VDI VDE 3519 Blatt 10-2012 Level measurement - Heat dissipation method.pdf

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1、ICS 17.060, 23.020.10 VDI/VDE-RICHTLINIEN Dezember 2012 December 2012 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Fllstandmesstechnik Wrmeableitungsverfahren Level measurement Heat dissipation method VDI/VDE 3519 Blatt 10 / Part 10 Ausg. deutsch/englisch Iss

2、ue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachbereich Prozessmesstech

3、nik und Strukturanalyse VDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Strukturanalyse Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgaben:05.11.Entwurf,deutsch;VDI/VDE 3519Blatt2:2002-10Zu beziehen durch / Available atBeuth Verlag GmbH,

4、10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten /AllrightsreservedVerein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2012Formereditions:05/11 Draft,in German only;VDI/VDE 3519Part2:2002-10Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 2 2 Normative Verweise 3 3 Begriffe 3 4 Formelzeichen

5、und Abkrzungen . 3 5 Wrmeableitungsverfahren 4 5.1 Messprinzip 4 5.2 Einsatzbereich 5 5.3 Messverfahren und Messeinrichtungen 5 5.4 Messanordnungen 8 5.5 Messunsicherheiten 8 Schrifttum 8 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 2 2 Normative references . 3 3 Terms and definitions 3 4 Symbols a

6、nd abbreviations . 3 5 Heat dissipation method 4 5.1 Measurement principle 4 5.2 Application 5 5.3 Measurement methods and measuring devices . 5 5.4 Measurement arrangements . 8 5.5 Measurement uncertainties 8 Bibliography 8 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686B

7、D19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 2 VDI/VDE 3519 Blatt 10 / Part 10 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Al

8、le Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.

9、de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VD

10、I 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing c

11、on-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. Einleitung Diese Richtlinie wurde erarbeitet vom Fachaus-schuss Fllstandmesstechnik“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik. Die Rich

12、tlinienreihe VDI/VDE 3519 beschreibt die Fllstandmessung von Flssigkeiten und Feststof-fen (Schttgtern). Es werden Erluterungen zur Bewertung der einzelnen Messverfahren sowie Hinweise fr die geeignete Anwendung der Ver-fahren angegeben. Die Richtlinienreihe besteht aus folgenden Blttern: Blatt 1 Gr

13、undlagen Blatt 2 Sichtverfahren Blatt 3 Schwimmerverfahren Blatt 4 Verdrngerverfahren Blatt 5 Bodendruckverfahren Blatt 6 Wgeverfahren Blatt 7 Messen durch Bremsen und Hemmen von Bewegungen Blatt 8 Widerstandsverfahren Blatt 9 Kapazitiv- und Admittanzverfahren Blatt 10 Wrmeableitungsverfahren Blatt

14、11 Radiometrische Verfahren Blatt 12 Schall- und Ultraschallverfahren Blatt 13 Mikrowellenverfahren Blatt 14 Optische Verfahren Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3519. Introduction This guideline was prepared by the “level meas

15、-urement” committee of the VDI/VDE Society for Measurement and Automatic Control. The series of guidelines VDI/VDE 3519 describes the level measurement of liquids and solids (bulk solids). It provides information on the assessment of measurement methods and on appropriate appli-cation of these metho

16、ds. The series of guidelines consists of the following parts: Part 1 Fundamentals Part 2 Visual methods Part 3 Float methods Part 4 Displacer methods Part 5 Ground pressure methods Part 6 Weighing method Part 7 Measuring by retarding und restricting of movements Part 8 Electrical resistance methods

17、Part 9 Capacitive and admittance methods Part 10 Heat dissipation method Part 11 Radiometric methods Part 12 Sound and ultrasound methods Part 13 Microwave methods Part 14 Optical methods A catalogue of all available parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de/35

18、19. 1 Anwendungsbereich Die vorliegende Richtlinie beschreibt die Fll-standmessung mit Sichtverfahren. Sie gilt nur zu-sammen mit dem Blatt 1 der Richtlinienreihe VDI/VDE 3519. 1 Scope This guideline describes level measurements using heat dissipation methods. It should be read in con-junction with

19、Part 1 of the series of guidelines VDI/VDE 3519. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 3519 Blatt 10 / Part 10 3 2 Normative

20、 Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI/VDE 3519 Blatt 1:2012-12 Fllstandmesstech-nik; Grundlagen 2 Normative references The following referenced document is indispensa-ble for the application of this guideline: VDI/VDE 3519 Part 1:2012-12 L

21、evel measurement; Fundamentals 3 Begriffe Fr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die Begriffe nach VDI/VDE 3519 Blatt 1. 3 Terms and definitions For the purposes of this guideline, the terms and definitions as per VDI/VDE 3519 Part 1 apply. 4 Formelzeichen und Abkrzungen Formelzeichen In dieser R

22、ichtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: Formel-zeichen Benennung Einheit A Oberflche m2 Nelelektrische Heizleistung W NWabgegebene Wrmeleistung W RTFhlerwiderstand bei der Temperatur T RthWrmebergangswiderstand K/W T Fhlertemperatur K T Temperaturdifferenz K TFlTempera

23、tur der Flssigkeit K TFlTemperaturdifferenz in der Flssigkeit K TGTemperatur der Gasphase K TGTemperaturdifferenz im Gas K TH,GTemperaturdifferenz des auf-geheizten Fhlers im Gas K TH,FlTemperaturdifferenz des auf-geheizten Fhlers in der Fls-sigkeit K TMMessstofftemperatur K U am Heizelement abfalle

24、nde elektrische Spannung V WWrmebergangskoeffizient Wm2K1Abkrzungen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Abkrzungen verwendet: PTC Positive Temperature Coefficient NTC Negative Temperature Coefficient 4 Symbols and abbreviations Symbols The following symbols are used throughout t

25、his guideline: Symbol Term Unit A surface area m2 Nelelectric heat output W NWtransferred heat W RTsensor resistance at a temperature T Rthheat transfer resistance K/W T sensor temperature K T temperature difference K TFltemperature of the liquid K TFltemperature difference in the liquid K TGtempera

26、ture of the gas phase K TGtemperature difference in the gas K TH,Gtemperature difference of the heated sensor in a gas K TH,Fltemperature difference of the heated sensor in a liquid K TMtemperature of the medium K U voltage drop across the heat-ing element V Wheat transfer coefficient Wm2K1Abbreviat

27、ions The following abbreviations are used throughout this guideline: PTC positive temperature coefficient NTC negative temperature coefficient B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 4 VDI/VDE 3519 Blat

28、t 10 / Part 10 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 5 Wrmeableitungsverfahren 5.1 Messprinzip Das Messprinzip beruht auf den unterschiedlichen Wrmeleitfhigkeiten von Gasen und Flssigkeiten und der damit verbundenen nderung der Wrme-ableitung eines aufgeheizten Mes

29、sfhlers (Bild 1). Gemessen wird die Vernderung der Temperatur. Der Wrmebergang vom Fhler in den Messstoff wird bestimmt von den Wrmeleitfhigkeiten, dem Wrmebergangskoeffizienten und der Oberflche des Fhlers (Bild 2). Er lsst sich beschreiben durch den Wrmebergangswiderstand: thW1RA=(1) Als Fhlerelem

30、ente werden blicherweise verwen-det: PTC- oder NTC-Halbleiterwiderstnde Halbleiterdioden Widerstandselemente Pt, Ni oder andere Metallschichtwiderstnde In allen Fllen wird die Temperaturabhngigkeit der Widerstandskennlinie verwendet (Bild 3). Die Beheizung erfolgt entweder direkt durch Auf-heizung d

31、es Fhlers mit einem durch diesen flie-enden elektrischen Strom oder indirekt mittels Fremdbeheizung. 5 Heat dissipation method 5.1 Measurement principle The measurement principle relies on the different thermal conductivities of gases and liquids, and on the associated change in the heat dissipation

32、 of a heated sensor (Figure 1). What is measured is the change in temperature. Heat transfer from the sensor to the medium is governed by the thermal conductivities, the heat transfer coefficient and the sensors surface area (Figure 2). It can be described by the heat transfer resistance: thW1RA=(1)

33、 Commonly used sensor elements include: PTC or NTC semiconductor resistors semiconductor diodes resistor elements made of Pt, Ni or other metal film resistors All these rely on the temperature dependence of the resistors characteristic (Figure 3). Heating is achieved either directly by passing a cur

34、rent through the sensor, or indirectly by means of an external heating system. Bild 1. Prinzipdarstellung des Temperaturverhal-tens eines beheizten Fhlers Figure 1. Schematic diagram of the temperature response of a heated sensor Bild 2. Wrmebergang vom Fhler in den Mess-stoff Figure 2. Heat transfe

35、r from the sensor to the medium B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 3519 Blatt 10 / Part 10 5 Bild 3. Temperaturkennlinien

36、 typischer Fhler Figure 3. Thermal characteristics of typical sensors 5.2 Einsatzbereich Dieses Messprinzip ist zur Grenzwerterfassung des Fllstands von Flssigkeiten geeignet. Besondere Anordnungen ermglichen auch kontinuierliche Messungen. Der Anwendungsbereich liegt bli-cherweise bei Messstofftemp

37、eraturen unterhalb von 100 C. Werden beheizte Messfhler mit einer Einrichtung zum Anblasen versehen, lsst sich eine Abkhlung des Fhlers erreichen, die ein Eintau-chen simuliert. Dies ermglicht eine Prfung im eingebauten Zustand. 5.3 Messverfahren und Messeinrichtungen 5.3.1 Messung mittels der Wrmea

38、bleitung von aufgeheizten Messfhlern Wird ein Messfhler durch Strom aufgeheizt, so stellt sich im jeweiligen Messstoff ein thermisches Gleichgewicht (Leistungsgleichgewicht) ein: 2W el W M()TUN N AT TR= = = (2) Die Fhlertemperatur T verhlt sich aufgrund der unterschiedlichen Wrmeableitung in Gasen u

39、nd Flssigkeiten wie folgt: Im Gas ist T deutlich h-her als in der Flssigkeit. Die Temperaturerhhung des beheizten Fhlers im Gas wird bezeichnet mit TH,Gund in der Flssigkeit mit TH,Fl. Damit nimmt der Fhler folgende Temperaturen an (Bild 4): in der Flssigphase: T1= TFl + TH,Fl in der Gasphase: T2= T

40、G + TH,GZwischen Gas und Flssigkeit ergibt sich eine Temperaturdifferenz T. 2 1 G H,G Fl H,Fl( )( )TT T T T T T = = + + (3) Dies zeigt die Abhngigkeit der sich ausbildenden Temperaturdifferenz von der Temperatur des Messstoffs und der darber befindlichen Gasphase. 5.2 Application This measurement pr

41、inciple is suitable for limit level detection in liquids. Special designs allow continuous measurement also. The scope is for medium temperatures below 100 C. Where heated sensors are equipped with a blower, they can be cooled for testing, thus simulating their installed state. 5.3 Measurement metho

42、ds and measuring devices 5.3.1 Measurement based on heat dissipation from a heated sensor When a sensor is heated by an electric current, a thermal equilibrium is reached in the relevant me-dium: 2W el W M()TUN N AT TR= = = (2) Due to the difference in heat dissipation between gases and liquids, the

43、 sensor temperature T is con-siderably higher in the gas than in the liquid. The temperature rise of the heated sensor in a gas is denoted by TH,G, and in a liquid by TH,Fl. The sensor has the following temperatures (Figure 3):in the liquid phase: T1= TFl + TH,Fl in the gas phase: T2= TG + TH,GThe r

44、esulting temperature difference T between the gas and the liquid is: 2 1 G H,G Fl H,Fl( )( )TT T T T T T = = + + (3) This shows how the temperature difference de-pends on the temperature of the medium and of the overlying gas phase. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE

45、74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 6 VDI/VDE 3519 Blatt 10 / Part 10 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Diese Fhler knnen direkt oder indirekt beheizte Elemente verwenden, wie in Bild 6 prinzipiell dargestellt. Die Temperaturn

46、derung des Fhlers betrgt zwischen Gas- und Flssigphase typischer-weise 10 K bis 110 K. Zu beachten ist hierbei, dass die Temperatur des Messstoffs deutlich unter der Temperatur des in der Gasphase aufgeheizten Messfhlers liegen muss und um nicht mehr als etwa 25 % der Temperaturerhhung des Fhlers in

47、 der Gasphase schwanken darf, damit beim Eintau-chen in den Messstoff gengend Wrme abgefhrt wird. Bei Verwendung von Fhlern mit sprungar-tiger Charakteristik wie beim PTC-Element (Bild 3) ist der Aufbau sehr einfacher direkt schal-tender Messeinrichtungen mglich. The sensors can use directly or indi

48、rectly heated elements, as shown schematically in Figure 6. The sensors temperature change between the gas and the liquid phase is typically 10 K to 110 K. The temperature of the medium must be significantly below that of the heated sensor in the gas phase, and should fluctuate by no more than ca. 2

49、5 % of the sensors temperature increase in the gas phase, so that enough heat is dissipated during immersion in the medium. When using sensors with sharply bent characteristics, e.g. PTC elements (Figure 3), it is possible to construct very simple, directly switch-ing measuring devices. Bild 4. Wrmeableitungsverhltnisse Figure 4. Heat dissipation Bild 5.