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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen und/oder Überwachen
des Durchflusses eines Messmediums, das ein Messrohr in Richtung
der Längsachse
des Messrohrs durchströmt,
mit einer Magnetanordnung, die ein das Messrohr durchsetzendes und
im wesentlichen quer zur Längsachse des
Messrohrs verlaufendes Magnetfeld erzeugt, mit zwei Messelektroden,
die galvanisch oder kapazitiv mit dem Messmedium gekoppelt und derart
angeordnet sind, dass in sie eine durch das Messmedium hervorgerufene
Messspannung induziert wird, mit einer Auswerte-/Regeleinheit, die
anhand der in die Messelektrode induzierten Messspannung Information über den
Volumenstrom des Messmediums in dem Messrohr bereitstellt, wobei
zumindest zwei Elektrodenkabel vorgesehen sind, über die die Messsignale zwischen
den Messelektroden und der Regel-/Auswerteeinheit geführt werden,
wobei die Elektrodenkabel in zumindest einem Teilbereich so angeordnet
sind, dass zwischen ihnen eine Fläche definiert ist, die im wesentlichen
senkrecht zu der Hauptrichtung des Magnetfeldes der Magnetanordnung ausgerichtet
ist.
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Magnetisch-induktive
Durchflussmessgeräte nutzen
für die
volumetrische Strömungsmessung
das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus: Senkrecht zu einem
Magnetfeld bewegte Ladungsträger des
Messmediums induzieren in gleichfalls im wesentlichen senkrecht
zur Durchflussrichtung des Messmediums angeordnete Messelektroden
eine Induktionsspannung. Diese in die Messelektroden induzierte
Spannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Rohres
gemittelten Strömungsgeschwindigkeit
des Messmediums; sie ist also proportional zum Volumenstrom.
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Wie
bereits zuvor erwähnt,
werden die Messsignale, die an den Messelektroden abgegriffen werden, über Elektrodenkabel
zum Umformer geführt, der
u.a. eine Regel-/Auswerteeinheit enthält. Hierbei werden die Elektrodenkabel
großteils
an gegenüberliegenden
Seitenflächen
des Polschuhs der Magnetanordnung entlanggeführt. Da die zwischen den Elektrodenkabeln
aufgespannte Fläche
zwecks Vermeidung von Induktionsspannungen möglichst gering sein sollte,
werden die Elektrodenkabel im Bereich des Polschuhs zusammengeführt. Diese
Zusammenführung
bedingt eine Richtungsänderung, wobei
in dem entsprechenden Bereich die zwischen den Elektrodenkabeln
aufgespannte kritische Fläche nicht
ausschliesslich parallel zu der Hauptrichtung des Magnetfeldes ausgerichtet
ist. Entsprechende Kabelführungen
sind von magnetisch-induktiven Durchflußmessgeräten bekannt. Hier besteht die
erhöhte
Gefahr, dass insbesondere während
der Änderungen
des Magnetfeldes Störspannungen
in die Elektrodenkabel induziert werden, die die Messgenauigkeit
beeinträchtigen
können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messgenauigkeit eines
magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Elektrodenleitungen im Bereich der definierten Fläche derart
ausgelegt und/oder beschaltet sind, dass Störspannungen, die in die Elektrodenleitungen
induziert werden, zumindest näherungsweise
kompensiert werden. Unter Elektrodenleitung wird hiebei beispielsweise
ein Elektrodenkabel verstanden.
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Durch
die Verminderung der induktiven Einstreuung lässt sich die Zeit verkürzen, die
es braucht, damit sich die Messsignalspannung nach einer Umschaltung
des Magnetfeldes stabilisiert. Die Verkürzung der Stabilisierungszeit
ermöglicht
es, entweder die Messrate zu erhöhen
oder die Integrationszeit bei gleichbleibender Messrate zu verlängern. Eine
kürzere
Messzeit entspricht einer schnelleren Abtastung des Messsignals;
hierdurch wird die Mess-Performance des magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts für Prozesse
mit hoher Dynamik verbessert. Eine längere Integrationszeit (diese
läuft nach
Umschalten des Magnetfeldes ab dem Zeitpunkt, an dem das Magnetfeld
einen hinreichend stabilen Wert angenommen hat) verbessert das Verhältnis zwischen
Messzeit und Totzeit. Totzeit kennzeichnet den Zeitbereich in einer
Messperiode, der zur Messwertgewinnung nicht erfasst wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das erste Elektrodenkabel
eine Verzweigung mit zwei Leitungszweigen auf, wobei der erste Leitungszweig
im wesentlichen zu dem zweiten Leitungszweig in entgegengesetzter
Drehrichtung um die kritische Fläche orientiert
ist.
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Bevorzugt
ist der eine Leitungszweig eines der beiden Elektrodenkabel derart
ausgestaltet und angeordnet, dass das kritische Magnetfeld, das
die Störung
verursacht, die Fläche
durchläuft,
die durch den Leitungszweig definiert ist (z. B. geführt durch
einen der Polschuhe).
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Weiterhin
schlägt
eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vor, dass die beiden Leitungszweige des Elektrodenkabels jeweils
einen definierten Widerstand haben.
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Darüber hinaus
sieht eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass die
Widerstände
nominal konstant sind und dass das Widerstandsverhältnis der
Widerstände
in den von der jeweiligen Anordnung und Ausgestaltung der beiden Leitungszweige
und von der Anordnung und Ausgestaltung des zweiten Elektrodenkabels
abhängig
ist. Durch die Möglichkeit
der Vorausberechnung der Widerstandswerte entfällt die Notwendigkeit eines
Abgleichs eines jeden gefertigten Durchflussmessgeräts während des
Produktionsprozesses. Hierdurch wird die Fertigungszeit verringert,
was sich in einer Verringerung der Herstellungskosten niederschlägt.
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Beachtenswert
bei der zuvor genannten Ausgestaltung ist übrigens die Tatsache, dass
die infolge der konstruktiv bedingten Führung der Elektrodenkabel in
die Elektrodenkabel induzierten Spannungen, die großteils durch
das zeitlich veränderliche Magnetfeld
der Magnetanordnung hervorgerufen werden, sich mit nominell konstanten
Stromteilerwiderständen
im wesentlichen kompensieren lassen.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es
zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts,
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2:
eine perspektivische Darstellung einer aus dem Stand der Technik
bekannten Führung der
Elektrodenkabel zwischen den Messelektroden und dem Umformer bei
einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät,
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2a:
eine Draufsicht auf die Ebene, die mit A in 2 gekennzeichnet
ist,
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2b:
den Elektrodenkreis mit Signal- und Störspannungen im Bereich der
definierten Fläche bei
der in 2 gezeigten Führung
der Elektrodenkabel,
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3:
eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Führung der
Elektrodenkabel zwischen den Messelektroden und dem Umformer bei
einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät,
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3a:
eine Draufsicht auf die definierte Ebene gemäß der Kennzeichnung B in 3,
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3b:
den Elektrodenkreis mit Signal- und Störspannungen im Bereich der
definierten Fläche bei
der in 3 gezeigten Führung
der Elektrodenkabel.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts 1,
wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Messrohr 2 des
in der Zeichnung nicht gesondert dargestellten Durchflussmessgeräts wird
von einem gleichfalls nicht gesondert darstellten Messmedium in
Richtung der Messrohrachse 10 durchströmt. Das Messmedium ist zumindest
in geringem Umfang elektrisch leitfähig. Das Messrohr 2 selbst
ist aus einem nicht leitfähigen
Material gefertigt, oder es ist zumindest an seiner Innenseite mit
einem nicht leitfähigen
Material ausgekleidet.
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Infolge
eines senkrecht zur Flussrichtung S des Messmediums ausgerichteten
Magnetfeldes, das üblicherweise
von zwei diametral angeordneten Elektromagneten erzeugt wird, die
in der Zeichnung ebenfalls nicht zu sehen sind, wandern in dem Messmedium
befindliche Ladungsträger
zu der entgegen gesetzt gepolten Messelektrode 3; 4 ab.
Die sich zwischen den beiden Messelektroden 3, 4 aufbauende Spannung
ist proportional zu der über
den Querschnitt des Messrohrs 2 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit
des Messmediums, d. h. sie ist ein Maß für den Volumenstrom des Messmediums
im Messrohr 2. Das Messrohr 2 ist übrigens über Verbindungselemente,
die in der Zeichnung gleichfalls nicht gesondert dargestellt sind,
mit einer Rohrleitung, durch die das Messmedium hindurchströmt, verbunden.
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Über die
Signalleitungen 5, 6 sind die Messelektroden 3, 4 mit
der Regel-/Auswerteeinheit 7 verbunden. Über die
Verbindungsleitung 9 können
desweiteren Messdaten zu der Anzeigeeinheit 8 weitergeleitet
werden.
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In
den Figuren 2 und 2a ist
die Führung
der Elektrodenkabel 5, 6 zwischen den Messelektroden 3, 4 und
dem Umformer, der zumindest die Regel-Auswerteeinheit 7 enthält, dargestellt.
Die von den Messelektroden 3, 4 wegführenden
Elektrodenkabel 5, 6 verlaufen an gegenüberliegenden
Seitenflächen
des Polschuhs 12. Der gegenüberliegende Polschuh der Magnetanordnung
ist in 2 nicht gesondert wiedergegeben. Der Polschuh 12 besteht bevorzugt
aus einer Vielzahl von zusammengesetzten Polschuhlamellen 13.
Durch den schichtweisen Aufbau des Polschuhs 12 werden
Wirbelströme
unterdrückt.
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Im
Bereich der definierten Fläche 14 zeigen die
Elektrodenkabel 5, 6 einen geänderten Richtungsverlauf. Gut
sichtbar ist dies in der 2a, die eine
Draufsicht auf den Polschuh 12 in der Ebene der definierten
Fläche 14 zeigt.
Die zwischen den beiden Elektrodenkabeln 5, 6 in
diesem Bereich aufgespannte Fläche 14 ist
im wesentlichen senkrecht zu dem prinzipbedingt zeitlich veränderlichen
Magnetfeld ausgerichtet, das von der Magnetanordnung erzeugt wird.
In diesem Bereich ist die Gefahr, dass infolge von Störspannungen
Induktionsströme
in die Elektrodenkabel 5, 6 induziert werden,
besonders groß.
Notwendig ist die zuvor beschriebene Führung der Elektrodenkabel 5, 6,
da hierdurch die zwischen den Elektrodenkabeln 5, 6 aufgespannte
Fläche
minimal ausgelegt werden kann. Zudem ist es nachfolgend möglich, für die Führung der
beiden Elektrodenkabel 5, 6 aus dem Gehäuse des
Durchfluss-messgeräts 1 heraus
nur eine Bohrung vorzusehen. Durch die Minimierung der Fläche zwischen
den Elektrodenkabeln 5, 6 wird natürlich die
Gefahr von unerwünschten
in die Elektrodenkabel 5, 6 induzierten Induktionsströmen, die
sich dem eigentlichen Messwertsignal als Störsignale überlagern, auf ein Mindestmaß reduziert.
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In 2b ist
ein Ersatzschaltbild für
die Spannungen bei der in 2 gezeigten
Führung
der Elektrodenkabel 5, 6 zu sehen. Unter folgenden
Annahmen lässt
sich die Spannung in den Elektrodenkabeln 5, 6 einfach
bestimmen:
- – Im Polschuh 12 herrscht
eine homogene magnetische Induktion
- – Die
Elektrodenkabel 5, 6 sind symmetrisch geführt
- – Jedes
Elektrodenkabel 5, 6 umrundet den Polschuh 12 jeweils
in einer ¼-Umrundung
- – Das
Magnetfeld weist keine Streuungen auf.
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Die
entsprechenden Formeln lauten:
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Hierbei
ist UE die Gesamtspannung im Messelektrodenkreis.
UU kennzeichnet jeweils die Störspannung,
die in jedes der beiden Elektrodenkabel 5; 6 induziert
wird. US ist die Spannung, die an den Messelektroden 3, 4 abgegriffen
wird und die sich aus der an den Messelektroden 3, 4 anliegenden
Spannung und der Spannung zusammensetzt, die auf das fließende Messmedium 11 zurückzuführen ist.
Aus der obigen Formel ist ersichtlich, dass sich die Störspannungen
UU, die sich während der Umschaltung des Magnetfeldes
zeigen, addieren. Diese fallen mit einer vom Elektrodenkreis (und
ev. auch vom Messmedium) abhängigen
Zeitkonstante ab.
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3 zeigt
eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Führung der
Elektrodenkabel 5, 6 zwischen den Messelektroden 3, 4 und
dem Umformer bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät 1.
In 3a ist eine Draufsicht auf die Ebene 14 gemäß der Kennzeichnung
B in 3 zu sehen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung weist das eine Elektrodenkabel 5 eine
Verzweigung 17 mit zwei Leitungszweigen 18, 19 auf,
wobei der eine Leitungszweig 18 entgegengesetzt orientiert zum
anderen Leitungszweig 19 ist (entgegengesetzter Drehsinn
um die aufgespannte Fläche).
Der Leitungszweig 19 des Elektrodenkabels 5 ist
derart ausgestaltet und angeordnet, dass der Polschuh 12 der Magnetanordnung
innerhalb der Fläche 14 liegt,
die durch den Leitungszweig 19 definiert ist. In die beiden
Leitungszweige 18, 19 des Elektrodenkabels 5 ist
jeweils zumindest ein Widerstand R1, R2 eingebaut. Die Widerstände R1,
R2 sind nominal konstant und das Widerstandsverhältnis der
beiden Widerstände
R1, R2 in den beiden
Leitungszweigen 18, 19 ist von der jeweiligen
Anordnung und Ausgestaltung der beiden Leitungszweige 18, 19 und
von der Anordnung und Ausgestaltung des zweiten Elektrodenkabels 6 abhängig. Durch
die Möglichkeit
der Vorausberechnung der Widerstandswerte R1,
R2 entfällt
die Notwendigkeit eines Abgleichs eines jeden gefertigten Durchflussmessgeräts 1 während des
Produktionsprozesses. Hierdurch wird die Fertigungszeit verringert,
was sich in einer Verringerung der Herstellungskosten niederschlägt.
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In 3b ist
ein Ersatzschaltbild für
die Spannungsverhältnisse
im Messelektrodenkreis dargestellt.
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Hierbei
kennzeichnet
die in das Elektrodenkabel
6 induzierte
Störspannung
U
U im Bereich der Fläche
14, die senkrecht
zu dem von der Magnetanordnung erzeugten Magnetfeld angeordnet ist.
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Die
Störspannung,
die im Bereich der Fläche
14 in
das Elektrodenkabel
5 induziert wird, lautet:
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Die
Spannungssumme im Elektrodenkreis beträgt UE = UU + US – 3UU – UR2 = US – 2UU – UR2
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Hierbei
ist
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Damit
sich die Störspannungen
kompensieren, muss folgende Bedingung erfüllt sein:
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Im
gezeigten Fall, bei der gezeigten Anordnung kompensieren sich die
Störspannungen
im Bereich der Fläche 14,
wenn die beiden Widerstände R1, R2 in den Leitungszweigen 18, 19 gleich
sind. Der erhebliche Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass
die Widerstandswerte R1, R2 vorausberechnet
werden können,
so dass bei der Produktion kein individueller Abgleich notwendig
ist.
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- 1
- Magnetisch-Induktives
Durchflussmessgerät
- 2
- Messrohr
- 3
- Messelektrode
- 4
- Messelektrode
- 5
- Verbindungsleitung/Elektrodenkabel
- 6
- Verbindungsleitung/Elektrodenkabel
- 7
- Regel-/Auswerteeinheit
- 8
- Anzeigeeinheit
- 9
- Verbindungsleitung
- 10
- Längsachse
des Messrohrs
- 11
- Messmedium
- 12
- Polschuh/Magnetanordnung
- 13
- Polschuhlamelle
- 14
- definierte
Fläche
- 15
- Widerstand
- 16
- Widerstand
- 17
- Verzweigung
- 18
- erster
Leitungszweig
- 19
- zweiter
Leitungszweig
