DE10116776A1 - Magnetisch-induktiver Durchflussmesser - Google Patents

Abstract

Magnetisch-induktiver Durchflußmesser zur Erfassung der Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums, insbesondere Brauch- oder Abwasser, in einer Rohrleitung, mit Magnetpolen, die ein Magnetfeld senkrecht zur Fließrichtung erzeugen, und zwei einander gegenüberliegenden Elektroden, an denen die senkrecht zur Magnetfeldrichtung und zur Fließrichtung im Medium induzierte Spannung erfaßbar ist, wobei zwei einander gegenüberliegende Magnetpole (1) an oder in der Wandung des Rohres (2) angeordnet sind, die Magnetpole (1) entweder aus permanent magnetischen oder aus magnetisch leitfähigem Material bestehen, wobei in letztere eine Magnetspule das Magnetfeld einleitet, die Magnetpole (1) im wesentlichen halbkreisförmig ausgeformt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetisch-in­ duktiven Durchflußmesser zur Erfassung der Fließge­ schwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums, insbesondere Brauch- oder Abwasser, in einer Rohr­ leitung, mit Magnetpolen, die ein Magnetfeld senk­ recht zur Fließrichtung erzeugen, und zwei einander gegenüberliegenden Elektroden, an denen die senk­ recht zur Magnetfeldrichtung und zur Fließrichtung im Medium induzierte Spannung erfaßbar ist.

Magnetisch-induktive Durchflußmesser sind seit lan­ gem bekannt und gebräuchlich. Mit ihnen wird die Durchflußgeschwindigkeit von Flüssigkeiten, Breien und Pasten in Rohrleitungen gemessen. Sie werden sowohl an Rohren mit kleinen Querschnitten wie z. B. bei Meßanlagen in Laboratorien, als auch bei in­ dustriellen Anwendungen wie u. a. in Kläranlagen eingesetzt. Die Meßgeräte weisen dabei keine beweg­ lichen oder in das Meßrohr hineinragenden Teile auf, sind praktisch verschleißfrei und beeinflussen nicht die Fließgeschwindigkeit des zu messenden Me­ diums. Wie dem Fachmann bekannt, ist dabei die Meß­ genauigkeit praktisch unabhängig von Dichte, Tempe­ ratur, Viskosität, Druck und Leitfähigkeit des Me­ diums, sofern eine gewisse elektrische Mindestleit­ fähigkeit vorhanden ist, wie es bei den verschmutz­ ten Brauch- oder Abwässern in Kläranlagen im allge­ meinen gegeben ist. Der Vorteil dieser Meßmethode besteht auch darin, daß die Meßergebnisse praktisch nicht von unterschiedlichen Strömungsprofilen in der Rohrleitung beeinflußt werden, wie im Stand der Technik allgemein bekannt.

Die Grundlage für die magnetisch-induktive Durch­ flußmessung ist das Faraday'sche Induktionsgesetz. Es besagt, daß in einem Leiter, der in einem senk­ recht dazu orientierten Magnetfeld bewegt wird, die Induktion einer elektrischen Spannung erfolgt. Bei der gerätetechnischen Ausnutzung dieses Meßprinzips durchfließt das leitfähige Medium ein Rohr, in dem senkrecht zur Fließrichtung ein externes, konstan­ tes Magnetfeld ausgerichtet ist. Dieses wird übli­ cherweise von einer Magnetspule erzeugt, deren Längsachse senkrecht zum Rohr ausgerichtet ist. Da­ bei durchdringt das Magnetfeld das Rohr und die darin fließende Flüssigkeit zumindest in einem um die vertikale Mittelebene des Rohres symmetrischen Bereich. Die im fließenden Medium induzierte Span­ nung wird von zwei diametral, zumeist in der Hori­ zontalen angeordneten Elektroden abgegriffen, wobei die gedachte Verbindungslinie zwischen den Elektro­ den jeweils senkrecht zu der Fließrichtung und der Magnetfeldrichtung orientiert ist. Die an den Elek­ troden anliegende Meßspannung U ist dabei der ma­ gnetischen Induktion B, dem Elektrodenabstand d so­ wie der mittleren Strömungeschwindigkeit v propor­ tional. Bei einem vorgegebenem äußeren Magnetfeld konstanter Größe B und einem konstanten Elektroden­ abstand d, ergibt sich eine Proportionalität zwi­ schen der Meßspannung U und der mittleren Fließge­ schwindigkeit v, aus der sich unter Berücksichti­ gung des Rohrquerschnitts bzw. der Füllstandshöhe im Rohr der Volumendurchfluß des Mediums errechnen läßt.

Der Nachteil der bisher bekannten magnetisch-induk­ tiven Durchflußmesser besteht darin, daß insbeson­ dere an Kläranlagen, denen das Abwasser in Rohrlei­ tungen mit großer Querschnittsfläche zugeführt wird, die Erfassung der Abwassermengen mit diesen Meßmethoden oft nicht möglich ist, da Meßgeräte bzw. Magnetspulen für entsprechende Rohrleitungen entweder nicht verfügbar sind, oder bei Rohren mit einer Armierung aus Stahl ein von Außen auf das Rohrinnere gerichtetes magnetisches Feld aufgrund der magnetischen Abschirmung der Armierung nicht in das Rohrinnere eindringen kann. Gerade aber bei Kläranlagen zur Reinigung und Aufbereitung von Brauch- und Abwässern ist eine exakte Mengenerfas­ sung, z. B. zur Berechnung der Gebühren, unabding­ bar und auch gesetzlich vorgeschrieben.

Ausgehend vom Stand der Technik hat sich die Erfin­ dung zur Aufgabe gestellt, einen magnetisch-induk­ tiven Durchflußmesser derart zu gestalten, daß er Durchflußmenge eines Mediums auch in Rohrleitungen mit großer Querschnittsfläche erfasst werden kann, so wie der Durchflußmesser auch nachträglich in­ stalliert ist oder er an armierten Rohren einge­ setzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei einander gegenüberliegende Magnetpole an oder in der Wandung des Rohres angeordnet sind, die Magnetpole entweder aus permanent magnetischen oder aus magnetisch leitfähigem Material bestehen, wobei in letztere eine Magnetspule das Magnetfeld einlei­ tet, die Magnetpole im wesentlichen halbkreisförmig ausgeformt sind.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht in der einen Alternative darin, daß im Gegensatz zu bisher be­ kannten Durchflußmessern, bei denen das von einer Magnetspule erzeugte Magnetfeld aus der Spule stirnseitig austritt und die Wandung des Rohres so­ wie das fließende Medium durchdringt hier zusätzli­ che Magnetpole an oder in der Wandung des Rohres angeordnet sind, in die das Magnetfeld aus der Ma­ gnetspule eingeleitet wird. Der Begriff "Anordnung der Magnetpole an der Wandung des Rohres" um­ schließt im Sinne der Erfindung auch jene Ausge­ staltungen, bei denen die Magnetpole einen geringen Abstand zur Wandung des Rohres aufweisen. Sie die­ nen dazu, das Magnetfeld zu führen und zu verbrei­ tern, das bedeutet, daß das Magnetfeld über die ge­ samte Breite bzw. Querschnittsfläche des Rohres verteilt aus einem Magnetpol austritt, durch das fließende Medium hindurchtritt und am gegenüberlie­ genden Magnetpol wieder in ihn eintritt. Dazu sind die Magnetpole im wesentlichen halbkreisförmig aus­ geformt und liegen einander gegenüber. Als magne­ tisch leitfähiges Material für die Magnetpole kön­ nen u. a. verschiedenste, dem Fachmann bekannte Me­ talle verwendet werden, insbesondere wird jedoch Weicheisen zur Anwendung kommen, das von den Kernen in Magnetspulen zur Erhöhung der Feldstärke bekannt ist. Prinzipiell können auch anders geformte Rohr­ querschnitte, beispielsweise quadratisch oder rechteckig, vom Medium durchflossen werden, die Form der Magnetpole kann dann vom Fachmann entspre­ chend gewählt werden.

Die Erfindung sieht eine weitere, von der vorbe­ schriebenen Lösung abweichende Alternative vor, bei der die Notwendigkeit der Verwendung einer Magnet­ spule, durch die ein Magnetfeld erzeugt wird und von dort zu den Magnetpolen gelangt, nicht erfor­ derlich ist. Die Magnetpole bestehen aus permanent magnetischem Material, die derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen das zur Durchführung der Messung erforderliche Magnetfeld erzeugt wird. Eine Verbin­ dung nach außen oder gar zu einer Magnetspule ent­ fällt.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß über die gesamte Breite der Querschnittsfläche des Roh­ res ein magnetisches Feld das senkrecht dazu flie­ ßende Medium durchdringt. Die entsprechend ausge­ formten Magnetpole können auch nachträglich an der Außenseite der Rohrwandung, die aus einem nicht leitfähigen Material besteht, angebracht werden. Die Einleitung des in einer Magnetspule erzeugten magnetischen Flusses in den Magnetpol kann bei­ spielsweise derart erfolgen, daß ein Eisenkern, der zur Verstärkung der magnetischen Induktion in der Spule dient, über die Länge der Spule hinaus ver­ längert ist und unmittelbar an den halbkreisförmi­ gen Magnetpol angeformt ist. Mit dem praktisch über die gesamte Breite des Rohres aufgeweiteten Magnet­ feld wird im fließenden Medium über diese gesamte Breite eine jeweils von den lokalen Fließgeschwin­ digkeiten abhängige Spannung induziert. Damit wer­ den unterschiedlichste Strömungsprofile erfaßt und die Meßgenauigkeit erhöht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge­ genstand von Unteransprüchen.

In einfacher Weise kann der Magnetpol in Form eines Halbrings ausgeführt sein, was bedeutet, daß das Rohr von zwei einander gegenüberliegenden Magnetpo­ len im wesentlichen vollständig umgeben ist. Zwi­ schen ihnen ist lediglich jeweils ein Spalt zur Vermeidung des magnetischen Kurzschlusses vorhan­ den. In diesem Bereich können auch die Elektroden zur Erfassung der induzierten Spannung angeordnet sein, wobei, wie im Stand der Technik bekannt, be­ vorzugt die kapazitive Meßwerterfassung zur Anwen­ dung kommt, bei der die Elektrode, die von Außen auf die Wandung des Rohres aufgesetzt ist, mit der die Rohrinnenwand benetzenden Flüssigkeit einen Koppelkondensator bildet, dessen Dielektrikum das Material der Rohrwandung ist. Diese Ausgestaltung des Magnetpols bietet den Vorteil, daß er auch nachträglich an der äußeren Wandung eines Rohres angebracht werden kann, ohne daß beispielsweise das Rohr angebohrt werden muß, um einen Magnetspule in den Innenraum des Rohres zu führen. Einzige Bedin­ gung hierfür ist, daß das Rohr nicht aus elektrisch leitfähigem Material besteht, bzw. nicht armiert ist, um das Magnetfeld nicht zu schwächen bzw. ab­ zulenken.

Alternativ dazu wird vorgeschlagen, daß der Magnet­ pol in Form eines metallischen Bandes oder Netzes ausgeführt ist, das z. B. mit einem geeigneten Klebstoff am Rohr befestigt wird. Die Einleitung des Magnetflusses in den Magnetpol kann dabei in der oben beschriebenen Weise über einen an den Ma­ gnetpol angeschlossenen Eisenkern erfolgen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform be­ finden sich die Magnetpole auf der Außenseite eines Innenrohres, das koaxial im Inneren der Rohrleitung angebracht ist. Man erhält eine Doppelrohranord­ nung, bei denen sich die Magnetpole zwischen dem äußeren und dem inneren Rohrmantel befinden. Als Magnetpole können sowohl permanentmagnetische Pole eingesetzt werden oder aber Magnetpole aus magne­ tisch leitfähigem Material, die durch das Magnet­ feld einer Magnetspule deren Magnetisierung erfah­ ren. Diese Anordnung bietet den besonderen Vorteil, bei bestehender Rohrleitung nachträglich durch axiales Einschieben des Innenrohres die erfindungs­ gemäße Anordnung einzubauen. Hierzu wird das Innen­ rohr in axialer Richtung und im wesentlichen in ko­ axialer Zuordnung eingeschoben, wobei das Gewicht des Innenrohres über Rollen abgestützt sein kann.

Um eine Beschädigung des Magnetpols zu vermeiden, und insbesondere bei einem an der inneren Wandung des Rohres angebrachten Magnetpol eine Verfälschung der Meßwerte durch Strömungswiderstände oder Ver­ wirbelungen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, daß er in der Wandung des Rohres versenkt angebracht ist. Dabei wird das metallische Band oder Netz oder die Halbringe in einer nutartigen Vertiefung befe­ stigt, z. B. festgeklebt. Bei einer Ausführung an der Innenseite der Rohrwandung wird der magnetische Fluß aus der Spule über einen geeigneten Leiter, auch hier beispielsweise ein Weicheisenkern, durch die Wandung des Rohres hindurch in den Magnetpol eingeleitet.

Besonders für armierte Rohre, z. B. Stahlbeton­ rohre, wird vorgeschlagen, daß der von der Magnet­ spule erzeugte magnetische Fluß in die Armierung des Rohres eingeleitet wird. Dabei ist es notwen­ dig, daß die Armierung nicht um das gesamte Rohr umlaufend durchgehend bzw. einstückig ausgeführt ist, sondern daß zumindest an zwei, vorteilhafter Weise einander gegenüberliegenden Stellen, die Ar­ mierung unterbrochen ausgeführt ist, um einen ma­ gnetischen Kurzschluß zu vermieden. Die Armierung dient als Magnetpol zur Verteilung des Magnetfeldes bzw. des magnetischen Flußes über den gesamten Rohrquerschnitt. Dabei kann das Magnetfeld über einen oben beschriebenen Weicheisenkern in die Ar­ mierung eingeleitet werden. Dies kann entweder der­ art erfolgen, daß nachträglich eine Bohrung in der Wandung des Rohres angebracht wird, und der Weich­ eisenkern mit der Armierung kontaktiert wird. Prin­ zipiell ist es auch möglich, bereits bei der Her­ stellung eines armierten Rohres eine nach außen führende Elektrode anzubringen, über die der magne­ tische Fluß einer Magnetspule in die Armierung ein­ geleitet werden kann.

Vorteilhafterweise ist das Rohr bzw. der magne­ tisch-induktive Durchflußmesser mit einem Drucksen­ sor an der Innenseite des Rohres, in dessen Boden­ bereich, ausgestattet, um über die Messung des Was­ serdrucks die Füllstandshöhe des Rohres zu erfas­ sen. Bei bekannter Rohrgeometrie sowie gemessener Füllstandshöhe kann die aktuelle Querschnittsfläche des fliesenden Mediums im Rohr erfaßt werden, was insbesondere bei nicht vollständig gefüllten Rohren zur exakten Durchflußmessung notwendig ist. Deswei­ teren wird vorgeschlagen, piezoelektrische Druck­ sensoren zu verwenden, bei denen aufgrund des auf einen Kristall ausgeübten Drucks in ihm eine elek­ trische Meßspannung induziert wird. Sie zeichnen sich durch eine hohe Meßgenauigkeit aus und sind dem Fachmann seit langem bekannt.

Eine andere Möglichkeit zur Erfassung der Füll­ standshöhe des fließenden Mediums im Rohr besteht darin, die Laufzeit eines Ultraschallimpulses zu messen. Dazu sind an Ober- und Unterseite des Roh­ res je ein Impulsgeber und/oder ein Sensor für Ul­ traschallwellen angebracht, die in der Vertikalen betrachtet übereinander angeordnet sind. Wie im Stand der Technik bekannt, unterscheidet sich die Schallgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in ei­ ner Flüssigkeit wie Wasser erheblich von der in Luft. Daher kann die Laufzeitmessung, bei der die Schallwelle einen Teil der Strecke zwischen Geber und Sensor in der Flüssigkeit und den anderen Teil in Luft zurücklegt, zur Bestimmung der Höhe bzw. des Füllstandes der Flüssigkeit im Rohr herangezo­ gen werden. Eine entsprechende Synchronisierung von Geber und Sensor bzw. das abwechselnde Aussenden von Schallimpulsen von unten nach oben und umge­ kehrt ist dem Fachmann möglich.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher darge­ stellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Rohrleitung mit einem Durchflußmesser in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine armierte Rohrleitung im Querschnitt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung handelt es sich um eine Rohr­ leitung (2) für Brauch- oder Abwasser, in der das Wasser mit der Geschwindigkeit v fließt. Senkrecht dazu wird zwischen zwei im wesentlichen halbkreis­ förmig ausgeformten Magnetpolen (1) ein Magnetfeld B erzeugt. Diese bestehen aus einem magnetisch leitfähigen Material, vorzugsweise einem Weichei­ sen. Das in einer externen Magnetspule, die eben­ falls mit einem Weicheisenkern ausgestattet sein kann, erzeugte Magnetfeld wird über einen geeigne­ ten magnetischen Leiter (6) in den Magnetpol (1) eingeleitet. Dadurch bildet sich ein Magnetfeld aus, das über die gesamte Querschnittsfläche des Rohres (2) aufgeweitet ist, und nach dem Fara­ day'schen Induktionsgesetz eine Spannung in dem senkrecht zum Magnetfeld fließenden Medium erzeugt. Zur Erfassung dieser Spannung dienen zwei diametral gegenüberliegende Elektroden (5), die, in dem Fach­ mann bekannter Weise, kapazitiv die Spannung ab­ greifen können. Das von der Spannung U zwischen den Elektroden erzeugte elektrische Feld E, sowie v und B bilden dabei ein rechtshändiges System. Am Boden der Rohrleitung (2) kann noch ein zusätzlicher Drucksensor (4) angeordnet sein, um die Füllstands­ höhe in der Rohrleitung (2) zu erfassen, und die Meßgenauigkeit bei der Erfassung der Durchflußmenge zu erhöhen. Aufgrund der Erstreckung des Magnet­ felds über die gesamte Breite des Rohrquerschnitts werden auch die unterschiedlichen Fließgeschwindig­ keiten des Mediums, insbesondere in den Randberei­ chen der Rohrleitung, erfaßt, da auch ihr Beitrag zur Spannung U mit in den Meßwert einfließt.

In Fig. 2 ist eine mit einer Armierung versehene Rohrleitung (2) im Querschnitt dargestellt. Dabei ist die Armierung zumindest in dem Abschnitt der Rohrleitung (2), in dem die Durchflußmessung vorge­ nommen werden soll, in Form zweier einander gegen­ überliegender Halbkreise oder -ringe (3) ausge­ führt. Bereits bei der Herstellung des Rohres kann eine Elektrode (6), vorzugsweise aus Weicheisen, an die Armierung angeformt werden, und aus dem Rohr nach außen überstehen, um den in einer Magnetspule erzeugten magnetischen Fluß in die Armierung ein­ leiten zu können. Mit den Pfeilen ist die Feldver­ teilung des magnetischen Feldes über den Quer­ schnitt der Rohrleitung (2) angedeutet. Die Fließ­ richtung des Abwassers verläuft dabei senkrecht zur Zeichenebene bzw. zur Ebene des Magnetfeldes.

Claims (9)

1. Magnetisch induktiver Durchflußmesser zur Erfa­ sung der Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums, insbesondere Brauch- oder Ab­ wasser, in einer Rohrleitung, mit Magnetpolen, die ein Magnetfeld senkrecht zur Fließrichtung erzeu­ gen, und zwei einander gegenüberliegenden Elektro­ den, an denen die senkrecht zur Magnetfeldrichtung und zur Fließrichtung im Medium induzierte Spannung erfaßbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwei einander gegenüberliegende Magnetpole (1) an oder in der Wandung des Rohres (2) angeordnet sind,
• - die Magnetpole (1) entweder aus permanent magne­ tischen oder aus magnetisch leitfähigem Material bestehen, wobei in letztere eine Magnetspule das Magnetfeld einleitet,
• - die Magnetpole (1) im wesentlichen halbkreisför­ mig ausgeformt sind.

2. Magnetisch induktiver Durchflußmesser nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnet­ pole (1) die Form eines Halbringes aufweisen.

3. Magnetisch induktiver Durchflußmesser nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnet­ pole (1) aus einem metallischen Band oder Netz be­ stehen.

4. Magnetisch induktiver Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Magnetpole (1) auf der Außenseite ei­ nes Innenrohres sitzen, das koaxial im Inneren der Rohrleitung angebracht ist.

5. Magnetisch induktiver Durchflußmesser, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr vorzugsweise über Rollen gestützt axial einschiebbar ist.

6. Magnetisch induktiver Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Magnetpole (1) an der inneren oder äu­ ßeren Wandung des Rohres (2) angebracht sind, ins­ besondere sie in der Wandung versenkt sind.

7. Magnetisch induktiver Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Magnetspule das Magnetfeld in die me­ tallische Armierung des Rohres einleitet, wobei die Armierung aus zwei an einander gegenüberliegenden Seiten des Rohres (2) in der Wandung angeordneten Halbringen (3) besteht.

8. Magnetisch induktiver Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Drucksensor (4) zur Erfassung der Füllstandshöhe im Rohr (2) an der Innenseite der Rohrwandung vorhanden ist, insbesondere ein piezo­ elektrischer.

9. Magnetisch induktiver Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drucksensor (4) die Füllstandshöhe im Rohr (2) mit der Laufzeitmessung von Ultraschall­ wellen erfaßt.