DE102006014677A1

DE102006014677A1 - Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums in einer Rohrleitung

Info

Publication number: DE102006014677A1
Application number: DE200610014677
Authority: DE
Inventors: Fred Kappertz
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-04
Also published as: WO2007110310A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums (11), das ein Messrohr (2) in Richtung der Messrohrachse (3) durchströmt, mit einer Magnetanordnung (6, 7) mit Polschuhen (17, 18), die so geformt und angeordnet sind, dass im Messrohr (2) ein homogenes Mess-Magnetfeld mit im Wesentlichen quer zur Messrohrachse (3) verlaufenden Magnetfeldlinien erzeugt wird, und mit einem im Außenbereich des Messrohres (2) angeordneten Leitblech (21) zur Führung des Magnetfeldes (B) im Außenraum des Messrohres (2), mit zumindest einer mit dem Medium (11) gekoppelten Messelektrode (4, 5), die in einem Seitenbereich des Messrohres (2) angeordnet ist, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (8), die anhand der in die zumindest eine Messelektrode (4, 5) induzierten Messspannung Information über den Volumen- oder Massestrom des Mediums (11) in dem Messrohr (2) liefert. Um den Wirkungsgrad des Durchflussmessgeräts (1) zu erhöhen, ist zumindest ein erstes Abschirmelement (19a, 19b, 19c, 19d) zwischen einem Polschuh (17; 18) und dem Leitblech (21) so angeordnet, dass im Bereich zwischen Polschuh (17; 18) und Leitblech (21) der magnetische Widerstand erhöht wird, wodurch magnetische Streufelder im Außenraum des Messrohres (2) reduziert werden und die Feldstärke des Mess-Magnetfeldes (B) erhöht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums, das ein Messrohr in Richtung der Messrohrachse durchströmt, mit einer Magnetanordnung und Polschuhen, die so geformt und angeordnet sind, dass im Messrohr ein homogenes Mess-Magnetfeld mit im wesentlichen quer zur Messrohrachse verlaufenden Magnetfeldlinien erzeugt wird, und mit einem im Außenbereich des Messrohres angeordneten Leitblech zur Führung des Magnetfeldes im Außenraum des Messrohres, mit zumindest einer mit dem Medium gekoppelten Messelektrode, die in einem Seitenbereich des Messohres angeordnet ist, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der in die zumindest eine Messelektrode induzierten Messspannung Information über den Volumen- oder Massestrom des Mediums in dem Messrohr liefert. Die zumindest eine Messelektrode ist mit dem Messmedium galvanisch oder kapazitiv gekoppelt.
Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte nutzen für die volumetrische Strömungsmessung das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus: Senkrecht zu einem Magnetfeld bewegte Ladungsträger des Mediums induzieren in gleichfalls im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums angeordnete Messelektroden eine Messspannung. Diese in die Messelektroden induzierte Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums; sie ist also proportional zum Volumenstrom. Ist die Dichte des Mediums bekannt, lässt sich weiterhin der Massestrom des Mediums bestimmen.
Bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät hängt die Signalstärke der an zumindest einer Messelektrode gemessenen Messspannung entscheidend von der Feldstärke des Mess-Magnetfeldes ab, d.h. des Magnetfeldes, das periodisch alternierend den Innenraum des Messrohres durchsetzt.
Bei der Konstruktion eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts werden stets Maßnahmen getroffen, die dazu dienen, das Magnetfeld weitgehend auf den Innenraum des Messrohres zu konzentrieren. Eine bekannte Maßnahme ist die Anordnung eines Leitbleches im Außenraum des Messrohres. Dieses Leitblech umgibt das Messrohr umfänglich und ist so ausgestaltet, dass das Magnetfeld im Außenraum des Messrohres im wesentlichen innerhalb eines begrenzten Raumbereichs geführt und in den vom Medium durchströmten Innenbereich des Messrohres geleitet wird. Weiterhin werden durch das Leitblech Störfelder aus der Umgebung des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts unterdrückt. Generell lässt sich sagen, dass das Leitblech dazu dient, Stör- oder Streufelder zu reduzieren.
Die gewünschte homogene Verteilung des Magnetfeldes im Innenraum des Messrohres wird über entsprechend an den Durchmesser des Messrohres angepasste Polschuhe erreicht. Hierdurch sind die von dem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät gelieferten Messspannungen weitgehend unabhängig von dem Strömungsprofil des Mediums, das durch das Messrohr strömt.
Bei der bekannten Magnetanordnung, bestehend aus Leitblech und Polschuh, besteht eine magnetische Kopplung zwischen Leitblech und Polschuh. Folglich verläuft ein Teil der Magnetfeldlinien, die an der dem Messrohr zugewandten Oberfläche des Polschuhs austreten, nicht – wie gewünscht – durch das Messrohr zum gegenüberliegenden Polschuh, sondern die Magnetfeldlinien schließen sich über den kürzeren Luftspalt zwischen Polschuh und Leitblech und werden so aus dem eigentlichen Mess-Magnetfeld ausgekoppelt. Darüber hinaus treten bei bekannten Magnet anordnungen, also Elektromagnete mit Polschuhen, Streufelder auf. Auch hierdurch wird der Wirkungsgrad eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts verringert. Unter Wirkungsgrad wird hierbei der Anteil der in das Messrohr eingekoppelten Magnetfeldlinien zu der Gesamtzahl der von der Magnetanordnung erzeugten Magnetfeldlinien verstanden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem erhöhten Wirkungsgrad vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest ein erstes Abschirmelement zwischen Polschuh und Leitblech derart angeordnet ist, dass im Bereich zwischen Polschuh und Leitblech der magnetische Widerstand erhöht wird. Hierdurch werden magnetische Streufelder im Außenraum des Messrohrs reduziert; gleichzeitig wird die Feldstärke des Mess-Magnetfeldes erhöht.
Bevorzugt handelt es sich bei der Magnetanordnung um zwei sich bezüglich des Messrohres diametral gegenüberliegende Elektromagnete, bestehend aus Spulenanordnungen und Polschuhen. Durch die Anordnung eines flächigen, der jeweiligen Geometrie des Messrohrs angepassten Form des ersten Abschirmelements in den Seitenbereichen jedes Elektromagneten zwischen Polschuh und Leitblech wird eine virtuelle Vergrößerung des Luftspalts zwischen Polschuh und Leitblech erreicht – oder mit anderen Worten, der magnetische Widerstand in diesen Bereichen wird erhöht. Als Folge des in diesen Bereichen erhöhten magnetischen Widerstands nehmen die Magnetfeldlinien in gesteigertem Maße den durch das Leitblech vorgegebenen Weg im Außenraum des Messrohrs und schließen sich, indem sie den direkten Weg durch das Messrohr nehmen. Generell lässt sich sagen, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung von Abschirmblechen im Bereich zwischen Polschuhen und Leitblech oder auch im Außenbereich der Spulenanordnung die magnetischen Nebenschlüsse drastisch reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in radialer Richtung oberhalb eines jeden Magnetanordnung ein zweites Abschirmelement vorgesehen. Die zweiten Abschirmelemente sind außerhalb des Leitblechs angeordnet und dienen jeweils der Reduktion des Streufeldes der Magnetanordnung, da auch durch sie der magnetische Widerstand im Außenraum des Messrohrs erhöht wird. Wiederum werden hierdurch die Magnetfeldlinien bevorzugt auf den direkten Weg über den Innenraum des Messrohres gezwungen. Darüber hinaus werden durch diese Ausgestaltung magnetische Störfelder, die sich in der Umgebung des Durchflussmessgeräts befinden, effektiv abgeschirmt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Abschirmelement aus einem diamagnetischen Material gefertigt. Selbstverständlich ist es auch möglich, lediglich an dem Abschirmelement eine diamagnetische Beschichtung vorzusehen. Das Abschirmelement selbst weist eine durchgehende Fläche auf, oder es ist als Gitter ausgebildet. Bei dem diamagnetischen Material kann es sich beispielsweise um Wismut oder Graphit handeln. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass das Abschirmelement aus einem supraleitenden Material gefertigt ist. Da ein supraleitendes Material einen gegen Unendlich gehenden magnetischen Widerstand aufweist, wird durch eine derartige Lösung ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts,
2: eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines bekannten magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts mit Skizzierung des Verlaufs der Magnetfeldlinien und
3: eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts mit Skizzierung des Verlaufs der Magnetfeldlinien.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Das Messrohr 2 wird von dem Medium 11 in Richtung der Messrohrachse 3 durchflossen. Das Medium 11 ist zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähig. Das Messrohr 2 selbst ist aus einem nicht-leitfähigen Material gefertigt, oder es ist zumindest an seiner Innenfläche mit einem nicht-leitfähigen Material ausgekleidet.
Das senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums 11 ausgerichtete Magnetfeld B wird über die diametral angeordnete Spulenanordnung 6, 7 bzw. über zwei Elektromagnete erzeugt. Unter dem Einfluß der Magnetfeldes B wandern in dem Medium 11 befindliche Ladungsträger je nach Polarität zu den beiden entgegengesetzt gepolten Messelektroden 4, 5 ab. Die sich an den Messelektroden 4, 5 aufbauende Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres 2 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 11, d. h. sie ist ein Maß für den Volumenstrom des Mediums 11 in dem Messrohr 2. Das Messrohr 2 ist übrigens über Verbindungselemente, z. B. Flansche, die in der Zeichnung nicht gesondert dargestellt sind, mit einem Rohrsystem, durch das das Medium 11 hindurchströmt, verbunden.
In den beiden gezeigten Fällen befinden sich die Messelektroden 4, 5 in direktem Kontakt mit dem Medium 11; die Kopplung kann jedoch, wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, auch kapazitiv erfolgen.
Über Verbindungsleitungen 12, 13 sind die Messelektroden 4, 5 mit der Rege-/Auswerteeinheit 8 verbunden. Die Verbindung zwischen den Spulenanordnungen 6, 7 und der Regel-/Auswerteeinheit 8 erfolgt über die Verbindungsleitungen 14, 15. Die Regel-/Auswerteeinheit 8 ist über die Verbindungsleitung 16 mit einer Eingabe-/Ausgabeeinheit 9 verbunden. Der Auswerte-/Regeleinheit 8 ist die Speichereinheit 10 zugeordnet.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines bekannten magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts 1 mit Skizzierung des Verlaufs der Magnetfeldlinien gezeigt. 3 zeigt die analoge Darstellung bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts 1. Das Magnetfeld B wird in beiden Fällen über die beiden sich diametral gegenüberliegenden Magnetanordnungen 6, 7 erzeugt. Eine Magnetanordnung 6; 7 besteht im gezeigten Fall aus einem Elektromagneten und einem Polschuh 17, 18, der hinsichtlich seiner Form an das Messrohr 2 angepasst ist. Insbesondere sind die Polschuhe 17, 18 so geformt, dass das Magnetfeld B, das das von dem Medium 11 durchströmte Messrohr 2 durchsetzt, möglichst homogen ist. Das Magnetfeld B ist in beiden Zeichnungen 2 und 3 nur ausschnittsweise skizziert.
Wie aus 2 ersichtlich, erfolgt bei der bislang bekannten Lösungen mit Leitblech 21 jeweils eine relativ starke Rückkopplung der Magnetfeldlinien im Bereich zwischen Polschuh 17; 18 und den entsprechenden angrenzenden Bereichen des Leitblechs 21. Insbesondere verlaufen daher die an der jeweiligen Unterseite deines Polschuhs 17; 18 austretenden Magnetfeldlinien nicht nur über das Medium 11 zum gegenüberliegenden Polschuh 18; 17, sondern ein Teil der Magnetfeldlinien schließt sich über den Luftspalt zwischen dem Polschuh 17, 18 und Leitblech 21, wodurch ein beachtlicher Teil der Magnetfeldlinien nicht – wie gewünscht – den Weg durch das Messrohr 2 nimmt. Der magnetische Wirkungsgrad ist daher bei den bekannten magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten relativ gering.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts 1 mit Skizzierung des Verlaufs der Magnetfeldlinien. Bei dieser Ausgestaltung sind sowohl erste Abschirmelemente 19a, 19b, 19c, 19d als auch zweite Abschirmelemente 20a, 20b vorgesehen. Es versteht sich von selbst, dass in gewissen Anwendungsfällen auch nur die ersten Abschirmelemente 19a, 19b, 19c, 19d oder nur die zweiten Abschirmelemente 20a, 20b ausreichend sind. Erfindungsgemäß sind jeweils in den seitlichen Bereichen der beiden Elektromagnete 6, 7 zwischen den Polschuhen 17, 18 und dem Leitblech 21 diamagnetische Bleche bzw. Abschirmelemente 19a, 19b, 19c, 19d angebracht. Diese haben eine Form, die der jeweiligen Form des Messrohres 2 angepasst ist. Im gezeigten Fall sind es abgewinkelte Bleche aus Wismut oder Graphit. Möglich ist es auch, ein Abschirmelement 19a, 19b, 19c, 19d; 20a, 20b mit einer diamagnetischen Beschichtung zu versehen. Wie bereits erwähnt, sind Abschirmelemente 19a, 19b, 19c, 19d; 20a, 20b aus supraleitendem Material hinsichtlich ihrer Eigenschaft, magnetische Feldlinien gänzlich zu blockieren, für die erfindungsgemäße Lösung ideal.
Beispielsweise sind die Abschirmelemente 19a, 19b, 19c, 19d über in der 3 nicht gesondert dargestellte Schraubverbindungen an dem Leitblech 21 oder an den Polschuhen 17, 18 befestigt. Ein zweites Abschirmelement 20a, 20b ist jeweils in radialer Richtung gesehen jeweils hinter einer Magnetanordnung 6, 7 angeordnet.
Der magnetische Widerstand wird durch die Anordnung der diamagnetischen Abschirmelemente 19a, 19b, 19c, 19d; 20a, 20b in den entsprechenden Raumbereichen erheblich erhöht. Hierdurch werden die Magnetfeldlinien quasi auf den für die Mess-Performance optimalen Weg durch das Messrohr 2 umgeleitet. Hierdurch wird der magnetische Wirkungsgrad erhöht. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Abschirmelemente 19a, 19b, 19c, 19d; 20a, 20b und den hierdurch erreichten besseren Wirkungsgrad lassen sich kostengünstigere Komponenten zur Erzeugung des Magnetfeldes verwenden. Somit lässt sich ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät relativ zu einem vergleichbaren herkömmlichen Durchflussmessgerät mit reduzierten Herstellungskosten fertigen.

1: Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
2: Messrohr
3: Messrohrachse
4: Messelektrode
5: Messelektrode
6: Spulenanordnung/Elektromagnet
7: Spulenanordnung/Elektromagnet
8: Regel-/Auswerteeinheit
9: Eingabe-/Ausgabeeinheit
10: Speichereinheit
11: Meßmedium
12: Verbindungsleitung
13: Verbindungsleitung
14: Verbindungsleitung
15: Verbindungsleitung
16: Verbindungsleitung
17: Polschuh
18: Polschuh
19: Erstes Abschirmelement
20: Zweites Abschirmelement
21: Leitblech

Claims

Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums (11), das ein Messrohr (2) in Richtung der Messrohrachse (3) durchströmt, mit einer Magnetanordnung (6, 7) mit Polschuhen (17, 18), die so geformt und angeordnet sind, dass im Messrohr (2) ein homogenes Mess-Magnetfeld mit im wesentlichen quer zur Messrohrachse (3) verlaufenden Magnetfeldlinien erzeugt wird, und mit einem im Außenbereich des Messrohres (2) angeordneten Leitblech (21) zur Führung des Magnetfeldes (B) im Außenraum des Messrohres (2), mit zumindest einer mit dem Medium (11) gekoppelten Messelektrode (4, 5), die in einem Seitenbereich des Messohres (2) angeordnet ist, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (8), die anhand der in die zumindest eine Messelektrode (4, 5) induzierten Messspannung Information über den Volumen- oder Massestrom des Mediums (11) in dem Messrohr (2) liefert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erstes Abschirmelement (19a, 19b, 19c, 19d) zwischen einem Polschuh (17; 18) und dem Leitblech (21) so angeordnet ist, dass im Bereich zwischen Polschuh (17; 18) und Leitblech (21) der magnetische Widerstand erhöht wird, wodurch magnetische Streufelder im Außenraum des Messrohrs (2) reduziert werden und die Feldstärke des Mess-Magnetfeldes (B) erhöht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung jeweils einen Elektromagneten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein zweites Abschirmelement (20a, 20b) in radialer Richtung oberhalb der Magnetanordnung (6, 7) bzw. oberhalb des Elektromagneten angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, wobei das erste Abschirmelement (19a, 19b, 19c, 19d) und das zweite Abschirmelement (20a, 20b) aus einem diamagnetischen Material gefertigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, wobei das erste Abschirmelement (19a, 19b, 19c, 19d) und das zweite Abschirmelement (20a, 20b) eine diamagnetische Beschichtung tragen.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (19a, 19b, 19c, 19d; 20a, 20b) eine im wesentlichen ebene Fläche aufweist oder als Gitter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abschirmelement (19a, 19b, 19c, 19d) und/oder das zweite Abschirmelement (20a, 20b) aus einem supraleitenden Material gefertigt ist/sind.