EP1955020A2 - Device for determining and/or monitoring the mass flow rate of a gaseous medium - Google Patents

Device for determining and/or monitoring the mass flow rate of a gaseous medium

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Publication number
EP1955020A2
EP1955020A2 EP06830257A EP06830257A EP1955020A2 EP 1955020 A2 EP1955020 A2 EP 1955020A2 EP 06830257 A EP06830257 A EP 06830257A EP 06830257 A EP06830257 A EP 06830257A EP 1955020 A2 EP1955020 A2 EP 1955020A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
medium
mass flow
temperature
temperature sensor
corrected value
Prior art date
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Ceased
Application number
EP06830257A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Oliver Popp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP1955020A2 publication Critical patent/EP1955020A2/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/6965—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters comprising means to store calibration data for flow signal calculation or correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/698—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
    • G01P5/12—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables using variation of resistance of a heated conductor

Definitions

  • the invention relates to a thermal or calorimetric device for determining and / or monitoring the flow of a flowing through a pipe or through a measuring tube compressible medium with two temperature sensors and a control / evaluation unit, wherein a first temperature sensor is designed to be heated wherein a second temperature sensor provides information about the current temperature of the medium, wherein the control / evaluation determines the mass flow of the medium based on the temperature difference between the two temperature sensors and / or based on the first temperature sensor heating power, the two temperature sensors in a the Medium-facing region of a housing and are in thermal contact with the flowing through the pipe or through the measuring tube medium.
  • the compressible medium is a gaseous or vaporous medium.
  • thermal flow meters usually use two as possible identically designed temperature sensors.
  • both temperature sensors are usually installed in a measuring tube in which the flow of a measuring medium is measured.
  • one of the two temperature sensors is a so-called passive temperature sensor: it detects the current temperature of the measuring medium.
  • the further temperature sensor is a so-called active temperature sensor, which is heated by means of a heating unit.
  • the heating unit is either an additional resistance heater, or the temperature sensor itself is a resistance element, e.g. around a RTD (Resistance Temperature Device) sensor, which is powered by conversion of an electrical power, e.g. is heated by a corresponding variation of the measuring current.
  • RTD Resistance Temperature Device
  • Temperature sensor so heated that sets a fixed temperature difference between the two temperature sensors.
  • it has also become known to feed a constant heat output via a control / control unit.
  • the cooling of the heated temperature sensor is substantially dependent on the mass flow of the passing colder medium. Heat is removed from the heated temperature sensor due to the flowing medium.
  • a higher heating power for the heated temperature sensor is required.
  • the temperature difference between the two temperature sensors is then a measure of the mass flow through the pipeline or through the measuring tube.
  • the heat transfer coefficient is only a measure of the mass flow of the medium in the pipe or in the measuring tube in a first approximation.
  • process variables For highly accurate measurements, it is necessary to consider other process variables. For a compressible medium, these are pressure, flow rate, and temperature.
  • the invention has for its object to provide a thermal flowmeter for highly accurate measurement of the mass flow of compressible media.
  • control / evaluation unit determines a corrected value for the determined due to the temperature difference or the supplied heat output mass flow due to at least one further process variable of the flowing medium and the corrected value for the mass flow through the pipe or through the measuring tube makes available.
  • the fact is taken into account that with the same mass flow the pressure, the flow velocity and the temperature have an influence on the mass flow.
  • the heat transfer coefficient is dependent in particular on the pressure and the flow velocity, but also on the Temperature of the medium flowing in the pipeline or in the measuring tube. According to a development of the device according to the invention, it can thus be said that the determined corrected value for the mass flow rate is dependent on the flow velocity of the gaseous or vaporous, compressible medium.
  • the Mach number (M) is equal to the quotient of the flow velocity (v ) and the speed of sound c of the gaseous medium.
  • the Mach number can vary considerably depending on the speed of sound of the flowing through the pipe or through the measuring tube medium.
  • hydrogen gas is characterized by a very high speed of sound - which means that the Mach number of hydrogen gas is relatively small - while the speed of sound of carbon dioxide is relatively small, which translates into a relatively large Mach number.
  • the control / evaluation unit can also decide on the basis of appropriate specifications, whether a correction should be made or not. For example, the correction quantity should be at least as large as the measurement error.
  • the value of the constant const. determined experimentally.
  • FIG. 2 is a graph showing heating power and flow rate versus pressure.
  • 4a is a graph showing the dependence of the heating power on the mass flow of air for corrected and uncorrected values at two different pressures
  • Fig. 4b a diagram showing the dependence of the heating power of the
  • Fig. 4c a diagram showing the dependence of the heating power of the
  • Mass flow of hydrogen for corrected and uncorrected values at two represents different pressures
  • Fig. 41 is a diagram showing the dependence of the heating power of the
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the thermal flow meter 1 according to the invention with thermal flow sensor 6 and transmitter 7.
  • the flow meter 1 is a screw thread 9 in a nozzle 4, which is located on the pipe 2, attached.
  • the pipe 2 is the flowing medium 3.
  • the temperature measuring device which is an essential part of the sensor 6, is located in the region of the housing 5, which faces the medium 3.
  • Temperature sensors 11, 12 to an electrically heatable resistance element act.
  • a conventional temperature sensor e.g. a PtIOO or PtIOOO or a thermocouple to which a thermally coupled heating unit 13 is assigned.
  • the heating unit 13 is arranged in the housing 5 in FIG. 1 and thermally coupled to the heatable temperature sensor 11, 12, but largely decoupled from the medium.
  • the coupling or decoupling is preferably carried out via the filling of the corresponding intermediate spaces with a thermally highly conductive or a thermally poorly conductive material.
  • this is a potting material used.
  • the flowmeter 1 With the flowmeter 1, it is possible to continuously measure the mass flow rate; Alternatively, it is possible to use the flow meter 1 as a switch, which always indicates the change of a switching state when at least a predetermined limit is exceeded or exceeded.
  • both temperature sensors 11, 12 are designed to be heatable, wherein the desired function of the first temperature sensor 11 or the second temperature sensor 12 of the rule / Evaluation unit 10 is determined.
  • the control / evaluation unit 10 it is possible for the control / evaluation unit 10 to actuate the two temperature sensors 11, 12 alternately as active or passive temperature sensors 11, 12 and to determine the flow measured value via an averaging of the measured values supplied by the two temperature sensors 11, 12.
  • Flow rate v is plotted against different prevailing in the pipeline 2 or in the measuring tube pressures p.
  • the temperature T and the mass flow are kept constant.
  • the heating power Q rises steeply depending on the prevailing pressure in the pipe 2 and then passes in the range above 2 bar in a curve Q (p) with a moderate slope over.
  • I Q has a definite dependence on the Mach number M.
  • the dependence can be described by the following formula: [0032]
  • Fig. 3 shows a diagram showing the functional relationship between the normalized heating power
  • FIGS. 4a, 4b, 4c and 4d show the uncorrected measured values of a thermal flow meter 1 and the corresponding measured values corrected according to the invention against the mass flow. It is clear from the figures that the corrected measured values correlate with the mass flow almost independently of the pressure: They are characterized by a clear and unambiguous dependence on the mass flow.
  • FIG. 4 a shows the functional dependence of the heating power Q, which is essentially dominated only by the mass flow rate, when air flows through the pipeline 2 or the measuring tube. The corrected values are almost independent of the pressure.
  • Figures 4b, 4c and 4d show the corresponding diagrams for methane, hydrogen and carbon dioxide. Here, methane has the largest Mach number M with 0.3, while hydrogen has the lowest Mach number M with 0.05. ] List of reference numerals

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Abstract

The invention relates to a device for determining and/or monitoring the mass flow rate of a gaseous medium through a conduit (2) or through a measuring tube. Said device has at least two temperature sensors (11, 12) and a control/evolution unit (10), both temperature sensors (11, 12) being located in a region of the housing (5) facing the medium (3) and being in thermal contact with the medium (3) flowing through the conduit (2) or through the measuring tube. A first temperature sensor (11) is configured so as to be heatable and a second temperature sensor (12) provides data on the actual temperature of the medium. The control/evaluation unit (10) determines the mass flow rate of the medium (3) using the difference in temperature (ΔT) between the two temperature sensors (11, 12) and/or using the heating capacity (Q) fed to the first temperature sensor (11). The control/evaluation unit, using at least one additional process variable (p, T, v) of the flowing medium (3), determines a corrected value for the mass flow rate determined using the difference in temperature (ΔT) or the heating capacity (Q) and makes available a corrected value (Qmc) for the mass flow rate through the conduit (2) or through the measuring tube.

Description

Beschreibung description
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses eines gasförmigen MediumsDevice for determining and / or monitoring the mass flow rate of a gaseous medium
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische bzw. kalorimetrische Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines durch eine Rohrleitung oder durch ein Messrohr strömenden kompressiblen Mediums mit zwei Temperatursensoren und einer Regel-/ Auswerteeinheit, wobei ein erster Temperatursensor beheizbar ausgestaltet ist, wobei ein zweiter Temperatursensor Information über die aktuelle Temperatur des Mediums bereitstellt, wobei die Regel- /Auswerteeinheit anhand der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren und/oder anhand der dem ersten Temperatursensor zugeführten Heizleistung den Massedurchfluss des Mediums bestimmt, wobei die beiden Temperatursensoren in einem dem Medium zugewandten Bereich eines Gehäuses angeordnet und in thermischem Kontakt mit dem durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr strömende Medium sind. Bei dem kompressiblen Medium handelt es sich um ein gasförmiges oder ein dampfförmiges Medium.The invention relates to a thermal or calorimetric device for determining and / or monitoring the flow of a flowing through a pipe or through a measuring tube compressible medium with two temperature sensors and a control / evaluation unit, wherein a first temperature sensor is designed to be heated wherein a second temperature sensor provides information about the current temperature of the medium, wherein the control / evaluation determines the mass flow of the medium based on the temperature difference between the two temperature sensors and / or based on the first temperature sensor heating power, the two temperature sensors in a the Medium-facing region of a housing and are in thermal contact with the flowing through the pipe or through the measuring tube medium. The compressible medium is a gaseous or vaporous medium.
[0002] Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte verwenden meist zwei möglichst gleichartig ausgestaltete Temperatursensoren. Für industrielle Anwendung sind beide Temperatursensoren üblicherweise in ein Messrohr eingebaut, in dem der Durchfluss eines Messmediums gemessen wird. Wie bereits zuvor erwähnt, ist einer der beiden Temperatursensoren ein sog. passiver Temperatursensor: er erfasst die aktuelle Temperatur des Messmediums. Bei dem weiteren Temperatursensor handelt es sich um einen sog. aktiven Temperatursensor, der mittels einer Heizeinheit beheizt wird. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung vorgesehen, oder bei dem Temperatursensor selbst handelt es sich um ein Widerstandselement, z.B. um einen RTD-(Resistance Temperature Device) Sensor, der durch Umsetzung einer elektrischen Leistung, z.B. durch eine entsprechende Variation des Messstroms erwärmt wird.Conventional thermal flow meters usually use two as possible identically designed temperature sensors. For industrial applications, both temperature sensors are usually installed in a measuring tube in which the flow of a measuring medium is measured. As already mentioned above, one of the two temperature sensors is a so-called passive temperature sensor: it detects the current temperature of the measuring medium. The further temperature sensor is a so-called active temperature sensor, which is heated by means of a heating unit. The heating unit is either an additional resistance heater, or the temperature sensor itself is a resistance element, e.g. around a RTD (Resistance Temperature Device) sensor, which is powered by conversion of an electrical power, e.g. is heated by a corresponding variation of the measuring current.
[0003] Üblicherweise wird in einem thermischen Durchflussmessgerät der beheizbareUsually, in a thermal flow meter, the heatable
Temperatursensor so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren einstellt. Alternativ ist es auch bekannt geworden, über eine Regel-/Steuereinheit eine konstante Heizleistung einzuspeisen.Temperature sensor so heated that sets a fixed temperature difference between the two temperature sensors. Alternatively, it has also become known to feed a constant heat output via a control / control unit.
[0004] Tritt in dem Messrohr kein Durchfluss auf, so wird eine konstante Wärmemenge zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperaturdifferenz benötigt. Ist hingegen das zu messende Medium in Bewegung, ist die Abkühlung des beheizten Temperatursensors wesentlich von dem Massestrom des vorbeiströmenden kälteren Mediums abhängig. Durch das vorbeiströmende Medium wird Wärme von dem beheizten Temperatursensor abtransportiert. Um also bei einem strömenden Medium die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren aufrecht zu erhalten, ist folglich eine höhere Heizleistung für den beheizten Temperatursensor erforderlich. Im Falle der Einspeisung einer zeitkonstanten Heizleistung verringert sich infolge des Durchflusses des Mediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren. Die Änderung ist dann ein Maß für den Massestrom durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr.If no flow occurs in the measuring tube, a constant amount of heat is required to maintain the predetermined temperature difference. Is on the other hand the medium to be measured in motion, the cooling of the heated temperature sensor is substantially dependent on the mass flow of the passing colder medium. Heat is removed from the heated temperature sensor due to the flowing medium. Thus, in order to maintain the fixed temperature difference between the two temperature sensors in a flowing medium, consequently, a higher heating power for the heated temperature sensor is required. In the case of the supply of a time-constant heating power decreases due to the flow of the medium, the temperature difference between the two temperature sensors. The change is then a measure of the mass flow through the pipeline or through the measuring tube.
[0005][0005]
[0006] Es besteht somit ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des Temperatursensors notwendigen Heizenergie und dem Massestrom durch eine Rohrleitung bzw. durch ein Messrohr. Generell lässt sich sagen, dass der Wärmeübertragungskoeffizient abhängig ist von dem Massestrom des Mediums durch das Messrohr bzw. durch die Rohrleitung. Thermische Durchflussmessgeräte, die auf dem zuvor beschriebenen Prinzip beruhen, werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung 't-mass' angeboten und vertrieben.There is thus a functional relationship between the heat energy necessary for heating the temperature sensor and the mass flow through a pipe or through a measuring tube. In general, it can be said that the heat transfer coefficient is dependent on the mass flow of the medium through the measuring tube or through the pipeline. Thermal flowmeters based on the principle described above are offered and sold by the applicant under the name 't-mass'.
[0007] Es hat sich nun herausgestellt, dass der Wärmeübertragungskoeffizient nur in erster Näherung ein Maß für den Massestrom des Mediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr ist. Für hochgenaue Messungen ist es erforderlich, weitere Prozessgrößen zu berücksichtigen. Bei einem kompressiblen Medium sind dies der Druck, die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur.It has now been found that the heat transfer coefficient is only a measure of the mass flow of the medium in the pipe or in the measuring tube in a first approximation. For highly accurate measurements, it is necessary to consider other process variables. For a compressible medium, these are pressure, flow rate, and temperature.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermisches Durchflussmessgerät für die hochgenaue Messung des Massestroms von kompressiblen Medien vorzuschlagen.The invention has for its object to provide a thermal flowmeter for highly accurate measurement of the mass flow of compressible media.
[0009] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Regel-/ Auswerteeinheit aufgrund von zumindest einer weiteren Prozessgröße des strömenden Mediums einen korrigierten Wert für den aufgrund der Temperaturdifferenz bzw. der zugeführten Heizleistung bestimmten Massedurchfluss ermittelt und den korrigierten Wert für den Massedurchfluss durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr zur Verfügung stellt. Erfindungsgemäß wird somit die Tatsache berücksichtigt, dass bei gleichem Massestrom der Druck, die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur einen Einfluss auf den Massestrom haben. Der Wärmeübergangskoeffizient ist insbesondere abhängig von dem Druck und der Strömungsgeschwindigkeit, aber auch von der Temperatur des in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr strömenden Mediums. Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich somit sagen, dass der ermittelte korrigierte Wert für den Massedurchfluss abhängig ist von der Strömungsgeschwindigkeit des gas- bzw. dampfförmigen, kompressiblen Mediums.The object is achieved in that the control / evaluation unit determines a corrected value for the determined due to the temperature difference or the supplied heat output mass flow due to at least one further process variable of the flowing medium and the corrected value for the mass flow through the pipe or through the measuring tube makes available. Thus, according to the invention, the fact is taken into account that with the same mass flow the pressure, the flow velocity and the temperature have an influence on the mass flow. The heat transfer coefficient is dependent in particular on the pressure and the flow velocity, but also on the Temperature of the medium flowing in the pipeline or in the measuring tube. According to a development of the device according to the invention, it can thus be said that the determined corrected value for the mass flow rate is dependent on the flow velocity of the gaseous or vaporous, compressible medium.
[0010] Als besonders vorteilhaft wird es im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung angesehen, wenn der korrigierte Wert für den Massedurchfluss in Abhängigkeit von der Machzahl des strömenden gasförmigen Mediums ermittelt wird, wobei die Machzahl (M) gleich ist dem Quotienten aus der Strömungsgeschwindigkeit (v) und der Schallgeschwindigkeit c des gasförmigen Mediums. Bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit kann die Machzahl in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit des durch die Rohrleitung oder durch das Messrohr strömenden Mediums erheblich variieren. So zeichnet sich beispielsweise Wasserstoffgas durch eine sehr hohe Schallgeschwindigkeit auf - was heißt, dass die Machzahl von Wasserstoffgas relativ klein ist -, während die Schallgeschwindigkeit von Kohlendioxid relativ klein ist, was sich in einer relativ großen Machzahl niederschlägt.It is considered particularly advantageous in the context of the present invention, when the corrected value for the mass flow in dependence on the Mach number of the flowing gaseous medium is determined, wherein the Mach number (M) is equal to the quotient of the flow velocity (v ) and the speed of sound c of the gaseous medium. At the same flow rate, the Mach number can vary considerably depending on the speed of sound of the flowing through the pipe or through the measuring tube medium. For example, hydrogen gas is characterized by a very high speed of sound - which means that the Mach number of hydrogen gas is relatively small - while the speed of sound of carbon dioxide is relatively small, which translates into a relatively large Mach number.
[0011] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der korrigierte Wert für die dem ersten beheizbaren Temperatursensor zuzuführende Leistung nach folgender Formel berechnet wird:According to an advantageous embodiment of the device according to the invention it is provided that the corrected value for the power supplied to the first heatable temperature sensor is calculated according to the following formula:
[0012][0012]
Q01C = Q - const. λ \ + —1 ^ -Mι 1 - 1Q 01 C = Q - const. λ \ + - 1 ^ -M ι 1 - 1
[0013] Hierbei ist[0013] Here is
Qιnc die dem beheizbaren Temperatursensor zugeführte Heizleistung im Bereich kleinerQ ιnc the heating temperature supplied to the heated temperature sensor in the area smaller
Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums, wenn also gilt: v « c. In diesem Bereich verhält sich das strömende Medium wie ein inkompressibles Medium. Q ist die dem beheizbaren Temperatursensor bei einer gegebenen Geschwindigkeit zugeführteFlow velocities of the medium, if: v «c. In this area, the flowing medium behaves like an incompressible medium. Q is the temperature supplied to the heated temperature sensor at a given speed
Heizleistung. ϊ ist der Isentropenexponent des Gases, und c ist die Schallgeschwindigkeit. BeideHeating capacity. ϊ is the isentropic exponent of the gas, and c is the speed of sound. Both
Größen sind generell vom Gas sowie von dem thermodynamischen Zustand des Gases abhängig. Das Verhältnis von Qιnc zu Q entspricht somit der auf die zugeführte Heizleistung bei inkompressiblen Medien normierten Heizleistung des erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts.Sizes are generally dependent on the gas as well as the thermodynamic state of the gas. The ratio of Q ιnc to Q thus corresponds to the normalized to the supplied heating power at incompressible media heat output of the thermal flow meter according to the invention.
[0014] Aufgrund der quadratischen Abhängigkeit der normierten Heizleistung von der Machzahl ist eine Berücksichtigung der weiteren Prozessgrößen bzw. eine entsprechende Korrektur des Massedurchflusses eines kompressiblen Mediums um so wichtiger, je größer die Machzahl ist. Das heißt einerseits, dass bei gleicher Schallgeschwindigkeit die Korrektur um so wichtiger wird, je höher die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr ist. Andererseits bedeutet es, dass eine Korrektur aufgrund einer Druckänderung bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit um so wichtiger wird, je größer die Schallgeschwindigkeit in dem gas- oder dampfförmigen Medium ist. So kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die Korrekturmöglichkeit von dem Bediener ein- und ausgeschaltet wird, wenn dies erforderlich scheint. Alternativ kann die Regel-/ Auswerteeinheit aufgrund entsprechender Vorgaben auch selbst entscheiden, ob eine Korrektur erfolgen soll oder nicht. Beispielsweise sollte die Korrekturgröße mindestens so groß sein wie der Messfehler.Due to the quadratic dependence of the normalized heating power of the Mach number is a consideration of the other process variables or a corresponding correction of the mass flow of a compressible medium the more important, the greater the Mach number. On the one hand, this means that with the same speed of sound, the correction becomes more important, the higher the flow velocity of the medium in the pipeline or in the measuring tube. On the other hand, it means that a correction due to a pressure change at the same flow velocity becomes the more important the greater the speed of sound in the gaseous or vaporous medium. Thus, according to the invention, provision may also be made for the correction possibility to be switched on and off by the operator if this appears necessary. Alternatively, the control / evaluation unit can also decide on the basis of appropriate specifications, whether a correction should be made or not. For example, the correction quantity should be at least as large as the measurement error.
[0015] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Wert der Konstanten const. experimentell ermittelt.According to a preferred embodiment of the device according to the invention, the value of the constant const. determined experimentally.
[0016] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
[0017] Fig. 1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen thermischen Durchflus smes sgeräts ,1 shows a schematic representation of the thermal flow meter according to the invention,
[0018] Fig. 2: ein Diagramm, das die Heizleistung und die Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Druck darstellt,FIG. 2 is a graph showing heating power and flow rate versus pressure. FIG.
[0019] Fig. 3: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Heizleistung von der Machzahl wiedergibt,3 is a graph showing the dependence of the heating power on the Mach number,
[0020] Fig. 4a: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Heizleistung von dem Massedurchfluss von Luft für korrigierte und nicht korrigierte Werte bei zwei unterschiedlichen Drücken darstellt,4a is a graph showing the dependence of the heating power on the mass flow of air for corrected and uncorrected values at two different pressures,
[0021] Fig. 4b: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Heizleistung von demFig. 4b: a diagram showing the dependence of the heating power of the
Massedurchfluss von Methan für korrigierte und nicht korrigierte Werte bei zwei unterschiedlichen Drücken darstellt,Represents mass flow of methane for corrected and uncorrected values at two different pressures,
[0022] Fig. 4c: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Heizleistung von demFig. 4c: a diagram showing the dependence of the heating power of the
Massedurchfluss von Wasserstoff für korrigierte und nicht korrigierte Werte bei zwei unterschiedlichen Drücken darstellt, undMass flow of hydrogen for corrected and uncorrected values at two represents different pressures, and
[0023] Fig. 41: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Heizleistung von demFig. 41 is a diagram showing the dependence of the heating power of the
Massedurchfluss von Kohlendioxid für korrigierte und nicht korrigierte Werte bei zwei unterschiedlichen Drücken darstellt.Represents mass flow of carbon dioxide for corrected and uncorrected values at two different pressures.
[0024] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts 1 mit thermischem Durchflusssensor 6 und Messumformer 7. Das Durchflussmessgerät 1 ist über ein Schraubgewinde 9 in einem Stutzen 4, der sich an der Rohrleitung 2 befindet, befestigt. In der Rohrleitung 2 befindet sich das strömende Medium 3. Alternativ ist es möglich, das Durchflussmessgerät 1 mit integriertem Messrohr als Inline-Messgerät auszubilden.Fig. 1 shows a schematic representation of the thermal flow meter 1 according to the invention with thermal flow sensor 6 and transmitter 7. The flow meter 1 is a screw thread 9 in a nozzle 4, which is located on the pipe 2, attached. In the pipe 2 is the flowing medium 3. Alternatively, it is possible to form the flowmeter 1 with integrated measuring tube as an inline measuring device.
[0025] Die Temperaturmesseinrichtung, die wesentlicher Teil des Sensors 6 ist, befindet sich in dem bereich des Gehäuses 5, der dem Medium 3 zugewandt ist. Die Ansteuerung der Temperatursensoren 11, 12 und/oder die Auswertung der von den Temperatursensoren 11, 12 gelieferten Messsignale erfolgt über die Regel- /Auswerteeinheit 10, die im gezeigten Fall im Messumformer 7 angeordnet ist. Über die Verbindung 8 erfolgt die Kommunikation mit einer entfernten, in der Fig. 1 nicht gesondert dargestellten Kontrollstelle.The temperature measuring device, which is an essential part of the sensor 6, is located in the region of the housing 5, which faces the medium 3. The control of the temperature sensors 11, 12 and / or the evaluation of the measurement signals supplied by the temperature sensors 11, 12 via the control / evaluation unit 10, which is arranged in the case shown in the transmitter 7. Via the connection 8, the communication with a remote, not separately shown in FIG. 1 control point.
[0026] Wie bereits zuvor erwähnt, kann es sich bei zumindest einem der beidenAs mentioned above, it can be at least one of the two
Temperatursensoren 11, 12 um ein elektrisch beheizbares Widerstandselement, um einen sog. RTD-Sensoren, handeln. Selbstverständlich kann in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung auch ein üblicher Temperatursensor, z.B. ein PtIOO oder PtIOOO oder ein Thermoelement eingesetzt werden, dem eine thermisch angekoppelte Heizeinheit 13 zugeordnet ist. Die Heizeinheit 13 ist in der Fig. 1 im Gehäuse 5 angeordnet und thermisch an den beheizbaren Temperatursensor 11, 12 gekoppelt, aber von dem Medium weitgehend entkoppelt. Die Ankopplung bzw. die Entkopplung erfolgt bevorzugt über die Auffüllung der entsprechenden Zwischenräume mit einem thermisch gut leitenden bzw. einem thermisch schlecht leitenden Material. Bevorzugt kommt hierzu ein Vergussmaterial zum Einsatz.Temperature sensors 11, 12 to an electrically heatable resistance element, a so-called RTD sensors, act. Of course, in connection with the solution according to the invention, a conventional temperature sensor, e.g. a PtIOO or PtIOOO or a thermocouple to which a thermally coupled heating unit 13 is assigned. The heating unit 13 is arranged in the housing 5 in FIG. 1 and thermally coupled to the heatable temperature sensor 11, 12, but largely decoupled from the medium. The coupling or decoupling is preferably carried out via the filling of the corresponding intermediate spaces with a thermally highly conductive or a thermally poorly conductive material. Preferably, this is a potting material used.
[0027] Mit dem Durchflussmessgerät 1 ist es möglich, den Massedurchfluss kontinuierlich zu messen; alternativ ist es möglich, das Durchflussmessgerät 1 als Schalter zu verwenden, der immer dann die Änderung eines Schaltzustandes anzeigt, wenn zumindest ein vorgegebener Grenzwert unter- oder überschritten wird.With the flowmeter 1, it is possible to continuously measure the mass flow rate; Alternatively, it is possible to use the flow meter 1 as a switch, which always indicates the change of a switching state when at least a predetermined limit is exceeded or exceeded.
[0028] Vorteilhafter Weise ist darüber hinaus vorgesehen, dass beide Temperatursensoren 11, 12 beheizbar ausgestaltet sind, wobei die gewünschte Funktion des ersten Temperatursensors 11 oder des zweiten Temperatursensors 12 von der Regel/ Auswerteeinheit 10 bestimmt ist. Beispielsweise ist es möglich, dass die Regel- /Auswerteeinheit 10 die beiden Temperatursensoren 11, 12 alternierend als aktiven oder passiven Temperatursensor 11, 12 ansteuert und den Durchflussmesswert über eine Mittelung der von beiden Temperatursensoren 11, 12 gelieferten Messwerte bestimmt.Advantageously, it is further provided that both temperature sensors 11, 12 are designed to be heatable, wherein the desired function of the first temperature sensor 11 or the second temperature sensor 12 of the rule / Evaluation unit 10 is determined. For example, it is possible for the control / evaluation unit 10 to actuate the two temperature sensors 11, 12 alternately as active or passive temperature sensors 11, 12 and to determine the flow measured value via an averaging of the measured values supplied by the two temperature sensors 11, 12.
[0029] Bei dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm sind die Heizleistung Q und dieIn the diagram shown in Fig. 2, the heating power Q and the
Strömungsgeschwindigkeit v gegen unterschiedliche in der Rohrleitung 2 oder in dem Messrohr herrschende Drücke p aufgetragen. Die Temperatur T und der Massedurchfluss sind jeweils konstant gehalten. Im Bereich von lbar bis 2bar steigt die Heizleistung Q in Abhängigkeit von dem in der Rohrleitung 2 herrschenden Druck p steil an und geht dann im Bereich oberhalb von 2 bar in eine Kurve Q(p) mit einer gemäßigten Steigung über.Flow rate v is plotted against different prevailing in the pipeline 2 or in the measuring tube pressures p. The temperature T and the mass flow are kept constant. In the range from 1 bar to 2 bar, the heating power Q rises steeply depending on the prevailing pressure in the pipe 2 and then passes in the range above 2 bar in a curve Q (p) with a moderate slope over.
[0030] Die Kurve, bei der die Strömungsgeschwindigkeit v in Abhängigkeit von dem in der Rohrleitung 2 oder in dem Messrohr herrschenden Druck p dargestellt ist, weist ein analoges Steigungsverhalten auf - allerdings ist das Vorzeichen entgegengesetzt. Im Bereich kleiner Drücke p fällt die Kurve v(p) relativ stark ab und zeigt im Bereich oberhalb von 2 bar eine deutlich abgeflachte negative Steigung. Um den Massedurchfluss durch die Rohrleitung 2 bzw. durch das Messrohr hochgenau zu messen, muss folglich der Einfluss der unterschiedlichen Prozessgrößen v, p, T auf den Massedurchfluss berücksichtigt werden.The curve in which the flow velocity v is shown as a function of the prevailing in the pipeline 2 or in the measuring tube pressure p, has an analog slope behavior - but the sign is opposite. In the region of low pressures p, the curve v (p) drops relatively sharply and shows a clearly flattened negative slope in the range above 2 bar. In order to measure the mass flow through the pipeline 2 or through the measuring tube with high precision, the influence of the different process variables v, p, T on the mass flow must therefore be taken into account.
[0031] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, zeigt die normierte GrößeAccording to a preferred embodiment of the device according to the invention, shows the normalized size
Qmc Q mc
I Q eine eindeutige Abhängigkeit von der Machzahl M auf. Insbesondere lässt sich die Abhängigkeit durch die folgende Formel beschreiben: [0032]I Q has a definite dependence on the Mach number M. In particular, the dependence can be described by the following formula: [0032]
Q01C = Q - const. λ \ + —1 ^ -Mι 1 - 1Q 01 C = Q - const. λ \ + - 1 ^ -M ι 1 - 1
[0033] Hierbei ist[0033] Here is
Qιnc die dem beheizbaren Temperatursensor 11 zugeführte Heizleistung Q im Bereich kleiner Strömungsgeschwindigkeiten v des Mediums 3, wenn also gilt: v « c. In diesem Bereich verhält sich das strömende Medium 3 wie ein inkompressibles Medium. Q ist die dem beheizbaren Temperatursensor 11 bei einer gegebenenQ ιnc the heating temperature Q supplied to the heatable temperature sensor 11 in the range of small flow velocities v of the medium 3, if therefore: v «c. In this area, the flowing medium 3 behaves like an incompressible Medium. Q is the heatable temperature sensor 11 at a given
Geschwindigkeit zugeführte Heizleistung. ϊ ist der Isentropenexponent des Gases, und c ist die Schallgeschwindigkeit. BeideSpeed supplied heating power. ϊ is the isentropic exponent of the gas, and c is the speed of sound. Both
Größen sind generell vom Gas und von dem thermodynamischen Zustand des Gases abhängig. Das Verhältnis vonSizes are generally dependent on the gas and the thermodynamic state of the gas. The ratio of
Q„lc zu Q entspricht somit der auf die zugeführte Heizleistung Q bei inkompressiblen Medien normierte HeizleistungQ " lc to Q thus corresponds to the heating power normalized to the supplied heating power Q for incompressible media
des erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts 1.of the thermal flow meter 1 according to the invention.
[0034] Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das den funktionalen Zusammenhang zwischen der normierten HeizleistungFig. 3 shows a diagram showing the functional relationship between the normalized heating power
Q„lc Q " lc
/Q und einer von der Machzahl M abhängigen Funktion wiedergibt. Insbesondere besteht eine quadratische Abhängigkeit zwischen/ Q and a function dependent on the Mach number M. In particular, there is a quadratic dependence between
/Q und der Machzahl M. Explizit lässt sie sich die Abhängigkeit durch die bereits im Zusammenhang mit der Fig. 2 angeführten Funktion mathematisch darstellen./ Q and the Mach number M. Explicitly, it can be mathematically represented by the dependence by the function already mentioned in connection with FIG.
[0035] In den Figuren Fig. 4a, Fig. 4b, Fig. 4c und Fig. 4d sind die unkorrigierten Messwerte eines thermischen Durchflussmessgeräts 1 und die entsprechenden erfindungsgemäß korrigierten Messwerte gegen den Massedurchfluss aufgetragen. Anhand der Figuren ist klar ersichtlich, dass die korrigierten Messwerte nahezu unabhängig vom Druck mit dem Massedurchfluss korrelieren: Sie zeichnen sich durch eine klare und eindeutige Abhängigkeit vom Massedurchfluss aus.FIGS. 4a, 4b, 4c and 4d show the uncorrected measured values of a thermal flow meter 1 and the corresponding measured values corrected according to the invention against the mass flow. It is clear from the figures that the corrected measured values correlate with the mass flow almost independently of the pressure: They are characterized by a clear and unambiguous dependence on the mass flow.
[0036] Wie aus einem Vergleich der Figuren Fig. 4a, Fig. 4b, Fig. 4c, Fig. 4d untereinander ersichtlich ist, gilt diese Aussage darüber hinaus auch für die unterschiedlichsten Medien. In Fig. 4a ist die funktionale, im Wesentlichen nur noch von dem Massedurchfluss dominierte Abhängigkeit der Heizleistung Q dargestellt, wenn Luft durch die Rohrleitung 2 bzw. das Messrohr strömt. Die korrigierten Werte sind nahezu unabhängig vom Druck. Fig. 4b, Fig. 4c und Fig. 4d zeigen die entsprechenden Diagramme für Methan, Wasserstoff und Kohlendioxid. Hierbei hat Methan mit 0.3 die größte Machzahl M, während Wasserstoff die niedrigste Machzahl M mit 0,05 aufweist. ] BezugszeichenlisteAs can be seen from a comparison of the figures Fig. 4a, Fig. 4b, Fig. 4c, Fig. 4d with each other, this statement also applies to a variety of media. FIG. 4 a shows the functional dependence of the heating power Q, which is essentially dominated only by the mass flow rate, when air flows through the pipeline 2 or the measuring tube. The corrected values are almost independent of the pressure. Figures 4b, 4c and 4d show the corresponding diagrams for methane, hydrogen and carbon dioxide. Here, methane has the largest Mach number M with 0.3, while hydrogen has the lowest Mach number M with 0.05. ] List of reference numerals
1. Thermisches Durchflussmessgerät1. Thermal flowmeter
2. Rohrleitung / Messrohr2nd pipeline / measuring tube
3. Messmedium3. Measuring medium
4. Stutzen4. neck
5. Gehäuse5. Housing
6. Sensor6. Sensor
7. Umformer7. Converter
8. Verbindungsleitung8. Connecting line
9. Gewinde9. Thread
10. Regel-/Auswerteeinheit10. Control / evaluation unit
11. Erster Temperatursensor11. First temperature sensor
12. Zweiter Temperatursensor12. Second temperature sensor
13. Heizeinheit 13. Heating unit

Claims

Ansprücheclaims
[0001] 1. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses eines gasförmigen Mediums durch eine Rohrleitung (2) bzw. durch ein Messrohr mit zwei Temperatursensoren (11, 12) und einer Regel-/ Auswerteeinheit (10), wobei die beiden Temperatursensoren (11, 12) in einem dem Medium (3) zugewandten Bereich eines Gehäuses (5) angeordnet und in thermischem Kontakt mit dem durch die Rohrleitung (2) bzw. durch das Messrohr strömende Medium (3) sind, wobei ein erster Temperatursensor (11) beheizbar ausgestaltet ist, wobei ein zweiter Temperatursensor (12) Information über die aktuelle Temperatur des Mediums (3) bereitstellt, wobei die Regel-/ Auswerteeinheit (10) anhand der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen den beiden Temperatursensoren (11, 12) und/oder anhand der dem ersten Temperatursensor (11) zugeführten Heizleistung (Q) den Massedurchfluss des Mediums (3) bestimmt und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) aufgrund von zumindest einer weiteren Prozessgröße (p, T, v) des strömenden Mediums (3) einen Korrigierten Wert für den aufgrund der Temperaturdifferenz (ΔT) bzw. der zugeführten Heizleistung bestimmten Massedurchfluss ermittelt und einen korrigierten Wert für den Massedurchfluss durch die Rohrleitung (2) bzw. durch das Messrohr zur Verfügung stellt.1. Device for determining and / or monitoring the mass flow of a gaseous medium through a pipe (2) or through a measuring tube with two temperature sensors (11, 12) and a control / evaluation unit (10), wherein the two temperature sensors (11, 12) are arranged in a region of a housing (5) facing the medium (3) and in thermal contact with the medium (3) flowing through the pipeline (2) or through the measuring tube, wherein a first temperature sensor (11 ), wherein a second temperature sensor (12) provides information about the current temperature of the medium (3), the control / evaluation unit (10) based on the temperature difference (.DELTA.T) between the two temperature sensors (11, 12) and / or based on the heating power (Q) supplied to the first temperature sensor (11) determines the mass flow rate of the medium (3) and wherein the control / evaluation unit (10) due to at least one further process variable (p, T , v) of the flowing medium (3) determines a corrected value for the mass flow determined on the basis of the temperature difference (ΔT) or the supplied heating power and makes available a corrected value for the mass flow through the pipe (2) or through the measuring pipe.
[0002] 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der korrigierte Wert abhängig ist von der2. Device according to claim 1, wherein the corrected value is dependent on the
Strömungsgeschwindigkeit (v) des gasförmigen Mediums (2).Flow velocity (v) of the gaseous medium (2).
[0003] 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der korrigierte Wert abhängig ist von der3. Device according to claim 1, wherein the corrected value depends on the
Machzahl (M) des strömenden gasförmigen Mediums (3), wobei die Machzahl (M) gleich ist dem Quotienten aus Strömungsgeschwindigkeit (v) und der Schallgeschwindigkeit ( c) des gasförmigen Mediums (3).Mach number (M) of the flowing gaseous medium (3), where the Mach number (M) is equal to the quotient of flow velocity (v) and the speed of sound (c) of the gaseous medium (3).
[0004] 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei sich der korrigierte Wert (4. Apparatus according to claim 3, wherein the corrected value (
) für die dem ersten beheizbaren Temperatursensor (11) zuzuführende Leistung nach folgender Formel berechnet:) is calculated for the power supplied to the first heatable temperature sensor (11) according to the following formula:
Q1n, = Q - constA l + ^-M- 1-1Q 1n , = Q - constA l + ^ -M- 1-1
, wobei, in which
Qmc die dem beheizbaren Temperatursensor (11) zugeführte Energie bei einer kleinen Strömungsgeschwindigkeit (v) des Mediums (3) ist, wenn also gilt: v « c, wobei Y der Isentropenexponent des Gases und c die Schallgeschwindigkeit des Gases. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei es sich bei der Konstanten ( const.) um einen experimentell ermittelten Wert handelt. Q mc the energy supplied to the heatable temperature sensor (11) at a small Flow velocity (v) of the medium (3) is, therefore, if: v «c, where Y is the isentropic exponent of the gas and c is the speed of sound of the gas. 5. Apparatus according to claim 4, wherein the constant (const.) Is an experimentally determined value.
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