Durchflussmessgeräts

Diese Erfindung betrifft ein thermisches Durchflussmessgerät und ein Verfahren zum Betreiben eines thermischen Durchflussmessgeräts.

Die thermische Durchflussmessung basiert darauf, dass über einen Energieeintrag über eine Sonde in ein an der Sonde vorbeiströmenden Medium oder über die Temperatur einer im Medium befindlichen beheizten Sonde Rückschlüsse auf den Massestrom des Mediums gezogen werden können. Allerdings lässt sich aus dem Energieeintrag bzw. aus der Temperatur der Sonde nicht ableiten, in welche Richtung das Medium strömt.

Die Schrift DE102015118123A1 zeigt einen Sensor eines thermischen Durchflussmessgeräts, welches in ein Messrohr des Durchflussmessgeräts getaucht wird und mehrere Sonden aufweist, die entweder zum Beheizen des Mediums und zur Messung der eigenen Temperatur oder zum Messen der Temperatur des Mediums eingerichtet sind. Des Weiteren ist ein Strömungswiderstand dazu eingerichtet, eine richtungsabhängige Anströmung einer beheizbaren Sonde zu bewirken, um aus der Richtungsabhängigkeit der Anströmung eine eindeutige Richtungsangabe der Strömung des Mediums im Messrohr herleiten zu können. Jedoch hat sich gezeigt, dass bei geringer bis mittlerer Strömungsgeschwindigkeit eine Strömungsrichtungsangabe mit hohen Unsicherheiten behaftet ist.

Die DE102018105046A1 und die WO2020244856A1 zeigen weitere Sensoren von thermischen Durchflussmessgeräten mit Strömungsrichtungserkennung, bei welchen bei geringer Strömungsgeschwindigkeit weiterhin hohe Unsicherheiten bei der Strömungsrichtungsangabe vorhanden sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Durchflussmessgerät vorzuschlagen, mittels welchem eine zuverlässige Strömungsrichtungserkennung des Mediums im Messrohr ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein thermisches Durchflussmessgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 9.

Ein erfindungsgemäßes thermisches Durchflussmessgerät zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr umfasst ein Messrohr mit einer Messrohrwand und einer Messrohrachse; einen Sensor mit vier Sonden, welche Sonden ausgehend von einem Sensorgrundkörper in das Messrohr hineinragen, wobei die Sonden dazu eingerichtet sind, das Medium zu heizen, dessen Temperatur zu bestimmen oder eine Strömung des Mediums im Messrohr zu beeinflussen; eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung, welche dazu eingerichtet ist, zumindest drei Sonden zu betreiben und mittels deren Betrieb Durchflussmesswerte zu erstellen und bereitzustellen, wobei jede Sonde einen Sondengrundkörper und einen Sondenwirkkörper aufweist, wobei der Sondengrundkörper jeweils auf einer dem Sensorgrundkörper zugewandten Seite der entsprechenden Sonde angeordnet ist, und wobei der Sondenwirkkörper jeweils auf einer dem Sensorgrundkörper abgewandten Seite der entsprechenden Sonde angeordnet ist, wobei der Sondenwirkkörper dazu eingerichtet ist, das Medium zu heizen, die Temperatur des Mediums zu bestimmen und/oder eine Strömung des Mediums im Messrohr zu beeinflussen, wobei die Sondengrundkörper säulenförmig ausgestaltet sind, wobei die Sondengrundkörper auf einer Oberfläche des Sensorgrundkörpers eine Raute aufspannen, wobei die Raute durch Flächenschwerpunkte von Querschnitten der Sondengrundkörper definiert ist, wobei eine erste Diagonale der Raute parallel zur Messrohrachse ist, und wobei eine zweite Diagonale in einem Messrohrquerschnitt liegt, wobei eine erste Sonde und eine zweite Sonde dazu eingerichtet sind, das Medium zu beheizen, wobei zumindest eine dritte Sonde dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des Mediums zu bestimmen, wobei die erste Sonde und die zweite Sonde auf der ersten Diagonalen angeordnet sind, und wobei die mindestens eine dritte Sonde auf der zweiten Diagonalen angeordnet ist.

Auf diese Weise lassen mittels der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung ermittelte Leistungskoeffizienten zwischen jeweils einer als Heizelement ausgestalteten Sonde und einer dritten Sonde vorteilhaft zur Richtungserkennung nutzen, da bei beiden Strömungsrichtungen jeweils eine als Heizelement ausgestalteten Sonde direkt angeströmt wird und jeweils eine andere als Heizelement ausgestalteten Sonde im Strömungsschatten angeordnet ist. Dadurch, dass die als Heizelement ausgestalteten Sonden beide auf der ersten Diagonale parallel zur Messrohrachse liegen ergibt sich ein gleiches Messverhalten der ersten Sonde und der zweiten Sonde.

In einer Ausgestaltung ist die elektronische Mess-/Betriebsschaltung dazu eingerichtet, aus einer Gruppe umfassend die erste Sonde und die zweite Sonde ein erstes Gruppenmitglied und eine dritte Sonde heranzuziehen, um ein Sondenpaar zur Messung des Massedurchflusses bilden, und das jeweils andere Gruppenmitglied zur Bestimmung der Strömungsrichtung heranzuziehen, wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, bei einer Erkennung eines Strömungsrichtungswechsels die Gruppenmitglieder zur Messung des Massedurchflusses sowie zur Bestimmung der Strömungsrichtung die Gruppenmitglieder auszutauschen.

In einer Ausgestaltung umfassen die erste Sonde, die zweite Sonde und die mindestens eine dritte Sonde jeweils eine Sondenhülse, wobei das Durchflussmessgerät Widerstandthermometer aufweist, wobei in durch die Sondenhülsen umfassten Innenräumen der ersten, zweiten und dritten Sonde jeweils mindestens ein Widerstandthermometer angeordnet ist, welches Widerstandthermometer dazu eingerichtet ist, eine Temperatur zu erfassen oder Wärmeenergie abzugeben. In einer Ausgestaltung ist ein zur ersten Sonde gehörender Innenwinkel ß der Raute kleiner als 90° und insbesondere kleiner als 75° und bevorzugt kleiner als 60°.

In einer Ausgestaltung ist ein Außendurchmesser der Sonden in jeweiligen Wirkbereichen mindestens 1 mm und insbesondere 1.5 mm und bevorzugt mindestens 2 mm und/oder höchsten 7 mm und insbesondere höchstens 5 mm und bevorzugt höchstens 4 mm. In einer Ausgestaltung weist ein Flächenschwerpunkt eines Querschnitts des Sondengrundkörpers der ersten Sonde zu einem Flächenschwerpunkt eines Querschnitts des Sondengrundkörpers der zweiten Sonde einen ersten Abstand auf, wobei der erste Abstand mindestens zwei Außendurchmesser ist.

In einer Ausgestaltung weisen Querschnitte der Sonden zumindest in Bereichen der Sondenwirkkörper einen runden Umriss auf.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts bilden in einem ersten Verfahrensschritt aus einer Gruppe umfassend die erste Sonde und die zweite Sonde ein erstes Gruppenmitglied mit einer dritten Sonde ein Sondenpaar zur Messung des Massedurchflusses, wobei das jeweils andere Gruppenmitglied zur Bestimmung der Strömungsrichtung herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Erkennung eines Strömungsrichtungswechsels in einem zweiten Verfahrensschritt zur Messung des Massedurchflusses sowie zur Bestimmung der Strömungsrichtung die Gruppenmitglieder ausgetauscht werden. In einer Ausgestaltung bestimmt die elektronische Mess-/Betriebsschaltung einen ersten Leistungskoeffizienten mittels der ersten Sonde und zumindest einer dritten Sonde und einen zweiten Leistungskoeffizienten mittels der zweiten Sonde und zumindest einer dritten Sonde, wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung aus einem zeitlichen Verlauf eines Unterschieds der Leistungskoeffizienten, insbesondere aus einem Vorzeichenwechsel des Unterschieds auf einen Strömungsrichtungswechsel schließt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben.

Fig. 1 zeigt Wirkbereiche einer beispielhaften erfindungsgemäßen Sondenanordnung eines thermischen Durchflussmessgerät;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine beispielhafte erste, zweite oder dritte Sonde; und

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht auf einen erfindungsgemäßen Sensor; und

Fig. 4 skizziert einen Aufbau eines beispielhaften schematischen erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts; und

Fig. 5 skizziert den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt Wirkbereiche einer erfindungsgemäße Sondenanordnung in einem Messrohr 11 mit einer Messrohrwand 11.1 mit jeweils einer ersten Sonde 12.21 , einer zweiten Sonde 12.22, einer dritten Sonde 12.23 und einer vierten Sonde 12.24. Die Wirkbereiche sind die Bereiche, in denen Sondenwirkkörper W, (siehe Figs. 2 und 3) ihre Wirkung entfalten. Die Sondenwirkkörper schließen jeweils an einen Sondengrundkörper G der entsprechenden Sonde an, welche Sondengrundkörper an einen Sensorgrundkörper 12.1 angeschlossen sind. Die Wirkung der Sondenwirkkörper ist es, das Medium zu heizen, die Temperatur des Mediums zu bestimmen und/oder eine Strömung des Mediums im Messrohrzu beeinflussen. Die erste Sonde 12.21 und eine zweite Sonde 12.22 dazu eingerichtet sind, das Medium zu beheizen, wobei zumindest eine dritte Sonde 12.23 dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des Mediums zu bestimmen. Die vierte Sonde kann dabei massiv ausgestaltet sein. Alternativ kann anstatt der vierten Sonde eine weitere dritte Sonde eingerichtet sein.

Die Sondengrundkörper einer Sondenanordnung spannen eine Raute auf, wobei eine erste Diagonale D1 der Diagonale parallel zu einer Messrohrachse 11.2 ausgerichtet ist. In Fig. 1 ist die Ausrichtung der Messrohrachse skizziert. Eine zweite Diagonale D2 liegt in einem Querschnitt des Messrohrs. Dadurch wird eine hohe Symmetrie bzw. Unabhängigkeit des Strömungswiederstands des Sensors von der Strömungsrichtung des Mediums erreicht. Ein Innenwinkel ß, welcher der ersten Sonde zugeordnet ist, ist dabei kleiner als 90 Grad, so dass die Sondenanordnung einen kleinen Strömungswiderstand aufweist.

Erfindungsgemäß sind die erste Sonde und die zweite Sonde auf der ersten Diagonalen angeordnet, und wobei die mindestens eine dritte Sonde auf der zweiten Diagonalen angeordnet ist.

Auf diese Weise lassen mittels der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung (siehe Fig. 4) ermittelte Leistungskoeffizienten zwischen jeweils einer als Heizelement ausgestalteten Sonde und einer dritten Sonde vorteilhaft zur Richtungserkennung nutzen, da bei beiden Strömungsrichtungen jeweils eine als Heizelement ausgestalteten Sonde direkt angeströmt wird und jeweils eine andere als Heizelement ausgestalteten Sonde im Strömungsschatten angeordnet ist. Dadurch, dass die als Heizelement ausgestalteten Sonden beide auf der ersten Diagonale parallel zur Messrohrachse liegen ergibt sich aufgrund der Symmetrie der Rautenanordnung ein gleiches Messverhalten der ersten Sonde bei Anströmung aus einer ersten Richtung und der zweiten Sonde bei Anströmung aus einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung. Diese Anordnung erweist sich dadurch als besonders vorteilhaft in Hinblick auf Messgenauigkeit auch bei geringer Strömungsgeschwindigkeit und Messstabilität im Hinblick auf Strömungsrichtungserkennung.

Beispielsweise bestimmt eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung 13, siehe Fig. 4, einen ersten Leistungskoeffizienten mittels der ersten Sonde und zumindest einer dritten Sonde und einen zweiten Leistungskoeffizienten mittels der zweiten Sonde und zumindest einer dritten Sonde, wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung aus einem zeitlichen Verlauf eines Unterschieds der Leistungskoeffizienten, insbesondere aus einem Vorzeichenwechsel des Unterschieds auf einen Strömungsrichtungswechsel schließt.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine beispielhafte erste, zweite oder dritte Sonde, wobei eine Sondenhülse SH einen Innenraum IR der Sonde definiert, in welchem Innenraum die Sonde ein Widerstandsthermometer WT aufweist. Das Widerstandsthermometer ist dabei über ein Kontaktmittel thermisch und mechanisch mit der Sondenhülse gekoppelt. Das Kontaktmittel kann beispielsweise ein während der Herstellung der Sonde aufgeschmolzenes und nach Erstarren anschließend bearbeitetes Schmelzgut sein. Beispielsweise kann aber auch ein Kontaktierungsprozess wie Sprengplattieren von der Sondenhülse auf das Kontaktmittel und nachgelagertes Bearbeiten angewandt werden. Die hier genannten Beispiele sind nicht einschränkend auszulegen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Sensors 12 eines thermischen Durchflussmessgeräts, welcher Sensor einen Sensorgrundkörper 12.1 und Sonden 12.2 aufweist, wobei die Sonden wie in Figs. 2 a) und b) beschrieben jeweils einen Sondengrundkörper G und einen Sondenwirkkörper W umfassen. Fig. 4 skizziert einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts 10 mit einem Messrohr 11 mit einer Messrohrwand 11.1 und einer Messrohrachse 11 .2, einem Sensor 12 mit einem Sensorgrundkörper 12.1 und mit Sonden 12.2, und einer elektronischen Mess-/Betriebsschaltung 13 zum Betreiben des Sensors und Bereitstellen von Durchflussmesswerten. Der Sensorgrundkörper ist dabei in der Messrohrwand mediendicht angebracht. Die Wirkbereiche der Sonden sind dabei bevorzugt in einem Strömungsbereich des Mediums angeordnet, in welchem Strömungsbereich ein lokaler Massedurchfluss weniger als 10% und insbesondere weniger als 5% und bevorzugt weniger als 2% von einem über einen Strömungsquerschnitt gebildeten Mittelwert abweicht. Fig. 5 skizziert den Ablauf eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens 100.

In einem ersten Verfahrensschritt 101 bilden aus einer Gruppe umfassend die erste Sonde 12.21 und die zweite Sonde 12.22 ein Gruppenmitglied mit einer dritten Sonde 12.23 ein Sondenpaar zur Messung des Massedurchflusses, wobei das jeweils andere Gruppenmitglied zur Bestimmung der Strömungsrichtung herangezogen wird, wobei bei einer Erkennung eines Strömungsrichtungswechsels in einem zweiten Verfahrensschritt 102 zur Messung des Massedurchflusses sowie zur Bestimmung der Strömungsrichtung die Gruppenmitglieder ausgetauscht werden.

In einer Ausgestaltung bestimmt die elektronische Mess-/Betriebsschaltung einen ersten Leistungskoeffizienten mittels der ersten Sonde und zumindest einer dritten Sonde bestimmt und einen zweiten Leistungskoeffizienten mittels der zweiten Sonde und zumindest einer dritten Sonde, wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung aus einem zeitlichen Verlauf eines Unterschieds der Leistungskoeffizienten, insbesondere aus einem Vorzeichenwechsel des Unterschieds auf einen Strömungsrichtungswechsel schließt. Auf diese Weise kann eine hohe Unabhängigkeit einer Messcharakteristik des Sensors 12 (z.B. Fig. 1) von einer Strömungsrichtung des Mediums im Messrohr erreicht werden.

Bezugszeichenliste

10 thermisches Durchflussmessgerät

11 Messrohr 11.1 Messrohrwand 11.2 Messrohrachse

12 Sensor 12.1 Sensorgrundkörper 12.2 Sonde 12.21 erste Sonde 12.22 zweite Sonde

12.23 dritte Sonde

12.24 vierte Sonde 13 elektronische Mess-/Betriebsschaltung

G Sondengrundkörper W Sondenwirkkörper SH Sondenhülse R Raute D1 erste Diagonale D2 zweite Diagonale WT Widerstandsthermometer IR Innenraum ß Innenwinkel