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Die
Erfindung bezieht sich auf ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.
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Magnetisch-induktive
Durchflussmessgeräte weisen
ein Magnetsystem mit Spulenanordnung und ggf. Polschuhen auf, die
ein Magnetfeld erzeugen, welches das von dem zu messenden Medium
durchflossene Messrohr möglichst
homogen durchsetzt. Das Magnetfeld ist im wesentlichen quer zur
Messrohrachse orientiert und ändert – getriggert über eine Regel-/Auswerteeinheit – periodisch
seine Richtung. Weiterhin ist dem Messrohr zumindest eine mit dem Medium
direkt oder indirekt gekoppelte Messelektrode ^zugeordnet. Die Regel-/Auswerteeinheit
liefert anhand der in die zumindest eine Messelektrode induzierten
Messspannung Information über
den Volumenstrom bzw. bei bekannter Dichte Information über den
Massestrom des Mediums in dem Messrohr.
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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
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.
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Im
Idealfall entspricht der Stromverlauf in der Spulenanordnung dem
Verlauf des Magnetfelds. Aufgrund von Wirbelströmen, die während des Umschaltens des Magnetfeldes
in den Polschuhen und Kernen der Spulenanordnung entstehen, treten
in der Realität
Abweichungen von diesem Idealfall auf. Der außerhalb der Spulenanordnung
gemessene Spulenstrom entspricht immer der Summe des in der Spule
fließenden
Stroms und des durch die Wirbelströme erzeugten Stroms. Da prinzipiell
der außerhalb
der Spulenanordnung gemessene Strom als Regelgröße verwendet wird, ist folglich
zwar der Strom nicht aber das Magnetfeld konstant. Dies gilt jedenfalls
während
der Umschaltung des Magnetfeldes solange, bis die Wirbelströme abgeklungen
sind.
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Um
diesen Missstand zu beseitigen, wird in der
EP 0 969 268 A1 vorgeschlagen,
den Strom nicht direkt zur Nachführung
der Spannung über
der Spulenanordnung zu verwenden. Zum raschen Umkehren der Richtung
des Magnetfeldes wird beim Umschalten des Magnetfeldes für eine gewisse
Zeitdauer eine Überspannung
an die Spulenanordnung angelegt. Diese Zeitdauer, während der
die Überspannung
an der Spulenanordnung anliegt, wird sukzessive so eingestellt,
daß mit
Ablauf der Zeitdauer das Strommaximum erreicht ist, so daß kein weiterer
Anstieg des Spulenstroms auftritt. Nach Erreichen des Maximums nähert sich
der Spulenstrom asymptotisch dem Strom-Endwert an.
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Nach
dieser aus dem Stand der Technik bekannten Lösung hat das Magnetfeld mit
Erreichen des Strommaximums einen dem konstanten Strom-Endwert entsprechenden
konstanten Magnetfeld-Endwert erreicht. Die Dauer der Umschaltphase ist
durch die Charakteristik der Spulenstroms gegeben. Da die Stabilität des Messsignals
u.a. auch durch die induktive Einkopplung zwischen Spulenanordnung
und Messelektroden beeinträchtigt
wird, müssen
während
des Abgriffs der Messspannung zwischen den Messelektroden sowohl
die Spannung über
der Spulenanordnung als auch der Strom durch die Spulenanordnung
konstant sein. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung ist
dies – wie bereits
erwähnt – aufgrund
der asymptotischen Annäherung
an den Endwert erst der Fall, wenn die Wirbelströme vollständig abgeklungen sind.
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Um
die Messrate und damit die Messgenauigkeit zu erhöhen, ist
aus der
DE 103 12
058 A1 ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bekannt
geworden, bei dem die Regel-/Auswerteeinheit beim Umschalten des
Magnetfeldes für
eine Referenz-Zeitspanne eine Überspannung
an die Spulenanordnung anlegt. Diese Überspannung so bemessen ist,
daß der
durch die Spulenanordnung fließende Strom
nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne
stetig gegen einen im wesentlichen konstanten Strom-Endwert abfällt. Nach
Ablauf der Referenz-Zeitspanne beaufschlagt die Regel-/Auswerteeinheit
die Spulenanordnung für
eine vorgegebene Zeitspanne mit einer Gegenspannung. Die vorgegebene
Zeitspanne ist so bemessen, dass der Einfluss der während des Umschaltvorgangs
in die Spulenanordnung induzierten Wirbelströme näherungsweise kompensiert wird. Insbesondere
ist vorgesehen, dass die Regel-/Auswerteeinheit die elektromagnetische
Spulenanordnung während
der vorgegebenen Zeitspanne kurzschließt. Alternativ wird vorgeschlagen,
daß die
Regel-/Auswerteeinheit die Richtung des durch die Spulenanordnung
fließenden
Stroms während
dieser Zeitspanne umkehrt. Diese Zeitspanne ist so ausgelegt, dass
der durch die Spulenanordnung fließende Strom nach Ablauf der
Zeitspanne näherungsweise den
konstanten Strom-Endwert erreicht hat.
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Die
Ermittlung der optimalen Zeitspanne erfolgt bevorzugt mittels eines
Trial-/Error-Verfahrens. Die
während
einer Umschaltphase ermittelten Messwerte werden zur Optimierung
der Zeitspanne für
die jeweils nachfolgende Umschaltphase verwendet.
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Konkret
wird folgendermaßen
vorgegangen: Die Regel-/Auswerteeinheit legt während eines ersten Umschaltvorgangs
für eine
vorgegebene Zeitspanne eine Gegenspannung an die Spulenanordnung
an; nachfolgend erfasst die Regel-/Auswerteinheit mehrere Strom-Messwerte
innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne; für den Fall, daß mit Ablauf
der Zeitspanne der Strom-Endwert nicht erreicht ist, wird die Zeitspanne
vergrößert; für den Fall,
daß mit
Ablauf der Zeitspanne der Strom-Endwert vorzeitig erreicht ist,
wird die Zeitspanne verkleinert.
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Im
Prinzip basiert das bekannte Verfahren darauf, dass eine Regelung
des Spulenstroms bzw. des Magnetfeldes über zwei zu regelnde Größen, sprich
Zeitdauern erfolgt, die sich üblicherweise
gegenseitig beeinflussen. Eine derartige Regelung ist nicht sonderlich
stabil, so dass es relativ lange dauert, bis das Durchflussmessgerät verlässlich in
einem stabilen Zustand arbeitet.
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Ausgehend
von dem zuletzt genannten Stand der Technik betrifft die Erfindung
somit eine Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms
eines Mediums, das ein Messrohr in Richtung der Messrohrachse durchfließt, mit
einem Magnetsystem, das ein das Messrohr durchsetzendes, im wesentlichen
quer zur Messrohrachse verlaufendes und periodisch die Richtung änderndes
Magnetfeld erzeugt, mit zumindest einer mit dem Medium gekoppelten
Messelektrode, die in einem Bereich des Messrohres 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, daß die Regel-/Auswerteeinheit
beim Umschalten des Magnetfeldes für eine Referenz-Zeitspanne
eine Überspannung
an die Spulenanordnung des Magnetsystems anlegt, wobei die Zeitspanne
so geregelt wird, dass der durch die Spulenanordnung fließende Strom nach
Ablauf der Referenz-Zeitspanne stetig gegen einen im wesentlichen
konstanten Strom-Endwert abfällt,
und dass die Regel-/Auswerteeinheit nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne
für eine
vorgegebene Zeitspanne eine Gegenspannung an die Spulenanordnung
anlegt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät
vorzuschlagen, bei dem das Erreichen des Messzustandes mit zumindest
näherungsweise
konstantem Magnetfeld nach einem Umschaltvorgang optimiert erfolgt.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Zeitspanne, während
der eine Gegenspannung an der Spulenanordnung anliegt, so bemessen
ist, dass sie in einem vom Durchflussmessgerät abhängigen Verhältnis zur Referenz-Zeitspanne steht.
Erfindungsgemäß werden
die Wirbelströme
aktiv kompensiert, wodurch sich die Abklingdauer der Wirbelströme signifikant
reduzieren lässt.
Da nunmehr die Zeitdauer, während
der die Gegenspannung an der Spulenanordnung anliegt, in einem fest
vorgegebenen Verhältnis
bzw. in einem funktionalen Verhältnis zur
eigentlichen Regelgröße – also der
Zeitdauer, während
der eine Überspannung
an der Spulenanordnung anliegt – steht,
lässt sich
eine in hohem Maße
stabile Regelung erreichen. Die Zeitdauer, während der die Gegenspannung
an der Spulenanordnung anliegt, beträgt somit nur einen gewissen festen
Bruchteil der Referenz-Zeitspanne, während der die Spulenanordnung
mit einer Überspannung beaufschlagt
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen,
dass das Verhältnis
der Zeitspanne, während der
eine Gegenspannung an der Spulenanordnung anliegt, zur Referenz-Zeitspanne
abhängig
ist von dem jeweiligen Typ des Durchflussmessgeräts und/oder von dem verwendeten
Magnetsystem – sie ist
also sensorabhängig.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass das Verhältnis
der Zeitspanne, während
der eine Gegenspannung an der Spulenanordnung anliegt, zur Referenz-Zeitspanne einen
Wert 1/w annimmt, wobei W eine reelle Zahl ist und bevorzugt zwischen
2 und 100 liegt.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2:
ein stark vereinfachtes Ersatzschaltbild der Spulenanordnung und
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3:
eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der an der Spulenanordnung
anliegenden Spannung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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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.
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Das
senkrecht zur Strömungsrichtung
des Mediums 11 ausgerichteten 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
Spannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres 2 gemittelten
Strömungsgeschwindigkeit
des Meßmediums 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.
Die Messelektroden 4, 5 befinden sich im gezeigten
Beispiel in direktem Kontakt mit dem Medium 11; die Kopplung
kann jedoch, wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, auch
kapazitiver Natur sein.
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Über Verbindungsleitungen 12, 13 sind
die Messelektroden 4, 5 mit der Rege-/Auswerteeinheit 8 verbunden.
Die Verbindung zwischen den Spulenan ordnungen 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.
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Bei
einem idealen Magnetsystem bzw. bei einer idealen Spulenanordnung 6, 7 entspricht
der Stromverlauf dem Verlauf des von der Spulenanordnung 6, 7 erzeugten
Magnetfeldes. Die Spulen einer Spulenanordnung 6, 7,
die bei magnetisch-induktiven Meßaufnehmern zum Einsatz kommen,
weisen üblicherweise
Spulenkerne und/oder Polschuhe auf. Die Regel-/Auswerteeinheit 8 beaufschlagt
die Spulenanordnung 6, 7 so mit Strom, daß das Magnetfeld
B periodisch seine Richtung ändert.
Idealerweise ist in beiden Halbperioden der Spulenstrom IL konstant, entgegengesetzt und betragsgleich.
Aufgrund der in den Polschuhen und Spulenkernen entstehenden Wirbelströme tritt
dieser Idealfall in der Realität
nicht auf. Vielmehr entspricht der außerhalb der Spulenanordnung 6, 7 gemessene
Strom IM immer dem Summenstrom IM, der sich aus dem Spulenstrom IL und dem Wirbelstrom IEDDY zusammensetzt.
Da stets der außerhalb
der Spulenanordnung 6, 7 gemessene Strom IM von der Regel-/Auswerteeinheit 8 als
Regelgröße verwendet
wird, ist zwar der Strom IM konstant, nicht
jedoch das Magnetfeld B, das das Meßrohr 2 durchsetzt.
Ein entsprechendes Ersatzschaltbild der Spulenanordnung 6, 7 ist
in der 2 dargestellt.
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3 zeigt
eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des durch die
Spulenanordnung 6, 7 fließenden Stroms I und des Magnetfeldes
B bei dem erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät 1,
das sich durch eine einfache aktive Kompensation von Wirbelströmen auszeichnet.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird
nur die Referenz-Zeitdauer T_ref geregelt; die Zeitdauer t_short
wird anhand der Referenz-Zeitdauer t_ref in Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten
Sensor berechnet. Der konstante Strom-Endwert Imess,
der zur Durchführung
der Durchflussmessung wichtig ist, mit Ablauf der Zeitspanne tshort erreicht.
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Erfindungsgemäß wird mit
Ablauf der Zeitspanne trev, während der
an der Spulenanordnung 6, 7 eine Überspannung
UÜ anliegt,
für eine
Zeitspanne tshort eine Gegenspannung UG an die Spulenanordnung 6, 7 angelegt.
Hierzu schließt
die Regel-/Auswerteeinheit 8 die Spulenanordnung 6, 7 während der
Zeitspanne tshort kurz; oder die die Regel-/Auswerteeinheit 8 kehrt
die Richtung des durch die Spulenanordnung fließenden Stroms während der
Zeitspanne tshort um. Erfindungsgemäß steht
die Zeitspanne t_short, während
der eine Gegenspannung UG an der Spulenanordnung 6, 7 anliegt,
in einem konstanten, vom Durchflussmessgerät 1 abhängigen Verhältnis zur
Referenz-Zeitspanne
t_ref. Insbesondere ist das Verhältnis
der Zeitspanne t_short, während
der eine Gegenspannung UG an der Spulenanordnung 6, 7 anliegt,
zur Referenz-Zeitspanne t_ref abhängig ist von dem jeweiligen
Typ des Durchflussmessgeräts 1 und/oder
von dem verwendeten Magnetsystem und/oder von dem durch das Messrohr 2 strömenden Medium 11.
Es hat sich herausgestellt, dass das Verhältnis der Zeitspanne t_short,
während
der eine Gegenspannung UG an der Spulenanordnung 6, 7 anliegt,
zur Referenz-Zeitspanne
t_ref bevorzugt einen Wert 1/w annimmt, wobei w ∊ R ist
und bevorzugt zwischen 2 und 100 liegt.
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Durch
aktives Kompensieren der Wirbelströme kann die Abklingdauer der
Wirbelströme
signifikant reduziert werden. Dies geschieht durch kurzzeitiges
Anlegen einer Gegenspannung UG an die Spulenanordnung 6, 7 des
magnetisch-induktiven Durchflußmeßgeräts 1.
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- 1
- erfindungsgemäße Vorrichtung
- 2
- Messrohr
- 3
- Messrohrachse
- 4
- Messelektrode
- 5
- Messelektrode
- 6
- Spulenanordnung
- 7
- Spulenanordnung
- 8
- Regel-/Auswerteeinheit
- 9
- Eingabe-/Ausgabeeinheit
- 10
- Speichereinheit
- 11
- Meßmedium
- 12
- Verbindungsleitung
- 13
- Verbindungsleitung
- 14
- Verbindungsleitung
- 15
- Verbindungsleitung
- 16
- Verbindungsleitung