本發明涉及一種用于確定和/或監測在管中流動的介質的測量變量、特別是體積流動速率的熱流量計。
背景技術：
1、在過程自動化中使用熱流量計來確定和/或監測在例如測量管的管中流動的介質、特別是諸如氣體或液體或其混合物的流體的體積流動速率。熱流量計從現有技術中已知并且例如在de?10?2013?105?992?a1、de?10?2016?121?110?a1或de?10?2019?110?876a1中描述。熱流量計包括至少兩個熱傳感器元件，包括被（主動地）加熱的至少一個加熱傳感器元件，以及被設計為檢測介質的溫度的至少一個溫度檢測傳感器元件。體積流動速率能夠從維持被加熱的加熱傳感器元件與溫度檢測傳感器元件之間的溫度差所需的加熱功率推導出。如果必要，兩個熱傳感器元件都被設計用于加熱和溫度檢測兩者，并且能夠——取決于由熱流量計的測量/操作電路的控制——用作加熱傳感器元件和/或用作溫度檢測傳感器元件。特別地，兩個熱傳感器元件能夠在設計上基本上相同。
2、通常，電阻元件（也稱為rtd元件，是電阻溫度檢測器的簡稱）被用作這樣的熱傳感器元件，特別是所謂的ptc熱敏電阻（ptc是正溫度系數的簡稱）。后者的區別在于它們的電阻值隨著溫度的增加而線性地增加，特別是以一階線性地增加。鉑廣泛用于ptc熱敏電阻中，因為鉑整體上表現出對溫度的至多二次方的相關性的電阻。電阻元件通常被設計為在例如0℃的參考溫度的參考溫度下具有特定的標稱電阻。它們可通過名稱pt10（10歐姆）、pt100（100歐姆）和pt1000（1千歐姆）來獲得。電阻元件被設計為例如所謂的卷繞電阻元件，或者被設計為例如使用薄膜或厚膜技術來施加到襯底、特別是結構化襯底的電阻層。例如，在（薄）膜傳感器中，配備有連接線并且施加到載體襯底的電阻結構被使用并且借助于覆蓋層被絕緣。
3、兩個熱傳感器元件通常通過電子測量/操作電路被互連，從而形成橋電路，使得具有加熱傳感器元件的加熱支路與具有溫度檢測傳感器元件的測量支路并聯電連接。在該情況下，與測量支路中的電流相比較大的電流應當在加熱支路中流動。
4、電流比率是例如經由兩個熱傳感器元件的兩個電阻值的比率來設置的，即經由高電阻測量支路和低電阻加熱支路來設置的。該比率通常在大約1：10的范圍內；即，例如，被加熱的pt10和未被加熱的pt100，或被加熱的pt100和未被加熱的pt1000等。因此，由于調節，利用公共橋電壓，包含被加熱的熱傳感器元件的加熱支路中的電流與測量支路中的電流相比大約大了十倍。
5、然而，橋電路中的高電阻熱rtd傳感器元件和低電阻熱rtd傳感器元件的這種組合具有多個缺點：
6、-?需要管理不同的傳感器類型；
7、-?通過適當地控制測量/操作電路來在被加熱的和未被加熱的熱傳感器元件之間進行切換是不可能的；
8、-?測量/操作電路必須與兩個熱傳感器元件的電阻值的比率精確地匹配。這嚴重限制了靈活性和應用的范圍。
9、-?選擇具有相對低的電阻值（例如pt10）的被加熱的熱傳感器元件導致靈敏度的對應降低（其以每溫度變化的電阻變化來測量），例如，與pt100相比，降低了10倍。這使得難以使用測量技術準確地確定兩個熱傳感器元件之間的傳感器溫度或溫度差。因此，熱流量計的靈敏度降低。
技術實現思路
1、本發明實現了提供一種沒有前述缺點的熱流量計的目的。
2、該目的通過一種用于確定和/或監測在管中流動的介質的測量變量、特別是體積流動速率的熱流量計來實現，該熱流量計包括：
3、-?兩個熱傳感器元件，該兩個熱傳感器元件被設計為電阻元件，該電阻元件被配置為被加熱和/或檢測介質的溫度，
4、-?第一平衡電阻元件和第二平衡電阻元件；
5、-?電子測量/操作電路，其被設計為
6、--?加熱第一熱傳感器元件，
7、--?借助于未被加熱的第二熱傳感器元件來檢測介質的溫度，
8、其中，兩個熱傳感器元件、兩個平衡電阻元件和電子測量/操作電路被互連以形成橋電路，使得
9、-?在加熱支路中，第一平衡電阻元件和第一熱傳感器元件串聯連接，
10、-?在一個測量支路中，第二平衡電阻元件和第二熱傳感器元件串聯連接，以及
11、-?加熱支路和測量支路并聯電連接，
12、并且其中，測量/操作電路包括電流調節單元，
13、該電流調節單元被設計為將在測量操作期間在加熱支路中流動的電加熱電流的加熱電流除以在測量操作期間在測量支路中流動的測量電流的測量電流形成的比率調節到電流調節常數。
14、在本發明的范圍內，電流調節單元使得兩個熱傳感器元件可以具有類似的電阻值。這是因為加熱電流與測量電流的比率不是（唯一地）經由電阻值的比率來設置的，而是能夠使用電流調節單元來調整。因此，甚至基本上相同的熱傳感器元件能夠在橋電路中使用。選擇具有類似的電阻值的兩個熱傳感器元件使不想要的不對稱性最小化，由于前述原因，這對測量/操作電路的設計和熱流量計的測量準確度具有積極影響。電流調節單元調節電流，使得在測量操作期間，當確定和/或監測測量變量時，在加熱電流和測量電流之間恒定比率——即電流調節常數——被建立。
15、在本發明的一個實施例中，橋電路具有第一導體節點，其在加熱支路中被布置在第一平衡電阻元件與第一熱傳感器元件之間，其中橋電路具有第二導體節點，其在測量支路中被布置在第二平衡電阻元件與第二熱傳感器元件之間，其中橋電路具有第三導體節點，該第三導體節點被布置在兩個平衡電阻元件之間，并且其中橋電路具有第四導體節點，該第四導體節點被布置在兩個熱傳感器元件之間。
16、在本發明的一個實施例中，測量/操作電路包括電壓調節單元，其中，電壓調節單元被配置為將橋電壓供應到橋電路，該橋電壓取決于第一電壓與第二電壓之間的電壓差，并且其中，電壓調節單元特別地具有差分放大器，并且第一電壓被供應到差分放大器的非反相第一輸入，并且第二電壓被供應到差分放大器的反相第二輸入，或者反之亦然。
17、在本技術的范圍內，“第一電壓與第二電壓之間的電壓差”例如意指在計算電壓差時從第一電壓中減去第二電壓。例如，所施加的橋電壓與電壓差成比例。因此，第一電壓被施加到非反相輸入并且第二電壓被施加到反相輸入，或者相反地，第二電壓被施加到非反相輸入并且第一電壓被施加到反相輸入。
18、在本發明的一個實施例中，測量/操作電路具有電壓縮放單元，該電壓縮放單元被配置為將由以下形成的比率縮放至縮放因子：
19、-?由第一電壓除以施加到第二導體節點的電壓形成的比率除以
20、-?由第二電壓除以施加到第一導體節點的電壓形成的比率。
21、因此，（無量綱）縮放因子g被如下計算為兩個商的商：
22、
23、例如，借助于電壓縮放單元的電壓放大器和/或電壓衰減器來設置縮放因子。例如，電壓放大器被布置在第二導體節點與差分放大器的非反相輸入之間。可替代地或附加地，電壓衰減器被布置在第一導體節點與差分放大器的反相輸入之間。電壓放大器能夠放大第一電壓u+除以施加在第二導體節點處的電壓ulk2的比率，并且衰減器能夠降低第二電壓u-與施加在第一導體節點處的電壓ulk1的比率。電壓放大器或衰減器被用于設置比率或，并且因此最終設置縮放因子g>1。
24、對于縮放因子g<1，電壓衰減器被布置在第二導體節點與差分放大器的非反相輸入之間和/或電壓放大器被布置在第一導體節點與差分放大器的反相輸入之間。
25、在本發明的一個實施例中，縮放因子相對于電流調節常數偏差小于10％，特別地小于5％，優選地小于2％，其中特別地，當且僅當電流調節常數大于1時，縮放因子大于1，并且當且僅當電流調節常數小于1時，縮放因子小于1。
26、在本技術的范圍內，當（無量綱）縮放因子相對于（無量綱）電流調節常數的偏差被指定為百分比時，電流調節常數被用作參考值。
27、特別優選的是，縮放因子相對于電流調節常數偏差小于1％，即基本上與電流調節常數一致。
28、前述將縮放因子和電流調節常數調整為在前述限制內的“足夠相似的”值（即，具有足夠小的偏差）優選地在本發明的范圍內借助于測量/操作電路的物理設計、特別是借助于其中使用的電路元件（例如，前述電壓放大器和/或衰減器以及下面提到的電流源和電流表）并且因此在硬件方面來實現。如果必要，電流調節常數與縮放因子之間的任何剩余偏差使用計算方法在計算上進一步降低，例如，以軟件實現，特別是在微控制器中實現，特別是通過至少將其減半來實現。
29、通過將縮放因子調整為前述實施例的電流調節常數，負責調整橋電壓的電壓調節單元能夠利用差分放大器無故障地工作，以滿足橋電路的平衡條件。電流調節常數＞1是優選的。在最簡單的情況下，例如，跨未被加熱的熱傳感器元件裝置的電壓，使用電壓放大器（如前所述，其位于第二導體節點與電壓調節單元的差分放大器的非反相輸入之間），被放大基本上相同的因子。這確保橋電路的平衡條件被滿足，使得沒有電流從加熱支路流向測量支路，并且反之亦然。
30、在本發明的一個實施例中，電流調節常數大于1并且小于200，特別是大于5并且小于100，并且優選地大于10。優選地，電流調節常數小于60。
31、在本發明的一個實施例中，電流調節單元包括（直流）電流源、特別是可調節的電流源，以及電流表。
32、在本發明的一個實施例中，電流調節常數和縮放因子大于1，其中，電流源在測量支路中被布置在第二平衡電阻元件與第二導體節點之間，并且特別地，電流表被設計為測量加熱電流，并且特別地，電流表在加熱支路中被布置在第三導體節點與第一導體節點之間。
33、自然地，本發明還包括具有電流調節常數和小于1的縮放因子g的變體。對于電流調節常數＜1，例如，電流源在加熱支路中被布置在第一平衡電阻元件與第一導體節點之間。
34、在本發明的一個實施例中，特別優選地，第四導體節點處于接地電位并且橋電壓被供應到第三導體節點，或者第三導體節點處于接地電位并且橋電壓被供應到第四導體節點。
35、在本發明的一個實施例中，在第一參考溫度下、特別是在18攝氏度與25攝氏度之間的第一參考溫度下，第一熱傳感器元件具有第一電阻值-溫度系數，并且第二熱傳感器元件具有第二電阻值-溫度系數，
36、其中，第一電阻值-溫度系數和第二電阻值-溫度系數在線性階中是至少1×10-3/開爾文，特別地是至少3×10-3/開爾文，
37、并且其中，特別地，第一熱傳感器元件和第二熱傳感器元件包括冷傳導材料，優選地鉑和/或鎳。
38、因此，熱傳感器元件是ptc熱敏電阻并且相對高地溫度相關。例如，pt/ni表現出在線性階中大約3.85×10-3/開爾文的電阻值-溫度系數。兩個熱傳感器元件優選地被設計為pt100，即，它們在0℃的參考溫度下具有100歐姆的電阻值。
39、在本發明的一個實施例中，在第二參考溫度下，特別地在-10攝氏度與+15攝氏度之間的第二參考溫度下，
40、第一熱傳感器元件顯示第一電阻值，并且第二熱傳感器元件顯示第二電阻值，
41、其中，第一電阻值相對于第二電阻值偏差小于10歐姆，特別地小于5歐姆，優選地小于2歐姆。
42、因此，兩個熱傳感器元件具有幾乎相同的電阻值。特別地，第一熱傳感器元件和第二熱傳感器元件在結構上基本上相同。
43、在本發明的一個實施例中，在第一參考溫度下，第一平衡電阻元件具有第三電阻值-溫度系數，并且第二平衡電阻元件具有第四電阻值-溫度系數，
44、其中，第三電阻值-溫度系數和第四電阻值-溫度系數在線性階中是至多0.2×10-3/開爾文，特別地是至多0.1×10-3/開爾文，優選地是至多0.05×10-3/開爾文。
45、因此，兩個平衡電阻元件具有足夠溫度不相關的電阻值。
46、在本技術的范圍中在相應的第一/第二參考溫度下指定的所有電阻值和/或電阻值-溫度系數總是存在于測量操作之外的溫度系數/電阻值，即，在測量/操作電路關斷的情況下，在第一熱傳感器元件不被（主動地）加熱的情況下。
47、在本發明的一個實施例中，熱流量計被設計為使得在測量變量的確定和/或監測期間
48、-?兩個熱傳感器元件突出到管的管腔中，并且特別地與介質接觸。
49、在使用與介質接觸的熱傳感器元件確定和/或監測介質的測量變量的情況下，兩個熱傳感器元件與介質之間存在直接熱接觸。這改進了熱傳感器元件與介質的熱耦合，并且增加了熱流量計的測量準確度和/或響應時間。
50、在本發明的一個實施例中，熱流量計被布置為使得，當確定和/或監測測量變量時，兩個平衡電阻元件被置在管的管腔外部。
51、與兩個熱傳感器元件不同，優選地使介質的溫度對兩個平衡電阻元件——這兩個平衡電阻元件優選地基本上溫度不相關——的影響最小化。
52、在本發明的一個實施例中，兩個熱傳感器元件各自包括相應的電阻結構，該相應的電阻結構利用相應的電絕緣的覆蓋物、特別是覆蓋層來施加到、特別是使用薄膜技術來施加到相應的電絕緣的襯底。
53、在該實施例中，熱流量計特別優選地沒有探針，熱傳感器元件否則將被布置在探針內部，并且當確定和/或監測測量變量時探針否則將浸沒在介質中。代替地，熱傳感器元件直接突出到測量管的管腔中。因此，當確定和/或監測測量變量時，襯底（或與覆蓋物相對的被施加到襯底的、特別是在背面的層）和覆蓋物與介質直接熱接觸。
54、在本發明的一個實施例中，位移電阻元件在測量支路中被布置在第二導體節點與第二熱傳感器元件之間。
55、特別地，位移電阻元件在第一參考溫度下表現出第五電阻值-溫度系數，其中第五電阻值-溫度系數是至多0.2×10-3/開爾文、特別地是至多0.1×10-3/開爾文、優選地是至多0.05×10-3/開爾文的線性階。
56、特別地，熱流量計還被設置為使得，當確定和/或監測測量變量時，位移電阻元件被布置在管的管腔外部。
57、因此，對于位移電阻元件，溫度的影響也優選地被最小化。
58、在本發明的一個實施例中，在第二參考溫度下，第一平衡電阻元件具有第三電阻值，并且第二平衡電阻元件具有第四電阻值，其中第四電阻值是第三電阻值的至少5倍，特別地是至少10倍，優選地是至少30倍。