Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
FLOW MEASUREMENT DEVICE FOR MEASURING A FLOW PARAMETER OF A FLUID AND METHOD FOR FLOW MEASUREMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/063076
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a flow measurement device (10) for measuring a flow parameter (v) of a fluid (14), in particular a gas, comprising a duct (12) for conducting the fluid (14) in a flow direction (R), a short heating element (24), at least one thermometer (26) and a control unit (22) which is connected to the heating element (24) for emitting a temperature impulse and connected to the thermometer (26) for determining a maximum temperature, and which is configured to automatically calculate the flow from the maximum temperature. According to the invention, the thermometer (26) is arranged upstream in relation to the flow direction (R).

Inventors:
HAMMERSCHMIDT, Ulf (In den Wiesen 4, Braunschweig, 38112, DE)
Application Number:
EP2017/074548
Publication Date:
April 04, 2019
Filing Date:
September 27, 2017
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND, VERTRETEN DURCH DAS BUNDESMINISTERIUM FÜR WIRTSCHAFT UND ENERGIE, DIESES VERTRETEN DURCH DEN PRÄSIDENTEN DER PHYSIKALISCH-TECHNISCHEN BUNDESANSTALT (Bundesallee 100, Braunschweig, 38116, DE)
International Classes:
G01F1/684
Foreign References:
DE102016108688B32017-07-06
DE102014008284A12015-12-03
DE102014010939B32015-10-08
DE102014008284A12015-12-03
DE102011010461A12012-08-02
Attorney, Agent or Firm:
GRAMM, LINS & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWÄLTE PARTGMBB (Theodor-Heuss-Straße 1, Braunschweig, 38122, DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche:

Durchflussmessvornchtung (10) zum Messen eines Durchflussparameters (v) eines Fluids (14), insbesondere eines Gases, mit

(a) einer Durchleitung (12) zum Durchleiten des Fluids (14) in einer Durchflussrichtung (R),

(b) einem kurzen Heizelement (24),

(c) zumindest einem Thermometer (26) und

(d) einer Steuereinheit (22), die

- mit dem Heizelement (24) zum Abgeben eines Temperaturimpulses verbunden ist und

- mit dem Thermometer (26) zum Bestimmen einer Maximaltemperatur verbunden ist, und

- eingerichtet ist zum automatischen Berechnen des Durchflusses aus der Maximaltemperatur,

dadurch gekennzeichnet, dass

(e) das Thermometer (26) bezüglich der Durchflussrichtung (R) stromaufwärts des Heizelements angeordnet ist.

Durchflussmessvornchtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) eingerichtet ist zum automatischen Berechnen des Durchflusses anhand einer Gleichung, die

- die Maximaltemperatur ( AT^x (- r, v)),

- eine Ruhe-Maximaltemperatur (ΔΖ^ (- Γ,ν = θ)), die die maximale Temperatur ist, die am Thermometer (26) anliegt, wenn eine Durchflussgeschwindigkeit (v) des Fluids null ist, und

- einen Faktor, der von der Durchflussgeschwindigkeit (v) abhängt, aufweist.

3. Durchflussmessvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) eingerichtet ist zum automatischen Berechnen des Durchflussparameters, insbesondere des Durchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit (v), anhand der Formel

ΔΓ« (- Γ,ν) = ΔΓ« (- Γ,ν = 0)

dabei ist:

AT^ die Maximaltemperatur,

-r der Abstand des Thermometers (26) vom Heizelement (24),

{p cp )H die volumetrische spezifische Wärme des Heizelements (24) für die

Dichte p,

d eine Sensorkonstante,

tmax die wirksame Überströmzeit,

b eine Konstante, die vom Gas und den Strömungsbedingungen abhängt, v ö\e Durchflussgeschwindigkeit und

s ein Exponent, der die Strömungsgeschwindigkeit in Randnähe im Vergleich zur Durchflussgeschwindigkeit (v) angibt.

Durchflussmessvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) eingerichtet ist zum automatischen Berechnen des Durchflussparameters anhand der Formel

[P P ,H ftV max [ LΔΓ m«ax ( Vν = 0) /] J 2

5. Durchflussmessvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Thermometer-Abstand des Thermometers (26) vom Heizelement (24) kleiner ist als 300 Mikrometer, insbesondere kleiner als 200 Mikrometer.

6. Verfahren zur Durchflussmessung mit den Schritten:

(a) Durchleiten eines Fluids in einer Durchflussrichtung (R) durch eine Durchleitung (12),

(b) Abgeben eines Temperaturimpulses mittels eines kurzen Heizelements

(24)

(c) Messen einer Maximaltemperatur mittels eines Thermometers (26) und

(d) automatisches Berechnen eines Durchflussparameters, der den Durchfluss charakterisiert, aus der Maximaltemperatur,

dadurch gekennzeichnet, dass

(e) der Temperaturimpuls bezüglich der Durchflussrichtung (R) stromabwärts des Thermometers (26) abgegeben wird.

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss berechnet wird aus

- der Maximaltemperatur,

- einer Ruhe-Maximaltemperatur, die die maximale Temperatur ist, die am Thermometer (26) anliegt, wenn eine Durchflussgeschwindigkeit (v) des Fluids null ist und

- einem Faktor, der von der Durchflussgeschwindigkeit (v) abhängt.

Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss und/oder die Durchfluss eschwindigkeit (v) anhand der Formel berechnet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit (v) anhand der For-

[r« (v = 0)- r« (

mel v = d L max V / max Vv)l J berechnet wird.

b2t m2ax [ LΔΓ ma)x ( Vν = 0) / J

Description:
Durchflussmessvorrichtung zum Messen eines Durchflussparameters eines Fluids und Verfahren zur Durchflussmessung

Die Erfindung betrifft eine Durchflussmessvorrichtung zum Messen eines Durchflussparameters eines Fluids, insbesondere eines Gases, mit (a) einer Durchleitung zum Durchleiten des Fluids in einer Durchflussrichtung, (b) einem kurzen Heizelement, (c) zumindest einem Thermometer, und (d) einer Steuereinheit, die mit dem Heizelement zum Abgeben eines Temperaturimpulses verbunden ist und mit dem Thermometer zum Bestimmen einer Maximaltemperatur am Thermometer verbunden ist und die eingerichtet ist zum automatischen Berechnen des Durchflusses aus der Maximaltemperatur. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchflussmessung mit den Schritten (a) Durchleiten eines Fluids mit einer Temperatur T g in einer Durchflussrichtung durch eine Durchleitung, (b) Abgeben eines Temperaturimpulses mittels eines kurzen Heizelementes, (c) Messen einer Maximaltemperatur mittels eines Thermometers und (d) automatisches Berechnen eines Durch- flussparameters, der den Durchfluss charakterisiert, aus der Maximaltemperatur.

Derartige Durchflussmessvorrichtungen sind aus der DE 10 2014 010 939 C1 bekannt und dienen beispielsweise zur Messung des Gasdurchflusses in Gasleitungen von Haushalten. Da es sich dabei um Massengeräte handelt, soll das Durch- flussmessgerät besonders einfach, klein und robust aufgebaut sein. Zudem soll das Durchflussmessgerät eine möglichst hohe Messgenauigkeit aufweisen, um Fehlerberechnungen zu vermeiden.

Es ist aus der DE 10 2014 008 284 A1 bekannt, die Temperatur zeitabhängig an je einem in Strömungsrichtung stromaufwärts und einem stromabwärts gelegenen Thermometer zu bestimmen und aus der Zeitdifferenz zwischen dem Abgeben des Temperaturimpulses und dem Eintreffen des Temperaturimpulses am Thermometer sowie dem Abstand zwischen dem Heizelement und dem Thermometer die Durchflussgeschwindigkeit zu bestimmen. Das erfordert stets zwei Thermome- ter und die Messgenauigkeit bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten ist. Ein Verfahren, bei dem eine periodisch schwankende Temperatur verwendet wird, ist aus der DE 10 201 1 010 461 A1 bekannt. Die DE 10 2014 008 284 A1 lehrt, dass ein stromaufwärts zum Heizelement angeordnetes Thermometer einen Temperaturverlauf misst, der im Wesentlichen unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messung des Durchflussparameters zu verbessern und/oder zu vereinfachen.

Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Durchflussmess- vorrichtung, bei der das Thermometer bezüglich der Durchflussrichtung stromaufwärts des Heizelements angeordnet ist. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein gattungsgemäßes Verfahren, bei dem der Temperaturimpuls bezüglich der Durchflussrichtung stromabwärts des Thermometers abgegeben wird.

Es hat sich gezeigt, dass die stromaufwärtige Messung der Temperatur zusam- men mit der Bestimmung der Maximaltemperatur die Messung des Durchflussparameters mit einer besonders geringen Messunsicherheit erlaubt. Das gilt insbesondere dann, wenn - wie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen - ein Abstand zwischen dem kurzen Heizelement und dem Thermometer kleiner ist als 250 Mikrometer, insbesondere 150 Mikrometer. Das gilt besonders für kleine Durchflüsse.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Durchflussparameter insbesondere ein Parameter verstanden, der den Durchfluss durch die Durchleitung charakterisiert. Beispielsweise handelt es sich beim Durchflussparameter um die Strömungsgeschwindigkeit v, einen Durchfluss D an strömendem Medium, beispielsweise Liter, Stoffmenge und/oder Masse pro Zeiteinheit At, oder eine

Menge M, insbesondere ein Volumen, eine Stoffmenge und/oder eine Masse an Medium, das während einer vorgegebenen Zeiteinheit M durch die Durchleitung geflossen ist. Selbstverständlich kann auch mehr als eine dieser Größen bestimmt werden.

Unter einem kurzen Heizelement wird insbesondere eine Wärmequelle ver- standen, die in einer Längenrichtung eine Ausdehnung hat, die weniger als zehnfach größer ist als die Ausdehnung in einer Breitenrichtung. Insbesondere ist die Ausdehnung in eine Dickenrichtung, die insbesondere orthogonal zu der Längen- und der Breitenrichtung verläuft, kleiner als die Ausdehnung in Längen- und/oder Breitenrichtung. Besonders bevorzugt weist das Heizelement in Dickenrichtung die kleinste Ausdehnung auf. Insbesondere kann das kurze Heizelement also nicht in guter Näherung als eine linienförmige oder flächenförmige Wärmequelle betrachtet werden. Vorzugsweise hat das Heizelement eine Ausdehnung in der Längenrichtung, die höchstens fünffach größer, vorzugsweise höchstens doppelt so groß, ist als die Ausdehnung in Breitenrichtung. Bevorzugt ist keine der Querschnittsflä- chen des Heizelements größer als 10 mm 2 .

Insbesondere ist ein kurzes Heizelement nicht länglich.

Besonders bevorzugt ist, dass das Heizelement so ausgebildet ist, dass die Hüll- kugel einen Durchmesser von höchstens 10 Millimeter, insbesondere höchstens 5 Millimeter, besonders bevorzugt höchstens 1 Millimeter, hat. Die Hüllkugel ist diejenige gedachte Kugel minimalen Durchmessers, die das Heizelement vollständig umgibt. Unter dem Thermometer wird insbesondere eine Vorrichtung verstanden, mittels der die Temperatur und/oder die Temperaturerhöhung gegenüber einer Ausgangstemperatur ermittelbar ist. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass das Thermometer einen Messwert erzeugt, der die Temperatur in einer Temperatureinheit, beispielsweise in Grad Celsius, Fahrenheit oder Kelvin, angibt. Insbe- sondere ist es ausreichend, dass aus dem Temperatursignal auf eindeutige Weise die absolute Temperatur und/oder die Temperaturerhöhung gegenüber einer Ausgangstemperatur T g ermittelbar ist. Vorzugsweise handelt es sich zumindest bei einem, insbesondere allen Thermometern um kurze Thermometer. Unter kurz sind insbesondere die zuvor genannten Abmessungen hinsichtlich des Heizelements analog zu verstehen. Bevorzugt weisen die Thermometer eine geringe Ansprechzeit auf.

Unter Maximaltemperatur wird das zeitliche Maximum der Temperatur oder Tem- peraturerhöhung über einer Ausgangstemperatur T g , insbesondere diejenige Temperatur, die am Thermometer anliegt, wenn das Heizelement keine Wärme abgibt, verstanden.

Unter dem Abgeben eines Temperaturimpulses wird insbesondere eine Erwär- mung verstanden, die über eine so kurze Zeitdauer erfolgt, dass eine Näherung als Dirac-Impuls zu einer Messabweichung von höchstens 5 % führt. Beispielsweise dauert das Erwärmen weniger als eine Zehntelsekunde, insbesondere weniger als 1 Millisekunde. Unter dem Fluid wird insbesondere ein Gas oder Gasgemisch verstanden. Vorzugsweise handelt es sich um flüchtige Kohlenwasserstoffe wie Erdgas und/oder Biogas und/oder Wasserstoff. Alternativ kann das Fluid auch eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch sein. Unter dem Merkmal, dass der Durchflussparameter aus der Maximaltemperatur berechnet wird, ist insbesondere zu verstehen, dass es möglich, nicht aber notwendig ist, dass die Maximaltemperatur selbst direkt verwendet wird. Insbesondere ist es auch möglich, dass zur Berechnung digitale Signale verwendet werden, die die entsprechende Größe kodieren.

Unter dem Merkmal, dass der Durchflussparameter anhand einer Gleichung berechnet wird, wird insbesondere verstanden, dass mathematische Operationen ausgeführt werden, die dieser Gleichung entsprechen. Es ist dabei möglich, nicht aber notwendig, dass die angegebene Gleichung exakt wie aufgeschrieben ver- wendet wird. Wird beispielsweise ein Faktor gleich 1 gesetzt, so muss bei der Anwendung der Formel selbstverständlich keine Multiplikation mit 1 durchgeführt werden, da eine derartige Multiplikation das Ergebnis nicht ändert. Es ist zudem möglich, dass der Gleichung ein weiterer Term hinzugefügt wird, der das Ergebnis nur unwesentlich verändert. Beispielsweise ist es möglich, einen beliebigen Term h inzuzufügen, in dieser die Messgenauigkeit um weniger als 1 % verändert. Es ist zudem möglich, eine mathematisch äquivalente Gleichung zur Berechnung zu verwenden. Wenn davon gesprochen wird, dass eine Temperatur, beispielsweise die Maximaltemperatur, bestimmt wird, ist darunter zu verstehen, dass ein Messwert ermittelt wird, der die Temperatur repräsentiert. In der Regel wird die Temperatur durch eine elektrische Messgröße repräsentiert, beispielsweise eine elektrische Spannung.

Es sei darauf hingewiesen, dass bei einer Durchflussmessvornchtung die Durchflussrichtung angegeben ist. Unabhängig von einer etwaigen expliziten Kennzeichnung dieser Durchflussrichtung, beispielsweise durch eine grafische Darstellung, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an der Durchflussmessvornchtung angebracht ist, kann die Durchflussrichtung auch dadurch eindeutig dem Durch- flussmessgerät zugeordnet werden, dass die Steuereinheit so ausgebildet ist, dass sie den Durchflussparameter anhand einer Gleichung berechnet, die dann ein korrektes Ergebnis liefert, wenn das Fluid in Durchflussrichtung durch die Durchflussmessvornchtung strömt.

Selbstverständlich ist es möglich und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, dass die Durchflussmessvornchtung so ausgebildet ist, dass sie in zwei Richtungen durchströmt werden kann. In diesem Fall besitzt die Durchflussmessvornchtung zumindest zwei Thermometer, wobei das Heizelement zwischen den beiden Thermometern angeordnet ist. Da der Temperaturimpuls bei von null verschiedenen Durchströmgeschwindigkeit stets schneller stromabwärts wandert als stromaufwärts, kann die Steuereinheit bevorzugt so ausgebildet sein, dass sie aus den Messergebnissen der beiden Thermometer automatisch ermittelt, in welche Richtung das Fluid strömt und den Durchfluss anhand der Messung des strom- aufwärtigen Thermometers ermittelt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen dem stromaufwärts angeordneten Thermometer und dem Heizelement höchstens 600 μητι, insbesondere höchstens 450 μητι, besonders bevorzugt höchstens 100 μηη.

Vorzugsweise umfasst das Abgeben eines Temperaturimpulses mittels eines kur- zen Heizelements ein Bestromen des Heizelements mit einem Stromimpuls, der höchstens 500 s, insbesondere höchstens 300 s, besonders bevorzugt höchstens 150 ps, weiter bevorzugt höchstens 100 s kurz ist. Das ermöglicht eine geringe Messunsicherheit. Vorzugsweise wird das automatische Berechnen eines Durchflussparameters, der den Durchfluss charakterisiert, aus der Maximaltemperatur, so durchgeführt, dass allein aus der Maximaltemperatur des stromaufwärts angeordneten Thermometers der Durchflussparameter erhalten wird. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass dieser Durchflussparameter weiter verarbeitet wird. Beispielsweise ist es möglich, dass die Durchflussmessvorrichtung ein zweites Thermometer aufweist, das stromabwärts des Heizelements angeordnet ist, dass aus den Messdaten dieses Heizelements ebenfalls ein Durchflussparameter berechnet wird und dass aus diesen beiden Durchflussparametern ein finaler Durchflussparameter berechnet wird, beispielsweise durch Mittelwertbildung, der das Ergebnis darstellt.

Im Folgenden wird eine Herleitung der zur Auswertung verwendbaren Formeln gegeben.

Mathematische Modelle zur Wärmebilanz der thermischen Anemometrie betrach- ten üblicherweise technische Anordnungen von Heizelement(en) und Thermometern), die stromabwärts funktionieren. Für die Ausbreitung der vom Heizelement erzeugten Wärme ergibt sich hierbei zwangsläufig, dass sich Wärmeleitung und Advektion (kollektive Strömung erwärmter Fluidteilchen) additiv zu erzwungener Konvektion überlagern. Bei der Ableitung von Arbeitsgleichungen für diesen kombinierten Transport entsteht ein kompliziertes Differentialgleichungssystem, das sich bisher nur näherungsweise lösen lässt.

Die skizzierte„Stromab-Situation" lässt sich formal entscheidend vereinfachen, wenn man stattdessen die stromaufwärts gerichtete Wärmeausbreitung im anson- sten strömenden Fluid betrachtet. Das Thermometer ist also stromaufwärts des Heizelements in einem nicht zu großen gegenseitigen Abstand angeordnet. Hier überlagern sich Wärmeleitung und Advektion nicht konstruktiv, sondern vielmehr destruktiv. Folglich dürfen die genannten Transportmechanismen gesondert be- trachtet werden. Die Bilanz dieser„Stromauf-Situation" kann sich, zumindest in der mathematischen Näherung, immer dann besonders einfach gestalten, wenn deren technische Realisierung in Mikrotechnik vorliegt. Für beide Funktionselemente lassen sich dann sehr kleine Volumina und entsprechend geringe Wärmekapazitäten mathematisch ansetzen. Auch der gegenseitige Abstand von Heiz- element und Thermometer darf sehr klein gewählt werden (z.B. höchstens

150 μιτι, beispielsweise).

Zum Zeitpunkt t = 0 setzt das kurze Heizelement der Länge L am Ort r = 0 augenblicklich, d.h. 5-funktionsartig(beispielsweise τ = 100 s), die Enthalpie Ho frei. Diese breitet sich in dem umgebenden, ruhenden Fluid, insbesondere Gas, („G") der Temperatur T = T C und der Wärmeleitfähigkeit AG sowie der Temperaturleitfähigkeit aG isotrop und homogen durch Leitung aus. Das resultierende orts- und zeitabhängige Temperaturfeld lautet

AT(r, t) = T(r, t) - T G

Das Maximum der Temperatur ist:

H, (2)

Ar max (> max ) :

Es tritt am Ort ± r zum Zeitpunkt = r 2 /(6a G t) auf. Beispielsweise ist tmax = 5 ms. In (2) bezeichnet (p c p ) G = g ja ^ die volumetrische spezifische Wärme für die

Dichte des Fluids, e ist die Eulersche Zahl 2,71828.... Der Heizer soll nun von einem Fluid mit der Durchflussgeschwindigkeit (positiver) r-Richtung überströmt werden. Hierbei entzieht ihm das Fluid durch erzwungene Konvektion die Enthalpie

H K = A H t m£a (T H - T G ) = a A H t m£a ( H ° mit (3)

Es bezeichnen a den Wärmeübergangskoeffizienten, A H die vom Fluid überströmte Oberfläche des Heizelements und tmax die wirksame Überströmzeit, also die Zeit, die zwischen dem Temperaturimpuls und dem Eintreffen des Temperaturmaximums am Thermometer verstreicht. Das Temperaturmaximum eines stromaufwärts (r < 0)gelegenen Thermometers T1 , ΔΓ , ί ^ , ν , erhält man aus den Gleichungen (2) und (3) zu:

(4) wobei A H d = v H ist. Dieses Ergebnis gilt nur noch für Orte r < 0 ( z.B. r -50 μηι). Für ein bekanntes Fluid lässt sich (4) vereinfachen zu

AT m (l a ) x (- r,'t max ,' v) / = AT m (l a ) x (- r,'t max ,' ν = θ) / 1

Wenn der betrachtete Sensor in der Nähe der Wand des Strömungskanals liegt, dann lässt sich der Wärmeübergangskoeffizient mit zumeist guter Näherung vereinfacht als

α « bv £ mit ε ~ 0,5 darstellen. (6)

Mit der weiteren Näherung

(7) wird aus (5) schließlich:

Hieraus erhält man die Strömungsgeschwindigkeit zu:

, 2 / v [T (V = O) - TU (V)] : (9)

[P P ,H ftV max [ LΔΓ m«ax ( Vν = 0) /1 J 2

Während der Parameter 6 generell vom Fluid und den Strömungsrandbedingungen abhängt, können (pc p ) H und c/ als Sensorkonstanten betrachtet werden. Trägt man die jeweiligen Temperaturmaxima über der Wurzel aus der Strömungsgeschwindigkeit auf, so ergibt sich eine Gerade mit negativer Steigung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit daher eingerichtet zum automatischen Berechnen des Durchflusses anhand einer Gleichung, die die Maximaltemperatur, eine Ruhe-Maximaltemperatur und einen Faktor, der von der Durchflussgeschwindigkeit abhängt, berechnet, wobei die Ruhe-Maximaltemperatur diejenige Maximaltemperatur ist, die am Thermometer anliegt, wenn die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids null ist und das Heizelement auf die gleiche Weise bestromt wird wie bei der Bestimmung der Maximaltemperatur. In diesem Fall ist es lediglich notwendig, den Faktor, der von der Durchflussgeschwindigkeit abhängt, zu kalibrieren und die Ruhe-Maximaltemperatur zu messen. Danach kann allein aus der jeweiligen Maximaltemperatur der Durchflussparameter, insbesondere die Durchflussgeschwindigkeit, bestimmt werden. Vorzugsweise ist die Steuereinheit daher eingerichtet zum automatischen Berechnen des Durchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit anhand der Formel

Δ7 m«ax ( V- r,' v) / = Δ7 m«ax ( V- r,' v = o / l- ? I-" \ ' Ί l ■ ( 1 ^

\p c„) d

Darin ist

AT^ x (- r, v) die Maximaltemperatur,

AT^ (- r, v = 0) die Ruhe-Maximaltemperatur,

-r der (positive) Abstand des Thermometers vom Heizelement,

tmax die wirksame Überströmzeit,

b ein Proportionalitätsfaktor, v ö\e (unbekannte) Durchflussgeschwindigkeit,

die Dichte des Fluids,

[p c p ) H die volumet sche spezifische Wärme des Heizelements

d eine Sensorkonstante.

Die Sensorkonstante d ist in der Regel berechenbar als das Volumen des Heizers dividiert durch die überströmte Querschnittsfläche des Heizers.

Unter dem Merkmal, dass der Durchflussparameter anhand der angegeben For- mel berechnet wird, wird insbesondere verstanden, dass eine mathematische

Operation durchgeführt wird, die dieser Formel entspricht. Selbstverständlich ist es möglich, aus dem so erhaltenen Messwert weitere Messwerte zu errechnen, beispielsweise den Gesamt-Durchfluss durch Integration über die Zeit unter den Massendurchfluss durch Multiplikation mit der Dichte des Fluids.

Besonders günstig ist es, wenn die Steuereinheit eingerichtet ist zum automatischen Berechnen des Durchflussparameters anhand der Formel (9). Diese Formel ergibt sich auf Basis der Näherung, dass die Strömungsgeschwindigkeit in Nähe des Heizelements und des Thermometers der Wurzel der gesamten quasi integra- len Durchflussgeschwindigkeit entspricht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Heizelement und das Thermometer in einem Abstand von höchstens 3 mm, insbesondere höchstens 1 mm, von einer Innenwandung der Durchleitung angeordnet.

Inn Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Durch- flussmessvorrichtung,

Figur 2 eine schematisch perspektivische Ansicht eines Mess-Chips, auf dem ein Heizelement und das zumindest eine Thermometer integriert sind und

Figur 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in der Draufsicht.

Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Durchflussmessvorrichtung 10, die eine Durchleitung 12 zum Durchleiten eines Fluids 14 besitzt. Die Durchflussmessvorrichtung 10 weist zudem einen Mess-Chip 16 auf, der beispielsweise auf einer Innenwand 18 der Durchleitung 12 befestigt ist. Über Kabel 20 steht der Mess-Chip 16 in Verbindung mit einer Steuereinheit 22.

Auf dem Mess-Chip 16 sind ein Heizelement 24 sowie ein erstes Thermometer 26 (oben als T1 bezeichnet) und ein zweites Thermometer 28 ausgebildet. Im vor- liegenden Fall sind das Heizelement 24 sowie die Thermometer 26, 28 auf Stegen angeordnet, die aus einem Substrat 30 herausgeätzt sind. Es ist zu erkennen, dass das Thermometer 26 bezüglich einer Durchflussrichtung R stromaufwärts angeordnet ist. Das Thermometer 28 ist in diesem Fall stromabwärts angeordnet. Die Kontaktierung der Thermometer 26, 28 und des Heizelements über die Kabel 20 ist lediglich schematisch angedeutet.

Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Durchflussmessvorrichtung 10 eine Transportgrößenbestimmungsvorrichtung 32 aufweist, die beispielsweise in einem Abzweig 34 der Durchleitung 12 angeordnet ist. Der Abzweig 34 enthält das glei- che Fluid wie Durchleitung 12 selbst, eine Durchflussgeschwindigkeit v ist jedoch in guter Näherung null, da das Fluid 14, beispielsweise mittels einer Fritte 36, stark abgebremst wird. Mittels eines weiteren Chips 38 wird die thermische Transportgröße, beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit AG und/oder die Temperaturleitfähig- keit aG des Fluids 14 bestimmt. Derartige Verfahren gehören zum Stand der Technik und werden hier nicht weiter beschrieben.

Figur 2 zeigt den Mess-Chip 16 in einer vergrößerten schematischen Ansicht. Es ist zu erkennen, dass aus dem Substrat 30 ein Kanal 40 herausgearbeitet wurde, den die Stege mit den Thermometern 26, 28 überspannen. Ein Abstand r zwischen dem Heizelement 24 und dem ersten Thermometer 26 beträgt im vorliegendem Fall gemäß r= 50 μιτι.

Über die Kabel 20.1 bis 20.6 sind die Thermometer 26, 28 und das Heizelement 28 mit einer nicht dargestellten Steuereinheit 22 verbunden.

Die Steuereinheit 22 ist eingerichtet zum automatischen Anlegen eines Temperaturimpulses mit der Dauer r. Zudem wird kontinuierlich die Temperatur ersten Thermometers 26 gemessen. Nach Abgeben des Temperaturimpulses steigt die Temperatur T2& an und durchläuft ein zeitliches Maximum Aus der oben angegebenen Formel kann dann die Durchflussgeschwindigkeit v bestimmt werden, wenn die übrigen Parameter der Gleichung bekannt sind.

Die Durchflussgeschwindigkeit v wird zudem vorzugsweise anhand der Maximaltemperatur berechnet, die ein weiteres (und nicht dargestelltes) stromaufwärts angeordnetes Thermometer misst. Dieses weist vorzugsweise einen größeren Abstand zu dem Heizelement 24 auf, als das Thermometer 26. Als Messergebnis wird dann beispielsweise der arithmetische Mittelwert der beiden so ermittelten Messwerte ausgegeben. Alternativ kann das weitere Thermometer zum Messen der Gastemperatur Tg verwendet werden, um die Temperaturerhöhung und damit die Maximaltemperatur zu bestimmen.

Mittels der dargestellten Ausführungsform ist es insbesondere möglich, auch nach Umkehrung des Durchflusses zu messen, da in einem solchen Fall das Thermometer 28 stromaufwärts gelegen ist und die Messung dann vorzugsweise mittels des Thermometers 28 vorgenommen wird.

Trägt man die Gl. (5) ΔΓ« (- r,v) =

über v E auf, erhält man wegen a ~ bv s eine Gerade. Beispielsweise mit ε = 0,5 entsteht die Gerade ΔΙ^ (- r , v) = mjv + n . Diese hat den Achsenabschnitt n = AT^ (- r,v = 0) . O D und die Steigung Zur Kalibrierung von m und n geht man wie folgt vor: In einer vorgegebenen Messsituation (Enthalpie des Heizers H 0 = U Ιτ , Gasart, Temperatur) legt man jeweils eine konstante Strömungsgeschwindigkeit zwischen v = 0 und v = v max an die Durchflussmessvorrichtung an und misst das zugehörige Temperaturmaximum Δ ^ (- Γ, ) zur Zeit t = t mnT . Die Größe v mnT bezeichnet die maximale Geschwin- digkeit. (Die elektrische Verlustleistung des Heizers, P = U I , sollte bei gegebener Impulsdauer (z.B. τ = 100 μ8 ) vorzugsweise so eingestellt sein, dass auch noch bei v max ein hinreichend deutliches Temperaturmaximum Ar (- r,v = v max ) zu messen ist.) Die erhaltenen diskreten Temperaturmaxima Ä7^ (- r, ) trägt man (gewöhnlich) gegen Vv auf. Mit Hilfe einer Geradenanpassung findet man die ge- suchten Werte für m und n.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Auch in dieser weist die Durchflussmessvorrichtung 10 zwei Thermometer 26, 28 auf. Das Thermometer 26 ist hinsichtlich des Heizelements 24 und der Durchflussrichtung R stromauf- wärts angeordnet. Das Thermometer 28 ist bei der gegebenen Durchflussrichtung R stromabwärts des Heizelements angeordnet. Die Stege, auf denen die Thermometer 26, 28 und das Heizelement 24 vorzugsweise angeordnet sind, sind nicht dargestellt.

Das Heizelement 24 ist kurz und weist eine annähernd, vorzugsweise genau, gleichgroße Ausdehnung in Breitenrichtung B wie in Längenrichtung L auf. Die in der Draufsicht nicht erkennbare Ausdehnung in Dickenrichtung ist insbesondere kleiner als die Ausdehnung in Längen- und Breitenrichtung. Der Abstand r zwischen dem Heizelement und dem Thermometer 26 beträgt vorliegend 50 μηη. Das Heizelement ist über die beiden Kabel 20.3 und 20.4, welche mit einer Steuereinheit 22 verbunden sind, kontaktiert.

Das Thermometer 26 ist vorliegend länglich ausgebildet und über die Kabel 20.1 und 20.2, die mit der Steuereinheit 22 verbunden sind, kontaktiert.

Das Thermometer 28 ist kurz ausgebildet, wobei das Thermometer 28 vorzugsweise die gleichen Abmessungen wie das Heizelement 24 in Längen- und Breitenrichtung aufweist. Das Thermometer 28 ist über die, mit der Steuereinheit 22 verbundenen, Kabel 20.5 und 20.6 kontaktiert.

Vorzugsweise ist die Durchflussmessvorrichtung ebenfalls zur Messung geeignet, wenn die Durchflussrichtung in Gegenrichtung zur dargestellten Durchflussrichtung R verläuft. Dann bildet nicht mehr das längliche Thermometer 26 das stromaufwärts angeordnete Thermometer, sondern das kurze Thermometer 28.

Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn für unterschiedliche Einsatzzwecke eine Messung mit einem kurzen oder einem länglichen Thermometer vorteilhaft ist, da die Durchflussmessvorrichtung dann entsprechend angeordnet werden kann, dass entweder das längliche Thermometer 26 oder das kurze Thermometer 28 strom- aufwärts des Heizelements angeordnet ist.

Bezugszeichenliste

10 Durchflussmessvorrichtung

Ausdehnung in Breitenrichtung

12 Durchleitung

Exponent

14 Fluid

Enthalpie

16 Mess-Chip

Ausdehnung in Längenrichtung

18 Innenwand

Durchflussrichtung

Temperatur

20 Kabel

22 Steuereinheit

Durchflussgeschwindigkeit

24 Heizelement

Volumen des Heizelements

26 erstes Thermometer

Abstand, Raumkoordinate

28 zweites Thermometer

Wärmeübergangskoeffizienten Dauer des Temperaturimpulses

30 Substrat

32 Transportgrößen-Bestimmungsvorrichtung Wärmeleitfähigkeit

34 Abzweig Dichte

36 Fritte

Zeit

38 Chips

40 Kanal

Zeiteinheit

aG Temperaturleitfähigkeit

AH überströmte Oberfläche des Heizelements

b Parameter

dH effektive Dicke des Heizelements

(Sensorkonstante)