DE102005056165A1

DE102005056165A1 - Magnetisch-induktiver Durchflußmesser sowie Meßrohr für einen solchen Durchflußmesser

Info

Publication number: DE102005056165A1
Application number: DE200510056165
Authority: DE
Inventors: Thomas Zingg; Simon Dr. Stingelin
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2007-05-24

Abstract

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das Meßrohr (2) für einen solchen magnetisch-induktiven Durchflußmesser zumindest anteilig aus einem magnetisch leitfähigen Material herzustellen, dessen relative Permeabilität mu¶r¶ wesentlich größer als eins ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßrohr für einen magnetische-induktiven Durchflußmesser sowie ein magnetisch-induktiven Durchflußmesser mit einem solchen Meßrohr.

Zur Messung von elektrisch leitfähigen Fluids werden oftmals Durchflußmesser mit einem magnetisch-induktiven Meßaufnehmer eingesetzt. Bekanntlich läßt sich mit magnetisch-induktiven Durchflußmessern im besonderen auch der Volumen-Durchfluß von elektrisch leitenden Fluids, insb. Flüssigkeiten, messen und in entsprechende Meßwerte abbilden, das in einer Rohrleitung strömt. Das Meßprinzip von magnetisch-induktiven Durchflußmessern beruht bekanntlich darauf, daß eine elektrische Spannung, die aufgrund von Ladungstrennungen in einem von einem Magnetfeld durchquerten Teilvolumen des strömenden Fluids induziert wird, mittels wenigstes zweier Meßelektroden abgegriffen und in einer Meßgerät-Elektronik des Durchflußmessers zu einem entsprechenden Meßwert, beispielsweise einem Volumendurchfluß-Meßwert, weiterverarbeitet wird. Gleichermaßen bekannt sind dem Fachmann auch der Aufbau der einzelnen Komponenten sowie die Wirkungsweise von magnetisch-induktiven Durchflußmessern, beispielsweise auch aus der DE-A 43 26 991, der EP-A 1 460 394, der EP-A 1 275 940, der EP-A 12 73 892, der EP-A 1 273 891, der EP-A 814 324, der EP-A 770 855, der EP-A 521 169, der US-B 67 63 729, der US-B 66 58 720, der US-B 66 34 238, der US-B 65 95 069, der US-A 60 31 740, der US-A 56 64 315, der US-A 56 46 353, der US-A 55 40 103, der US-A 54 87 310, der US-A 52 10 496, der US-A 47 04 908, der US-A 44 10 926, der US-A 2002/0117009 oder der WO-A 01/90702.

Zum Führen des zu messenden Fluids weisen Meßaufnehmer der beschriebenen Art, wie auch in Fig. schematisiert dargestellt, ein in den Verlauf der Fluid führenden Rohrleitung eingesetztes Meßrohr auf, das zur Vermeidung des Kurzschließens der im Fluid induzierten Spannung zumindest auf seiner das Fluid berührenden Innenseite im wesentlichen elektrisch nicht-leitend ausgebildet ist. Zum Einsetzen des Meßrohrs in den Verlauf der Fluid führenden Rohrleitung ist endseits des Meßrohrs jeweils ein entsprechender Flansch oder dergleichen vorgesehen. Industriell eingesetzte Meßaufnehmer der beschriebenen Art weisen dabei zumeist jeweils ein Meßrohr auf, das mittels eines metallischen Trägerrohrs und einer auf dieses innen aufgetragenen, aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Schicht – dem sogenannten Liner – gebildet ist. Die Verwendung eines derart aufgebauten Meßrohrs gewährleistet u.a. einen mechanisch sehr stabilen und robusten Aufbau des Meßaufnehmers und insoweit auch des Durchflußmessers insgesamt. Als Material für den Liner werden z.B. Hartgummi, Polyfluorethylen, Polyurethan oder andere chemisch und/oder mechanisch beständige Kunststoffe verwendet, während Trägerrohre der beschriebenen Art, um eine Beeinträchtigung des Magnetfelds, insb. auch ein allfälliges Kurzschließen desselben über das Meßrohr, zu vermeiden, herkömmlicherweise aus einem nicht-ferromagnetischen, insb. paramagnetischen, Material, wie z.B. Edelstahl oder dergleichen, hergestellt sind. Durch eine entsprechende Auslegung des Trägerrohrs ist somit eine Anpassung der Festigkeit des Meßrohrs an die im jeweiligen Einsatzfall vorliegenden mechanischen Beanspruchungen realisierbar, während mittels des Liners eine Anpassung des Meßrohr an die für den jeweiligen Einsatzfall geltenden chemischen, insb. hygienischen, Anforderungen realisierbar ist. Üblicherweise werden dabei Materialien eingesetzt, die jeweils eine nominelle, also wirksame oder mittlere relative Permeabilität μ_r aufweisen, die wesentlich kleiner als 10, insb. kleiner als 5, ist. Bekanntlich gibt die relative Permeabilität μ_r dabei an, um wieviel die magnetische Flußdichte (= magnetische Induktion) im Vergleich zur magnetischen Flußdichte in Luft oder Vakuum, deren Permeabilität μ₀ (= Induktionskonstante) bekanntlich gleich 1,256·10^–6 Vs·Am^–1 ist, erhöht wird, wenn das betreffende Material in selbiges Magnetfeld eingebracht wird, d.h. es gilt für die Permeabilität μ des verwendeten Materials die Beziehung μ = μ_r·μ₀.

Das für die Messung erforderlich Magnetfeld wird von einem entsprechenden Magnetfeld-System erzeugt, das eine Spulenanordnung mit zumeist zwei Feldspulen, entsprechende Spulenkerne und/oder Polschuhe für die Feldspulen und ggf. die Spulenkerne außerhalb des Meßrohrs verbindende magnetisch-leitfähige Führungsbleche enthält. Allerdings sind auch Magnetfeld-Systeme mit einer einzigen Feldspule bekannt. Das Magnetfeld-System ist üblicherweise, wie auch in 1 angedeutet, direkt Meßrohr angeordnet und von diesem gehaltert.

Zum Erzeugen des Magnetfelds wird ein von einer entsprechenden Meßgerät-Elektronik gelieferter Erregerstrom I in der Spulenanordnung fließen gelassen. Dieser ist bei modernen Meßaufnehmern üblicherweise ein getakteter bi-polarer Rechteck-Wechselstrom. In der US-B 67 63 729, der US-A 60 31 740, der US-A 44 10 926 oder der EP-A 1 460 394 sind Beispiele für der Erzeugung eines solchen Erregerstroms dienende Schaltungsanordnungen sowie entsprechende Schalt- und/oder Regelverfahren dafür beschrieben. Eine solche Schaltungsanordnung umfaßt üblicherweise eine den Spulenstrom treibende Energieversorgung sowie eine als H- oder T-Schaltung ausgeführte Brückenschaltung für die Modulation des Erregerstroms.

Die im Fluid gemäß dem Faraday'schen Induktionsgesetz generierte Spannung wird zwischen mindestens zwei galvanischen, also von der Flüssigkeit benetzten, oder zwischen mindestens zwei kapazitiven, also z.B. innerhalb der Rohrwand des Meßrohrs angeordneten, Meßelektroden als Meßspannung abgegriffen. Im häufigsten Fall sind die Meßelektroden diametral einander gegenüberliegend so angeordnet, daß ihr gemeinsamer Durchmesser senkrecht zur Richtung des Magnetfelds und somit senkrecht zum Durchmesser ist, auf dem die Spulenanordnungen liegen; gleichwohl können die Meßelektroden aber auch einander nicht-diametral gegenüberliegend am Meßrohr angeordnet sein, vgl. hierzu insb. die US-A 56 46 353. Die mittels der Meßelektroden abgegriffene Meßspannung wird verstärkt und mittels einer Auswerteschaltung zu einem Meßsignal aufbereitet, das registriert, angezeigt oder seinerseits weiterverarbeitet werden kann. Entsprechende Meß-Elektroniken sind dem Fachmann ebenfalls bekannt, beispielsweise aus der EP-A 814 324, der EP-A 521 169 oder der WO-A 01/90702.

Wie bereits angedeutet, kommt bei Meßaufnehmern der beschriebenen Art der Führung des Magnetfelds innerhalb und außerhalb des Meßrohrs eine besondere Bedeutung zu. Üblicherweise angewendete Maßnahmen zur Beeinflussung des Magnetfelds sind neben der Verwendung nicht-ferromagnetischer Meßrohre beispielsweise, wie u.a. auch in der US-B 65 95 069 beschrieben, durch die Verwendung von geeignet geformten und möglichst nah zum Fluid hin angeordneten Polschuhen für die Feldspulen und/oder die Verwendung magnetisch leitfähiger, insb. ferromagnetischer, Materialien für die Rückführung des Magnetfelds außerhalb des Meßrohrs gegeben.

Ein erheblicher Nachteil solcher Meßaufnehmer mit metallischem Trägerohr ist darin zusehen, daß einerseits erhebliche technische Aufwendung erforderlich sind, um daß Magnetfeld in für die geforderte Meßgenauigkeiten ausreichendem Maße zu Formen und zu Führen. Andererseits stellt die damit einhergehende Verwendung vergleichsweise teurer nicht-ferromagnetischer Metalle für die Trägerrohre, wie z.B. paramagnetischer Edelstähle, einen weiteren erheblichen Kostenfaktor bei der Herstellung von Meßaufnehmern der beschriebenen Art dar. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Magnetfeldsysteme ist ferner darin zu sehen, daß das Magnetfeld, wie auch in 1 schematisert dargestellt, innerhalb des Meßrohrslumens sehr inhomogen ausgebildet ist und somit die Meßspannung in erheblichem Maße auch vom Strömungsprofil des Fluids im Meßrohr abhängig sein kann.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, magnetisch-induktive Meßaufnehmer dahingehend zu verbessern, daß einerseits ein kostengünstigeres Fertigen derselben erfolgen kann und daß anderseits die Ausprägung des für die Messung erforderlichen Magnetfelds auf einfache und kostengünstige, gleichwohl aber sehr effiziente Weise optimiert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung in einem dem Führen eines elektrisch leitfähigen Fluids dienenden Meßrohr eines magnetisch-induktiven Durchflußmessers. und wobei das Meßrohr zumindest anteilig, insb. überwiegend, aus einem magnetisch leitfähigen Material besteht, das eine relative Permeabilität, μ_r aufweist, die wesentlich größer als eins, insb. größer als 10, ist.

Ferner besteht die Erfindung in einem magnetisch-induktiven Durchflußmesser für ein in einer Leitung strömendes Fluid, der ein solches Meßrohr umfaßt.

Nach einer ersten Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung bestehen die metallischen Komponenten des Meßrohrs und/oder das gesamte Meßrohr in überwiegendem Maße aus magnetisch leitfähigem Material.

Nach einer zweiten Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung weist dessen magnetisch leitfähiges Material eine relative Permeabilität, μ_r, auf, die wesentlich größer als 10, insb. größer als 20, ist.

Nach einer dritten Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung weist dessen magnetisch leitfähiges Material eine relative Permeabilität, μ_r, auf, die kleiner als 1000, insb. kleiner als 400, ist.

Nach einer vierten Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung weist dessen magnetisch leitfähiges Material eine relative Permeabilität, μ_r, auf, die in einem Bereich zwischen 20 und 400 liegt.

Nach einer fünften Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung besteht zumindest ein zentrales Rohrsegment des Meßrohrs, insb. entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Meßrohrs, aus dem magnetisch leitfähigen Material.

Nach einer sechsten Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung ist das magnetisch leitfähige Material im wesentlichen über eine gesamte Länge des Meßrohrs und/oder über einen gesamten Umfang des Meßrohrs, insb. gleichmäßig, verteilt.

Nach einer siebenten Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung besteht das Meßrohr zumindest anteilig aus ferromagnetischem Metall.

Nach einer achten Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung besteht das Meßrohr zumindest anteilig aus weichmagnetischem Metall besteht.

Nach einer neunten Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung besteht das Meßrohr zumindest anteilig aus hartmagnetischem Metall.

Nach einer zehnten Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung weist das magnetisch leitfähige Material eine Schichtdicke auf, die viel kleiner ist als ein Innen-Durchmesser des Meßrohrs.

Nach einer elften Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung sind der Innen-Durchmesser des Meßrohrs und die Schichtdicke des magnetisch leitfähigen Materials so bemessen, daß ein Verhältnis von Schichtdicke des magnetisch leitfähigen Materials zu Innen-Durchmesser des Meßrohrs kleiner als 0.2, insb. kleiner 0.1, ist.

Nach einer zwölften Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung ist das Meßrohr zumindest auf seiner Fluid berührenden Innenseite im wesentlichen elektrisch nicht-leitend ausgebildet.

Nach einer dreizehnten Ausgestaltung des Meßrohrs der Erfindung ist das Meßrohr mittels eines als äußere Rohrwand und/oder als äußere Umhüllung dienenden, insb. metallischen und/oder elektrisch leitfähigen, Trägerrohrs gebildet, das innen mit wenigstens einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material ausgekleidet ist. Nach einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung weist das Trägerrohr eine Wandstärke auf, die viel kleiner ist als ein Innen-Durchmesser des Trägerrohrs. Im besonderen sind dabei der Innen-Durchmesser und die Wandstärke des Trägerrohrs so bemessen, daß ein Verhältnis der Wandstärke des Trägerrohrs zu dessen Innen-Durchmesser kleiner als 0.5, insb. kleiner 0.2, ist. Nach einer anderen Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung ist dabei ein solches magnetisch leitfähiges Material verwendet, daß das Verhältnis der Wandstärke des Trägerrohrs zu dessen Innen-Durchmesser multipliziert mit der relativen Permeabilität, μ_r, des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert ergibt, der kleiner als 5, insb. kleiner als 3, ist und/oder der größer als eins, insb. größer als 1.2, ist. Ein weiterer Aspekt dieser Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Trägerrohr zumindest anteilig, insb. überwiegend oder durchgängig, aus dem magnetisch leitfähigen Material hergestellt ist.

Nach einer ersten Ausgestaltung des Durchflußmessers der Erfindung umfaßt dieser weiters eine Meß- und Betriebsschaltung, ein von der Meß- und Betriebsschaltung gespeistes Magnetfeld-System, das mittels wenigstens einer am Meßrohr oder in dessen Nähe angeordneten Feldspule ein zumindest zeitweise ein Lumen des Meßrohrs durchsetzendes, insb. getaktetes, Magnetfeld erzeugt, und wenigstens zwei Meßelektroden zum Abgreifen von elektrischen Potentialen und/oder elektrischen Spannungen, die im durch das Meßrohr strömenden und vom Magnetfeld durchsetzten Fluid induziert sind. Zum Erzeugen von Meßwerten, die wenigstens einen das zu messende Fluid beschreibenden Parameter repräsentieren, ist die Meß- und Betriebsschaltung ferner zumindest zeitweise mit wenigstens einer der Meßelektroden verbunden. Nach einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung sind die Meßelektroden von der wenigstens einen Feldspule beabstandet am Meßrohr und/oder innerhalb von dessen Rohrwand angeordnet. Insbesondere sind die wenigstens zwei Meßelektroden dabei so am Meßrohr angeordnet, daß eine diese imaginär verbindende Elektrodenachse das zumindest zeitweise das Lumen des Meßrohrs durchsetzenden Magnetfeld im wesentlich senkrecht schneidet. Ferner ist das magnetisch leitfähige Material zumindest im Bereich eines zentralen Rohrsegments des Meßrohrs, insb. entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Meßrohrs, so verteilt und sind die wenigstens eine Feldspule sowie die Meßelektroden so am Meßrohr angeordnet, daß das im Betrieb zumindest zeitweise erzeugte Magnetfeld sowohl im Bereich der Feldspulen als auch im Bereich der Meßelektroden, insb. mit im wesentlichen derselben Richtung und/oder im wesentlichen gleicher magnetischer Flußdichte, in das Lumen des Meßrohrs eingekoppelt ist. Weiterführend ist dabei das magnetisch leitfähige Material zumindest im Bereich eines zentralen Rohrsegments des Meßrohrs, insb. entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Meßrohrs, so verteilt und sind die wenigstens eine Feldspule sowie die Meßelektroden so am Meßrohr angeordnet, daß das zumindest zeitweise erzeugte Magnetfeld innerhalb des Lumens des Meßrohrs zumindest im Bereich des zentralen Rohrsegments dergestalt ausgebildet ist, daß es zumindest im Bereich der Rohrwand auch in einem senkrechten Abstand von der gedachten Elektrodenachse von mehr als einer Viertellänge eines Innen-Durchmessers des Meßrohrs zumindest überwiegend senkrecht zur gedachten Elektrodenachse ausgerichtet ist.

Nach einer zweiten Ausgestaltung des Durchflußmessers der Erfindung umfaßt dieser weiters wenigstens eine außerhalb des Meßrohrs verlaufende magnetische Rückführung zum Führen des Magnetfelds außerhalb des Meßrohrs. Nach einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung ist dabei ein, insb. im Bereich der Meßelektroden gemessener, mittlerer Abstand zwischen der magnetische Rückführung und dem Meßrohr so gewählt, daß ein Abstand-Durchmesser-Verhältnis des mittleren Abstands zu einem Außen-Durchmesser des Trägerrohrs kleiner als eins, insb. kleiner als 0.5, ist. Ferner kann es bei dieser Ausgestaltung der Erfindung von Vorteil sein, ein solches magnetisch leitfähiges Material zu verwenden, daß das Verhältnis des mittleren Abstands zum Außen-Durchmesser des Trägerrohrs multipliziert mit der relativen Permeabilität, μ_r, des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert ergibt, der kleiner als 100, insb. kleiner als 60, ist.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, Verbesserung der Effizienz des Magnetfeld-Systems dadurch zu erreichen, daß magnetisch-induktive Meßaufnehmer, anstelle der dafür üblicherweise verwendeten magnetisch nicht oder nur in sehr geringem Maße leitfähigen Meßrohre (μ_r ≈ 1), mit aus magnetisch hochleitfähigem Material bestehenden Meßrohren (μ_r » 1) ausgestattet werden.

Die Erfindung beruht dabei auch auf der überraschenden Erkenntnis, daß durch die Verwendung von magnetisch hochleitfähigem Material für das Meßrohr innerhalb des Meßrohrlumens zumindest im Nahbereich der Meßelektroden sowohl eine erhebliche Verstärkung als auch eine erhebliche Vergleichmäßigung und insoweit eine Homogenisierung des Magnetfelds bewirkt werden kann.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß diese Verbesserung des Magnetfeld-Systems sogar mittels Meßrohren der beschriebenen Art erzielt werden kann, die im Vergleich zu herkömmlichen Meßaufnehmern weitaus kostengünstiger zu fertigen sind.

Einzelheiten der Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen werden nun anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen für einen magnetisch-induktiven Durchflußmesser sowie anhand von für verschiedene Konfigurationen des erfindungsgemäßen Meßaufnehmers experimentell ermittelte Magnetfelddaten näher erläutert:
1 zeigt die Ausbreitung des Magnetfelds in einem herkömmlichen magnetisch-induktiven Meßaufnehmer,
2 zeigt schematisch teilweise in einem Querschnitt und teilweise in der Form eines Blockschaltbilds einen magnetisch-induktiven Durchflußmesser mit einem Meßrohr,
3 zeigt die Ausbreitung des Magnetfelds innerhalb eines durch eine Elektrodenachse und eine Feldspulenachse aufgespannten Querschnitts eines magnetisch-induktiven Meßaufnehmer gemäß der Erfindung,
4a, b, c zeigt innerhalb des Querschnitts von 3 für verschiedene magnetisch-induktive Meßaufnehmer ermittelte L2-Normen der magnetischen Flußdichte B sowie von deren in Richtung der Elektrodenachse oder in Richtung der Feldspulenachse wirkenden Komponenten jeweils in Abhängigkeit von einer relativen Permeabilität des Meßrohrmaterials,
5 zeigt innerhalb des Querschnitts von 3 für verschiedene magnetisch-induktive Meßaufnehmer ermittelte Verläufe von Beträgen der magnetischen Flußdichte B entlang der jeweiligen Elektrodenachse in Abhängigkeit eines Abstandes vom Mittelpunkt der Elektrodenachse,
7 zeigt innerhalb des Querschnitts von 3 für verschiedene magnetisch-induktive Meßaufnehmer ermittelte totale Abweichungen des Betrags der Flußdichte vom dort gemessenen Mittelwert der Flußdichte B in Abhängigkeit von einer relativen Permeabilität des Meßrohrmaterials,
8, 9 zeigen für verschiedene magnetisch-induktive Meßaufnehmer gemäß den 2 oder 3 ermittelte Abhängigkeiten einer optimalen relativen Permeabilität für das Meßrohrmaterial in Abhängigkeit von verschieden geometrischen Bemessungsgrößen für den Meßaufnehmer, und
10,11, 12a, b, c 13a, b, c zeigen für verschiedene magnetisch-induktive Meßaufnehmer gemäß den 2 oder 3 ermittelte Abhängigkeiten des Magnetfelds innerhalb des Querschnitts von 3 anhand von das Magnetfeld daselbst charakterisierenden Meßgrößen in Abhängigkeit von der relativen Permeabilität des Meßrohrmaterials sowie verschiedener geometrischen Bemessungsgrößen für den Meßaufnehmer.
In 2 und 3 ist schematisch ein Durchflußmesser dargestellt, mit dem wenigstens eine physikalische Meßgröße eines elektrisch leitenden und strömenden Fluids 11, beispielsweise ein Volumendurchfluß, zu ermitteln ist. Der Durchflußmesser umfaßt einen magnetisch-induktiven Meßaufnehmer 1 und eine mit diesem gekoppelte Meß- und Betriebsschaltung 8 zum Ansteuern desselben und zum Erzeugen von, insb. digitalen, Meßwerten, die wenigstens einen das Fluid beschreibenden Parameter repräsentieren. Zur Weitergabe berechneter Meßwerte kann die beispielsweise unter Verwendung auch eines Mikrocomputers 10 realisierte Meß- und Betriebsschaltung 8 ferner über ein entsprechendes Datenübertragungssystem 16 mit einem übergeordneten Prozeßleitrechner 9 kommunizieren.
Zum Meßaufnehmer 1 gehört ein in den Verlauf einer das Fluid 11 führenden – hier jedoch nicht dargestellten – Rohrleitung eingesetztes Meßrohr 2 mit einem von einer Rohrwand umgebenen, zumindest zeitweise vom zu messenden Fluid 11 durchströmten Meßrohrlumen. Zum Verbinden des Meßrohrs 2 mit der Rohrleitung ist sind an dessen Enden entsprechende Verbindungselemente, z.B. Flansche, vorgesehen.
Im Betrieb des Durchflußmessers ist ferner zumindest ein Teil des Meßrohrlumens zumindest zeitweise von einem Magnetfeld durchsetzt. Das Magnetfeld, das zumindest zeitweise, insb. auch taktweise wiederkehrend, im wesentlichen konstant gehalten ist, verläuft zumindest abschnittsweise senkrecht zu einer mit der Strömungsrichtung des Fluids 11 koinzidierenden Längsachse z des Meßrohrs, wodurch im Fluid eine mit der wenigstens einen Meßgröße des Fluids, beispielsweise der Strömungsgeschwindigkeit und/oder dem Volumendurchfluß, korrespondierenden Meßspannung U induziert wird. Auf seiner Fluid berührenden Innenseite ist das Meßrohr im wesentlichen elektrisch nicht-leitend ausgebildet, damit ein Kurzschließen der mittels des Magnetfelds induzierte Meßspannung U über das Meßrohr 2 vermieden wird.
Zum Erzeugen dieses für die Messung des wenigstens einen Parameters benötigten Magnetfelds mit einer dafür ausreichend hohen Flußdichte B weist der Meßaufnehmer 1 ferner ein von der Meß- und Betriebsschaltung 10 gespeistes Magnetfeld-System auf, das mittels wenigstens einer am Meßrohr 2 oder in dessen Nähe angeordneten Feldspule ein zumindest zeitweise ein Lumen des Meßrohrs 2 durchsetzendes, insb. getaktetes, Magnetfeld erzeugt. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt das Magnetfeld-System erste Feldspule 6 und eine, insb. zur ersten Feldspule 6 elektrisch in Serie oder auch parallel geschaltete, zweite Feldspule 7. Die Feldspulen 6, 7 sind einander gegenüberliegend am Meßrohr 2 angeordnet, und zwar gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung so, daß eine die beiden Feldspulen virtuell verbindende Spulenachse y mit einem Durchmesser des Meßrohrs 2 koinzidiert, der im wesentlichen senkrecht zur Längsachse z des Meßrohrs 2 verläuft. Das Rohrwand und Meßrohrlumen mit darin befindlichem Fluid 11 durchsetzende Magnetfeld entsteht nunmehr, wenn in den Feldspulen 6, 7 ein entsprechender Erregerstrom fließen gelassen wird, beispielsweise ein getakteter Gleich- oder Wechselstrom. Jede der Feldspulen 6, 7 kann, wie bei derartigen Magnetfeld-Systemen üblich, um einen magnetisch leitfähigen Kern gewickelt sein, wobei dieser wiederum mit einem entsprechenden Polschuhen zusammenwirken kann, vgl. z.B. die US-A 55 40 103; die Feldspulen können aber auch, wie in 1 auch schematisiert dargestellt, kernlose Luftspulen sein. Zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften des Magnetfeld-Systems kann ferner eine außerhalb des Meßrohrs 2 verlegte magnetische Rückführung 17 vorgesehen sein, die dazu dient das Magnetfeld außerhalb des Meßrohrs innerhalb eines möglichst kleinen Volumens zu führen. Beispielsweise können die Feldspulen 6, 7, wie bei derartigen Meßaufnehmern auch üblich, mittels solcher außerhalb des Meßrohrs verlegten magnetischen Rückführungen 17 miteinander magnetisch gekoppelt sein. Das Magnetfeld-System ist in vorteilhafter Weise ferner so ausgeführt, insb. sind die beiden Feldspulen 6, 7 so dimensioniert und zueinander ausgerichtet, daß das damit erzeugte Magnetfeld innerhalb des Meßrohrs 2 zumindest bezüglich der Spulenachse y weitgehend symmetrisch, insb. zumindest c₂-rotationssymmetrisch (c₂-Symmetrie = 180°-Rotationssysmmetrie), ausgebildet ist.
Zum Abgreifen von elektrischen Potentialen und/oder elektrischen Spannungen, die im durch das Meßrohr 2 strömenden und vom Magnetfeld durchsetzten Fluid induziert sind, weist der Meßaufnehmer ferner wenigstens zwei Meßelektroden auf, die im Betrieb des Durchflußmessers zumindest zeitweise mit der Meß- und Betriebsschaltung 8 verbunden sind, wobei eine an einer Innenseite der Rohrwand des Meßrohrs 2 angeordnete erste Meßelektrode 4 dem Abgriff eines von der wenigstens einen Meßgröße abhängigen ersten Potentials und eine gleichermaßen am Meßrohr angeordnete zweite Meßelektrode 5 dem Abgriff eines ebenfalls von der wenigstens einen Meßgröße abhängigen zweiten Potentials dienen. Die Meßelektroden 4, 5 sind dabei von der wenigstens einen Feldspule beabstandet am Meßrohr und/oder innerhalb von dessen Rohrwand angeordnet und zwar gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung so, daß eine die beiden Meßelektroden 4, 5 imaginär verbindende Elektrodenachse x im wesentlichen senkrecht zur Spulenachse y und/oder zur Meßrohrlängsachse z verläuft. Unter dem Einfluß der Magnetfeldes B wandern im strömenden Fluid befindliche freie Ladungsträger je nach Polarität in Richtung der einen oder der anderen Meßelektrode 4, 5 ab. Die zwischen den Meßelektroden 4, 5 aufgebaute Meßspannung U ist dabei im wesentlichen proportional zu der über den in 1 gezeigten Querschnitt A des Meßrohres 2 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Fluids und somit auch ein Maß für dessen Volumenstrom.
Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Meßelektroden 4, 5 dabei praktisch auf einem zweiten Durchmesser des Meßrohrs 2, der sowohl im wesentlichen senkrecht auf der Meßrohrlängsachse z als auch im wesentlichen senkrecht auf der Spulenachse steht y. Die Meßelektroden 4, 5 können beispielsweise, wie auch in der 1 schematisch dargestellt, als galvanische, also die Flüssigkeit berührende Elektroden ausgebildet sein. Alternativ oder in Ergänzung dazu können aber auch kapazitive, also z.B. innerhalb der Rohrwand des Meßrohrs 2 angeordnete, Elektroden als Meßelektroden 4, 5 verwendet werden. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn das Magnetfeld-System so ausgebildet ist, daß das Magnetfeld auch bezüglich der Elektrodenachse x zumindest eine c₂-Symmtrie aufweist. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Magnetfeld zudem so ausgebildet, daß es innerhalb des Meßrohrlumens zumindest zeitweise bezüglich der vorgenannten gedachten Bezugsachsen x, y, z im wesentlichen symmetrisch ist, und zwar in der Weise, daß es im wesentlichen jeweils zumindest eine c2-Symmetrie (= 180°-Rotationssysmmetrie) aufweist.
Die Meßelektroden 4, 5 wie auch die wenigstens eine Feldspule 6 bzw. die Feldspulen 6, 7 sind schließlich über entsprechende Verbindungsleitungen 4, 5, 6, 7 mit der den Betrieb des Durchflußaufnehmers steuernden Meß- und Betriebsschaltung 8 elektrisch verbunden.
Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß Meßrohr zumindest anteilig, insb. überwiegend, aus einem magnetisch leitfähigem Material herzustellen, das eine relative Permeabilität μ_r aufweist, die wesentlich größer als eins ist. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht dabei auch jener Bereich des das Meßrohrs aus dem magnetisch leitfähigem Material, in dem die Meßelektroden gehaltert sind.
Untersuchungen haben nämlich überraschenderweise gezeigt, daß bei Verwendung von magnetisch, insb. hoch, leitfähigem Material für das Meßrohr 2 zumindest im Bereich eines zentralen, durch die gedachte Feldspulenachse y und die gedachte Elektrodenachse x geschnittenes Rohrsegments des Meßrohrs 2 erhebliche Verbesserungen zumindest des stationären, also für die Messung des wenigstens einen Parameters ausreichend konstant gehaltenen Magnetfelds im Meßrohrlumen erzielt werden können, insb. hinsichtlich seiner Flußdichte B und/oder seiner Verteilung und Ausrichtung im Meßrohrlumen. So konnte beispielsweise für einen durch die Feldspulenachse y und die Elektrodenachse x aufgespannten, praktisch dem in 2 gezeigten Querschnitt A entsprechenden Querschnitt des Meßrohrs 2 ermittelt werden, daß die Flußdichte B zumindest des stationären Magnetfelds bei einer relativen Permeabilität μ_r von größer als 10 überraschender Weise überproportional hohe Werte annehmen kann. Dies läßt sich für konkrete Meßrohre und Magnetfeldsysteme u.a. anhand der sogenannten L²-Norm der Flußdichte B ohne weiteres verifizieren. Die L²-Norm ||B||_L2 der Flußdichte B gibt praktisch an, wieviel Magnetfeld in diesem Querschnitt A des Meßrohrs enthalten ist bzw. wie hoch die magnetische Energie des Magnetfeldes ist, und kann basierend auf der Formel
berechnet werden. Ein möglicher Verlauf der L²-Norm ||B||_L2 der Flußdichte B in Abhängigkeit von der gewählten relativen Permeabilität μ_r ist in 4a exemplarisch dargestellt. Einhergehend mit dieser auf der Verwendung von magnetisch hochleitfähigem Material basierenden Verbesserung des Magnetfelds im gesamten Meßrohrlumen läßt sich zudem eine erhebliche Erhöhung zumindest im Betrag |B| der Flußdichte B feststellen, sei es im Bereich des vorgenannten Rohrsegments, insb. innerhalb des vorgenannten Querschnitts A des Meßrohrs oder, wie in 5. exemplarisch dargestellt, zumindest entlang der Elektrodenachse x und in deren unmittelbaren Nähe. Infolge dieser Überhöhung der Flußdichte B, kann im Vergleich zu herkömmlichen magnetisch-induktiven Durchflußaufnehmern mit vergleichbarem Aufbau eine gleichermaßen erhebliche Erhöhung der Meßspannung U beobachtet werden.
Des weiteren hat sich gezeigt, daß sich in Abhängigkeit von der tatsächlichen Dimensionierung des Meßrohrs und des Magnetfeldsystems einschließlich allfälliger Rückführungen für das Meßrohr eine optimale relative Permeabilität μ_r finden läßt, bei der bei stationärem Magnetfeld die Flußdichte B und insoweit auch deren L²-Norm ||B||_L2 maximal ist, vgl. hierzu auch 4a. In entsprechender Weise weist der Meßaufnehmer eine maximale Empfindlichkeit auf, bei der das strömende, vom Magnetfeld durchsetzte Fluid eine maximale Meßspannung U zwischen den beiden Meßelektroden bewirkt. Weitere Untersuchungen hierzu führten zu der Erkenntnis, daß die optimale relative Permeabilität μ_r je nach Dimensionierung des Meßaufnehmers etwa im Bereich zwischen 10 und 1000, insb. im Bereich zwischen 20 und 400, liegt.
Es ist ferner festgestellt worden, daß durch die Verwendung von magnetisch leitfähigem Material für das Meßrohr das stationäre Magnetfeld nicht nur hinsichtlich seiner Flußdichte B verbessert werden kann, sondern auch dahingehend, daß es in Richtung der Feldspulenachse y im Vergleich zu herkömmlichen Meßaufnehmern gleicher Bauart, zumindest innerhalb des vorgenannten Querschnitts A, eine deutlich gleichmäßigere und geradere Ausrichtung erfährt, symbolisiert durch die in 3. innerhalb des Meßrohrlumens nahezu parallel verlaufenden Feldlinien. Dies manifestiert sich u.a. auch darin, daß das Magnetfeld zumindest innerhalb des erwähnten Querschnitts A praktisch sowohl im Bereich der Feldspulen als auch im Bereich der Meßelektroden, insb. mit im wesentlichen derselben Richtung und/oder im wesentlichen gleicher magnetischer Flußdichte B, in das Meßrohrlumen eingekoppelt ist. Anders gesagt, können Nebenschlüsse des Magnetfelds vorbei an dem für die Messung relevanten Strömungsbereich vermieden oder zumindest sehr wirksam minimiert werden.
Im besonderen konnte dabei festgestellt werden, daß durch geeignete Wahl und Verteilung des magnetisch hochleitfähigen Materials, abgestimmt auf die für das Meßrohr tatsächlich gewählte Nennweite und/oder Wandstärke, zumindest im Bereich des zentralen Rohrsegments des Meßrohrs, insb. innerhalb des vorgenannten Querschnitts A, zumindest die in Richtung der Spulenachse y wirkenden Anteile B_y des Magnetfelds erhöht werden kann, während gleichzeitig eine Verringerung der in Richtung der Elektrodenachse x wirkenden Anteile B_x des Magnetfelds erzielbar ist.
Vorgenannte Effekte können wiederum sehr anschaulich anhand der jeweiligen L²-Norm ||B_x||_L2 und ||B_y||_L2 der einzelnen Komponenten B_x und B_y der Flußdichte B verifiziert werden, mathematisch ausgedrückt durch:
Mögliche Verläufe der L²-Norm ||B_y||_L2 der für die Messung zumindest des Volumendurchflusses eigentlich erforderlichen Magnetfeld-Komponenten B_y sowie der L²-Norm ||B_x||_L2 der beispielsweise für die Messung des Volumendurchflusses eher unerwünschten Magnetfeld-Komponenten B_x sind jeweils in Abhängigkeit von der gewählten relative Permeabilität μ_r in den 4b und 4c exemplarisch dargestellt. Deutlich erkennbar sind der anfänglich positiv und sehr steil verlaufende, schließlich in einen Maximalwert mündende Anstieg der in Richtung der Spulenachse wirkenden Magnetfeld-Komponenten B_y bei gleichzeitig sehr steil abfallendem Verlauf der in Richtung der Elektrodenachse wirkenden Magnetfeld-Komponenten B_x.
Darüber hinaus kann das Magnetfeld durch die Verwendung magnetisch hoch leitfähigen Materials für das Meßrohr auch hinsichtlich seiner Homogenität in erheblichem Maße verbessert werden. Dies zeigt sich beispielsweise darin, daß eine Abweichung des Betrags |B| der Flußdichte B innerhalb des Meßrohrlumens, zumindest aber innerhalb des Querschnitts A, vom dort gemessenen Mittelwert B der Flußdichte B, also praktisch eine Varianz des Betrags |B| der Flußdichte B, um so kleiner wird, je größer die relative Permeabilität μ_r für das magnetisch leitfähige Material und insoweit auch für das Meßrohr selbst gewählt worden ist. Die Mittelwert B der Flußdichte B wie auch eine entsprechende totale Abweichung s kann für den Querschnitt A beispielsweise basierend auf folgenden mathematischen Beziehungen leicht ermittelt werden:
wobei die totale Abweichung s zumindest qualitativ die in 6 beispielhaft gezeigten Abhängigkeit von der relative Permeabilität μ_r aufweisen kann.
Sehr anschaulich kann diese Vergleichmäßigung und insoweit auch die Homogenisierung des Magnetfelds anhand einer relativen Abweichung s ∼ der Flußdichte B im Querschnitt A von ihrem dortigen Mittelwert B aufgezeigt werden, wobei sich die relative Abweichung s ∼ anhand folgender mathematischen Beziehung berechnen läßt:
Im besonderen kann durch eine geeignete Verteilung des magnetisch leitfähigen Materials über das Meßrohr ohne weiteres erreicht werden, daß das stationäre Magnetfeld dergestalt ausgebildet ist, daß die momentane totale Abweichung s der über den Querschnitt A gemittelten Flußdichte B von dem momentan Mittelwert B der Flußdichte B in selbigem Querschnitt A oder auch deren Varianz kleiner als 0,005 und/oder daß die entsprechende relative Abweichung s ∼ der Flußdichte B vom Mittelwert B kleiner als 1%, insb. kleiner als 20‰, im Querschnitt A ist. Zudem kann durch die Verwendung des magnetisch hoch leitfähigen Materials für das Meßrohr das Magnetfeld so ausgebildet werden, daß es auch noch eine zur gedachten Elektrodenachse x parallel verlaufende Sekante des Querschnitts A senkrecht schneidet, die von der gedachten Elektrodenachse x eine Viertellänge eines Innen-Durchmessers des Meßrohrs D beabstandet ist.
Im Ergebnis führt das vorbeschriebene Gleichrichten des Magnetfelds und/oder Vergleichmäßigen des Betrags |B| der Flußdichte, insoweit also die Homogenisierung des Magnetfelds, u.a. auch dazu, daß die Meßspannung U im Vergleich zu herkömmlichen magnetisch-induktiven Meßaufnehmern mit ähnlichem Aufbau weniger empfindlich auf allfällige Störungen der Fluidströmung, beispielsweise durch mitgeführte Fremdstoffe, eingeperlte Gase und/oder Veränderungen im Strömungsprofil, reagiert und insoweit sehr robust ist. Gleichermaßen kann so eine Verbesserung der für die Messung der wenigstens einen physikalischen Meßgröße relevanten Eigenschaften Magnetfelds, insb. eine Erhöhung der Flußdichte B im Bereich der Elektroden 4, 5 und der Elektrodenachse x wie auch innerhalb des zentralen Rohrsegments erzielt werden. Infolgedessen weist das Magnetfeldsystem eine höhere Effizienz auf und können die mit der Meßspannung U korrespondierenden Meßwerte, beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Volumendurchfluß, präziser ermittelt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das magnetisch leitfähige Material zumindest über einen Bereich eines zentralen Rohrsegments des Meßrohrs 2 verteilt, in dem auch die Elektroden und die wenigstens eine Feldspule angeordnet sind. Alternativ oder in Ergänzung dazu ist das magnetisch leitfähige Material gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zumindest entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Meßrohrs 2 und/oder über eine gesamte Länge des Meßrohrs 2, insb. auch gleichmäßig, verteilt. Des weiteren kann das magnetisch leitfähige Material dabei aber auch, sei es nun weitgehend homogen oder im wesentlichen heterogen, über das gesamte Meßrohr 2 verteilt sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das magnetisch leitfähige Material als eine im wesentlichen zusammenhängende Schicht im Meßrohr zu applizieren. Vorzugsweise weist das magnetisch leitfähige Material dabei eine Schichtdicke d auf, die viel kleiner ist als ein Innen-Durchmesser D des Meßrohrs. Alternativ oder in Ergänzung dazu sind der Innen-Durchmesser D des Meßrohrs 2 und die Schichtdicke d des magnetisch leitfähigen Materials so bemessen, daß ein Verhältnis von Schichtdicke des magnetisch leitfähigen Materials zu Innen-Durchmesser D des Meßrohrs kleiner als 0.2, insb. kleiner 0.1, ist.
Zur Vermeidung von erhöhten Wirbelstrom- und/oder erhöhten Ummagnetisierungsverlusten im Meßrohr 2 kann letzteres darüber hinaus auch schichtweise aus mehreren solcher, einander abwechselnd, insb. koaxial, übereinanderliegenden Schichten aus magnetisch leitfähigem Material und elektrisch magnetisch nicht leitendem Material aufgebaut sein. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen wenigstens eine Schicht, insb. aber mehrere radial voneinander beabstandete Schichten, des magnetisch leitfähigen Materials in ein elektrisch im wesentlichen nicht leitendes Material und/oder wenigstens eine Schicht, insb. aber mehrere radial voneinander beabstandete Schichten, elektrisch im wesentlichen nicht leitenden Materials in magnetisch leitfähiges Material einzubetten. Darüber hinaus können im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Meßaufnehmer, falls erforderlich, aber auch weiterführenden Maßnahmen zur Minimierung von Wirbelströmen angewandt werden, beispielsweise die in der EP-A 1 460 394 und/oder der US-A 60 31 740 vorgeschlagen Verfahren zur Regelung des das Magnetfeld-System treibenden Erregerstroms.
Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Meßrohr 2, wie bei Meßaufnehmern der beschriebenen Art durchaus üblich, mittels eines als äußere Rohrwand und/oder als äußere Umhüllung dienenden, insb. metallischen und/oder magnetisch leitfähigen, Trägerrohrs 21 gebildet, das innen mit wenigstens einer Schicht 22 aus elektrisch isolierendem Material, wie z.B. Keramik, Hartgummi, Polyfluorethylen, Polyurethan oder dergleichen, dem sogenannten Liner, ausgekleidet ist; bei vollständig aus einem vergleichsweise nicht-leitenden Kunststoff oder aus einer Keramik, insb. aus Aluminiumoxid-Keramik, bestehenden Meßrohren ist solch eine zusätzliche elektrisch nichtleitende Schicht demgegenüber nicht zwingend erforderlich. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht das Trägerrohr zumindest anteilig aus dem magnetisch leitfähigen Material, insb. einem magnetisch leitfähigen Metall.
Das Trägerrohr 21 weist, wie auch in der 2 und 3 schematisiert dargestellt, eine Wandstärke d_T auf, die zumindest im Vergleich zum Innen-Durchmesser D_T des Trägerrohrs viel kleiner ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß der Innen-Durchmesser D_T und die Wandstärke d des Trägerrohrs so bemessen sind, daß ein Durchmesser-Wandstärke-Verhältnis w = d_T/D_T der Wandstärke d_T des Trägerrohrs zu dessen Innen-Durchmesser D_T kleiner als 0.5, insb. kleiner 0.2, ist. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein solches magnetisch leitfähiges Material für das Trägerrohr 21 verwendet und sind dessen Wandstärke d_T und Innen-Durchmesser D_T so bemessen, daß das vorgenannte Durchmesser-Wandstärke-Verhältnis w multipliziert mit der relativen Permeabilität μ_r des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert d_T/D_T·μ_r ergibt, der kleiner als 5, insb. kleiner als 3, ist. Alternativ oder in Ergänzung dazu, ist ein solches magnetisch leitfähiges Material für das Trägerrohr verwendet und sind dessen Wandstärke d_T und Innen-Durchmesser D_T so bemessen, daß dieser mittels des Durchmesser-Wandstärke-Verhältnisses w und der relativen Permeabilität μ_r des magnetisch leitfähigen Materials gebildete Wandstärke-Formfaktor d_T/D_T·μ_r für das Trägerrohr und insoweit auch für das gesamte Meßrohr einen Wert annimmt, der größer als eins, insb. größer als 1.2, ist.
Weiterführende Untersuchungen haben zudem ergeben, daß neben der Wandstärke d_T und dem Innen-Durchmesser D_T des magnetisch leitfähigen Trägerrohrs auch die Geometrie und/oder die räumliche Anordnung der dem Führen des Magnetfelds außerhalb des Meßrohrs dienenden magnetischen Rückführung 17 erheblichen Einfluß auf den Verlauf des Magnetfelds innerhalb Meßrohrlumen, insb. aber auf die räumliche Verteilung der Flußdichte B und/oder deren Betrag innerhalb des Querschnitts A und/oder Meßrohrlumens, nehmen kann. Im besonderen konnte hierzu festgestellt werden, daß beispielsweise für ein Trägerrohr, bei dem die Wandstärke d_T, der Innen-Durchmesser D_T sowie die relative relative Permeabilität μ_r vorgegeben sind, im Sinne einer möglichst gleichmäßig über den Querschnitt A verteilten Flußdichte B zumindest im Bereich der Meßelektroden ein optimaler mittlere Abstand h_r zwischen der magnetischen Rückführung 17 und dem Trägerrohr bestimmbar ist. Umgekehrt wiederum kann für den Fall, daß Wandstärke d_T, Innen-Durchmesser D_T und seitliche Einbaumaße für den Meßaufnehmer vorgegeben oder limitiert sind, eine für die betragsmäßig möglichst gleichmäßige Ausprägung des Magnetfelds optimale relativen Permeabilität μ_r ermittelt werden. Nach einer anderen Ausgestaltung ist daher ferner das Trägerohr und die Rückführung so ausgelegt und so dimensioniert, daß ein Abstand-Durchmesser-Verhältnis w_r = h_r/(d_T + D_T) des mittleren Abstands h_r zu einem Außen-Durchmesser (d_T + D_T) des Trägerrohrs kleiner als eins, insb. kleiner als 0.5, ist. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein solches magnetisch leitfähiges Material für das Trägerrohr verwendet und sind dessen Wandstärke d_T und Innen-Durchmesser D_T so bemessen, daß das vorgenannte Abstand-Durchmesser-Verhältnis w_r multipliziert mit der relativen Permeabilität μ_r des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert μ_r·h_r/(d_T + D_T) ergibt, der kleiner als 100, insb. kleiner als 60, ist. Alternativ oder in Ergänzung dazu ist ferner vorgesehen, ein solches magnetisch leitfähiges Material für das Trägerrohr zu verwenden und dessen Wandstärke d_T und Innen-Durchmesser D_T so zu bemessen, daß dieser mittels des Abstand-Durchmesser-Verhältnis w_r und der relativen Permeabilität μ_r des magnetisch leitfähigen Materials gebildete Rückführungs-Formfaktor μ_r·h_r/(d_T + D_T) für das Trägerrohr und insoweit auch für das gesamte Meßrohr einen Wert annimmt, der größer als eins ist.
Die für eine konkrete Konfiguration des Meßrohrs und des Magnetfeld-Systems im Sinne einer maximalen Meßspannung U optimale relative Permeabilität μ_r des für das Meßrohr verwendeten magnetisch leitfähigen Materials kann für praktisch relevante Durchmesser-Wandstärke-Verhältnis w und/oder praktisch relevante Abstand-Durchmesser-Verhältnis w_r aus den in den 7 und 8 dargestellten, empirisch ermittelten Kennlinienfeldern direkt abgelesen werden.
Obwohl, wie zuvor am Beispiel des Rückführungs-Formfaktor μ_r·h_r/(d_T + D_T) aufgezeigt, auch die Dimensionierung der Rückführung durchaus die Ausbreitung des Magnetfelds, insb. die Verteilung der der Flußdichte B innerhalb des Querschnitts A, beeinflussen kann, konnte jedoch überraschender Weise festgestellt werden, daß der Innen-Durchmesser und die Wandstärke des Trägerrohrs oder allgemeiner der Innen-Durchmesser D des Meßrohrs und die Verteilung, insb. die Schichtdicke, des magnetisch leitfähigen Materials im Meßrohr diesbezüglich einen weitaus größeren Einfluß auf die Ausbreitung des Magnetfelds innerhalb des Meßrohrlumens und insoweit auch auf die Ausprägung und die Robustheit der Meßspannung U nehmen können. So sind in der 9 Verläufe für die oben totale Abweichung s vom Mittelwert B und in der 10 für die relative Abweichung s ∼ vom Mittelwert B gezeigt, die empirisch für verschiedene Durchmesser-Wandstärke-Verhältnisse w und verschiedene Abstand-Durchmeser-Verhältnisse w_r im Bereich des Querschnitts A ermitteltet wurden. Dabei sind in den 9 und 10 für jedes der hier gewählten Durchmesser-Wandstärke-Verhältnisse w (0,0005....0,1876), jeweils dieselben vier verschieden Abstand-Durchmeser-Verhältnisse w_r (0,25; 05; 0,75; 1) untersucht und in der Weise zu einem über das jeweilige Durchmesser-Wandstärke-Verhältnis w definiertes und durch den jeweils einheitlich gewählten Linienstil (w = 0,0175 –; w = 0,0629: --; w = 0,1253: --; w = 0,1876: –·–; w = 0,25: -·-) repräsentiertes Ensemble zusammengefaßt worden. Deutlich erkennbar ist, daß für praktisch relevante Durchmesser-Wandstärke-Verhältnisse w von größer 0,01 einerseits bei hinreichend groß gewählter relativer Permeabilität μ_r von größer gleich 10 kaum noch eine Einfluß der Rückführung auf die relative Abweichung s ∼ und insoweit auf die Gestalt des Magnetfelds innerhalb des Querschnitts A feststellbar ist. Anderseits können für besagte Wandstärke-Verhältnisse w von größer 0,01 bei einer hinreichend groß gewählten relativer Permeabilität μ_r von größer gleich 10 nur noch marginale Verbesserungen des Magnetfelds im Sinne einer zumindest betragsgemäßen Gleichverteilung der Flußdichte B innerhalb des Querschnitts A erzielt werden.
Darüber hinaus zeigt sich anhand von in den 11 a, b, c und 12a, b, c dargestellten Verläufen der Mittelwerte wie auch der L²-Normen, die jeweils in Abhängigkeit von den vorgenannten Verhältnisse w und a sowohl für die Flußdichte B als auch deren einzelnen Komponenten B_x und B_y numerisch ermittelt wurden, daß durch die Verwendung von magnetisch hoch leitfähigem Material für das Meßrohr zumindest für relative Permeabilitäten μ_r im Bereich zwischen 10 und 50 zusätzlich zur Reduzierung des in Richtung der Elektrodenachse x wirkenden Anteils des Magnetfelds auch eine Erhöhung der magnetischen Energie zumindest innerhalb des Querschnitts A und insoweit auch eine Erhöhung der Effizienz des Magnetfeld-System erzielt werden kann.
Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, daß als magnetisch leitfähiges Material zur Realisierung der Erfindung Baustahl, Gußeisen oder auch ein, beispielsweise durch Dispersion, mit magnetisch leitfähigen Partikeln dotierter Verbundwerkstoff und/oder Kunststoff verwendet werden kann; selbstverständlich können aber auch andere, im Sinne der Erfindung magnetisch leitfähige Werkstoffe als Material für das Meßrohr dienen, beispielsweise auch solche Werkstoffe wie sie herkömmlicherweise für die Spulenkerne und/oder die magnetische Rückführung verwendet worden sind oder werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist dementsprechend vorgesehen, daß das Meßrohr, insb. auch das zuvor erwähnte Trägerrohr, zumindest anteilig aus ferromagnetischem Metall hergestellt ist. Dabei kann das Meßrohr, insb. auch das zuvor erwähnte Trägerrohr, zumindest anteilig aus weichmagnetischem Metall und/oder zumindest anteilig aus hartmagnetischem Metall bestehen.
Wie sich aus den vorangegangenen Erläuterungen unschwer erkennen läßt, zeichnet sich der erfindungsgemäße Meßaufnehmer durch eine Vielzahl von Freiheitsgraden aus, die es dem Fachmann, insb. auch noch nach einer Spezifikation von äußeren und/oder inneren Einbaumaßen (Nennweite, Einbaulänge, Seitenabstand etc.), ermöglichen, durch Auswahl eines entsprechend geeigneten Materials für das Meßrohr eine Optimierung des Magnetfelds und somit beispielsweise eine Verbesserung der Empfindlichkeit der Meßspannung U auf den vom Fluid zu messenden Parameter wie auch deren Robustheit gegenüber allfälligen Störungen im Fluid zu erzielen. In Kenntnis der Erfindung und vor dem Hintergrund des eingangs referierten Standes der Technik besteht für den Fachmann auch keinerlei Schwierigkeit darin, die für die jeweilige Anwendung geeigneten Materialien für das Meßrohr zu ermitteln.

Claims

Dem Führen eines elektrisch leitfähigen Fluids dienendes Meßrohr (2) eines magnetisch-induktiven Durchflußmessers, wobei das Meßrohr (2) zumindest anteilig, insb. überwiegend, aus einem magnetisch leitfähigen Material besteht, das eine relative Permeabilität, μ_r, aufweist, die wesentlich größer als eins, insb. größer als 10, ist.
Meßrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei das magnetisch leitfähige Material eine relative Permeabilität, μ_r, aufweist, die wesentlich größer als 10, insb. größer als 20, ist.
Meßrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das magnetisch leitfähige Material eine relative Permeabilität, μ_r, aufweist, die kleiner als 1000, insb. kleiner als 400, ist.
Meßrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das magnetisch leitfähige Material eine relative Permeabilität, μ_r, aufweist, die in einem Bereich zwischen 20 und 400 liegt.
Meßrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein zentrales Rohrsegment des Meßrohrs, insb. entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Meßrohrs, aus dem magnetisch leitfähigen Material besteht.
Meßrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das magnetisch leitfähige Material im wesentlichen über eine gesamte Länge des Meßrohrs und/oder über einen gesamten Umfang des Meßrohrs, insb. gleichmäßig, verteilt ist.
Meßrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Meßrohr zumindest anteilig aus ferromagnetischem Metall besteht.
Meßrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Meßrohr zumindest anteilig aus weichmagnetischem Metall besteht.
Meßrohr nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Meßrohr zumindest anteilig aus hartmagnetischem Metall besteht.
Meßrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das magnetisch leitfähige Material eine Schichtdicke (d) aufweist, die viel kleiner ist als ein Innen-Durchmesser (D) des Meßrohrs.
Meßrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Innen-Durchmesser (D) des Meßrohrs und die Schichtdicke (d) des magnetisch leitfähigen Materials so bemessen sind, daß ein Verhältnis von Schichtdicke des magnetisch leitfähigen Materials zu Innen-Durchmesser des Meßrohrs kleiner als 0.2, insb. kleiner 0.1, ist.
Meßrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Meßrohr (2) zumindest auf seiner Fluid berührenden Innenseite im wesentlichen elektrisch nicht-leitend ausgebildet ist.
Meßrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Meßrohr mittels eines als äußere Rohrwand und/oder als äußere Umhüllung dienenden, insb. metallischen und/oder elektrisch leitfähigen, Trägerrohrs gebildet ist, das innen mit wenigstens einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material ausgekleidet ist.
Meßrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Trägerrohr zumindest anteilig, insb. überwiegend, aus dem magnetisch leitfähigen Material besteht.
Meßrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Trägerrohr überwiegend, insb. durchgängig, aus Metall besteht.
Meßrohr nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Trägerrohr eine Wandstärke (d_T) aufweist, die viel kleiner ist als ein Innen-Durchmesser (D_T) des Trägerrohrs.
Meßrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Innen-Durchmesser (D_T) und die Wandstärke (d_T) des Trägerrohrs so bemessen sind, daß ein Verhältnis (d_T/D_T) der Wandstärke (d_T) des Trägerrohrs zu dessen Innen-Durchmesser (D_T) kleiner als 0.5, insb. kleiner 0.2, ist.
Meßrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein solches magnetisch leitfähiges Material verwendet ist, daß das Verhältnis (d_T/D_T) der Wandstärke (d_T) des Trägerrohrs zu dessen Innen-Durchmesser (D_T) multipliziert mit der relativen Permeabilität (μ_r) des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert (d_T/D_T·μ_r) ergibt, der kleiner als 5, insb. kleiner als 3, ist.
Meßrohr nach Anspruch 17 oder 18, wobei ein solches magnetisch leitfähiges Material verwendet ist, daß das Verhältnis (d_T/D_T) der Wandstärke (d_T) des Trägerrohrs zu dessen Innen-Durchmesser (D_T) multipliziert mit der relativen Permeabilität (μ_r) des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert (μ_r·d_T/D_T) ergibt, der größer als eins, insb. größer als 1.2, ist.
Meßrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei dessen aus Metall bestehende Komponenten in überwiegendem Maße aus magnetisch leitfähigem Material bestehen.
Magnetisch-induktiver Durchflußmesser für ein in einer Leitung strömendes Fluid, der ein Meßrohr gemäß einem der vorherigen Ansprüche umfaßt.
Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach dem vorherigen Anspruch, der weiters umfaßt: – eine Meß- und Betriebsschaltung, – ein von der Meß- und Betriebsschaltung gespeistes Magnetfeld-System, das mittels wenigstens einer am Meßrohr oder in dessen Nähe angeordneten Feldspule ein zumindest zeitweise ein Lumen des Meßrohrs durchsetzendes, insb. getaktetes, Magnetfeld erzeugt, und – wenigstens zwei Meßelektroden zum Abgreifen von elektrischen Potentialen und/oder elektrischen Spannungen, die im durch das Meßrohr strömenden und vom Magnetfeld durchsetzten Fluid induziert sind, – wobei die Meß- und Betriebsschaltung zum Erzeugen von Meßwerten, die wenigstens einen das Fluid beschreibenden Parameter repräsentieren, zumindest zeitweise mit wenigstens einer der Meßelektroden verbunden ist.
Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Meßelektroden von der wenigstens einen Feldspule beabstandet am Meßrohr und/oder innerhalb von dessen Rohrwand angeordnet sind.
Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach dem vorherigen Anspruch, wobei das magnetisch leitfähige Material zumindest im Bereich eines zentralen Rohrsegments des Meßrohrs, insb. entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Meßrohrs, so verteilt und die wenigstens eine Feldspule sowie die Meßelektroden so am Meßrohr angeordnet sind, daß das im Betrieb zumindest zeitweise erzeugte Magnetfeld sowohl im Bereich der Feldspulen als auch im Bereich der Meßelektroden, insb. mit im wesentlichen derselben Richtung und/oder im wesentlichen gleicher magnetischer Flußdichte, in das Lumen des Meßrohrs eingekoppelt ist.
Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach dem vorherigen Anspruch, wobei die wenigstens zwei Meßelektroden so am Meßrohr angeordnet sind, daß eine diese imaginär verbindende Elektrodenachse das zumindest zeitweise das Lumen des Meßrohrs durchsetzenden Magnetfeld im wesentlich senkrecht schneidet.
Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach dem vorherigen Anspruch, wobei das magnetisch leitfähige Material zumindest im Bereich eines zentralen Rohrsegments des Meßrohrs, insb. entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Meßrohrs, so verteilt und die wenigstens eine Feldspule sowie die Meßelektroden so am Meßrohr angeordnet sind, daß das zumindest zeitweise erzeugte Magnetfeld innerhalb des Lumens des Meßrohrs zumindest im Bereich des zentralen Rohrsegments dergestalt ausgebildet ist, daß es zumindest im Bereich der Rohrwand auch in einem senkrechten Abstand von der gedachten Elektrodenachse von mehr als einer Viertellänge eines Innen-Durchmessers (D) des Meßrohrs zumindest überwiegend senkrecht zur gedachten Elektrodenachse ausgerichtet ist.
Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 21 bis 26, der weiters wenigstens eine außerhalb des Meßrohrs verlaufende magnetische Rückführung zum Führen des Magnetfelds außerhalb des Meßrohrs umfaßt.
Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein, insb. im Bereich der Meßelektroden gemessener, mittlerer Abstand (h_r) zwischen der magnetische Rückführung und dem Meßrohr so gewählt ist, daß ein Abstand-Durchmesser-Verhältnis (h_r/(d_T + D_T)) des mittleren Abstands (h_r) zu einem Außen-Durchmesser (d_T + D_T) des Trägerrohrs kleiner als eins, insb. kleiner als 0.5, ist.
Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein solches magnetisch leitfähiges Material verwendet ist, daß das Verhältnis (h_r/(d_T + D_T)) des mittleren Abstands (h_r) zum Außen-Durchmesser (d_T + D_T) des Trägerrohrs multipliziert mit der relativen Permeabilität (μ_r) des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert (μ_r·h_r/(d_T + D_T)) ergibt, der kleiner als 100, insb. kleiner als 60, ist.