Die Erfindung betrifft einen thermischen Strömungsmesser zur Anwendung in der Prozessmesstechnik bei nicht-konstanten Mediumstemperaturen sowie ein

Verfahren zum Betreiben eines derartigen Strömungsmessers.

Strömungsmesser der vorgenannten Art, auch als kalorimetrische Strömungsmesser bezeichnet, erfassen die Strömungsgeschwindigkeit von gasförmigen oder flüssigen Medien und sind seit Langem bekannt, bspw. aus der deutschen Patenschrift DE 10 2004 055 101 . Sie arbeiten nach dem kalorimetrischen Prinzip, bei dem

Temperaturänderungen aufgrund des in Abhängigkeit von der

Strömungsgeschwindigkeit auftretenden Wärmetransports bestimmt werden. Nach dem King'schen Gesetz besteht eine Abhängigkeit zwischen der benötigten

Heizleistung und dem Temperaturunterschied zwischen Sensorelement und Medium sowie der Strömungsgeschwindigkeit. Aufgrund dieser Gesetzmäßigkeit lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit ermitteln.

An Geräte der Prozessmesstechnik werden Anforderungen gestellt, die in mehrerlei Hinsicht über diejenigen an andere Messgeräte hinausgehen. Hierzu zählen möglichst unterbrechungsfreier Einsatz über Monate und Jahre in rauer

Prozessumgebung, ferner einfacher und standardisierter Informationsaustausch mit den Zielsystemen (Regler, Prozessleitsysteme usw.) sowie einfache Inbetriebnahme und Instandhaltung (vgl. V. Gundelach, L. Litz„Moderne Prozessmesstechnik", 1999, S. 10). Die Prozessumgebung, in dem ein derartiger Strömungsmesser arbeitet, ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass er bei nicht-konstanten

Mediumstemperaturen eingesetzt wird. Es ist also notwendig, aus dem gemessenen Temperaturunterschied zwischen Sensorelement und Medium denjenigen Anteil zu separieren, der aus der geänderten Mediumstemperatur resultiert und damit nicht durch einen geänderten Wärmeabtrag infolge einer variierenden

Strömungsgeschwindigkeit.

Demgegenüber sind Messgeräte, die das Vorhandensein einer konstanten

Umgebungstemperatur voraussetzen, wie z.B. eine Hitzdrahtsonde, unter den genannten Bedingungen nicht einsetzbar. Beispielhaft wird hier auf das US-Patent 6,453,739 B1 verwiesen. Nur bei einer konstanten Umgebungstemperatur kann bei diesen Messgeräten eine geänderte Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms als alleinige Ursache für die erfasste Erwärmung oder Abkühlung des Heizelements bzw. Hitzdrahts angenommen werden.

In der Prozessmesstechnik arbeitet man bei thermischen Strömungsmessern im Allgemeinen mit einer Differenztemperaturmessung. Ein erstes Messelement erzeugt eine lokale Temperaturerhöhung und misst die eigentliche Messtemperatur, wobei sich die Messtemperatur aus der Heizleistung des Messelementes, der Temperatur des strömenden Mediums und der strömungsabhängigen Wärmetransportkapazität des strömenden Mediums ergibt. Weiter misst häufig ein zweites Messelement eine Referenztemperatur. Entsprechend ihrer Funktion wird das erste Messelement häufig auch als Heizelement und das zweite Messelement als Temperaturelement bezeichnet.

Typische Anwendungen sind Systeme mit zwei räumlich voneinander getrennten Messstellen für die Mediums- und die Heizelementtemperaturerfassung. Zu unterscheiden sind dabei weiterhin Systeme mit konstanter Heizleistung, bei denen die Messgröße die Übertemperatur ist, und Systeme mit konstanter bzw. geregelter Übertemperatur, bei denen die Messgröße die Heizleistung bzw. eine davon abgeleitete Größe ist. Die Erfindung geht im Folgenden von

übertemperaturgeregelten kalorimetrischen Strömungsmessern aus.

Bei den übertemperaturgeregelten kalorimetrischen Strömungswächtern gibt es Systeme mit zwei Messelementen - ein Messelement dient dann gleichzeitig als Heizelement und Temperaturfühler - und Systeme mit zwei Messelementen und separatem Heizelement. Die Regelung bei Systemen mit nur zwei Messelementen, wie es bspw. bei der o.g. Patentschrift DE 10 2004 055 101 der Fall ist, erfolgt analog, indem der Sollwert für die einzuregelnde Übertemperatur von der

Bestückung einer Messbrücke bzw. den entsprechenden Widerstandswerten abhängt. Die Speisespannung der Brücke wird dann so geregelt, dass das

Heizelement durch Eigenerwärmung einen Wert annimmt, so dass die

Brückenspannung gleich 0 Volt ist. Nachteilig ist hier u.a. der zu berücksichtigende Temperaturkoeffizient der Messbrücke, da der Sollwert für die Übertemperatur von der Mediumstemperatur abhängt. Systeme mit zwei Messelementen und separatem Heizelement können digital geregelt werden, so dass Nachteile der analogen Regelung vermieden werden können, jedoch erhöhen sich durch den höheren Schaltungsaufwand die

Herstell kosten. Des Weiteren ist die Messgeschwindigkeit bei diesem Systeme nicht so schnell, wie bei einem System mit zwei Messelementen, da das Wärmefeld zwischen Heizelement und dem Temperaturfühler eine gewisse Zeit für seine Ausbreitung benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Messdynamik bei gleichzeitig geringen

Herstellkosten zu verbessern.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Strömungsmesser mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen

Strömungsmessers nach Anspruch 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß dient der zweite Temperaturfühler gleichzeitig auch als

Heizelement und die beiden Temperaturfühler werden über jeweils eine Stromquelle mit einem Messstrom versorgt. Ausgehend davon ist nun der Kern der Erfindung, dass die beiden Temperaturfühler und damit auch das Heizelement mit einer Regeleinheit verbunden sind, die die Heizleistung des Heizelements so regelt, dass mittels eines Zeitglieds die Temperaturdifferenz AT=THeiz-TMedium zu einem

festgelegten Zeitpunkt AtMess einen vorgegebenen Wert einnimmt. Dazu liefert die Regeleinheit ein Rechtecksignal, vorzugsweise ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal), das dem zweiten Temperaturfühler zugeführt wird. Somit wirkt der zweite Temperaturfühler während der High-Phase des Rechtecksignals als

Heizelement und in der Low-Phase - dann versorgt über die separate Stromquelle - als Temperaturfühler.

Entscheidend ist nun, dass die Temperaturdifferenz ΔΤ periodisch nur zu dem festgelegten Zeitpunkt AtMess nach der Abschaltflanke des Rechtecksignals ermittelt wird. D.h. der erfindungsgemäße Strömungsmesser misst nur zu einem genau definierten Zeitpunkt während der Abkühlphase und zwar vergleichsweise kurz nach Beginn der Low- bzw. Abkühlphase.

Die Regeleinheit vergleicht die gemessene Temperaturdifferenz ΔΤ mit einem vorgegebenen Wert ATsoii und verkürzt die Pulsbreite des PWM-Signals im Fall ΔΤ > ATsoii, so dass der zweite Temperaturfühler bzw. das Heizelement weniger lang geheizt wird, und verlängert die Pulsbreite des PWM-Signals im Fall ΔΤ < ATsoii, so dass der zweite Temperaturfühler bzw. das Heizelement länger geheizt wird.

Die Erfindung lässt sich folglich so zusammenfassen, dass die Abkühlkurve von ΔΤ zum Zeitpunkt AtMess durch den Punkt ATsoii verlaufen soll und hierfür allein der Temperaturwert zu Beginn der Abkühlkurve entscheidend ist. Dieser Temperaturwert zu Beginn der Abkühlkurve wird von der Regeleinheit über die Dauer der Heizphase eingeregelt. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto länger muss geheizt werden, zum einen, weil bereits während der Heizphase der Wärmeabtrag

entsprechend größer ist, aber auch weil der Temperaturwert von ΔΤ zu Beginn der Abkühlphase höher sein muss, um die entsprechend steiler fallende Abkühlkurve wieder zum Zeitpunkt AtMess durch den Punkt ATsoii verlaufen zu lassen. Für den umgekehrten Fall, also für geringere Strömungsgeschwindigkeiten, gilt genau das Gegenteil. Schließlich ist dann der Tastgrad des Rechteck- bzw. PWM-Signals ein Maß für die vorhandene Strömungsgeschwindigkeit.

Dadurch, dass nur zu einem genau definierten Zeitpunkt kurz nach Beginn der Abkühlphase gemessen wird, also nicht die gesamte Abkühlphase abgewartet werden muss, ist die Messdynamik des Strömungsmessers sehr hoch, so dass der erfindungsgemäße Strömungsmesser auch in Umgebungen mit stark und schnell schwankenden Strömungsgeschwindigkeiten einsetzbar ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter

Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen schematisch:

Figur 1 einen prinzipiellen Schaltungsaufbau eines erfindungsgemäßen

Strömungsmessers,

Figur 2a ein Diagramm, das ein Rechtecksignal und den parallele Verlauf der gemessenen Temperatur AT in einem ersten Szenario darstellt,

Figur 2b ein Diagramm, das ein Rechtecksignal und den parallelen Verlauf der gemessenen Temperatur AT in einem zweiten Szenario (geringere Strömung als in Fig. 2a) darstellt, und Figur 2c ein Diagramm, das ein Rechtecksignal und den parallelen Verlauf der gemessenen Temperatur ΔΤ in einem dritten Szenario (größere Strömung als in Fig. 2a darstellt.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.

Figur 1 zeigt den prinzipiellen Schaltungsaufbau des erfindungsgemäßen

Strömungsmessers, wobei der Fokus auf die Darstellung der Erfindung gelegt ist und auf die Darstellung von für den Fachmann selbstverständlichen Maßnahmen, wie bspw. die Versorgung der Regeleinheit 10, verzichtet wurde.

Rechts unten ist das Messrohr 1 dargestellt, durch das das zu messende Medium strömt. Die Strömung ist durch den Pfeil angedeutet. In dem Messrohr 1 und damit mit dem Medium in thermischen Kontakt stehend sind die beiden Temperaturfühler RSM und RH angeordnet. Der erste Temperaturfühler RSM erfasst die Temperatur des Mediums in einem nicht erwärmten, d.h. vom Heizelement unbeeinflussten Bereich des Mediums als Referenztemperatur TMedium und der Temperaturfühler RH erfasst die Temperatur ΤΗΘΙΖ des Heizelements. Beide Temperaturfühler RSM, RH sind vorteilhafterweise als Pt-Element ausgeführt, bevorzugt als Pt100.

Das System wird gepulst betrieben, d.h. die Heizleistung wird von der Regeleinheit 10 über ein Rechtecksignal, in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise als PWM- Signal ausgeführt, an seinem Ausgang 10a zur Verfügung gestellt. Die Regeleinheit 10 ist dabei vorliegend bevorzugt als MikroController ausgeführt.

Der Temperaturfühler RH wird dabei sowohl für das Messen der Temperatur als auch zur Erwärmung des Mediums verwendet, was durch den Schalter 12 zum Ausdruck kommen soll. Durch das Rechtecksignal, das dem zweiten Temperaturfühler RH zugeführt wird, wirkt der Temperaturfühler RH während der High-Phase als

Heizelement und in der Low-Phase als Temperaturfühler. Der für die

Temperaturerfassung nötige Messstrom wird während dieser Zeit durch die

Stromquelle 13b zur Verfügung gestellt. Die Stromquelle 13a ist parallel dazu für die Versorgung des Temperaturfühler RSM vorgesehen.

Die über den Pt-Elementen RSM und RH abfallenden Spannungen werden einem Differenzverstärker 14 zugeführt, dessen Ausgangssignal ΔΤ wieder dem Mikrocontroller 10 am Eingang 10b zugeführt wird. Folglich wird ΔΤ direkt aus der Messung der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Temperaturfühlern RSM und RH bestimmt. Dies erfordert zwei gleichartige Stromquellen 13a und 13b, welche dafür sorgen, dass RSM und RH von niedrigen Messströmen gleicher Höhe

durchflössen werden. Die Bestimmung der Temperaturdifferenz ΔΤ ist somit nur während der Zeit möglich, in der das Heizelement RH nicht mit einem hohen

Heizstrom beaufschlagt wird, was durch die Messung der Temperaturdifferenz ΔΤ zu dem festgelegten Zeitpunkt AtMess nach der Abschaltflanke des PWM-Signals, also in der Low-Phase, gelöst wurde. Die Umschaltung zwischen Heiz- und Messbetrieb wird durch den Schalter 12 realisiert.

Die Zuordnung des jeweiligen Tastgrads des PWM-Signals zur entsprechenden Strömungsgeschwindigkeit erfolgt über ein Kennlinienfeld, welches im Mikrocontroller 10 hinterlegt ist. Die Temperaturabhängigkeit der Wärmetransporteigenschaften (Stoffparameter) des Mediums kann ebenfalls über dieses Kennlinienfeld abgebildet und somit kompensiert werden. Hierzu wird der Spannungsabfall über dem ersten Temperaturfühler RSM durch den Verstärker 15 verstärkt und dann dem

Mikrocontroller 10 am Eingang 10c zugeführt, wo er zur Ermittlung der

Mediumstemperatur herangezogen wird.

In Figur 2a ist das PWM-Signal (dicker Strich) des MikroControllers 10 und der dazu parallele Verlauf der gemessenen Temperaturdifferenz ΔΤ (dünner Strich) bei einer durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit zu sehen. Die nachfolgenden Figuren 2b und 2c stellen jeweils Situationen dar, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit langsamer - Figur 2b - bzw. höher - Figur 2c - ist. Die drei PWM-Signale

unterscheiden sich nur hinsichtlich ihrer Pulsbreite bzw. Tastgrade, d.h. das

Verhältnis zwischen High- und Low-Phase. In Fig. 2a soll das Verhältnis zwischen High- und Low-Phase näherungsweise 1 :1 sein, während in Fig. 2b im Vergleich zu Fig. 2a eine deutlich kürzere Pulsbreite bei entsprechend längerer Low-Phase und in Fig. 2c eine deutliche längerer Pulsbreite bei entsprechend kürzerer Low-Phase dargestellt ist.

Die Messung der Temperaturdifferenz ΔΤ findet immer zu einem bestimmten und vorgegebenen Zeitpunkt AtMess nach der Abschaltflanke des PWM-Signals, d.h. ab Beginn der Low-Phase, statt. Dabei ist das System bestrebt, zu diesem Zeitpunkt AtMess eine vorgegebene Übertemperatur ATsoii zu messen. Diese könnte bspw. bei 2 K liegen. Bei trägen Temperaturfühlern kann die Periodendauer mehrere Sekunden und Atmess einige Millisekunden betragen. Bei sehr schnellen Temperaturfühlern kann die Periodendauer auf wenige Millisekunden reduziert und auch Atmess entsprechend verkürzt werden.

Wenn sich ausgehend vom Szenario in Fig. 2a die Strömungsgeschwindigkeit verringert, würde das zunächst dazu führen, dass das Heizelement RH wegen des geringeren Wärmeabtrags zu stark geheizt wird, so dass nach der Abschaltflanke die Ausgangstemperatur für die Abkühlungsphase zu hoch ist, um zum Zeitpunkt AtMess die erwartete Übertemperatur ATsoii von bspw. 2 K zu erreichen. Denn zum Zeitpunkt AtMess wird die erwartete Übertemperatur ATsoii zunächst überschritten. Der

Mikrocontroller 10 erkennt diese Differenz und regelt die Heizspannung UH

entsprechend nach, indem die Pulsbreite und damit die Heizdauer reduziert wird. Das nun kürzer bestromte Heizelement erwärmt das Medium in Folge dessen geringer, so dass die Ausgangstemperatur für die Abkühlungsphase nun geringer ist. Diese Schritte wiederholt der Mikrocontroller 10 so lange, bis die von ihm eingestellte Pulsbreite, sprich Heizdauer, dazu führt, dass zum Zeitpunkt AtMess wieder die erwartete Übertemperatur ATsoii von bspw. 2 K gemessen wird. Diesen Zustand verdeutlicht Fig. 2b.

Wenn sich ausgehend vom Szenario in Fig. 2a die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, würde das zunächst dazu führen, dass das Heizelement RH wegen des stärkeren Wärmeabtrags zu wenig geheizt wird, so dass nach der Abschaltflanke die Ausgangstemperatur für die Abkühlungsphase zu niedrig ist, um zum Zeitpunkt AtMess die erwartete Übertemperatur ATsoii von bspw. 2 K zu erreichen. Denn zum Zeitpunkt AtMess wird die erwartete Übertemperatur ATsoii zunächst unterschritten. Der

Mikrocontroller 10 erkennt diese Differenz und regelt die Heizspannung UH

entsprechend nach, indem die Pulsbreite und damit die Heizdauer verlängert wird. Das nun länger bestromte Heizelement erwärmt das Medium in Folge dessen höher, so dass die Ausgangstemperatur für die Abkühlungsphase nun höher ist. Diese Schritte wiederholt der Mikrocontroller 10 so lange, bis die von ihm eingestellte Pulsbreite, sprich Heizdauer, dazu führt, dass zum Zeitpunkt AtMess wieder die erwartete Übertemperatur ATsoii gemessen wird. Diesen Zustand verdeutlicht Fig. 2c. Die Dauer der Heizphase, d.h. der Tastgrad des PWM-Signals, und damit die verbrauchte Heizleistung ist letztlich ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.

Der Vorteil dieses Strömungsmessers ist unter anderem, dass er universell für verschiedene Medien einsetzbar ist, da für eine Anpassung nur ein Softwareabgleich des MikroControllers 10 notwendig ist. Des Weiteren ergibt sich eine geringere Verlustleistung der Schaltung durch den PWM-Betrieb. Insgesamt kann durch die Erfindung eine höhere Messdynamik erreicht werden, d.h. eine höhere

Messgeschwindigkeit und eine verbesserte Linearisierung der Kennlinien.

Bezugszeichenliste

I Messrohr

10 MikroController

10a-c Eingang und Ausgänge des Mikrocontrollers

I I Verstärker

12 Schalter

13a Stromquelle

13b Stromquelle

14 Differenzverstärker

15 Verstärker