SCHRAG, Daniel (Wehntalerstrasse 586 B, Zürich, CH-8046, CH)
HENCKEN, Kai (Holzgasse 41 a, Lörrach, 79539, DE)
PAPE, Detlef (General-Guisanstrasse 49, Nussbaumen, CH-5415, CH)
SCHRAG, Daniel (Wehntalerstrasse 586 B, Zürich, CH-8046, CH)
HENCKEN, Kai (Holzgasse 41 a, Lörrach, 79539, DE)
| PATENTANSPRüCHE
. Verfahren zur Diagnose eines Gerätes zur Messung einer Prozessgrösse eines strömenden Fluids (1 ), wobei ein heizbares
Heizelement (4, T H ) mit einem alternierenden Strom- oder Spannungssignal geheizt wird und die erzeugte Wärme zumindest teilweise an das Fluid (1 ) abgibt und ein Temperatursensor (T F , T H ) mit dem Fluid (1 ) thermisch in Kontakt gebracht wird, und wobei der Verlauf eines im Temperatursensor stattfindenden Heiz- und/oder
Abkϋhlvorganges gemessen wird und daraus der Zustand des Temperatursensors (T F , T H ) und/ oder des Heizelementes (4, T H ) diagnostiziert wird.
2. Verfahren zur Diagnose eines Gerätes zur Messung einer
Prozessgrösse gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgrösse der Massendurchfluss und/ oder die Temperatur gemessen wird und dass aus dem Zustand des Temperatursensors (T F , TH) und / oder des Heizelementes (4, T H ) die Funktionsfähigkeit, insbesondere eine Verschmutzung und/oder eine Beschichtung des
Temperatursensors (T F , T H ) und/oder des Heizelementes (4, T H ), ermittelt wird.
3. Verfahren zur Diagnose eines Gerätes zur Messung einer Prozessgrösse gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das alternierende Strom- oder Spannungssignal ein quasi-periodisches Signal ist.
4. Verfahren zur Diagnose gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das alternierende Strom- oder Spannungssignal ein periodisches, insbesondere ein sinusförmiges Signal ist.
5. Verfahren zur Diagnose gemäss einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem DC-Signal oder einem niederfrequenten quasi DC-Signal die Temperatur des Fluids (1 ) bestimmt wird und/oder der Durchfluss des Fluids (1 ) bestimmt wird.
6. Verfahren zur Diagnose gemäss einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal im Anfangszustand, insbesondere in einem unverschmutzten Zustand des Heizelements (4, TH) und des Temperatursensors (T F , T H ) bestimmt wird und als Sollsignal mit einem Istsignal während des Betriebs verglichen und aus einer Abweichung zwischen Soll- und Istsignal ein
Funktionsfähigkeitssignal oder eine Signalkorrektur bestimmt wird.
7. Verfahren zur Diagnose gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phase und/oder eine Amplitude des Sollsignals mit einer Phase und/oder einer Amplitude des Istsignal während des Betriebs verglichen wird.
8. Verfahren zur Diagnose gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4, T H ) ein beheizbarer erster Temperatursensor (T H ) ist und der
Temperatursensor ein beheizbarer zweiter Temperatursensor (T H ) ist, insbesondere dass erster und zweiter Temperatursensor austauschbar betreibbar sind, z.B. bei Umkehr der Durchströmrichtung des Fluids.
9. Verfahren zur Diagnose gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Vergleich vom Istsignal und Sollsignal die Dicke der Beschichtung bestimmt wird.
1 0. Verfahren zur gleichzeitigen Durchflussmessung eines Fluides und Diagnose eines Gerätes zur Messung eines Massendurchflusses eines strömenden Fluids, wobei ein heizbares Heizelement (T H ) mit einem periodischen Strom- oder Spannungssignal beaufschlagt wird, wobei der Verlauf des im Temperatursensor (T F ) stattfindenden Heiz- und/oder Abkϋhlvorganges gemessen wird und wobei ein periodischer Anteil eines Signals welcher aus dem Verlauf des Temperatursensor (TF) stattfindenden Heiz- und/oder Abkϋhlvorganges resultiert mittels eines Algorithmus subtrahiert wird.
1 1 . Verfahren gemäss Anspruch 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal fouriertransformiert wird und der niederfrequente Anteil zur Durchflussmessung und der höherfrequente Anteil zur überwachung der Funktionsfähigkeit, insbesondere des Verschmutzungsgrades und optional zur Bestimmung eines korrigierten Durchflussmesssignals, verwendet wird. |
DIAGNOSEVERFAHREN FüR THERMISCHE MASSENDURCHFLUSSMESSGERäTE
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet thermischer Massendurchflussmesser. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Verfahren zur Diagnose eines Massendurchflussmessgerätes gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Das Messprinzip thermischer Massendurchflussmesser beruht auf der Abkühlung eines Heizelements durch das das Heizelement umströmende Fluid. Die entscheidende Grosse ist dabei der Wärmeübergang α von der Aussenseite des Heizelementes in die Strömung, welcher sich aus dem Verhältnis zwischen der eingebrachten Heizleistungsdichte q und der Temperaturdifferenz T 0 -T F zwischen der Oberfläche des Heizelements und
dem Fluid ergibt α = — - — . Dieser Wärmeübergang ist direkt abhängig von
der Strömung um das Heizelement und kann durch eine Gleichung der Form
α = A(p v) m
+ B beschrieben werden. Der Wärmeübergang ist somit direkt abhängig vom Massenstrom p v . Die Konstanten A, B und m werden dabei durch den Sensoraufbau und die thermischen Eigenschaften des Fluids bestimmt. Aus der Temperaturdifferenz zwischen Heizer und Fluid sowie der dem Heizer zugefϋhrten Heizleistung kann nun der Massenstrom berechnet werden unter der Annahme, dass die Konstanten
Bei thermischen Massendurchflussmessern erfolgt im Allgemeinen wie in der DE 361 7770 beschrieben, die Messung rein statisch mit einer konstanten Heizleistung oder einer konstanten Temperaturdifferenz zwischen Heizer und Strömung. Aus den Schriften GBl 345324, WO03/0581 78 sind allerdings auch Ausführungen bekannt, bei denen ein gepulster Betrieb erfolgt. Dort wird gepulster Betrieb mit dem Ziel angewendet, den Energieverbrauch für die Durchflussmessung zu senken, oder wie in der WO2006/01 8366, um sowohl die Durchflussrate als auch die Fluidtemperatur mit Hilfe nur eines Temperatursensors zu bestimmen.
Für die zuvor beschrieben Messverfahren wird dabei immer vorausgesetzt, dass der Wärmkontakt zwischen dem Heizelement bzw. der zum Heizelement zugehörigen Temperaturmessung und der Sensoroberfläche über die Lebensdauer des Messgerätes konstant bleibt. Jedoch beeinflussen Ablagerungen auf dem Sensor oder auch Veränderungen im Sensor den Wärmekontakt und verändern ihn. Damit ändern sich aber auch die Messeigenschaften des Sensors und führen zu Fehlmessungen in der Durchflussmessung. Das ausgegebene Messsignal kann dadurch deutlich von dem tatsächlichen Durchfluss abweichen. Um solche änderungen detektieren zu können, wird in der WO 2004/001 349 vorgeschlagen, bei Betrieb mit einem geheizten und einem ungeheizten Temperaturfühler die Funktion der
beiden Temperaturfühler zu tauschen und den Durchfluss ebenso bei getauschter Funktion der Sensoren zu bestimmen. Eine Abweichung der Durchflussraten im normalen und getauschten Betrieb zeigt dabei eine mögliche Fehlfunktion des Sensors an. Diese Erkennung setzt dabei aber eine unterschiedliche änderung der Sensoren oder eine unterschiedlich starke Ablagerung auf den beiden Sensoren voraus. Bei gleicher Ablagerung oder änderung in den Sensoren würde trotz stark abweichenden Messsignals ein korrekter Betrieb angezeigt. Auch entsteht durch den Wechsel der beiden Sensoren ein Unterbruch in der Messung, so dass ein kontinuierlicher Betrieb des Messgerätes nicht möglich ist.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung versucht zumindest einige der oben genannten Probleme zu mindern. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Diagnose eines Gerätes gemäss den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Diagnose eines Gerätes zur Messung einer Prozessgrösse eines strömenden Fluids vorgeschlagen. Das Gerät zur Messung der Prozessgrösse umfasst ein Heizelement, welches mit einem alternierenden Strom- oder Spannungssignal beaufschlagt und dadurch beheizt wird. Als alternierendes Signal wird hier der regelmässige Wechsel zwischen unterschiedlichen Strom- bzw. Spannungsniveaus zu verstehen, was durch beliebige Funktion wie z.B. Sinus- Treppen- oder Pulsfolgen gegeben sein kann. Unter alternierend soll auch ein Strom oder eine Spannung verstanden werden, die
einem Gleichstrom- bzw. einem Gleichspannungsanteil und einen Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsanteil enthält. Die vom Heizelement erzeugte Wärme wird sodann an das strömende Fluid abgegeben. Weiterhin umfasst das Gerät einen Sensor, welcher mit dem Fluid in thermischen Kontakt steht, d.h. der Sensor ist typischerweise vom Fluid umgeben. Der im Sensor stattfindenden Heiz- und Abkϋhlvorgang verursacht durch das Heizelement wird im Sensor gemessen. Aus dem Verlauf der gemessenen Kurven kann der Zustand des Temperatursensors und/ oder der Zustand des Heizelementes bestimmt werden. Heizelement und Temperatursensor können zwei separate Bauteile sein. Heizelement und Temeperatursensor können aber durchaus auch in einem einziges Bauteil vereint sein, beispielsweise in Form eines beheizbaren Temsperatursensors mit dem geheizt und die Temperatur gleichzeitig gemessen werden kann. Mit dem erfindungsgemässen Diagnoseverfahren ist nunmehr in situ also während des Betriebes des Gerätes möglich, die Funktionsfähigkeit und somit Altern, Verschmutzungen, Ablagerungen, Abtragungen am Heizelement und/ oder am Temperatursensor festzustellen. Mit der Feststellung der Funktionsfähigkeit kann die Messung der Prozessgrösse im Gerät während der Messung korrigiert werden.
Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren mit den in Anspruch 1 0 definierten Schritten vorgeschlagen, bei dem in einem Gerät eine Durchflussmessung eines Fluides vorgenommen und gleichzeitig eine Diagnose des selbigen Gerätes erstellt wird. Die gleichzeitige Durchflussmessung und Diagnose findet in situ und somit im Betrieb des Gerätes statt. Eine etwaige Entnahme von Heizelement oder Sensor zu diesem Zweck ist nicht nötig. Bei der gleichzeitigen Durchflussmessung und Diagnose laufen die Messung und die diagnostische Funktionsfeststellung
parallel zur gleichen Zeit oder finden zumindest während des gleichen Messzyklus statt.
Das erfinderische Verfahren zur gleichzeitigen Durchflussmessung und zur Diagnose des Messgerätes erlaubt somit, während des Messbetriebes die Funktionsfähigkeit des Messgerätes zu prüfen. Dies ist besonders vorteilhaft, bei schleichend oder kontinuierlich auftretenden Messfehlern, die keinen völligen Funktionsausfall des Gerätes bewirken und somit über eine lange Zeitdauer bis zu einer Revision des Gerätes unentdeckt bleiben würden.
In Ausführungsformen ist die gemessene Prozessgrösse des Fluids der Massendurchfluss oder die Temperatur des Fluids. In Ausführungsformen gibt der diagnostizierte Zustand des Temperatursensors bzw. Zustand des Heizelementes Auskunft über die Funktionsfähigkeit d.h. über Verschmutzungsgrad oder Beschichtung von Temperatursensor bzw.
Heizelement. Hierdurch ist eine überwachung von Temperatursensor und Heizelement möglich, womit Fehler bei Messung des Massendurchflusses oder der Temperatur vermieden werden.
In Ausführungsformen ist das alternierende Strom -oder Spannungssignal mit welchem dem Heizelement versorgt wird ein quasi-periodisches Signal. Ein quasi-periodisches Signal zeichnet sich dadurch aus, dass die Periodendauer endlich ist, somit Unterbrechungen in der Periode auftreten und sich die Periodenlänge nach Unterbrechung der Periode ändern kann. In wieder anderen Ausführungsformen kann das Strom- oder Spannungssignal ein periodisches, insbesondere ein sinus- oder cosinusförmiges Signal sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen schematisch:
Fig. 1 ; Modell thermischer Massendurchflussmesser
Fig. 2 ; Simulation des Frequenzgangs (Amplitude) des Heizers ohne a) und b) mit 1 00 μm Beschichtung
Fig. 3 ;Simulation des Frequenzgangs (Phase) des Heizers ohne a) und b) mit 100 um Beschichtung
Fig. 4 ; Simulation der änderung der Amplitude relativ zu einer
Referenzamplitude (keine Beschichtung, v= 1 0 m/s) a) durch eine änderung der Strömungsgeschwindigkeit von 1 -1 00 m/s, b) durch eine änderung der Beschichtung von 1 - 1 00 um, Anregungsleistung: Sinus (P=I +sin(2 pi f t)) mit 1 Hz (2 Hz)
Fig. 5 ; Regelstruktur mit adaptiver Signalkontrolle
Fig. 6 ; Algorithmus der adaptiven Signalkontrolle
Fig. 7 ; Verlauf der Temperatur durch einen eindimensionalen Stab bei verschiedenen Anregungsfrequenzen der Heizquelle
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenen
Ausfϋhrungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Um Messfehler eines thermischen Massendurchflussmesser zu detektieren, wird vorgeschlagen, die Heizleistung des Heizers 4 zeitlich zu verändern und die Antwort auf diese änderung im Temperatursignal in Bezug auf die Verschmutzung des Sensors hin auszuwerten. Hierzu wird insbesondere der Unterschied im Verhalten von höher- und niederfrequenten Signalen im Sensor ausgenutzt. Die niederfrequenten (<0.1 -l Hz abhängig vom Sensoraufbau) Anteile im Temperatursignal werden sowohl von dem Wärmeübergang an der Aussenseite, welcher durch den Durchfluss gegeben ist, als auch die Wärmeleitfähigkeit des Sensors bestimmt. Höherfrequente Anteile werden dagegen vor allem durch die Wärmekapazität bzw. der Koppelung aus Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Sensors und des Fluids bestimmt. Da die Wärmekapazität insbesondere von Gasen sehr klein im Vergleich zu der Wärmekapazität eines Festkörpers, wie er für das Sensorelement verwendet wird, ist, beeinflusst das Gas und damit der Durchfluss die hochfrequenten Signale kaum. Eine auf die Oberfläche aufgebrachte Verschmutzung oder ein Abtrag an der Oberfläche beeinflusst diese dagegen sehr. In dem hochfrequenten Messsignal wird hierdurch eine Veränderung der Amplitude und der Phase für die einzelnen Frequenzen hervorgerufen, welche durch die Auswertung einzelner Frequenzen oder einem Vergleich verschiedener Frequenzen detektiert werden kann. Dies kann sowohl im Frequenzbereich, wie beschrieben durch den direkten Vergleich verschiedener Frequenzen, erfolgen als auch im Zeitbereich durch eine entsprechende Auswertung des Zeitverlaufs des Signals.
Figur 1 zeigt schematisch den Querschnitt durch ein schichtartig (schraffiert dargestellt) aufgebautes Heizelement 4, an dem sich eine Beschichtung 2 abgelagert hat und das von einem Fluid 1 in Pfeilrichtung angeströmt wird.
Das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild verdeutlicht den Wärmeϋbertrag vom Ort der Wärmeerzeugung 5 durch das Heizelement 4 in das Fluid 1 . Die eingebrachte Heizleistung P wird bedingt durch den Aufbau (Schichten) des Heizers 4, eine Beschichtung 2 und das Fluid 1 gedämpft, symbolisiert durch Dämpfungsgliedern RiCi, R2C2, R3C3, RcCc und den
Wärmeϋbergangswiderstand RM zwischen der Oberfläche des Heizers 4 und dem Fluid 1 .
In der Praxis wird nun die Heizleistung des Heizelementes 4 gezielt variiert. Dies kann zum einen in einer speziellen Messung im Offline Modus erfolgen, aber es kann auch online gemessen werden, indem auf das statische Messsignal ein zeitlich veränderliches Signal aufmoduliert wird. Dies kann in einem späteren Schritt für die Durchflussmessung wieder herausgefiltert werden. Oder falls der Temperatursensor bereits für die Durchflussmessung in einem gepulsten Modus arbeitet, können diese änderungen in der Heizleistung zusätzlich für die Beschichtungserkennung ausgenutzt werden. Die Form, in welcher die Heizleistung P variiert wird, kann unterschiedlich gewählt werden. Wichtig dabei ist nur, dass relevante Frequenzanteile enthalten sind oder zumindest zusätzlich zum statischen Grundsignal f=0 Hz ein höherfrequentes Signal also mit einer Frequenz f>0 Hz vorhanden ist. Auf diese Variation des Heizsignals reagiert der Sensor mit einer Temperaturänderung am Sensor, welche wie oben beschrieben auf eine Beschichtungserkennung hin analysiert wird.
Interessant ist dieser Art von Diagnose vor allem für thermische Massendurchflusssensoren für Gase, da hier das Messsignal sehr stark durch eine Beschichtung bzw. änderung des Aufbaus beeinflusst wird. Bei Flüssigkeiten wird die Diagnose schwieriger kann aber auch noch angewandt werden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind reine Temperatursensoren. Bei diesen ruft eine etwaige Beschichtung, Ablagerungen oder Verschmutzungen zunächst keine änderung im Sensorsignal hervor, es wird
vor allem nur die Ansprechzeit beeinflusst. Aber bei sehr dicken Ablagerungen oder bei Unterbrϋchen im Wärmekontakt zwischen Sensorelement und zu messenden Medium kann diese Diagnose von Vorteil sein. Detektiert werden können mit dieser Diagnose Beschichtungen auf dem Sensor oder Abtragungen von der Oberfläche des Sensors. Ebenso können aber Brüche innerhalb des Sensors, welche z.B. durch Spannungen oder chemischen Veränderungen im Sensor entstehen, detektiert werden. Auf diese reagiert dieses Verfahren sogar deutlich empfindlicher, da sie näher am Sensorelement liegen. Bei sehr empfindlicher Messtechnik oder bei
Flüssigkeiten könnten sogar zusätzlich auch noch Materialeigenschaften des Fluids, wie dessen Wärmekapazität gemessen werden und als zusätzliche Diagnosefunktion ausgegeben werden.
Der Sensor zeigt schon bei niedrigen Frequenzen je nach Beschichtung 2 einen unterschiedlichen Frequenzverlauf wie Figur 2 und Figur 3 dargestellt.
Figur 2 zeigt die Simulation des Frequenzgangs (Amplitude) des Sensor im
Graph (a) ohne Beschichtung und in Graph b) mit einer 1 00 μm
Beschichtung. Es ist die relative Amplitude über der Frequenz in Hz aufgetragen. Eine deutliche änderung in der Amplitude zwischen beschichtetem Sensor und unbeschichtetem Sensor ist im Bereich zwischen
0.3 Hz und 1 2 Hz feststellbar. Eine entsprechende Simulation des
Frequenzgangs (Phase φ) des Sensor wurde in Figur 3 vorgenommen, wobei
Graph a) die Simulation für einen Sensor ohne Beschichtung und Graph b) die
Simulation mit 1 00 μm Beschichtung am Sensor zeigt. Es ist dabei die relative Phasenverschiebung φ gegenüber der Frequenz f aufgetragen.
Insbesondere im Bereich 1 -1 0 Hz weichen in diesem Beispiel der Amplituden- und Phasengang des beschichteten Sensors deutlich vom unbeschichteten Sensor ab. Im Gegensatz dazu werden diese Frequenzen
von einer änderung der Durchflussmenge nur wenig beeinflusst. Dieses Verhalten wird zur Bestimmung der Beschichtung genutzt , ohne dabei die Durchflussmessung zu stören.
Das Prinzip der Messung beruht darauf, den Sensor mit einer Frequenz anzuregen, in dem z.B. die Heizleistung sinusförmig variiert wird, und anschliessend von dem resultierenden Temperatursignal die Amplitude oder die Phase analysiert wird. Alternativ kann der Sensor auch mit mehreren Frequenzen oder einem kompletten Frequenzspektrum angeregt werden und anschliessend wird die interessierende(n) Frequenz(en) herausgefiltert. Die Amplitude bzw. Phase dieser Frequenz wird einmal im Urzustand des Sensors gemessen und als Referenz verwendet. Später wird regelmässig während des Betriebs diese Amplitude bzw. Phase wiederum gemessen und mit dem Ausgangszustand verglichen. Da die Amplitude bzw. Phase durch den Beschichtungszustand verändert wird, zeigt eine änderung der Amplitude die Beschichtung des Sensors an. Die Frequenz sollte dabei so gewählt werden, dass sie nur noch wenig durch eine Strömungsänderung beeinflusst wird.
Dieser Vorgang ist in Figur 4 dargestellt. Hier ist die änderung der Amplitude bei einer Frequenz von 1 Hz durch eine Beschichtung dargestellt. Es zeigt sich deutlich, wie sich diese Amplitude A/Ao mit zunehmender Beschichtung der Dicke d coa t ändert. Ist das Material der Beschichtung bekannt, kann sogar direkt die Beschichtungsdicke d coa t bestimmt werden. Gleichzeitig ist auch einmal der Durchfluss Ffi ow innerhalb des allgemeinen Durchflussbereichs variiert worden. Hier zeigt sich, dass bereits für diese Frequenz die änderung des Durchflusses Ffi ow nur einen minimalen Einfluss auf diese Amplitude A/A o hat und eine änderung der Amplitude A/Ao somit eine klare Indikation für die Beschichtung des Sensors ist.
Zusätzlich kann der Einfluss einer Durchflussänderung aber auch noch durch die Messung bei anderen z.B. niedrigeren Frequenzen korrigiert werden, da diese stärker auf den Durchfluss reagieren. Z.B. wird im statischen Fall der Durchfluss gemessen und mit diesem Wert das Ergebnis für die Beschichtung korrigiert.
In dem hier vorgestellten Beispiel liegen die interessanten Frequenzen, welche am empfindlichsten auf eine Beschichtung reagieren, im Bereich von 1 -1 0 Hz. Allgemein liegt dieser Bereich für einen generellen Sensor im Bereich der „Eigenfrequenz" des Sensors, welche sich gemäss
berechnen lässt, wobei a = — die thermische Diffusivität oder
Temperaturleitfähigkeit ist und λ die Wärmeleitfähigkeit, p die Dichte und c die spezifische Wärmekapazität des Sensors, d stellt den Abstand zwischen den Heizdrähten und der Oberfläche dar. Im hier dargestellten Beispiel liegt dieser Frequenz etwa bei 5 Hz.
Weiterhin kann mit dem Diagnoseverfahren eine Lokalisierung auftretender Fehlfunktion am Sensor vorgenommen werden. Dazu werden verschiedene Messungen mittels des Temperatursensors vorgenommen, wobei der AC Anteil der im Heizelement erzeugten Heizleistung jeweils mit einer anderen Frequenz angeregt wird. Man nutzt, dass bedingt durch den periodischen Anteil im Heizsignal die sich ausbreitende Amplitude der räumlichen Temperaturverteilung frequenzabhängig ist und sich die ausbreitende Amplitude bei höheren Frequenzen schneller abschwächt als bei niedrigeren Frequenzen. Bei höheren Frequenzen findet somit eine stärkere Lokalisierung der Amplitude um das Heizelement herum statt. Ein solches Verhalten ist in Figur 8 für einen eindimensionalen stabförmigen Körper dargestellt und lässt sich mittels der Wärmeleitungsgleichung für jeweilige Körper berechnen. Die
Temperatur T re ι ist über den Abstand drei zur Heizquelle für ausgewählte Anregungsfrequenzen f/b=0.1 , f/b= l , f/b=l O und f/b= 100 aufgetragen. Lösungen der zugehörigen Wärmeleitungsgleichungen sind in diesem Fall von der Form
T(x) = A 1 * e a + A 2 * e ~a mit κ = (l + i)* J—
V b und wobei f die anregende Frequenz, K der Wellenvektor, x der Abstand und b eine materialabhängige Konstante sind. Es ist ersichtlich, dass höhere Frequenzen zu einem grosseren Realteil des Wellenvektors K und damit zu einer stärkeren Dämpfung der Wärmeausbreitung führen. Insbesondere kann man dadurch die Wärmeableitung durch die Halterung des Sensorelementes bestimmen und eine änderung der Wärmeleitung erkennen, die z.B. durch eine Veränderung einer Wandtemperatur, oder einer änderung der Wärmeleitung in der Halterung selber verursacht wird, da Amplitude und Phase der Wärmewelle bei kleinen Frequenzen durch diesen Wärmeübergang verändert werden, während sie bei grossen Frequenzen unabhängig davon sind.
Als weitere Diagnose lassen sich Risse oder Brüche innerhalb des Sensors erkennen. Hier wählt man wiederum eine Frequenz klein genug, dass die Wärmewelle bis zur Riss- oder Bruchstelle reicht und vergleicht dies mit einem Wert bei einer so hohen Frequenz, bei der dieser Unterbruch des Wärmestromes keine Rolle mehr spielt.
Im Gerät wird dazu vorteilhaft das Verhalten des Sensors bei verschiedenen Durchflussraten abgespeichert und später mit den Werten im Betrieb verglichen. Eine Diskrepanz zwischen verschiedenen Messwerten kann dann zur Lokalisierung der Fehlerursache benutzt und geeignete Korrekturen des Durchflusssignals vorgenommen werden.
Die Durchflussratenbestimmung für thermische Massendurchflussmesser wird im niederfrequenten Bereich zwischen O Hz bis einige Hz durchgeführt. Da auch die Diagnose, z.B. die Feststellung einer Beschichtung am Temperatursensor oder am Heizelement, in diesem Frequenzbereich durchgeführt werden soll, entfällt die Möglichkeit der Filterung um die Nutzsignale für die Durchflussmessung von den Nutzsignalen für die Diagnose zu trennen. Somit kann keine Trennung der Signale im konventionellen Fall verwendet werden, was eine gleichzeitige Durchflussmessung bei gleichzeitiger Diagnose ermöglichen würde. Figur 5 zeigt einen erfinderischen Regelkreis 1 0 auf dem mittels eines
Algorithmus die unabhängige und gleichzeitige Messung von Durchflussrate und Diagnose ermöglicht wird. Dabei kann Diagnose z.B. die Feststellung einer Beschichtung am heizbaren Temperatursensor T H sein. Der Regelkreis 1 0 weist einen ersten Regler R, ein Verstärkungseinheit V, einen heizbaren Temperatursensor T H , einen Temperatursensor T F zur Messung der Fluidtemperatur und einen adaptiven Signalregler A auf.
Der resultierende Temperaturunterschied zwischen der Temperatur des heizbaren Temperatursensors T H und der Temperatur des Fluids ist eine Eingangsgrösse für den Regler R. Der Regler R, welcher z.B. ein Proportionalintegral-Regler ist, regelt den Temperaturunterschied nach, so dass die Temperatur des Heizers T H eine konstant höhere Temperatur als diejenige Temperatur des Fluids 1 annimmt, wobei letztere über den Temperatursensor T F gemessen wird. Die dafür benötigte Leistung am Ausgang des Reglers R wird so nachgestellt, dass die
Temperaturüberhöhung dem Referenzwert ref am Eingang des Reglers R entspricht. Zur Charakterisierung von zusätzlichen Eigenschaften wird dem Wert für die Ausgangsleistung des Reglers R neu ein alternierendes
Leistungssignal P a it mittels Verstärkungseinheit V überlagert, welches aus mehreren periodischen Komponenten bestehen kann. Der Ausgang der Verstärkungseinheit V liefert eine zeitveränderliche Leistung 1 1 . Der mit der zeitveränderlichen Leistung 1 1 beaufschlagte Heizer des heizbaren Temperatursensors T H ändert seine Temperatur 1 2 in Korrelation mit der beaufschlagten Leistung. Diese Temperatur 1 2 wird mittels Temperatursensor T H gemessen. Abhängig von den Eigenschaften des Heizers und dessen Beschichtung 2, von den Eigenschaften des umgebenden Fluids und dessen Geschwindigkeit bezüglich des Heizers, fällt diese Korrelation unterschiedlich aus. Das Ausgangssignal des beheizbaren Temperatursensors T H wird korrigiert mittels des Ausgangssignals 1 3 des adaptiven Signalreglers A. Dieses korrigiert Signal dient einerseits als Eingangssignal für den adaptiven Signalregler A und andererseits als Eingangssgrösse für den Regler R. Der adaptive Signal Kontroll Algorithmus des adtaptiven Signalreglers A teilt neu das zeitveränderliche Signal am Ausgang des beheizbaren Temperatursensors T H in zwei Komponenten auf: ein Gleichspannungssignal (DC Signal) und ein Wechselspannungssignal (AC Signal), wobei letzteres aus periodischen Komponenten besteht. Das DC Signal ist hier in erster Linie ein Mass für das primäre Durchflusssignal. Der Vergleich von überlagertem AC Leistungssignal P a it zu dem AC Anteil am Ausgang des heizbaren Temperatursensors T H ist ein Mass für die Eigenschaften des Heizers und der ihn umgebenden Medien. Die Subtraktion dieser ermittelten AC Anteile liefert die um die überlagerten Signale bereinigte übertemperatur des Heizers T H gegenüber der Temperatur des Fluids.
Figur 6 zeigt einen Algorithmus der adaptiven Signalkontrolle. Das Eingangssignal 1 4 liegt im Zeitbereich kontinuierlich oder zeit-/wertediskret vor. Bei rekursiver Verwendung des Algorithmus entspricht es dem
Fehlersignal zwischen Signal und Kompensation. Das Signal im Zeitbereich wird durch Produktdemodulation 1 5 in seine Fourierkomponeten zerlegt. Dies kann auch mittels einer Fouriertransformation geschehen, was bei mehreren gleichzeitigen Frequenzkomponenten interessant wird. Durch Anwenden des „Adaptive Control Law" werden die Fourierkoeffizienten x per Vektortransformation in Vektoren u transformiert. Die Matrix A enthält dabei die Informationen über das System und unterliegt Stabilitätskriterien. Das Kompensationssignal wird im rekursiven Fall durch Summation mit dem alten Kompensationssignals berechnet. Durch eine inverse Fouriertransformation oder Produktmodulation wird ein Kompensationssignal 1 3 berechnet, welches zurück ins Messsystem gegeben wird.
Bezugszeichenliste
a Kurve für einen unbeschichteten Sensor b Kurve für eine Sensor mit Ablagerungen Ci , C2, C3. Cc Kapazität
P Heizleistung
Pait altern. Leistungssignal am Eingang der Verstärkungseinheit V
Ri , R2, R3, Rc Widerstand
RM Widerstand ref Referenzwert
T H heizbarer Temperatursensor
T F Temperatursensor
1 Fluid
2 Ablagerung, Verschmutzung, Beschichtung auf dem Heizer 3 Richtung des Wärmetransports
4 Heizelement
5 Ort der Wärmeerzeugung im Heizelement
1 0 Regelkreis
1 1 Leistungssignal am Ausgang der Verstärkungseinheit 1 2 Temperatursignal am Ausgang des heizbaren Temperatursensors
1 3 Korrektursignal u . des adaptiven Signalreglers
1 4 Eingangssignal des Algorithmus
1 5 Produktmodulation