DE102006032896A1

DE102006032896A1 - Magnetisch-induktiver Durchflussmesser

Info

Publication number: DE102006032896A1
Application number: DE200610032896
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Krause
Original assignee: Fachhochschule Kiel
Current assignee: Fachhochschule Kiel
Priority date: 2006-07-15
Filing date: 2006-07-15
Publication date: 2008-01-17

Abstract

Vorrichtung zur Messung des Volumendurchflusses eines elektrisch leitfähigen, flüssigen Mediums nach dem magnetisch-induktiven Prinzip mit einem vom Medium durchflossenen Messrohr und wenigstens einem Magneten, dessen Magnetfeld das Messrohr im Bereich einer Messstrecke mit einer vorgegebenen Magnetfeldrichtung senkrecht zur Fließrichtung des Mediums durchsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrdurchmesser des Messrohrs im Bereich der Messstrecke entlang der Magnetfeldrichtung kleiner ist als der Rohrdurchmesser entlang einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Magnetfeldrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Volumenflussmessung eines flüssigen Mediums nach dem magnetisch-induktiven (MID) Prinzip.
Das magnetisch-induktive Prinzip erlaubt es, den Durchfluss einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (z.B. Wasser mit kleineren Mengen an gelösten Salzen) ohne bewegliche Teile zu messen. Dabei wird durch einen außerhalb des Messrohres angeordneten Magneten ein Magnetfeld senkrecht zur Fließrichtung des leitfähigen Mediums angelegt. Dieses Magnetfeld lenkt aufgrund der Lorentz-Kraft die im fließenden Medium mitgeführten Ionen in Analogie zum bekannten Hall-Effekt ab. Im Medium entsteht eine ortsabhängige Ladungsverteilung, die wiederum ein elektrisches Feld induziert, welches der Ladungstrennung entgegen wirkt.
Bei – zumindest zeitweise – konstanten Verhältnissen von Magnetfeld und Strömung stellt sich sehr schnell ein Gleichgewicht ein, das bei bekanntem Magnetfeld und bekannter Leitfähigkeit des Mediums einen Rückschluss auf dessen – momentane – mittlere Fließgeschwindigkeit erlaubt. Die zu messende Größe ist hier die induzierte Spannung zwischen den senkrecht zu Magnetfeld und senkrecht zur Fließrichtung diametral gegenüberliegenden Grenzflächen des Mediums.
Die technische Realisierung dieser Messung ist nicht unproblematisch. Grundsätzlich kann die Spannung durch galvanische oder kapazitive Koppelung gemessen werden.
Bei der galvanischen Messung werden Elektroden mit dem strömenden Medium kontaktiert, und es fließt ein elektrischer Strom durch das Medium, der direkt gemessen wird. Das relativ gut messbare Stromsignal wird aber durch elektrochemische Reaktionen an den Elektrodenoberflächen beeinflusst, die letztlich zu einem Alterungseffekt der Kontaktierung führen, den es zu kompensieren gilt.
Die kapazitive Auskopplung des Messsignals macht sich unmittelbar zunutze, dass das durch Ladungstrennung induzierte elektrische Feld auch außerhalb des Mediums wirkt. Es lädt so genannte Koppelkondensatoren auf, die typisch in den Rohrwandungen integriert sind. Dabei übernimmt das Medium die Rolle eines veränderlichen Dielektrikums, das selbst keine Ladungen mit der äußeren Messschaltung austauscht. Die ungewollten Nebeneffekte der galvanischen Messung werden so vermieden, jedoch ist das Messsignal hier die effektiv auf den Koppelkondensatoren gesammelte Ladungsmenge und somit schwer zu messen. Relativ geringe Änderungen der Fließgeschwindigkeit sind mit einem statischen Magnetfeld wegen der beteiligten geringen Ladungsmengen nicht nachweisbar. In der Praxis wird daher mit Wechselfeldern gearbeitet, die von Elektromagneten erzeugt werden. Alternativ kann man auch mit Permanentmagneten arbeiten und die Referenzspannung zeitlich verändern. In letzteren Fall werden dann die Messsignale in einer nichtlinearen Schaltung analysiert.
Gewöhnlich wird die Frage nach der Verbesserung des Messsignals mit messtechnischen Neuerungen beantwortet, wie z.B. in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 043 718.4 , wo eine Messung des induzierten Feldes nicht über Koppelkondensatoren, sondern über das Schalten eines Feldeffekttransistors erfolgen soll.
Eine grundsätzliche Optimierung, die sich in gleicher Weise auf alle erdenklichen Arten der Messung auswirken würde, muss demge genüber bereits an den physikalischen Grundlagen des magnetischinduktiven Prinzips ansetzen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums anzugeben, welche ein verbessertes Messsignal unabhängig von der Art seiner Auskopplung bereitstellt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Der Stand der Technik geht offenbar ausnahmslos von einem kreisförmigen Querschnitt des Messrohrs im Bereich des angelegten Magnetfeldes aus. Erfindungsgemäß soll nun der Rohrquerschnitt verformt ausgelegt werden, wobei die Verformung des Rohres im Wesentlichen nur im Bereich des MID-wirksamen Magnetfeldes benötigt wird und sich vorzugsweise graduell über die Messstrecke hinweg ändert. Der Ort der extremsten Verformung des Messrohres liegt vorzugsweise im Zentrum der Messstrecke, und die Vorrichtung, in die das Medium über ein Zuleitungsrohr mit kreisförmigem Querschnitt einströmt, soll dort folgende Merkmale aufweisen:

1. Der Durchmesser des Messrohres in Richtung des Magnetfeldes ist verringert gegenüber dem Zuleitungsrohr.
2. Die Gesamtquerschnittsfläche des verformten Messrohres ist wenigstens so groß wie die des Zuleitungsrohres,

Im Gleichgewicht stellt sich eine Ladungsverteilung ein, bei der sich die elektrischen und magnetischen Kräfte auf ein einzelnes Ion aufheben, also gilt lokal die Identität E + v × B = 0 (1)mit elektrischem Feld E, magnetischer Flussdichte B und Strömungsfeld v des Fluids (jeweils vektorielle Größen). Das elektrische Feld ist dabei der negative Gradient des elektrischen Potenzials ϕ. Bildet man also die Divergenz von (1), findet man: div E + div(v × B) = –∇·(∇ ϕ) + ∇·(v × B) = –Δ ϕ + v· (∇ × B) – B·(∇ × v) = 0 (2)
Der zweite Summand auf der rechten Seite von (2) verschwindet, da das Magnetfeld im Innern des Mediums wirbelfrei ist (keine Stromdichte dort vorhanden im magnetostatischen Fall). Nach dem Poissonschen Gesetz repräsentiert Δϕ nichts anderes als die Ladungsverteilung im Medium, die nunmehr durch Δϕ = – B rot v (3)gegeben ist. Die Stärke des MID-Messsignals hängt also vom Strömungsfeld des Fluids, konkret von dessen Rotation (Wirbelstärke) ab. Für den klassischen Fall eines kreisförmigen Rohrquerschnitts und eines parabolischen Strömungsprofils gemäß v = (V0 – V1 (x2 + y2))ez (4) mit Vo, V1 > 0, x = y = 0 entlang der Rohrsymmetrieachse und e_z als Einheitsvektor in z-Richtung entlang des Rohres findet man beispielsweise rot v = – 2 V1 y ex + 2 V1 x ey (5)als Wirbelfeld der Strömung (e_x, e_y Einheitsvektoren senkrecht zu e_z). Werden nun aber der Rohrquerschnitt und das Strömungsprofil verändert, so beeinflusst dies auch die Rotation, die sich dann im Allgemeinen nicht mehr leicht analytisch angeben lässt. Von daher sind Computersimulationen zur Strömungsmechanik das Mittel der Wahl zur Berechnung des Strömungsfeldes und seiner Rotation.
Anhand verschiedener simulierter Rohrgeometrien wurde der Effekt auf die Strömungsfelder und die entstehenden Ladungsverteilungen im Magnetfeld untersucht. Das zentrale Ergebnis soll im Folgenden anhand einer Zeichnung eines Fallbeispiels mit elliptischem Rohrquerschnitt dargelegt werden. Dabei zeigt
1 eine schematische Skizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich des Magnetfeldes mit verformter Messstrecke wobei das Messrohr stilisiert anhand einer Anordnung mehrerer Rohrquerschnitte dargestellt wird und
2 das computersimulierte Ergebnis für die Verbesserung des elektrischen Nutzsignals im Verhältnis zum Signal beim kreisförmigen Rohrquerschnitt.
In 1 ist der Messaufbau schematisch skizziert. Dargestellt sind Nordpol (N) und Südpol (S) eines Magneten sowie die magnetische Flussdichte B. Das Magnetfeld muss nicht als homogen vorausgesetzt werden, besitzt aber im Medium eine eindeutig festlegbare Richtung, z.B. mittlere Feldrichtung, die im Folgenden als bekannt vorausgesetzt wird. Die Fließrichtung des Mediums ist mit F bezeichnet. Das Messrohr selbst wird zur vereinfachten perspektivischen Ansicht nicht gezeichnet, sondern nur durch seinen entlang der Messstrecke veränderlichen Querschnitt dargestellt. Zu- und Ableitungen außerhalb des Magnetfeldes werden exemplarisch mit kreisförmigem Querschnitt angenommen. Innerhalb der Messstrecke nimmt die Exzentrizität des Querschnitts allmählich zu und wieder ab und durchläuft ein Maximum im Wesentlichen in der Mitte der Messstrecke. Als Exzentrizität wird das Verhältnis der größeren zur kleineren Halbachse der Ellipse definiert. Als Verformungsparameter wird im Folgenden die Exzentrizität minus Eins bezeichnet. Für einen Kreis ist der Verformungsparameter Null.
Die Computersimulationen für das Strömungsprofil und das daraus sich ergebende elektrische Messsignal des MID lassen folgende Schlussfolgerungen zu:

1. Das Messsignal wird stärker mit einer Verformung des Rohres derart, dass der Rohrdurchmesser in Richtung des Magnetfeldes gegenüber dem der Zuleitung verkürzt wird (vergleiche dazu 1).
2. Die Querschnittsfläche des verformten Rohres muss mindestens der Querschnittsfläche der Zuleitung entsprechen. Weil eine reine „Quetschung" des Messrohres aber einen zusätzlichen Widerstand für den Durchfluss der Flüssigkeit darstellt, sollte diese Querschnittsfläche bei der Einschnürung besonders bevorzugt größer als der Zuleitungsquerschnitt eingerichtet werden.
3. Die Verstärkung des Messsignals nimmt mit der Exzentrizität zunächst zu und durchläuft ein Maximum. Das heißt, es gibt ein optimales Ausmaß der Verformung.

Zur Erläuterung des Punktes 3 sei auf 2 verwiesen, die das Verhältnis der simulierten Messspannung V im verformten Rohr zur Messspannung V0 im kreisrunden Rohr gegenüber dem Verformungsparameter d wiedergibt. Bei der dargestellten Kurve ist der Durchflusswiderstand durch Anpassung der Querschnittsfläche im Verformungsbereich überall konstant gehalten worden. Die Berechnung zeigt deutlich, dass zwischen d = 0,5 und d = 0,6 ein Optimum von V/V0 1,5 erzielt wird, d.h. eine Steigerung der Messspannung um etwa 50 %.
Bei den dargestellten Ergebnissen wird auch noch berücksichtigt, dass die Quetschung des Messrohres natürlich erlaubt, die Polschuhe der Magnete in einem geringeren Abstand anzuordnen. Dadurch wird die Streuung des Magnetfeldes außerhalb der Messstrecke verkleinert und das wirksame Magnetfeld erhöht. Dies führt zu einer zusätzlichen Verstärkung des Messsignals. Mit anderen Worten verringert sich die Baugröße der Sensoreinheit bei gleicher Leistung.
Auch wenn die gezeigten und berechneten Ergebnisse sich auf elliptische Querschnitte beziehen, ist das Ergebnis allgemein auf beliebige Verformungen übertragbar, die den Durchmesser des Rohres in Richtung des Magnetfeldes verringern und vorwiegend senkrecht dazu vergrößern. Ebenso gilt die Übertragbarkeit vom Permanentmagneten auf Elektromagneten mit Wechselfeldern, und die genaue Art und Weise der Signalauskopplung ist für die Vorteile der vorliegenden Erfindung unwichtig.

Claims

Vorrichtung zur Messung des Volumendurchflusses eines elektrisch leitfähigen, flüssigen Mediums nach dem magnetischinduktiven Prinzip mit einem vom Medium durchflossenem Messrohr und wenigstens einen Magneten, dessen Magnetfeld das Messrohr im Bereich einer Messstrecke mit einer vorgegebenen Magnetfeldrichtung senkrecht zur Fließrichtung des Mediums durchsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrdurchmesser das Messrohrs im Bereich der Messstrecke entlang der Magnetfeldrichtung kleiner ist als der Rohrdurchmesser entlang einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Magnetfeldrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Rohrquerschnitts im Bereich der Messstrecke größer ist als die Querschnittsfläche des restlichen Messrohrs.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Form des Messrohrs im Verlauf der Messstrecke graduell ändert und eine maximale Änderung im Wesentlichen in der Mitte der Messstrecke annimmt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe des wenigstens einen Magneten im Bereich der Messstrecke in einem Abstand angeordnet sind, der kleiner als der Durchmesser des nicht verformten Rohres ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr im Bereich der Messtrecke einen elliptischen Querschnitt aufweist, wobei die kürzere Halbachse der Ellipse im Wesentlichen parallel zur Magnetfeldrichtung verläuft.