DE102006014679A1

DE102006014679A1 - Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102006014679A1
Application number: DE200610014679
Authority: DE
Inventors: Thomas Bier; Simon Dr. Stingelin
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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (1) mit einem Messrohr (2), das von einem Medium (10) im Wesentlichen in Richtung der Messrohrachse (3) durchflossen wird, mit einer Magnetanordnung (6, 7), die ein das Messrohr (2) durchsetzendes und im Wesentlichen senkrecht zur Messrohrachse (3) verlaufendes, alternierendes Magnetfeld (B) erzeugt, mit zumindest zwei Elektrodenpaaren (4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n) mit jeweils einer ersten Messelektrode (4a, 4b, 4n) und mit einer zweiten Messelektrode (5a, 5b, 5n), wobei jeweils die erste Messelektrode (4a, 4b, 4n) und die zweite Messelektrode (5a, 5b, 5n) eines jeden Elektrodenpaares (4, 5) entweder auf einer Verbindungslinie angeordnet sind, die senkrecht zur Messrohrachse (3) und senkrecht zum Magnetfeld (B) ausgerichtet ist, oder die in Richtung der Messrohrachse (3) zueinander versetzt sind, wobei die ersten Messelektroden (4) und die zweiten Messelektroden (5) in Richtung der Messrohrachse (3) versetzt zueinander positioniert sind, mit einer Schaltung (8), die die an den Elektrodenpaaren (4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n) abgegriffenen induzierten Messspannungen (Ua, Ub, Un) summiert, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (9), die anhand der induzierten Summenspannung (Ua + Ub + Un) den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Mediums (10) durch das Messrohr (2) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.
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 Durchflussrichtung des Mediums angeordnete Messelektroden eine Messspannung. Diese in die Messelektroden induzierte Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Rohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums; sie ist also proportional zum Volumenstrom. Die Messspannung wird üblicherweise über ein Messelektrodenpaar abgegriffen, das in dem Bereich des Messrohres angeordnet ist, wo die maximale Magnetfeldstärke herrscht und wo folglich die maximale Messspannung zu erwarten ist. Die Messelektroden sind mit dem Medium entweder galvanisch oder kapazitiv gekoppelt.
Probleme hinsichtlich der Messempfindlichkeit eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts zeigen sich, wenn das Medium mit Partikeln beladen ist und/oder wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in dem Messrohr relativ klein ist. Prallen Partikel auf die Messelektroden, so erzeugen sie Störimpulse, die sich als Rauschen dem eigentlichen Messsignal überlagern. Im Falle kleiner Strömungsgeschwindigkeiten sind die Messsignale per se relativ klein. Treten dann noch zusätzlich Störsignale auf, so ist der Volumenstrom überhaupt nicht mehr oder nur noch mit einem relativ großen Messfehler bestimmbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät vorzuschlagen, das in hohem Maße unempfindlich gegenüber Störsignalen ist.
Die Aufgabe wird durch ein Messgerät gelöst, das folgende Komponenten aufweist:

– Ein Messrohr, das von einem Medium im wesentlichen in Richtung der Messrohrachse durchflossen wird;
– Eine Magnetanordnung, die ein das Messrohr durchsetzendes und im wesentlichen senkrecht zur Messrohrachse verlaufendes, alternierendes Magnetfeld erzeugt;
– Zumindest zwei Messelektrodenpaare mit jeweils einer ersten Messelektrode und mit einer zweiten Messelektrode, wobei die erste Messelektrode und die zweite Messelektrode eines jeden Messelektrodenpaares entweder auf einer Verbindungslinie angeordnet sind, die senkrecht zur Messrohrachse und senkrecht zum Magnetfeld ausgerichtet ist, oder die in Richtung der Messrohrachse zueinander versetzt zueinander positioniert sind. Die Messelektroden sind übrigens so ausgestaltet, dass sie mit dem Medium kapazitiv oder galvanisch koppeln.
– Eine Schaltung, welche die an den Messelektrodenpaaren abgegriffenen induzierten Messspannungen summiert. Bevorzugt handelt es sich bei der Schaltung um eine Serienschaltung, welche die an den Messelektrodenpaaren abgegriffenen induzierten Messspannungen addiert.
– Eine Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der mittels der Schaltung gebildeten Summenspannung den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Mediums durch das Messrohr bestimmt.

Mittels der Summenbildung über die Messspannungen, die in die einzelnen Messelektrodenpaare induziert werden, wird bei vergleichbarer Magnetfeld stärke eine erhöhte Messempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts bezüglich eines Durchflussmessgeräts des Standes der Technik erreicht. Da die abgegriffene und zur Bestimmung des Volumenstroms herangezogene Summen-Messspannung quantitativ größer ist als die Messspannung eines Messelektrodenpaares ist, haben Störsignale einen weniger starken Einfluss auf die Messgenauigkeit als im Falle des bekannten Durchflussmessgeräts mit lediglich einem Messelektrodenpaar. Anstatt die induzierte Messspannung mit nur einem Messelektrodenpaar am Ort der größten Magnetfeldstärke zu erfassen, werden mit mehreren zusätzlichen Messelektrodenpaaren Signalspannungen an unterschiedlichen Orten, an denen unterschiedliche Magnetfeldstärken herrschen, erfasst. Die an den Messelektrodenpaaren abgegriffenen Messspannungen werden erfindungsgemäß addiert, so dass die resultierende, zur Bestimmung des Volumenstroms herangezogene Gesamtspannung einerseits größer ist, andererseits aber auch – wie bereits erwähnt – aus Messspannungen besteht, die an verschiedenen Orten abgegriffen werden. Daher haben lokal auftretende Störungen, die z.B. durch Partikel erzeugt werden, die auf eine Messelektrode auftreffen, in der Summe einen kleineren Anteil am Gesamtsignal und verursachen folglich einen geringeren Störeffekt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die Messrohrachse in der Ebene liegt, in der die Verbindungslinien der Messelektroden der Elektrodenpaare liegen.
Weiterhin ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass im Falle einer ungeraden Anzahl von Messelektrodenpaaren ein Elektrodenpaar in dem Bereich angeordnet ist, in dem die maximale Magnetfeldstärke herrscht.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Durchflussmessgerät so ausgelegt ist, dass der Abstand der ersten Messelektroden untereinander und der Abstand der zweiten Messelektroden untereinander im wesentlichen äquidistant ist. Alternativ ist vorgesehen, dass der Abstand der ersten Messelektroden untereinander und der Abstand der zweiten Messelektroden untereinander variabel derart bemessen ist, dass die induzierte Summen-Messspannung einen maximalen Wert erreicht.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts,
2: eine Seitenansicht auf das in 1 gezeigte magnetisch-induktive Durchflussmessgerät,
3: ein Ersatzschaltbild der an dem erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät abgegriffenen Messspannungen,
3a: ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der in 3 gezeigten Schaltung,
4a: eine graphische Darstellung der über mehrere Messelektrodenpaare aufsummierten Messspannung im Vergleich zur Messspannung an einem Messelektrodenpaar,
4b: eine graphische Darstellung der optimierten Abstände der ersten Messelektroden und der zweiten Messelektroden und
4c: eine graphische Darstellung, die die Messspannung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei Messelektrodenpaaren im Verhältnis zur Messspannung mit einem Messelektrodenpaar visualisiert.
1 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts 1, während 2 das in 1 dargestellte Durchflussmessgerät 1 in Seitenansicht zeigt.
In der Außenwand des Messrohres 2 sind drei Messelektrodenpaare 4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n montiert, wobei sich die ersten Messelektroden 4a, 4b, 4n und die zweiten Messelektroden 5a, 5b, 5n eines jeden Messelektrodenpaares diametral gegenüber liegen. Die Verbindungslinien der Messelektroden der Messelektrodenpaare 4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n sind senkrecht zu dem alternierenden Magnetfeld B und zu der Strömungsrichtung X des Mediums 10 in dem Messrohr 2 angeordnet. Insbesondere ist das mittig angeordnete Messelektrodenpaar 4b, 5b im Bereich der maximalen Magnetfeldstärke des Magnetfeldes B positioniert, die beiden seitlichen Messelektrodenpaare 4a, 5a; 4n, 5n liegen symmetrisch zu dem mittig angeordneten Messelektrodenpaar 4b, 5b. Die in die Messelektrodenpaare 4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n induzierten Messspannungen Ua, Ub, Un werden über die Serienschaltung 8 addiert. Die Regel-/Auswerteeinheit 9, bei der er sich bevorzugt um einen A/D Wandler mit nachgeschaltetem Mikroprozessor handelt, errechnet anhand der Summenspannung ΣUi = Ua + Ub + Un den Volumen- bzw. den Massestrom des Mediums 10 durch das Messrohr.
In den Figuren 3 und 3a sind ein entsprechendes Ersatzschaltbild sowie ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für die Schaltung 8 dargestellt. Es kennzeichnen R1 und R2 die Eingangswiderstände, Rka und Rkb die Kabelwiderstände, Ua, Ub und Un charakterisieren die entsprechenden Messspannungen an den Messelektrodenpaaren 4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n, und 6a, 6b und 6n entsprechen den Impedanzen des Mediums 10.
Der Abstand d der ersten Messelektroden 4a, 4b, 4n und der zweiten Messelektroden 5a, 5b, 5n in Strömungsrichtung X ist in den gezeigten Darstellungen äquidistant. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Abstände der ersten Messelektroden 4a, 4b, 4n und die Abstände der zweiten Messelektroden 5a, 5b, 5n bezüglich des angelegten Magnetfeldes B optimiert wird. Optimal ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass die Messelektrodenpaare 4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n so plaziert werden, dass die abgegriffene Summenspannung ΣUi bei einem gegebenen Magnetfeld B maximal ist.
In 4a ist die Summen-Messspannung Ua + Ub + Un (durchgezogene Kurve) an den Messelektrodenpaaren 4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n und die Messspannung bei einem üblichen Messelektrodenpaar (gestrichelte Linie) bei Anliegen desselben Magnetfeldes B gezeigt. Das Magnetfeld B wird von zwei Elektromagneten 6, 7 erzeugt, die im Außenbereich des Messrohres 2 angeordnet sind. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit mehreren Meßelektrodenpaaren 4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n, auf die sich 4 bezieht, sind die Abstände d der ersten Messelektroden 4a, 4b, 4n und der zweiten Messelektroden 5a, 5b, 5n symmetrisch gewählt.
Wie bereits zuvor erwähnt, lässt sich durch eine geeignete Variation der Abstände di der ersten Messelektroden 4a, 4b, 4n und der zweiten Messelektroden 5a, 5b, 5n untereinander die an der Reihenschaltung 8 abgegriffene Summen-Messspannung weiter erhöhen, ohne dass hierzu eine Änderung der Magnetfeldstärke des Magnetfeldes B erforderlich ist. Die entsprechende graphische Darstellung ist aus der 4b ersichtlich.
4c zeigt eine graphische Darstellung, die die Messspannung bei dem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät 1 mit drei Meßelektrodenpaaren 4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n im Verhältnis zur Messspannung eines aus dem Stand der Technik bekannten Durchflussmessgeräts visualisiert. Klar ersichtlich ist, dass man für ein ausreichend homogenes Magnetfeld B mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts 1 eine höhere Messgenauigkeit erzielt. Mit der erhöhten, zur Verfügung stehenden Messspannung ΣUi des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts 1 geht eine erhöhte Messgenauigkeit einher: Störungen, die bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit v beispielsweise durch den Aufprall von Partikeln des Mediums 10 auf eine oder mehrere Messelektroden 4a, 4b, 4n; 5a, 5b, 5n hervorgerufen werden, beeinflussen eine hohe Messspannung relativ gesehen weniger stark als eine geringere Messspannung. Andererseits bedeutet dies, dass das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät 1 auch bei kleinen Strömungsgeschwindigkeit vi, die kleine Messspannungen Ui in die Messelektrodenpaare 4a, 5a; 4a, 4b; 4n, 5n induzieren, noch hinreichend genau misst. Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, lässt sich die in die Messelektroden induzierte Messspannung weiterhin dadurch optimieren, dass der Abstand d der Messelektroden 4a, 4b, 4n; 5a, 5b, 5n zu beiden Seiten des Messrohres 3 im Hinblick auf eine Maximierung der Messspannung abgestimmt wird.

1: magnetisch-induktives Durchflussmessgeräte
2: Messrohr
3: Messrohrachse
4a: erste Messelektrode
4b: erste Messelektrode
4n: erste Messelektrode
5a: zweite Messelektrode
5b: zweite Messelektrode
5n: zweite Messelektrode
6: Magnetanordnung
7: Magnetanordnung
8: Schaltung
9: Regel-/Auswerteeinheit
10: Medium

Claims

Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (1) mit einem Messrohr (2), das von einem Medium (10) im wesentlichen in Richtung der Messrohrachse (3) durchflossen wird, mit einer Magnetanordnung (6, 7), die ein das Messrohr (2) durchsetzendes und im wesentlichen senkrecht zur Messrohrachse (3) verlaufendes, alternierendes Magnetfeld (B) erzeugt, mit zumindest zwei Elektrodenpaaren (4a, 5a, 4b, 5b, 4n, 5n) mit jeweils einer ersten Messelektrode (4a, 4b, 4n) und mit einer zweiten Messelektrode (5a, 5b, 5n), wobei jeweils die erste Messelektrode (4a, 4b, 4n) und die zweite Messelektrode (5a, 5b, 5n) eines jeden Elektrodenpaares (4, 5) entweder auf einer Verbindungslinie angeordnet sind, die senkrecht zur Messrohrachse (3) und senkrecht zum Magnetfeld (B) ausgerichtet ist, oder die in Richtung der Messrohrachse (3) zueinander versetzt sind, wobei die ersten Messelektroden (4) und die zweiten Messelektroden (5) in Richtung der Messrohrachse (3) versetzt zueinander positioniert sind, mit einer Schaltung (8), die die an den Elektrodenpaaren (4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n) abgegriffenen induzierten Messspannungen (Ua, Ub, Un) summiert, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (9), die anhand der induzierten Summenspannung (Ua + Ub + Un) den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Mediums (10) durch das Messrohr (2) bestimmt.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei die Messrohrachse (3) in der Ebene liegt, in der die Verbindungslinien der Messelektroden der Elektrodenpaare (4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n) liegen.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 2, wobei im Falle einer ungeraden Anzahl von Messelektrodenpaaren (4a, 5a; 4b, 5b; 4n, 5n) ein Elektrodenpaar (4b, 5b) in dem Bereich angeordnet ist, in dem das Magnetfeld (B) maximal ist.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei der Abstand (d) der ersten Messelektroden (4a, 4b, 4n) untereinander und der Abstand (d) der zweiten Messelektroden (5a, 5b, 5n) untereinander im wesentlichen äquidistant ist.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei der Abstand (d) der ersten Messelektroden (4a, 4b, 4n) untereinander und der Abstand der zweiten Messelektroden (5a, 5b, 5n) untereinander so bemessen ist, dass die induzierte Summenspannung (ΣUi) maximal ist.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Schaltung (8) um eine Serienschaltung handelt.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messelektroden (4a, 4b, 4n, 5a, 5b, 5n) so ausgestaltet sind, dass sie mit dem Medium (10) kapazitiv oder galvanisch koppeln.