorstehend beschriebene Durchflussmessgerät nur mit großem Aufwand reinigen. Zudem erfordert die Verschmutzungsanfälligkeit messtechnische Kompromisse. Diese finden zwischen Langzeitgenauigkeit und Dynamik statt. Wird mit einem dünnen Schutzfilm (einige μm stark) gearbeitet, so bleibt die Dynamik unter einer Sekunde (einige Millisekunden). Die Gültigkeitsdauer der Kalibration ist jedoch auf maximal einige Stunden begrenzt, da sich die Schmutzablagerung relativ schnell aufwirkt. Wird mit erheblich dickeren Schutzschichten gearbeitet (z.B. Stahl), so wird der Einfluss der Schmutzablagerung im Vergleich unwesentlich. Daher ist die Messgenauigkeit auf Kosten der Dynamik stabil.

Bei allen derartigen Durchflussmessern ist als nachteilig anzusehen, dass die Funktionselemente im durchströmten Strömungsraum angeordnet sind und mit dem zu messenden Fluid in Berührung treten, was zu einer funktionellen Beeinträchtigung der Funktionselemente führt und zudem hygienische Nachteile bedingt.

Durchflussmessgeräte finden Anwendung in der Nahrungsmittelindustrie (z.B. im Getränkeausschank), der Kaffeemaschinenindustrie und der chemischen Industrie. Dabei tendiert der Markt für Durchflussmessgeräte, insbesondere im Nahrungsmittelbereich, in Richtung verschärfter Hygienestandards. Im Anwendungsbereich der Nahrungsmittelindustrie müssen die Durchflussgeräte regelmäßig desinfiziert werden. Die Desinfektions-Prozedur wird in der Regel auf zwei Arten durchgeführt: Zum einen mit Hilfe von Desinfektions-Lösungen, beispielsweise einem Gemisch von 2 bis 5% Natriumhypochlorid oder Natriumhydroxid, mit welchem die Rohrleitungen gefüllt werden. Das Durchflussmessgerät wird während 10 bis 30 Minuten mit dieser Lösung betrieben; anschließend werden die Rohrleitung entleert und gespült. Zum anderen mit Hilfe kleiner Schaumkugeln aus expandierendem Kautschuk und unter Verwendung von Wasser bzw. Lauge. Die Schaumkugeln werden mit einem speziellen-Apparat zusammen mit der Lösung durch die Rohrleitung gedrückt und am Ende des Rohrleitungskreises wieder entnommen.

Es ist aus diesem Grunde wünschenswert, dass Durchflussmessgeräte für die Nahrungsmittelindustrie möglichst wenig Hohlräume und keinerlei im Strömungsraum angeordnete Funktionselemente aufweisen, da diese eine entscheidende Ursache für die zu vermeidende Verschmutzung der Rohrleitungen sind und darüber hinaus bei den beschriebenen Reinigungsprozeduren in Mitleidenschaft gezogen werden können.

Der Erfindung liegt unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Durchflüssen dahingehend weiterzuentwickeln, dass es bzw. sie auch auf industriellen und technischen Gebieten, auf denen hohe Anforderungen an die Reinheit des Strömungsraumes gestellt werden, sicher und mit wenig Aufwand, insbesondere für die Reinigung, einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Heizen des Fluids und das Messen der Fluid-Temperatur berührungslos erfolgen. Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ist zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgesehen, dass die Heizeinrichtung zum berührungslosen Heizen des Fluids und die erste Temperaturmesseinrichtung zum berührungslosen Messen der Fluidtemperatur ausgebildet sind.

Aufgrund der Tatsache, dass sämtliche Funktionseinheiten des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes bzw. des erfindungsgemäßen Messverfahrens berührungslos arbeiten, lassen sich die Reinheitsanforderungen insbesondere der Nahrungsmittelindustrie in einfacher Weise erfüllen und die vorgeschriebenen Reinigungs- und Desinfektions-Prozeduren problemlos durchführen. Zudem wird der störende Einfluss von Ablagerungen auf den Funktionselementen vermieden, was ansonsten zu einer Beeinträchtigung der Messgenauigkeit führt.

Durch die erfindungsgemäßen Merkmale kann der Energieverbrauch sehr niedrig gehalten werden, so dass das Durchflussmessgerät ebenfalls mit sogenannten protablen Spannungsversorgungen (Batterien) funktioniert. Das erfindungsgemäße Messverfahren bzw. das Messgerät sind insbesondere für Durchflüsse ≤ 10 l pro Minute einsetzbar. Die Erfindung ermöglicht, einen kleinsten zu messenden Durchfluss von 6 ml pro Minute bei einem Rohrinnendurchmesser von 1 mn zu erfassen, wobei über eine Messspanne von 1 : 25 (beispielsweise von 1 l pro Minute bis 25 l pro Minute) Durchflussmessungen mit einer zweiprozentigen Genauigkeit möglich sind.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine zweite berührungslose Temperaturmesseinrichtung stromabwärts der ersten Temperaturmesseinrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise werden die Ergebnisse der entsprechenden Temperaturmessungen nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach der Methode der Kreuzkorrelation ausgewertet. Auf diese Weise lassen sich auch bei turbulenter Strömung Messgrößen des Durchflusses aus statistisch schwankenden Messsignalen bestimmen.

Darüber hinaus ist nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts vorgesehen, dass eine weitere berührungslose Temperaturmesseinrichtung stromaufwärts der Heizeinrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, die Messsignale zumindest zweier Temperaturmesseinrichtungen zur Bestimmung einer Durchflussrichtung des Fluids auszuwerten.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussgeräts sieht vor, dass Messsignale der Temperatureinrichtung durch die Auswertemittel zur Bestimmung einer Präsenz des Fluids in der Rohrleitung auswertbar sind. Somit ist neben einer Durchflussmessung und dem Einsatz des erfindungsgemäßen Messgerätes als Strömungswächter auch ein Einsatz dahingehend möglich, dass im Zuge einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich ein Vorhandensein eines Fluids in der Rohrleitung angezeigt wird, was beispielsweise vor einem Öffnen dieser zu Wartungszwecken von Bedeutung ist. Um den angegebenen Anforderungen an das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät bzw. das erfindungsgemäße Messverfahren gerecht zu werden, sehen Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts vor, dass die Temperaturmesseinrichtungen zur Messung einer Änderung des Brechungsindex aufgrund einer photothermischen Strahldeflektion oder anderer temperaturbedingten Strahldeflektionen, einer thermischen Strahlung des Fluids, einer Änderung der spektroskopischen Eigenschaften der Flüssigkeit im Bereich ihrer Eigenfrequenzen (Absorption und/oder Emission), einer Änderung der dielektrischen Konstante der Flüssigkeit (besonders der elektrischen Konduktivität) oder einer Änderung der Schallgeschwindigkeit im Fluid mittels Ultraschall ausgebildet sind.

Die Heizeinrichtung ist zum berührungslosen Heizen eines Teilvolumens des Fluids vorzugsweise zum Bestrahlen des Fluids mit elektromagnetischen Wellen ausgebildet. Hierbei sehen bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Messgeräts vor, dass die Heizeinrichtung als Laser, Hochleistungs-LED oder Mikrowellenquelle ausgebildet ist.

Während es möglich ist, die Heizeinrichtung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes im Zuge eines erfindungsgemäßen Messverfahrens kontinuierlich zu betreiben, sieht eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Heizeinrichtung gepulst betrieben wird. Diese Betriebsweise hat zwei Vorteile, nämlich dass ein empfindliches und rauscharmes Lock-In-Verfahren zur Auswertung der Temperaturschwankungen benutzt werden kann und dass sich aufgrund einer Laufzeitmessung der ausgesandten Heizpulse längs der Rohrleitung in einfacher Weise die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids bestimmen lässt.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Betrieb der Heizeinrichtung in Korrelation mit dem Ergebnis wenigstens einer Temperaturmessung. Wenn die Heizeinrichtung Heizpulse jeweils immer dann aussendet, wenn eine (stromabwärts angeordnete) Temperatur messeinrichtung einen vorhergehenden Temperaturpuls anzeigt, lässt sich in einfacher Weise durch eine Detektions-Frequenz der korrelierten Temperaturmessung eine Durchflussgeschwindigkeit und durch eine Anzahl von Detektions-Ereignissen ein Durchflussvolumen bestimmen, ohne dass hierfür fehlerbehaftete numerische Integrationsschritte notwendig wären.

Da die Strömungsgeschwindigkeit über den Querschnitt einer Rohrleitung nicht konstant ist, sehen das erfindungsgemäße Verfahren und Messgerät im Zuge einer äußerst bevorzugten Weiterbildung vor, dass ein Messpfad der jeweiligen Temperaturmesseinrichtung von der Rohrachse beabstandet verläuft. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Messpfad bezüglich der Rohrachsen in einem radialen Abstand r mit 0,7·R ≤ r ≤ 0,8·R verläuft, wobei R einen Radius des Rohres bezeichnet. Vorzugsweise verläuft der Messpfad in einem radialen Abstand r mit 0,71·R ≤ r ≤ 0,75·R. Auf diese Weise wird durch das erfindungsgemäße Messgerät bzw. das erfindungsgemäße Messverfahren sowohl für turbulente als auch für laminare Fluidströmungen durch die Rohrleitung eine Strömungsgeschwindigkeit bzw. ein Volumenstrom bestimmt, der im wesentlichen gleich einem über den Querschnitt der Rohrleitung gemittelten Wert ist. Dadurch wird die Messgenauigkeit insbesondere bei einem Strömungsregime im Grenzbereich zwischen laminarer und turbulenter Strömung entscheidend verbessert.

Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Durchflussmessung parallel mindestens zwei unterschiedliche Messmethoden eingesetzt werden, die jeweils für verschiedene Durchflussregime geeignet sind. Vorzugsweise werden die Durchflussregime aufgrund der Durchflussgeschwindigkeit unterschieden. Das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät bzw. das erfindungsgemäße Messver fahren zeichnen sich so durch eine weite Messspanne mit im wesentlichen gleichbleibender Genauigkeit aus, da erfindungsgemäß beispielsweise zur Vermessung geringer bzw. langsamer Durchflüsse ein anderes geeignetes Messverfahren zum Einsatz kommt als bei der Bestimmung großer (schneller) Durchflüsse.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgeräts zum berührungslosen Vermessen insbesondere von langsamen Strömungen;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgeräts;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgeräts, die für eine Laufzeitmessung ausgebildet ist;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgeräts, die nach dem Prinzip der Kreuzkorrelation arbeitet;
5a–c graphische Darstellungen zur Erläuterung der Kreuzkorrelations-Methode bei strömenden Fluiden;
6 eine schematische Darstellung von verschiedener Verfahren zum berührungslosen Heizen eines Fluids;
7 eine schematische Darstellung verschiedener berührungsloser Verfahren zum Bestimmen einer Fluidtemperatur;
8 eine schematische Darstellung des Strömungsprofils in einer Rohrleitung bei laminarer Strömung;
9 eine schematische Darstellung des Strömungsprofils in einer Rohrleitung bei turbulenter Strömung;
10 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der (lokalen) Strömungsgeschwindigkeit von einer radialen Position innerhalb der Rohrleitung; und
11 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit Lichtabsorption vs. Temperatur im Bereich der Absorptionslinie von Wasser (940 nm).
Die 1 zeigt schematisch eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes 1, das nach dem Verfahren der berührungslosen Kalorimetrie arbeitet. Dazu sind längs einer Rohrleitung 2 zum Führen eines Fluidstroms ṁ zwei Temperaturmesseinrichtungen 3, 4 sowie eine Heizeinrichtung 5 angeordnet. Eine Temperaturmesseinrichtung 4 befindet sich auf der gleichen Höhe, d.h. bei der gleichen axialen Position längs der Rohrleitung 2 wie die Heizeinrichtung 5. Die Temperaturmesseinrichtung 3 dient zum berührungslosen Bestimmen einer Temperatur eines Teilvolumens V des durch die Rohrleitung 2 strömenden Fluids, während die Temperaturmesseinrichtung 4 und die Heizeinrichtung 5 zum Bestimmen einer Temperatur bzw. zum Heizen von (denselben) Teilvolumina V' des Fluids stromabwärts der ersten Heizeinrichtung 3 vorgesehen sind. Temperaturbestimmung und Heizvorgang sind in 2 durch Pfeile T bzw. H dargestellt.
Das in 1 schematisch gezeigte Durchflussmessgerät 1 ist vorzugsweise zum Bestimmen einer Wärmeentzugsrate am momentanen Ort des Teilvolumens V' durch das strömende Fluid ausgebildet, wirkt also als Anemometer.
Die pro Zeiteinheit abgeführte Wärmemenge dQ/dt ist gegeben durch
Dabei ist c_p die (bekannte) spezifische Wärme des Fluids und ΔT die Änderung der Temperatur an der Messeinrichtung 4 im Vergleich zu einem Zustand ohne Fluid in der Rohrleitung 2 oder einem Zustand mit unbewegtem Fluid. Unter stationären Bedingungen ergibt sich also aus der Messung der elektrischen Heizleistung am Widerstand und der Temperaturdifferenz ΔT der Massenstrom dm/dt.
Beim Ausführungsbeispiel der 1 sind die Temperaturmesseinrichtungen 3, 4 mit geeigneten Auswertemitteln 6 verbunden, die insbesondere auch eine Brückenschaltung, wie vorstehend erläutert, enthalten können. Vorzugsweise ist auf die Heizeinrichtung 5, wie in 1 andeutungsweise dargestellt, mit den Auswertemitteln 6 verbunden.
Die in 1 dargestellte Ausgestaltung der Erfindung zeigt die beste Empfindlichkeit als Strömungswächter, d.h. beim Erfassen besonders langsamer Strömungen. Bei entsprechend geeigneter Ausgestaltung und Beschaltung der Heizeinrichtung 5 bzw. der Temperaturmesseinrichtung 3, 4 lässt sich das in 1 dargestellte Durchflussmessgerät 1 auch zum Nachweis unterschiedlicher Strömungsrichtungen einsetzen. Zu diesem Zweck ist die Heizeinrichtung 5 zum berührungslosen Heizen sowohl am Ort des Volumenelementes V' – wie in 1 dargestellt – als auch zum Heizen am Ort des Volumenelementes V ausgebildet. Zugleich ist die messtechnische Rolle der Temperaturmesseinrichtungen 3, 4 vertauscht, so dass analog zur Messanordnung der 1 auch ein Fluidstrom m in die andere Richtung (in 1 zum linken Bildrand) bestimmbar ist. Das Umschalten der Messanordnung geschieht nach Maßgabe geeigneter Steuerungsmittel (nicht gezeigt), beispielsweise in Verbindung mit den Auswertemitteln 6.
Die bei der Ausgestaltung der Erfindung gemäß 1 stromaufwärts (links) der Heizeinrichtung 5 angeordnete Temperaturmesseinrichtung 3 ist zwar aus mess- bzw. auswertetechnischen Gründen wünschenswert, jedoch kann eine Bestimmung der Wärmeentzugsrate am Ort des Teilvolumens V' auch mittels nur einer Temperaturmesseinrichtung 4 erfolgen, beispielsweise durch Bestimmen einer Veränderung gegenüber einem Zustand, bei dem die Rohrleitung 2 zwar mit einem Fluid gefüllt ist, dieses jedoch nicht strömt.
Bei der in 2 dargestellten Messanordnung befinden sich die zweite Temperaturmesseinrichtung 4 und die Heizeinrichtung 5 bei unterschiedlichen axialen Positionen entlang der Rohrleitung 2, wobei die Temperaturmesseinrichtung 4 stromabwärts der Heizeinrichtung 5 angeordnet und zum Bestimmen einer Temperatur eines Teilvolumens V'' der Fluidströmung ṁ ausgebildet ist. Auch bei der Ausgestaltung gemäß 2 können die Temperaturmesseinrichtungen 3, 4 und die Hei zeinrichtung 5 mit geeigneten Auswerte- und Steuerungsmitteln 6 analog zur Darstellung in 2 verbunden sein, was aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt ist.
Das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät 1 in der Ausgestaltung gemäß 2 arbeitet wie folgt:
Ohne Fluidströmung ṁ durch die Rohrleitung 2 wird die von der Heizeinrichtung 5 am Ort des Teilvolumens V' zugeführte Wärme Q durch Abstrahlung und Wärmeleitung entlang der Rohrleitung abgeführt. Konvektive Wärmeableitung an der Außenseite der Rohrleitung kann durch thermische Isolation unterdrückt werden. Man findet ohne Fluidströmung an beiden Temperaturmesseinrichtungen 3, 4 die gleiche Temperatur, das Temperaturmaximum liegt in der Mitte, d.h. am Ort der Heizeinrichtung 5 bzw. des Teilvolumens V' in 2.
Strömt nun ein Fluid durch die Rohrleitung 2, so wird die symmetrische Temperaturverteilung gestört: Es entsteht ein Temperaturunterschied ΔT zwischen den beiden Messeinrichtungen 3, 4, der in erster Näherung proportional zur Wärmekapaziatät c_p des Fluidstroms ist.
Je größer also die Wärmekapazität des Fluids, desto größer der Temperaturunterschied an den beiden Messorten, d.h. der Teilvolumina V, V''. Bei kleinen Durchflüssen ṁ ergibt sich empirisch ein linearer Zusammenhang zwischen der Temperaturdifferenz ΔT an den beiden Messeinrichtungen und dem Massenstrom ṁ bzw. dem Wärmestrom dq_m/dt:
Bei stärkeren Strömungen erweist sich Δϑ jedoch empirisch als umgekehrt proportional zum Massenstrom:
Man erhält damit einen doppeldeutigen funktionellen Zusammenhang: Die gleiche Temperaturdifferenz ΔT kann sich bei kleinem und bei großem Durchfluss einstellen, was die Einsetzbarkeit kalorimetrischer Messverfahren in der Regel auf eines der beiden genannten Strömungsregime und in seiner Messspanne beschränkt.
Im Normalfall werden kalorimetrische Durchflussmesser demnach bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten betrieben. In diesem Bereich gilt angenähert eine lineare Kennlinie (Gleichung 2). Es muss allerdings im Betriebseinsatz sichergestellt sein, dass die Strömung nicht plötzlich zu großen Werten für die Durchflussmenge umschlägt, da sonst Fehlmessungen auftreten. In speziellen Anwendungen nutzt man auch den Bereich der umgekehrten Proportionalität (Gleichung 3) zur Bestimmung sehr großer Druckflüsse. Auch hier ist Sorge zu tragen, dass die Strömung in diesem Bereich der Kennlinie bleibt. Die wesentlichen Vorteile der thermischen Durchflussmessgeräte sind die mögliche direkte Massenmessung, die hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse, die kompakte Bauweise sowie die Tatsache, dass nur geringfügige bzw. keine Druck- und Temperaturkompensationen erforderlich sind.
Im Gegensatz zur Messanordnung der 1 ermöglicht die in 2 dargestellte Messanordnung ohne weiteres ein Bestimmen der Strömungsrichtung des Fluids durch die Rohrleitung 2.
Thermische Massenstrommessgeräte besitzen – wie oben erläutert – den Vorteil, bei niedrigen Durchflusswerten arbeiten zu können. Leider verschlechtert sich bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten die Genauigkeit. Das Messprinzip der Kreuzkorrelation deckt hingegen den Bereich für hohe Strömungsgeschwindigkeit ab. Dazu vorgesehene Messgeräte benötigen eine hohe aber technisch realisierbare Messdynamik.
Prinzipiell gilt, dass bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ein dem Fluidstrom "aufgeprägter" Temperaturimpuls seine thermischen und geometrischen Eigenschaften über eine lange Distanz beibehält. Bei niedrigen Geschwindigkeiten wirkt die Wärmeübertragung praktisch direkt in der Heizzone, so dass der Temperaturimpuls "zerfließt": das oben dargestellte Messprinzip der Kalorimetrie ist für diese Problemstellung besser geeignet. Im Gegensatz zu der Methode der Kreuzkorrelation, die lediglich das Auftreten eines Temperaturimpulses detektieren soll, erfordert die Kalorimetrie jedoch eine genaue Messung des Temperaturunterschiedes.
Wie oben bereits erwähnt, besteht die thermische Trägheit bei vorbekannten Messsystemen in einem Fluid aus zwei Komponenten, nämlich der thermischen Trägheit der Heizeinrichtung und der Messeinrichtungen sowie der thermischen Trägheit aufgrund von Schmutzablagerungen, die sich auf diesen Komponenten bilden. Um den relativen Einfluss der Schmutzablagerungen zu unterdrücken, wird prinzipiell mit erheblicher inhärenter thermischer Trägheit (wodurch der Einfluss der Schmutzablagerungen im Vergleich unwesentlich wird) oder mit extrem sauberen Flüssigkeiten (Verwendung von 2μm-Filtern) gearbeitet. Selbst bei reinen Medien bleibt jedoch die Dynamik von Kontakt-Thermofühlern zu gering (einige Millisekunden).
Die Erfindung schlägt daher eine kombinierte Anwendung von Kalorimetrie und thermischen (Kreuz-)Korrelationsmethoden mit berührungslosen Funktionselementen vor. Damit ist gleichzeitig eine hohe Dynamik erreichbar, und der Einfluss der Schmutzablagerungen auf die thermische Trägheit aufgehoben.
Ein hierzu geeignetes erfindungsgemäßes Durchflussmessgerät bzw. Durchflussmessverfahren gemäß 3 basiert auf keiner echten Kreuzkorrelation sondern auf einer einfachen Laufzeitmessung ("time-of-flight"-Messung):
Bei der Ausführungsform der 3 ist längs einer fluiddurchströmten Rohrleitung 2 zunächst eine Heizeinrichtung 5 und weiter stromabwärts eine einzelne Temperaturmesseinrichtung 3 angeordnet, deren Abstand mit d bezeichnet ist.
Die Heizeinrichtung 5 ist zum berührungslosen Heizen H des Fluidstroms ṁ am Ort des Teilvolumens V ausgebildet. Erfindungsgemäß prägt die Heizeinrichtung 5 dem Fluidstrom am momentanen Ort des Volumenelementes V zu einer Zeit t₀ einen Temperaturimpuls auf, der durch die Fluidströmung mit dem Teilvolumen V durch die Rohrleitung geführt und zu einer Zeit t₀ + τ am Ort des Volumenelementes V' durch die Temperaturmesseinrichtung 3 detektiert wird. Dabei entspricht das Teilvolumen V', an dem die Temperaturmessung T durch die Temperaturmesseinrichtung 3 erfolgt, im wesentlichen bis auf ein durch das Geschwindigkeitsprofil der Strömung bedingtes Zerlaufen (vergleiche unten 7 und 8) dem Teilvolumen V, das durch den berührungslosen Heizimpuls H der Heizeinrichtung 5 zur Zeit t₀ erwärmt wurde.
Das in 3 dargestellte erfindungsgemäße Durchflussmessgerät 1 zeichnet sich durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aus, ist jedoch bedingt durch die gerade bei turbulenter Strömung schwierige Pulserkennung mittels der Temperaturmesseinrichtung 3 vor allem für Anwendungen geeignet, die keine allzu hohe Messgenauigkeit erfordern, wie Strömungswächter oder dergleichen.
Die vorstehend anhand der 3 vorgestellte Messmethode misst nicht das Durchflussvolumen oder die Durchflussmasse sondern zunächst nur die Fluidgeschwindigkeit. Die Berechnung des Volumens kann durch numerische Integration in geeignet ausgebildeten Auswertemitteln (hier nicht gezeigt) erfolgen, was zusätzliche Fehler verursacht und die Genauigkeit negativ beeinflusst. Besonders schwierig zu behandeln sind Fehler bei Übergangsphasen zwischen laminarer und turbulenter Strömung. Die Genauigkeit ist so stark von der Messdynamik abhängig.
Zur Vermeidung jeglicher Fehler und einer negativen Beeinflussung der Genauigkeit schafft die folgende Ausgestaltung der Erfindung in Verbindung mit der Messeinrichtung der
3 einen Volumenzähler: die Heizeinrichtung 5 wird hierzu jeweils durch das Detektionssignal T der Temperaturmesseinrichtung 3 gesteuert (in 3 gestrichelt dargestellt). Dann entspricht die Frequenz des Detektionssignals dem Durchfluss und die Anzahl detektierter Signale innerhalb eines Zeitintervalls Signale dem Volumen. Der räumliche und zeitliche Abstand zwischen zwei folgenden Heizimpulsen d bzw. t = d/v ist konstant und gleich dem Abstand zwischen Heizung und Detektor bzw. zwischen dem Aussendezeitpunkt t₀ des Heizimpulses und der Detektion desselben durch die Temperaturmesseinrichtung 3.
Die in 4 dargestellte erfindungsgemäße Messanordnung ermöglicht den Einsatz echter Kreuzkorrelation zur Bestimmung der Fluidgeschwindigkeit. Dazu sind zwei Temperaturmesseinrichtungen 3, 4 in einem Abstand d stromabwärts der Heizeinrichtung 5 entlang der Rohrleitung 2 angeordnet.
Durchflussmessungen unter Nutzung einer korrelativen Auswertetechnik von gemessenen Signalen beruhen auf der Bestimmung der Laufzeit von charakteristischen und damit identifizierbaren Markierungen im Fluid über eine bekannte Distanz L, hier gemäß 4 entsprechend dem Abstand d zwischen den Temperaturmesseinrichtungen 3, 4. Solche Markierungen können von außen eingebrachte Tracer oder aber die natürlichen, im Fluid vorkommenden Inhomogenitäten sein, wie Temperatur-, Dichte-, Druck- oder Geschwindigkeitsschwankungen. Fluktuationen dieser physikalischen Fluidparameter erfolgen – insbesondere bei turbulenter Strömung – örtlich regellos und verursachen bei Aufnahme durch entsprechende Sensoren statistisch schwankende Messsignale (vgl. unten 5a–5c).
Zur berührungslosen Signalgewinnung können beim Korrelationsverfahren erfindungsgemäß eine Mehrzahl physikalischer Prinzipien benutzt werden, wie weiter unten anhand der 7 dargestellt wird.
Die 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines korrelativen Durchflussmessgeräts 1 für den Einsatz in Rohrleitungen. Die beiden in Strömungsrichtung in definiertem Abstand L = d angebrachten Messeinrichtungen 3, 4 erfassen kontinuierlich das Strömungsfeld senkrecht zur Rohrachse. Als Markierung wird die von der Strömungsturbulenz verursachte Modulation des Messsignals benutzt. Dadurch wird den Messsignalen durch die Strömung eine Art Fingerabdruck aufgeprägt. Bleiben dessen Charakteristika über der Distanz L im we sentlichen erhalten, lässt sich die Beziehung zwischen den von den Messeinrichtungen 3, 4 gelieferten Empfangssignalen x(0,t) und y(L,t) ausdrücken durch y(L,t) = x(t – τ), (4)wobei τ die Laufzeit der Markierung von der ersten Messeinrichtung 3 zur zweiten Messeinrichtung 4 beschreibt. Jede markante (turbulenzbedingte) Änderung des Empfangssignals der Messeinrichtung 3 zu einem Zeitpunkt t₁ wird sich demnach um Δt zeitverzögert auch im Empfangssignal der stromab gelegenen Messeinrichtung 4 zu einem Zeitpunkt t₂ wiederfinden lassen:
Die Zeitverzögerung Δt ist also nur abhängig vom axialen Messabstand L = d und der konvektiven Geschwindigkeit der Markierung u_korr.
Turbulente Störungen unterliegen stochastischen Prozessen, die entsprechende Veränderungen im Strömungsfeld hervorrufen. Die Modulation beider Empfangssignale wird also nicht identisch sondern nur ähnlich ausfallen, so dass ein korrelativer Vergleich zur Quantifizierung der Zeitverzögerung Δt vorgenommen werden muss. Mit Hilfe der Kreuzkorrelationsfunktion Q_xy wird aus den beiden Empfangssignalen x, y ein Maß für deren Ähnlichkeit bestimmt:
Aus der Nominierung von Q_xy ergibt sich R_xy:
Der Maximalwert von R_xy gibt die größtmögliche Übereinstimmung der Signale an und beschreibt so die Laufzeit der statistischen Muster innerhalb der Messstrecke L = d:
Dies ist graphisch in 5a–5c dargestellt. Mit dem bestimmten Maximalwert von τ (5b) wird ein Zeitverzug τ_max ermittelt, woraus gemäß Gleichung 8 eine Konvektivgeschwindigkeit u_korr bestimmt werden kann. Durch eine Verschiebung des von der ersten Messeinrichtung 3 aufgenommenen Signals um –τ_max (vgl. 5c) wird die Ähnlichkeit zwischen den beiden Zeitsignalen (5a) deutlich sichtbar.
Das beschriebene Verfahren gibt jedoch nur einen über den Messpfad durch die Rohrleitung 2 gemittelten Wert der Strömungsgeschwindigkeit wieder. Der Durchfluss in Rohren wird – wie oben gesagt – in der Regel als Volumenstrom dV/dt gemessen und steht in einem definierten Zusammenhang mit der über den Querschnitt A der Rohrleitung 2 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit u_m:
Die Messung des Volumenstroms beinhaltet also die Aufgabe, einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der korrelativ gemessenen Geschwindigkeit u_korr und der mittleren Flächenge schwindigkeit u_m zu finden. Eine solche Beziehung zwischen u_korr und u_m lässt sich durch einen Kalibrierungsfaktor
ausdrücken, wobei der Wert von K wesentlich vom jeweils vorliegenden Strömungszustand, dem Abstand zwischen den Messeinrichtungen 3, 4 und deren Lage bezüglich der Rohrachse beeinflusst wird. Vorteil des Laufzeitkorrelationsverfahrens im allgemeinen ist seine Unabhängigkeit von physikalischen Parametern wie Schallgeschwindigkeit, Wandstärke, Sendefrequenz, von Fluideigenschaften wie Dichte oder Temperatur sowie die ausschließliche Nutzung von natürlich im Fluid vorhandenen Markierungen. Ein weiterer Vorteil ist die Anwendbarkeit des Korrelationsverfahrens sowohl auf einphasige, turbulente als auch auf reine Zweiphasenströmungen. Zusätzlich tragen eventuell vorhandene Schmutzpartikel oder Gasbläschen in einer Einphasenströmung zu korrelierten Nutzsignalen bei und unterbrechen nicht den Messprozess.
Seitens des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes 1 sind beim Einsatz eines derartigen Messverfahrens die erste und zweite Temperaturmesseinrichtung 3, 4 mit geeigneten Auswertemitteln 6, wie einem Korrelator, verbunden, der als Ausgangssignal die nomierte Kreuzkorrelationsfunktion R der beiden Temperaturmesssignale liefert, wie in 4 dargestellt.
Die 6 zeigt schematisch mögliche Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen berührungslosen Heizvorrichtung 5. Diese ist im linken Teil der 6 zum Heizen des durch die Rohrleitung 2 strömenden Fluids mittels Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen LA und Hochleistungs-LED-Licht, und im rechten Teil der 6 zum Heizen des Fluids mittels Mikrowellen MW ausgebildet. Erfindungsgemäß wird demnach zum berührungslosen Heizen des Fluids ein Laser 5' bzw. eine Mikrowellenquelle 5'', wie ein Transistor oder Magnetron, eingesetzt. Je nach verwendeter Heizeinrichtung 5 ist eine Heizzone Z innerhalb der Rohrleitung 2 eher zylinder- oder scheibenförmig ausgebildet.
Zur Erwärmung eines Teilvolumens des Fluidstroms ṁ innerhalb der Heizzone Z ist es erforderlich, dass ein Teil der durch die Heizeinrichtung 5 eingestrahlten elektromagnetischen Energie im Fluid absorbiert wird. Da die Absorption elektromagnetischer Strahlung in einem Medium wellenlängenabhängig ist, wird die verwendete Wellenlänge in Abhängigkeit von dem zumessenden Fluid gewählt. Beispielsweise liegt das ideale Wellenlängenfenster für Wasser im Bereich zwischen 900 und 1150 nm (Absorptionsmaximum bei 970 nm). Dabei erfolgt der mit über 70% größte Teil der Absorption innerhalb der ersten 5 mm, die der Strahl im absorbierenden Medium zurücklegt.
Der Messaufbau erfordert eine Fokusierungsoptik, ein für die Hochleistungs-LED-Licht- oder Laserwellen-Länge durchsichtiges Rohrmaterial (Spezialglas), sowie eine flache Rohrwand und eventuell einen Spiegel am Rohr gegenüber dem Laser 5', um die Leistung zu erhöhen. Derartige Anordnungen sind als solche bekannt und daher in 6 nicht explizit dargestellt. Entscheidender Vorteil einer Heizung durch Lasertechnologie ist die einfache Fokusierbarkeit des Laserstrahls LA. Dadurch ist die Geometrie der Heizzone Z bekannt und die erforderliche Laser-Leistung bleibt gering, da nur ein relativ kleines Zylindervolumen und nicht eine ganze Scheibe der Flüssigkeit geheizt wird (vgl. Heizzonen Z in 6). Hochleistungs-LED sind schwer zu fokusieren. Durch die Anwendung mehrerer Hochleistungs-LED unmittelbar um das Rohr kann die gewünschte Heizgeometrie erzeugt werden.
Bei Verwendung von Mikrowellen MW zum Heizen des Fluids muss ebenfalls mit einer Frequenz f gearbeitet werden, für die das zu vermessende Fluid eine ausreichende Absorption zeigt. Im Falle eines im wesentlichen wässrigen Mediums ergibt sich demnach f = 2,45 GHz, was eine Wellenlänge von λ = 12 cm bedingt. Dabei ist – insbesondere beim Heizen von Fluidvolumina, deren Abmessungen deutlich kleiner als die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung sind – der Einsatz einer geeigneten Kollimatoreinrichtung notwendig. Aufgrund der gegenüber Laserlicht größeren Wellenlänge von Mikrowellenstrahlung wird jedoch die Heizzone Z in jedem Fall eher einer Scheibe in der Strömung als einem Zylinder entsprechen (vgl. 6). Sogenannte "open-ended coaxial applicators" können Mikrowellen in einer schmalen zylindrischen Scheibe konzentrieren, deren Länge dem Durchmesser des inneren Leiters der koaxialen Struktur entspricht (mm). Der innere Leiter der koaxialen Struktur kann einen Ring um das Rohr bilden (mit einem Rohr aus dielektrischem Material, das Mikrowellen nicht absorbiert).
Die benötigte Heizleistung beeinflusst die erforderliche Qualität der Kollimation. So sind zum Erwärmen eines Wasservolumens mit V = (0,5 cm)³ = 0,125 cm³ um 1 K eine Energie E = 0,125 J erforderlich. Dies entspricht bei einer Impulsdauer von 10 μs einer Heizleistung von 12,5 kW.
Als mögliche Strahlungsquellen für Mikrowellenstrahlung bieten sich Transistoren an, die nur geringe Abmessungen aufweisen, problemlos im gepulsten Modus arbeiten können und aufgrund ihrer weiten Verbreitung besonders kostengünstig sind. Für die Verwendung von Magnetronen sprechen ins besondere die hohe verfügbare Leistung und die insbesondere auf einen Einsatz zum Vermessen wasserhaltiger Fluide abgestimmte Wellenlänge kommerziell verfügbarer Geräte.
Neben dem Einsatz berührungsloser Heizeinrichtungen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die verwendeten Temperaturmesseinrichtungen zum berührungslosen Bestimmen einer Fluidtemperatur ausgebildet sind. Berührungslose Temperaturmessverfahren bzw. -einrichtungen sind schematisch in 7 dargestellt. Gezeigt ist in 7 eine Temperaturmessung durch photothermische Strahldeflektion (rechts), durch Strahlungsthermometrie (Mitte) sowie mittels Ultraschall (links).
Die grundlegende Idee der photothermischen Strahldeflektion besteht darin, einen Probenlaserstrahl LA' einer Laserquelle 7 als Sonde für einen aufgrund der lokalen Heizung H des Fluids räumlich variierenden Berechnungsindex n einzusetzen. Die Richtungsablenkung, die der Strahl aufgrund des inhomogenen Berechnungsindex erfährt, lässt sich mit hoher Präzision messen. Dabei ist der Berechnungsindex selbst nicht von Interesse, sondern dient lediglich als Maß für die Wärmeentwicklung im Fluid. Wärme fließt in das umgebende Medium ab und führt dort zu einem Temperaturfeld. Diese Temperaturänderungen wiederum sind für die Variation des Berechnungsindex n verantwortlich. Für hinreichend kurze Heizimpulse mit Dauer t₀ (für Wasser bei einem 1/e²-Radius des Heizstrahls von a = 0,5 mm ist t₀ << 0,4 s) ergibt sich der Deflektionswinkel ϕ zu:
wobei ρ der Dichte, D der Temperaturleitfähigkeit und α dem Absorptionskoeffizient des strömenden Mediums entspricht. Die gesamte Energie in jedem Laserpuls ist E₀. Liegt die photothermisch messende Temperaturmesseinrichtung 3, 4 stromab, wird der Strahl LA' zunächst in Strömungsrichtung deflektiert. Mit der Bewegung des geheizten Teilvolumens wird der Strahl anschließend in die Gegenrichtung deflektiert. Liegt der Strahl anfangs mitten in der Heizzone, wird daher nur eine Deflektion in die Gegenrichtung gesehen, denn die Deflektion eines Strahles, der in der Symmetrieachse des Teilvolumens V liegt, ist ϕ = 0. Die besten Ergebnisse werden für Wasser mit einer Heizimpulsdauer t₀ < 100 ms erreicht.
Ein Positionsdetektor 8 übersetzt die Ablenkung ϕ des Probenlaserstrahls LA' in eine elektrische Spannung. Er besteht im wesentlichen aus zwei (eventuell auch mehr) Siliziumdioden als Photozelle, die durch einen Spalt senkrecht zur Rohrachse voneinander getrennt sind. Die von einer Diode abgegebenen Spannung ist proportional zur einfallenden Lichtleistung. Trifft der Probenstrahl anfangs genau in die Mitte zwischen den beiden Photozellen, so sind deren Ausgangsspannungen gleich. Eine Verschiebung des Laserflecks wird zu einer Erhöhung der Spannung der einen Zelle auf Kosten der anderen führen.
Die Wände der Rohrleitung 2 sind in diesem Zusammenhang in einem für die angewendete Laserwellenlänge λ durchsichtigen Material ausgebildet.
Eine Variante dieser "klassischen" photothermischen Strahldeflektion benutzt statt einem einzigen Probenlaserstrahl ein lasererzeugtes Interferenzmuster, um den ganzen Querschnitt des Rohres zu betrachten.
Ein eindimensionales Interferenzmuster kann z.B. über Änderungen (Temperaturgradienten) entlang der Rohrachse informieren, ein zweidimensionales Interferenzmuster (das zweite Interferenzgitter liegt approximativ senkrecht zum Ersten) kann zusätzlich den Querschnitt des Rohres abdecken. Der Detektor entspricht entweder einem Lichtsensor, dessen Sichtfeld begrenzt ist (entweder entlang oder senkrecht zur Rohrachse, oder beide), oder aber einem Linien- und Matrix Lichtdetektoren, womit ein- oder zweidimensionale Interferenzmuster erfasst werden können, um den Temperaturgradienten entlang der Rohrachse, sowie senkrecht zu ihr zu überwachen. Mit Linien- bzw. Matrixdetektoren verfügt man anstatt über zwei oder drei Sensoren über eine Sensorlinie bzw. -Matrix wo mehrere Korrelationsmessungen möglich sind. Die beschriebenen Messprinzipien ändern nicht und Brechnungsindexänderungen können sowohl entlang der Rohrachse als auch senkrecht zu ihr mit höherer Auflösung gewonnen werden.
Da die Kohärenzlänge eines Halbleiterlasers mit mW Leistung 1 cm und mehr leicht erreicht, können eine große Anzahl von klassischen optischen Verfahren benutzt werden, um die gewünschten Interferenzmuster zu schaffen. Die Gitterperiode am Detektor ist vorzugsweise den Dimensionen der Lichtdetektoren angepasst, so dass das Sichtfeld eines Einzelelementes begrenzt ist, um weniger als zwei benachbarte Maxima oder zwei benachbarte Minima gleichzeitig zu erfassen.
In der Offenlegungsschrift DE 100 63 998 A1 wird beschrieben, wie in Kapillarrohren als Folge der Interferenz zweier Laserstrahlen ein vorwärts und ein rückwärts gestreutes Interferenzmuster erzeugt wird. Dieses Verfahren kann jedoch nur mit Kapillarrohren angewendet werden, welche eine glatte Oberfläche dank des Ziehprozesses aufweisen. Rohre mit größerem inneren Durchmesser (f > 3 mm) sind nicht kommerziell verfügbar. Zudem liefert dieses Verfahren nur eindimensionale Gitter und die Periode ist durch die Rohrgeometrie bestimmt und nicht wählbar. Diese Methode ermöglicht keine zweidimensionalen Gitter und ist auf Kapillarrohre mit kleinem Durchmesser beschränkt.
In 7, Mitte, ist schematisch das Verfahren der berührungslosen Temperaturmessung mittels Strahlungsthermometrie dargestellt. Eine thermische Strahlung TH des zuvor mittels einer Heizeinrichtung 5 (in 7 nicht gezeigt) erwärmten Teilvolumens V' lässt sich angenähert durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschreiben. Demnach weist die Temperaturstrahlung eines idealen schwarzen Körpers ein Intensitätsmaximum auf, das sich mit wachsender Temperatur zu kleineren Wellenlängen hin verschiebt. Die Lage des Intensitätsmaximums ergibt sich aus dem Wienschen Verschiebungsgesetz zu:
wobei λ_max die Wellenlänge der maximalen Intensität bezeichnet. Bei Raumtemperatur (300 K) imitieren Körper thermische Strahlung bevorzugt bei einer Wellenlänge von etwa 9,8 μm, d.h. im infraroten Spektralbereich. Bei einer Wellenlänge von 4 μm ist die Strahlungsintensität bereits um einen Faktor 10 geringer. Daher werden als Strahlungsempfänger Detektoren mit einem Empfindlichkeitsbereich oberhalb von 4 μm benötigt.
Das Messobjekt (hier das Fluid-Teilvolumen V') ist in der Praxis kein idealer schwarzer Strahler mit einem konstanten Emissionsgrad ε = 1, sondern besitzt einen Emissionsgrad, der wesentlich von der Oberflächenbeschaffenheit, der Beobachtungsrichtung, der Temperatur und teilweise von der Wellenlänge abhängt. Wasser beispielsweise ist im Wellenlängenbereich oberhalb von 4 μm praktisch undurchsichtig, so dass die Temperatur in der Mitte der Strömung von der äußersten, praktisch nicht strömenden Zone der Flüssigkeit verdeckt wird. Dies ist bei der Wahl des Strahlungsempfängers 9 sowie bei der Auswahl des Materials für die Wandung der Rohrleitung 2 im Bereich des Strahlungsempfängers 9 zu berücksichtigen. Als Strahlungsempfänger können beispielsweise pyroelektrische Elemente, Thermoelemente oder Bolometer sowie Silizium-, HgCdTe- und PbSe-Detektoren verwendet werden. Insbesondere die genannten PbSe-Detektoren zeichnen sich hierbei durch ihren günstigen Anschaffungspreis aus.
Eine Variante der direkten Messung der thermischen Strahlungsemission ist die spektroskopische Methode, die besonders für wässrige Flüssigkeiten geeignet ist.
Die optische Absorption von Wasser im nahen Infrarotbereich ist temperaturabhängig (11), was auf temperaturbedingte Änderungen der Wasserstoffverbindungen zwischen den Wassermolekülen zurückzuführen ist. Absorptionslinien bei 740 und 960 nm liegen im Detektionsbereich von Silizium, für 1180 und 1440 nm liegen diese im spektralen Bereich von kommerziellen Telekommunikationsdetektoren und die 1940 nm Absorptionslinie kann mit anderen Halbleiterdetektoren gemessen werden. 11 zeigt die Änderung der Wasserabsorptionslinie bei 960 nm zwischen 22 und 88 Grad Celsius: die relative Absorption steigt um 0.1, das Absorptionsmaximum ändert sich von 965 nm auf 961 nm.
Diese Messung der relativen Absorptionsänderungen in einem Bereich von ~ 100 nm vom Absorptionsmaximum braucht keine zusätzliche Eichung der Wasserabsorption und hat eine kleine Zeitkonstante. Damit eignet sich diese Methode besonders für Messungen im MHz-Bereich.
Für diese Methode verwendet man Wellenlängen im nahen Infrarotereich, für welche Detektoren rauscharm sind und eine kleine Antwortzeit aufweisen. Die Wahl der geeigneten Wellenlänge (740 nm, 960 nm, 1180 nm, 1440 nm 1940 nm) hängt vom Durchmesser des Rohres ab. Da die Fluidschicht nur bis zu einem Drittel des Radius charakterisiert werden soll, entspricht die Absörptionslänge der gewählten Wellenlänge dem Wert: Labs(λ) = R/3
Da die nicht-invasive Heizung der Flüssigkeit gepulst wird, kann die Messempfindlichkeit verbessert werden, indem Lock-In-Methoden zur Reduktion des Rauschens für die Signalakquisition verwendet werden. Die Methode ist besonders, aber nicht ausschließlich, für optische Messungen mit mehreren Detektoren geeignet (Strahlungsthermometrie, spektroskopische Messung der Temperatur im Wasser).
Im linken Teil der 7 ist die Temperaturmessung mittels Ultraschall als weiteres berührungsloses Verfahren zur Temperaturmessung dargestellt.
Zu diesem Zweck sind an der Rohrleitung 2 einander gegenüberliegend ein Ultraschallsender 10 und ein Ultraschallempfänger 11 angeordnet. Das Temperatur-Messverfahren mit Ultraschall nutzt den Effekt, dass sich die Schallgeschwindigkeit im Wasser mit der Temperatur verändert.
Der Schall wird in einem strömenden Medium von der Strömung mitgenommen. Die effektive Schallgeschwindigkeit c ist um die (mittlere) Strömungsgeschwindigkeit <v> des Mediums größer (bzw. kleiner, wenn der Schall gegen die Strömung läuft) als im ruhenden Medium: c = c0 ± <v> cosφ, (13)wobei die C₀ Schallgeschwindigkeit im ruhenden Medium, <v> die mittlere Strömungsgeschwindigkeit und φ den Winkel zwischen Schallweg und Strömung im bewegten Medium bezeichnet. Eine Schallmessstrecke senkrecht zur Strömung wird daher durch die Strömungsgeschwindigkeit nicht beeinflusst. Die Schallgeschwindigkeit ändert sich jedoch empfindlich mit der Änderung der Zusammensetzung des Messmediums und der Temperatur. Kreuzkorrelation zweier Detektoren ist daher zum Detektieren von Temperaturimpulsen im Fluid gut geeignet, die mittels des Unterschieds der Schallgeschwindigkeit bestimmt werden. Eine Beschränkung der Einsetzbarkeit dieses Verfahrens rührt her von der Abhängigkeit zwischen Schallgeschwindigkeitsunterschied und Temperatur: Für reines Wasser bei 20°C beträgt die Änderung 0,2% pro Grad (K^–1), bei 40°C nur noch 0,1% K^–1 und bei 60°C nur noch 0,04% K^–1, da ein Maximum der Schallgeschwindigkeit bei 70°C liegt. Dadurch ist die Einsetzbarkeit des Verfahrens auf bestimmte Temperaturbereiche begrenzt, beispielsweise auf Temperaturen ≤ 50°C. Optimale Empfindlichkeit ergibt sich, wenn der Temperaturunterschied über den ganzen Durchmesser der Ultraschallsender bzw. -empfänger 10 bzw. 11 besteht. Falls mit Laser geheizt wird (vgl. 6), muss die Schallmessstrecke längs der Achse des vorbeifliessenden erwärmten Zylinders Z liegen. Das Verfahren mit Ultraschall ist daher für Mikrowellenheizung besser geeignet. Ultraschallsensoren werden heute auf vielen Gebieten der Technik angewendet und sind deshalb preiswert. Die Wände der Rohrleitung 2 können aus Kunststoff (oder Teflon) sein, solange die akustische Impedanz adaptiert ist.
Um die Empfindlichkeit der akustischen Messmethode zu erhöhen, kann ein akustischer Resonator benutzt werden, dessen Eigenfrequenz bei der Resonanz gemessen wird. Da man vorzugsweise die Oberflächenschicht ausmessen will (bis zu 1/3 des Radius von der Oberfläche), sind "whispering gallery modes" dafür gut geeignet.
Die dielektrische Konstante einer Flüssigkeit (ε = ε₀ – jε₁) ist auch temperaturabhänig, besonders ε₁. Die elektrische Konduktivität des Wassers z.B. steigt mit der Temperatur. Kapazitive Messmethoden zum Erfassen dieser Änderung sind bekannt (z.B. im oben erwähnten Patent DE 100 63 998 A1 ). Für Rohre mit größerem Durchmesser (ϕ > 1 mm) ist eine Messung mit verteilten LC Schaltungen vorteilhafter, wobei die Schaltung direkt auf das dielektrische Rohr oder auf einer flexiblen Kaptonfolie gedruckt werden kann, oder aber mittels diskreten Elementen (auf dem Rohr gewickelten Induktionsspulen). Diese Messung ist besonders für Wasser enthaltende Lösungen geeignet und fordert kein transparentes Rohr (es ist jedoch vorteilhaft, dass die dielektrische Konstante des Rohrmaterials klein ist). Besonders vorteilhaft ist die Messung der Resonanzfrequenz einer solchen LC Brücke, bzw. seiner temperaturbedingten Änderung.
In 8 ist ein Strömungsprofil dargestellt, wie es sich bei laminarer Strömung durch eine Rohrleitung 2 mit kreisförmigem Querschnitt ergibt. Die Rohrleitung 2 besitzt eine Symmetrieachse (Rohrachse) A_S und einen Radius R. Ein Abstand von der Rohrachse A_S wird durch den Parameter r angegeben. Die Strömungsgeschwindigkeit ist in 8 mit v be zeichnet und nimmt in Richtung der Rohrachse A_S ihren maximalen Betrag v_max an.
Setzt man genügend lange Ein- und Auslaufstrecken voraus, so wird in einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt ein rotationssymmetrisches Strömungsprofil angenommen. Damit hängt die Strömungsgeschwindigkeit nur noch von r ab: v = v(r). Bei laminarer Strömung liegt ein parabolisches Strömungsprofil nach 8 vor. Es lässt sich beschreiben als
Daraus folgt für die über den kreisförmigen Strömungsquerschnitt gemittelte Strömungsgeschwindigkeit <v_A> bei laminarer Rohrströmung:
Bei einer turbulenten Strömung ist das Strömungsprofil stark abgeflacht, wie in 9 dargestellt. Zur Beschreibung eignet sich beispielsweise ein Potenzgesetz:
Der Exponent 1/n hängt über
mit der Reynolds-Zahl Re der Strömung zusammen. Die Reynolds-Zahl Re ist definiert als
wobei D dem Volumenstrom, <v> der über den Querschnitt gemittelten Strömungsgeschwindigkeit, ρ der Dichte, μ der dynamischen Viskosität und υ der kinematischen Viskosität des Fluids entspricht. Bei einer sogenannten kritischen Reynolds-Zahl Re_crit, deren Wert stark von der Strömungsgeometrie abhängt, geht die laminare in die turbulente Strömung über. Für kreisrunde Rohre ist Re_crit = 2320.
Manche Durchfluss-Messverfahren, insbesondere auf der Basis von Ultraschall, mitteln die Strömungsgeschwindigkeit jedoch nicht über den zweidimensionalen Rohrquerschnitt, sondern vielmehr eindimensional entlang des Messpfades, z.B. über die Rohrmitte, d.h. die Rohrachse A_S schneidend. Die Messabweichung kann besonders groß werden, wenn die Strömung im eingestellten Messbereich zwischen laminarer und turbulenter Form variiert.
Der Einfluss eines variierenden Strömungsprofils wird erfindungsgemäß weitgehend reduziert, indem man den Messpfad nicht in die Symmetrieebene des Rohres legt. Dieser Sachverhalt ist in 10 dargestellt.
Die 10 zeigt die Strömungsgeschwindigkeit v(r), bezogen auf die mittlere Geschwindigkeit <v_A> für laminare und turbulente Verhältnisse mit unterschiedlichen Exponenten n (s. Gleichungen 16 und 17) in Abhängigkeit vom normierten radialen Abstand r/R zur Rohrachse A_S. Daraus ist ersichtlich, dass im turbulenten Fall (mit n-Werten 4, 6, 8 und 10 bezeichnete Kurven) über einen weiten Bereich von Reynolds-Zahlen bei r = 0,75R die lokale Strömungsgeschwindigkeit v(r) gleich dem über den Querschnitt gemittelten Wert <v_A> ist (s. kurz-gestrichelte vertikale Linie in 10). Bei der laminaren Strömung (unbezeichnete Kurve) liegt dieser Punkt ganz in der Nähe, nämlich bei r = 0,71R (lang-gestrichelte vertikale Linie in 10).
Erfindungsgemäß erfolgt daher eine berührungslose Temperaturmessung vorzugsweise entlang eines Messpfades, der in einem Abstandsbereich zwischen 0,7R und 0,8R bezüglich der Rohrachse A_S liegt. Aus der Darstellung der 10 ergibt ein besonders bevorzugter Abstandsbereich von 0,71R und 0,75R. Damit entfällt insbesondere bei Temperaturmessverfahren, die auf einer Geschwindigkeitsmessung mittels Ultraschall beruhen, die ansonsten notwendige und fehlerbehaftete rechnerische Aufbereitung der Messergebnisse.

1: Durchflussmessgerät
2: Rohrleitung
3: Temperaturmesseinrichtung
4: Temperaturmesseinrichtung
5: Heizeinrichtung
6: Auswertemittel/Steuerungsmittel
7: Laser
8: Positionsdetektor
9: Strahlungsdetektor
10: Ultraschallsender
11: Ultraschallempfänger
A_s: Querschnitt (der Rohrleitung 2)
d: Abstand
H: Heizung
LA, LA': Laserstrahl
ṁ: Fluidstrom (Massenstrom)
MW: Mikrowellenstrahlung
Q: Korrelationsergebnis
r: Abstand (zur Rohrachse A_S)
R: Radius (der Rohrleitung 2)
T: Temperaturmessung
TH: thermische Strahlung
v: Strömungsgeschwindigkeit
V_max: maximale Strömungsgeschwindigkeit
V, V', V'': (Fluid-)Teilvolumen
x₀: x-Koordinate (des unabgelenkten Laserstrahls
: LA')
y₀: y-Koordinate (des unabgelenkten Laserstrahls
: LA')
Z: Heizzone
ϕ: Deflektionswinkel

Claims

Verfahren zur Durchflussmessung an einem fluiddurchströmten Rohr, wobei ein Teilvolumen des Fluids mittels einer Heizeinrichtung erwärmt und ein Temperatur-Messsignal durch wenigstens eine erste Temperaturmesseinrichtung auf Höhe der Heizeinrichtung oder stromabwärts dieser aufgenommen wird und wobei anschließend eine Bestimmung einer Messgröße des Fluidstroms durch geeignete Auswertemittel erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizen des Fluids und das Messen der Fluid-Temperatur berührungslos erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der ersten Temperaturmesseinrichtung eine zweite berührungslose Temperaturmessung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Ergebnisse der ersten und zweiten Temperaturmessung nach der Methode der Kreuzkorrelation ausgewertet wer den.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Heizeinrichtung eine weitere berührungslose Temperaturmessung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Ergebnisse zumindest zweier Temperaturmessungen zur Bestimmung einer Durchflussrichtung des Fluids ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Ergebnisse der Temperaturmessungen zur Bestimmung einer Präsenz des Fluids in der Rohrleitung ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung kontinuierlich betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung gepulst betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Heizeinrichtung in Korrelation mit dem Ergebnis wenigstens einer Temperaturmessung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Detektions-Frequenz der korrelierten Temperaturmessung eine Durchflussgeschwindigkeit und durch eine Anzahl von Detektions-Ereignissen ein Durchflussvolumen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid zum Heizen eines Teilvolumens desselben mit elektromagnetischen Wellen bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid mittels eines Lasers oder Hochleistungs-LED bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid mittels einer Mikrowellenquelle bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auch ein elektrisch nicht leitendes Fluid durch einen koaxialen Applikator geheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturmessung eine Deflektion eines Lichtstrahls bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturmessung eine thermische Strahlung des Fluids bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtabsorption im Zentrum einer Absorptionslinie des Fluids und direkt daneben dieser Absorptionslinie spektroskopisch gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion durch einen Detektor in Form eines Vektors bzw. einer Matrix von Detektoren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturschwankungen im Rohr mittels eines ein- bzw. zweidimensionales Interferenzmusters gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturschwankungen mittels eines Lock-in-Verfahrens detektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturmessung eine Schallgeschwindigkeit im Fluid mittels Ultraschall bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturmessung eine elektrische (bzw. elektromagnetische) lokale Messung der elektrischen (dielektrischen) Eigenschaften des Durchflussrohres und seines Inhalts benutzt wird, vorzugsweise eine verteilte RLC Schaltung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine temperaturabhänige Resonanzfrequenz (akustische oder elektrische) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung entlang eines Messpfads erfolgt, der in radialer Richtung von der Rohrachse beabstandet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur mittels eines elektrischen oder akustischen Resonators mit temperaturabhängiger Resonanzfrequenz gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchflussmessung parallel mindestens zwei unterschiedliche Messmethoden eingesetzt werden, die jeweils für verschiedene Durchflussregime geeignet sind.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussregime aufgrund der Durchflussgeschwindigkeit unterschieden werden.
Durchflussmessgerät für fluiddurchströmte Rohre mit einer Heizeinrichtung zum Heizen des Fluids und wenigstens einer ersten Temperaturmesseinrichtung zur Bestimmung einer Temperatur des Fluids, die auf Höhe der Heizeinrichtung oder stromabwärts dieser angeordnet ist und deren Messsignal durch Auswertemittel zur Bestimmung einer Messgröße des Fluidstroms auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5) zum berührungslosen Heizen des Fluids und die erste Temperaturmesseinrichtung (3) zum berührungslosen Messen der Fluidtemperatur ausgebildet sind.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine zweite berührungslose Temperaturmesseinrichtung (4), die stromabwärts der ersten Temperaturmesseinrichtung (3) angeordnet ist.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine weitere berührungslose Temperaturmesseinrichtung (4), die stromaufwärts der Heizeinrichtung angeordnet ist.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass Messsignale der ersten und zweiten Temperaturmesseinrichtung (3, 4) durch die Auswertemit tel (6) nach der Methode der Kreuzkorrelation auswertbar sind.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass Messsignale zumindest zweier Temperaturmesseinrichtungen (3, 4) durch die Auswertemittel (6) zur Bestimmung einer Durchflusseinrichtung des Fluids auswertbar sind.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass Messsignale der Temperaturmesseinrichtungen (3, 4) durch die Auswertemittel (6) zur Bestimmung einer Präsenz des Fluids in der Rohrleitung (2) auswertbar sind.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtungen (3, 4) zur Messung einer photothermischen Strahldeflektion (ϕ) ausgebildet sind.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatureinrichtungen (3, 4) zur Messung einer thermischen Strahlung (TH) des Fluids ausgebildet sind.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtungen (3, 4) zur Messung einer Änderung der Schallgeschwindigkeit im Fluid mittels Ultraschall ausgebildet sind.
Durchflussmessgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5) zum Heizen eines Teilvolumens des Fluids mit tels Laserpulsen, bzw. Hochleistungs-LED-Pulsen, ausgebildet ist.
Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 28 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5) zum Heizen eines Teilvolumens des Fluids mittels Mikrowellen ausgebildet ist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messpfad der jeweiligen Temperaturmesseinrichtung (3, 4) von einer Rohrachse (A_S) beabstandet verläuft.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpfad bezüglich der Rohrachse (A_S) in einem radialen Abstand r mit 0,7·R ≤ r ≤ 0,8·R verläuft, wobei R einen Radius des Rohres (2) bezeichnet.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpfad in einem radialen Abstand r mit 0,71·R ≤ r ≤ 0,75R verläuft.