DE102017120941A1

DE102017120941A1 - Thermisches Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102017120941A1
Application number: DE102017120941.7A
Authority: DE
Inventors: Alfred Umkehrer; Marc Schalles
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: WO2019048210A1; CN111094906A; CN111094906B; US20200271495A1; US11543274B2; DE102017120941B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Volumendurchflusses, Massedurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums (M) durch ein Rohr (2), sowie ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1). Die Vorrichtung umfasst ein Heizelement (4), welches Heizelement (4) zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium (M) in thermischem Kontakt steht und welches Heizelement (4) zumindest zeitweise mittels eines Heizsignals beaufschlagbar ist, und einen ersten Temperatursensor (5), welcher zur Erfassung einer Temperatur, insbesondere zumindest einer Komponente der Vorrichtung (1) oder der Temperatur des Mediums (M) dient, und welcher erste Temperatursensor (5) zumindest zeitweise mittels eines ersten Temperatursignals beaufschlagbar ist, wobei das Heizelement (4) und der erste Temperatursensor (5) außerhalb eines von dem Medium (M) durchströmten Innenvolumens (V) des Rohres (2) angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung weiterhin zumindest ein Koppelelement (3) auf, welches Koppelelement (3) zumindest teilweise mit dem Heizelement (4), dem ersten Temperatursensor (5) und/oder einem Teilbereich des Rohres (2) in thermischem Kontakt steht und dazu dient, eine thermische Kopplung zwischen dem Heizelement (4) und dem ersten Temperatursensor (5) und zwischen dem Heizelement (4) und dem Medium (5) zu gewährleisten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumendurchflusses, Massedurchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums durch eine Rohrleitung und ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst zumindest ein Heizelement und einen ersten Temperatursensor. Das Heizelement steht zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium in thermischem Kontakt und ist zumindest zeitweise mittels eines Heizsignals beaufschlagbar. Der erste Temperatursensor dient wiederum zur Erfassung einer Temperatur zumindest einer Komponente der Vorrichtung oder einer Temperatur des Mediums und ist mittels einer ersten Temperatursignals beaufschlagbar.
Thermische oder auch kalorimetrische Durchflussmessgeräte finden vielfach Anwendung im Bereich der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in unterschiedlichsten Ausgestaltungen hergestellt unter beispielsweise unter den Bezeichnungen t-switch, t-trend, t-mass, oder Flowphant vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind ebenfalls aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Grundsätzlich lässt sich der Durchfluss auf zwei unterschiedliche Arten bestimmen. Unter den Begriff Durchfluss fallen im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl ein Volumendurchfluss als auch ein Massendurchfluss des Mediums. Ebenso kann eine Durchflussgeschwindigkeit des Mediums ermittelt werden.
Gemäß einem ersten Messprinzip wird ein Sensorelement einem durch eine Rohrleitung strömenden Medium ausgesetzt und derart beheizt, dass seine Temperatur im Wesentlichen konstant bleibt. Bei bekannten, und zumindest zeitweise konstanten Mediumseigenschaften, wie der Mediumstemperatur, dessen Dichte oder auch Zusammensetzung, kann anhand der zum Halten der Temperatur auf den konstanten Wert notwendigen Heizleistung der Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung ermittelt werden. Unter der Mediumstemperatur sei dabei jene Temperatur verstanden, welche das Medium ohne einen zusätzlichen Wärmeeintrag eines Heizelements aufweist.
Bei einem alternativen Messprinzip wird dagegen das Heizelement mit konstanter Heizleistung betrieben und die Temperatur des Mediums stromabwärts des Heizelements gemessen. In diesem Falle gibt die gemessene Temperatur des Mediums Aufschluss über den Massedurchfluss.
Im Falle beider beschriebener Messprinzipien kann, insbesondere bei variabler Mediumstemperatur, außerdem ein zweites Sensorelement, beispielsweise ein Temperatursensor, zur Temperaturmessung des Mediums verwendet werden.
Die Heizelemente von thermischen Durchflussmessgeräten sind häufig in Form von Widerstandsheizungen ausgeführt. Beispielsweise werden sogenannte Widerstandselemente, z. B. RTD-Widerstandselemente (Resistance Temperature Detector), insbesondere Platinelemente, eingesetzt, wie sie unter den Bezeichnungen PT10, PT100, und PT1000 auch kommerziell erhältlich sind. Die Widerstandselemente werden über die Umsetzung von ihnen zugeführter elektrischer Leistung, z. B. in Folge einer erhöhten Stromzufuhr, erwärmt.
Die Bestimmung und/oder Überwachung des Volumendurchflusses Massedurchflusses, und/oder der Durchflussgeschwindigkeit basiert grundsätzlich darauf, dass sich der thermische Übergangswiderstand zwischen dem jeweiligen Sensorelement und dem strömenden Medium jeweils mit der vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeit ändert. Ist in der Rohrleitung beispielsweise keine Strömung vorhanden, erfolgt die Ableitung der Wärme von dem Heizelement über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und ggf. auch über freie Konvektion innerhalb des Mediums. Zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperaturdifferenz nach dem ersten der beiden beschriebenen Messprinzipien wird dann beispielsweise eine zeitlich konstante Wärmemenge benötigt. Beim Vorliegen einer Strömung hingegen kommt es zu einer zusätzlichen Abkühlung des Sensorelements durch das vorbeiströmende, insbesondere kältere, Medium. Es tritt ein zusätzlicher Wärmetransport aufgrund von erzwungener Konvektion auf. Entsprechend muss also in Folge einer Strömung eine erhöhte Heizleistung eingespeist werden, um eine feste Temperaturdifferenz zur Mediumstemperatur aufrecht halten zu können. Ähnliche Überlegungen gelten für das zweite der beiden beschriebenen Messprinzipien.
Der funktionale Zusammenhang zwischen der Heizleistung bzw. gemessenen Temperatur und dem Durchfluss und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Mediums durch die Rohrleitung kann auch mittels des sogenannten Wärmeübertragungskoeffizienten ausgedrückt werden. Daneben haben verschiedene thermophysikalische Eigenschaften des Mediums sowie der in der Rohrleitung herrschende Druck einen Einfluss auf den gemessenen Durchfluss. Um auch der Abhängigkeit des Durchflusses von diesen Größen Rechnung zu tragen, sind beispielsweise verschiedene thermophysikalische Eigenschaften in Form von Kennlinien oder als Bestandteile funktionaler Bestimmungsgleichungen innerhalb einer Elektronikeinheit des Durchflussmessgeräts hinterlegt.
Für eine hohe Messgenauigkeit ist grundsätzlich der thermische Kontakt zwischen dem Heizelement und dem strömenden Medium entscheidend. So kann beispielsweise eine Änderung des thermischen Widerstands des Heizelements, welche zu einer Änderung des Wärmeübergangs vom Heizelement zum Medium bei ansonsten gleich bleibenden Strömungsbedingungen führt, erhebliche Messwertverfälschungen verursachen. Eine derart verursachte Änderung des thermischen Widerstands wird auch als Sensordrift bezeichnet.
Bezüglich des thermischen Widerstands in einem Durchflussmessgerät wird zwischen einem inneren und einem äußeren thermischer Widerstand unterschieden. Der innere thermische Widerstand hängt u.a. von einzelnen Bauteilen innerhalb des Sensorelements, z.B. innerhalb der Hülsen, ab. So kann eine Sensordrift durch Fehlstellen bei Lötanbindungen aufgrund von Zugbelastungen durch Materialausdehnung oder dergleichen zustande kommen. Der äußere thermische Widerstand wird dagegen durch Belagsbildung, Materialabtrag oder Materialumwandlung (z.B. Korrosion) an den das Medium berührenden Flächen des jeweiligen Sensorelements beeinflusst. Eine Änderung des äußeren thermischen Widerstands ist somit insbesondere im Langzeitbetrieb und/oder bei Kontakt mit aggressiven Medien relevant. Im Falle von gas- oder dampfförmigen Medien kann die Messung des Massedurchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit darüber hinaus auch durch Kondensatsbildung an zumindest einem der Temperatursensoren beeinträchtigt werden.
Zur Erfassung des Volumendurchflusses, Massedurchflusses und/oder der Strömungsgeschwindigkeit wird das Heizelement mit dem Medium zumindest zeitweise und/oder teilweise in thermischem Kontakt gebracht. Dazu wird das Heizelement üblicherweise zumindest teilweise in die Rohrleitung eingebracht oder in einen Sensorkopf integriert, welcher in eine bestehende Rohrleitung einbaubar ist. Durch die Integration des jeweiligen Sensorelements in das Rohr kann eine schnelle Ansprechzeit und hohe Messgenauigkeit des Messgeräts gewährleistet werden, da eine Änderung des thermischen Übergangswiderstands zwischen dem Heizelement und dem strömenden Medium im Wesentlichen unmittelbar detektierbar ist.
Allerdings kann es für gewisse Anwendungen auch von Nachteil sein, wenn die Sensoreinheit jeweils in den Prozess hineinragt. Dies betrifft einerseits die Installation oder einen Austausch des Messgeräts, die einen Eingriff in den jeweiligen Prozess erforderlich machen. Außerdem beeinflusst eine in den Prozess hineinragende Sensoreinheit auch das Strömungsverhalten des Mediums in dem Rohr.
Nicht prozessberührende Messgeräte zur Bestimmung des Durchflusses sind beispielsweise in Form von Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgeräten bekannt geworden. Bei derartigen Geräten ist die Sensoreinheit von außen am Rohr befestigbar und ragt nicht in den jeweiligen Prozess hinein. Solche Messgeräte werden ebenfalls von der Anmelderin hergestellt und beispielsweise unter der Bezeichnung Proline Prosonic vertrieben.
Unter Anwendung des thermischen oder kalorimetrischen Messprinzips ist ein derartiger Aufbau ohne einen direkten Kontakt zum Prozess deutlich schwerer realisierbar. Beispielsweise haben das jeweilige medienführende Rohr sowie die äußere Umgebung des Rohres, insbesondere die Umgebungstemperatur, einen großen Einfluss auf das thermische Verhalten des Messgeräts, bzw. auf die Wärmeströme zwischen dem Heizelement, Medium und. ggf. dem Temperatursensor. So kommt es durch eine Positionierung der Sensoreinheit eines thermischen bzw. kalorimetrischen Durchflussmessgeräts zu einer verminderten Ansprechzeit auf Durchflussänderungen und ggf. auch zu einer gegenüber einem prozessberührenden Gerät zu einer geringeren Messgenauigkeit.
Hiervon ausgehend besteht die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, ein thermisches Durchflussmessgerät mit hoher Messgenauigkeit anzugeben, welches auf besonders einfache Art und Weise installiert und ausgetauscht werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 und durch das Verfahren nach Anspruch 14.
Bezüglich der Vorrichtung wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Volumendurchflusses, Massedurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums durch ein Rohr. Die Vorrichtung umfasst ein Heizelement, welches Heizelement zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium in thermischem Kontakt steht und welches Heizelement zumindest zeitweise mittels eines Heizsignals beaufschlagbar ist, und einen ersten Temperatursensor, welcher zur Erfassung einer Temperatur, insbesondere zumindest einer Komponente der Vorrichtung oder Temperatur des Mediums, dient, und welcher erste Temperatursensor zumindest zeitweise mittels eines ersten Temperatursignals beaufschlagbar ist. Das Heizelement und der erste Temperatursensor sind ferner außerhalb eines von dem Medium durchströmten Innenvolumens des Rohres angeordnet.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung ferner zumindest ein Koppelelement auf, welches Koppelelement zumindest teilweise mit dem Heizelement, dem ersten Temperatursensor und/oder einem Teilbereich des Rohrs in thermischem Kontakt steht und dazu dient, eine thermische Kopplung zwischen dem Heizelement und dem ersten Temperatursensor und zwischen dem Heizelement und dem Medium zu gewährleisten.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich also um ein Messgerät, bei welchem die Sensoreinheit nicht in den jeweiligen Prozess hineinragt. Auf diese Weise kann eine Beeinflussung des Strömungsprofils des Mediums durch das Rohr vermieden werden.
Zur Beaufschlagung des Heizelements und ersten Temperatursensors mittels des Heizsignals und ersten Temperatursignals umfasst die Vorrichtung beispielsweise zumindest eine Elektronikeinheit. Die Ansteuerung des Heizelements und des ersten Temperatursensors können dabei gekoppelt sein, oder voneinander unabhängig erfolgen. Weiterhin sind sowohl gepulste als auch zeitlich kontinuierliche Heizsignale und erste Temperatursignale denkbar.
Als Heizelement und Temperatursensor kommen alle dem Fachmann bekannten Möglichkeiten in Frage. Beispielsweise kann es sich bei dem Heizelement um ein Widerstandselement, wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, handeln. Der Temperatursensor kann ebenfalls in Form eines Widerstandselements ausgestaltet sein. Alternativ ist beispielsweise auch ein Temperatursensor in Form eines Thermoelements denkbar.
Zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des jeweiligen Mediums wird das Heizelement mit dem Medium in, insbesondere thermischen, Kontakt gebracht. Es findet ein Wärmaustausch zwischen der Vorrichtung und dem Medium statt. Dabei ändert sich der thermische Übergangswiderstand zwischen dem jeweiligen Sensorelement und dem strömenden Medium jeweils mit der vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeit. Es findet also eine Wärmeausbreitung bzw. ein Wärmefluss vom Heizelement zum Medium statt.
Da das Heizelement jedoch außerhalb eines von dem Medium durchströmten Innenvolumens des Rohres angeordnet ist, findet nicht nur eine Wärmeausbreitung vom Heizelement zum Medium statt, sondern ebenfalls eine Wärmeausbreitung vom Heizelement zu den das Heizelement umgebenden Komponenten, beispielsweise Komponenten des Messgeräts, oder der Messstelle, welche in, insbesondere mechanischem bzw. thermischen, Kontakt zum Heizelement stehen, sowie eine Wärmeausbreitung zum Rohr, oder auch zur Umgebung. Dies wiederum kann zu erheblichen Messwertverfälschungen führen. In der Praxis ist der thermische Übergangswiderstand also nicht nur vom Durchfluss des Mediums abhängig, sondern prinzipiell auch von der Messstelle, der Ausgestaltung des Messgeräts und den jeweiligen mechanischen, bzw. thermischen Kontakten der jeweiligen Komponenten. Es versteht sich von selbst, dass eine Vielzahl weiterer Einflüsse ebenfalls zu einer Verfälschung des ermittelten thermischen Übergangswiderstands führen und welche ebenfalls eine zentrale Rolle spielen können.
Zur Vermeidung derartiger Probleme im Zusammenhang mit einem nicht in den jeweiligen Prozess hineinragenden thermischen Durchflussmessgerät ist das erfindungsgemäße Koppelelement vorgesehen. Da das Koppelement eine thermische Kopplung zwischen dem Heizelement und dem ersten Temperatursensor und eine thermische Kopplung zwischen dem Heizelement und dem Medium gewährleistet, wird eine Wärmeausbreitung bzw. ein Wärmefluss vom Heizelement zu anderen Komponenten des Messgeräts, oder der Messstelle, zum Rohr, insbesondere abseits des Messgeräts, oder auch zur Umgebung minimiert. Eine ungewünschte Verfälschung des ermittelten thermischen Übergangswiederstands wird entsprechend ebenfalls deutlich reduziert bzw. minimiert.
Für die Ausgestaltung des Koppelelements sind zahlreiche Möglichkeiten denkbar, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen. Die genaue Ausgestaltung hängt dabei unter anderem von diversen Vorgaben bezüglich des Messgeräts also auch von der der jeweiligen geometrischen Situation ab. Beispielsweise können das Heizelement und der erste Temperatursensor sowohl übereinander als auch nebeneinander angeordnet sein, was unterschiedliche Anordnungen des Koppelelements je nach Fall erforderlich macht. In jedem Fall sorgt das Koppelelement für eine thermische Kopplung zwischen dem Heizelement und dem ersten Temperatursensor und zwischen dem Heizelement und dem Medium. Zwischen dem Heizelement und dem Medium kann neben dem Koppelelement auch noch die Wandung des Rohres angeordnet sein. In diesem Falle ist das Koppelelement auf das Rohr aufgebracht. Das Koppelelement kann aber auch in einen Teilabschnitt des Rohres integriert sein. Dazu kann das Koppelelement als Teilabschnitt des Rohres ausgestaltet sein.
Das Koppelelement kann schließlich in einer weiteren Ausgestaltung auch für eine direkte thermische Kopplung zwischen dem ersten Temperatursensor und dem Medium sorgen.
Das Koppelelement ist insbesondere aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Beispielsweise kann es sich um ein metallisches Material handeln.
Eine bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass das Koppelelement zumindest teilweise aus einem Material mit einer anisotropen Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus einem zumindest teilweise Kohlenstoff enthaltenden Material, insbesondere Graphit, oder aus hexagonalem Bornitrid. In dieser Hinsicht sei auf die bisher unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen102017100267.7 , in welcher die Verwendung eines entsprechenden Materials in Verbindung mit Thermometern beschrieben ist, sowie auf die ebenfalls bisher unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102017116408.1 , in welcher die Verwendung eines entsprechenden Materials in Verbindung mit thermischen Durchflussmessgeräten beschrieben ist, verwiesen. Auf beide Anmeldungen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung vollumfänglich Bezug genommen.
In einer Ausgestaltung ist das Koppelelement in Form einer Schicht, einer Beschichtung, oder einer, insbesondere dünnwandigen, Folie ausgestaltet. Insbesondere handelt es sich bei dem Koppelelement um ein flächiges, insbesondere an eine Kontur einer Wandung des Rohres angepasstes, Element. Das Koppelelement kann dabei beispielsweise eine dreieckige, viereckige, runde oder auch ellipsenförmige Querschnittsfläche aufweisen.
In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung ein Messrohr, welches in eine bestehende Rohrleitung integrierbar ist, wobei zumindest das Heizelement, der erste Temperatursensor und das Koppelelement an oder in einer Wandung des Messrohrs angeordnet sind. Alternativ ist es denkbar, dass die Vorrichtung von außen an ein Rohr anbringbar ausgestaltet ist. Im zweiten Fall handelt es sich um ein Clamp-On Messgerät.
Unabhängig davon, ob die Vorrichtung ein Messrohr umfasst oder als Clamp-on Messgerät ausgestaltet ist, ist es von Vorteil, wenn die Vorrichtung eine Befestigungseinheit zu, insbesondere lösbaren Befestigung zumindest einer Komponente der Vorrichtung an dem Rohr oder dem Messrohr umfasst.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Vorrichtung beinhaltet, dass das Koppelelement zumindest teilweise zwischen dem Heizelement und dem ersten Temperatursensor, insbesondere im dem Medium abgewandten Bereich des ersten Temperatursensors, angeordnet ist. Der Temperatursensor ist in diesem Fall an dem oder in das Rohr oder Messrohr angebracht oder eingebracht. Auf der dem Rohr oder Messrohr abgewandten Seite des Temperatursensors wiederum befindet sich das Koppelelement, gefolgt von dem Heizelement.
Eine alternative bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass das Heizelement und der erste Temperatursensor nebeneinander im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind, wobei das Koppelelement zwischen dem Medium und dem ersten Temperatursensor und dem Heizelement angeordnet ist. In diesem Falle ist entsprechend das Koppelelement an dem oder in das Rohr oder Messrohr angebracht oder eingebracht. Auf der dem Rohr oder Messrohr abgewandten Seite des Koppelelements wiederum befinden sich nebeneinander angeordnet das Heizelement und der erste Temperatursensor.
Es ist von Vorteil, wenn das Koppelelement derart an dem Rohr oder an/in dem Messrohr angeordnet ist, dass eine gedachte Verbindungslinie zwischen dem ersten Temperatursensor und dem Heizelement einen vorgebbaren Winkel zu einer Längsachse durch das Rohr aufweist und/oder wobei eine Breite und/oder eine Dicke des Koppelelements entlang einer Länge des Koppelelements zumindest abschnittsweise variabel ist und/oder wobei das Koppelelement zumindest in einem ersten Teilbereich aus einem ersten und zumindest in einem von dem ersten Teilbereich verschiedenen zweiten Teilbereich aus einem zweiten Material gefertigt ist. Durch diese oder ähnliche Maßnahmen lässt sich die thermische Kopplung durch das Koppelelement an die jeweiligen Gegebenheiten einer Anwendung anpassen. Das Koppelelement ist entsprechend bezüglich seiner Form, seiner Ausrichtung zur Strömungsrichtung und zum Rohr und durch Wahl der verwendeten Materialien an die jeweilige Anwendung angepasst, um eine bestmögliche thermische Kopplung gewährleisten zu können. Somit kann auf unterschiedliche Materialien und Wandstärken unterschiedlicher Rohre, auf unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften unterschiedlicher Medien sowie auf unterschiedliche Bereiche für die zu erwartenden Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Strömungsprofile innerhalb des Rohres eingegangen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Koppelelement zumindest teilweise derart ausgestaltet, und/oder angeordnet, dass durch eine Beaufschlagung des Heizelements mit dem Heizsignal vermittels des Koppelelements eine erste vorgebbare Wärmemenge von dem Heizelement zu dem ersten Temperatursensor und eine zweite vorgebbare Wärmemenge von dem Heizelement zum Medium fließt. Eine Dimensionierung und Ausgestaltung des Koppelelements erfolgt also auch in Abhängigkeit des jeweils verwendeten Heizsignals bzw. das Heizsignal kann entsprechend der Ausgestaltung des Koppelelements angepasst werden. Zwischen dem Koppelelement und dem Medium ist gegebenenfalls noch das Rohr angeordnet. In diesem Falle erfolgt der Wärmetransport vom Heizelement über das Koppelelement und zumindest einen Teilbereich des Rohres zum Medium.
Ein erster Teil der mittels des Heizelements eingebrachten Heizleistung fließt vom Heizelement vermittels des Koppelelements zum ersten Temperatursensor und ein zweiter Teil der mittels des Heizelements eingebrachten Heizleistung fließt vom Heizelement vermittels des Koppelelements über das Rohr oder Messrohr zum Medium. Im Falle einer sich ändernden Strömungsgeschwindigkeit ändern sich die erste und zweite vorgebbare Wärmemenge. Wenn das Heizelement mit einer konstanten Heizleistung betrieben wird, so kommt es zu einer Änderung der mittels des ersten Temperatursensors ermittelten Temperatur. Die Temperaturänderung ist dann ein Maß für den Durchfluss. Im Falle dass die Vorrichtung mit variabler Heizleitung betrieben wird, ändert sich die zur Aufrechterhaltung einer vorgebbaren Temperatur des ersten Temperatursensors benötigte Heizleistung.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass die Vorrichtung zumindest den ersten und einen zweiten Temperatursensor umfasst. Der zweite Temperatursensor kann der Erhöhung der Messgenauigkeit oder auch zur Gewährleistung einer Redundanz, beispielsweise im Falle eines Defekts an einem der beiden Temperatursensoren dienen. Wie der erste Temperatursensor und das Heizelement ist auch der zweite Temperatursensor außerhalb eines von dem Medium durchströmten Innenvolumens des Rohres angeordnet und somit nicht prozessberührend.
In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn das Koppelelement zumindest teilweise derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass durch eine Beaufschlagung des Heizelements mit dem Heizsignal vermittels des Koppelelements eine dritte vorgebbare Wärmemenge von dem Heizelement zu dem zweiten Temperatursensor fließt. Diese Ausgestaltung erfolgt analog zu dem Fall, dass nur ein Temperatursensor vorhanden ist.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn zumindest ein erster Teilbereich des Koppelelements oder ein erstes Koppelelement zwischen dem Heizelement und dem ersten Temperatursensor, insbesondere im dem Medium abgewandten Bereich des ersten Temperatursensors, angeordnet ist, und wobei zumindest der zweite Temperatursensor neben dem ersten Temperatursensor und dem Heizelement angeordnet ist, wobei zumindest ein zweiter Teilbereich des Koppelelements oder ein zweites Koppelelement zwischen dem Medium und dem zweiten Temperatursensor angeordnet ist und mit dem ersten Temperatursensor und dem Heizelement in thermischem Kontakt steht.
Alternativ können aber auch das Heizelement und die beiden Temperatursensoren nebeneinander entlang einer gemeinsamen Verbindungslinie angeordnet sein, oder das Heizelement und der erste Temperatursensor entlang einer ersten Verbindungslinie und der zweite Temperatursensor und das Heizelement entlang einer zweiten Verbindungslinie wobei die erste und die zweite Verbindungslinie einen vorgebbaren Winkel zueinander aufweisen. Das Koppelelement kann in diesem Fall beispielsweise viereckig, U-Förmig, L-förmig, oder T-förmig ausgestaltet sein, wobei das Heizelement und die beiden Temperatursensoren an unterschiedlichen Positionen entlang einer Oberfläche des Koppelelements angeordnet sind.
Es ist schließlich ebenfalls von Vorteil, wenn die Vorrichtung zumindest ein erstes und ein zweites Koppelelement aufweist, wobei das erste Koppelelement zumindest teilweise derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass durch eine Beaufschlagung des Heizelements mit dem Heizsignal vermittels des ersten Koppelelements eine erste vorgebbare Wärmemenge von dem Heizelement zu dem ersten Temperatursensor fließt, und wobei das zweite Koppelelement zumindest teilweise derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass durch eine Beaufschlagung des Heizelements mit dem Heizsignal vermittels des zweiten Koppelelements eine dritte vorgebbare Wärmemenge von dem Heizelement zu dem zweiten Temperatursensor fließt. Die beiden Koppelelemente sind dann, insbesondere im Bereich des Heizelements, ebenfalls miteinander thermisch gekoppelt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Volumendurchflusses, Massedurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums durch ein Rohr. Bei dem Verfahren wird ein Heizelement zumindest zeitweise mittels eines Heizsignals beaufschlagt, und ein erster Temperatursensor zumindest zeitweise mittels eines ersten Temperatursignals beaufschlagt. Außerdem wird eine Aussage über den Volumendurchfluss, Massedurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit und/oder die Temperatur des Mediums gemacht.
Der erste Temperatursensor kann einerseits für die Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eingesetzt werden. Ebenso ist aber zusätzlich oder alternativ eine Bestimmung der Temperatur des Mediums denkbar. Beide Prozessgrößen können je nach Anwendung beispielsweise gleichzeitig, periodisch alternierend, oder zu im Wesentlichen punktuellen vorgebbaren Zeitpunkten ermittelt werden. Beispielsweise kann der Durchfluss im Wesentlichen kontinuierlich bestimmt werden während zu bestimmten vorgebbaren Zeitpunkten die Temperatur des Mediums bestimmt wird. Es ist von Vorteil, wenn zu einem Zeitpunkt, an welchem die Temperatur des Mediums bestimmt wird, das Heizelement gerade nicht mit einem Heizsignal beaufschlagt wird, um eine Verfälschung der ermittelten Mediumstemperatur durch eine zusätzlich eingebrachte Heizleistung zu vermeiden.
Zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße Durchfluss oder Temperatur ist es weiterhin denkbar, dass Änderungen der jeweiligen Prozessgröße ermittelt werden, oder dass gemessene Werte mit in der Vorrichtung hinterlegten Kennlinien verglichen werden.
Es sei ferner darauf verwiesen, dass es sich bei dem Heizsignal und Temperatursignal sowohl um ein gepulstes Signal als auch um ein kontinuierliches Signal handeln kann.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass zumindest ein zweiter Temperatursensor zumindest zeitweise mittels eines zweiten Temperatursignals beaufschlagt wird. Beispielsweise wird anhand einer mittels des ersten Temperatursensors bestimmten ersten Temperatur und/oder anhand einer mittels des zweiten Temperatursensors bestimmten zweiten Temperatur eine Aussage über den Volumendurchfluss, Massedurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit und/oder die Temperatur des Mediums gemacht.
Die Verwendung von zumindest zwei Temperatursensoren ermöglicht unterschiedliche Ausgestaltungen. Beispielsweise kann mit dem ersten Temperatursensor eine Aussage über den Durchfluss und mit dem zweiten eine Aussage über die Temperatur gemacht werden. Auch können beide Temperatursensoren zur Durchflussbestimmung und/oder-Überwachung eingesetzt werden. In diesem Falle können die Werte der mittels der beiden Temperatursensoren ermittelten Temperaturen miteinander verglichen werden. Beispielsweise kann auch eine Differenz aus den mittels der beiden Temperatursensoren ermittelten Messwerten gebildet und ausgewertet werden.
Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit der Vorrichtung erläuterten Ausgestaltungen mutatis mutandis auch auf das vorgeschlagene Verfahren anwendbar sind und umgekehrt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Clamp-On Durchflussmessgeräts mit einem Heizelement und einem einzigen neben dem Heizelement angeordneten Temperatursensor,
2: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Clamp-On Durchflussmessgeräts mit einem Heizelement und einem einzigen zwischen dem Heizelement und Rohr angeordneten Temperatursensor,
3: verschiedene mögliche Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts mit einem Heizelement und einem neben dem Heizelement angeordneten ersten Temperatursensor,
4 verschiedene mögliche Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts mit einem Heizelement und zwei Temperatursensoren, und
5 eine schematische Darstellung der Heizleistung und der jeweils fließenden Wärmemengen zur Verdeutlichung des der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Messprinzips.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist ein thermisches Durchflussmessgerät 1 mit einem Koppelement 3, einem Heizelement 4 und einem ersten Temperatursensor 5 gezeigt, welches Messgerät 1 an einer Wandung W eines Rohres 2, durch welches das Medium M in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung strömt, angebracht ist. Zum Anbringen der Vorrichtung 1 an das Rohr sind unterschiedliche Varianten möglich. In der in 1 gezeigten Ausgestaltung ist das Messgerät 1 als Clamp-On Messgerät ausgestaltet, welches von außen an das Rohr 2 angebracht werden kann. Hierzu sind alle dem Fachmann wohlbekannten Befestigungsweisen denkbar und fallen unter die vorliegende Erfindung. In einer anderen nicht gezeigten Ausgestaltung sind das Heizelement 4, der erste Temperatursensor 5 und das Koppelelement 3 in ein Messrohr integriert, welches wiederum in eine bestehende Rohrleitung einbringbar ist. In diesem Fall können das Koppelelement 3, das Heizelement 4 und der erste Temperatursensor 5 auch in die Wandung des Messrohres integriert sein. In jedem Fall ist die Vorrichtung 1 derart ausgelegt, dass die Sensoreinheit, also zumindest das Heizelement 3 und der erste Temperatursensor 4 nicht prozessberührend sind. Dies bedeutet, dass das Heizelement und der erste Temperatursensor (sowie gegebenenfalls vorhandene weitere Temperatursensoren 8) außerhalb des von dem Medium M durchströmten Innenvolumens V des Rohres 2 angeordnet sind. Sie schließen also zumindest im Wesentlichen frontbündig mit einer Innenwandung des Rohres 2 ab, oder sind in der Wandung W oder an der Außenwandung des Rohres 2 angebracht.
Das Heizelement 4 ist neben dem ersten Temperatursensor 5 angeordnet. Sowohl das Heizelement 4 als auch der erste Temperatursensor 5 sind ferner auf dem Koppelelement 3 angeordnet und stehen mittels des Koppelelements 3 im thermischen Kontakt miteinander und mit dem Medium M.
In anderen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann das Gerät auch mehrere Heizelemente 4, mehrere Temperatursensoren 5,8 oder mehrere Koppelelemente 3 aufweisen.
Mittels der Anschlussdrähte 6 sind das Heizelement 4 und der erste Temperatursensor 5 mit einer Elektronikeinheit 7 verbunden, welche der Signalerfassung, -auswertung und -speisung dient. Es sei darauf verwiesen, dass von Ausgestaltung zu Ausgestaltung die Anzahl an verwendeten Anschlussdrähten 6 variieren kann. Auch ist die Elektronikeinheit 7 jeweils an die Ausgestaltung des Messgeräts 1 angepasst.
Das Heizelement 4 steht mittels des Koppelelements 3 zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium M in thermischem Kontakt. Im fortlaufenden Betrieb kann das Heizelement 4 zur Bestimmung des Durchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit beispielsweise durch Zuführung einer variablen Heizleistung P auf eine vorgebbare Temperatur T geheizt oder durch Zuführung einer konstanten Heizleistung P bei variabler Temperatur T betrieben werden. Grundsätzlich findet also ein Wärmaustausch zwischen dem Messgerät 1 und dem Medium M, bzw. eine Wärmeausbreitung bzw. ein Wärmefluss vom Heizelement 4 zum Medium M, statt. Dabei ändert sich der thermische Übergangswiderstand zwischen dem Heizelement 4 und dem strömenden Medium M jeweils mit der vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeit v.
Das Koppelelement 3 bewirkt sowohl eine thermische Kopplung des Heizelements 4 und des ersten Temperatursensors 5 als auch eine thermische Kopplung zum Medium M. Insbesondere wird durch das Koppelelement 3 gewährleistet, dass eine erste vorgebbare Wärmemenge vom Heizelement 4 zum ersten Temperatursensor 5 fließt und eine zweite vorgebbare Wärmemenge vom Heizelement 4 zum Medium M. Ein vom Heizelement 4 ausgehender Wärmestrom kann entsprechend mittels des Koppelelements 3 gezielt beeinflusst werden, insbesondere mit Hinblick auf die Ausbreitungsrichtung der jeweiligen Wärmemenge und deren Aufteilung in unterschiedlichen Richtungen. Zur Vorgabe der jeweiligen Wärmemengen die vom Heizelement 4 zum ersten Temperatursensor 5 bzw. zum Medium fließen, kann also einfach das Koppelelement passend ausgestaltet und angeordnet werden. Beispiele für solche möglichen Ausgestaltungen sind in den nachfolgenden Figuren angegeben. Bevorzugt besteht das Koppelelement 3 aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus einem Metall. Ebenso ist die Verwendung von Graphit, aber auch von anderen Werkstoffen denkbar.
Der erste Temperatursensor 5 kann einerseits zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ kann mit dem ersten Temperatursensor aber auch die Temperatur T des Mediums M ermittelt werden.
Eine zweite mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Messgeräts 1 ist Gegenstand von 2. Wie in 1 handelt es sich hierbei beispielhaft um ein Clamp-On Messgerät. Auch für diese Ausgestaltung gilt, dass die Vorrichtung 1 mit allen dem Fachmann wohlbekannten Befestigungsmitteln an dem Rohr 2 befestigbar ist. Auch kann eine entsprechende Ausgestaltung unter Verwendung eines separaten Messrohres [nicht gezeigt] realisiert werden.
Im Gegensatz zu 1 sind der erste Temperatursensor 5 und das Heizelement 4 in 2 übereinander angeordnet. Der Temperatursensor 5 ist an einer Wandung W des Rohrs 2 angebracht. Auf der dem Rohr 2 abgewandten Seite des ersten Temperatursensors 5 befindet sich das Koppelelement 3, gefolgt von dem Heizelement 4. In einer anderen Ausgestaltung [nicht gezeigt] kann ferner ein zweites Koppelelement zwischen dem ersten Temperatursensor 5 und der Wandung W des Rohres 2 angeordnet sein. Für die gezeigte Ausgestaltung sind die Querschnittsflächen des Heizelements 4 und des Koppelelements 5 im Wesentlichen gleich groß. Es sei darauf verwiesen, dass das Heizelement 4 und das Koppelelement 3 in anderen Ausgestaltungen auch unterschiedlich dimensioniert sein können.
In 2 sind ferner die Anschlussdrähte 6 und die Elektronikeinheit 7 nicht eingezeichnet. Die Ansteuerung des Heizelements 4 und ersten Temperatursensors 5, bzw. die Beaufschlagung mit einem geeigneten Heizsignal und Temperatursignal erfolgt analog zu 1.
Für die Ausgestaltung des Koppelelements 3 und für die Anordnung des Heizelements 4 und des ersten Temperatursensors 5 relativ zum Koppelelement 3 und zum Rohr 2 sind zahlreiche Varianten möglich und fallen unter die vorliegende Erfindung. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind im Folgenden beispielhaft unterschiedliche mögliche Varianten für eine erfindungsgemäße Vorrichtung skizziert.
In 3 sind unterschiedliche Ausgestaltungen für eine Vorrichtung mit einem Heizelement 4 und einem ersten Temperatursensor 5 dargestellt. In 3a sind das Heizelement 4 und der erste Temperatursensor 5 nebeneinander angeordnet und auf dem Koppelelement 3 positioniert, welches wiederum an der Wandung W des Rohres 2 angebracht ist. Die gedachte Verbindungslinie a zwischen dem Heizelement 4 und dem ersten Temperatursensor 5, beispielsweise eine durch die jeweiligen Mittelpunkte oder sich entsprechenden Berandungen verlaufende Verbindungslinie a, verläuft parallel zur Längsachse durch das Rohr 2 und parallel zur Strömungsrichtung des Mediums M. Es versteht sich von selbst, dass für die Reihenfolge des Heizelements 4 und des ersten Temperatursensors 5 parallel zur Strömungsrichtung in unterschiedlichen Ausgestaltungen unterschiedlich sein kann. Es ist also sowohl möglich, dass der erste Temperatursensor 5 in Strömungsrichtung vor dem Heizelement 4 oder auch nach dem Heizelement 4 angeordnet ist. Es sei ferner darauf verwiesen, dass auch andere geometrische Formen für das Koppelelement 3 denkbar sind, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen. Beispielsweise kann das Koppelelement 3 auch oval, kreisförmig, oder auch dreieckig ausgestaltet sein.
Die Ausgestaltung aus 3b unterscheidet sich von der aus 3a dadurch, dass die Verbindungslinie a einen Winkel von etwa 45° zur Längsachse durch das Rohr 2 aufweist. Bei der Variante gemäß 3c beträgt der Winkel zwischen der Verbindungslinie a und der Längsachse L 90°. Es sei darauf verwiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Werte für den Winkel zwischen der Verbindungslinie a und der Längsachse L möglich sind. Durch die Einstellung des Winkels zwischen der Verbindungslinie a und der Längsachse L kann die thermische Kopplung zwischen dem Koppelelement 3, dem Medium 2 sowie dem Heizelement 4 und dem ersten Temperatursensor 5 gezielt eingestellt und angepasst werden.
Zur Anpassung der thermischen Kopplung sind aber auch andere Maßnahmen möglich. Beispielsweise kann das Koppelelement 3 derart ausgestaltet werden, dass seine Breite b entlang der Länge l des Koppelelements variabel ist. Hierfür ist eine kontinuierliche Variation der Breite b denkbar, wie in 3d dargestellt, oder auch eine stufenartige Variation der Breite b [nicht dargestellt].
Eine weitere mögliche Maßnahme zur Anpassung und/oder Einstellung der thermischen Kopplung besteht darin, das Koppelelement 3 zumindest in einem ersten Teilbereich 3.1 aus einem ersten und zumindest in einem von dem ersten Teilbereich 3.1 verschiedenen zweiten Teilbereich 3.2 aus einem zweiten Material zu fertigen, wie beispielhaft in 3e dargestellt.
Noch eine beispielhafte mögliche Maßnahme besteht darin, die Dicke d des Koppelelements entlang der Längsachse l zu variieren, wie anhand den Figuren 3f und 3g dargestellt. In 3f nimmt die Dicke d von einem Wert d₁ kontinuierlich bis zu einem Wert d₂ zu, während in 3g die Dicke stufenweise variiert und das Koppelelement 3 in einem ersten Teilbereich eine Dicke d₁ und in einem zweiten Teilbereich eine Dicke d₂ aufweist.
Neben den beschriebenen Maßnahmen sind zahlreiche weitere Möglichkeiten zur Anpassung und/oder Einstellung der durch das Koppelelement 3 vermittelten thermischen Kopplung möglich und fallen ebenfalls unter die vorliegende Erfindung. Auch sei darauf verwiesen, dass die unterschiedlichen möglichen Maßnahmen beliebig miteinander kombinierbar sind. Auch sind entsprechende Maßnahmen für eine Ausgestaltung der Vorrichtung 1, wie sie in 2 gezeigt ist, möglich.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung für ein erfindungsgemäßes Durchflussmessgerät 1 ist Gegenstand von 4. Hier umfasst die Vorrichtung 1 neben dem Koppelelement 3, dem Heizelement 4 und dem ersten Temperatursensor 5 einen weiteren Temperatursensor 8. Eine erste vorgebbare Wärmemenge wird jeweils vom Heizelement 4 zum ersten Temperatursensor 5 transportiert, während eine zweite vorgebbare Wärmemenge vom Heizelement 4 zum Medium M und eine dritte vorgebbare Wärmemenge vom Heizelement 4 zum zweiten Temperatursensor 8 fließt. Ebenso wie im Falle der vorangegangen Figuren kann eine entsprechende Vorrichtung 1 sowohl als Clamp-On Messgerät 1 oder auch mit einem separaten Messrohr ausgestaltet sein. Die Möglichkeiten sind ebenso vielfältig wie im Falle der Figuren 1 und 2. Lediglich der zweite Temperatursensor 8 muss ergänzt werden, wobei auch hierfür wieder zahlreiche Optionen zur Verfügung stehen.
Die in dieser Hinsicht in 4 dargestellten Varianten sind entsprechend ebenso wie im Fall der 3 als beispielhaft anzusehen. Keineswegs ist die vorliegende Erfindung auf die gezeigten Varianten beschränkt. Gemäß 4a sind das Heizelement 4 und der erste 5 und zweite 8 Temperatursensor nebeneinander entlang einer gemeinsamen gedachten Verbindungslinie a an dem Koppelelement 3 angebracht, welches wiederum auf die Wandung W des Rohes 2 aufgebracht ist. Im Unterschied zu 4a ist in 4b das Heizelement 4 zwischen den beiden Temperatursensoren 5 und 8 angeordnet.
In 4c sind der erste Temperatursensor 5, das Koppelelement 3.3 und das Heizelement 4 analog zur Variante gemäß 2 ausgestaltet. Im Gegensatz zu 2 sind das Heizelement 4, das Koppelelement 3.3 und der erste Temperatursensor 5 aber nicht direkt an der Wandung W des Rohres 2 angebracht, sondern auf dem weiteren Koppelelement 3. Die Koppelelemente 3 und 3.3 können jeweils aus dem gleichen Material, oder auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Neben dem Heizelement 4, Koppelelement 3.3 und ersten Temperatursensor 5 ist weiterhin der zweite Temperatursensor 8 angeordnet, welcher sich ebenfalls auf dem Koppelelement 3 befindet. In einer anderen, nicht gezeigten Ausgestaltung können auch die beiden Temperatursensoren 5,8 und das Heizelement 4 alle aufeinanderfolgend, insbesondere übereinander, angeordnet sein. Zwischen zumindest zwei der Komponenten ist dann das Koppelelement 3 angebracht. Aber es können auch mehrere Koppelelemente 3 verwendet werden, die beispielsweise zwischen jeweils zwei Komponenten angebracht werden können.
Zur Anpassung und Einstellung der mittels des Koppelelements 3 vermittelten thermischen Kopplung sind auch im Falle zweier Temperatursensoren 5,8 zahlreiche weitere Maßnahmen möglich. Beispielsweise kann die Form und/oder Dimensionierung des Koppelelements 3 bzw. die relative Anordnung des Heizelements 4 und der beiden Temperatursensoren 5,8 geeignet gewählt werden. So ist das Koppelelement 3 gemäß 4d rechteckig ausgestaltet, während in 4e ein U-förmiges, in 4f ein T-förmiges, und in 4g ein V-förmiges Koppelelement 3 gezeigt sind. Bei allen diesen Ausgestaltungen für die Form des Koppelelements sind jeweils das Heizelement 4 und der erste Temperatursensor 5 entlang einer ersten gedachten Verbindungslinie a₁ und der zweite Temperatursensor 8 und das Heizelement 4 entlang einer zweiten gedachten Verbindungslinie (a₂ ) positioniert, wobei zwischen den beiden Verbindungslinien a1 und a2 ein geeigneter Winkel eingestellt werden kann. Diese Anordnung ist ähnlich wie die in den Figuren 3b und 3c gezeigten Anordnungen für den Fall eines einzigen ersten Temperatursensors 5.
In 4h dagegen umfasst die Vorrichtung 1 ein erstes Koppelelement 3.4 und ein zweites Koppelement 3.5. Die Koppelelemente 3.4 und 3.5 sind nebeneinander angeordnet und das Heizelement 4 ist entlang einer Grenzfläche zwischen den beiden Koppelelementen 3.4 und 3.5 derart positioniert, dass es sowohl mit dem ersten 3.4 als auch mit dem zweiten Koppelelement 3.5 in thermischem Kontakt steht. Durch eine Beaufschlagung des Heizelements 4 mit dem Heizsignal wird vermittels des ersten Koppelelements 3.4 eine erste vorgebbare Wärmemenge von dem Heizelement 4 zu dem ersten Temperatursensor 5 und eine dritte vorgebbare Wärmemenge von dem Heizelement 4 zu dem zweiten Temperatursensor 8 transportiert. Ein Transport von Wärme vom Heizelement 4 zum Medium M findet vermittels beider Koppelelemente 3.4 und 3.5 statt.
Eine weitere beispielhafte mögliche Maßnahme besteht darin, ähnlich wie im Falle der Figuren 3f und 3g die Dicke d des Koppelelements 3 entlang dessen Längsachse l zu variieren, wie durch die Figuren 4i, 4k und 4l dargestellt. Genau wie in 3 kann die Dicke d kontinuierlich oder stufenweise variiert werden.
Wie auch im Falle einer Ausgestaltung mit einem einzigen, ersten Temperatursensor 5 lassen sich die unterschiedlichen in 4 gezeigten Varianten beliebig miteinander kombinieren. Auch im Zusammenhang mit 3 gezeigte Varianten lassen sich analog auf den Fall einer Vorrichtung 1 mit zwei Temperatursensoren 5,8, wie in 4 dargestellt anwenden, und umgekehrt. Es sei ferner darauf verwiesen, dass die in 4 gezeigten Möglichkeiten keineswegs abschließend sind. Vielmehr sind zahlreiche weitere Beispiele denkbar, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.
Eine schematische Darstellung des der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Messprinzips ist schließlich Gegenstand von 5. In 5a ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung wie in 2a dargestellt, gezeigt, für welche die jeweiligen Wärmemengen Q₁ und Q₂ eingezeichnet sind. Durch eine Beaufschlagung des ersten Temperatursensors 5 mit einem Heizsignal P fließt die zweite vorgebbare Wärmemenge Q₂ vom Heizelement 4 zum Medium M, und die erste vorgebbare Wärmemenge Q₁ vom Heizelement 4 zum ersten Temperatursensor 5. Die Größen der vorgebbaren Wärmemengen Q₁ und Q₂ hängen dabei von den geometrischen Ausgestaltungen der Vorrichtung 1, den verwendeten Materialien, vom Rohr 2 und auch vom Medium M selbst und dessen Strömungsgeschwindigkeit v ab.
In 5b ist eine schematische Darstellung eines Heizsignals P in Form von Rechteckpulsen (durchgezogene Linie), sowie die zweite vorgebbare Wärmemenge Q₂ für zwei unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten v₁ (gepunktete Linie) und v₂ (gestrichelte Linie) des Mediums M, jeweils als Funktion der Zeit t gezeigt. Das Heizsignal P ist jeweils für die Dauer eines Pulses zeitlich konstant. Es sei darauf verwiesen, dass das hier gezeigte Heizsignal P beispielhaft zu verstehen ist. In anderen Ausgestaltungen kann das Heizsignal P beispielsweise sinusförmig, trapezförmig oder auch sägezahnförmig ausgestaltet sein. Die Temperatur T des Mediums ist für beide Strömungsgeschwindigkeiten v₁ und v₂ identisch und zeitlich konstant. Es gilt v₁>v₂. Die vorgebbaren Wärmemengen Q₁ und Q₂ , bzw. deren Anteile zur gesamten Wärmemenge Q_ges=Q₁+Q₂ hängen von der Strömungsgeschwindigkeit v des Mediums M ab. Vergrößert sich beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit v vom geringeren Wert v₂ zu dem größeren Wert v₁ , so vergrößert sich Q₂ , da mehr Wärme vom Heizelement 4 zum Medium M transportiert wird. Entsprechend verringert sich die zweite vorgebbare Wärmemenge Q₁ . Als Konsequenz wird mittels des ersten Temperatursensors 5 eine geringere Temperatur T gemessen, wobei die Temperaturänderung ΔT der mittels des ersten Temperatursensors 5 gemessenen Temperatur proportional zur Änderung der Strömungsgeschwindigkeit v des Mediums M ist.
Dieser Zusammenhang ist in 5c nochmals anhand einer schematischen Darstellung der ersten vorgebbaren Wärmemenge Q₁ und der ersten v₁ (gepunktete Linie) und zweiten Strömungsgeschwindigkeit v₂ (gestrichelte Linie) je als Funktion der Zeit t illustriert. Vergrößert sich beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit v vom geringeren Wert v₂ zu dem größeren Wert v₁ , so verringert sich Q₁ , da mehr Wärme vom Heizelement 4 zum Medium M transportiert wird. Als Konsequenz wird mittels des ersten Temperatursensors 5 eine geringere Temperatur T gemessen, wie in Zusammenhang mit 5a bereits beschrieben.
Die mittels des ersten Temperatursensors 5 gemessene Temperatur T ist im Prinzip ein Maß für die erste vorgebbare Wärmemenge Q₁ . Wieder gilt, dass die Temperatur T des Mediums M konstant ist, so dass ein Einfluss einer variablen Mediumstemperatur T auf die mittels der Vorrichtung 1 gemessenen Größen ausgeschlossen werden kann. Es versteht sich von selbst, dass die beschriebenen Zusammenhänge vom Prinzip auch für den Fall einer variablen Mediumstemperatur T gelten. Ebenso gelten analoge Überlegungen für den Fall, dass zumindest ein zweiter Temperatursensor 8 vorgesehen ist.
Bezugszeichenliste

1: Durchflussmessgerät
2: Rohr
3,3.1-3.5: Koppelelement
4: Heizelement
5: Erster Temperatursensor
6: Anschlussdrähte
7: Elektronikeinheit
8: Zweiter Temperatursensor
M: Medium
W: Wandung des Rohres
V: Innenvolumen des Rohes
T: Temperatur des Mediums
v, v₁,v₂: Strömungsgeschwindigkeit
a: Gedachte Verbindungslinie zwischen Heizelement und Temperatursensor
L: Längsachse durch das Rohr
l: Länge des Koppelelements
b, b₁-b₂: Breite des Koppelelements
d, d₁-d₃: Dicke des Koppelelements
Q, Q₁, Q₂, Q_ges: Wärmemengen
P: Heizsignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017100267 [0028]
DE 102017116408 [0028]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Volumendurchflusses, Massedurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums (M) durch ein Rohr (2), umfassend ein Heizelement (4), welches Heizelement (4) zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium (M) in thermischem Kontakt steht und welches Heizelement (4) zumindest zeitweise mittels eines (P) beaufschlagbar ist, und einen ersten Temperatursensor (5), welcher zur Erfassung einer Temperatur, insbesondere zumindest einer Komponente der Vorrichtung (1) oder der Temperatur des Mediums (M) dient, und welcher erste Temperatursensor (5) zumindest zeitweise mittels eines ersten Temperatursignals beaufschlagbar ist, wobei das Heizelement (4) und der erste Temperatursensor (5) außerhalb eines von dem Medium (M) durchströmten Innenvolumens (V) des Rohres (2) angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, dass die Vorrichtung (1) zumindest ein Koppelelement (3) aufweist, welches Koppelelement (3) zumindest teilweise mit dem Heizelement (4), dem ersten Temperatursensor (5) und/oder einem Teilbereich des Rohres (2) in thermischem Kontakt steht und dazu dient, eine thermische Kopplung zwischen dem Heizelement (4) und dem ersten Temperatursensor (5) und zwischen dem Heizelement (4) und dem Medium (5) zu gewährleisten.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Koppelelement (3) zumindest teilweise aus einem Material mit einer anisotropen Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus einem zumindest teilweise Kohlenstoff enthaltenden Material, insbesondere Graphit, oder aus hexagonalem Bornitrid, besteht
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Koppelelement (3) in Form einer Schicht, einer Beschichtung, oder einer, insbesondere dünnwandigen, Folie ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) ein Messrohr umfasst, welches in eine bestehende Rohrleitung integrierbar ist, wobei zumindest das Heizelement (4), der erste Temperatursensor (5) und das Koppelelement (3) an oder in einer Wandung des Messrohrs angeordnet sind oder wobei die Vorrichtung (1) von außen an ein Rohr (2) anbringbar ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Koppelelement (3) zumindest teilweise zwischen dem Heizelement (4) und dem ersten Temperatursensor (5), insbesondere im dem Medium (M) abgewandten Bereich des ersten Temperatursensors (5), angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1-4, wobei das Heizelement (4) und der erste Temperatursensor (5) nebeneinander im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind, und wobei das Koppelelement (3) zwischen dem Medium (M) und dem ersten Temperatursensor (5) und dem Heizelement (4) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Koppelelement (3) derart an dem Rohr (2) oder an/in dem Messrohr angeordnet ist, dass eine gedachte Verbindungslinie (a) zwischen dem ersten Temperatursensor (5) und dem Heizelement (4) einen vorgebbaren Winkel zu einer Längsachse (L) durch das Rohr aufweist und/oder wobei eine Breite (b) und/oder eine Dicke (d) des Koppelelements (3) entlang einer Länge (l) des Koppelelements (3) zumindest abschnittsweise variabel ist und/oder wobei das Koppelelement (3) zumindest in einem ersten Teilbereich aus einem ersten (3.1) und zumindest in einem von dem ersten Teilbereich verschiedenen zweiten Teilbereich aus einem zweiten Material (3.2) gefertigt ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Koppelelement (3) zumindest teilweise derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass durch eine Beaufschlagung des Heizelements (4) mit dem Heizsignal (P) vermittels des Koppelelements (3) eine erste vorgebbare Wärmemenge (Q₁) von dem Heizelement (4) zu dem ersten Temperatursensor (5) und eine zweite vorgebbare Wärmemenge (Q₂) von dem Heizelement (4) zum Medium (M) fließt.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, umfassend zumindest den ersten (5) und einen zweiten Temperatursensor (8).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, wobei das Koppelelement (3) zumindest teilweise derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass durch eine Beaufschlagung des Heizelements (4) mit dem Heizsignal (P) vermittels des Koppelelements (3) eine dritte vorgebbare Wärmemenge von dem Heizelement (4) zu dem zweiten Temperatursensor (8) fließt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei zumindest ein erster Teilbereich des Koppelelements (3) oder ein erstes Koppelelement (3.3) zwischen dem Heizelement (4) und dem ersten Temperatursensor (5), insbesondere im dem Medium (M) abgewandten Bereich des ersten Temperatursensors (5), angeordnet ist, und wobei zumindest der zweite Temperatursensor (8) neben dem ersten Temperatursensor (5) und dem Heizelement (4) angeordnet ist, wobei zumindest ein zweiter Teilbereich des Koppelelements oder ein zweites Koppelelement (3) zwischen dem Medium (M) und zumindest dem zweiten Temperatursensor (8) angeordnet ist und mit dem ersten Temperatursensor (5) und dem Heizelement (4) in thermischem Kontakt steht.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Heizelement (4) und die beiden Temperatursensoren (5,8) nebeneinander entlang einer gemeinsamen Verbindungslinie (a) angeordnet sind, oder wobei das Heizelement (4) und der erste Temperatursensor (5) entlang einer ersten gedachten Verbindungslinie (a₁) und der zweite Temperatursensor (8) und das Heizelement (4) entlang einer zweiten gedachten Verbindungslinie (a₂) angeordnet sind, und wobei die erste (a₁) und die zweite Verbindungslinie (a₂) einen vorgebbaren Winkel zueinander aufweisen.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, umfassend zumindest ein erstes (3.4) und ein zweites Koppelelement (3.5), wobei das erste Koppelelement (3.4) zumindest teilweise derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass durch eine Beaufschlagung des Heizelements (4) mit dem Heizsignal (P) vermittels des ersten Koppelelements (3.4) eine erste vorgebbare Wärmemenge von dem Heizelement (4) zu dem ersten Temperatursensor (5) fließt, und wobei das zweite Koppelelement (4.5) zumindest teilweise derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass durch eine Beaufschlagung des Heizelements (4) mit dem Heizsignal (P) vermittels des zweiten Koppelelements (3.5) eine dritte vorgebbare Wärmemenge von dem Heizelement (4) zu dem zweiten Temperatursensor (8) fließt.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Volumendurchflusses, Massedurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums (M) durch ein Rohr (2) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Heizelement (4) zumindest zeitweise mittels eines Heizsignals (P) beaufschlagt wird, wobei ein erster Temperatursensor (5) zumindest zeitweise mittels eines ersten Temperatursignals beaufschlagt wird, und wobei eine Aussage über den Volumendurchfluss, Massedurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit und/oder die Temperatur (T) des Mediums (M) gemacht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein zweiter Temperatursensor (8) zumindest zeitweise mittels eines zweiten Temperatursignals beaufschlagt wird.