Die Erfindung betrifft ein thermisches Durchflussmessgerät, insbesondere ein thermisches Durchflussmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums durch eine Rohrleitung mit zumindest einem Sensorelement und einer Elektronikeinheit, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Durchflussmessgeräts. Ferner kann eine Aussage über den Zustand des zumindest einem Sensorelement getroffen werden. Das

Durchflussmessgerät weist also eine Diagnosefunktion auf.

Thermische Durchflussmessgeräte finden vielfach Anwendung im Bereich der

Prozessmesstechnik. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung t-switch, t-trend oder t-mass hergestellt und vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind entsprechend aus einer Vielzahl von

Veröffentlichungen bekannt.

Typischerweise umfasst ein gattungsgemäßes Durchflussmessgerät zumindest zwei Sensorelemente, wovon jedes einen möglichst gleichartig ausgestalteten Temperatursensor aufweist, und zumindest eines der Sensorelemente beheizbar ausgestaltet ist. Dazu kann innerhalb des jeweiligen Sensorelements entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung integriert werden. Alternativ kann aber der Temperatursensor auch selbst als

Widerstandselement, z. B. in Form eines RTD- Widerstandselements (Resistance

Temperature Detector), insbesondere in Form eines Platinelements, wie es unter den Bezeichnungen PT10, PT100, und PT1000 auch kommerziell erhältlich ist, ausgebildet sein. Das Widerstandselement, auch als Widerstandsthermometer bezeichnet, wird dann über die Umsetzung einer ihm zugeführten elektrischen Leistung, z. B. in Folge einer erhöhten Stromzufuhr, erwärmt.

Oftmals ist der Temperatursensor innerhalb einer zylindrischen Hülse, insbesondere einer Hülse aus einem Metall, insbesondere aus Edelstahl oder Hastelloy, angeordnet. Die Hülse hat dann die Funktion eines Gehäuses, welches den Temperatursensor beispielsweise vor aggressiven Medien schützt. Bei dem jeweils zumindest einen beheizbaren

Temperatursensor muss zudem gewährleistet sein, dass zwischen dem beheizbaren Temperatursensor und der Hülse ein möglichst guter thermischer Kontakt besteht.

Zur Erfassung des Massedurchflusses und/oder der Strömungsgeschwindigkeit werden die zumindest zwei Sensorelemente in eine von einem strömungsfähigen Medium zumindest zeitweise und teilweise durchströmte Rohrleitung eingebracht, derart, dass sie mit dem Medium in thermischem Kontakt stehen. Sie können dazu entweder direkt in die Rohrleitung eingebracht werden, oder in ein Messrohr integriert werden, welches in eine bestehende Rohrleitung einbaubar ist. Beide Möglichkeiten sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch wenn im Folgenden stets nur von einer Rohrleitung die Rede sein wird.

Im Betrieb wird zumindest einer der zumindest zwei Temperatursensoren beheizt (aktiver Temperatursensor) während der zweite Temperatursensor unbeheizt bleibt (passiver Temperatursensor). Der passive Temperatursensor wird zur Erfassung der Temperatur des strömungsfähigen Mediums eingesetzt. Unter der Mediumstemperatur sei dabei jene Temperatur verstanden, welche das Medium ohne einen zusätzlichen Wärmeeintrag einer Heizeinheit aufweist. Das aktive Sensorelement wird üblicherweise entweder so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren einstellt, wobei die Änderung der Heizleistung als Maß für den Massedurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit herangezogen wird. Alternativ kann aber auch die eingespeiste Heizleistung zeitlich konstant gehalten werden, so dass die entsprechende

Temperaturänderung zur Bestimmung des Massedurchflusses und/oder der

Durchflussgeschwindigkeit heranzuziehen ist.

Ist in der Rohrleitung keine Strömung vorhanden, erfolgt die Ableitung der Wärme von dem aktiven Temperatursensor über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und ggf. auch über freie Konvektion innerhalb des Mediums. Zur Aufrechterhaltung einer bestimmten

Temperaturdifferenz wird dann beispielsweise eine zeitlich konstante Wärmemenge benötigt. Beim Vorliegen einer Strömung hingegen kommt es zu einer zusätzlichen Abkühlung des aktiven Temperatursensors durch das vorbeiströmende kältere Medium. Es tritt ein zusätzlicher Wärmetransport aufgrund von erzwungener Konvektion auf. Entsprechend muss also in Folge einer Strömung entweder eine erhöhte Heizleistung eingespeist werden, um eine feste Temperaturdifferenz aufrecht erhalten zu können, oder aber die

Temperaturdifferenz zwischen dem aktiven und passiven Temperatursensor verringert sich. Dieser funktionale Zusammenhang zwischen der dem aktiven Temperatursensor

zugeführten Heizleistung bzw. der Temperaturdifferenz und dem Massedurchfluss und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Mediums durch die Rohrleitung kann mittels des sogenannten Wärmeübertragungskoeffizienten ausgedrückt werden. Die Abhängigkeit des Wärmeübertragungskoeffizienten vom Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung wird dann zu dessen Bestimmung und/oder der Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit ausgenutzt. Daneben haben die thermophysikalischen 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 die thermophysikalischen Eigenschaften in Form von Kennlinien oder als Bestandteile funktionaler Bestimmungsgleichungen innerhalb einer Elektronikeinheit des Durchflussmessgeräts hinterlegt. Durch Änderungen des thermischen Widerstands eines Sensorelements kann es gegebenenfalls zu erheblichen Messwertverfälschungen kommen, welche zu einem Wechsel des Wärmeübergangs von der Heizeinheit in das Medium bei ansonsten gleich bleibenden Strömungsbedingungen führen können. Eine solche Änderung des thermischen Widerstands wird auch als Sensordrift bezeichnet. Unter Umständen, wenn die Änderung des effektiven thermischen Widerstandes unter einem bestimmten vorgebbaren Grenzwert verbleibt, und falls die Änderung erkannt wird, kann die Sensordrift sowie der negative Einfluss auf die Bestimmung des Massedurchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit durch geeignete Gegenmaßnahmen zumindest teilweise behoben werden. Ansonsten muss ggf. das Durchflussmessgerät zumindest teilweise ausgetauscht werden.

Grundsätzlich werden in Bezug auf den thermischen Widerstand ein innerer und ein äußerer thermischer Widerstand unterschieden. Der innere thermischen 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 thermischen

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.

Aus dem Stand der Technik sind mehrere Durchflussmessgeräte bekannt geworden, mittels welcher sich eine Diagnose über zumindest eines der jeweils verwendeten Sensorelemente tätigen lässt. Es lässt sich also eine Aussage über den Zustand von zumindest einem der jeweils verwendeten Sensorelemente treffen.

Die DE102005057687A1 beschreibt ein thermisches Durchflussmessgerät mit zumindest zwei beheizbar ausgestalteten Temperatursensoren, wobei der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor alternierend als passiver, nicht beheizter Temperatursensor, der während eines ersten Messintervalls Information über die aktuelle Temperatur des Mediums bereitstellt, und als aktiver beheizter Temperatursensor, der während eine zweiten Messintervalls Information über den Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung bereitstellt, ansteuerbar. Eine Regel-/Auswerteeinheit gibt eine Meldung aus und/oder nimmt eine Korrektur vor, sobald die während des ersten Messintervalls und des zweiten

Messintervalls bereitgestellten korrespondierenden Messwerte der beiden

Temperatursensoren voneinander abweichen. Auf diese Weise können Belagsablagerungen und Kondensatsbildung erkannt werden.

Ähnlich ist in der DE102007023823A1 ist ein thermisches Durchflussmessgerät mit zwei phasenweise abwechselnd oder alternierend beheizbaren Sensorelementen sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb offenbart. Der Massed urchfluss wird dann abwechselnd anhand des jeweils beheizten Sensorelements ermittelt, wobei das jeweils nicht beheizte Sensorelement zur Ermittlung der Mediumstemperatur herangezogen wird. Aus einem Vergleich der mit den beiden Sensorelementen gewonnen Messwerte kann zusätzlich eine Verschmutzung zumindest eines der beiden Sensorelemente erkannt werden. In der US8590360B2 ist beschrieben, ein erstes beheizbares Sensorelement mit einer ersten Heizleistung zu heizen oder kühlen, und gleichzeitig ein zweites beheizbares Sensorelement mit einer zweiten Heizleistung zu heizen oder zu kühlen. Typischerweise werden die beiden Heizleistungen so gewählt, dass sich die Temperaturen der beiden Sensorelemente unterscheiden. Durch einen Vergleich der Mediumstemperatur, und/oder von zumindest zwei unabhängigen die Wärmeübergangskoeffizienten charakterisierenden Größen kann dann eine Diagnose über das Durchflussmessgerät gefällt werden.

Schließlich ist aus der WO/2008/142075A1 ein Verfahren bekannt geworden, bei welchem beheizbarer mit einem Medium in thermischen Kontakt stehender Temperatursensor mit einem alternierenden Strom- oder Spannungssignal geheizt wird und die erzeugte Wärme zumindest teilweise an das strömende Medium abgibt. Der Verlauf eines innerhalb des Temperatursensors stattfindenden Heiz- und/oder Abkühlvorgangs wird gemessen und daraus der Zustand des Temperatursensors, insbesondere eine Verschmutzung und/oder eine Beschichtung diagnostiziert. Gleichzeitig kann der Massedurchfluss bestimmt werden.

Im Prinzip wird mit den beschriebenen Durchflussmessgeräten mit einer Diagnosefunktion eine Änderung des thermischen Widerstands detektiert. Daraus wird dann auf eine Belagsund/oder Kondensatsbildung geschlossen. Dies entspricht einer Änderung des äußeren thermischen Widerstands. Wie eingangs beschrieben, kann eine Sensordrift jedoch auch durch eine Änderung des inneren thermischen Widerstands hervorgerufen werden. Der innere thermische Widerstand wird durch den Aufbau und die verwendeten Materialien innerhalb des jeweiligen Sensorelements bestimmt, insbesondere durch die verschiedenen Bauteile z.B. innerhalb der Hülsen bzw. Gehäuse, oder durch verschiedene Materialverbindungen, bzw. -Übergänge, wie z. B. Lötverbindungen. Es wäre also wünschenswert, eine Diagnosefunktion zur Verfügung zu haben, mittels welcher im Falle einer Sensordrift an zumindest einem der zumindest drei Sensorelemente zwischen einer Änderung des äußeren und inneren thermischen Widerstands unterschieden werden könnte.

Im Falle von Widerstandsthermometern ist aus der GB2140923A eine in situ Methode und eine Vorrichtung zum Testen der Eigenschaften des jeweiligen Thermometers bekannt geworden, bei welcher anhand eines Modells für die Wärmeübertragung bzw. für die entsprechende Übertragungsfunktion eine Aussage über die Eigenschaften möglich ist, bzw. Defekte am Widerstandsthermometer erkannt werden können. Dazu wird die Reaktion des Widerstands des Thermometers auf Änderungen der Temperatur während einer in der Dauer und zugeführten Heizleistung bestimmbaren Heizperiode aufgezeichnet.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, ein thermisches Durchflussmessgerät sowie ein Verfahren zum

Betreiben eines entsprechenden Durchflussmessgeräts bereitzustellen, mittels welchem eine Aussage über die Funktionsfähigkeit von zumindest einem Sensorelement getroffen werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein thermisches Durchflussmessgerät zur Bestimmung des Massedurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums in einer Rohrleitung, mit zumindest

einem Sensorelement und einer Elektronikeinheit mit einer Abtastrate im Bereich von Millisekunden oder weniger,

wobei das zumindest eine Sensorelement

zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium in thermischem Kontakt steht, und

einen beheizbaren Temperatursensor umfasst,

wobei die Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist,

- das zumindest eine Sensorelement mit einer Heizleistung P zu heizen, dessen Temperatur T zu erfassen,

aus der Heizleistung P und/oder Temperatur T und/oder zumindest einer aus zumindest einer dieser Größen abgeleiteten Größe den

Massedurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums zu bestimmen, und

aus einer Sprungantwort des zumindest einen Sensorelements auf eine sprunghafte Änderung der zugeführten Heizleistung ΔΡ eine Aussage über den Zustand des zumindest einen Sensorelements zu generieren und/oder auszugeben.

Die zugeführte Heizleistung kann dabei entweder konstant sein, also einem festen Wert entsprechen, oder aber einstellbar, derart, dass im laufenden Betrieb die zugeführte

Heizleistung geändert, gesteuert und/oder geregelt werden kann. Vorteilhaft lässt sich aus der Sprungantwort, eine Änderung des inneren thermischen Widerstands des zumindest einen Sensorelements feststellen. Dies ermöglicht eine Aussage über die Funktionsfähigkeit eines Sensorelements, bzw. über den Zustand einzelner Bauteile z.B. innerhalb der Hülsen, oder auch über Lötanbindungen. Die Diagnosefunktion kann weiterhin vorteilhaft während des Betriebs des jeweiligen Durchflussmessgeräts durchgeführt werden. Das Messgerät muss dazu nicht extra ausgebaut werden. Auch kann während der Durchführung der Diagnosefunktion Medium durch die Rohrleitung strömen. Die sprunghafte Änderung der zugeführten Heizleistung AP=PrP ₂ kann dabei positiv oder negativ sein. Entsprechend kann die Sprungantwort des zumindest einen Sensorelements beispielsweise erfasst werden, wenn ein zuvor unbeheiztes Sensorelement ab einem bestimmten Zeitpunkt beheizt wird, oder auch umgekehrt, wenn die einem Sensorelement zugeführte Heizleistung abgeschaltet wird. Aber auch bei einer Änderung der jeweils zugeführten Heizleistung ΔΡ von einem ersten auf einen zweiten Wert kann die

Sprungantwort aufgezeichnet werden. Wichtig ist, dass die Änderung der zugeführten Heizleistung ΔΡ abrupt erfolgt, und nicht kontinuierlich oder stufenlos geregelt wird. Eine erfindungsgemäße Elektronikeinheit muss entsprechend dazu ausgestaltet sein, eine Sprungantwort aufzuzeichnen, also über eine ausreichend hohe Abtastrate f zur Erfassung der Messgröße, deren Sprungantwort aufgezeichnet und analysiert werden soll, aufweisen. Idealerweise, sollte die Abtastrate im Bereich von Millisekunden oder weniger liegen. Es handelt sich also um ein auf einfache Weise in einem Messgerät implementierbares Verfahren. Dem Vorgehen, eine Analyse einer Sprungantwort des zumindest einen Sensorelements zu Diagnosezwecken durchzuführen, liegt folgender Sachverhalt zugrunde: Durch die sprunghafte Änderung der zugeführten Heizleistung ΔΡ ändert sich ebenfalls sprunghaft die von der Heizeinheit innerhalb des Sensorelements zu dessen Oberfläche transportierte Wärme, also die Wärmeausbreitung. Dieser Wärmetransport hängt ganz allgemein von unterschiedlichen Faktoren und verschiedenen physikalischen, chemischen und

materialspezifischen Parametern, insbesondere den thermophysikalischen

Stoffeigenschaften, wie beispielsweise von der Dichte p, der Wärmeleitfähigkeit λ, der spezifischen Wärmekapazität c oder auch der Wärmediffusivität α des jeweils verwendeten Materials bzw. der jeweils verwendeten Materialien, ab. Aber auch die Geometrie des jeweiligen Bauteils sowie Materialübergänge spielen eine Rolle. In der Realität kommen jedoch noch weitere durch die Alterung des Sensorelements bedingte Effekte zum Tragen, welche den Wärmetransport beeinflussen, wie beispielsweise thermische und/oder mechanische Belastungen.

Bis zu jenem Zeitpunkt, an welchem die jeweils transportierte Wärme zur Oberfläche des Sensorelements gelangt ist, ist der Wärmetransport lediglich durch die genannten Größen definiert. Ab dem Moment, an welchem die transportierte Wärme die Oberfläche des Sensorelements erreicht, wird der Wärmetransport dagegen durch das an dem

Sensorelement vorbeiströmenden Medium dominiert. Die Analyse der Sprungantwort gibt also, da sie sich auf die Zeitskala konzentriert, in welcher die transportierte Wärme noch nicht bis zur Oberfläche des Sensorelements gelangt ist, Aufschluss über eine Änderung des inneren thermischen Widerstands. Eine Elektronikeinheit mit einer Abtastrate f>1 HZ, vorzugsweise f>10Hz, was gleichbedeutend ist mit einem Abtastintervall im Bereich von

Millisekunden oder weniger, gewährleistet dabei, dass während der relevanten Zeitskala, in welcher die transportierte Wärme noch nicht bis zur Oberfläche des Sensorelements gelangt ist, eine ausreichende Anzahl an Datenpunkten aufgenommen werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das zumindest eine Sensorelement ein

Gehäuse, insbesondere aus einem Metall, insbesondere Edelstahl oder Hastelloy, wobei im Inneren des Gehäuses zumindest der Temperatursensor, insbesondere ein RTD- Widerstandselement, angeordnet ist, derart, dass das Gehäuse und der Temperatursensor in thermischem Kontakt stehen. Das Gehäuse schützt das Sensorelement vor

Beschädigungen. Insbesondere bei einem Einsatz in aggressiven Medien ist ein derartiger Schutz von großem Vorteil.

Es ist von Vorteil, wenn die Elektronikeinheit eine Speichereinheit umfasst, auf welcher Speichereinheit zumindest eine Referenz für eine Reaktion des Sensorelements auf eine sprunghafte Änderung der zugeführten Leistung im funktionsfähigen Zustand gespeichert ist. Diese Referenzkurve kann zum Zeitpunkt der Fertigung oder Parametrierung des

Durchflussmessgeräts aufgenommen werden. Die Analyse der Sprungantwort kann dann aus einem Vergleich einer gemessenen Kurve mit einer auf der Speichereinheit hinterlegten Referenzkurve vorgenommen werden, beispielsweise durch einen Vergleich der jeweiligen Funktionswerte zu bestimmten vorgebbaren charakteristischen Zeitpunkten.

Ferner ist es von Vorteil, wenn die Elektronikeinheit so ausgestaltet ist, dass sie in einem Zeitintervall von typischer weniger als 100ms zumindest 100 Messwerte aufnehmen kann. Diese Vorgabe für eine minimale Abtastrate der Messgröße, deren Sprungantwort analysiert wird, gewährleistet in jenem kurzen für die Erfassung der Sprungantwort zur Verfügung stehenden Zeitintervall eine ausreichende Anzahl an Messwerten. Bezüglich des Verfahrens wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch Angabe eines

Verfahrens zum Betreiben eines thermischen Durchflussmessgeräts zur Ermittlung des Massedurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines strömungsfähigen Mediums in einer Rohrleitung, mit zumindest einem Sensorelement und einer

Elektronikeinheit mit einer Abtastrate im Bereich von Millisekunden oder weniger, wobei das zumindest eine Sensorelement mit einer Heizleistung beheizt wird, und dessen Temperatur erfasst wird, wobei aus der Heizleistung und/oder Temperatur und/oder zumindest einer aus zumindest der Heizleistung und/oder Temperatur abgeleiteten Größe der Massedurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums bestimmt werden, wobei zu einem bestimmbaren Zeitpunkt die Heizleistung sprunghaft geändert wird, und wobei aus der Sprungantwort des Sensorelements auf die Änderung der Heizleistung eine Aussage über den Zustand des zumindest einen Sensorelements generiert und/oder ausgegeben wird. Vorteilhaft lässt sich aus der Sprungantwort eine Änderung des inneren thermischen Widerstands des zumindest einen Sensorelements feststellen. Dies ermöglicht eine Aussage über die Funktionsfähigkeit des zumindest einen Sensorelements, bzw. über den Zustand einzelner Bauteile z.B. innerhalb der Hülsen, oder auch über Lötanbindungen. Die sprunghafte Änderung der zugeführten Heizleistung kann dabei positiv oder negativ sein.

Es ist von Vorteil, wenn die Sprungantwort einer von der Heizleistung abhängigen charakteristischen Messgröße des Sensorelements, insbesondere der Temperatur oder des elektrischen Widerstandes, ausgewertet wird. Diese Größen lassen sich besonders einfach erfassen. Die Temperatur wird bei einem thermischen Durchflussmessgerät beispielsweise ohnehin aufgezeichnet.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass die Sprungantwort der

Temperatur T(t) und/oder des Widerstandes R(t), des zumindest einen Sensorelements als Funktion der Zeit aufgezeichnet und wird, wobei mittels eines Vergleichs der

aufgezeichneten Sprungantwort der Temperatur und/oder des Widerstandes, des zumindest einen Sensorelements mit zumindest einer Referenzsprungantwort der Temperatur und/oder des Widerstandes auf eine Änderung des thermischen Widerstands des zumindest einen Sensorelements geschlossen wird, und wobei im Falle des Überschreitens eines

vorgebbaren Grenzwertes für die Änderung des thermischen Widerstands eine Meldung über eine Fehlfunktion des zumindest einen Sensorelements generiert und ausgegeben wird. Sobald die von der Heizeinheit generierte Wärme zur Oberfläche des zumindest einen Sensorelements gelangt ist, ändert sich der Kurvenverlauf der Temperatur bzw. des elektrischen Widerstands als Funktion des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten und/oder der äußeren Strömungsbedingungen. In einer weiteren besonders bevorzugte Ausgestaltung wird der Gradient der Temperatur und/oder des Widerstandes ermittelt, wobei mittels eines Vergleichs des Gradienten der Sprungantwort der Temperatur und/oder des Widerstandes und/oder einer daraus abgeleiteten Größe des zumindest einen Sensorelements mit dem Gradienten von zumindest einer Referenzsprungantwort der Temperatur und/oder des Widerstandes auf eine Änderung des thermischen Widerstands des zumindest einen Sensorelements geschlossen wird, und

wobei im Falle des Überschreitens eines vorgebbaren Grenzwertes für die Änderung des thermischen Widerstands eine Meldung über eine Fehlfunktion des zumindest einen Sensorelements generiert und ausgegeben wird. Die Änderungen zwischen der

gemessenen Sprungantwort und der Referenzsprungantwort werden unter Umständen durch die Betrachtung deutlicher sichtbar.

Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn das Zeitintervall zur Aufzeichnung der Sprungantwort der Temperatur T(t) und/oder des Widerstandes R(t), derart gewählt wird, dass es kleiner ist als die Zeit, welche die mittels der sprunghaften Änderung der Heizleistung zugeführte

Wärme benötigt, um vom Inneren des Sensorelements zu dessen Oberfläche zu gelangen. Anhand geeigneter Abschätzungen kann ein maximale zu erwartende Zeitspanne für den Wärmetransport innerhalb des zumindest einen Sensorelements festgelegt werden. Dies erspart die Speicherung nicht benötigter Messwerte, welche zu einem Zeitpunkt

aufgenommen werden, in welchen der Wärmetransport bereits durch das strömungsfähige Medium dominiert wird, und damit einhergehend werden die Kapazitäten des thermischen Durchflussmessgeräts in Bezug auf die zur Verfügung stehende Rechenleistung gespart.

Die Erfindung sowie ihre Vorteile werden anhand der nachfolgenden Figuren Fig. 1 bis Fig. 4 näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines thermischen Durchflussmessgeräts gemäß Stand der Technik,

Fig. 2 schematische Zeichnungen zweier typischer Sensorelemente Fig. 3 (a) eine Temperaturänderung als Funktion der Zeit in Reaktion auf eine sprunghaft geänderte Heizleistung (b) ein elektrisches Ersatzschaltbild eines

Sensorelements wie in Fig. 2 dargestellt, und Fig. 4 Graphen, welche durch Veränderung des inneren thermischen Widerstands unterschiedliche Temperaturgradienten als Reaktion auf einen Leistungssprung an einem Sensorelement zeigen.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1. Striche an einem Bezugszeichen weisen jeweils auf unterschiedliche Ausführungsbeispiele hin.

In Fig. 1 ist ein thermisches Durchflussmessgerät 1 gemäß Stand der Technik gezeigt. In eine von einem Medium 3 durchströmte Rohrleitung 2 sind zwei Sensorelemente 4,7 dicht integriert derart, dass sie zumindest teilweise und zumindest zeitweise mit dem Medium 3 in thermischem Kontakt stehen. Jedes der beiden Sensorelemente 4,7 umfasst ein Gehäuse 6,6a, welches in diesem Falle zylindrisch ausgestaltet ist, in welchem jeweils ein

Temperatursensor 5,8 angeordnet ist. Insbesondere die beiden Temperatursensoren 5,8, jedes der beiden Sensorelemente 4,7 sollten in thermischem Kontakt mit dem Medium 3 stehen.

In diesem Beispiel ist das erste Sensorelement 4 als aktives Sensorelement ausgestaltet, dass es einen beheizbaren Temperatursensor 5 aufweist. Es versteht sich von selbst, dass ein Sensorelement 4 mit externem Heizelement, wie eingangs erwähnt, ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fällt. Im Betrieb kann es entsprechend durch Zuführung einer

Heizleistung P1 auf eine Temperatur T1 geheizt werden. Der Temperatursensor 8 des zweiten Sensorelements 7 ist dagegen nicht beheizbar und dient der Erfassung der

Mediumstemperatur T _M . Schließlich umfasst das thermische Durchflussmessgerät 1 noch eine Elektronikeinheit 9, welche der Signalerfassung, -auswertung und -speisung dient. Dieser Elektronikeinheit kann optional eine Speichereinheit 9a zugeordnet sein, auf welcher Referenzwerte oder sensorspezifische Kennlinien oder Kenngrößen hinterlegt sind. Es sind im Laufe der Zeit sowohl thermische Durchflussmessgeräte 1 mit mehr als zwei Sensorelementen 4,7 bekannt geworden, als auch unterschiedlichste geometrische Ausgestaltungen und Anordnungen der jeweiligen Sensorelemente 4,7. In Fig. 2 sind schematische, perspektivische Ansichten zweier Sensorelemente, wie sie beispielsweise für das in Flg.1 gezeigte Durchflussmessgerät verwendet werden können, gezeigt. Beide sind grundsätzlich als aktive Sensorelemente 4 ausgestaltet und können bei Bedarf beheizt werden. Die beiden Gehäuse 6, 6' weisen jeweils die Form einer

zylindrischen Stifthülse auf. Die Stirnseiten 10, 10' ragen im Betrieb zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium 3 in thermischem Kontakt. Bei den zum Bau der Sensorelemente 4, 4' verwendeten Materialien handelt es sich üblicherweise um solche Materialien, welche sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnen. Der Einfachheit halber sind für die beiden Sensorelemente 4,4' jeweils die der Stirnseiten

10,10' gegenüberliegenden zweiten Endseiten, welche beispielsweise in einem Gehäuse der Elektronikeinheit oder auch an einem Sensorhalter befestigt sind, nicht dargestellt. Das gleiche gilt für die Darstellung aus Fig.1. Das Sensorelement 4 in Fig. 2a schließt an seiner Stirnseite 10 mit einem Stopfen 1 1 ab, welcher üblicherweise mit dem Gehäuse 6 verschweißt ist. Dieser Stopfen sowie ein darauf folgendes Distanzstück 12 bilden in diesem Beispiel ein einteiliges, monolithisches Bauteil, welches in mechanischen und thermischen Kontakt mit der Innenseite 13 des stiftförmigen Gehäuse 6 steht. Es sind jedoch auch zweiteilige Ausführungen bekannt. Auf das

Distanzstück 12 ist ferner ein Widerstandselement 14 gelötet, derart dass ein guter thermischer Kontakt und entsprechend eine gute Wärmeleitung, gewährleistet ist. Die zweite der Lötverbindung gegenüberliegende Oberfläche 14a des Widerstandselements14 ist in diesem Beispiel frei. Eine zweite Ausgestaltung eines typischen Sensorelements ist in Fig. 2b gezeigt.

Das Distanzstück 12' bildet mit dem Gehäuse 6' in Form einer Stifthülse eine Presspassung. Üblicherweise wird es während der Fertigung mittels des Stopfens 1 1 ' von der Stirnseite 10' ausgehend in das Gehäuse 6' hineingeschoben. Der Stopfen 1 1 ' wird anschließend mit dem Gehäuse 6' verschweißt, beispielsweise über ein Laserschweißverfahren. Das Distanzstück 12' weist die Form eines Zylinders mit einer entlang der Längsachse verlaufenden Nut 15' auf, in welche ein Widerstandselement 14' gelötet ist. Die zweite der Lötverbindung gegenüberliegende Oberfläche 14a' des Widerstandselements14' ist in diesem Beispiel ebenfalls frei. Oftmals werden in einem späteren Fertigungsschritt Hohlräume noch mit einem geeigneten Füllmaterial geringer Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt (nicht eingezeichnet), derart dass unter anderem auch die den jeweiligen Lötverbindungen gegenüberliegenden Oberflächen 14a, 14a' des jeweiligen Widerstandselements 14,14' von dem jeweils verwendeten Füllmaterial bedeckt werden. Nicht gezeigt sind ferner jegliche notwendige Verbindungskabel.

Oft handelt es sich bei dem Widerstandselement 14, 14' um ein Platinelement, beispielsweise um ein PT10, PT100, oder PT1000 Element, welches auf einem keramischen Träger angeordnet ist. Für das Distanzstück 12, 12' wird wiederum häufig Kupfer verwendet, während das Gehäuse 6, 6' aus Edelstahl besteht. Optional kann das Gehäuse darüber hinaus von der äußeren Oberfläche mit einer Beschichtung versehen werden. In Fig. 3a ist exemplarisch die Temperatur als Funktion der Zeit in Reaktion einer sprunghaften Änderung der zugeführten Heizleistung für ein Sensorelement wie in Fig. 2 gezeigt, dargestellt. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich ohne Beschränkung der Allgemeinheit ausschließlich auf die Auswertung der charakteristischen Messgröße der Temperatur. Die jeweiligen Annahmen und Ergebnisse lassen sich jedoch auf einfache Weise auch auf andere charakteristische Messgrößen, wie beispielsweise dem elektrischen Widerstand übertragen.

Zum Zeitpunkt t _start =0 werde die dem zumindest einen Sensorelement zugeführte Leistung sprunghaft von einem ersten Wert P-i auf eine zweiten Wert P ₂ geändert. Typischerweise beträgt der Leistungssprung ca. Ap=50-500mW. Vorzugsweise wird während der

Durchführung des Leistungssprungs die Verlustleistung am Sensorelement konstant gehalten. Alternativ kann aber auch mit einem konstanten Strom- oder Spannungssignal gearbeitet werden. Die durch den Leistungssprung verursachte Sprungantwort der

Temperatur wird dann in geeigneten Zeitabständen gemessen. Die Abtastrate beträgt typischerweise -Ξ1 ms, damit eine ausreichende Anzahl an Messwerten für das geringe Zeitintervall, innerhalb von welchem die Sprungantwort erfolgt, gewährleistet ist.

Das für die Analyse der Sprungantwort interessante Zeitintervall 16 ist in Fig. 3 durch einen Kreis markiert. Es handelt sich dabei in etwa um ein Zeitintervall von 100ms. In dieser Zeitspanne wird die Temperaturänderung als Reaktion auf den Leistungssprung lediglich vom geometrischen Aufbau des Sensorelements 4 sowie der innerhalb des Sensorelements erfolgende Wärmeausbreitung bestimmt, also von den thermischen Widerständen und Wärmekapazitäten der jeweils verwendeten Materialien. Die Abhängigkeit des

Wärmetransports von den einzelnen Bauteilen und Materialübergangen kann beispielweise durch ein, wie z. B. das in Fig. 3b gezeigte, Ersatzschaltbild dargestellt werden. Links oben ist eine Skizze eines Sensorelements mit integriertem Widerstandselement 14,14' in Form eines auf einem keramischen Träger 17 angeordneten Platindünnschichtelements 18 dargestellt. Dieses ist in dem gezeigten Ersatzschaltbild als Heizquelle eingezeichnet. Jeder Komponente des Sensorelements ist ein elektrischer Widerstand 19a-f und ein dazu parallel geschalteter Kondensator 20a-f zugeordnet. Der Einfluss des strömenden Fluides ist ebenfalls in Form eines elektrischen Widerstands R _f | _Uid 19g berücksichtigt. Für ein

Sensorelement, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ergeben sich dann jeweils ein Widerstand und ein Kondensator für das Platinelement (R _p i _a tin. Cpiatin) 19a, 20a, für den keramischen Träger (Rceramic, C _cer amic) 19b, 20b, für die Lötverbindung (R _SO ider, C _S0 | _der ) 19c, 20c zwischen dem Widerstandselement 14,14' und dem Distanzstück 12,12', für das Distanzstück 12,12' selbst (Rco en C _cop per) 19d, 20d, für das Gehäuse 6,6' (R _s teei _> C _ste ei) 19e, 20e und gegebenenfalls für eine Beschichtung des Gehäuses 6,6'(R _CO ating, C _CO atin _g ) 19f, 20f. Weiterhin sind in dem Ersatzschaltbild die die jeweiligen Komponenten umgebenden Temperaturen vermerkt, nämlich die Temperatur des Sensorelements T _sen sor, die Temperatur der Umgebung T _amb ient und die Temperatur an der Oberfläche des Sensorelements T _surface .

Durch eine Wahl der Messdauer, welche kleiner ist, als die für den Wärmetransport von der Heizeinheit zur Oberfläche des Sensorelements benötigten Zeit kann gewährleistet werden, dass die jeweils aufgezeichneten Messwerte, beispielsweise für die Temperatur, unabhängig von äußeren Einflüssen, insbesondere unabhängig von Änderungen des Massedurchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit sind. Dies ermöglicht es vorteilhaft, dass die

Diagnosefunktion im fortlaufenden Betrieb des Durchflussmessgeräts durchgeführt werden kann. Idealerweise kann die Diagnosefunktion sogar parallel zur Bestimmung des

Massedurchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit durchgeführt werden.

Zur Stellung einer Diagnose über die Funktionsfähigkeit des zumindest einen

Sensorelements wird idealerweise die erste Ableitung, bzw. der Gradient der Temperatur betrachtet. Im vorliegenden Beispiel wird also die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur analysiert. Diese ändert sich mit einer auftretenden Sensordrift. Wird die Sensordrift lediglich durch eine Änderung des inneren thermischen Widerstands hervorgerufen, so ändert sich die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur mit Änderungen der inneren thermischen Widerstände und/oder Kapazitäten gemäß des Ersatzschaltbildes aus Fig. 3b. Im Falle, dass sich beispielsweise das Widerstandselement 14,14' des zumindest einen Sensorelements 4,4' löst, vergrößert sich durch Bildung einer dünnen Luftschicht der thermische Widerstand Rsoider zwischen dem Distanzstück 12,12' und dem Widerstandselement 14, 14'. Da es sich bei Luft um einen guten elektrischen Isolator mit einer kleinen thermischen

Wärmeleitfähigkeit handelt vergrößert sich durch die Bildung der Luftschicht die

Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur. Der Grund hierfür besteht darin, dass die vom

Widerstandselement 14,14' ausgehende Wärme nicht mehr so schnell an das Distanzstück 12,12' weitergegeben werden kann. Entsprechend steigt die Anstiegsgeschwindigkeit der am Sensorelement 4,4' gemessenen Temperatur. Ähnliche Betrachtungen können für jeden der im Ersatzschaltbild gezeigten Widerstände 19a-g sowie für die Kondensatoren 20a-f durchgeführt werden.

Neben der Temperatur eignet sich als Messgröße darüber hinaus insbesondere der auf die zugeführte Heizleistung normierte Temperaturgradient.

Auf einer innerhalb der Elektronikeinheit 9 integrierten Speichereinheit 9a sind dann vorteilhaft Referenzkurven, oder Referenzwerte zu charakteristischen vorgebbaren diskreten Zeitpunkten hinterlegt, mittels welcher die jeweiligen Messwerte verglichen werden können. Wird eine vorgebbare Abweichung zwischen der jeweiligen Referenz und einer Messung festgestellt, wird eine Meldung und/oder Warnung für den Kunden generiert und

ausgegeben. Dabei können die zulässigen Abweichungen jeweils spezifisch für eine Anwendung oder für die jeweiligen Anforderungen an das Durchflussmessgerät angepasst werden. Dadurch kann der Kunde je nach den von ihm vorgegebenen

Genauigkeitsanforderungen zwischen verschiedenen Grenzwerten für die maximal zulässige Abweichung zwischen einem Messwert und dem zugehörigen Referenzwert wählen.

In Fig. 4 sind schließlich beispielhaft verschiedene Kurven für den Temperaturgradienten als Funktion der Zeit in einem Zeitintervall von 100ms nach einem Leistungssprung gezeigt. Die einzelnen Kurven entsprechen unterschiedlichen baugleichen Sensorelementen, für welche die Qualität der Lötverbindung zwischen dem Distanzstück 12,12' und dem

Widerstandselement 14,14' variiert.

Zusätzlich zum Temperaturgradienten kann beispielsweise die Zeitkonstante τ sowie der Endwert t _end der Sprungantwort der Temperatur als Reaktion auf einen Leistungssprung ermittelt werden. Mittels dieser zusätzlichen Größen lassen sich in Kombination mit dem jeweils zeitgleich ermittelten Massedurchfluss und/oder der Durchflussgeschwindigkeit oder bei bekannten äußeren Prozessbedingungen, wie beispielsweise während einer sogenannten Nullpunktsmessung, mittels Plausibilitätschecks bezüglich eines Soll- und Istwerts der Zeitkonstante τ oder des Temperaturanstiegs AT=t _end - t _start zusätzliche

Diagnosen stellen. Beispielsweise könnte eine Aussage über Verschmutzungen,

Belagsbildung und/oder Abtragungen an dem zumindest einen Sensorelement getroffen werden, welche auf einer Änderung des äußeren thermischen Widerstands beruhen. Hierfür müssen jedoch ebenfalls sensorspezifische Kennwerte der Zeitkonstante τ oder des Temperaturanstiegs AT=t _end - t _start der Sprungantwort in Abhängigkeit vom Massedurchfluss, der Durchflussgeschwindigkeit oder einer mit dem Massedurchfluss und/oder der

Durchflussgeschwindigkeit in einer mathematischen Beziehung stehende Größen in der Elektronikeinheit hinterlegt sein. In seiner Gesamtheit bietet ein erfindungsgemäßes Durchflussmessgerat und/oder die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens folgende Vorteile:

1 ) Eine aufgrund einer Änderung des inneren thermischen Widerstands hervorgerufene Sensordrift kann unabhängig von äußeren Einflüssen, wie beispielsweise einer zeitlich nicht konstanten Strömung des Mediums, oder Belägen, Verschmutzungen oder Abtragungen am Sensorelement, detektiert werden.

2) Die Diagnosefunktion kann im laufenden Betrieb, also unter Prozessbedingungen durchgeführt werden.

3) Keine zusätzlichen Installationen sind notwendig.

4) Die Unterbrechung des Messbetriebs zur Durchführung einer Diagnose beträgt maximal ^« 1 ms.

5) Durch Auswertung mehrerer mit der Sprungantwort zusammenhängender

Kenngrößen lässt sich ggf. neben einer Änderung des inneren thermischen

Widerstands auch auf eine Änderung des äußeren thermischen Widerstands schließen.

6) Die Messwertauswertung während der Ausführung der Diagnosefunktion ist einfach zu realisieren.

Bezugszeichenliste

1 Thermisches Durchflussmessgerät

2 Rohrleitung, bzw. Messrohr

3 Medium

4 aktives Sensorelement

5 beheizbarer Temperatursensor

6,6a Gehäuse

7 passives Sensorelement

8 Temperatursensor

9 Elektronikeinheit

9a Speichereinheit der Elektronikeinheit

10 Stirnseite eines Sensorelements

1 1 Stopfen

12 Distanzstück

13 Innenseite des stiftförmigen Gehäuse

14 Widerstandselement

15 Nut des Distanzstücks

16 für die Sprungantwort interessantes Zeitintervall

17 keramischer Träger eines Widerstandselements

18 Platinelement eines Widerstandselements

19,19a-g elektrische Widerstände für ein Ersatzschaltbild des Wärmetransports durch ein Sensorelement

20,20a-f Kondensatoren für ein Ersatzschaltbild des Wärmetransports durch ein

Sensorelement