-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder
Massestroms eines Mediums in einer Rohrleitung, mit einem Messrohr,
das von dem Medium in Richtung der Längsachse des Messrohres durchströmt wird,
mit einem Magnetsystem, das ein das Messrohr durchsetzendes, im
wesentlichen quer zur Längsachse
des Messrohres verlaufendes Magnetfeld erzeugt, mit zumindest zwei mit
dem Medium koppelnden Messelektroden, die in einem im wesentlichen
senkrecht zum Magnetfeld liegenden Bereich des Messrohres angeordnet
sind, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der in die
Messelektroden induzierten Messspannung Information über den
Volumen- oder Massestrom des Mediums in dem Messrohr liefert.
-
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 und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes
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. Ist die
Dichte des Mediums bekannt, lässt
sich der Massestrom in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr bestimmen.
Die Messspannung wird üblicherweise über ein
Messelektrodenpaar abgegriffen, das bezüglich der Koordinate entlang
der Messrohrachse in dem Bereich maximaler Magnetfeldstärke angeordnet
ist und wo folglich die maximale Messspannung zu erwarten ist. Die
Messelektroden sind üblicherweise galvanisch
mit dem Medium gekoppelt; es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit kapazitiv
koppelnden Messelektroden bekannt geworden.
-
Das
Messrohr kann entweder aus einem elektrisch leitfähigen Material,
z. B. Edelstahl, gefertigt sein, oder es besteht aus einem elektrisch
isolierenden Material. Ist das Messrohr aus einem elektrisch leitfähigen Material
gefertigt, so muss es in dem mit dem Medium in Kontakt kommenden
Bereich mit einem Liner aus einem elektrisch isolierenden Material
ausgekleidet sein. Der Liner besteht üblicherweise aus einem thermoplastischen,
einem duroplastischen oder einem elastomeren Kunststoff. Es sind
jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit einer
keramischen Auskleidung bekannt geworden.
-
Die
Messelektroden sind neben dem Magnetsystem die zentralen Komponenten
eines magnetisch-induktiven Durchflusssensors. Bei der Ausgestaltung
und Anordnung der Messelektroden ist darauf zu achten, dass sie
sich möglichst
einfach in dem Messrohr montieren lassen und dass nachfolgend im Messbetrieb
keine Dichtigkeitsprobleme auftreten; darüber hinaus sollen sich die
Messelektroden durch eine empfindliche und gleichzeitig störungsarme Messsignalerfassung
auszeichnen. Das Magnetsystem ist so ausgestaltet, dass es -angesteuert
durch die Regel-/Auswerteeinheit-
ein alternierendes und ein im Bereich des Messrohres in hohem Maße homogenes
Magnetfeld erzeugt. Die infolge des strömenden Mediums induzierte Spannung
wird jeweils während
der Phasen gemessen, in denen das Magnetfeld nach einem Umschaltvorgang
einen im wesentlichen konstanten Wert annimmt.
-
Die
Reproduzierbarkeit der Messungen und somit die Messgenauigkeit können durch
kurzzeitig auftretende Schwankungen im Volumendurchfluss verschlechtert
werden. Derartige Schwankungen im Volumenstrom können auf Druckänderungen
und eine daraus resultierende Wirbelbildung im Bereich des Einlaufs
oder des Auslaufs zurückzuführen sein.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Durchflussmessgerät vorzuschlagen,
das so ausgestaltet ist, dass das Medium im Bereich der Messwerterfassung
ein in hohem Maße
stationäres
Strömungsprofil
aufweist.
-
Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass an der Innenfläche
des Messrohres Drallgeber vorgesehen sind, die so ausgestaltet sind,
dass der Weg, den das Medium durch das Messrohr nimmt, größer ist als
die Länge
des Messrohres. Erfindungsgemäß wird der
Weg, den das Medium durch das Messrohr nimmt, quasi künstlich
verlängert.
Bevorzugt sind die Drallgeber so angeordnet und/oder ausgestaltet, dass
sie das strömende
Medium auf einem gekrümmten
Weg durch das Messrohr führen,
wobei der Weg, auf dem das Medium durch das Messrohr strömt, größer ist
als die Längenausdehnung
des Messrohres.
-
Bevorzugt
handelt es sich bei den Drallgebern um Einbuchtungen oder Stege
an oder auf der Innenfläche
des Messrohrs. Die Einbuchtungen oder Stege verlaufen in Richtung
der Längsachse
des Messrohres, sind aber um einen bestimmten Winkel zur Längsachse
des Messrohres geneigt. Die Einbuchtungen oder Stege sind so ausgebildet,
dass das ursprünglich
in Richtung der Längsachse
strömende
Medium durch die Einbuchtungen oder Stege umgelenkt wird und dem
verlängerten,
durch die Einbuchtungen oder Stege vorgegebenen Weg folgt. Der Ablenkwinkel
für das
strömende
Medium, der durch die Einbuchtungen oder Stege vorgegeben ist, beträgt beispielsweise
45°.
-
Allgemein
ist vorgesehen, dass die Drallgeber bzw. die Einbuchtungen unter
einem flachen Einlauf- bzw. Auslaufwinkel gegen die Strömungsrichtung
des Mediums geneigt sind. Insbesondere sind die Einbuchtungen oder
Stege im Bereich des Einlaufs und des Auslaufs des Messrohres in
hohem Maße
symmetrisch zueinander ausgestaltet.
-
Weiterhin
sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts vor,
dass die Drallgeber bzw. die Einbuchtungen so dimensioniert sind,
dass sie dem Medium einen näherungsweise
wirbelfreien Drall verleihen. Hierdurch wird sichergestellt, dass
die Messelektroden ein gleichförmiges,
zumindest näherungsweise
homogen vorbeiströmendes
Medium 'sehen'. Hierdurch wird
das Rauschen an den Messelektroden reduziert und somit die Messgenauigkeit
erhöht.
-
Eine
bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts sieht
vor, das Messrohr in seinem mittleren Bereich, in dem die Messwerterfassung
erfolgt, eine Querschnittsfläche
aufweist, die kleiner ist als die Querschnittsfläche in den beiden Endbereichen, dem
Einlaufbereich und dem Auslaufbereich, des Messrohrs. Die Einbuchtungen
und/oder Stege, die vornehmlich im Ein- und Auslaufbereich des Messrohres
zu finden sind, sind hier so angeordnet und/oder ausgestaltet, dass
die Druckänderung
infolge der Querschnittsveränderung
der durchströmten Flache
im mittleren Bereich des Messrohrs näherungsweise Null ist bzw.
dass sie minimal ist. Im mittleren Bereich strömt das Medium im wesentlichen wieder
parallel zur Längsachse
des Messrohres.
-
Der
Vorteil einer Querschnittverjüngung
bzw. -verringerung im mittleren Bereich des Messrohres ist darin
zu sehen, dass bei gleicher Auslegung des Magnetsystems im Bereich
der Messwerterfassung durch die Messelektroden ein stärkeres Magnetfeld herrscht.
Infolge des erhöhten
Magnetfeldes ist die in die Messelektroden induzierte Spannung vergrößert. Somit
steht für
die Messung des Durchflusses ein entsprechend stärkeres Messsignal an den Messelektroden
zur Verfügung.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
lässt sich
somit die Messgenauigkeit des Durchflussmessgeräts erheblich erhöhen.
-
Weiterhin
ist bei dem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät vorgesehen,
dass der Durchmesser des Messrohres in den beiden Endbereichen einen kreisförmigen Querschnitt
aufweist und dass der Innenquerschnitt in dem mittleren Bereich,
in dem das Magnetsystem und die Messelektroden angeordnet sind,
einen rechteckförmigen
oder einen ovalen Querschnitt aufweist. Selbstverständlich kann
der Querschnitt auch weiterhin rund sein. Bevorzugt sind die Drallgeber
so angeordnet, dass am Eingang des Einlaufs und am Ausgang des Auslaufs
die Strömungsrichtung
des Mediums jeweils zumindest näherungsweise
parallel zur Längsachse
des Messrohres verläuft.
Somit erfolgt die Umlenkung des Mediums im Einlaufbereich betragsmäßig gleich
zu der Umlenkung im Auslaufbereich des Messrohres, allerdings ist
die Richtung der Ablenkung im Auslaufbereich entegegengesetzt zu
der Richtung der Ablenkung im Einlaufbereich.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Drallgeber
an der Innenfläche
des Einlaufbereichs und des Auslaufsbereichs vorgesehen; der mittlere
Bereich ist frei von Drallgebern.
-
Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es
zeigt:
-
1:
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts,
-
2:
einen Längsschnitt
durch eine erste Ausgestaltung des Messrohres des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts,
-
3:
eine perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung des inneren Messrohres
aus 2,
-
4:
eine Draufsicht gemäß der Kennzeichnung
A in 2 und
-
5:
eine vergrößerte Darstellung
des mit B gekennzeichneten Teilbereichs aus 4.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
Das Messrohr 2 wird von dem Medium 11 in Richtung
der Längsachse 3 des
Messrohres 2 durchströmt.
Durch die an der Innenfläche 24 des
Messrohres 2 angeordneten Drallgeber 21 wird der
Weg, den das Medium 11 durch das Messrohr nimmt, quasi künstlich
verlängert.
Spezielle Ausgestaltungen der Innenfläche 24 des Messrohres 2 bzw.
der Drallgeber 21 sind in den Figuren 2 bis 5 dargestellt.
-
Das
Medium 11 ist zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähig. Für den Fall,
dass das Messrohr 2 aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt
ist, muss das Messrohr 2 an seiner Innenfläche 24 mit
einem elektrisch nicht-leitfähigen Liner 17 ausgekleidet
sein; der Liner 17 besteht bevorzugt aus einem Material,
das in hohem Maße
chemisch und/oder mechanisch beständig ist.
-
Das
senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S
des Mediums 11 ausgerichtete alternierende Magnetfeld B
wird über
ein Magnetsystem, z. B. über
zwei diametral angeordnete Spulenanordnungen 6, 7 bzw. über zwei
diametral angeordnete Elektromagnete, erzeugt. In Verbindung mit
der erfindungsgemäßen Lösung wird
bevorzugt ein als zumindest ein Steckmodul ausgestaltetes Magnetsystem
eingesetzt, wie es in der zeitgleich mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten
Deutschen Patentanmeldung im Detail beschrieben ist. Das in der
parallel eingereichten Patentanmeldung offenbarte Steckmodul in
ein- oder mehrteiliger Ausgestaltung ist hervorragend in Zusammenhang
mit dem Messrohr mit Drallgebern einsetzbar.
-
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 Flansche 22,
wie sie in 2 zu sehen sind, mit einer in
den Zeichnungen nicht explizit dargestellten Rohrleitung verbunden,
die von dem Medium 11 durchströmt wird.
-
Bei
den beiden Messelektroden 4, 5 handelt es sich
bevorzugt um Messelektroden, deren mit dem Medium 11 in
Kontakt kommender Endbereich aufgeweitet ist. Neben diesen linsenförmigen von
innen zu montierenden Messelektroden können selbstverständlich auch
von außen
zu montierende Stiftelektroden verwendet werden.
-
Über elektrische
Verbindungsleitungen 12, 13 sind die Messelektroden 4, 5 mit
der Regel-Auswerteeinheit 8 verbunden. Die Verbindung zwischen den
Spulenanordnungen 6, 7 des Magnetsystems und der
Regel-/Auswerteeinheit 8 erfolgt über die elektrischen 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
ein Längsschnitt
durch eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres zu sehen, wie
es bevorzugt in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät einsetzbar
ist. Die dem Medium 11 zugewandte Innenfläche 24 des
Messrohres 2 lässt sich
in drei Abschnitte unterteilen: den Einlaufbereich 18,
den mittleren Bereich 20 und den Auslaufbereich 19.
Im gezeigten Fall hat der mittlere Bereich 20 eine ovale
Querschnittsfläche.
Das Magnetsystem 6, 7, das in der 2 nicht
gesondert dargestellt ist, ist so plaziert, dass es ein Magnetfeld
B erzeugt, dessen Magnetfeldlinien senkrecht zu dem abgeplatteten Bereich
des Messrohres 2 verlaufen. Aufgrund des reduzierten Durchmessers
im mittleren Bereich 20 des Messrohres 2 lässt sich
das Magnetfeld B bei gleich ausgelegtem Magnetsystem 6, 7 entsprechend
erhöhen.
An den Messelektroden 4, 5, die bevorzugt senkrecht
zu dem Magnetfeld B in der Wandung des Messrohres 2 angeordnet
sind, kann folglich eine erhöhte
induzierte Messspannung abgegriffen werden.
-
Problematisch
bei einer Querschnittsverjüngung
im mittleren Bereich des Messrohres 2 ist der mit dem verkleinerten
Querschnitt einhergehende Druckverlust im Auslaufbereich 19 des
Messrohres 2. Um diesem Druckverlust auszugleichen, sind
insbesondere im Auslaufbereich 19 des Messrohres 2 Drallgeber 21 an
der Innenfläche 24 des
Messrohres 2 angeordnet. Im dargestellten Fall handelt
es sich bei den Drallgebern 21 um Einbuchtungen mit halbkreisförmigem Querschnitt,
die so angeordnet und/oder ausgestaltet sind, dass die Umlenkung
bzw. die Ablenkung des strömenden
Mediums 11 aus seiner ursprünglichen Strömungsrichtung
S zumindest näherungsweise
wirbelfrei erfolgt. Die Umlenkung im Einlaufbereich 18 ist
prinzipiell nicht notwendig, bietet sich jedoch aus Symmetriegründen an.
-
Wie
aus 2 ersichtlich, ist der Ablenk- oder Umlenkwinkel α im Einlaufbereich 18 und
im Auslaufbereich betragsgleich aber entgegengesetzt orientiert.
Bevorzugt liegt die Umlenkung bzw. die Ablenkung bei jeweils 45°. Je nach
Ausgestaltung der Drallgeber 21 sind aber auch andere Umlenkwinkel α realisierbar.
Zu beachten ist, dass der Weg des Mediums 11 durch das
Messrohr 2 – künstlich
verlängert – um so
größer wird,
je größer der
Umlenk- bzw. Abenkwinkel α ist.
-
In 3 ist
eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung des
inneren Messrohres 2 dargstellt, wie er bereits im Zusammenhang mit
der 2 detailliert beschrieben wurde. Bevorzugt erfolgt
der Übergang
zwischen dem verkleinerten mittleren Bereich 20 und dem
größeren Ein-
oder Auslaufbereich kontinuierlich oder stufenförmig in der Form eines Trichters.
Im wesentlichen hat der Ein- und der Auslauf die trichterförmige Ausgestaltung
eines Grammophons.
-
4 zeigt
eine Draufsicht gemäß der Kennzeichnung
A in 2 und in 5 ist eine
vergrößerte Darstellung
des mit B gekennzeichneten Teilbereichs aus 4 zu sehen.
-
- 1
- Magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät
- 2
- Messrohr
- 3
- Längsachse
des Messrohres
- 4
- Messelektrode
- 5
- Messelektrode
- 6
- Spulenanordnung/Magnetsystem
- 7
- Spulenanordnung/Magnetsystem
- 8
- Regel-/Auswerteeinheit
- 9
- Eingabe-/Ausgabeeinheit
- 10
- Speichereinheit
- 11
- Medium
- 12
- Verbindungsleitung
- 13
- Verbindungsleitung
- 14
- Verbindungsleitung
- 15
- Verbindungsleitung
- 16
- Verbindungsleitung
- 17
- Liner
- 18
- Einlaufbereich
- 19
- Auslaufbereich
- 20
- Mittlerer
Bereich
- 21
- Drallgeber
- 22
- Flansch
- 23
- Bohrung
- 24
- Innenfläche