DE10049781A1 - Verfahren zur magnetisch-induktiven Messung der Fließgeschwindigkeit flüssiger Medien mit Permanentmagneten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit v flüssiger Medien mit einer Mindestleitfähigkeit durch Auswertung der induzierten elektrischen Spannung U¶0¶, die sich orthogonal zu den Richtungen der Strömungsgeschwindigkeit v und der Induktion B eines magnetischen Feldes einstellt, wobei ein vom Meßmedium in axialer Richtung durchströmtes, elektrisch isolierendes Meßrohr 2, 2' mit in die Rohrwand eingebetteten Elektroden 5, 5' zur kapazitiven Auskopplung der induzierten Spannung und an seiner Innenwand angeordneten Elektroden 4, 4' zur gezielten Ladungsbeeinflussung der wirksamen Kapazitäten und ein Permanentmagnet vorhanden sind, dessen magnetisches Feld das Meßrohr in einer zu seiner Achse orthogonalen Richtung durchdringt. DOLLAR A Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst in einer zeitlichen Entladepahse Te ein definierter Ausgangszustand des Meßsystems hergestellt, indem die inneren Kapazitäten Ci zwischen der Rohrinnenwand und den in die Rohrwand 2, 2' eingebetteten Elektroden 5, 5',sowie deren externen Kapazitäten Ce zwischen den eingebetteten Elektroden und der äußeren metallischen Ummantelung 3 vollständig entladen werden, wobei es sich als entscheidender Vorteil erweist, daß auf alle Einzelkapazitäten getrennt zugegriffen werden kann. Insbesondere ermöglichen die inneren Elektroden 4, 4' den Zugriff auf die inneren Kapazitäten Ci. In der sich zeitlich anschließenden Ladephase Tl laden sich die Kapazitäten nach Maßgabe der im ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit v flüssiger Me­ dien mit einer Mindestleitfähigkeit durch Auswertung der induzierten elektrischen Spannung U₀, die sich orthogonal zu den Richtungen der Strömungsgeschwindigkeit v und der Induktion B eines magnetischen Feldes einstellt, wobei ein vom Meßmedium in axialer Richtung durch­ strömtes, elektrisch isolierendes Meßrohr mit in die Rohrwand eingebetteten Elektroden zur kapazitiven Auskopplung der induzierten Spannung und an seiner Innenwand angeordneten Elektroden zur gezielten Ladungsbeeinflussung der wirksamen Kapazitäten und ein Perma­ nentmagnet vorhanden sind, dessen magnetisches Feld das Meßrohr in einer zu seiner Achse orthogonalen Richtung durchdringt.

In der industriellen Durchflußmeßtechnik findet das Prinzip der magnetisch induktiven Durchflußmessung breite Anwendung. In der Praxis zeigt sich, daß die geringen induzierten Spannungen von Störspannungen überlagert werden, die sich in den heute verfügbaren Syste­ men nur durch Verwendung zeitlich veränderlicher Magnetfelder und durch geeignete Diffe­ renzbildung der Meßsignale eliminieren lassen. Diese erfordern jedoch einen beträchtlichen elektrischen Leistungsaufwand, so daß sich von Netzanschlüssen unabhängige Anwendungen, für die ein großer Bedarf besteht, nicht oder nur für kurze Betriebsdauern realisieren lassen. Die Forderung nach geringstmöglichem Leistungsbedarf legt die Verwendung von Perma­ nentmagneten zur Erzeugung des Magnetfeldes nahe. Ein solcher Ansatz wurde in der DE 198 31 491 A1 vorgeschlagen. Es wurde jedoch gefunden, daß die dort vorgesehene Anord­ nung mit dem dort vorgesehenen Verfahren bei galvanischer Auskopplung der induzierten Spannung problemlos einsetzbar ist, während die kapazitive Auskopplung Kunstgriffe erfor­ dert, um die während des Meßvorganges auftretenden Veränderungen im Ladezustand der beteiligten Kapazitäten in einen definierten Ausgangszustand zurückzuführen, bevor eine er­ neute Messung erfolgt. Wie die praktische Erfahrung lehrt, ist jedoch gerade die kapazitive Auskopplung mit entscheidenden Vorteilen verbunden (Helmut Brockhaus, "Magnetisch­ induktive Durchflußmessung mit kapazitiven Verfahren", Zeitschrift tm - Technisches Messen 64 (1997) 5, Oldenbourg Verlag, München), die sich u. a. in der Reduktion des Rauschens um fast eine Größenordnung gegenüber den Werten bei galvanischer Kopplung und in der weitge­ henden Unempfindlichkeit gegenüber Ablagerungen im Inneren des Meßrohres zeigen.

Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit flüssiger Medien nach dem magnetisch induktiven Ver­ fahren zu schaffen, das den Betrieb mit einem zeitkonstanten Magnetfeld bei gleichzeitiger Unterdrückung störender elektrochemischer Potentiale und kapazitiver Auskopplung der Meß­ signale erlaubt, indem es einen definierten Zugriff auf sämtliche beteiligten Kapazitäten und damit die periodische Herstellung eines definierten Ausgangszustandes zuläßt, bevor eine Messung durchgeführt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Erfindungsgemäß sind zur Messung der Fließgeschwindigkeit des Strömungsmediums ein Permanentmagnet zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes mit zeitkonstanter Induktion B, sowie ein elektrisch isolierendes Meßrohr vorhanden, das von den magnetischen Feldlinien orthogonal zur Rohrachse durchdrungen wird, wobei in dessen Rohrwand ein Paar von einan­ der gegenüberliegenden Elektroden so isoliert eingebettet und mit elektrischen Anschlüssen nach außen versehen ist, daß die durch Wechselwirkung des Magnetfeldes der Induktion B mit dem mit der Geschwindigkeit v strömenden Medium im Inneren des Meßrohres entstehende magnetisch induzierte Spannung U₀ durch diese Elektroden optimal kapazitiv ausgekoppelt und außerhalb des Rohres verfügbar wird. Erfindungsgemäß ist an der Innenwand des Meß­ rohres ebenfalls ein Paar von einander gegenüberliegenden Elektroden angeordnet, die aus­ schließlich der gezielten Ladungssteuerung der beteiligten Kapazitäten dienen und die über elektrische Anschlüsse durch die Rohrwand nach außen geführt sind, wobei die Achsen des inneren Elektrodenpaares mit jenen des äußeren Elektrodenpaares übereinstimmen. Schließlich ist nach der Erfindung das Meßrohr außen von einer metallisch leitenden rohrförmigen Ab­ schirmung umgeben, durch die sowohl die Anschlüsse der inneren Elektroden, als auch die Anschlüsse der äußeren Elektroden isoliert nach außen geführt werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst in einer zeitlichen Entladephase Te ein definierter Ausgangszustand des Meßsystems hergestellt, indem die inneren Kapazitäten Ci zwischen der Rohrinnenwand und den in die Rohrwand eingebetteten Elektroden, sowie die externen Kapazitäten Ce zwischen den eingebetteten Elektroden und der äußeren metallischen Ummantelung vollständig entladen werden, wobei es sich als entscheidender Vorteil erweist, daß auf alle Einzelkapazitäten getrennt zugegriffen werden kann. Insbesondere ermöglichen die inneren Elektroden den Zugriff auf die inneren Kapazitäten Ci. In der sich zeitlich anschließen­ den Ladephase Tl laden sich die Kapazitäten nach Maßgabe der im Inneren des Rohres vorlie­ genden, zur Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Meßspannung U0 und der Größe der beteiligten Kapazitäten auf. In der nun zeitlich folgenden Meßphase Tm wird die Spannung an mindestens einer der äußeren Elektroden einer Meß- und Auswerteschaltung zugeführt. Be­ sonders hervorzuheben ist, daß die inneren Elektroden nach dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren an dem Zustandekommen der Spannung an den äußeren Elektroden nicht beteiligt sind. Sie dienen vielmehr allein der oben beschriebenen Herstellung eines definierten Entladezustandes. Aus diesem Grunde sind Verschmutzungen, Gasblasen und Beläge an ihnen für den Meßvor­ gang ohne Bedeutung, so daß alle Vorteile der kapazitiven Auskopplung wahrgenommen wer­ den können.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiter vor, daß die Phasen der Entladung Te, der Ladung Tl und der Messung Tm periodisch wiederkehrend in dieser Reihenfolge durchlaufen werden.

Dabei wird in einer bevorzugten Verfahrensvariante die äußere metallische Ummantelung dauerhaft auf Erdpotential gelegt, so daß während der Entladephase alle Elektroden durch ent­ sprechende Schaltmaßnahmen periodisch dieses definierte Potential annehmen können. Dieses Vorgehen gewährleistet einerseits den sicheren Einbau der Meßeinrichtung in die i. a. auf Erd­ potential befindliche Umgebung und andererseits die zuverlässige Schirmung gegenüber von außen eintreffenden Störungen. Auf diese Weise lassen sich auch elektrostatische Aufladungen des Meßsystems und elektrochemisch störende Potentiale periodisch abbauen.

Der elektrische Leistungsbedarf eines nach der erfindungsgemäßen Lehre aufgebauten Sy­ stems ist äußert gering, da lediglich einerseits die periodischen Umschaltungen zu versorgen sind, die mit modernen elektronischen Bauelementen praktisch leistungslos erfolgen können, und andererseits die elektronische Signalauswertung, die mit einem sehr geringen Leistungs­ aufwand zu realisieren ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich die wäh­ rend der Ladephase zur Verfügung stehende Meßspannung generatorisch zur Aufladung einer Batterie verwenden. Damit eröffnen sich Möglichkeiten batteriebetriebener Durchflußmesser mit langen eingriffsfreien Betriebszeiten ohne Einbußen an Empfindlichkeit, weil die Stärke des Magnetfeldes unverändert bleibt. Die mit modernen Magnetwerkstoffen (SmCo, NdFe) erreichbaren Induktionen liegen mindestens bei denjenigen hochbelasteter Elektromagnete und damit deutlich über den Werten heute praktisch eingesetzter Geräte.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen in

Fig. 1 erläutert, die einen Querschnitt durch das Meßrohr 2, 2' und die zugehörige elektri­ sche Ersatzschaltung für den Fall einer auf Erdpotential liegenden Ummantelung 3 zeigt. Das isolierende, zylindrische Meßrohr 2, durch dessen Inneres 1 das Meßmedium mit der Ge­ schwindigkeit v in axialer Richtung strömt, wird in Querrichtung von dem vom Permanentma­ gneten herrührenden Magnetfeld mit der Induktion B durchsetzt. An seiner inneren Wandung sind die Elektroden 4, 4' angeordnet, während die äußeren, zur kapazitiven Auskopplung ver­ wendeten Elektroden 5, 5' in das Innere der Meßrohrwand eingebettet sind, die hier aus den beiden Teilen 2, 2' besteht. Durch die äußere, zugleich als Abschirmung dienende, metallisch leitende, äußere Ummantelung 3 werden die Anschlüsse 8, 8' der inneren Elektroden und die Anschlüsse 6, 6' der äußeren Elektroden über isolierende Durchführungen 7, 7' nach außen geführt. Das elektrische Ersatzschaltbild zeigt die durch Wechselwirkung der Strömungsge­ schwindigkeit v mit der Induktion B entstehende Meßspannung U0, den Innenwiderstand des Meßmediums Ri und die inneren Kapazitäten Ci, die dem Raum zwischen dem Meßmedium an der Rohrinnenwand und den äußeren Elektroden 5, 5' zuzuordnen sind, und die externen Ka­ pazitäten, die dem Raum zwischen den äußeren Elektroden 5, 5' und der abschirmenden Um­ mantelung 3 zuzuordnen sind. Die Anschlußpunkte 6 und/oder 6' werden während der Meß­ phase Tm mit einer hier nicht gezeigten elektronischen Meß- und Auswerteschaltung verbun­ den. Zur vollständigen Entladung des Systems von Kapazitäten bei gleichzeitiger Erdung wer­ den die Anschlußpunkte 6, 6', 8, 8' mit Erdpotential verbunden, d. h. bei geerdetem Gehäuse mit diesem.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Verwendung zweier identischer Meßsysteme, die in Strömungsrichtung auf Abstand zueinan­ der angeordnet sind, die jedoch in zueinander entgegengesetzter Richtung vom Magnetfeld gleicher Induktion B durchsetzt werden. Durch Differenzbildung der Signale beider Systeme lassen sich gleichpolige Störsignale beliebiger Herkunft eliminieren. Ein für diese Verfahrens­ variante geeignetes Magnetsystem läßt sich vorteilhaft herstellen, indem ein für beide Systeme gemeinsamer magnetischer Kreis mit zwei Spalten versehen ist, die gegensinnige magntische Flußrichtungen aufweisen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit flüssiger Medien mit einer Mindestleitfä­ higkeit durch Auswertung der induzierten elektrischen Spannung, die durch Wechselwirkung der Fließgeschwindigkeit v mit einem zu dieser orthogonalen Magnetfeld der Induktion B ent­ steht, dadurch gekennzeichnet,
daß das Magnetfeld mit der Induktion B statisch ist und von einem Permanentmagneten so erzeugt wird, daß seine Feldlinien das Innere (1) eines elektrisch isolierenden zylindrischen Meßrohres (2, 2'), das vom Meßmedium in axialer Richtung mit der Geschwindigkeit v durchströmt wird, in zur Achse orthogonaler Richtung durchdringen,
daß - ausgehend von einem Gleichgewichtszustand zwischen der im Inneren des Meßrohres durch Wechselwirkung von v und B induzierten elektrischen Spannung U0 und den Ladun­ gen auf den beteiligten Kapazitäten Ci, Ce - die Spannung U0 über dieses System von Ka­ pazitäten Ci, Ce nach außen gekoppelt wird, wobei Ci die innere Kapazität zwischen dem leitfähigen Meßmedium und in die Meßrohrwand (2, 2') isolierend eingebetteten Elektro­ den (5, 5') und Ce die äußere Kapazität zwischen diesen Elektroden (5, 5') und der äuße­ ren, metallisch leitenden Abschirmung (3) des Meßrohres darstellt und die sich dabei ein­ stellende Spannung an mindestens einer der äußeren Kapazitäten Ce während einer zeitlich begrenzten Meßphase mit der Zeitdauer Tm abgegriffen und als Maß für die induzierte Spannung U0 und damit für die Auswertung der Fließgeschwindigkeit v verwendet wird, wodurch sich der Ladungszustand des Systems von Kapazitäten Ci, Ce verändert,
daß nach Abschluß der Meßphase Tm während einer sich zeitlich anschließenden Entlade­ phase Te ein definierter Ausgangszustand durch Entladung aller Einzelkapazitäten Ci, Ce wieder hergestellt wird, wobei der Zugriff auf die inneren Kapazitäten Ci über die im Inne­ ren des Meßrohres angebrachten Elektroden (4, 4') bzw. deren nach außen geführte An­ schlüsse (8, 8') und der Zugriff auf die äußeren Kapazitäten Ce über die Elektroden (5, 5') bzw. deren über Durchführungen (7, 7') nach außen geführte Anschlüsse (6, 6') erfolgt,
daß nach Abschluß dieser Entladephase Te das System der Kapazitäten sich in einer Lade­ phase Tl nach Maßgabe der induzierten Spannung U0 und der Größe der beteiligten Ka­ pazitäten Ci, Ce erneut auf einen definierten Gleichgewichtszustand auflädt und
daß nach Abschluß dieser Ladephase Tl sich eine neue Meßphase Tm anschließt und sich diese Abfolge von Entlade-, Lade- und Meßphasen periodisch fortsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisch leitende Ab­ schirmung (3) des Meßrohres (2, 2') sich auf Erdpotential befindet.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Entladephase Te anstelle der vollständigen Entladung der Kapazitäten Ci, Ce ein definierter Ausgangszustand gewählt wird, in dem die Kapazitäten Ci, Ce durch An­ schluß an externe Spannungsquellen auf definierte Spannungen aufgeladen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen aufeinander­ folgender Entladephasen alternierende Polarität aufweisen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Systemaufbau bedingten Kapazitäten Ci, Ce durch Zuschalten externer Kapazi­ täten verändert werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein zweites Meßsystem in axialem Abstand zum ersten Meßsystem im Meßrohr befindet, das mit dem ersten identisch ist, wobei jedoch beide Meßsysteme bei gleicher Höhe der Induktion B in einander entgegengesetzter Richtung der Feldlinien vom Magnetfeld durch­ setzt werden, so daß durch Subtraktion der in beiden Systemen auf identische Weise abge­ griffenen Meßspannungen eine Elimination von Störungen erfolgt, die gleichpolig auf beide Systeme einwirken, und durch deren Addition die Erfassung gegenpoliger Effekte, wie z. B. elektrochemischer Potentiale, möglich wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß be­ sondere Formierungsphasen Tf zwischen die Entlade- (Te) und Ladephasen (Tl) geschaltet werden, indem durch Kurzschließen der Elektroden (4, 4') oder durch Anschließen an eine externe Spannungsquelle der Aufbau elektrochemischer Spannungen unterbunden wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden 4, 4' an eine Batterieladeschaltung angeschlossen werden, um aus der Strö­ mung gewonnenen Energie zum Betrieb des Meßsystems zu speichern.