DE102006023916A1

DE102006023916A1 - Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102006023916A1
Application number: DE102006023916A
Authority: DE
Inventors: Thomas Budmiger; Georg Dr. Szaloky
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2007-11-22
Also published as: RU2008150387A; CN101636640B; RU2413182C2; US8042410B2; CN101636640A; WO2007135075A1; US20090301218A1; EP2018523A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums (11), das ein Messrohr (2) in Richtung der Messrohrachse (3) durchfließt, mit einem Magnetsystem (6, 7; 17), das ein das Messrohr (2) durchsetzendes, im Wesentlichen quer zur Messrohrachse (3) verlaufendes Magnetfeld (B) erzeugt, mit zumindest einer Messelektrode (4; 5), die in einem definierten Oberflächenbereich mit dem Medium (11) in Kontakt 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) bereitstellt, wobei zumindest der mediumsberührende Oberflächenbereich der zumindest einen Messelektrode (4, 5) aus einem chemisch inerten und elektrochemisch und mechanisch beständigen Material gefertigt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisch induktives Durchflussmessgerät, also 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 Magnetfeld erzeugt, mit zumindest einer Messelektrode, die in einem definierten Oberflächenbereich mit dem Medium in Kontakt 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 bereitstellt.
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. Die in die Messelektroden induzierte Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums; sie ist also proportional zum Volumenstrom. Die Messspannung wird üblicherweise über ein Messelektrodenpaar abgegriffen, das in dem Bereich maximaler Magnetfeldstärke angeordnet ist und wo folglich die maximale Messspannung zu erwarten ist. Die Messelektroden selbst sind mit dem Medium entweder galvanisch oder kapazitiv gekoppelt.
Bei der Verwendung von mediumsberührenden Messelektroden bilden sich an der Grenzfläche zwischen der metallischen Messelektrode und dem durch das Messrohr fließenden Medium galvanische Elemente, die ein elektrochemisches Störpotential verursachen. Dieses elektrochemische Störpotential variiert über die Zeit, da es abhängig ist von verschiedenen sich ändernden Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Druck, Zusammensetzung des Mediums, Material der Messelektroden und Material des Messrohrs. So kann sich beispielsweise die Zusammensetzung der Oberfläche der Messelektroden infolge der Bildung einer Passivierungsschicht oder infolge von Korrosion ändern. Das variierende elektrochemische Störpotential überlagert sich der eigentlichen Messspannung, welche proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des durch das Messrohr fließenden Mediums ist. Es versteht sich von selbst, dass ein sich über die Zeit änderndes elektrochemisches Potential die Messgenauigkeit eines herkömmlichen magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts negativ beeinflussen. Es werden deshalb Verfahren notwendig, die diese Störsignale eliminieren. Besonders kritisch ist es, wenn es sich bei dem zu messenden Medium um ein Medium mit einer geringen Leitfähigkeit handelt, das das Messrohr mit einer relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit durchfließt. Aufgrund des Einflusses der relativ großen Störspannung auf die Messspannung besteht dann die Gefahr, dass die Messspannung im Rauschen verschwindet, wodurch eine zuverlässige und wiederholbare Durchflussmessung unmöglich wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisch induktives Durchflussmessgerät vorzuschlagen, dessen Messgenauigkeit weitgehend unbeeinflusst ist von elektrochemischen Störpotentialen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest der mediumsberührende Oberflächenbereich der zumindest einen Messelektrode aus einem chemisch inerten und mechanisch beständigen Material gefertigt ist. Gemäß einer bevorzugen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei dem chemisch inerten und elektrochemisch und mechanisch beständigen Material um Diamant, der über eine geeignete Dotierung elektrisch leitfähig gemacht ist. Insbesondere ist das Diamantmaterial zu diesem Zweck Bor-dotiert.
Ein Sensor mit aus Diamant bestehenden Mikroelektroden ist bereits aus der WO 2005/017514 bekannt geworden. Der bekannt gewordene Sensor dient dazu, eine chemische Eigenschaft bzw. eine chemische Prozessgröße einer Flüssigkeit zu bestimmen. Insbesondere besteht der Sensor aus einem Gehäuse, einer isolierenden Schicht aus einem nicht-leitfähigen Diamantmaterial, einer Vielzahl von Mikroelektroden aus einem leitfähigem Diamantmaterial und einem Schaltkreis, der mit jeder der Mikroelektroden verbunden ist. Anhand der von den Mikroelektroden aufgenommenen Messsignalen wird die entsprechende chemische Prozessgröße des Mediums bestimmt. Insbesondere sind die Mikroelektroden in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Muster angeordnet. Bevorzugt sind sie so in das isolierende Diamantmaterial integriert, dass sie mit dem Medium direkt oder indirekt in Kontakt stehen.
Wie im Stand der Technik beschrieben, so kann auch in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ein synthetisch hergestellter Diamant verwendet werden. Diamant hat die Eigenschaften, dass er einerseits eine hohe Härte und damit eine hohe mechanische und elektrochemische Beständigkeit aufweist; andererseits hat Diamant den Vorteil, dass er weitgehend chemisch inert ist. Damit entfällt das bei herkömmlichen magnetisch induktiven Durchflussmess-geräten auftretende Problem, dass sich den eigentlichen Messsignalen an den Messelektroden ein zeitlich variierendes Störsignal überlagert, das durch veränderbare elektrochemisches Störpotentiale an den Messelektroden hervorgerufen wird. Das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät zeichnet sich durch ein optimiertes Signal/Rausch-Verhältnis aus. Damit wird es mit dem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät möglich, selbst geringe Strömungsgeschwindigkeiten eines Mediums mit geringer Leitfähigkeit mit einer hinreichend hohen Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit zu bestimmen. Im Hinblick auf übliche Medien und übliche Strömungs-geschwindigkeiten wird folglich eine gesteigerte Messgenauigkeit erreicht. So kann beispielsweise zur Erzielung einer gewünschten Messgenauigkeit im Hinblick auf die bekannten Durchflussmessgeräte mit einem reduzierten Magnetfeld gearbeitet werden, was zu erheblichen Energieeinsparungen im Messbetrieb führt. Darüber hinaus haben aus Diamant gefertigte Mess-elektroden den Vorteil, dass sie lange Standzeiten haben und äußerst wartungsarm sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht das Magnetsystem aus zwei diametral angeordneten Elektromagneten, wobei die Regel-/Auswerteeinheit die Elektromagnete so ansteuert, dass diese ein periodisch alternierendes oder ein konstantes Magnetfeld in dem Messrohr erzeugen.
Bei bekannten magnetisch induktiven Durchflussmessgeräten mit üblichen Messelektroden wird die Polarität des Magnetfeldes periodisch geändert. Durch die Differenzbildung zweier aufeinander folgender Messwerte, die bei unterschiedlichen Polaritäten des Magnetfeldes ermittelt werden, lassen sich Signalanteile, die Störgrößen repräsentieren und die folglich nicht den zu ermittelnden Volumen- oder Massestrom widerspiegeln, effektiv eliminieren. Es versteht sich von selbst, dass diese Ausgestaltung mit periodisch sich umkehrendem Magnetfeld auch in Verbindung mit der vorliegenden Lösung erfolgen kann, obwohl die Störeinflüsse – wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben – bei der erfindungsgemäßen Lösung näherungsweise entfallen. Weniger aufwändige Lösungen, insbesondere ein Durchflussmessgerät mit einem konstanten Magnetfeld, können daher in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden.
Gemäß einer Ausgestaltung ist es möglich, das konstante Magnetfeld über Elektromagnete zu erzeugen. Als besonders vorteilhaft wird es in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät angesehen, dass es sich bei dem Magnetsystem um zumindest einen Permanentmagneten handelt, der im Innenraum des Messrohres ein konstantes Magnetfeld erzeugt. Diese Lösung ist einerseits sehr energiesparend; andererseits eröffnet ein das Messrohr durchsetzendes konstantes Magnetfeld die Möglichkeit, den Volumen- bzw. den Massestrom kontinuierlich zu messen und nicht nur jeweils während einer vom Messgerät abhängigen Messperiode nach einem Umschalten der Polarität des Magnetfeldes. Diese Problematik wird an nachfolgender Stelle noch ausführlicher dargelegt.
Insbesondere in Verbindung mit einem über zumindest einen Permanentmagneten erzeugten konstanten Magnetfeld schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung eine Energieversorgungseinheit vor, welche die zum Betreiben des Durchflussmessgeräts benötigte Energie zur Verfügung stellt. Beispielsweise handelt es sich bei der Energieversorgungseinheit um eine Batterie, eine Solarzelle oder eine Brennstoffzelle. Bevorzugt ist die Energieversorgungseinheit in dem Messumformer bzw. in der Regel-/Auswerteeinheit des magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts integriert.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 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 ausgerichteten Magnetfeld B wird über die beiden diametral angeordnete Elektromagnete 6, 7 erzeugt. Bei dem Magnetfeld B handelt es sich entweder um ein konstantes Magnetfeld oder um ein Wechselfeld, das periodisch seine Richtung umkehrt. Unter dem Einfluss der Magnetfeldes B wandern in dem Medium 11 befindliche Ladungsträger entsprechend ihrer Polarität zu einer der beiden entgegengesetzt gepolten Messelektroden 4, 5 ab. Die sich zwischen den Messelektroden 4, 5 aufbauende Spannung 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.
Die Messelektroden 4, 5 befinden sich im gezeigten Beispiel in direktem Kontakt mit dem Medium 11. Erfindungsgemäß ist zumindest der mediumsberührende Oberflächenbereich der Messelektroden 4, 5 aus Diamant mit einer geeigneten leitfähigen Dotierung hergestellt. Bevorzugt besteht der mediumsberührende Oberflächenbereich jeder Messelektrode 6; 7 aus Bor-dotiertem Diamant.
Über Verbindungsleitungen 12, 13 sind die Messelektroden 4, 5 mit der Regel-/Auswerteeinheit 8 verbunden. Die Verbindung zwischen den Elektromagneten 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 und ggf. über einen Datenbus mit einer übergeordneten Leitwarte verbunden. Es versteht sich von selbst, dass die Kommunikation auch per Funk erfolgen kann. Der Auswerte-/Regeleinheit 8 ist darüber hinaus die Speichereinheit 10 zugeordnet.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht in dem verwendeten Magnetsystem: Während bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung Elektromagnete 6, 7 verwendet werden, kommen bei der in 2 gezeigten Ausführungsform Permanentmagnete 17 zum Einsatz. In beiden Fällen ist das Magnetsystem so ausgestaltet und/oder angeordnet, dass die Elektromagnete 6, 7 oder die Permanentmagnete 17 ein über den Querschnitt des Messrohres 2 weitgehend homogenes Magnetfeld B erzeugen.
Mit der in 1 beschriebenen Lösung mit periodisch alternierendem Magnetfeld ist nur eine diskontinuierliche Messung des Volumen- oder Massestroms möglich. Dies rührt daher, dass beim Umschalten des Magnetfeldes B nur im Idealfall der Stromverlauf in den Spulen der Elektromagnete 6, 7 dem Verlauf des Magnetfelds B entspricht. Aufgrund von Wirbelströmen, die während des Umschaltens des Magnetfeldes B in den Polschuhen und Kernen der Elektromagnete 6, 7 entstehen, zeigen sich in der Realität Abweichungen von diesem Idealfall. Der außerhalb der Spulen gemessene Spulenstrom entspricht stets der Summe des in den Spulen fließenden Stroms und des durch die Wirbelströme erzeugten Stroms. Wird der außerhalb der Spulen gemessene Strom als Regelgröße verwendet, ist folglich zwar der Strom nicht aber das Magnetfeld B konstant. Dies gilt immer solange, bis die Wirbelströme abgeklungen sind. Erst dann kann eine verlässliche Messung des Volumen- oder Massestroms durchgeführt werden. Von der Anmelderin sind mehrere Verfahren bekannt geworden, die dazu dienen, die nicht für die Messung geeignete Zeitspanne nach einem Umschalten des Magnetfeldes B zu reduzieren, um die nachfolgende Messzeit zu erhöhen. Entsprechende elektromagnetische Durchflussmessgeräte werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung PROMAG angeboten und vertrieben.
Der Vorteil der in 2 gezeigten Ausführungsform mit konstantem Magnetfeld B ist darin zu sehen, dass hier eine kontinuierliche Messung des Volumen- oder Massestroms möglich wird. Die nicht für die Messung zur Verfügung stehende Zeitdauer nach Umschalten des Magnetfeldes entfällt, und die Messzeit kann beliebig lang gewählt werden. Insbesondere ist sie so optimiert, dass eine gewünschte Messgenauigkeit erreicht wird. Aufgrund der optimierbaren Messdauer lassen sich daher mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beste Messergebnisse erzielen. Selbstverständlich kann ein konstantes Magnetfeld auch über die Elektromagnete 6, 7 erzeugt werden.
Da die Umpolarisierung des Magnetfeldes bei der Lösung mit Permanentmagneten entfällt, lässt sich darüber hinaus auf einfache Art und Weise ein autarkes Durchflussmessgerät 1 zur Verfügung stellen. Im gezeigten Fall ist eine Energieversorgungseinheit 18 direkt in die Regel-/Auswerteeinheit 8 integriert. Bei der Energieversorgungseinheit 18 handelt es sich bevorzugt um eine Batterie, eine Brennstoffzelle oder u.U. auch um eine Solarzelle.

1: Magnetisch induktives Durchflussmessgerät
2: Messrohr
3: Messrohrachse
4: Diamantbeschichtete Messelektrode
5: Diamantbeschichtete Messelektrode
6: Elektromagnet
7: Elektromagnet
8: Regel-/Auswerteeinheit
9: Eingabe-/Ausgabeeinheit
10: Speichereinheit
11: Medium
12: Verbindungsleitung
13: Verbindungsleitung
14: Verbindungsleitung
15: Verbindungsleitung
16: Verbindungsleitung
17: Permanentmagnet
18: Energieversorgungseinheit

Claims

Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums (11), das ein Messrohr (2) in Richtung der Messrohrachse (3) durchfliesst, mit einem Magnetsystem (6, 7; 17), das ein das Messrohr (2) durchsetzendes, im wesentlichen quer zur Messrohrachse (3) verlaufendes Magnetfeld (B) erzeugt, mit zumindest einer Messelektrode (4; 5), die in einem definierten Oberflächenbereich mit dem Medium (11) in Kontakt 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) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der mediumsberührende Oberflächenbereich der zumindest einen Messelektrode (4, 5) aus einem chemisch inerten und elektrochemisch und mechanisch beständigen Material gefertigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, wobei es sich bei dem chemisch inerten und elektrochemisch und mechanisch beständigen Material um Diamant handelt, der elektrisch leitfähig dotiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem chemisch inerten und mechanisch beständigen Material um Bor-dotierten Diamant handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Magnetsystem um zwei diametral angeordnete Elektromagnete handelt (6, 7) und dass die Regel-/Auswerteeinheit (8) die Elektromagnete (6, 7) so ansteuert, dass diese ein periodisch alternierendes oder ein konstantes Magnetfeld (B) in dem Messrohr (2) erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Magnetsystem um zumindest einen Permanentmagneten (17) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Energieversorgungseinheit (18) vorgesehen ist, die die zum Betreiben des Durchflussmessgeräts benötigte Energie zur Verfügung stell.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Energieversorgungseinheit (18) um eine Batterie, eine Solarzelle oder eine Brennstoffzelle handelt.