DE112017004753T5

DE112017004753T5 - Massenströmungsmesser mit thermischer Dispersionstechnologie

Info

Publication number: DE112017004753T5
Application number: DE112017004753.6T
Authority: DE
Inventors: Michael Bess; Dang Le; Jack Barnett; Mark Oberman; Scott Patton; Eric Wible
Original assignee: Fluid Components International LLC
Current assignee: Fluid Components International LLC
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-06-19
Also published as: GB201903627D0; US11105666B2; KR20190059920A; GB2568627B; CN109937349B; CA3037353A1; CN109937349A; WO2018057803A1; US20190219431A1; GB2568627A; CA3037353C; KR102455885B1

Abstract

Ein Massenströmungsmesser mit thermischer Dispersionstechnologie und ein Verfahren zur Bestimmung der Massenströmung eines Fluids über einen Bereich hinaus, der für ein Konstant-ΔT-Instrument bei steigendem Strom möglich ist, und unterhalb dieses Bereichs, in dem ein Konstantstrominstrument schnelle ΔT-Auslesungen liefern kann.

Description

Technisches Gebiet
Diese Vorrichtung bezieht sich im Allgemeinen auf Massenströmungsmesser mit thermischer Dispersionstechnologie und insbesondere auf ein adaptives System, um es dem Strömungsmesser zu erlauben, sowohl Konstantstrom- als auch Konstanttemperatur-Differenzialtechnologien anzuwenden, je nach Eignung für irgendeine Fluidströmungsrate.
Stand der Technik
Thermische Strömungsmesser sind gut bekannt zur Messung einer Fluidströmung und insbesondere zur Messung der Masseströmung von Gas. Während jeder Typ einer Fluidströmung durch diese Technologie gemessen werden kann, wird die folgende Diskussion durch eine Fokussierung auf die Masseströmung von Gas vereinfacht bleiben. Während andere Sensorelement anwendbar sein können, werden die Sensoren in der Diskussion der Einfachheit halber als Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) behandelt.
Thermische Strömungsmesser messen den Kühleffekt passierender Gasmoleküle. Der Sensor besteht aus einem beheizten Element, aktives Element genannt, und einem unbeheizten Element, Referenzelement genannt. Der Temperaturunterschied (ΔT) zwischen dem aktiven Element und dem Referenzelement ist proportional zu der Masseströmung des Gases.
Es sollte angemerkt werden, dass Fluide, in diesem Fall Gase, eine Anzahl verschiedener Eigenschaften haben können. Sie können trocken sein oder feucht. Der Druck, unter dem das Gas strömt, kann stark variieren, und das Gas kann verschiedene Dichten aufweisen, die nicht mit dem Druck in Beziehung stehen. Andere Variablen können ebenfalls existieren. Für Flüssigkeiten trifft auch zu, dass deren Dichten größer oder kleiner sein können als die Dichte von Wasser, sodass diese Eigenschaften berücksichtigt werden müssen, wenn eine Strömung gemessen wird.
Es gibt zwei vorherrschende Messtechnologien, die im Allgemeinen angewendet werden. Mit Bezug auf die 2 und 3 sind diese:

1. Konstantstrom, wobei das beheizte Element einen konstanten Strom empfängt und ΔT sinkt, wenn die Masseströmung steigt. Die Konstantstromanordnung erlaubt Messungen aller Strömungsraten einschließlich sehr hoher Strömungsraten, kann hohe Flüssigkeitsgehalte verkraften und liefert ein sehr robustes Messsignal ohne Welligkeit oder andere gestörten Messsignale. Ein Nachteil dieser Anwendungsart ist, dass die Reaktionszeit in einem kleinen prozentualen Teil von Fällen langsamer als gewünscht ist, wenn die Strömungsraten sich sehr schnell ändern.
2. Konstante Temperaturdifferenz (ΔT), wobei das Heizelement einen variablen Strom empfängt, der erforderlich ist, um eine konstante Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem aktiven Sensor und dem Referenztemperatursensor aufrechtzuerhalten. Dieser variable Strom erlaubt es den Sensoren, schnell auf Änderungen in der Strömungsrate zu reagieren. Ein Nachteil dieser Anwendungsart ist es, dass, wenn Strömungsraten ansteigen, ein maximaler Strom, der an den beheizten Sensor geliefert wird, erzeugt werden kann, über den hinaus ausgelesene Signale ungenau sein können.

Relevante Eigenschaften eines Konstantstromsensors sind:

• er kann eine hohe Feuchtigkeitsbelastung tolerieren,
• er ist schmutzunempfindlich,
• er kann sehr hohe Strömungen messen,
• er hat einen ausgedehnten Messbereich (maximale Strömung : minimale Strömung) von 1000 : 1,
• er hat eine bessere Temperaturkompatibilität,
• er ermöglicht einen ausfallsicheren Betrieb, da er ein intaktes ΔT-Sensorsignal sicherstellen kann, aber
• er hat eine relativ langsame Reaktionszeit von 10 bis 15 Sekunden.

Relevante Eigenschaften eines Konstant-ΔT-Sensors sind:

• er hat eine schnelle Reaktionszeit von etwa 1 Sekunde, aber
• er ist weniger geeignet für feuchtes Gas,
• er ist weniger geeignet für hohe Strömungen, und
• er hat einen begrenzten Messbereich (z.B. 100 : 1).

Es gibt einige Gründe, warum die thermische Dispersionstechnologie besonders geeignet ist zum Messen der Masseströmung von Gasen. Darunter sind:

• sie kann die Masseströmung direkt messen,
• sie hat keine beweglichen Teile,
• sie verursacht keinen Druckabfall,
• sie hat eine Niedrigströmungsempfindlichkeit, und
• sie hat einen großen Messbereich.

Beschreibung der Erfindung
Der Zweck dieses Konzeptes ist es, eine thermische Dispersionssteuertechnologie zu schaffen, sowohl im Konstant-Delta-T-Modus als auch im Konstantstrommodus. Wie oben erläutert, liefert der Konstant-ΔT-Modus sehr schnelle Reaktionszeiten, hat jedoch bei manchen Anwendungen, wie zum Beispiel bei hohen Strömungsraten, Stabilitäts- und Genauigkeitsprobleme. Der Konstantstrommodus arbeitet bei allen Anwendungen, hat jedoch eine langsamere Reaktionszeit als der Konstant-ΔT -Modus.
Das beschriebene Messsystem verwendet eine adaptive Messtechnologie (AST), um die wesentlichen Positivmerkmale des Konstantstroms und des Konstant-ΔTs in einem einzigen Instrument zu kombinieren, mit dem Ergebnis, dass ein solches Instrument folgende Eigenschaften hat:

• es misst die Masseströmung direkt,
• es hat keine beweglichen Teile,
• es bewirkt keinen Druckabfall,
• es ist empfindlich für niedrige Strömungen,
• es hat einen weiten Messbereich,
• es kann eine hohe Feuchtigkeitsbelastung akzeptieren,
• es ist unempfindlich gegenüber Schmutz/Staub/Feinstaub,
• es kann Strömungsraten von 0,25 bis 1000 Standardfuß pro Sekunde (SFPS) (0,08 bis 300 Nm/s) messen,
• es hat ein Messbereichsverhältnis von 1000 : 1,
• es hat einen Temperaturbetriebsbereich von -70°C bis +450°C (-94 F bis 850°F),
• es hat eine Reaktionszeit von etwa einer Sekunde,
• es hält die Norm ISO-14164 und viele weitere internationale Normen ein, und
• es ermöglicht es, intakte Sensorsignale zu überwachen, die einen ausfallsicheren Modus steuern.

Figurenliste
Die Aufgaben, Vorteile und Merkmale des beschriebenen Konzepts werden bei der Lektüre der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung verständlicher, worin:

1 eine schematische Darstellung eines bekannten thermischen Dispersions-Massenströmungsmessers in situ ist;
2 eine graphische Darstellung ist, die zeigt, wie der Konstantstrommassenströmungsmesser arbeitet;
3 eine graphische Darstellung ist, die zeigt, wie ein Konstant-ΔT-Massenströmungsmesser arbeitet;
4 eine graphische Darstellung ist, die zeigt, wie das Instrument gemäß dem vorliegenden Konzept funktioniert,
die 5A, 5B und 5C ein kombiniertes schematisches Blockdiagramm des Instruments gemäß dem vorliegenden Konzept zeigen;
die 6A-6D ein kombiniertes Schaltungsdiagramm von Details des Systems zeigen;
7A und 7B ein kombiniertes Schaltungsdiagramm weiterer Details des Systems zeigen;
8A und 8B ein kombiniertes Schaltungsdiagramm weiterer Details des Systems zeigen;
9A-9D ein kombiniertes Schaltungsdiagramm weiterer Details des Systems zeigen;
10A-10C ein kombiniertes Schaltungsdiagramm weiterer Details des Systems zeigen und
11 eine beispielhafte Kurve ist, die einen Vergleich zwischen dem vorliegenden System und bekannten Konkurrenzsystemen zeigt.

Bestmögliche Ausführungsform der Erfindung
Untenstehend gelten folgende Definitionen:

Konstant-Delta-T (ΔT): Dieser Betriebsmodus verwendet eine Rückkopplungsschleife des an den beheizten Sensor gelieferten Stroms, um ein konstantes Temperaturdifferenzial zwischen dem aktiven Messgerät und dem Referenz-RTD-Messgerät aufrechtzuerhalten, unabhängig von Änderungen der umgebenden Fluidströmung, hervorgerufen durch verschiedene Strömungsraten, Temperaturen oder unterschiedlichen Druck.
Konstantstrom: Dieser Betriebsmodus hält den an den beheizten Sensor gelieferten Strom in allen Fällen konstant.

1 zeigt einen herkömmlichen thermischen Dispersions-Massenströmungsmesser in situ. Die Leitungswand ist mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet und die Fluidströmung ist durch Pfeile 12 dargestellt. Der Strömungsmesserkopf 13 enthält die übliche Elektronik und liefert Strom und Betriebssignale, die erforderlich sind für den Betrieb der Schutzrohre 14 und 15. Das Schutzrohr 14 enthält den Referenz- oder unbeheizten Sensor und das Schutzrohr 15 enthält den aktiven oder beheizten Sensor.
2 ist selbsterklärend und zeigt, wie ein Konstantstromströmungsmesser funktioniert. Wenn die Masseströmung ansteigt, sinkt ΔT.
Ähnlich zeigt 3 graphisch, wie ein Konstant-ΔT-Strömungsmesser funktioniert. Der Strom, der an das aktive Sensorheizelement geliefert wird, steigt an, wenn die Strömungsrate ansteigt. Wie hier gezeigt, erreicht der Strom bei etwa 400 SFPS (120 m/s) ein Maximum, d.h. einen Belastungswert, bei dem das Auslesen einer Strömungsrate ungenau wird. Während dieses System einigermaßen nützliche Ergebnisse bis zu einer Höhe von 600 SFPS (180 m/s) liefern kann, kann die Genauigkeit bei diesen hohen Masseströmungswerten beeinträchtigt sein. Diese Strömungsraten sind nur beispielhaft und für unterschiedliche Installationen kann der an das Heizelement gelieferte Strom, um Konstant-ΔT aufrechtzuerhalten, niedriger oder höher sein als gezeigt.
In 4 sieht man, dass bei niedrigeren Strömungswerten das Instrument gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Spannungsdifferenz ΔT zwischen zwei Sensoren konstant hält, wobei ein Sensor durch einen separaten Heizer beheizt wird und ein anderer Sensor nicht beheizt wird. Diese Spannungsdifferenz wird beibehalten, selbst wenn die Strömungsrate der Strömung, die die Instrumentensensoren passiert hat, angewachsen oder abgesunken ist. Der Strom, der an den separaten Heizer in dem beheizten oder aktiven Sensor geliefert wird, wird erhöht oder abgesenkt, wie erforderlich, über eine Rückkopplungsschleife, um die Spannungsdifferenz konstant zu halten.
Eine Einschränkung des Konstant-ΔT-Ansatzes besteht darin, dass es einen vorbestimmten maximalen Heizleistungsgrenzwert gibt, und dass bei höheren Strömungsraten oberhalb von 200 SFPS (60 m/s), wie in diesem Beispiel gezeigt ist, wenn dieser maximale Stromgrenzwert erreicht wird, die konstante Spannungsdifferenz nicht länger beibehalten wird und bei höheren Strömungsraten tatsächlich sinkt. Dies würde natürlich in ungenauen Masseströmungsraten-Messwerten in Instrumenten, die nur eine Konstant-ΔT-Betriebsfunktion anwenden, resultieren.
Anders als bei Einheiten, die nur den Konstant-ΔT-Modus anwenden, wird das hier beschriebene Instrument weiter funktionieren, wenn der maximale Heizstrom bei höheren Strömungsraten erreicht wird. Dieses Instrument misst immer beide, den Heizstrom an dem aktiven Sensor und die Spannungsdifferenz über den beiden Sensoren. Wenn der Heizstrom an dem aktiven Sensor sein Maximum erreicht und der angelegte Heizstrom konstant bleibt, können höhere Strömungsraten weiterhin genau durch den internen Softwarealgorithmus berechnet werden durch Verwendung der gemessenen Spannungsdifferenz über den Sensoren.
Dieser Aspekt des Systems ermöglich eine sehr schnelle Reaktionszeit, wenn es sich in dem Konstantspannungsdifferenzmodus befindet, und erlaubt doch eine fortgesetzte Betriebsfähigkeit bei sehr hohen Strömungsraten bis zu 1600 Standardfuß pro Sekunde (SFPS) (480 m/s). 4 zeigt als ein Beispiel die Masseströmung bei 1000 SFPS (300 m/s). Typische Einheiten, die nur den Konstant-ΔT-Modus anwenden, sind „ausmaximiert“, wenn sie nicht länger in der Lage sind, die Spannungsdifferenz zwischen den Sensoren konstant zu halten, da der vorbestimmte maximale Strom erreicht wurde, aber die Massenströmungsrate weiter ansteigt. Manche Instrumente sind auf so kleine Strömungsraten begrenzt wie 300 SFPS (90 m/s). Die Strömungsrate hängt von den Eigenschaften des strömenden Mediums ab als auch von dem Instrument, sodass 4 für exemplarische Zwecke 200 SFPS (60 m/s) zeigt.
Der Übergang, bei dem Konstant-ΔT zu Konstantstrom (bei 200 SFPS (60 m/s) in diesem speziellen Beispiel) umschaltet, ist abhängig von dem verfügbaren maximalen Strom, der ein vorbestimmter Wert ist, und der Wärmeübertragungsrate des Mediums. Ein höherer maximaler Strom verschiebt den Übergangspunkt nach rechts oder zu höheren SFPS, wie in 4 gezeigt. Ein kleinerer maximaler Strom verschiebt den Übergangspunkt nach links.
Ähnlich wird ein Medium mit niedrigerer Wärmeübertragung den Übergang nach rechts verschieben, während ein Medium mit höherer Wärmeübertragung den Übergang nach links verschiebt.
Zum Beispiel überträgt Erdgas Wärme besser als Luft, sodass der Übergangspunkt mit Erdgas als Medium nach links wandern wird im Vergleich zu Luft. Wasserstoff überträgt Wärme noch besser, sodass, wenn das Medium Wasserstoff ist, der Übergangspunkt weiter nach links wandern wird.
Die vorliegende Technologie kann auch so konfiguriert sein, dass an den separaten Heizer gelieferter konstanter Strom beibehalten wird und die Spannungsdifferenz über den Sensoren fallen darf, wenn die Strömungsraten steigen. Bei einigen Anwendungen, insbesondere halbnassen Anwendungen und Anwendungen mit niedriger Strömungsrate, liefert diese Konfiguration bessere Ergebnisse. Wenn das Instrument auf diese Art betrieben wird, kann es verwendet werden, entweder um die Reaktionszeit zu optimieren oder die Stabilität zu optimieren in Abhängigkeit von der Anwendung.
Ein anderes Merkmal dieser Technologie besteht darin, dass es in der Praxis zu der Konstantstromkonfiguration rekonfiguriert werden kann, ohne die Genauigkeit der Einheit zu beeinträchtigen. Dies ist nützlich, da manche Kunden die spezifischen Anforderungen ihrer speziellen Anwendung nicht kennen, bis die Einheit installiert ist. In der Lage zu sein, die Konfiguration des Instruments in der Praxis ändern zu können, ohne dass eine Neukalibrierung in der Fabrik erforderlich ist, ist ein großer Vorteil für den Endverbraucher.
Die grundlegenden mathematischen Prinzipien des Betriebs der Massenströmungsratentechnologie sind eher einfach. Bei einer gegebenen Massenströmungsrate mit einer speziellen Zusammensetzung des Mediums und bei konstanter Temperatur besteht eine Beziehung zwischen der Massenströmungsrate und der Wärmeübertragung, die durch die folgende vereinfachte Gleichung gekennzeichnet ist: $Massenströmung - \frac{K * P}{dT}$
wobei P der an den aktiven (beheizten) Sensor gelieferte Heizstrom ist; dT die Temperaturdifferenz zwischen dem beheizten Sensor und dem nicht beheizten Sensor ist, und
K eine Konstante ist, die bestimmt wird durch Kalibrierung und die nur gültig ist für diese bestimmte Massenströmungsrate, Temperatur und die spezifische Zusammensetzung des Mediums. Für Kalibrierungszwecke wird der Druck in der Leitung in den Massenströmungsratenfaktor subsumiert. Ein funktionierender Strömungsmesser erfordert eine Reihe von K-Werten, die zu bestimmen sind über den gewünschten Massenströmungsbereich in den gewünschten Medien. Die K-Werte müssen an einen Linearisierungsalgorithmus kurvenangepasst werden, wobei Beispiele solcher Algorithmen auf dem Markt erhältlich sind.
Anders als bei anderen Strömungsmessern misst diese Technologie ständig sowohl den Heizstrom (P) als auch die Temperaturdifferenz (ΔT) gleichzeitig und verwendet diese in dem Linearisierungsalgorithmus. Dies erlaubt es, den Strömungsmesser zu optimieren für eine schnellere Reaktionszeit durch Variierung des Stroms, um ΔT konstant zu halten, oder Stabilität und Genauigkeit zu optimieren, indem der Strom konstant gehalten wird und ΔT variieren darf.
Wie 5B zeigt, erlaubt es der PID-Heizer-Rücklaufregelungsblock 51, dass der dem aktiven oder beheizten Sensor zugeführte Heizstrom auf einen konstanten ΔT-Wert zwischen dem aktiven Sensor und dem Referenzsensor (z.B. RTD) gesteuert wird bei einem Betrieb am unteren Ende des Strömungsbereichs, d.h. auf der linken Seiten von 4. Der Heizerstrom wird auf einen konstanten Strom eingestellt, wenn am höheren Ende des Strömungsbereichs gearbeitet wird.
Obwohl ein separater Heizer für das aktive Sensorelement eine bevorzugte Ausführungsform ist, kann das System durch Selbstbeheizung des aktiven Sensors arbeiten durch Anlegen eines höheren Stroms an den aktiven RTD-Sensor.
Weiter mit Bezug auf 5 ist das System verständlich dargestellt. Der aktive Sensor 15 und der Referenzsensor 14 sind identifiziert und es ist bevorzugt, dass diese strukturell identisch sind. Somit können zwei beliebige Schutzrohre 14, 15 (5A) in das vorliegende System eingebaut werden. Der Heizer kann eine Spule oder jede andere Form aufweisen. Spulen 14A und 15A bezeichnen zum Beispiel das Heizerelement in dieser Figur. Eine der Spulen ist aktiviert, um aus diesem Sensor den aktiven Sensor zu machen, und der andere Sensor ist der Referenzsensor.
Wie zuvor beschrieben, überwacht das System, das in den 5 bis 10 gezeigt ist, kontinuierlich den Wert des Stroms, der an den Heizer des aktiven Sensors geliefert wird, und die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem aktiven und dem Referenzsensor.
4 ist eine graphische Darstellung des Betriebsstatus des Systems von einem sehr niedrigen SFPS-Wert ≥ 0 (0 m/s) bis zu einem hohen SFPS-Wert von 1000 (300 m/s) für die Masseströmung. Am unteren Ende des Instrumentenbereichs, gezeigt als 0 bis 200 SFPS (60 m/s), nur für beispielhafte Zwecke, arbeitet das System in dem Konstant-ΔT-Modus. Wenn der Stromwert den Belastungswert erreicht, gezeigt bei 400-600 SFPS (120-180 m/s) bei dem Beispiel aus 3, schaltet das Instrument über in den Konstantstrommodusbetrieb.
Wie oben erläutert, liefert der übliche Konstant-ΔT-Modus des Betriebs eine schnelle Reaktionszeit in dem Bereich von ungefähr einer Sekunde. Wenn ein Instrument in dem Konstantstrommodus bei niedrigen Massenströmungsraten arbeitet, kann die Reaktionszeit 10-15 Sekunden lang sein. Dieses Instrument liefert jedoch eine schnelle Reaktionszeit bei niedrigen Strömungsraten, da es in dem Konstant-ΔT-Modus arbeitet, und es liefert auch eine relativ schnelle Reaktionszeit ≤ 1 bis 5 Sekunden bei höheren Strömungsraten, wenn es in dem Konstantstrommodus arbeitet. Diese schnelle Reaktionszeit beruht auf der Tatsache, dass das strömende Medium Wärme bei hohen Massenströmungsraten viel schneller von dem aktiven Sensor wegträgt.
Wie oben erläutert, kann es keine scharfe Definition dafür geben, wo sich auf der Strömungsratenskala niedrige Strömungsraten in hohe Strömungsraten ändern, da dies von den Faktoren abhängt, die bei der Erzeugung der Konstanten K bei der Kalibrierung eines Instrumens in der Fabrik berücksichtigt werden müssen. Wenn ein Instrument kalibriert ist, muss der Hersteller die Eigenschaften der Medien berücksichtigen, die dem Endverbraucher erwartungsgemäß begegnen, wobei diese Informationen dem Hersteller geliefert werden.
5C ist eine Fortsetzung des Blockdiagramms, das in den 5A und 5B gezeigt ist. Der Ausgang des Teils des Systems, der in 5B gezeigt ist, führt zu dem FE-Digital-Board 53. Der Ausdruck „FE“ zeigt an, dass Signale von dem Strömungselement, das in 5A gezeigt ist, empfangen werden. ΔT und die Stromeingänge, die konstant überwacht werden, werden in Board 53 verarbeitet. Die Entscheidung, in den Konstantstrommodus zu wechseln, wenn sich die Massenströmungsrate dem Belastungswert oder dem Überführungspunkt nähert, wie in 4 gezeigt, oder in den Konstant-ΔT-Modus zu wechseln, wenn die Strömungsrate sinkt, wird durch das Steuerungs-Board 55 getroffen. Diese Funktionalität ist in dem Board 55 von dem Microprozessor gesteuert. Ein Zweck des Boards 53 ist es, Analogsignale von den Sensoren in digitale Signale umzuwandeln, die von dem Steuerungs-Board 55 verwendet werden.
Wie schon erläutert, kann der Endverbraucher den festgelegten Punkt justieren, wenn sich die Eigenschaften der Medien ändern oder wenn diese variieren. Dies erfolgt mit einem Computer/Konfigurator 57, der wahlweise von einer Bedienungsperson in einen USB-Port in dem Board 55 eingesteckt wird. Es sollte erwähnt werden, dass die Boards 53 und 55 sowie die Schaltungen der 6-10 in einem Kopf vom Typ wie in 1 als Kopf 13 gezeigt, enthalten sein können. Alternativ kann ein Teil oder die gesamte Schaltung an einem Ort angeordnet sein, der entfernt von dem Instrument ist, welches Schutzrohre 14 und 15 aufweist, die durch die Wand der Leitung montiert sind, durch die die Medien fließen. Die Kopplung oder die Verbindungen zwischen den Sensoren und der Schaltung, die in den 6-10 gezeigt ist, sowie die der in 5C gezeigten Blöcke können verdrahtete Verbindungen sein oder eine drahtlose Kopplung.
Die 6-10 zeigen eine Schaltung für den Betrieb des Systems gemäß 4 und 5 von einem internen Standpunkt aus betrachtet. Während die Schaltung selbsterklärend ist, wenn man sie in Verbindung mit 5 betrachtet, werden hier Details der 6-10 dargestellt, um das Verständnis dieser relativ komplexen Schaltung zu erhöhen. Die Beschreibung mag detaillierter als notwendig sein, aber es ist das Ziel, das Verständnis zu erleichtern, ohne Lücken zu lassen.
Mit Bezug auf 6A sind L9-L13 und L15-L17 (ACH32C-104-T) elektromagnetische Störfilter vom T-Typ, die verwendet werden, um elektrisches Rauschen auszublenden. Und U41 (TS5A23166) ist ein 2-Kanal-Einpol-Ein/Aus-Analogschalter (2-channel single-pole-single-throw analog switch), der verwendet wird, um die ACT_SENSE- und REF_SENSE-Signale auszuwählen oder zu deaktivieren, jeweils gesteuert durch CTRL_SW3_1- und CTRL_SW3_2-Signale.
6B macht von 6A aus weiter, wo U20 (TS5A23159DGSR) ein 2-Kanal-Einpol-Analog-Wechselschalter (2-channel single-pole-double-throw analog switch) ist, der verwendet wird, um Punkt A oder Punkt C mit ACT_EXC_OUT und Punkt B oder Punkt D mit REF_EXC_OUT zu verbinden, jeweils gesteuert von CTRL_SW_2- und CTRL_SW_1-Signalen.
In Bezug auf 6C und 10C, sind P3 und P1 jeweils Verbinder, die das FE-Adaptive-Sensing-Technology(AST)-Analog-Board mit dem in 5C gezeigten FE-Digital-Board 53 verbinden.
In 6D ist U40 (TS5A3359DCUR) ein Einpol-Ein/Aus/Ein-Analogschalter (single-pole-triple-throw analog switch), der verwendet wird, um R70, R69 oder R68 mit Punkt E gesteuert von Punkt G und Punkt H zu verbinden. U43 (TS5A3166DBVR) ist ein Einpol-Ein/Aus-Analogschalter (single-pole-single-throw analog switch), der verwendet wird, um R67 mit Punkt E zu verbinden, gesteuert durch ein CTRL_ACT_ZERO-Signal. U39 (TS5A23166DCUR is ein zweifacher einpoliger Ein/Aus-Schalter (dual single-pole-single-throw switch), der verwendet wird, um R66 (gesteuert durch CTRL_REF_HI) oder R65 (gesteuert durch CTRL_REF_ZERO) mit REF-Punkt F zu verbinden. U18 (LT1790BIS6-2.048#PBF) ist ein Spannungsreferenzchip mit niedrigem Spannungsabfall (Low Dropout Voltage Reference chip), der +5V Eingangsspannung aufnimmt und 2,048 V Ausgangsspannung erzeugt.
Mit Bezug auf 7A, Teil AD5143BCPZ100-RL7 ist ein nichtflüchtiges digitales Potentiometer zur Einstellung der Verstärkungen der PID(Proportional-, Integrier- und Differenzier-)Schaltungen. Bezogen auf SENSOR_RET bilden R39, R30 und C22 eine Tiefpassfilterschaltung und bezogen auf A Ground bilden R39, R42 und C21 einen weiteren Tiefpassfilter für das Signal REF von dem Referenz-RTD; dieses gefilterte Signal wird als REF_FILT bezeichnet und ist mit dem +IN-Anschluss von U6 verbunden.
Gleichermaßen, bezogen auf REF, bilden R40, R32 und C32 eine Tiefpassfilterschaltung, und bezogen auf A Ground bilden R40, R41 und C21 einen weiteren Tiefpassfilter für das Signal aus dem aktiven RTD; dieses gefilterte Signal wird als ACT_FILT bezeichnet und wird mit dem -IN-Anschluss von U6 verbunden. U6 (AD8237ARMZ) ist ein Instrumentenverstärker (Instrumentation Amplifier), der verwendet wird, um das Differenzsignal zwischen +IN-Anschluss und -IN-Anschluss zu verstärken, mit der Verstärkung von 1 +R21/R22. Und U7A (OPA4313) ist ein Operationsverstärker (Operational Amplifier), der verwendet wird, um den Ausgang von U6 und das CONST_DT_ADJUST(Delta-Temperatur-Sollwert(Delta Temperature Set Point))-Signal mit der Verstärkung von -R3/R14 zu vergleichen, und ein Tiefpassfilter gebildet durch R3 und C16.
In 7B bilden R16, R4, C18, R17, U1B und der obere DPA4313-Operationsverstärker (Op-Amp) das Proportionalelement (P) der PID-Schaltungen. R36, R35 (100k), R37, C1, U1C und der mittlere DPA4313-Operationsverstärker (Op-Amp) bilden das Integrierelement (I) der PID-Schaltungen. R34, C6, R24, R33, U1D, und der untere DPA4313-Operationsverstärker (Op-Amp) bilden das Differenzierelement (D) der PID-Schaltungen. Und R35(10k), R19, R20 und der rechte DPA4313-Operationsverstärker (Op-Amp) bilden eine Summierschaltung, die die P-, I- und D-Signale addiert und das PID_OUT-Signal erzeugt, das verwendet wird, um den Heizstrom (siehe 5B) zu erzeugen.
Bezugnehmend auf 8A, bilden U11B (DPA4313), R76 und Q1 einen Heizstromsteuerkreis; wenn die Differenzspannung zwischen Pin 5 und Pin 6 von U11B positiv ist, wird Q1 angeschaltet, was es dem Heizstrom erlaubt, von HEATER_LO zu AH Ground zu fließen, falls Q9 ebenfalls angeschaltet ist. Gleichermaßen bilden U11A, R46 und Q9 einen weiteren Heizstromsteuerkreis; wenn die Differenzspannung zwischen Pin 3 und Pin 2 von U11A positiv ist, wird Q9 angeschaltet, was es dem Heizstrom erlaubt, von HEATER_LO zu AH Ground zu fließen, wenn Q1 ebenfalls angeschaltet ist. MAX_HTR_ADJUST ist das Gleichstrom(DC)-Signal von einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers (DAC) (vom in 5C gezeigten FE-Digital-Board), das verwendet wird, um den im System erlaubten maximalen Heizstrom einzustellen. Wenn die Spannung an Punkt 5 höher ist als entweder MAX_HTR_ADJUST oder PID_OUT oder höher als beide, wird der Heizstrom verringert bis die Differenztemperatur zwischen dem aktiven RTD und dem Referenz-RTD gleich der gewünschten Delta-Temperatur (Delta-T) ist, die von dem CONST_DT_ADJUST-Signal in 7A eingestellt wird. R64 wird verwendet, um den Heizstrom zu erfassen. R1B, C26, R1A, C27, R47 und C8 bilden Filterschaltkreise für das an R64 erfasste Signal. R98, R97 und U11D bilden eine Heizer-offen/abgeschaltet-Erfassungsschaltung. Und Q8 (FDC5612) wird verwendet, um den Heizer abzustellen, gesteuert durch das HEATER_SHTDWN-Signal.
In 8B, ist U5 (LMH6551MA) ein Differenzial-Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker (Differential High Speed Op Amp), der den efassten Heizstrom verstärkt, mit der Verstärkung von 5, die von R2C, R2D, R1C, R2A, R2B, R1D und R1A und R1B aus 8A eingestellt wird.
Mit Bezug auf 9A, ist U3 (AD8237ARMZ) ein Instrumentenverstärker (Instrumentation Amplifier), der vewendet wird, um die Spannungsdifferenz zwischen dem REF_FILT-Signal und dem SENSRET_FILT-Signal zu verstärken, mit der Verstärkung von 1. U2A (DPA4313) ist ein Puffer für das REF_FILT-Signal.
Mit Bezug auf 9B, bilden U42, U50 und zugehörige Komponenten im oberen, linken Bereich der Zeichnung die Druck-Eingangs-AID-Datenerfassungsschaltung (Pressure Input analog-to-digital data acquisition circuit); U42 (ADS1112IDGST) ist ein 16 Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) und U50 (OPA333AIDBVT) ist ein Puffer für den Druckeingang. U53 (LTC2485IDD#PBF) ist ein 24 Bit-ADC, der verwendet wird, um das Analogsignal des Referenz-RTD in ADC-Counts zur weiteren Verarbeitung durch die eingebettete Software umwandelt. U4 (LTC2485IDD#PBF) ist ein 24-Bit-ADC, der verwendet wird, um das Analog-Signal des Heizstroms in ADC-Counts zur weiteren Verarbeitung durch die eingebettete Software. Und U48 (TMP100MDBVREP) ist ein 16 Bit-ADC-Temperatursensor, der verwendet wird, um die Temperatur um das FE-AST-Analog-Board herum zu überwachen.
In 9C ist U2B (DPA4313) ein Puffer für den aktiven RTD.
Mit Bezug auf 9D ist U55 (LT1236AIS8-5#PBF) eine Päzisionsreferenz, die die +17V-Eingangsspannung aufnimmt und auf einen stabilen +5VREF-Ausgang regelt. U54 (LTC2485IDD#PBF) ist ein 24 Bit-ADC, der verwendet wird, um das Analog-Signal aus dem Delta-R (die Spannungsdifferenz zwischen aktivem RTD und Referenz-RTD) in ADC-Counts zur weiteren Verarbeitung durch die eingebettete Software umzuwandeln.
In 10A bilden U56 (oben), Q7, Q2, Q3 und ihre zugehörigen Komponenten einen Spannungs-Strom-Wandler für Erregerstrom für den aktiven RTD. Ebenso bilden U56 (unten), Q5, Q6, Q4 und deren zugehörige Komponenten einen Spannungs-Strom-Wandler für Erregerstrom für den Referenz-RTD.
Mit Bezug auf 10B ist U51 (ADR01 BRZ) eine 10V-Spannungsreferenz, die den +17V-Spannungseingang aufnimmt und einen Ausgang von 10V erzeugt, der wiederum U56 (oben) und U65 (unten) in 10A versorgt. U49 (OP777ARMZ) ist ein Puffer für die 10 Volt-Ausgabe und liefert höhere Ströme an U56 (oben) und U65 (unten) in 10A.
Der P1-Block von 10C wurde bereits in der Beschreibung von 6C diskutiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO-14164 [0010]

Claims

Massenströmungsmesser für fluide Medien, wobei der Massenströmungsmesser aufweist: einen unbeheizten Referenzsensor mit einem elektrischen Erregereingang und einem Ausgang, einen beheizten aktiven Sensoren mit einem elektrischen Stromeingang und einem Ausgang, wobei die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Ausgang des Referenzsensors und dem des aktiven Sensors kontinuierlich bestimmt wird, eine elektrische Stromquelle, die mit dem aktiven Sensor verbunden ist, eine Steuerung, die den Strom steuert, der an den aktiven Sensor angelegt wird, um ΔT konstant zu halten, bis der angelegte Strom, wenn die Massenströmung steigt, ein vorbestimmtes Maximum erreicht, und den maximalen Stromwert beibehält, wenn die Massenströmung der Medien weiter ansteigt, während ΔT abnimmt, und digitale Schaltungen zur Bestimmung der Massenströmung der Medien, wenn der elektrische Strom bezogen auf die Massenströmungsänderungen geändert wird, und zur Bestimmung der Massenströmung der Medien, wenn ΔT bezogen auf die Massenströmungsänderungen geändert wird, wenn der an den aktiven Sensor angelegte elektrische Strom auf dem vorbestimmten Maximum gehalten wird.
Verfahren zum Messen der Massenströmung eines Fluids unter Verwendung einer Vorrichtung, die aufweist: einen unbeheizten Referenzsensor mit einem Erregereingang und einem Ausgang, einen beheizten aktiven Sensor mit einem elektrischen Stromeingang und einem Ausgang, eine elektrische Erregerquelle für den Referenzsensor und eine elektrische Stromquelle für den aktiven Sensor, wobei das Verfahren aufweist: Konstanthalten der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen dem Referenzsensor und dem aktiven Sensor, wenn die Fluidmassenströmung steigt auf einen vorbestimmten maximalen Stromwert, der an den aktiven Sensor angelegt wird, Messen des elektrischen Stromwerts, wenn dieser ansteigt, in Beziehung auf den Anstieg der Massenströmung der Medien, Bestimmen der Massenströmung bezogen auf den Stromwert, der an den beheizten Sensor angelegt wird, Fortsetzen des Anlegens elektrischen Stroms mit dem vorbestimmten maximalen Wert an den aktiven Sensor, Messen der Temperaturdifferenz ΔT, wenn die Massenströmung ansteigt und der Stromwert, der an den aktiven Sensor angelegt wird, konstant bleibt, und Bestimmen der Massenströmung bezogen auf ΔT-Änderungen, wenn sich die Massenströmung ändert.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner das kontinuierliche Messen von ΔT und des elektrischen Stroms, der an den aktiven Sensor angelegt wird, aufweist.