本發(fā)明涉及熱式流量測(cè)量裝置，尤其用于確定和/或監(jiān)測(cè)通過(guò)管線(xiàn)的可流動(dòng)介質(zhì)的質(zhì)量流量和/或流速的熱式流量測(cè)量裝置，其包括至少三個(gè)傳感器元件和電子單元，本發(fā)明還涉及用于操作這樣的流量測(cè)量裝置的方法。另外，能夠提供有關(guān)至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的信息。因此，流量測(cè)量裝置包括診斷功能。

背景技術(shù)：

熱式流量測(cè)量裝置廣泛應(yīng)用于過(guò)程測(cè)量技術(shù)。本申請(qǐng)人制造并銷(xiāo)售相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，例如，其商標(biāo)為t-switch、t-trend或t-mass。由諸多公開(kāi)文獻(xiàn)中已知多種基礎(chǔ)測(cè)量原理。

典型地，本發(fā)明領(lǐng)域的流量測(cè)量裝置包括至少兩個(gè)傳感器元件，其中每個(gè)具有盡量同樣實(shí)施的溫度傳感器。傳感器元件中的至少一個(gè)以可加熱的方式來(lái)實(shí)施。就此而言，傳感器元件能夠包含輔助電阻加熱器。然而，替選地，溫度傳感器也能夠被實(shí)施為電阻元件，例如，以rtd電阻元件(電阻式溫度檢測(cè)器)的形式，尤其以鉑元件的形式，諸如名稱(chēng)為pt10、pt100和pt1000的商業(yè)地可獲得的。然后，電阻元件(也稱(chēng)作電阻溫度計(jì))通過(guò)向其供給的電功率的轉(zhuǎn)換、例如隨電流供應(yīng)的增大而被加熱。

通常，溫度傳感器被布置于柱狀殼體內(nèi)，尤其是金屬的殼體，尤其是不銹鋼或哈氏合金(hastelloy)。該殼體充當(dāng)保護(hù)溫度傳感器例如免受腐蝕性介質(zhì)的外殼。在相應(yīng)至少一個(gè)可加熱溫度傳感器的情況下，另外還須確保在可加熱傳感器與殼體之間提供最佳的熱接觸。

為了記錄質(zhì)量流量和/或流速，將至少兩個(gè)傳感器元件裝入可流動(dòng)介質(zhì)至少不時(shí)地且至少部分地流過(guò)的管線(xiàn)內(nèi)。傳感器元件與介質(zhì)熱接觸。對(duì)此，它們能夠被直接集成于管線(xiàn)內(nèi)或者可安裝在現(xiàn)有管線(xiàn)中的測(cè)量管內(nèi)。這兩種選擇都是本發(fā)明的主題，而在下文中僅對(duì)管線(xiàn)加以討論。

在操作中，至少兩個(gè)溫度傳感器中的至少一個(gè)被加熱(有源溫度傳感器)，而第二個(gè)溫度傳感器保持未被加熱(無(wú)源溫度傳感器)。無(wú)源溫度傳感器被應(yīng)用于記錄可流動(dòng)介質(zhì)的溫度。在這種情況下，術(shù)語(yǔ)“介質(zhì)的溫度”意指介質(zhì)在沒(méi)有加熱單元的額外熱量輸入的情況下具有的溫度。有源傳感器元件通常被如此加熱，使得在兩個(gè)溫度傳感器之間建立固定溫差，其中，加熱功率的變化被考慮作為質(zhì)量流量和/或流速的測(cè)量。然而，替選地，饋送的加熱功率也能夠被保持恒定，以便相應(yīng)的溫度變化被考慮用于確定質(zhì)量流量和/或流速。

如果在管線(xiàn)中不存在流動(dòng)，則通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射以及在給定情況下還通過(guò)自由對(duì)流，在介質(zhì)內(nèi)去除來(lái)自有源溫度傳感器的熱量。然后，為了保持某一溫差，例如需要隨時(shí)間恒定的熱量。反之，如果存在流動(dòng)，則存在來(lái)自流過(guò)的較冷的介質(zhì)的流動(dòng)的有源溫度傳感器的額外冷卻。由于強(qiáng)制對(duì)流，產(chǎn)生額外的熱量傳輸。相應(yīng)地，作為流動(dòng)的結(jié)果，需供給更大的加熱功率才能保持固定溫差，否則有源溫度傳感器與無(wú)源溫度傳感器之間的溫差就會(huì)減小。

供應(yīng)給有源溫度傳感器的加熱功率或溫差與通過(guò)管線(xiàn)的介質(zhì)之間的質(zhì)量流量和/或流速的這種函數(shù)關(guān)系能夠借助所謂的傳熱系數(shù)來(lái)表達(dá)。于是，傳熱系數(shù)與通過(guò)管線(xiàn)的介質(zhì)的質(zhì)量流量的相關(guān)性被用于確定該質(zhì)量流量和/或流速。隨此，介質(zhì)的熱物理性質(zhì)以及管線(xiàn)中占主導(dǎo)的壓力對(duì)所測(cè)的流動(dòng)產(chǎn)生影響。此外，為了慮及流動(dòng)與這些變量的相關(guān)性，在流量測(cè)量裝置的電子單元內(nèi)提供呈特性曲線(xiàn)形式或作為功能限定方程的組成部分的熱物理性質(zhì)。

無(wú)法借助熱式流量測(cè)量裝置來(lái)直接區(qū)分向前和向后的流動(dòng)。在這種情況下，術(shù)語(yǔ)“流向”在本文中意指宏觀流向，從而不考慮局部發(fā)生的渦流或方向偏移。如果不知道流向，則尤其在流動(dòng)并不隨時(shí)間恒定或流動(dòng)極低的情況下，在確定質(zhì)量流量和/或流速的過(guò)程中可能不利地出現(xiàn)顯著的測(cè)量誤差。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)和公開(kāi)了各種熱式流量測(cè)量裝置，它們除確定質(zhì)量流量和/或流速之外還具有流向檢測(cè)的補(bǔ)充功能。為了確認(rèn)流向，通常利用這樣的事實(shí)，即直接圍繞特定的傳感器元件的不同的局部流動(dòng)，在相應(yīng)地同等供給加熱功率的情況下引起相應(yīng)傳感器元件的不同冷卻速率。不同的局部流動(dòng)能夠例如通過(guò)將阻流體集成在至少兩個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的緊鄰處的管線(xiàn)內(nèi)、通過(guò)至少兩個(gè)傳感器元件關(guān)于流動(dòng)剖面的非等效布置或者還通過(guò)至少兩個(gè)傳感器元件的不同幾何實(shí)施方式而加以實(shí)現(xiàn)。

例如，在de102010040285a1的流量測(cè)量裝置的情況下，在第一可加熱溫度傳感器與第二可加熱溫度傳感器之間的連接線(xiàn)上的測(cè)量管內(nèi)布置板片。然后，基于對(duì)由至少兩個(gè)可加熱溫度傳感器的相應(yīng)加熱功率和溫度得出的所謂的判定系數(shù)的比較，確認(rèn)介質(zhì)的流向。為了確定流向，在專(zhuān)利公開(kāi)文獻(xiàn)de102009045956a1和de102009045958a1中同樣考慮到這些判定系數(shù)。在這種情況下，de102009045956a1的流量測(cè)量裝置包括導(dǎo)流體，其與可加熱溫度傳感器共同布置于基本上平行于管線(xiàn)軸線(xiàn)的線(xiàn)上，并且與其間隔地布置有進(jìn)一步的溫度傳感器。相比之下，在de102009045958a1的流量測(cè)量裝置的情況下，至少兩個(gè)可加熱溫度傳感器被布置于兩個(gè)套筒區(qū)段中，并且至少兩個(gè)套筒區(qū)段參照測(cè)量管的軸線(xiàn)指向至少兩個(gè)方向。

在de102007023840b4中描述了帶有流向檢測(cè)的熱式流量測(cè)量裝置，其包括至少三個(gè)傳感器元件，其中兩個(gè)傳感器元件沿流向相繼布置并且這兩個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)被加熱，至少不時(shí)地根據(jù)流向，被加熱的傳感器被布置在未被加熱的傳感器元件之前，并且不時(shí)地，未被加熱的傳感器被布置在被加熱的傳感器元件之前。另外，第三傳感器元件可周期性地暫時(shí)被加熱并且被布置在跨前兩個(gè)傳感器元件的流動(dòng)之外。相應(yīng)獲取的測(cè)量值的偏差則是關(guān)于介質(zhì)流向的測(cè)量。

舉例而言，可在給定情況下考慮的測(cè)量值訛誤的其他因素在于，所用的傳感器元件中的至少一個(gè)的熱阻變化，在除此之外的恒流條件下，這也會(huì)導(dǎo)致從加熱單元到介質(zhì)的熱傳遞發(fā)生改變。這樣的熱阻變化也稱(chēng)作傳感器漂移。在給定的情況下，當(dāng)有效熱阻的變化保持低于某一可預(yù)定極限值時(shí)，并且在檢測(cè)到該變化的情況下，能夠通過(guò)適當(dāng)?shù)膶?duì)策而至少部分地消除傳感器漂移以及對(duì)確定質(zhì)量流量和/或流速的負(fù)面影響。否則，需在給定情況下至少部分地置換流量測(cè)量裝置。

基本上，關(guān)于熱阻，內(nèi)熱阻與外熱阻之間有所不同。內(nèi)熱阻尤其取決于傳感器元件內(nèi)(例如，套筒內(nèi))的各個(gè)組件。因此，傳感器漂移可能起因于焊接過(guò)程中由于材料膨脹的拉伸載荷等所致的缺陷。相比之下，外熱阻受接觸介質(zhì)的相應(yīng)傳感器元件的表面上的堆積物、材料去除或物質(zhì)變換(例如，腐蝕)的影響。因此，外熱阻的變化在長(zhǎng)期操作和/或觸及腐蝕性介質(zhì)的情況下尤其相關(guān)。在氣態(tài)或汽狀介質(zhì)的情況下，測(cè)量質(zhì)量流量或流速還可能通過(guò)溫度傳感器中的至少一個(gè)上的冷凝物形成而劣化。

由現(xiàn)有技術(shù)可知能夠用于啟動(dòng)有關(guān)傳感器元件中的至少一個(gè)的診斷的數(shù)種流量測(cè)量裝置。由此提供有關(guān)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的信息。

de102005057687a1描述了一種具有至少兩個(gè)可加熱溫度傳感器的熱式流量測(cè)量裝置，其中，替選地，第一溫度傳感器和第二溫度傳感器可操作成未被加熱的無(wú)源溫度傳感器，其在第一測(cè)量間隔期間提供有關(guān)介質(zhì)的當(dāng)前溫度的信息，并且第一溫度傳感器和第二溫度傳感器可操作成被加熱的有源溫度傳感器，其在第二測(cè)量間隔期間提供有關(guān)通過(guò)管線(xiàn)的介質(zhì)的質(zhì)量流量的信息。一旦在第一測(cè)量間隔和第二測(cè)量間隔期間提供的兩個(gè)溫度傳感器的相應(yīng)測(cè)量值互相偏差，控制/評(píng)估單元便發(fā)出報(bào)告和/或進(jìn)行校正。通過(guò)這種方式，能夠識(shí)別堆積物和冷凝物形成。

類(lèi)似地，在de102007023823a1中公開(kāi)了具有兩個(gè)可分階段交替加熱的傳感器元件的熱式流量測(cè)量裝置以及用于其操作的方法。在這種情況下，質(zhì)量流量交替地基于相應(yīng)的被加熱的傳感器元件來(lái)確認(rèn)，其中，為了確認(rèn)介質(zhì)的溫度參考相應(yīng)的未被加熱的傳感器元件。通過(guò)比較利用兩個(gè)傳感器元件所得的測(cè)量值，補(bǔ)充地，還能夠檢測(cè)到兩個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的積垢。

最后，在us8,590,360b2中描述了以第一加熱功率來(lái)加熱或冷卻的第一可加熱傳感器元件并同時(shí)描述了以第二加熱功率來(lái)加熱或冷卻的第二可加熱傳感器元件。典型地，兩個(gè)加熱功率被如此選擇，使得兩個(gè)傳感器元件的溫度相異。通過(guò)比較介質(zhì)的溫度和/或至少兩個(gè)表征傳熱系數(shù)的自變量，就能夠作出有關(guān)流量測(cè)量裝置的診斷。

然而，這些適于診斷堆積物和/或冷凝物形成或者適于提供有關(guān)至少一個(gè)傳感器元件的狀態(tài)的信息的流量測(cè)量裝置中的絕大多數(shù)都無(wú)法同時(shí)確認(rèn)流動(dòng)和診斷或者同時(shí)確認(rèn)流動(dòng)和流向，或者兩者。就相應(yīng)應(yīng)用的測(cè)量原理而言，各個(gè)傳感器元件被不時(shí)地加熱，并且不時(shí)地用于記錄介質(zhì)的溫度。對(duì)應(yīng)地，每次傳感器元件中的一個(gè)的溫度變化時(shí)，需要等待下一次測(cè)量值記錄，直至新溫度在各自情況下變得穩(wěn)定。因此，例如無(wú)法連續(xù)地確定質(zhì)量流量和/或流速。對(duì)應(yīng)地，這些方法假設(shè)介質(zhì)通過(guò)管線(xiàn)的流量至少在至少一個(gè)傳感器元件達(dá)到穩(wěn)定的新溫度所需的時(shí)間期間幾乎恒定。然而，實(shí)踐中，流量通常至少略微地隨時(shí)間變化，這就會(huì)導(dǎo)致訛誤的測(cè)量結(jié)果。這在高流量的情況下尤其存在問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

從上述現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的目的是一種熱式流量測(cè)量裝置以及一種用于操作相應(yīng)的流量測(cè)量裝置的方法，借此能夠盡量精確地確定質(zhì)量流量和/或流速。

關(guān)于設(shè)備，達(dá)成上述目的是通過(guò)一種用于確定和/或監(jiān)測(cè)通過(guò)管線(xiàn)的可流動(dòng)介質(zhì)的質(zhì)量流量和/或流速的熱式流量測(cè)量裝置，其包括：

至少三個(gè)傳感器元件和電子單元，

其中，所述至少三個(gè)傳感器元件中的每個(gè)：

-至少部分地和/或不時(shí)地與所述介質(zhì)熱接觸，并且

-包括可加熱溫度傳感器，

其中，所述電子單元被實(shí)施成：

-以加熱功率加熱所述至少三個(gè)傳感器元件中的每個(gè)，

-記錄其溫度，

-同時(shí)加熱所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少兩個(gè)，

-連續(xù)地確認(rèn)所述介質(zhì)的質(zhì)量流量和/或流速，并且同時(shí)

-提供有關(guān)所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的信息，并且就所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)發(fā)生故障和/或沉積的情況下，執(zhí)行對(duì)質(zhì)量流量和/或流速的測(cè)量值的校正，和/或生成并輸出有關(guān)所述至少一個(gè)傳感器元件的狀態(tài)的報(bào)告。

在這種情況下，供給的加熱功率可能是恒定的，由此對(duì)應(yīng)于固定值，或者能以這種方式調(diào)節(jié)，使得在正進(jìn)行的操作中，供給的加熱功率能夠被改變和/或被控制。

因此，所述電子單元必須能夠相互獨(dú)立地加熱三個(gè)傳感器元件中的每個(gè)并且能夠同時(shí)加熱至少兩個(gè)傳感器元件。另外，所述傳感器元件中的至少一個(gè)保持未被加熱并且用于記錄介質(zhì)的溫度。在為了確定質(zhì)量流量和/或流速而在至少一個(gè)被加熱的傳感器元件與顯示介質(zhì)的溫度的傳感器元件之間設(shè)定恒定溫差的情況下，所述電子單元應(yīng)當(dāng)具有至少兩個(gè)控制單元，用于控制供給到被加熱的傳感器元件中的每個(gè)的加熱功率。因此，例如，所述至少兩個(gè)被加熱的傳感器元件中的一個(gè)能夠被應(yīng)用于確認(rèn)質(zhì)量流量和/或流速，并且另一個(gè)被應(yīng)用于診斷。有利地，對(duì)于所述被加熱的傳感器元件中的每個(gè)，存在單獨(dú)的控制單元，以便在正進(jìn)行的操作中，可選擇被加熱的傳感器元件與未被加熱的傳感器元件的任意組合。然而，如果由在供給恒定加熱功率的情況下在被加熱的傳感器元件與未被加熱的傳感器元件之間造成的溫差確定質(zhì)量流量和/或流速，則所述三個(gè)傳感器元件中的每個(gè)應(yīng)分別能夠被饋送可確定而恒定的加熱功率。然后，能夠比較在各自情況下被加熱的傳感器元件中的一個(gè)與記錄介質(zhì)的溫度的傳感器元件之間的溫差以及被加熱到不同溫度的兩個(gè)傳感器元件之間的溫差。

以此方式，所述至少三個(gè)傳感器元件中的每個(gè)可被分別加熱，由此，在各自情況下，所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少兩個(gè)可被同時(shí)加熱，這樣就能連續(xù)地且非常精確地確定質(zhì)量流量和/或流速。與此同時(shí)，能夠進(jìn)行診斷，由此能夠獲得有關(guān)所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的信息。關(guān)于本發(fā)明的流量測(cè)量裝置的另一優(yōu)勢(shì)在于，不僅能夠獲得有關(guān)所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)顯示傳感器漂移的信息，而且能夠獲得有關(guān)所述至少三個(gè)傳感器元件中的哪一個(gè)受影響的信息。于是，在所述傳感器元件中的一個(gè)發(fā)生傳感器漂移的情況下，卻仍能精確地確定流量。例如，如果在第一傳感器的情況下檢測(cè)到傳感器漂移，則能夠無(wú)中斷地切換到第二傳感器元件來(lái)確定質(zhì)量流量和/或流速。

在尤其優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述電子單元被實(shí)施成確定可流動(dòng)介質(zhì)的流向。因此，對(duì)應(yīng)于該實(shí)施方式的流量測(cè)量裝置除了能夠提供診斷、例如有關(guān)至少一個(gè)傳感器元件的狀態(tài)的信息的補(bǔ)充功能之外，還給予流向檢測(cè)。這又進(jìn)一步提高可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量精度。

另一實(shí)施方式包括所述電子單元被實(shí)施成無(wú)中斷地、由此連續(xù)地確認(rèn)質(zhì)量流量和/或流速，確定介質(zhì)的流向和/或提供有關(guān)所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的信息。

有利地，所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)關(guān)于幾何形狀、結(jié)構(gòu)和材料具有第一實(shí)施方式，所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少第二個(gè)具有不同于第一實(shí)施方式的第二實(shí)施方式。另外，有利地，所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少兩個(gè)被布置在所述管線(xiàn)內(nèi)的關(guān)于所述介質(zhì)的局部繞流等效的第一位置處，以及其中，所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)被布置在所述管線(xiàn)內(nèi)的關(guān)于所述介質(zhì)的局部繞流不同于第一位置的第二位置處。所述管線(xiàn)內(nèi)的各個(gè)傳感器元件的不同幾何實(shí)施方式和/或布置還意味著由介質(zhì)的流動(dòng)引起的冷卻速率對(duì)所述傳感器元件中的每個(gè)而言是不同的。這尤其有利于檢測(cè)流向，然而也有利于有關(guān)傳感器漂移的診斷。其原因在于，特性曲線(xiàn)，亦即各個(gè)傳感器元件的溫度、供給的加熱功率和熱物理性質(zhì)以及其他參數(shù)之間的功能相關(guān)性，針對(duì)向前和向后的流動(dòng)而言是不同的。

在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)相對(duì)于所述管線(xiàn)的縱軸被布置為緊鄰在阻流體或其他影響流動(dòng)的模塊之前或之后。在這種情況下，有利地，所述阻流體的橫截面為三角形、矩形、平行四邊形、梯形、圓形或橢圓形。通過(guò)該措施，圍繞特定傳感器元件的局部流動(dòng)剖面與未布置在阻流體之后的傳感器元件相比或者與布置在不同幾何形狀的阻流體之后的傳感器元件相比有針對(duì)性地改變。在這種情況下，通過(guò)集成阻流體所獲得的效果通常比由不同的幾何實(shí)施方式或布置得出的效果更佳。

在尤其優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述熱式流量測(cè)量裝置包括正好三個(gè)傳感器元件，其中，所述三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)被布置為緊鄰阻流體或另一影響流動(dòng)的模塊。在這種情況下，有利地，第一傳感器元件和第二傳感器元件被對(duì)稱(chēng)地布置在與管線(xiàn)平行的假想軸的相對(duì)側(cè)上，其中，第三傳感器元件被布置在所述假想軸上，以及其中，在通過(guò)所述第一傳感器元件和所述第二傳感器元件的假想連接線(xiàn)與所述第三傳感器元件之間布置有阻流體，其與所述第三傳感器元件的間距小于與所述假想連接線(xiàn)的間距。

另外，達(dá)成本發(fā)明的目的還通過(guò)一種用于在正常操作模式和診斷模式下操作根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的熱式流量測(cè)量裝置的方法，該熱式流量測(cè)量裝置用于確定和/或監(jiān)測(cè)通過(guò)管線(xiàn)的可流動(dòng)介質(zhì)的質(zhì)量流量和/或流速并且具有至少三個(gè)傳感器元件和電子單元，

其中，在所述正常操作模式下，以可調(diào)諧加熱功率加熱所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)，記錄其溫度，并且確定所述介質(zhì)的質(zhì)量流量和/或流速，以及

其中，在所述診斷模式下，至少執(zhí)行以下步驟：

-以第一加熱功率加熱第一傳感器元件并且記錄其溫度，

-以第二加熱功率加熱第二傳感器元件并且記錄其溫度，

-借助未被加熱的第三傳感器元件記錄所述介質(zhì)的溫度，

-由所述第一傳感器元件或第二傳感器元件的加熱功率和/或溫度和/或由從這些變量中的至少一個(gè)導(dǎo)出的至少一個(gè)變量，連續(xù)地確定所述介質(zhì)的質(zhì)量流量和/或流速，并且同時(shí)

-由所述第一傳感器元件和/或第二傳感器元件的溫度和/或加熱功率與所述第三傳感器元件的溫度的成對(duì)比較和/或由從所述溫度和/或加熱功率導(dǎo)出的至少一個(gè)變量，推導(dǎo)出有關(guān)所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的信息，和/或執(zhí)行對(duì)質(zhì)量流量和/或流速的測(cè)量值的校正，和/或生成并輸出有關(guān)所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的報(bào)告。

通過(guò)這種方式，能夠連續(xù)地且精確地確定質(zhì)量流量和/或流速。與此同時(shí)，診斷是可用的，由此能夠獲得有關(guān)所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的信息。所述診斷不僅限于所述傳感器元件中的至少一個(gè)的熱阻已經(jīng)變化的信息。更確切地，本發(fā)明的方法在給定的情況下能夠提供有關(guān)所述三個(gè)傳感器元件中的哪一個(gè)具有變化的熱阻或者哪一個(gè)的熱阻仍恒定的信息。在這種情況下，針對(duì)至少兩個(gè)同時(shí)被加熱的傳感器元件的供給的加熱功率和/或溫度能夠被調(diào)諧成相同的值或不同的值。

提出本發(fā)明的方法的優(yōu)選變型，由溫度和/或加熱功率的成對(duì)比較和/或由從溫度和/或加熱功率導(dǎo)出的至少一個(gè)變量，確認(rèn)介質(zhì)的流向。

在所述方法的另外優(yōu)選的實(shí)施方式中，無(wú)中斷地且同時(shí)確認(rèn)介質(zhì)的質(zhì)量流量、流速、流向和/或有關(guān)所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的信息。

另外，有利地，在各自情況下以可調(diào)諧加熱功率同時(shí)加熱所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少兩個(gè)之前，執(zhí)行對(duì)所測(cè)得的介質(zhì)溫度的協(xié)調(diào)，以及，在給定情況下，計(jì)算溫度校正項(xiàng)并且將其應(yīng)用于全部后續(xù)測(cè)量。在這種情況下，能夠考慮以下情形：在啟動(dòng)所述流量測(cè)量裝置時(shí)，加熱第一傳感器元件和第二傳感器元件。在向這些傳感器元件供給加熱功率之前，利用這兩個(gè)傳感器元件或甚至利用全部傳感器元件來(lái)確定介質(zhì)的溫度。如果彼此獨(dú)立測(cè)出的值互相偏差，則計(jì)算溫度校正項(xiàng)。通過(guò)這種方式，能夠抵消因無(wú)法避免的制造公差偏差的測(cè)量值和相應(yīng)校正的差異。當(dāng)在操作期間反復(fù)改變被加熱的傳感器元件以便執(zhí)行進(jìn)一步的溫度比較時(shí)，出現(xiàn)另一種情況。在這種情況下，可能關(guān)系到介質(zhì)的溫度或在相等溫度下的供給的加熱功率。

提出優(yōu)選的實(shí)施方式，執(zhí)行對(duì)所述至少三個(gè)傳感器元件的功率系數(shù)pc的比較。功率系數(shù)pc從對(duì)供給到可加熱溫度傳感器s的加熱功率p及其溫度t與借助附加的未被加熱的傳感器元件sm確認(rèn)的介質(zhì)的溫度tm的比較得出并且被定義為：

所述方法的另一優(yōu)選實(shí)施方式被設(shè)計(jì)用于具有正好三個(gè)傳感器元件并且包括以下方法步驟的熱式流量測(cè)量裝置：

在所述正常操作模式下，向所述第一傳感器元件饋送第一加熱功率，記錄其溫度，并且確定質(zhì)量流量和/或流速，

在所述診斷模式的第一時(shí)間間隔中：

-加熱所述第一傳感器元件和所述第二傳感器元件，

-基于所述第一傳感器元件，確定質(zhì)量流量和/或流速，以及

-執(zhí)行功率系數(shù)pc(s1，s3)和pc(s2，s3)的比較，

在所述診斷模式的第二時(shí)間間隔中：

-加熱所述第一傳感器元件和所述第三傳感器元件，

-基于所述第一傳感器元件，確定質(zhì)量流量和/或流速，以及

-執(zhí)行功率系數(shù)pc(s1，s2)和pc(s3，s2)的比較，并且從中確認(rèn)流動(dòng)介質(zhì)的方向，以及

在所述診斷模式的第三時(shí)間間隔中：

-加熱所述第二傳感器元件和所述第三傳感器元件，

-基于所述第二傳感器元件，確定質(zhì)量流量和/或流速，以及

-執(zhí)行功率系數(shù)pc(s2，s1)和pc(s3，s1)的比較，并且從中確認(rèn)流動(dòng)介質(zhì)的方向。

基于對(duì)三個(gè)時(shí)間間隔中的功率系數(shù)的比較，則推導(dǎo)出有關(guān)所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的信息，和執(zhí)行對(duì)質(zhì)量流量和/或流速的測(cè)量值的校正，和/或生成并輸出有關(guān)所述至少一個(gè)傳感器元件的狀態(tài)的報(bào)告。

當(dāng)然，在所述熱式流量測(cè)量裝置具有三個(gè)以上傳感器元件的情況下，所述診斷模式則具有三個(gè)以上時(shí)間間隔。

例如，基于上述的所謂判定系數(shù)dc，能夠執(zhí)行對(duì)各種傳感器元件的功率系數(shù)的比較。兩個(gè)傳感器元件s1與s2之間的判定系數(shù)dc(s2，s1)被定義為：

其中，pc1和pc2是第一和第二傳感器元件s1和s2的功率系數(shù)。

取決于針對(duì)所述至少三個(gè)傳感器元件中的哪一個(gè)是否以及何時(shí)存在熱阻的變化，在給定情況下無(wú)需經(jīng)過(guò)全部三個(gè)時(shí)間間隔。

最終，根據(jù)本發(fā)明，還能夠確認(rèn)所述至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)內(nèi)的電阻的漂移。在熱阻不出現(xiàn)變化的情況下，傳感器元件也可能漂移。這就導(dǎo)致電阻的特性曲線(xiàn)根據(jù)至少一個(gè)傳感器元件的溫度而變化，由此產(chǎn)生有誤的溫度測(cè)量。在此，通過(guò)使用功率系數(shù)的成對(duì)比較，亦即在至少一個(gè)傳感器元件的非加熱狀態(tài)下，例如，基于在確定溫度校正項(xiàng)中的階段，能夠在此檢測(cè)(即確認(rèn))至少一個(gè)傳感器元件內(nèi)的電阻的變化。當(dāng)目前測(cè)出的溫度校正項(xiàng)與在制造特定傳感器元件時(shí)確定且例如存儲(chǔ)在電子單元內(nèi)的那些溫度校正項(xiàng)存在偏差并且該偏差超過(guò)可預(yù)定極限值時(shí)，能夠由該偏差推導(dǎo)出已經(jīng)發(fā)生電阻的變化。通過(guò)這種方式，能夠區(qū)分熱阻的變化與電阻的變化。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)將基于附圖更加詳細(xì)地闡釋本發(fā)明及其優(yōu)勢(shì)，在附圖中：

圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱式流量測(cè)量裝置的示意圖；

圖2示出根據(jù)權(quán)利要求4和/或權(quán)利要求5所述的具有三個(gè)傳感器元件的熱式流量測(cè)量裝置的示意圖；

圖3示出具有三個(gè)傳感器元件的熱式流量測(cè)量裝置的示意圖，所述三個(gè)傳感器元件中的一個(gè)被布置在阻流體之后；

圖4示出根據(jù)不同流向的雷諾數(shù)的判定系數(shù)特性曲線(xiàn)的曲線(xiàn)圖；

圖5示出評(píng)估方法選擇的框圖。

具體實(shí)施方式

在附圖中，相同的特征設(shè)有相同的附圖標(biāo)記。本發(fā)明的設(shè)備以其整體具有附圖標(biāo)記1。附圖標(biāo)記上的角分符號(hào)指示不同的實(shí)施例的示例。

圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱式流量測(cè)量裝置1。兩個(gè)傳感器元件4、7以這種方式密封地集成于介質(zhì)3流經(jīng)的管線(xiàn)2中，即它們至少部分地且至少不時(shí)地與介質(zhì)3熱接觸。兩個(gè)傳感器元件4、7中的每個(gè)包括在此情況下被實(shí)施成柱狀的外殼6、6a，其中布置有相應(yīng)的溫度傳感器5、8。尤其是，兩個(gè)傳感器元件4、7中的每個(gè)的兩個(gè)溫度傳感器5、8應(yīng)當(dāng)與介質(zhì)3熱接觸。

在本示例中，作為有源傳感器元件的第一傳感器元件4被實(shí)施成使其具有可加熱溫度傳感器5。當(dāng)然，如前所述，具有外部加熱元件的傳感器元件4同樣落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。在操作中，能夠?qū)?yīng)地通過(guò)傳遞加熱功率p1而將其加熱到溫度t1。相反，第二傳感器元件7的溫度傳感器8不可加熱并且用于記錄介質(zhì)的溫度tm。

最后，熱式流量測(cè)量裝置1還包括電子單元9，其用于信號(hào)記錄、信號(hào)評(píng)估和信號(hào)饋送。已知具有兩個(gè)以上傳感器元件4、7的熱式流量測(cè)量裝置1以及相應(yīng)傳感器元件4、7的最多樣的幾何實(shí)施方式和布置。

舉例而言，圖2和圖3示出熱式流量測(cè)量裝置1的兩種可行布置或?qū)嵤┓绞降臋M穿管線(xiàn)的二維剖視圖。由箭頭表示介質(zhì)3的宏觀流向3a。圖2的熱式流量測(cè)量裝置1’包括在各自情況下包含可加熱溫度傳感器(未示出)的三個(gè)有源傳感器元件4a、4b、4c。第一傳感器元件4a和第二傳感器元件4b具有與圓形的橫截面等效的幾何實(shí)施方式并且被布置在管線(xiàn)2內(nèi)關(guān)于圍繞它們的局部流動(dòng)等效的兩個(gè)位置3b處。第三傳感器元件4c具有方形橫截面的、不同于第一幾何實(shí)施方式的第二幾何實(shí)施方式。此外，第三傳感器元件4c被布置在具有不同于第一位置的局部繞流的、管線(xiàn)2內(nèi)的第二位置3b’處。由箭頭指示局部流動(dòng)剖面。

圖3示出另一個(gè)熱式流量測(cè)量裝置1”的二維剖視圖。介質(zhì)3在與圖2的示例中相同的方向3a上流動(dòng)。此外，該熱式流量測(cè)量裝置1”包括三個(gè)有源傳感器元件4a’、4b’和4c’。與圖2中類(lèi)似，第一傳感器元件4a’和第二傳感器元件4b’被對(duì)稱(chēng)地布置在平行于管線(xiàn)的假想軸的相對(duì)側(cè)上，而第三傳感器元件4c’被布置在該假想軸上，其中，在通過(guò)第一傳感器元件4a’和第二傳感器元件4b’的假想連接線(xiàn)與第三傳感器元件4c’之間布置有阻流體，其與第三傳感器元件4c’的間距小于與假想連接線(xiàn)的間距。另外，第一傳感器元件4a’和第二傳感器元件4b’以等效的方式來(lái)實(shí)施。阻流體10具有三角形橫截面。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，其他幾何實(shí)施方式也可用于阻流體10。阻流體10影響流動(dòng)剖面3a，以致針對(duì)第三傳感器元件4c’產(chǎn)生局部流動(dòng)3b”，其與圍繞傳感器元件4a’和4b’的局部流動(dòng)相比發(fā)生改變。

圍繞各傳感器元件4a、4b、4c、4a’、4b’、4c’的不同局部流動(dòng)3b、3b’、3b”導(dǎo)致它們的冷卻速率不同。對(duì)應(yīng)地，為了確定質(zhì)量流量和/或流向的特性曲線(xiàn)或功能限定方程不同。此外，由于管線(xiàn)2內(nèi)的不同布置或者由于不同的幾何實(shí)施方式，這些特性曲線(xiàn)或功能關(guān)系式針對(duì)向前或向后的流體3a而言同樣不同。這些不同之處例如能夠進(jìn)行可靠的方向檢測(cè)以及相應(yīng)地更精確地確認(rèn)質(zhì)量流量和/或流速。舉例而言，圖4示出針對(duì)向前和向后方向流動(dòng)，關(guān)于經(jīng)與無(wú)源因而未被加熱的傳感器元件sm的、校正的被加熱的傳感器元件s功率系數(shù)作為雷諾數(shù)re的函數(shù)的特性曲線(xiàn)。在流向的逆轉(zhuǎn)點(diǎn)(re＝0)，功率系數(shù)存在突變。此外，針對(duì)向前方向流動(dòng)的功率系數(shù)處于20-30％的范圍內(nèi)，而針對(duì)向后方向流動(dòng)的功率系數(shù)總計(jì)為50-60％。相應(yīng)地，基于該特性曲線(xiàn)，即使當(dāng)傳感器元件僅展現(xiàn)小的漂移時(shí)，也能夠精確地確定流向。

最后，圖5示出用于操作流量測(cè)量裝置1的方法選擇的框圖。所示的步驟是針對(duì)具有三個(gè)傳感器元件4a、4b和4c的流量測(cè)量裝置1的示例，尤其針對(duì)如圖3所示的流量測(cè)量裝置1”。有利地，能夠連續(xù)地且以高測(cè)量精度確定質(zhì)量流量或流速。此外，能夠確定管線(xiàn)內(nèi)介質(zhì)的流向并且提供有關(guān)至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的信息。理想地，甚至能夠確認(rèn)三個(gè)傳感器元件4a、4b、4c中的哪一個(gè)表現(xiàn)出熱阻的變化。

在下文中，簡(jiǎn)明起見(jiàn)，第一傳感器元件(例如在圖3中用4a表示的傳感器元件)用s1來(lái)表示，第二傳感器元件(例如4b)用s2來(lái)表示，第三傳感器元件(例如4c)用s3來(lái)表示。

在正常操作模式11下，至少s1通過(guò)傳遞加熱功率p11而被加熱到第一溫度t11。相反，s2和s3保持未加熱并且用于記錄介質(zhì)的溫度tm。當(dāng)然，原理上，三個(gè)傳感器元件s1、s2、s3中的每個(gè)在正常操作模式11下均能夠被加熱或者能夠保持未加熱。由加熱功率p11、被加熱的傳感器元件s1的溫度t11以及介質(zhì)的溫度tm，于是能夠確定質(zhì)量流量φm或流速vd。

在激活所謂的診斷模式13之前，可選地，能夠執(zhí)行溫度協(xié)調(diào)12。在這種情況下，比較兩個(gè)未被加熱的傳感器元件s2和s3的溫度。在檢測(cè)到借助兩個(gè)傳感器元件所獲得的介質(zhì)的溫度tm的測(cè)量值的偏差δt2，3的情況下，所謂的溫度校正項(xiàng)能夠被確認(rèn)并被應(yīng)用于全部的后續(xù)測(cè)量，例如通過(guò)這種方式：t(s3)+δtkor，2，3＝t(s2)。

在診斷模式13下，可用不同的選擇?；舅悸肥?，在不同的時(shí)間間隔中向三個(gè)傳感器元件中的兩個(gè)供給相同或不同的加熱功率并且使傳感器元件中的一個(gè)保持未加熱。由兩個(gè)被加熱的傳感器元件的溫度和/或加熱功率與未被加熱的傳感器元件的溫度的成對(duì)比較和/或由從溫度和/或加熱功率導(dǎo)出的至少一個(gè)變量，則能夠提供有關(guān)至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的信息，和/或執(zhí)行對(duì)質(zhì)量流量和/或流速的測(cè)量值的校正，和/或生成并輸出有關(guān)至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的報(bào)告。

在圖5所示的框圖中，舉例而言，在第一時(shí)間間隔13a中，s1和s2被加熱，而s3保持未加熱。然后，在第二(第三)時(shí)間間隔13b(13c)中，s3(s2和s3)被加熱，而反之s2(s1)保持未加熱。在被加熱的傳感器元件的每次變化之前，可重新選擇地，能夠進(jìn)行溫度協(xié)調(diào)12，并且在給定情況下，確認(rèn)進(jìn)一步的溫度校正項(xiàng)δtkor，1，2或δtkor，1，3。由連接不同的間隔13a、13b和13c以及溫度協(xié)調(diào)12的部分的箭頭表示這些選擇。

獲取有關(guān)至少三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)的狀態(tài)的信息的機(jī)會(huì)得自計(jì)算時(shí)間間隔13a、13b、13c的每個(gè)中的相應(yīng)功率系數(shù)pc(s1，s2)、pc(s1，s3)、pc(s2，s3)、pc(s3，s2)、pc(s3，s1)和/或pc(s2，s1)以及相應(yīng)判定系數(shù)。由對(duì)不同判定系數(shù)的比較，進(jìn)而能夠確認(rèn)針對(duì)三個(gè)傳感器元件s1、s2、s3中的哪一個(gè)的熱阻已經(jīng)變化。有時(shí)，這種方法可能不起作用。根據(jù)給定傳感器元件的熱阻變化的大小，或者在變化很小的情況下，能夠執(zhí)行對(duì)已確認(rèn)的質(zhì)量流量φm和/或流速vd的測(cè)量值的校正。然而，如果變化大于可預(yù)定的極限值，則生成并輸出有關(guān)相應(yīng)傳感器元件s1、s2、s3的狀態(tài)或者至少三個(gè)傳感器元件s1、s2、s3中的至少一個(gè)的熱阻已經(jīng)變化的報(bào)告。在已知至少三個(gè)傳感器元件s1、s2、s3中的哪一個(gè)的熱阻發(fā)生變化的情況下，能夠利用其余兩個(gè)功能性傳感器元件來(lái)執(zhí)行對(duì)應(yīng)于正常操作模式11的測(cè)量操作，直至漂移的傳感器元件得到維修。

取決于配置，例如，因?yàn)閭鞲衅髟1、s2、s3中的任何一個(gè)都未顯示熱阻的變化，或者已經(jīng)在第一或第二時(shí)間間隔中清楚傳感器元件s1、s2、s3中的哪一個(gè)已經(jīng)出現(xiàn)熱阻的變化，就無(wú)需執(zhí)行全部三個(gè)時(shí)間間隔13a、13b、13c。

就經(jīng)過(guò)全部三個(gè)時(shí)間間隔13a、13b和13c方面而言，則獲得由例如基于相應(yīng)的判定系數(shù)比較在時(shí)間間隔13a、13b和13c的每個(gè)中的可確認(rèn)的功率系數(shù)得出的診斷信息14、14’、14”(d1、d2和d3)的三種不同表述。通過(guò)診斷信息14，d1、d2和d3的三種不同表述的比較，就可以在給定的情況下確認(rèn)三個(gè)傳感器元件s1、s2或s3中的哪一個(gè)的熱阻已經(jīng)變化。

在此所示的示例中，另外還在診斷模式13的第二時(shí)間間隔13b和第三時(shí)間間隔13c中執(zhí)行方向檢測(cè)3a。在此所示的流程圖是針對(duì)圖3的傳感器，因此s3的局部繞流3b”不同于s1和s2的局部繞流3a，使得當(dāng)兩個(gè)被加熱的傳感器元件為s1或s2并且第二被加熱的傳感器元件為s3時(shí)，能夠最高效地完成方向檢測(cè)3a。

在第三時(shí)間間隔13c中，s2和s3被加熱。相應(yīng)地，為了連續(xù)地確定質(zhì)量流量φm和/或流速vd，至少針對(duì)該時(shí)間間隔內(nèi)，應(yīng)當(dāng)從s1到s2地發(fā)生變化。因此，在變化之前，存在尤其用于溫度協(xié)調(diào)12的機(jī)會(huì)。在檢測(cè)到s3的熱阻變化的情況下也同樣如此。然而，在給定的情況下，應(yīng)當(dāng)借由熱式流量測(cè)量裝置1需要維護(hù)的報(bào)告來(lái)通知客戶(hù)。

如果由診斷模式13得出s1的熱阻已經(jīng)變化，則就能夠針對(duì)正常模式11從s1切換到s2，以便確保連續(xù)地校正并精確地確定質(zhì)量流量φm和/或流速vd。

取決于客戶(hù)的需求，激活診斷模式13和/或方向檢測(cè)3a。然而，同樣能夠連續(xù)地并與確定質(zhì)量流量φm和/或流速vd并行地執(zhí)行診斷模式13和/或方向檢測(cè)3a。例如在圖5中，在時(shí)間間隔13b和13c中反復(fù)執(zhí)行方向檢測(cè)3a，并且將所獲取的有關(guān)流向r2和r3的信息例如進(jìn)行相互比較，以便檢查測(cè)量結(jié)果。對(duì)布置在等效位置并等同地實(shí)施的兩個(gè)傳感器元件的比較通常不會(huì)導(dǎo)致精確的方向檢測(cè)。

為了評(píng)估在診斷模式13的不同時(shí)間間隔13a、13b和13c中所獲取的診斷信息d1、d2和d3，能夠假設(shè)在三個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)上的積垢和/或堆積物形成導(dǎo)致相應(yīng)的功率系數(shù)相較于正常狀態(tài)的負(fù)位移，而出現(xiàn)磨損則導(dǎo)致正位移。

如果選擇除用于圖5所示的圖之外的熱式流量測(cè)量裝置的布置和/或?qū)嵤┓绞?，各個(gè)步驟需在給定情況下稍作修改。與傳感器元件的數(shù)目及其布置和/或?qū)嵤┓绞綗o(wú)關(guān)，保留在正常模式12與診斷模式13之間轉(zhuǎn)換的基本程序。同樣地，保留可選地執(zhí)行溫度協(xié)調(diào)12和/或方向檢測(cè)3a的機(jī)會(huì)。此外，本發(fā)明的每個(gè)方法均利用到兩個(gè)被加熱的傳感器元件的溫度和/或加熱功率與第三未被加熱的傳感器元件的溫度的成對(duì)比較和/或從溫度和/或加熱功率中的至少一個(gè)導(dǎo)出的變量。在這種情況下，在不同的時(shí)間間隔中能夠加熱不同的傳感元件。

附圖標(biāo)記列表

1熱式流量測(cè)量裝置

2管線(xiàn)或測(cè)量管

3介質(zhì)

3a宏觀流向

3b圍繞傳感器元件的局部流動(dòng)

4有源傳感器元件

4a、4b、4c有源傳感器元件的不同布置/實(shí)施方式

5可加熱溫度傳感器

5a、5b、5c傳感器元件4a、4b、4c的可加熱溫度傳感器

6、6a外殼

7無(wú)源傳感器元件

8溫度傳感器

9電子單元

10阻流體

11正常操作模式

12溫度協(xié)調(diào)

13診斷模式

13a、13b、13c診斷模式的第一、第二、第三時(shí)間間隔

14診斷信息

s1第一傳感器元件，例如4a

s2第二傳感器元件，例如4b

s3第三傳感器元件，例如4c

pxy在時(shí)間間隔y內(nèi)向傳感器元件sx供給的加熱功率

txy傳感器元件sx在時(shí)間間隔y內(nèi)的溫度

pc功率系數(shù)

dc判定系數(shù)

d1、d2、d3診斷信息

r2、r3介質(zhì)#的流向

φm質(zhì)量流量

vd流速

tm介質(zhì)的溫度

δtkor，x，y用于傳感器元件x和y之間協(xié)調(diào)的溫度校正項(xiàng)