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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fehlerkompensation
und Überwachung magnetisch-induktiver
Durchflussmesser mit einem Messrohr, wobei im Messrohr Elektroden
angeordnet sind, die eine der Durchflussgeschwindigkeit proportionale
Spannung abgreifen.
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Diese
Messanordnungen zur Durchflussmessung sind allgemein bekannt.
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Mit
magnetisch-induktiven Durchflussmessern wird der Volumendurchfluss
von elektrisch leitfähigen Messstoffen
gemessen. Ein elektrischer Leiter, das ist im Allgemeinen eine elektrisch
leitfähige
Flüssigkeit oder
Suspension (Messstoff), bewegt sich durch ein Magnetfeld. In dem
vom Magnetfeld durchflossenen Messstoff wird entsprechend dem Faradayschen
Prinzip eine Spannung e induziert, die direkt proportional von der
mittleren Fließgeschwindigkeit
v abhängt.
Die magnetische Induktion B (Stärke
des Magnetfeldes) und der Elektrodenabstand D (Rohrnennweite) werden
als konstant betrachtet. e = K × B × v × D (1)mit:
- B
- magnetische Induktion
- K
- Gerätekonstante
- v
- mittlere Fliessgeschwindigkeit
des Messstoffes
- D
- Elektrodenabstand
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Der
Elektrodenabstand D ist für
magnetisch-induktive Durchflussmesser gleich dem Rohrdurchmesser.
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Der
Volumendurchfluss Q lässt
sich berechnen nach: Q
= v × D2 × π/4 (2)
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Aus
Gleichung 1 folgt: v
= e/K × B × D (3)
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Damit
ist: Q = (e/K × B) × D × π/4 (4)
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Damit
e = proportional Q ist, muss der gesamte Rohrquerschnitt vom Messstoff
durchströmt
sein.
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Die
Befüllung
des gesamten Messrohrquerschnittes ist daher eine grundlegende Vorraussetzung
für das
Funktionieren dieser Messgeräte
mit minimalen Fehlern.
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Für teilbefüllte magnetisch-induktive
Durchflussmesser (auch Freispiegelmessungen genannt) sind Lösungen bekannt.
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Dazu
werden in die Rohrauskleidung berührungslose kapazitive Füllstandmesser
integriert. Damit sollen Messungen bis hinunter zu 10% Teilbefüllung möglich sein.
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Bei
dieser Fehlerkorrektur wird aber der Einfluss von Ablagerungen nicht
mit berücksichtigt.
Diese Ablagerungen können
auch wie Sedimente verstanden werden, die den Messrohrquerschnitt
unterhalb der Elektroden verringern.
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Ablagerungen
auf der Rohrsohle verfälschen
durch Verkleinerung des Querschnitts das Messergebnis, während Ablagerungen
auf den Messelektroden zu fehlerhafter Geschwindigkeitsmessung durch
falsche Spannungsmessung führen
können.
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Die
spezifische Dielektrizitätskonstante
der Ablagerungen führt
hier zu einer zusätzlichen
Fehlmessung der Füllstandmessung
und damit zu einer fehlerhaften Durchflusskorrektur.
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Diese
Ablagerungen im Messaufnehmer sind vorwiegend im Zulauf zur Kläranlage
zu befürchten
aber auch in feststoffbeladenen Zuläufen von Trinkwasseraufbereitungsanlagen.
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Es
sind auch magnetisch-induktive Messwertaufnehmer bekannt, die durch
zusätzliche
Elektrodenpaare im teilbefüllten
Zustand messen können.
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Ein
anderer Weg die vollständige
Befüllung
des Messrohres zu gewährleisten,
ist die Dükerung.
Dabei wird der magnetisch-induktive Durchflussmesser tiefer als
der Zu- und Ablauf der zu messenden Rohrleitung gelegt. Diese Einbauvariante
des magnetisch-induktiven
Durchflussmessers birgt aber bei niedrigen Messstoffgeschwindigkeiten
die Gefahr der Sedimentbildung.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mittels dem die vorstehend
genannten Fehler eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers nicht
nur erkannt, sondern auch korrigiert werden können ohne das zusätzliche
Informationen über
den Messstoff vorliegen müssen.
Weiterhin ist keine zusätzliche Messvorrichtung
an der Messleitung notwendig. Aufgabe der Erfindung ist es ferner,
einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser aufzuzeigen, bei dem
die vorstehend genannten Fehler bei der Querschnittberücksichtigung
des Messrohres zur Volumendurchflussberechnung auf der Basis des
erfindungsgemäßen Verfahrens zuverlässig kompensiert
werden können.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur Kompensation von Fehlern in
Durchflussmesssignalen von magnetisch-induktiven Durchflussmessern
die Messrohre aus einem gegenüberliegenden
Elektrodenpaar besitzen und das Messrohr bis oben voll mit Messstoff
gefüllt
ist, wobei
- a) durch ein oberhalb der Messelektroden
eingebautes piezoelektrisches Element im Impuls-Echo-Betrieb die
Echolaufzeit senkrecht zur Strömungsrichtung
in der Flüssigkeit
ermittelt wird,
- b) entsprechend dem Schritt a) die ermittelte Flüssigkeitshöhe zur Querschnittsberechnung
verwendet wird,
- c) entsprechend Schritt a) eine Hüllkurvenbewertung der Echos
die Analyse der Sedimente ermöglicht
wird,
- d) dass entsprechend Schritt a) die ermittelte Flüssigkeitshöhe zur Beurteilung
der Funktionsfähigkeit
des magnetisch-induktives Durchflussmessers herangezogen wird.
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Gegenstand
der Erfindung ist ferner ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser
für voll
befüllte Messrohre,
wobei ein
- e) piezoelektrisches Element die
Flüssigkeitshöhe senkrecht
von oben nach unten ermittelt,
- f) dass piezoelektrische Element nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit
steht,
- g) dass piezoelektrische Element Teil einer Messstoffüberwachung
ist,
- h) dass piezoelektrische Element ein leitfähiges Gehäuse besitzen kann und mit der
Flüssigkeit
in Kontakt steht.
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Die
Messung des vom Messstoff durchströmten Querschnittes muss von
oben erfolgen, da eine lose Ansammlung von Sedimenten, zum Beispiel
Sandkörner,
keine Messung der Messstoffhöhe
von unten gestattet.
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Die
Füllhöhenmessung
erfolgt mit einem piezoelektrischen Element durch die Laufzeitmessung
eines Ultraschallimpulses.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erfordert einen mit Messstoff voll befüllten magnetisch-induktiven Durchflussmesser,
da sich die zur Füllhöhenmessung
verwendeten Ultraschallwellen nicht durch Luft oder Gas fortpflanzen.
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Das
oberhalb der Elektroden angebrachte piezoelektrische Element ermittelt
den Abstand von der Messrohrwand und der Oberfläche des im unteren Teil befindlichen
Sedimentes.
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Mit:
- r
- Messrohrradius (r
= ½ D)
- h
- Füllhöhe des Sedimentes (h = D – m)
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Aus
der gemessenen Füllhöhe des Messstoffes
m ergibt sich die durch das Sediment besetzte Querschnittsfläche A zu:
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Der
wahre Volumendurchfluss Qw errechnet sich danach zu: Qw = v × D2 × π/4 – A (6)
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Diese
Berechnung gilt unter der Annahme, dass die Sedimente im Messrohr
einen Kreisabschnitt bilden.
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Je
nach Ausbildung der Querschnittsfläche kann die Berechnungsvorschrift
variiert werden.
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Zur
Vereinfachung der Berechnung können
natürlich
auch normierte Korrekturfaktoren in einer Tabelle abgespeichert
werden. Zur Korrektur des durchflossenen Querschnittes wird dann
nur noch das Verhältnis
von Rohrdurchmesser und ermitteltem Abstand zur Sedimentoberfläche gebildet
und mit dem abgespeicherten Korrekturwert aus der Tabelle verrechnet.
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Die
zur Füllhöhenmessung
verwendeten piezoelektrischen Elemente ragen nicht in den Messstoff
hinein. Je nach Ausgestaltung kann durch das äußere Messrohr oder durch das
innere elektrisch isolierte Messrohr hindurch gemessen werden.
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Die
Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigen:
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1:
magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtung mit Querschnittskompensation
im Querschnitt
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2:
magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtung mit Querschnittskompensation
als Teil einer Messstoffüberwachung
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1 zeigt
einen Querschnitt einer magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung
mit den Spulen 3a und 3b sowie den Elektroden 2a und 2b im
Querschnitt. Im Messrohr 1, das hier mit nicht weiter dargestellten
Flanschen in ein Rohrsystem angeordnet ist, wird der Rohrquerschnitt
durch eine Sedimentschicht 6 verringert.
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Der
für das
strömende
Messstoffmedium zur Verfügung
stehende Rohrquerschnitt ist um die Fläche eines Kreisabschnittes
kleiner. Zur Kompensation des Fehlers genügt es, die Sedimenthöhe 6 zu
bestimmen. Da der Messrohrdurchmesser gleich dem Abstand des Elektrodenpaares 2a und 2b und
damit bekannt ist, muss nur die Höhe der Sedimentschicht 6 bestimmt
werden. Die Abstandmessung zwischen dem piezoelektrischen Element 4 und
der Oberfläche
des Sediments 6 wird durch die Laufzeit 5 bestimmt.
Ein Füllstandmesser 9 nach
dem Impuls-Echo-Verfahren ist mit einem Korrekturrechner 7 verbunden.
Im Korrekturrechner wird die von dem Elektrodenpaar 2a und 2b gelieferte
Spannung in für
magnetisch-induktive Durchflussmesser bekannter Weise in eine Durchflussgeschwindigkeit
umgerechnet und als kompensierter Durchflussmesswert 8 ausgegeben.
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Aus
dem Füllstandmesswert
wird die um die Fläche
des Kreisabschnittes verringerte durchströmte Querschnittsfläche im Korrekturrechner
ermittelt.
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Die
Berechnung kann direkt nach der Funktion (5) erfolgen oder
als abgespeicherter Tabellenwert (zum Beispiel dimensionsloses Verhältnis von
Elektrodenabstand D und ermittelter Füllhöhe h des Sedimentes 6).
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform erfolgt die Messung
der Laufzeit 5 mit einem piezoelektrischen Element 4 durch
die Messrohrwand 1 hindurch.
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Die
Montage des piezoelektrischen Elementes 4, welches Teil
einer Füllstandmesseinrichtung 9 ist, erfolgt
in der bekannten Weise, wie sie bei Messungen durch die Wand notwendig
ist.
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Der
Vorteil dieser Ausführungsform
besteht darin, dass die zusätzliche
Messung der Laufzeit 5 mit einer Füllstandmessung mit einem piezoelektrischen
Element 4 durchgeführt
wird, die keine zusätzliche
Bohrung im Messrohr 1 erfordert. Dichtprobleme können somit
nicht auftreten.
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Die
Füllhöhenmessung
des Sedimentes 6 kann natürlich parallel zur Durchflussmessung
durchgeführt werden.
Ist der Messstoff aber gasblasenreich oder besitzt einen so großen Anteil
an Feststoffen, dass keine Messung während der Durchströmung möglich ist,
genügt
es, in bestimmten Zeitabschnitten eine Kontrollmessung mit stehendem
Messstoff, nur mit Wasser oder mit einer anderen geeigneten Flüssigkeit
zu machen. Wird eine bestimmte Höhe
des Sedimentes 6 ermittelt, die technologisch noch keine
Säuberung
des magnetisch-induktiven
Durchflussmessers erfordert, wird die Durchflussmessung mit dem
korrigierten Querschnitt weiter fortgeführt.
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Sich ändernde
Schallgeschwindigkeiten des Messstoffes können durch Plausibilitätsprüfung des
Füllstandmesswertes überwacht
oder zusätzlich
kompensiert werden.
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In
der Mehrzahl der Anwendungsfälle
ist der Messstoff bekannt und der Temperaturbereich der Anwendung
bewegt sich in bekannten Grenzen.
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2 zeigt
eine magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtung mit Querschnittskompensation
als Teil einer Messstoffüberwachung
mit den Spulen 3a und 3b sowie dem Elektrodenpaar 2a und
2b im Querschnitt.
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Oberhalb
der Elektroden 2a und 2b ist ein piezoelektrisches
Element in einen Füllstandsensor 11 in ein
leitfähiges
Gehäuse
eingebaut. Der Füllstandsensor 11 und
der Füllstandmesser 9 nach
dem Impuls-Echo-Verfahren ist mit einem Korrekturrechner 7 verbunden.
Im Korrekturrechner wird die von dem Elektrodenpaar 2a und 2b gelieferte
Spannung in für
magnetisch-induktive Durchflussmesser bekannter Weise in eine Durchflussgeschwindigkeit
umgerechnet und als kompensierter Durchflussmesswert 8 ausgegeben.
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Weiterhin
ist der Füllstandsensor 11 mit
dem piezoelektrischen Element Teil einer Messstoffüberwachung 10.
Die Messstoffüberwachung
kann zum Beispiel eine bekannte Leitfähigkeitsmesseinrichtung sein. Dazu
ist unterhalb des Elektrodenpaares 2a und 2b eine
Masseelektrode 12 im Messrohr 1 angeordnet.
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Aus
dem Füllstandmesswert
wird wie in 1 erläutert, die um die Fläche des
Kreisabschnittes verringerte durchströmte Querschnittsfläche im Korrekturrechner
ermittelt.
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In
der in 2 gezeigten Ausführungsform erfolgt die Messung
der Laufzeit 5 mit einem Füllstandsensor 12 mit
piezoelektrischem Element in der Messrohrwand 1.
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Die
Durchführung
der Füllhöhenmessung
des Sedimentes 6 kann so erfolgen wie unter 1 beschrieben.
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In
weiteren hier nicht näher
dargestellten Ausführungsformen
kann die Durchführung
der Messstoffüberwachung
auch anders gestaltet sein.
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Das
erfindungsgemäßer Verfahren
kann auch bei magnetisch-induktivem Durchflussmesser mit kapazitivem
Signalabgriff erfolgen.
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Eine
weitere Ausführungsform
kann die Laufzeitmessung so erweitert durchführen, dass nicht nur das erste
Echo zur Füllhöhenbestimmung
herangezogen wird, sondern die Anzahl weiterer Echos und die Signalamplitude
der Echos zur Beurteilung des Sedimentes verwendet wird.
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So
werden dichte gut reflektierende Sedimente nicht nur mehr Echos,
sondern auch höhere
Echoamplituden bewirken. Gelartige Ablagerungen, zum Beispiel Verockerungen,
haben weniger Echos und geringere Echoamplituden. Über eine
Hüllkurvenbewertung
können
somit zusätzlich
Informationen über
das Sediment gewonnen werden.
