WO2016034161A1 - Kalorimetrisches messverfahren und vorrichtung - Google Patents

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WO2016034161A1
WO2016034161A1 PCT/DE2015/000434 DE2015000434W WO2016034161A1 WO 2016034161 A1 WO2016034161 A1 WO 2016034161A1 DE 2015000434 W DE2015000434 W DE 2015000434W WO 2016034161 A1 WO2016034161 A1 WO 2016034161A1
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heating element
heating
medium
signal
power
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PCT/DE2015/000434
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Reinhard Kramer
Otto MÄRTEN
Volker Brandl
Stefan Wolf
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Primes Gmbh Messtechnik Für Die Produktion Mit Laserstrahlung
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Publication date
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    • G—PHYSICS
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Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for calorimetric measurement of a flowing medium.
  • the method can be used to determine the volume flow of a medium.
  • the method can also be used to measure amounts of heat introduced into a flowing medium.
  • the invention is suitable for continuous measurement with high accuracy.
  • This category includes calorimetric measurements that can potentially achieve high accuracy.
  • Calorimetric flow measurements can be structured differently depending on which parameters are known and which quantities are to be measured. The basic principle is always the same. A quantity of heat is introduced into a flowing medium and by temperature measurements, the flow of the medium is determined.
  • a flow sensor with a heating element and two downstream temperature sensors is known. Both temperature sensors sequentially detect a transferred from the heating element to the flowing medium heat packet. The mass flow of the fluid can be determined from the magnitude of the temperature changes or from the time points of the temperature changes. The use of two temperature sensors enables fault detection and a refined functional test.
  • the published patent application DE 10 2013 002 598 AI discloses a flow sensor element with deviation compensation. There, the flow sensor element has two separate and independent thermal flow sensors, each containing a heating element and at least one temperature-sensitive element. The associated method is characterized in that heating pulses alternately to the two heating elements be created. An output signal is formed from the flow-dependent signals in such a way that the flow-dependent contributions of the flow-dependent signals have opposite signs of the flow sensitivity. The method allows compensation for deviations caused by temperature drift and long term drift due to time instability of materials of the sensor.
  • the accuracy of a measurement is reduced in principle, since on the one hand, the measurement error of the calibration measurement in each measurement received, and on the other hand, the normal used for comparison has a finite accuracy.
  • Calorimetric measurements can also be designed so that the amount of heat introduced is completely transferred into the medium and the change in the temperature of the medium is thus directly a measure of the absorbed amount of heat.
  • the temperature change of the medium is determined before and after introduction of the amount of heat.
  • dV / dt volume flow of the medium per time
  • a possible task of the calorimetric measurement can be to determine the amount of heat P introduced. This amount of heat can also be negative if, for example, a cooling capacity to be determined. If the heat quantity P is the desired quantity, all other quantities in formula Ia must be known or measured. For this purpose, in devices of this kind additionally a flow meter for Measurement of the volume flow dV / dt provided, for example, the above-mentioned turbine flow meters are used.
  • the principle of calorimetric measurement can also be used to determine the volume flow.
  • the method relies on defining a defined, i. introduce a known or accurately measurable, amount of heat in the flowing medium and to measure the temperature difference of the medium before and after the introduction of the amount of heat.
  • the introduction of the amount of heat in the medium can be done by means of an electric heating element or a heating cartridge, so that the heating power can be measured electrically.
  • Peltier elements for introducing a defined heating or cooling power into the flowing medium are proposed.
  • the measurement of the heating power P and the temperatures is fundamentally error-prone and limits the accuracy of measurement.
  • ⁇ of the medium offset errors can be problematic, especially at low temperature differences.
  • the source of such offset errors are the temperature sensors themselves, but also components of signal processing such as operational amplifiers and analog-to-digital converters.
  • the influence of the offset errors is greater, the smaller the difference to be measured.
  • the known from the prior art methods and apparatus for calorimetric flow measurement therefore have disadvantages in terms of achievable accuracy.
  • the invention has for its object to provide a calorimetric measuring method and apparatus are available, which are suitable for measuring the volume flow of a medium, have a particularly high accuracy and reliability and which have the disadvantages of the known from the prior art and avoid or reduce devices in terms of calibration and accuracy.
  • a calorimetric method for measuring a medium comprises the following method steps.
  • the medium is heated with a first heating element and with a second heating element, wherein the medium flows through the first heating element and the second heating element in succession.
  • a heating power of the first heating element and a heating power of the second heating element are modulated between zero and a maximum heating power.
  • the heating power of the first heating element is at a maximum at a time when the heating power of the second heating element is zero, and the heating power of the second heating element is at a maximum at another time when the heating power of the first heating element is zero.
  • a first signal is generated as a function of a first temperature of the medium at a position in the flow direction of the medium in front of the first and the second heating element.
  • a second signal is generated in response to a second temperature of the medium at a position between the first heating element and the second heating element.
  • a third signal is generated in response to a third temperature of the medium at a position in the flow direction of the medium after the first and the second heating element.
  • a first difference signal between the second signal and the first signal is detected.
  • a second difference signal between the third signal and the second signal is also detected. Further, the heating power of the first and second heating elements is detected by measuring current and voltage across the heating elements.
  • the sum of the heating power of the first heating element and the heating power of the second heating element is constant over time.
  • a method in which from the detected difference signals, a temperature difference between the third temperature and the first temperature of the medium is determined, and in which from the sum of the detected heating powers of the first and the second heating element and the Temperature difference between the third temperature and the first temperature of the medium, a quotient is determined.
  • the heating power of the first heating element and the heating power of the second heating element are periodically modulated.
  • the first heating element and the second heating element can be alternately switched on and off. It is proposed an embodiment of the method in which temporal courses of the heating powers of the first and the second heating element are controlled by pulse width modulation.
  • the first difference signal between the second signal and the first signal and the second difference signal between the third signal and the second signal before heating the medium can be detected and stored.
  • the difference signals detected and stored before heating the medium can be used to correct the difference signals detected during heating of the medium.
  • a device for calorimetric measurement of a flowing medium which a flow device with a medium, a first heating element, a second heating element, a control unit, a first temperature sensor, a second temperature sensor, a third temperature sensor and an evaluation unit comprises.
  • the first heating element and the second heating element are designed for heating the medium, and the first heating element and the second heating element are arranged one after the other in the flow direction of the medium in the flow device.
  • the control unit is designed to modulate a heating power of the first heating element and to modulate a heating power of the second heating element.
  • the first temperature sensor is arranged in the flow direction of the medium before the first heating element and the second heating element in the flow device (20), the second temperature sensor is arranged between the first heating element and the second heating element in the flow device, and the third temperature sensor is in the flow direction of the medium disposed after the first heating element and the second heating element in the flow device.
  • the evaluation unit is designed to detect and evaluate differential signals between the temperature sensors. In this case, the evaluation unit is designed to detect a first difference signal between a second signal from the second temperature sensor and a first signal from the first temperature sensor, and to detect a second difference signal between a third signal from the third temperature sensor and a second signal from the second temperature sensor.
  • the evaluation unit is further configured to detect the heating power of the first and the second heating element by measuring current and voltage at the heating elements.
  • control unit for modulating the heating power of the first heating element and for modulating the heating power of the second heating element is formed in each case between zero and a maximum heating power.
  • the heating power of the first heating element is at a maximum at a time when the heating power of the second heating element is zero, and is the heating power of the second Heating element at a maximum time at another time when the heating power of the first heating element is zero.
  • the sum of the heating power of the first heating element and the heating power of the second heating element is constant over time.
  • the control unit may be configured to switch the first heating element and the second heating element alternately on and off.
  • the control unit may also be designed to control the modulation of the heating powers of the first heating element and the second heating element by means of pulse width modulation.
  • a device for measuring an unknown amount of heat with a heat source that transfers the unknown amount of heat into the medium, and with a fourth temperature sensor, which is arranged in the flow direction of the medium after the heat source.
  • Figure 1 A schematic representation of the device according to the invention for calorimetric measurement on a medium.
  • Figure 2 is a schematic representation of the control of the two heating elements in an embodiment in which the on and off times of the two heating elements are pulse width modulated.
  • the pulse width modulation approximates a sinusoidal profile of the heating power in both heating elements.
  • FIG. 3 A diagram for the representation of the measured amplitude height of
  • Figure 4 is a schematic representation of an exemplary circuit for
  • FIGURES A schematic representation of an application of the flow measuring device of Figure 1 for determining a quantity of heat which is delivered to the medium.
  • Figure 1 shows a possible embodiment of the invention for calorimetric measurement on a medium 21.
  • a first heating element 41, a second heating element 42 and three temperature sensors 31, 32, 33 are arranged in a flow device 20.
  • a control unit 40 serves to control the heating elements 41 and 42.
  • An evaluation unit 50 detects the signals of the three temperature sensors 31, 32 and 33.
  • FIG. 2 schematically shows a possible control of the heating elements 41, 42 in an embodiment of the invention according to FIG.
  • the heating power of both heating elements 41, 42 has a sinusoidal time course, which is shown in dashed lines in Figure 2.
  • the sinusoidal profile is approximately generated by a pulse width-modulated control (solid rectangle curves) of the heating elements 41, 42nd
  • FIG. 3 shows an example of a measurement result of the measured amplitude height of the signal difference between the temperature sensors in the medium before and after the heating elements 41, 42.
  • the media flow was constant at 5 1 / min (liters per minute).
  • the heating frequency of the heating elements 41, 42 ie the frequency of the sinusoidal profile of the heating power of the heating elements 41, 42, has been varied.
  • FIG. 4 schematically shows an example of a sensor circuit for sonicating the temperature sensors 31, 32, 33. Pt100 platinum resistors are used here as temperature sensors, for example. In series with each temperature sensor 31, 32, 33, a series resistor Ri, R 2 , R 3 is connected in each case.
  • FIG. 5 shows an application of the calorimetric measuring device according to FIG. 1 for determining a quantity of heat which is emitted by a heat source 45 to the medium 21.
  • a fourth temperature sensor 34 is arranged after the heat source 45, which generates a fourth signal in response to a fourth temperature of the medium 21 after introduction of the amount of heat by the heat source 45th
  • a method and an apparatus in which in a calorimetric measurement, an amount of heat at two locations can be successively alternately introduced into the medium and thereby a continuous zero and offset correction is made possible.
  • a medium 21 flows through a flow device 20.
  • the medium 21 is heated with a first heating element 41 and a second heating element 42.
  • the two heating elements 41, 42 are arranged one after the other in the flow device.
  • a first signal in response to a first temperature Tj of the medium 21 is generated.
  • a first temperature sensor 31 is located in front of the first heating element 41 and the second heating element 42.
  • a second temperature sensor 32 is arranged, with which a second signal as a function of a second temperature T 2 of the medium 21 between the heating element 41 and the second heating element 42 is generated.
  • a third temperature sensor 33 is arranged downstream of the first heating element 41 and the second heating element 42 in the flow direction of the medium 21.
  • a third signal in response to a third temperature T 3 of the medium 21 after the first heating element 41 and the second heating element 42 is generated.
  • a first difference signal between the second signal and the first signal is detected.
  • This first difference signal is a measure of the temperature difference T 2 - T
  • a second difference signal between the third signal and the second signal is detected by the evaluation unit 50.
  • the second difference signal is a measure of the temperature difference T 3 -T 2 of the medium 21 before and after the second heating element 42.
  • the sum of the heating power P HI of the heating element 41 and the heating power P H2 of the second heating element 42 is detected by measuring current and voltage on the heating elements 41, 42.
  • a temperature difference between the third temperature T 3 and the first temperature Ti is determined from the detected difference signals. This can be done for example by adding the first difference signal and the second difference signal. Finally, a quotient of the sum of the heating powers P HI and P H2 of the first and second heating elements 41, 42 and the temperature difference between the third temperature T 3 and the first temperature Ti is determined. [0047] This ratio is in accordance with the following relation (formula 2a), the "heat capacitive" flow c (t) ⁇ p (T) ⁇ dV / dt of the medium 21.
  • T temperature of the medium in front of the two heating elements
  • T 3 Temperature of the medium after the two heating elements
  • the control unit 40 modulates the heating powers of the first heating element 41 and the second heating element 42.
  • the heating powers of both heating elements 41, 42 are thereby changed between zero and a maximum heating power.
  • the heating power of the second heating element 42 is zero.
  • the heating power of the second heating element 42 is maximum. Due to this modulation of the heating power there are times at both heating elements 41, 42 at which in each case the amount of heat released to the medium 21 is zero. At these times, therefore, offset errors, more precisely: differences of offset errors, can be determined on the signals of the respective temperature sensors 31, 32, and 33, respectively, and taken into account in the evaluation.
  • Both heating elements 41, 42 undergo a power modulation cycle, ie the heating power is changed periodically.
  • the control is effected by a pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • the heating power is changed in the form of a sine function.
  • the variation of the heating power thus takes place at the frequency of the sine function, which is referred to below as the heating frequency.
  • the pulse width modulated control of the two Heating elements 41, 42 is shown schematically in FIG. In the maximum of the drive, the first heating element 41 is operated at maximum power, while the second heating element 42 is turned off. At the time of activation in the minimum (ie heating power zero) at the first heating element 41, the heating power is maximum at the second heating element 42.
  • the introduced into the medium 21 leads locally to a temperature increase, which is transported at the flow rate of the medium 21 along the pipeline of the flow device 20.
  • Pt100 platinum resistors as temperature sensors 31, 32, 33, which register the local temperatures and their fluctuations in the medium 21.
  • the change in each temperature-dependent Pt100 resistance due to the temperature variations in the medium is measured via a measuring bridge in the form of a voltage difference between two Pt100 resistors (relative measurement).
  • the analog voltage values are digitized via AD (analog-to-digital) converters; these AD counts are recorded as readings.
  • a media flow rate of 5 l / min (liters per min) was set in a measuring device. Measurements were carried out at different heating frequencies in the range from 0.001 Hz to 10 Hz.
  • FIG. 3 shows the mathematically determined amplitude level (ie the amplitude height of the difference signals between the temperature sensors) of the counts of an AD converter in FIG Relationship to the set heating frequency sets.
  • the cut-off frequency ie the transition between power dependence and the linear relationship between the logarithm of the amplitude height and the logarithm of the heating frequency, is approximately 0.5 Hz.
  • the ratio between amplitude height and heating frequency becomes approximately linear in the double-logarithmic representation , The amplitude level drops significantly faster with increasing frequency.
  • the amplitude level is considered in the low-frequency range of the illustrated Bode diagram at a fixed heating frequency. This amplitude level is assigned directly to a fixed media flow. Based on several different media flows, a characteristic can be recorded. Here, a 1 / x (i.e., reciprocal) dependence of amplitude level on media flow was detected.
  • phase difference ( ⁇ ) method Another possible evaluation is a phase difference ( ⁇ ) method. Just above the cutoff frequency, i. at heating frequencies greater than the cutoff frequency, the loss of amplitude is still relatively low.
  • the phase shift is measured in a range of 0 - 90 ° relative to the phase position of the Schuleismngs-driving function.
  • the phase shift here is inversely proportional to the flow rate of the medium in the measuring section at a defined cross section of the pipeline.
  • a continuous measurement can be carried out by consideration and evaluation of the introduced total electrical heating power in the medium 21.
  • a constant heating power is maintained on the measuring section and the measured amplitudes (amplitudes of the difference signals between the temperature sensors) behind both heating elements 41, 42nd be added.
  • the continuous periodic displacement of the shares of the total heating power between the two heating elements 41, 42 allows the compensation of production-related tolerances between the heating resistors of the two heating elements 41, 42.
  • the introduction of a constant heating power in the medium 21st results in the heat capacity of the medium 21 in a temperature increase of the medium 21st
  • the flow device 20 may be a pipeline through which the medium 21 flows.
  • the one end of the flow device 20 is equipped with a media inlet 22, and at the other end of the flow device 20 there is a media outlet 23.
  • the pipeline of the flow device 20 may be divided into several sections.
  • the flow device 20 may be part of an open or a closed medium circuit.
  • the medium cycle can be, for example, a cooling circuit with a coolant as the medium 21.
  • a coolant or medium water is often used, at least as a basic component.
  • the medium 21 can be passed to the media outlet 23 by a pump and a heat exchanger and then fed back to the media inlet 22.
  • the flow device 20 may also be turned on in the media circuit of an external device. In this case, the pump and heat exchanger may be in the media circuit of the external device.
  • the temperature sensors 31, 32, 33 may be temperature-sensitive resistors such as platinum resistors of the Pt100 or Pt100 type. However, the invention is not limited to the use of platinum resistors. Any other temperature sensors, such as semiconductor temperature sensors, may also be used. It is envisaged that the heating elements 41, 42 include electrically operated heating resistors. The instantaneous heat output then results as the product of the voltage applied to the heating resistor and the current flowing through the heating resistor. As heating elements 41, 42, for example, commercial heating cartridges can be used to heat water.
  • the time profile of the heating power at the two heating elements 41, 42 may be sinusoidal. Other periodic functions may be used to control the heating power, such as triangle functions, rectangular functions, keystone functions, or other similar functions.
  • the function, which maps the time profile of the heating power of the heating elements 41, 42 is a function that can be converted into itself by inverting and phase shifting. In this way, it can be achieved that with a time-offset control of the two heating elements 41, 42, the sum of the heating powers of the two heating elements 41, 42 is constant in time. If the temporal course of the heating power is, for example, sinusoidal, a temporally constant sum of the heating powers is achieved by a heating power shifted by 180 ° on the second heating element 42 in relation to the first heating element 41.
  • heating elements 41, 42 are operated with a symmetrical sinusoidal electrical voltage or a symmetrical sinusoidal current, then to achieve a constant sum of the heating power is a phase shift of 90 ° between the voltage (or current) on the first heating element 41 and the voltage (or current) on the second heating element 42 required.
  • the clock frequency of the pulse width modulation can be significantly higher than the frequency of the pulse width modulation modulated curve of the heating power of the heating elements 41, 42 (heating frequency).
  • the PWM clock frequency can be in the range 1 kHz to 100 kHz, for example.
  • the heating frequency can be, for example, in the range 0.001 Hz to 10 Hz.
  • the control unit 40 may be equipped with a changeover switch with which a constant electrical voltage or a constant current between the two heating elements 41, 42 can be switched back and forth.
  • the switch may consist of semiconductor devices such as transistors, thyristors, triacs, FETs, MOSFETs or IGBTs.
  • the switch can be controlled by pulse width modulation (PWM).
  • the switching function between the heating elements 41, 42 may have the advantage that for detecting the heating power, an electric power measurement can be used, which manages with a low speed or with a low detection rate, since the total power is constant at any time. Likewise, the total voltage as well as the total current is constant. The current flow is interrupted during switching at most for a few 10 ns. The switching process itself can be damped with LC elements so that it has no influence on the measurement result.
  • the switching function may also have the advantage that it can be dispensed with to use a separate power measurement for each branch (i.e., for each of the two heating elements 41, 42). If a separate power measurement were to be used for each branch, then these power measurements would have to be able to handle peak factors (or crest factors) on the one hand. The circuits required for this purpose are more complex and therefore more expensive and have a lower accuracy. On the other hand, these power measurements would then have to sample much faster than the PWM clock frequency. This in turn would have a detrimental effect on the resolution. The highest resolutions are currently achieved at sampling frequencies of 6 Hz (200 nV noise).
  • the PWM clock frequency Due to the thermal speed of the temperature sensors, it may be necessary for the PWM clock frequency to be in the range of 100 Hz or even in the range of 1 kHz.
  • the sampling frequency for the power measurement would then have to be at least 10 kHz in this case.
  • the zero point and offset correction takes place quasi-continuously; the method therefore offers a particularly high measuring accuracy.
  • the method primarily determines the "heat-capacitive" volume flow c (T) ⁇ p (T) ⁇ dV / dt of a medium and is therefore particularly suitable for use in devices for high-precision measurement of unknown quantities of heat introduced into a medium.
  • 5 shows a possible application of the calorimetric measuring method for determining an unknown quantity of heat P which is introduced into the medium 21.
  • a quantity of heat P is delivered to the medium 21 by a heat source 45.
  • the heat source 45 can be arranged in the flow device 20
  • a fourth temperature sensor 34 may be arranged in the flow direction of the medium 21 after the heat source 45 in the flow device 20.
  • the fourth temperature sensor 45 generates a fourth signal in response to a fourth temperature of the medium 21 after delivery of the unknown amount of heat P at the medium 21.
  • a third difference signal between the fourth signal and the third signal can be detected by the evaluation unit 50.
  • the third difference signal is a measure of the temperature difference T 4 -T 3 of the medium 21 before and after the heat source 45.
  • the unknown amount of heat P is in accordance with the following relation on the "heat-capacitive" flow c (T) ⁇ p (T) ⁇ dV / dt of the medium 21 in relation to the temperature difference T - T 3 of the medium 21 before and after the heat source 45:
  • the heat source 45 may, for example, be an absorber through which the medium 21 flows.
  • the absorber can absorb an energy beam and thereby convert the power of the energy beam into an amount of heat, which is then released from the absorber to the medium 21.
  • the thus configured method can thus be used to measure the power of an energy beam.
  • the energy beam may be, for example, a laser beam.
  • the accuracy of the method can be further optimized by a suitable choice of heating power. This will be explained below by dimensioning examples.
  • the temperature of the medium 21 must not be too large.
  • the temperature of the medium 21 at the media outlet 23 should be well below 100 ° C.
  • the temperature of the medium 21 at the media inlet 22 is usually in the range of the ambient temperature, ie typically around 25 ° C. Therefore, the largest occurring temperature differences in the medium 21 should not be greater than a few 10 K (Kelvin).
  • the heating power is approximately in the range of the unknown amount of heat to be measured or above. When measuring high amounts of heat, however, this would lead to impractical high heating capacities and a very high power consumption.
  • the heating power can be in the range of up to 100 W, for example.
  • a media flow of at least about 0.5 l / min (liters per minute) is required.
  • the temperature difference before and after the heat source 45 would then be about 30 K when using water as a medium.
  • the temperature difference before and after the heat source is about 3 K. With a heat output of 100 W, this results in a temperature difference of about 0 , 3 K before and after the heating elements 41, 42.
  • the measurement uncertainty of the temperature is in the range of about 100 ⁇ or even less. This results in a very high measurement accuracy for the process, with a measurement error that is about the order of 0.1% or less. It is also envisaged to take into account the temperature dependence of the heat capacity and / or the density of the medium 21 in the calorimetric measurement. For this purpose, a function for the temperature dependence of the heat capacity and / or the density of the medium 21 (for example of water) can be stored in a memory of the evaluation unit 50. The measured temperature differences can be used to find a support point for the heat capacity function.
  • the volumetric flow rate of the medium 21 may also be approximately determined from the thermal dissipation of an amount of heat generated by the pressure loss as the medium 21 flows through the flow device 20 and flows through conduit sections of the flow device 20, respectively.
  • the pressure loss during flow generates heat that can be measured directly.
  • the differential signals of the temperature sensors are detected and stored. From this, the amount of heat generated by pressure loss during the flow of the medium 21 can be determined.
  • This pressure loss heat quantity or heat generated by flow can be at high media flow rates in the order of up to 30 W - 100 W (watts).
  • a method is also provided in which a determined amount of heat is corrected by the amount of heat generated by pressure loss during the flow of the medium 21.
  • the pressure loss heat quantity it is also possible to check, before the heating elements 41, 42 are switched on for the first time, whether there is any media flow at all. This is at least an indicator since it could also happen that no medium 21 is present in the flow device 20 and only the same air temperature is measured.
  • the evaluation unit 50 outputs a warning signal when the determined volume flow of the medium 21 falls below a predetermined threshold and thus there is a risk of overheating of the medium 21 or part of the flow device 20.
  • the warning signal can be an electrical signal, an acoustic signal, an optical signal or the opening of a switch.
  • a warning signal in the form of opening a switch can be used to trigger a safety circuit (so-called interlock) of an external device.
  • the maximum heating power of the heating elements 41, 42 can be adapted to the current conditions of the measurement. The heating power can for example be adjusted so that the temperature difference before and after the heating elements 41, 42 is preferably in a range of 0.1 K (Kelvin) to 10 K.
  • the heating power of the heating elements 41, 42 can also be adjusted as a function of the medium flow rate.
  • the heating frequency of the heating elements 41, 42 can be adapted to the current conditions of the measurement.
  • the heating frequency can be changed depending on the media flow.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium, welches beispielsweise angewendet werden kann zur Bestimmung des Volumendurchflusses eines Mediums, oder zur Messung von Wärmemengen, die in ein strömendes Medium eingebracht werden. Dazu wird das Medium mit einem ersten Heizelement und mit einem zweiten Heizelement geheizt. Die Heizleistungen des ersten Heizelements und des zweiten Heizelements werden zwischen Null und einer maximalen Heizleistung moduliert. Dabei ist die Heizleistung des ersten Heizelements maximal an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements Null ist, und die Heizleistung des zweiten Heizelements ist maximal an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements Null ist. Die Summe der Heizleistungen von erstem und zweitem Heizelement ist zeitlich konstant. Es wird ein erstes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer ersten Temperatur des Mediums an einer Position vor dem ersten und dem zweiten Heizelement. Es wird ein zweites Signal erzeugt in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur des Mediums an einer Position zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement. Es wird ein drittes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer dritten Temperatur des Mediums an einer Position nach dem ersten und dem zweiten Heizelement. Zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal und zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal werden Differenzsignale erfasst. Ferner wird die Summe der Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements erfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium.

Description

Titel: Kalorimetrisches Messverfahren und Vorrichtung
Beschreibung
GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium. Das Verfahren kann angewendet werden zur Bestimmung des Volumendurchflusses eines Mediums. Das Verfahren kann auch angewendet werden zur Messung von Wärmemengen, die in ein strömendes Medium eingebracht werden. Die Erfindung ist für eine kontinuierliche Messung mit hoher Genauigkeit geeignet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[0002] Zur Messung des Durchflussvolumens eines Mediums sind viele unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die auf verschiedenen physikalischen Phänomenen oder technischen Konzepten beruhen, wie beispielsweise Turbinen-Durchflusszähler oder Ovalradzähler, um nur einige verbreitete, auf mechanischen Effekten beruhende Messgeräte zu nennen. Durchflussmesser dieser Art sind empfindlich gegenüber Verschmutzungen im Medium. Verschmutzungen im Medium lassen sich auch mit Partikelfiltern nicht vollständig herausfiltera und führen so zusammen mit der mechanischen Abnutzung beweglicher Teile zu erhöhten Messfehlern und einer eingeschränkten Lebensdauer dieser Messgeräte.
[0003] Zum Erzielen einer hohen Lebensdauer und Zuverlässigkeit ist die Verwendung von Messvorrichtungen günstig, die ohne bewegliche Teile auskommen. Zu dieser Kategorie gehören kalorimetrische Messungen, mit denen potentiell auch eine hohe Genauigkeit erreicht werden kann.
[0004] Kalorimetrische Durchfluss-Messungen können unterschiedlich aufgebaut sein, je nachdem welche Parameter bekannt sind und welche Größen gemessen werden sollen. Das Grundprinzip ist dabei stets dasselbe. Eine Wärmemenge wird in ein strömendes Medium eingebracht und durch Temperaturmessungen wird der Durchfluss des Mediums bestimmt.
|Bestätigungskopie| [0005] Die Offenlegungsschrift DE 10 2012 112 314 AI zeigt beispielsweise ein Thermisches Durchflussmessgerät, bei dem das Sensorelement selbst beheizbar ist. Bei dieser Ausfuhrungsform einer kalorimetrischen Messung wird also der Sensor selbst und dadurch auch ein kleiner lokaler Bereich in einem Medium erwärmt. Der Wärmeverlust des Sensors in das Medium ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, so dass aus der Temperaruränderung des Sensors der Durchfluss ermittelt werden kann. Bei diesem Messprinzip ist allerdings die Temperaturänderung des Sensors unter anderem auch von der Wärmeleitfähigkeit des Mediums abhängig. Dieses Verfahren erfordert daher eine aufwändige Kalibration. Auch die Strömungsverteilung innerhalb des Messrohres hat einen Einfluss auf die Messung. Die WO 2007/063407 A2 offenbart daher ein ähnliches kalorimetrisches Durchflussmessgerät, bei dem zusätzlich Streifen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sind.
[0006] Aus der DE 10 2013 006 397 AI ist ein Verfahren bekannt, bei dem zwei Heizelemente in der unmittelbaren Nähe, aber in unterschiedlicher Entfernung, zu einem Temperaturfühler angeordnet sind, um so die Messung des Durchflusses mit einer Messung der Wärmeleitfähigkeit des Mediums zu kombinieren. Zwar kann das zuletzt genannte Verfahren durch die zusätzliche Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit für eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Medien, insbesondere auch gasförmiger Medien, verwendet werden, dennoch muss auch bei diesem Verfahren eine aufwändige Kalibration erfolgen.
[0007] Aus der Offenlegungsschrift DE 102 02 210 AI ist ein Strömungssensor mit einem Heizelement und zwei nachgeordneten Temperatursensoren bekannt. Beide Temperatursensoren erfassen nacheinander ein vom Heizelement auf das strömende Medium übertragenes Wärmepaket. Der Massenstrom des Fluids kann dabei aus der Größe der Temperaturänderungen oder aus den Zeitpunkten der Temperaturänderungen bestimmt werden. Durch die Verwendung zweier Temperatursensoren werden eine Fehlererkennung und eine verfeinerte Funktionsprüfung ermöglicht. [0008] Die Offenlegungsschrift DE 10 2013 002 598 AI offenbart ein Flusssensorelement mit Abweichungskompensation. Das Flusssensorelement weist dort zwei getrennte und voneinander unabhängige thermische Flusssensoren auf, die jeweils ein Heizelement und mindestens ein temperaturempfindliches Element enthalten. Das zugehörige Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Heizimpulse abwechselnd an die beiden Heizelemente angelegt werden. Aus den flussabhängigen Signalen wird derart ein Ausgangssignal gebildet, dass die flussabhängigen Beiträge der flussabhängigen Signale entgegengesetzte Vorzeichen der Flussempfindlichkeit aufweisen. Das Verfahren ermöglicht eine Kompensation von Abweichungen, die durch Temperaturdrift und Langzeitdrift aufgrund zeitlicher Instabilität von Materialien des Sensors verursacht werden können.
[0009] Durch eine Kalibration wird die Genauigkeit einer Messung prinzipiell verringert, da zum einen der Messfehler der Kalibrationsmessung bei jeder Messung mit eingeht, und zum anderen auch das zum Vergleich herangezogene Normal eine endliche Genauigkeit aufweist.
[0010] Kalorimetrische Messungen können auch so ausgelegt werden, dass die eingebrachte Wärmemenge vollständig in das Medium übertragen wird und die Änderung der Temperatur des Mediums somit direkt ein Maß für die aufgenommene Wärmemenge ist. Dazu wird die Temperaturänderung des Mediums vor und nach Einbringen der Wärmemenge bestimmt. Die Wärmeleitfähigkeit des Mediums hat dabei zumindest im thermischen Gleichgewicht keinen Einfluss, nur noch die Wärmekapazität des Mediums spielt eine Rolle. Im thermischen Gleichgewicht sind daher die physikalischen Größen durch folgende einfache Relation miteinander verknüpft: P = ΔΤ c(T) p(T) dV/dt [Formel 1 a]
[0011] Dabei bedeuten:
P : in das Medium eingebrachte Wärmemenge (Leistung)
ΔΤ : Temperaturdifferenz des Mediums vor und nach Einbringen der Wärmemenge
c(T) : (temperaturabhängige) spezifische Wärmekapazität des Mediums p(T) : (temperaturabhängige) Dichte des Mediums
dV/dt : Volumendurchfluss des Mediums pro Zeit [0012] Eine mögliche Aufgabe der kalorimetrischen Messung kann darin bestehen, die eingebrachte Wärmemenge P zu bestimmen. Diese Wärmemenge kann auch negativ sein, wenn beispielsweise eine Kühlleistung bestimmt werden soll. Wenn die Wärmemenge P die gesuchte Größe ist, müssen alle anderen Größen in Formel la bekannt sein bzw. gemessen werden. Dazu ist in Vorrichtungen dieser Art zusätzlich ein Durchflussmessgerät zur Messung des Volumendurchflusses dV/dt vorgesehen, wobei zum Beispiel die oben erwähnten Turbinen-Durchflusszähler zum Einsatz kommen.
[0013] Eine typisches Verfahren dieser Art zur Bestimmung einer Wärmemenge in einem strömenden Medium zeigt das US Patent Nr. 4,485,449. In der dort offenbarten Vorrichtung werden die Signale eines Durchflusssensors, eines Eingangstemperatursensors und eines Ausgangstemperatursensors mittels eines elektrischen Schaltkreises verarbeitet. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus dem US Patent Nr. 4,773,023 bekannt. Das US Patent Nr. 5,156,459 offenbart die Verwendung eines solchen kalorimetrischen Verfahrens zur Messung der Leistung eines Laserstrahls.
[0014] Das Prinzip der kalorimetrischen Messung kann auch angewendet werden zur Bestimmung des Volumendurchflusses. In dem Fall beruht das Verfahren darauf, eine definierte, d.h. eine bekannte oder genau messbare, Wärmemenge in das strömende Medium einzubringen und die Temperaturdifferenz des Mediums vor und nach dem Einbringen der Wärmemenge zu messen. Das Einbringen der Wärmemenge in das Medium kann mittels eines elektrischen Heizelements oder einer Heizpatrone erfolgen, so dass die Heizleistung elektrisch gemessen werden kann. Bei der in der DE 102 21 548 AI offenbarten Vorrichtung werden beispielsweise Peltier-Elemente zum Einbringen einer definierten Heiz- bzw. Kühlleistung in das strömende Medium vorgeschlagen.
[0015] Aus der eingebrachten Wärmemenge und der Temperaturdifferenz ergibt sich der Volumendurchfluss durch Auflösen der Formel la nach diesem Parameter gemäß der folgenden Relation: dV/dt = P / [ ΔΤ c(T) p(T) ] [Formel lb]
[0016] Die Messung der Heizleistung P und der Temperaturen ist grundsätzlich fehlerbehaftet und begrenzt die Messgenauigkeit. Insbesondere bei der Messung der Temperaturdifferenz ΔΤ des Mediums können Offset-Fehler problematisch sein, vor allem bei geringen Temperaturdifferenzen. Quelle solcher Offset-Fehler sind die Temperatursensoren selbst, aber weiterhin auch Komponenten der Signalverarbeitung wie Operationsverstärker und Analog- Digital- Wandler. Der Einfluss der Offset-Fehler ist umso größer, je geringer die zu messende Differenz ist. [0017] Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur kalorimetrischen Durchflussmessung weisen demnach Nachteile in Bezug auf die erreichbare Genauigkeit auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0018] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kalorimetrisches Messverfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche zur Messung des Volumendurchflusses eines Mediums geeignet sind, eine besonders hohe Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit aufweisen und welche die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen hinsichtlich der Kalibration und der Genauigkeit vermeiden oder verringern.
[0019] Zur Lösung der Aufgabe wird ein kalorimetrisches Verfahren zur Messung an einem Medium vorgeschlagen, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst. Das Medium wird mit einem ersten Heizelement und mit einem zweiten Heizelement geheizt, wobei das Medium das erste Heizelement und das zweite Heizelement nacheinander durchströmt. Eine Heizleistung des ersten Heizelements und eine Heizleistung des zweiten Heizelements werden zwischen Null und einer maximalen Heizleistung moduliert. Dabei ist die Heizleistung des ersten Heizelements maximal an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements Null ist, und die Heizleistung des zweiten Heizelements ist maximal an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements Null ist. Es wird ein erstes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer ersten Temperatur des Mediums an einer Position in Strömungsrichtung des Mediums vor dem ersten und dem zweiten Heizelement. Es wird ein zweites Signal erzeugt in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur des Mediums an einer Position zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement. Es wird ein drittes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer dritten Temperatur des Mediums an einer Position in Strömungsrichtung des Mediums nach dem ersten und dem zweiten Heizelement. Es wird ein erstes Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal erfasst. Es wird auch ein zweites Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal erfasst. Ferner wird die Heizleistung des ersten und des zweiten Heizelements erfasst durch Messung von Strom und Spannung an den Heizelementen.
[0020] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Summe aus der Heizleistung des ersten Heizelements und der Heizleistung des zweiten Heizelements zeitlich konstant. [0021] Es wird auch ein Verfahren zur Verfügung gestellt, bei dem aus den erfassten Differenzsignalen eine Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur und der ersten Temperatur des Mediums bestimmt wird, und bei dem aus der Summe der erfassten Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements und der Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur und der ersten Temperatur des Mediums wird ein Quotient bestimmt wird.
[0022] In einer möglichen Ausfuhrungsform des Verfahrens werden die Heizleistung des ersten Heizelements und die Heizleistung des zweiten Heizelements periodisch moduliert.
[0023] In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können das erste Heizelement und das zweite Heizelement abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. [0024] Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, bei dem zeitliche Verläufe der Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements durch Pulsweitenmodulation gesteuert werden.
[0025] In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können das erste Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal und das zweite Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal vor dem Heizen des Mediums erfasst und gespeichert werden.
[0026] Die vor dem Heizen des Mediums erfassten und gespeicherten Differenzsignale können zur Korrektur der Differenzsignale verwendet werden, die während des Heizens des Mediums erfasst werden.
[0027] Aus den vor dem Heizen des Mediums erfassten und gespeicherten Differenzsignalen kann auch eine durch Druckverlust beim Strömen des Mediums erzeugte Wärmemenge bestimmt werden.
[0028] Es ist auch ein Verfahren zur Messung einer unbekannten Wärmemenge vorgesehen, bei dem die unbekannte Wärmemenge an das Medium abgegeben wird, und bei dem ein viertes Signal erzeugt wird in Abhängigkeit einer vierten Temperatur des Mediums nach Abgabe der unbekannten Wärmemenge in das Medium.
[0029] Zur Lösung der Aufgabenstellung wird auch eine Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium vorgeschlagen, welche eine Durchflussvorrichtung mit einem Medium, ein erstes Heizelement, ein zweites Heizelement, eine Steuereinheit, einen ersten Temperatursensor, einen zweiten Temperatursensor, einen dritten Temperatursensor und eine Auswerteeinheit umfasst. Dabei sind das erste Heizelement und das zweite Heizelement zum Heizen des Mediums ausgebildet, und das erste Heizelement und das zweite Heizelement sind in Strömungsrichtung des Mediums nacheinander in der Durchflussvorrichtung angeordnet. Die Steuereinheit ist ausgebildet zur Modulation einer Heizleistung des ersten Heizelements und zur Modulation einer Heizleistung des zweiten Heizelements. Der erste Temperatursensor ist in Strömungsrichtung des Mediums vor dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement in der Durchflussvorrichtung (20) angeordnet, der zweite Temperatursensor ist zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement in der Durchflussvorrichtung angeordnet, und der dritte Temperatursensor ist in Strömungsrichtung des Mediums nach dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement in der Durchflussvorrichtung angeordnet. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet zum Erfassen und Auswerten von Differenzsignalen zwischen den Temperatursensoren. Dabei ist die Auswerteeinheit ausgebildet, ein erstes Differenzsignal zwischen einem zweiten Signal vom zweiten Temperatursensor und einem ersten Signal vom ersten Temperatursensor zu erfassen, und ein zweites Differenzsignal zwischen einem dritten Signal vom dritten Temperatursensor und einem zweiten Signal vom zweiten Temperatursensor zu erfassen. Die Auswerteeinheit ist weiterhin ausgebildet zum Erfassen der Heizleistung des ersten und des zweiten Heizelements durch Messung von Strom und Spannung an den Heizelementen.
[0030] Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit zur Modulation der Heizleistung des ersten Heizelements und zur Modulation der Heizleistung des zweiten Heizelements jeweils zwischen Null und einer maximalen Heizleistung ausgebildet.
[0031] Dabei ist die Heizleistung des ersten Heizelements maximal an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements Null ist, und ist die Heizleistung des zweiten Heizelements maximal an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements Null ist.
[0032] Erfindungsgemäß ist die Summe aus der Heizleistung des ersten Heizelements und der Heizleistung des zweiten Heizelements zeitlich konstant.
[0033] Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, das erste Heizelement und das zweite Heizelement abwechselnd ein- und auszuschalten. [0034] Die Steuereinheit kann auch ausgestaltet sein zur Steuerung der Modulation der Heizleistungen des ersten Heizelements und des zweiten Heizelements mittels Pulsweitenmodulation.
[0035] Es wird auch eine Vorrichtung zur Messung einer unbekannten Wärmemenge vorgeschlagen, mit einer Wärmequelle, die die unbekannte Wärmemenge in das Medium überträgt, und mit einem vierten Temperatursensor, der in Strömungsrichtung des Mediums nach der Wärmequelle angeordnet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0036] Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausfuhrungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:
Figur 1 : Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem Medium.
Figur 2 Eine schematische Darstellung der Ansteuerung der zwei Heizelemente in einer Ausfuhrungsform, bei der die Ein- und Ausschaltzeiten der beiden Heizelemente Pulsweiten-moduliert sind. In dem gezeigten Beispiel wird durch die Pulsweitenmodulation ein sinusförmiger Verlauf der Heizleistung bei beiden Heizelementen angenähert.
Figur 3 Ein Diagramm zur Darstellung der gemessenen Amplitudenhöhe der
Temperatursensoren über der Frequenz der Heizleistung bei einem exemplarischen Mediendurchfluss von 5 1/min (Liter pro Minute).
Figur 4 Eine schematische Darstellung eines beispielhaften Schaltkreises zur
Versorgung und Erfassung der Signale der Temperatursensoren. Figur 5: Eine schematische Darstellung einer Anwendung der Durchfluss- Messvorrichtung nach Figur 1 zur Bestimmung einer Wärmemenge, die an das Medium abgegeben wird. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0037] Figur 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Erfindung zur kalorimetrischen Messung an einem Medium 21. Dabei sind in einer Durchflussvorrichtung 20 ein erstes Heizelement 41, ein zweites Heizelement 42 und drei Temperatursensoren 31, 32, 33 angeordnet. Eine Steuereinheit 40 dient zur Ansteuerung der Heizelemente 41 und 42. Eine Auswerteeinheit 50 erfasst die Signale der drei Temperatursensoren 31, 32 und 33.
[0038] In Figur 2 ist eine mögliche Ansteuerung der Heizelemente 41, 42 in einer Ausfuhrungsform der Erfindung gemäß Figur 1 schematisch dargestellt. Die Heizleistung beider Heizelemente 41, 42 hat einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf, der in der Figur 2 gestrichelt eingezeichnet ist. Der sinusförmige Verlauf wird näherungsweise erzeugt durch eine Pulsweiten-modulierte Ansteuerung (durchgezogene Rechteck-Kurven) der Heizelemente 41, 42.
[0039] Figur 3 zeigt exemplarisch ein Messergebnis der gemessenen Amplitudenhöhe der Signaldifferenz zwischen den Temperatursensoren im Medium vor und nach den Heizelementen 41, 42. Der Mediendurchfluss betrug dabei konstant 5 1/min (Liter pro Minute). Variiert wurde die Heizfrequenz der Heizelemente 41, 42, d.h. die Frequenz des sinusförmigen Verlaufs der Heizleistung der Heizelemente 41, 42. [0040] In Figur 4 ist ein beispielhafter Sensorschaltkreis zur Beschallung der Temperatursensoren 31, 32, 33 schematisch dargestellt. Als Temperatursensoren werden hier zum Beispiel PtlOO Platinwiderstände eingesetzt. In Reihe mit jedem Temperatursensor 31, 32, 33 ist jeweils ein Vorwiderstand Ri, R2, R3 geschaltet. Die Reihenschaltungen aus Vorwiderstand und Temperatursensor sind parallel geschaltet und werden von einer Referenzspannung URef versorgt. An den Knotenpunkten zwischen Vorwiderständen und Temperatursensoren können die Signalspannungen der jeweiligen Temperatursensoren abgegriffen werden. Jeweils zwei Reihenschaltungen aus Vorwiderstand und Temperatursensor bilden eine Brückenschaltung, so dass zwischen den beiden Knotenpunkten direkt die Signaldifferenz zwischen zwei Temperatursensoren abgegriffen werden kann. Die Signaldifferenzen können dann mittels Operationsverstärker verstärkt werden und anschließend mittels AD- (Analog-Digital-) Wandler in diskrete Werte umgesetzt werden. Aus diesen Signaldifferenzen können die Temperaturdifferenzen bestimmt werden. [0041] Figur 5 zeigt eine Anwendung der kalorimetrischen Messvorrichtung nach Figur 1 zur Bestimmung einer Wärmemenge, die von einer Wärmequelle 45 an das Medium 21 abgegeben wird. Dazu ist nach der Wärmequelle 45 ein vierter Temperatursensor 34 angeordnet, der ein viertes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer vierten Temperatur des Mediums 21 nach Einbringen der Wärmemenge durch die Wärmequelle 45.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0042] Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, dass aus dem Stand der Technik bekannte kalorimetrische Messverfahren eine geringe Messgenauigkeit aufweisen. [0043] Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, bei dem in einer kalorimetrischen Messung eine Wärmemenge an zwei Stellen nacheinander abwechselnd in das Medium eingebracht werden kann und dadurch eine kontinuierliche Nullpunkt- und Offset-Korrektur ermöglicht wird. [0044] Gemäß der in Figur 1 schematisch dargestellten Anordnung strömt ein Medium 21 durch eine Durchflussvorrichtung 20. Das Medium 21 wird mit einem ersten Heizelement 41 und mit einem zweiten Heizelement 42 geheizt. Die beiden Heizelemente 41, 42 sind nacheinander in der Durchflussvorrichtung angeordnet. An einer Position, die sich in Strömungsrichtung des Mediums 21 vor dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 befindet, wird ein erstes Signal in Abhängigkeit einer ersten Temperatur Tj des Mediums 21 erzeugt. Dazu befindet sich vor dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 ein erster Temperatursensor 31. Zwischen dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 ist ein zweiter Temperatursensor 32 angeordnet, mit dem ein zweites Signal in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur T2 des Mediums 21 zwischen dem Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 erzeugt wird. Ein dritter Temperatursensor 33 ist in Strömungsrichtung des Mediums 21 nach dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 angeordnet. Mit dem dritten Temperatursensor 33 wird ein drittes Signal in Abhängigkeit einer dritten Temperatur T3 des Mediums 21 nach dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 erzeugt. [0045] Mit der Auswerteeinheit 50 wird ein erstes Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal erfasst. Dieses erste Differenzsignal ist ein Maß für die Temperaturdifferenz T2 - T| des Mediums 21 vor und nach dem Heizelement 41. Ein zweites Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal wird mit der Auswerteeinheit 50 erfasst. Das zweite Differenzsignal ist ein Maß für die Temperaturdifferenz T3 - T2 des Mediums 21 vor und nach dem zweiten Heizelement 42. Die Summe aus der Heizleistung PH I des Heizelements 41 und der Heizleistung PH2 des zweiten Heizelements 42 wird erfasst durch Messung von Strom und Spannung an den Heizelementen 41, 42.
[0046] In der Auswerteeinheit 50 wird aus den erfassten Differenzsignalen eine Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur T3 und der ersten Temperatur Ti bestimmt. Dies kann beispielsweise durch Addition des ersten Differenzsignals und des zweiten Differenzsignals erfolgen. Schließlich wird ein Quotient aus der Summe der Heizleistungen PHI und PH2 der ersten und zweiten Heizelemente 41, 42 und der Temperarurdifferenz zwischen der dritten Temperatur T3 und der ersten Temperatur Ti bestimmt. [0047] Dieser Quotient stellt gemäß der folgenden Relation (Formel 2a) den „wärmekapazitiven" Durchfluss c(T) · p(T)■ dV/dt des Mediums 21 dar. Außerdem kann daraus in einfacher Weise der Volumendurchfluss des Mediums entsprechend der Formel 2b berechnet werden: c(T) p(T) dV/dt = ( Pm + PH2 ) / ( T3 - T, ) [Formel 2a] dV/dt = ( PHI + PH2 ) / [ (T3 - T, ) c(T) p(T) ] [Formel 2b]
[0048] Dabei bedeuten:
PHI : Heizleistung des ersten Heizelements
Pm : Heizleistung des zweiten Heizelements
T, : Temperatur des Mediums vor den beiden Heizelementen
T3 : Temperatur des Mediums nach den beiden Heizelementen
c(T) (temperaturabhängige) spezifische Wärmekapazität des Mediums
P(T) (temperaturabhängige) Dichte des Mediums dV/dt Volumendurchfluss des Mediums pro Zeit
[0049] Die Steuereinheit 40 moduliert die Heizleistungen des ersten Heizelements 41 und des zweiten Heizelements 42. Die Heizleistungen beider Heizelemente 41, 42 werden dadurch zwischen Null und einer maximalen Heizleistung geändert. Zu einem Zeitpunkt, wenn die Heizleistung des ersten Heizelements 41 maximal ist, ist die Heizleistung des zweiten Heizelements 42 Null. Zu einem anderen Zeitpunkt, wenn die Heizleistung des ersten Heizelements 41 Null ist, ist die Heizleistung des zweiten Heizelements 42 maximal. [0050] Aufgrund dieser Modulation der Heizleistung gibt es an beiden Heizelementen 41, 42 Zeitpunkte, an denen jeweils die an das Medium 21 abgegebene Wärmemenge Null ist. Zu diesen Zeitpunkten können daher Offset-Fehler, genauer: Differenzen von Offset-Fehlern, an den Signalen der jeweiligen Temperatursensoren 31, 32, bzw. 33 ermittelt werden und bei der Auswertung berücksichtigt werden. Da sich Offset-Fehler in der Signalverarbeitung zeitlich ändern (Drift), bietet die nach diesem Verfahren vorgesehene wiederholte bzw. periodische Erfassung der Offset-Fehler eine besonders hohe Genauigkeit. Eine periodische Erfassung ist dabei vollkommen ausreichend, da die Drift von Offset-Fehlern in der Regel eine langsame Änderung ist. [0051] Durch eine zeitlich versetzte (phasenverschobene) Modulation der Heizleistungen an den beiden Heizelementen 41, 42 wird erreicht, dass permanent eine definierte Wärmemenge in das Medium 21 eingebracht wird. Dadurch wird eine kontinuierliche Messung des Durchflusses ermöglicht. Würde man hingegen nur ein Heizelement verwenden und dieses zur Erfassung von Offset-Fehlern modulieren, dann gäbe es bei der Messung des Durchflusses periodisch Totzeiten, nämlich immer dann, wenn die Heizleistung gerade Null ist.
[0052] Es ist vorgesehen, ein Verfahren zur Messung des Durchflussvolumens eines Mediums 21 in folgender Weise auszuführen. Beide Heizelemente 41, 42 durchlaufen einen Leistungsmodulationszyklus, d.h. die Heizleistung wird periodisch geändert. Die Ansteuerung erfolgt durch eine Pulsweitenmodulation (PWM). Mittels der Pulsweiten-modulierten Ansteuerung wird die Heizleistung in Form einer Sinusfunktion verändert. Die Variation der Heizleistung erfolgt also mit der Frequenz der Sinusfunktion, die im Folgenden als Heizfrequenz bezeichnet wird. Die Pulsweiten-modulierte Ansteuerung der beiden Heizelemente 41, 42 ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Im Maximum der Ansteuerung wird das erste Heizelement 41 mit maximaler Leistung betrieben, während das zweite Heizelement 42 ausgeschaltet ist. Zum Zeitpunkt der Ansteuerung im Minimum (d.h. Heizleistung Null) am ersten Heizelement 41 ist die Heizleistung maximal am zweiten Heizelement 42.
[0053] Die in das Medium 21 (beispielsweise Wasser) eingebrachte Heizleistung führt lokal zu einer Temperaturerhöhung, die mit der Fließgeschwindigkeit des Mediums 21 entlang der Rohrleitung der Durchflussvorrichtung 20 transportiert wird. An den Messpunkten vor, zwischen und nach den Heizelementen 41, 42 befinden sich PtlOO-Platinwiderstände als Temperatursensoren 31, 32, 33, welche die lokalen Temperaturen und deren Schwankungen im Medium 21 registrieren. Die Änderung eines jeden temperaturabhängigen PtlOO- Widerstands aufgrund der Temperaturvariationen im Medium wird über eine Messbrücke in Form einer Spannungsdifferenz zwischen zwei Pt 100- Widerständen gemessen (Relativmessung). Über AD- (Analog-Digital-) Wandler werden die analogen Spannungswerte digitalisiert; diese AD-Counts werden als Messwerte aufgezeichnet.
[0054] Es ist vorgesehen, im analogen Schaltungsbereich die Spannungsdifferenz zwischen den Temperatursensoren 31, 32, 33 zu bilden bzw. zu erfassen. Dadurch werden die Offsetspannungen der Temperatursensoren eliminiert, die damit nicht digitalisiert werden müssen. Der mögliche Spannungshub von 1,25 V der AD-Wandler kann erheblich besser genutzt werden, indem die Differenzspannung zunächst mit rauscharmen Operationsverstärkern verstärkt wird, und anschließend die verstärkte Differenzspannung mittels AD-Wandler digitalisiert wird. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann dadurch verbessert werden. Operationsverstärker weisen jedoch eine gewisse Drift bzw. zeitliche Veränderung der Eingangs-Offsetspannungen auf, vereinfacht als Nullpunkt-Drift bezeichnet. Deshalb kann der Nullpunkt der Operationsverstärker regelmäßig nachkalibriert werden. Dies kann durch Abschalten der Heizelemente 41, 42 und Messung des Nullpunkts erfolgen. [0055] Exemplarisch wurde in einer Messvorrichtung ein Medien-Durchfluss von 5 1/min (Liter pro min) eingestellt. Dabei wurden Messungen bei verschiedenen Heizfrequenzen im Bereich von 0,001 Hz bis 10 Hz durchgeführt. Hieraus resultiert das in Figur 3 gezeigte Bode- Diagramm, das die rechnerisch ermittelte Amplitudenhöhe (d.h. die Amplitudenhöhe der Differenzsignale zwischen den Temperatursensoren) der Counts eines AD-Wandlers in Beziehung zur eingestellten Heizfrequenz setzt. Die Grenzfrequenz, d.h. der Übergang zwischen Potenzabhängigkeit und linearem Zusammenhang zwischen dem Logarithmus der Amplitudenhöhe und dem Logarithmus der Heizfrequenz, beträgt ungefähr 0,5 Hz. Bei mittleren Heizfrequenzen oberhalb der Grenzfrequenz wird das Verhältnis zwischen Amplitudenhöhe und Heizfrequenz in der doppelt-logarithmischen Darstellung ungefähr linear. Die Amplitudenhöhe fällt mit weiter steigender Frequenz deutlich schneller ab.
[0056] Aus dem ermittelten Zusammenhang zwischen Amplitudenhöhe und Heizfrequenz können verschiedene Auswertungsmethoden für das erfindungsgemäße Messverfahren abgeleitet werden.
[0057] Eine mögliche Form der Auswertung ist eine Amplituden-Methode. Dabei wird im niederfrequenten Bereich des dargestellten Bode-Diagramms bei einer fest eingestellten Heizfrequenz die Amplitudenhöhe betrachtet. Diese Amplitudenhöhe wird direkt einem fest eingestellten Medien-Durchfluss zugeordnet. Anhand mehrerer verschiedener Medien- Durchflüsse kann eine Kennlinie aufgenommen werden. Hier wurde eine 1/x (d.h. reziproke) Abhängigkeit der Amplitudenhöhe vom Medien-Durchfluss nachgewiesen.
[0058] Eine weitere mögliche Auswertung ist eine Phasendifferenz- (Δφ-) Methode. Direkt oberhalb der Grenzfrequenz, d.h. bei Heizfrequenzen größer als die Grenzfrequenz, ist der Verlust an Amplitude noch vergleichsweise gering. Hier wird die Phasenverschiebung in einem Bereich von 0 - 90° relativ zur Phasenlage der Heizleismngs-Ansteuerungsfunktion gemessen. Die Phasenverschiebung ist hierbei umgekehrt proportional korreliert zur Durchflussgeschwindigkeit des Mediums in der Messstrecke bei definiertem Querschnitt der Rohrleitung.
[0059] Eine kontinuierliche Messung kann erfolgen durch Betrachtung und Auswertung der eingebrachten elektrischen Gesamt-Heizleistung in das Medium 21. Dabei wird eine konstante Heizleistung auf der Messstrecke aufrechterhalten und die gemessenen Amplituden (Amplituden der Differenzsignale zwischen den Temperatursensoren) hinter beiden Heizelementen 41, 42 werden addiert. Die kontinuierliche periodische Verlagerung der Anteile an der Gesamtheizleistung zwischen beiden Heizelementen 41, 42 ermöglicht den Ausgleich fertigungsbedingter Toleranzen zwischen den Heizwiderständen der beiden Heizelemente 41, 42. Das Einbringen einer konstanten Heizleistung in das Medium 21 resultiert über die Wärmekapazität des Mediums 21 in eine Temperaturerhöhung des Mediums 21.
[0060] Weiterhin kann eine Kompensation von Temperaturschwankungen des Mediums 21 im Bereich des Medieneinlass 22 mittels Nullpunkt-Kalibrierung vorgenommen werden. Dazu werden die absoluten Temperaturschwankungen im Medieneinlauf gemessen. Mit einem mathematischen Modell wird die Amplitudenänderung kompensiert, die ausschließlich auf fluktuierende Temperaturänderungen im Medienkreislauf zurückzuführen ist. [0061] Im Folgenden werden weitere mögliche Merkmale und Einzelheiten weiterer Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
[0062] Die Durchflussvorrichtung 20 kann beispielsweise eine Rohrleitung sein, durch die das Medium 21 strömt. Das eine Ende der Durchflussvorrichtung 20 ist mit einem Medieneinlass 22 ausgestattet, am anderen Ende der Durchflussvorrichtung 20 befindet sich ein Medienauslass 23. Die Rohrleitung der Durchflussvorrichtung 20 kann in mehrere Abschnitte aufgeteilt sein.
[0063] Die Durchflussvorrichtung 20 kann Bestandteil eines offenen oder eines geschlossenen Medienkreislaufs sein. Der Medienkreislauf kann beispielsweise ein Kühlkreislauf sein mit einem Kühlmittel als Medium 21. Als Kühlmittel bzw. Medium wird oftmals Wasser verwendet, zumindest als Grundbestandteil. Bei einem geschlossenen Medienkreislauf kann das Medium 21 nach dem Medienauslass 23 durch eine Pumpe und einen Wärmetauscher geführt werden und dann wieder dem Medieneinlass 22 zugeführt werden. Die Durchflussvorrichtung 20 kann auch in den Medienkreislauf eines externen Geräts eingeschaltet werden. In diesem Fall können sich Pumpe und Wärmetauscher im Medienkreislauf des externen Geräts befinden.
[0064] Die Temperatursensoren 31, 32, 33 können temperaturempfindliche Widerstände wie zum Beispiel Platinwiderstände vom Typ PtlOO oder PtlOOO sein. Die Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf die Verwendung von Platinwiderständen. Es können auch beliebige andere Temperatursensoren wie beispielsweise Halbleiter-Temperaturfühler verwendet werden. [0065] Es ist vorgesehen, dass die Heizelemente 41, 42 elektrisch betriebene Heizwiderstände beinhalten. Die momentane Heizleistung ergibt sich dann als Produkt der am Heizwiderstand anliegenden Spannung und dem durch den Heizwiderstand fließenden Strom. Als Heizelemente 41, 42 können zum Beispiel handelsübliche Heizpatronen zur Erwärmung von Wasser eingesetzt werden.
[0066] Der zeitliche Verlauf der Heizleistung an den beiden Heizelementen 41, 42 kann sinusförmig sein. Es können auch andere periodische Funktionen zur Steuerung der Heizleistung verwendet werden, beispielsweise Dreieck-Funktionen, Rechteckfunktionen, Trapezfunktionen oder andere Funktionen ähnlicher Art.
[0067] Es ist vorgesehen, dass die Funktion, die den zeitlichen Verlauf der Heizleistung der Heizelemente 41, 42 abbildet, eine Funktion ist, die sich durch Invertieren und Phasenverschiebung in sich selbst überführen lässt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei einer zeitlich versetzten Ansteuerung der beiden Heizelemente 41, 42 die Summe der Heizleistungen der beiden Heizelemente 41, 42 zeitlich konstant ist. Ist der zeitliche Verlauf der Heizleistung beispielsweise sinusförmig, dann wird durch eine um 180° verschobene Heizleistung am zweiten Heizelement 42 gegenüber dem ersten Heizelement 41 eine zeitlich konstante Summe der Heizleistungen erreicht.
[0068] Wenn die Heizelemente 41, 42 mit einer symmetrischen sinusförmigen elektrischen Spannung oder einem symmetrischen sinusförmigen Strom betrieben werden, dann ist zum Erzielen einer konstanten Summe der Heizleistung eine Phasenverschiebung um 90° zwischen der Spannung (bzw. Strom) am ersten Heizelement 41 und der Spannung (bzw. Strom) am zweiten Heizelement 42 erforderlich.
[0069] Es ist vorgesehen, den zeitlichen Verlauf der Heizleistung des ersten Heizelements 41 und der Heizleistung des zweiten Heizelements 42 mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren zu steuern. Die Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation (PWM-Taktfrequenz) kann wesentlich höher sein als die Frequenz des durch die Pulsweitenmodulation modulierten Verlaufs der Heizleistungen der Heizelemente 41, 42 (Heiz-Frequenz). Die PWM-Taktfrequenz kann beispielsweise im Bereich 1 kHz bis 100 kHz liegen. Die Heiz-Frequenz kann beispielsweise im Bereich 0,001 Hz bis 10 Hz liegen. [0070] Die Steuereinheit 40 kann mit einem Umschalter ausgestattet sein, mit dem eine konstante elektrische Spannung oder ein konstanter Strom zwischen den beiden Heizelementen 41, 42 hin und her geschaltet werden kann. Der Umschalter kann aus Halbleiterbauelementen wie beispielsweise Transistoren, Thyristoren, Triacs, FETs, MOSFETs oder IGBTs bestehen. Der Umschalter kann durch Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert werden.
[0071] Die Umschaltfunktion zwischen den Heizelementen 41, 42 kann den Vorteil haben, dass zur Erfassung der Heizleistung eine elektrische Leistungsmessung eingesetzt werden kann, die mit einer geringen Geschwindigkeit bzw. mit einer niedrigen Erfassungsrate auskommt, da die Gesamtleistung zu jedem Zeitpunkt konstant ist. Ebenso ist die Gesamtspannung als auch der Gesamtstrom konstant. Der Stromfluss wird dabei während des Umschaltens höchstens für wenige 10 ns unterbrochen. Der Umschaltvorgang selbst kann mit LC-Gliedern gedämpft werden, sodass er keinen Einfluss auf das Messergebnis hat.
[0072] Die Umschaltfunktion kann auch den Vorteil haben, dass darauf verzichtet werden kann, für jeden Zweig (d.h. für jedes der beiden Heizelemente 41, 42) eine separate Leistungsmessung einzusetzen. Würde für jeden Zweig eine eigene Leistungsmessung eingesetzt werden, dann müssten diese Leistungsmessungen zum einen auch mit Scheitelwertfaktoren (bzw. Crest-Faktoren) umgehen können. Die dazu benötigten Schaltkreise sind aufwändiger und dadurch kostenintensiver und weisen eine geringere Genauigkeit auf. Zum anderen müssten diese Leistungsmessungen dann auch deutlich schneller als die PWM-Taktfrequenz abtasten. Dies hätte wiederum einen nachteiligen Einfluss auf die Auflösung. Die höchsten Auflösungen erreicht man zurzeit bei Abtastfrequenzen von 6 Hz (200 nV Rauschen). Aufgrund der thermischen Geschwindigkeit der Temperatursensoren kann es erforderlich sein, dass die PWM-Taktfrequenz im Bereich von 100 Hz oder auch im Bereich von 1 kHz liegt. Die Abtastfrequenz für die Leistungsmessung müsste dann in diesem Fall bei mindestens 10 kHz liegen. [0073] Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen somit die nachfolgend benannten Vorteile auf:
• Es werden keine beweglichen mechanischen Bauteile in der Durchflussvorrichtung verwendet. Daraus ergibt sich eine hohe Lebensdauer der Vorrichtung und eine hohe Zuverlässigkeit des Verfahrens. Der Volumendurchfluss des Mediums kann kontinuierlich, d.h. ohne
Unterbrechungen ermittelt werden.
Die Nullpunkt- und Offset-Korrektur erfolgt quasikontinuierlich; das Verfahren bietet daher eine besonders hohe Messgenauigkeit.
Das Verfahren bestimmt in erster Linie den „wärmekapazitiven" Volumendurchfluss c(T)■ p(T)■ dV/dt eines Mediums und ist daher besonders geeignet für die Verwendung in Vorrichtungen zur hochgenauen Messung von in ein Medium eingebrachten unbekannten Wärmemengen. [0074] Figur 5 zeigt eine mögliche Anwendung des kalorimetrischen Messverfahrens zur Bestimmung einer unbekannten Wärmemenge P, die in das Medium 21 eingebracht wird. Dazu wird von einer Wärmequelle 45 eine Wärmemenge P an das Medium 21 abgegeben. Die Wärmequelle 45 kann in der Durchflussvorrichtung 20 angeordnet werden an einer Position in Strömungsrichtung des Mediums 21 nach dem dritten Temperatursensor 33. Ein vierter Temperatursensor 34 kann in Strömungsrichtung des Mediums 21 nach der Wärmequelle 45 in der Durchflussvorrichtung 20 angeordnet sein. Der vierte Temperatursensor 45 erzeugt ein viertes Signal in Abhängigkeit einer vierten Temperatur des Mediums 21 nach Abgabe der unbekannten Wärmemenge P an das Medium 21. Ein drittes Differenzsignal zwischen dem vierten Signal und dem dritten Signal kann von der Auswerteeinheit 50 erfasst werden. Das dritte Differenzsignal ist ein Maß für die Temperaturdifferenz T4 - T3 des Mediums 21 vor und nach der Wärmequelle 45.
[0075] Die unbekannte Wärmemenge P steht entsprechend der folgenden Relation über den „wärmekapazitiven" Durchfluss c(T)■ p(T)■ dV/dt des Mediums 21 in Relation zur Temperaturdifferenz T - T3 des Mediums 21 vor und nach der Wärmequelle 45 :
P = ( T4 - T3 ) c(T) p(T) dV/dt [Formel 3]
[0076] Aus Formel 3 in Verbindung mit Formel 2a ergibt sich die unbekannte Wärmemenge P gemäß der folgenden Relation:
P = ( PHI + PH2 ) ( T4 - T3 ) / ( T3 - T, ) [Formel 4] [0077] Aus Formel 4 ist ersichtlich, dass es in diesem Fall besonders günstig ist, dass das erfindungsgemäße kalorimetrische Verfahren geeignet ist zur Messung des „wärmekapazitiven" Durchflusses c(T)■ p(T)■ dV/dt eines Mediums und nicht lediglich der Volumendurchfluss dV/dt bestimmt wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die physikalischen Parameter des Mediums wie die Dichte und die Wärmekapazität zur Bestimmung der unbekannten Wärmemenge P nicht benötigt. Schwankungen in der Zusammensetzung des Mediums beispielsweise haben damit keinen Einfluss auf das Messergebnis. Dadurch wird eine hohe Messgenauigkeit erreicht. [0078] Bei dieser und ähnlichen möglichen Anwendungen des kalorimetrischen Verfahrens wird gewissermaßen eine kontinuierliche Kalibration durchgeführt, indem die unbekannte Wärmemenge mit der über die Heizelemente 41, 42 in das Medium 21 eingebrachte bekannte Wärmemenge über die gemessenen Temperaturdifferenzen direkt ins Verhältnis gesetzt wird. [0079] Die Wärmequelle 45 kann beispielsweise ein Absorber sein, der von dem Medium 21 durchströmt wird. Der Absorber kann einen Energiestrahl absorbieren und dadurch die Leistung des Energiestrahls in eine Wärmemenge umsetzen, die dann vom Absorber an das Medium 21 abgegeben wird. Das derart ausgestaltete Verfahren kann somit zur Messung der Leistung eines Energiestrahls verwendet werden. Der Energiestrahl kann zum Beispiel ein Laserstrahl sein.
[0080] Die Genauigkeit des Verfahrens kann weiterhin durch eine geeignete Wahl der Heizleistung optimiert werden. Dies wird nachfolgend durch Dimensionierungsbeispiele erläutert.
[0081] Um eine möglichst hohe Messgenauigkeit zu erzielen, ist es günstig, wenn die Temperaturdifferenzen möglichst hoch sind. Andererseits darf die Temperatur des Mediums 21 nicht zu groß werden. Bei einem auf Wasser basierenden Medium sollte die Temperatur des Mediums 21 am Medienauslass 23 deutlich unter 100°C liegen. Die Temperatur des Mediums 21 am Medieneinlass 22 liegt meist im Bereich der Umgebungstemperatur, also typischerweise um 25°C. Daher sollten die größten auftretenden Temperaturdifferenzen im Medium 21 nicht größer sein als einige 10 K (Kelvin). [0082] Bei einer Messung relativ geringer unbekannter Wärmemengen kann es günstig sein, wenn die Heizleistung etwa im Bereich der zu messenden unbekannten Wärmemenge liegt oder darüber. Bei der Messung hoher Wärmemengen hingegen würde dies zu unpraktikabel hohen Heizleistungen und einem sehr hohen Stromverbrauch führen.
[0083] Die Heizleistung kann beispielsweise im Bereich von bis zu 100 W liegen.
[0084] Wenn eine unbekannte Wärmemenge in der Größenordnung von etwa 1000 W gemessen werden soll, dann ist dazu ein Mediendurchfluss von mindestens etwa 0,5 1/min (Liter pro Minute) erforderlich. Die Temperaturdifferenz vor und nach der Wärmequelle 45 würde dann bei Verwendung von Wasser als Medium etwa 30 K betragen. Im Hinblick auf eine Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität und der Dichte des Mediums 21 kann es sinnvoll sein, einen höheren Mediendurchfluss zu wählen, damit die Temperaturdifferenz geringer ist. Bei einem Mediendurchfluss von 5 1/min (Liter pro Minute) und einer zu messenden Wärmemenge in der Größenordnung von 1000 W beträgt die Temperaturdifferenz vor und nach der Wärmequelle etwa 3 K. Bei einer Heizleistung von 100 W ergibt sich damit eine Temperaturdifferenz von etwa 0,3 K vor und nach den Heizelementen 41, 42. Bei Verwendung von Platinwiderständen als Temperatursensoren 31, 32, 33 (und ggfs. 34) und einer geeigneten Rausch- und Offset-armen Signalverarbeitung bzw. einer Signal Wandlung mit hoher Auflösung (z.B. mit 24 bit Auflösung) liegt die Messunsicherheit der Temperatur im Bereich von etwa 100 μΚ oder noch weniger. Damit ergibt sich eine sehr hohe Messgenauigkeit für das Verfahren, mit einem Messfehler, der etwa in der Größenordnung von 0,1% oder darunter liegt. [0085] Es ist auch vorgesehen, die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität und/oder der Dichte des Mediums 21 bei der kalorimetrischen Messung zu berücksichtigen. Dazu kann eine Funktion für die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität und/oder der Dichte des Mediums 21 (beispielsweise von Wasser) in einem Speicher der Auswerteeinheit 50 hinterlegt werden. Die gemessenen Temperaturdifferenzen können verwendet werden, um eine Stützstelle für die Funktion der Wärmekapazität zu finden. Die Wärmekapazität üblicher Medien wie zum Beispiel von Wasser variiert nicht unerheblich mit der Temperatur. Mit der Berücksichtigung dieser Temperaturabhängigkeit kann daher die Genauigkeit des Verfahrens weiter erhöht werden. [0086] Der Volumendurchfluss des Mediums 21 kann auch näherungsweise bestimmt werden aus der thermischen Dissipation einer Wärmemenge, die durch den Druckverlust beim Strömen des Mediums 21 durch die Durchflussvorrichtung 20 bzw. beim Strömen durch Rohrleitungsabschnitte der Durchflussvorrichtung 20 erzeugt wird. Der Druckverlust beim Strömen erzeugt Wärme, die direkt gemessen werden kann. Dazu können vor dem Heizen des Mediums 21, d.h. bevor die Heizelemente 41, 42 eingeschaltet werden, die Differenzsignale der Temperatursensoren erfasst und gespeichert werden. Daraus kann die durch Druckverlust beim Strömen des Mediums 21 erzeugte Wärmemenge bestimmt werden. Diese Druckverlust- Wärmemenge bzw. durch Strömung erzeugte Abwärme kann sich bei hohen Medien- Durchflüssen in einer Größenordnung von bis zu 30 W - 100 W (Watt) befinden.
[0087] Es ist daher auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem eine ermittelte Wärmemenge um die durch Druckverlust beim Strömen des Mediums 21 erzeugte Wärmemenge korrigiert wird.
[0088] Mit der Bestimmung der Druckverlust-Wärmemenge kann man auch vor dem ersten Einschalten der Heizelemente 41, 42 prüfen, ob überhaupt ein Medien-Durchfluss vorhanden ist. Dies ist zumindest ein Indikator, da es auch passieren könnte, dass kein Medium 21 in der Durchflussvorrichtung 20 vorhanden ist und nur die gleiche Lufttemperatur gemessen wird.
[0089] Um zu erkennen, ob die Rohrleitungen der Durchflussvorrichtung 20 mit einem Medium 21 gefüllt sind und das Medium 21 strömt, ist es vorgesehen, einen kurzen Heiz-Puls auf die Heizelemente 41, 42 zu geben und zu registrieren, ob die Temperatur des Mediums 21 sich wie erwartet verändert.
[0090] Es kann auch vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit 50 ein Warnsignal ausgibt, wenn der ermittelte Volumendurchfluss des Mediums 21 einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet und somit die Gefahr der Überhitzung des Mediums 21 oder eines Teils der Durchflussvomchtung 20 besteht. Das Warnsignal kann ein elektrisches Signal sein, ein akustisches Signal, ein optisches Signal oder das Öffnen eines Schalters. Ein Warnsignal im Form des Öffhens eines Schalters kann verwendet werden, um einen Sicherheitsschaltkreis (sogenannter Interlock) eines externen Geräts auszulösen. [0091] Es ist weiterhin vorgesehen, dass die maximale Heizleistung der Heizelemente 41, 42 an die aktuellen Bedingungen der Messung angepasst werden kann. Die Heizleistung kann beispielsweise so angepasst werden, dass die Temperaturdifferenz vor und nach den Heizelementen 41, 42 vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 K (Kelvin) bis 10 K liegt.
[0092] Die Heizleistung der Heizelemente 41, 42 kann auch angepasst werden in Abhängigkeit des Mediendurchflusses.
[0093] Es ist ein einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung auch vorgesehen, dass die Heizfrequenz der Heizelemente 41, 42 an die aktuellen Bedingungen der Messung angepasst werden kann. Beispielsweise kann die Heizfrequenz in Abhängigkeit des Mediendurchflusses verändert werden.
Bezugszeichenliste
20 Durchflussvorrichtung
21 Medium
22 Medieneinlass
23 Medienauslass
31 Erster Temperatursensor
32 Zweiter Temperatursensor
33 Dritter Temperatursensor
34 Vierter Temperatursensor
40 Steuereinheit
41 Erstes Heizelement
42 Zweites Heizelement
45 Wärmequelle
50 Auswerteeinheit

Claims

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