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

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

Die Schrift DE1020151 18123A1 zeigt einen Sensor eines thermischen Durchflussmessgeräts, welches in ein Messrohr des Durchflussmessgeräts getaucht wird und mehrere Sonden aufweisen, die entweder zum Beheizen des Mediums und zur Messung der eigenen Temperatur oder zum Messen der Temperatur des Mediums eingerichtet sind. Des Weiteren ist ein Strömungswiderstand dazu eingerichtet, eine richtungsabhängige Anströmung einer beheizbaren Sonde zu bewirken, um aus der Richtungsabhängigkeit der Anströmung eine eindeutige Richtungsangabe der Strömung des Mediums im Messrohr herleiten zu können. Jedoch hat sich gezeigt, dass bei geringen bis mittleren Strömungsgeschwindigkeiten eine Strömungsrichtungsangabe mit hohen Unsicherheiten behaftet ist.

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

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

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

Sondengrundkörper definiert ist und eine erste Diagonale und eine zweite Diagonale aufweist, wobei eine erste Sonde dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Mediums zu messen, wobei eine zweite Sonde und eine dritte Sonde dazu eingerichtet sind, das Medium zu beheizen und jeweils die eigene Temperatur zu bestimmen, wobei die erste Sonde auf einer ersten Seite der ersten Diagonalen angeordnet ist, und wobei die dritte Sonde auf einer zweiten Seite der ersten Diagonalen angeordnet ist, wobei die zweite und eine vierte Sonde auf gegenüberliegenden Seiten der zweiten Diagonalen angeordnet sind, wobei eine erste Diagonale der Raute einen Drehwinkel h zu einer Normalen eines

Messrohrquerschnitts aufweist, wobei h größer als1 Grad und insbesondere größer als 2 Grad und bevorzugt größer als 3 Grad ist.

Durch diese Sondenanordnung erreicht man eine hohe Symmetrie der Anordnung bzgl.

Strömungswiderstände des Sensors hinsichtlich beider möglichen Strömungsrichtungen des Mediums im Messrohr.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass ein leichtes Drehen des Sensorgrundkörpers eine deutlich bessere Strömungsrichtungserkennung über einen weiten Geschwindigkeitsbereich aufweist. Insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten größer als 70 m/s wirkt sich eine Drehung des Sensors als vorteilhaft aus. Das Durchflussmessgerät wird dabei bevorzugt zur Durchflussmessung von Gasen eingesetzt.

Säulenförmig bedeutet in diesem Fall, dass der Sondengrundkörper aus dem Sensorgrundkörper hervorsteht und insbesondere eine Längsachsensymmetrie aufweist. Für eine Länge I entlang der Längsachse und ein Volumen V des Sondengrundkörpers gilt dabei: (I ^L 3L/) ^L (0.5) größer 2 ^L (0.5) und insbesondere größer als 2. In einer Ausgestaltung ist h kleiner als 20 Grad und insbesondere kleiner als 15 Grad und bevorzugt kleiner als 10 Grad ist. Wichtig hierbei ist, dass eine in einem Strömungsschatten befindliche Sonde, also je nach Strömungsrichtung die erste Sonde oder die dritte Sonde vollständig im

Strömungsschatten gebildet aus der zweiten Sonde und der vierten Sonde verbleibt.

In einer Ausgestaltung ist eine vierte Sonde dazu eingerichtet ist, eine Teilströmung des Mediums zwischen der ersten Sonde und der dritten Sonde zu behindern.

Der Wärmeübertrag der heizenden Sonden auf das Medium ist ausreichend gering, so dass die erste Sonde unabhängig von der Strömungsrichtung des Mediums in guter Näherung die

Temperatur des Mediums unbeeinflusst durch den Wärmeübertrag erfasst. Ein erster

Temperaturunterschied zwischen der ersten Sonde und der zweiten Sonde ist dazu geeignet, um für eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums herangezogen zu werden. Ein zweiter Temperaturunterschied zwischen der ersten Sonde und der dritten Sonde ist dazu geeignet um für eine Messung der Strömungsrichtung herangezogen zu werden. Beispielsweise kann bei gleicher Heizleistung der zweiten Sonde und der dritten Sonde im Falle eines im Vergleich zum ersten Temperaturunterschied größeren zweiten Temperaturunterschied darauf geschlossen werden, dass sich die dritte Sonde im Strömungsschatten befindet. Beispielsweise können aber auch ein zeitlicher Verlauf des ersten Temperaturunterschieds sowie des zweiten Temperaturunterschieds genutzt werden, um Durchflussmesswerten für beide Strömungsrichtungen zu erwartende Temperaturen zuzuordnen. In diesem Fall kann die Heizleistung der dritten Sonde verschieden zur Heizleistung der zweiten Sonde sein.

In einer Ausgestaltung weist der Sondenwirkkörper der vierten Sonde entlang der ersten Diagonalen eine erste Breite und entlang der zweiten Diagonalen eine zweite Breite auf, wobei die zweite Breite um einen Faktor von mindestens 1.1 und insbesondere mindestens 1.2 und bevorzugt mindestens 1.3 größer ist als die erste Breite, und wobei ein geometrischer Schwerpunkt des Sondenwirkkörpers der vierten Sonde in Richtung der zweiten Sonde versetzt ist.

Auf diese Art und Weise kann ein Wärmestrom von der dritten Sonde zur ersten Sonde zumindest teilweise unterbunden werden, was die Messung des Durchflusses verbessert.

In einer Ausgestaltung ist eine Außenfläche des Sondenwirkkörpers der vierten Sonde symmetrisch bezüglich der zweiten Diagonalen.

In einer Ausgestaltung umfassen die erste Sonde, die zweite Sonde und die dritte Sonde jeweils eine Sondenhülse, wobei das Durchflussmessgerät Widerstandthermometer aufweist, wobei in durch die Sondenhülsen umfassten Innenräumen jeweils ein Widerstandthermometer angeordnet ist, welches

Widerstandthermometer dazu eingerichtet ist, eine Temperatur zu erfassen oder Wärmeenergie abzugeben.

In einer Ausgestaltung ist die vierte Sonde massiv.

In einer Ausgestaltung ist ein zur ersten Sonde gehörender Innenwinkel der Raute kleiner als 90° und insbesondere kleiner als 75° und bevorzugt kleiner als 60°.

Dadurch ist ein verminderter Strömungswiderstand des Sensors im Messrohr sowie eine gute Anströmung der Sonden sichergestellt.

In einer Ausgestaltung weist ein Flächenschwerpunkt eines Querschnitts des Sondengrundkörpers der vierten Sonde zu einem Flächenschwerpunkt eines Querschnitts des Sondengrundkörpers der zweiten Sonde einen zweiten Abstand auf. wobei ein Minimalabstand der Außenfläche des Sondenwirkkörpers der vierten Sonde zu einer Außenfläche des Sondenwirkkörpers der zweiten Sonde kleiner ist als 30% und insbesondere kleiner als 15% und bevorzugt kleiner als 5% des zweiten Abstands.

In einer Ausgestaltung ist ein erster Außendurchmesser der ersten Sonde, der zweiten Sonde sowie der dritten Sonde in den jeweiligen Wirkbereichen mindestens 1 mm und insbesondere 1.5 mm und bevorzugt mindestens 2 mm und/oder höchsten 7 mm und insbesondere höchstens 5 mm und bevorzugt höchstens 4 mm.

In einer Ausgestaltung weist ein Flächenschwerpunkt eines Querschnitts des Sondengrundkörpers der ersten Sonde zu einem Flächenschwerpunkt eines Querschnitts des Sondengrundkörpers der dritten Sonde einen ersten Abstand auf, wobei der erste Abstand mindestens zwei erste Außendurchmesser ist.

In einer Ausgestaltung weisen Querschnitte der ersten Sonde, der zweiten Sonde und sowie der dritten Sonde zumindest in Bereichen der Sondenwirkkörper einen runden Umriss auf.

Runde Umrisse haben eine erleichterte Fertigung und strömungsrichtungsunabhängige

Strömungswiderstände zur Folge.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben.

Fig. 1 zeigt Wirkbereiche zweier beispielhafter erfindungsgemäßer Sondenanordnungen eines thermischen Durchflussmessgerät und ihre Ausrichtungen in einem Messrohr; Fig. 2 a) zeigt einen Querschnitt durch eine beispielhafte erste, zweite oder dritte Sonde und Fig. 2 b) zeigt eine Seitenansicht einer beispielhaften vierten Sonde; und Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht auf einen erfindungsgemäßen Sensor; und Fig. 4 skizziert einen Aufbau eines beispielhaften schematischen erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts.

Fig. 1 zeigt Wirkbereiche zweier erfindungsgemäßer Sondenanordnungen in einem Messrohr 11 mit einer Messrohrwand 1 1.1 mit jeweils einer ersten Sonde 12.21 , einer zweiten Sonde 12.22, einer dritten Sonde 12.23 und einer vierten Sonde 12.24. Die Wirkbereiche sind die Bereiche, in denen Sondenwirkkörper W, (siehe Figs. 2 a), 2 b) und 3)) ihre Wirkung entfalten. Die Sondenwirkkörper schließen jeweils an einen Sondengrundkörper G der entsprechenden Sonde an, welche

Sondengrundkörper an einen Sensorgrundkörper 12.1 angeschlossen sind (siehe Figs. 2 a), 2 b) und 3)). Die Wirkung der Sondenwirkkörper ist es, das Medium zu heizen, die Temperatur des Mediums zu bestimmen und/oder eine Strömung des Mediums im Messrohr zu beeinflussen.

Die Sondengrundkörper einer Sondenanordnung spannen eine Raute R auf, wobei die Raute durch Flächenschwerpunkte von Querschnitten der Sondengrundkörper definiert ist und eine erste Diagonale D1 und eine zweite Diagonale D2 aufweist. Eine erste Sonde 12.21 ist dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Mediums zu messen, wobei eine zweite Sonde 12.22 und eine dritte Sonde 12.23 dazu eingerichtet sind, das Medium zu beheizen und jeweils die eigene Temperatur zu bestimmen, wobei die erste Sonde auf einer ersten Seite der ersten Diagonalen angeordnet ist, und wobei die dritte Sonde auf einer zweiten Seite der ersten Diagonalen angeordnet ist, wobei die zweite und eine vierte Sonde 12.24 auf gegenüberliegenden Seiten der zweiten Diagonalen angeordnet sind,

Erfindungsgemäß weist die erst Diagonale D1 der Raute einen Drehwinkel h zu einer Normalen 1 1.3 eines Messrohrquerschnitts 1 1.2 auf, wobei h größer als 1 Grad und insbesondere größer als 2 Grad und bevorzugt größer als 3 Grad ist.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass ein leichtes Drehen des Sensorgrundkörpers eine deutlich bessere Strömungsrichtungserkennung über einen weiten Geschwindigkeitsbereich aufweist. Insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten größer als 70 m/s wirkt sich eine Drehung des Sensors als vorteilhaft aus.

In einer Ausgestaltung ist h kleiner als 20 Grad und insbesondere kleiner als 15 Grad und bevorzugt kleiner als 10 Grad ist. Wichtig hierbei ist, dass eine in einem Strömungsschatten befindliche Sonde, also je nach Strömungsrichtung die erste Sonde oder die dritte Sonde vollständig im

Strömungsschatten gebildet aus der zweiten Sonde und der vierten Sonde verbleibt.

Ein Innenwinkel ß, welcher der ersten Sonde zugeordnet ist, ist dabei kleiner als 90 Grad, so dass die Sondenanordnung einen kleinen Strömungswiderstand aufweist. Bei einer ersten erfindungsgemäßen Sondenanordnung weist die vierte Sonde 12.24 in ihrem Wirkbereich wie die anderen Sonden einen runden Umriss auf. Auf diese Weise kann ein Sensor mit den Sonden kosteneffizient gefertigt werden. Bei einer zweiten erfindungsgemäßen

Sondenanordnung weist die vierte Sonde 12.24 in ihrem Wirkbereich einen nichtrunden Umriss auf, wobei die Sonde parallel zur ersten Diagonalen D1 eine erste Breite B1 sowie parallel zur zweiten Diagonalen D2 eine zweite Breite B2 aufweist, wobei die zweite Breite mindestens 10% größer ist als die erste Breite. Ein geometrischer Schwerpunkt GS4 (siehe Fig. 2 b)) des Sondenwirkkörpers der vierten Sonde ist in Richtung der zweiten Sonde versetzt. Dadurch wird eine teilweise

Sperrwirkung für eine Strömung eines Mediums durch das Messrohr in den Wirkbereichen der Sonden entlang der zweiten Diagonalen D2 erzielt. Dadurch kann ein Einfluss der das Medium beheizenden dritten Sonde 12.23 auf die erste Sonde vermindert und somit eine Messgenauigkeit des Sensors erhöht werden. Ein Flächenschwerpunkt eines Querschnitts des Sondengrundkörpers der vierten Sonde weist dabei zu einem Flächenschwerpunkt eines Querschnitts des

Sondengrundkörpers der zweiten Sonde einen zweiten Abstand auf. Ein Minimalabstand der Außenfläche des Sondenwirkkörpers der vierten Sonde AWK zu einer Außenfläche des

Sondenwirkkörpers der zweiten Sonde kleiner ist als 30% und insbesondere kleiner als 15% und bevorzugt kleiner als 5% des zweiten Abstands.

Fig. 2 a) zeigt einen Längsschnitt durch eine beispielhafte erste, zweite oder dritte Sonde, wobei eine Sondenhülse SH einen Innenraum IR der Sonde definiert, in welchem Innenraum die Sonde ein Widerstandsthermometer WT aufweist. Das Widerstandsthermometer ist dabei über ein

Kontaktmittel thermisch und mechanisch mit der Sondenhülse gekoppelt. Das Kontaktmittel kann beispielsweise ein während der Herstellung der Sonde aufgeschmolzenes und nach Erstarren anschließend bearbeitetes Schmelzgut sein.

Fig. 2 b) zeigt eine zu einem Messrohrquerschnitt senkrecht Aufsicht auf eine beispielhafte vierte Sonde, welche in ihrem Wirkbereich W verbreitert ist und somit eine vergrößerte Außenfläche AWK aufweist. Ein geometrischer Schwerpunkt GS4 des Sondenwirkkörpers der vierten Sonde ist dabei zu einer Längsachse des Grundkörpers versetzt.

Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Sensors 12 eines thermischen

Durchflussmessgeräts, welcher Sensor einen Sensorgrundkörper 12.1 und Sonden 12.2 aufweist, wobei die Sonden wie in Figs. 2 a) und b) beschrieben jeweils einen Sondengrundkörper G und einen Sondenwirkkörper W umfassen.

Fig. 4 skizziert einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen thermischen

Durchflussmessgeräts 10 mit einem Messrohr 11 mit einer Messrohrwand 11.1 , einem Sensor 12 mit einem Sensorgrundkörper 12.1 und mit Sonden 12.2, und einer elektronischen Mess- /Betriebsschaltung 13 zum Betreiben des Sensors und Bereitstellen von Durchflussmesswerten. Der Sensorgrundkörper ist dabei in der Messrohrwand mediendicht angebracht. Die Wirkbereiche der Sonden sind dabei bevorzugt in einem Strömungsbereich des Mediums angeordnet, in welchem Strömungsbereich ein lokaler Massedurchfluss weniger als 10% und insbesondere weniger als 5% und bevorzugt weniger als 2% von einem über einen Strömungsquerschnitt gebildeten Mittelwert abweicht.

Bezugszeichenliste

10 thermisches Durchflussmessgerät

1 1 Messrohr 1 1 .1 Messrohrwand 1 1 .2 Messrohrquerschnitt

1 1 .3 Normale 12 Sensor 12.1 Sensorgrundkörper 12.2 Sonde 12.21 erste Sonde 12.22 zweite Sonde

12.23 dritte Sonde

12.24 vierte Sonde 13 elektronische Mess-/Betriebsschaltung G Sondengrundkörper W Sondenwirkkörper SH Sondenhülse R Raute

AWK Außenfläche Sondenwirkkörper D1 erste Diagonale D2 zweite Diagonale GS4 geometrischer Schwerpunkt des Sondenwirkkörpers der vierten Sonde

WT Widerstandsthermometer IR Innenraum ß Innenwinkel

B1 erste Breite

B2 zweite Breite h Drehwinkel