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Die
Erfindung betrifft einen Durchflussmessumformer mit einem Aufnehmer
und mit einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aufgrund
der steigenden Nachfrage nach sauberem Trinkwasser und der Gefährdung
der Bevölkerung durch absichtliche oder unabsichtlich verursachte
Beeinträchtigungen der Wasserqualität wird es
immer wichtiger, Wassernetze nicht nur quantitativ im Hinblick auf
den Verbrauch sondern auch qualitativ im Hinblick auf die Trinkwasserqualität
zu überwachen. Dazu werden bislang meist unabhängig
voneinander arbeitende, entweder für die Verbrauchsmessung
oder für die Qualitätsbestimmung geeignete Geräte
verwendet. Dies bedeutet einen hohen Verdrahtungs- und Geräteaufwand.
Wegen des hohen Aufwands wird häufig die Anzahl der Messstellen
zur Erfassung der Wasserqualität auf das Notwendigste beschränkt.
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Aus
der
US-PS 5,756,899 ist
ein Durchflussmessumformer bekannt, bei welchem auf der Basis eines
Messsignals eines Differenzdrucksensors der Durchfluss eines Mediums
durch ein Messrohr ermittelt wird. Der Differenzdrucksensor dient
gleichzeitig zur Messung der spezifischen Leitfähigkeit
und der Dielektrizitätskonstante des Mediums als physikalische
Eigenschaften, die auf seine Qualität schließen lassen.
Da lediglich die mit den Mitteln des Differenzdrucksensors erfassbaren
physikalischen Eigenschaften des Mediums in die Qualitätsaussage
einfließen, ist diese jedoch nur von begrenzter Aussagekraft.
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Neben
der Durchflussmessung auf der Basis des an einer Unstetigkeitsstelle
in einer Rohrleitung entstehenden Differenzdrucks ist ein magnetisch
induktives Messverfahren bekannt, das bevorzugt bei Trink- oder
Brauchwasser zum Einsatz kommt. Bei diesem Verfahren wird ein Messrohr
verwendet, das an sei ner Innenseite elektrisch nicht leitend beschichtet
ist. Senkrecht zur Fließrichtung wird mit im Umfangsbereich
des Messrohrs befindlichen Spulen ein Magnetfeld erzeugt. Senkrecht
zur Fließrichtung und zu dem Magnetfeld wird gemäß dem
Faradayschen Induktionsgesetz eine Spannung induziert, die der Durchflussgeschwindigkeit
des Mediums proportional ist und mit zwei Elektroden abgegriffen
wird. Mit den beiden Elektroden ist es zusätzlich möglich, wie
bereits aus der oben genannten Patentschrift bekannt, die elektrische
Leitfähigkeit des Mediums zu ermitteln. Die Möglichkeiten
zur Bestimmung der Wasserqualität sind daher auch hier
eher beschränkt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflussmessumformer
zu schaffen, der ergänzend zur Durchflussmessung eine verbesserte Aussage über
die Qualität des Mediums ermöglicht.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe weist der neue Durchflussmessumformer
der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des Durchflussmessumformers beschrieben.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass auf ein getrenntes Gerät
zur Bestimmung der Qualität des fließenden Mediums
weitgehend verzichtet werden kann. Die Ergänzung des Aufnehmers
um einen zusätzlichen Sensor ermöglicht die Bereitstellung
eines zweiten Messsignals, das mit dem ersten Messsignal zu einem
Vektor kombiniert werden kann und somit zu einer genaueren Beurteilung
der Medienqualität führt. Dabei kann der zusätzliche
Sensor zur Ermittelung der Medienqualität optimiert sein.
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Der
zusätzliche Sensor ist in den Durchflussmessumformer integriert.
Das hat den Vorteil, dass die Herstellung des Durchflussmessumformers
mit einem geringeren Aufwand verbunden ist, da die ohnehin vorhandene
Ansteuer- und Auswerteeinrichtung auch zur Verarbeitung des zweiten
Messsignals des zusätzlichen Sensors verwendet werden kann und
somit nur der zusätzliche Sensor vorgesehen werden muss.
Eine elektronische Schaltung zur Realisierung der Ansteuer- und
Auswerteeinrichtung, eine eventuelle Bedien- und Anzeigeeinheit,
eine Schnittstelle zur Kommunikation innerhalb eines Automatisierungsnetzwerks,
eine Stromversorgung und ein Gehäuse sind in vorteilhafter
Weise nur einmal bei einem Durchflussmessumformer erforderlich,
der gleichzeitig in der Lage ist, die Medienqualität zu
bestimmen.
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Mit
dem zusätzlichen Sensor zur Qualitätsbestimmung
wird in vorteilhafter Weise eine weitere physikalische oder chemische
Eigenschaft des Mediums erfasst, die mit den bisherigen Mitteln
eines Aufnehmers eines Durchflussmessumformers nicht zugänglich
war. Der zusätzliche Sensor kann beispielsweise zur Erfassung
der Leitfähigkeit, der Trübung, des Chlorgehalts,
des Ammoniakgehalts und/oder des organischen Kohlenstoffgehalts
dienen. In Kombination mit den physikalischen Nebengrößen
der Durchflussmessung, beispielsweise bei einem magnetisch induktiven
Durchflussmessumformer mit der elektrischen Leitfähigkeit,
wird somit ein Beschreibungsvektor gewonnen, der verbesserte Aussagen über
die Medienqualität zulässt. Im Falle des Mediums
Wasser werden vorteilhaft als weitere physikalische Eigenschaft
die Trübung des Wassers zur Erfassung von Schwebstoffen
oder die Färbung des Wassers ermittelt. Bei geeigneter
Auswahl des zusätzlichen Sensors kann eine spektrale Analyse
des Wassers durchgeführt werden. Ein so genanntes Sensorarray
als zusätzlicher Sensor, mit welchem gleichzeitig mehrere
verschiedene physikalische oder chemische Eigenschaften erfasst
werden können, erlaubt eine vergleichsweise genaue Wasseranalyse.
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Bei
Verwendung eines Ultraschall-Durchflussmessumformers sind bereits
durch den Aufnehmer zur Erfassung des Durchflusses als Nebengrößen
die Schallgeschwindigkeit im Medium, die akustische Impedanz des
Mediums, die spezifische Dichte und die Schallabsorption verfügbar.
Mit einem zusätzlichen Sensor können darüber
hinaus eine oder mehrere der bereits oben an geführten weiteren
physikalischen oder chemischen Eigenschaften zur Bewertung der Medienqualität
ausgewertet werden.
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In
vorteilhafter Weise kann die Trübung oder die Färbung
als weitere physikalische oder chemische Eigenschaft des Mediums
herangezogen werden, da diese insbesondere bei Wasser eine wichtige Größe
zur Qualitätsbeurteilung darstellt.
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Bei
einem Durchflussmessumformer, der nach dem bekannten magnetisch
induktiven Messverfahren arbeitet, kann als Nebengröße
in einfacher Weise die elektrische Leitfähigkeit des Mediums durch
Einspeisen eines Stroms einer vorgegebenen Stromstärke
in die Messelektroden und Messen der dabei an den Messelektroden
abgreifbaren Spannung ermittelt werden. Diese Größe
wurde bisher lediglich zur Prozessdiagnose, beispielsweise zur Überprüfung
des Füllungszustands des Messrohrs, genutzt. Sie kann nun
in Kombination mit dem zweiten Messsignal des zusätzlichen
Sensors eine wichtige Information bei der Beurteilung der Qualität
des Mediums beitragen.
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In
besonders einfacher Weise sind Lichtleiter zur Messung der Trübung
oder Färbung des Mediums in das Messrohr einsetzbar, wenn
diese in die Elektroden eines Durchflussmessumformers mit magnetisch
induktivem Messverfahren eingesetzt und bis zum Medium hindurchgeführt
sind. Das hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Öffnungen
im Messrohr vorgesehen werden müssen, um optische Messungen
durchführen zu können.
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Die
Integration des Lichtleiters in eine so genannte Spitzelektrode
bietet den zusätzlichen Vorteil, aufgrund des Selbstreinigungseffekts
von Spitzelektroden unempfindlicher gegenüber Ablagerungen
zu sein.
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Bei
Durchflussmessumformern, die anhand des Ultraschall-Laufzeitdifferenzverfahrens
oder anhand des Ultraschall-Dopplerverfahrens die Durchflussgeschwindigkeit
ermitteln, kann zusätzlich die spezifische Dichte und damit
der Massendurchfluss anhand einer Messung der Ultraschall-Geschwindig keit
und der akustischen Impedanz des Mediums berechnet werden. Die genannten
physikalischen Eigenschaften liegen somit als gemessene Größen
vor. Sie können daher mit weiteren physikalischen oder chemischen
Eigenschaften des Mediums, die mit einem zusätzlichen Sensor
erfasst werden, zu einem Beschreibungsvektor kombiniert werden,
der eine zuverlässige Qualitätsbeurteilung des
Mediums ermöglicht.
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Bei
Verwendung eines Sensorarrays als zusätzlichen Sensor wird
in vorteilhafter Weise die Qualitätsaussage über
das Medium weiter verbessert, da mit derartigen Sensorarrays eine
Vielzahl von physikalischen oder chemischen Eigenschaften des Mediums
erfassbar ist und bei der Beurteilung der Qualität berücksichtigt
werden kann.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt sind, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und
Vorteile näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Durchflussmessumformer mit magnetisch induktivem Messverfahren,
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2 eine
Spitzelektrode im eingebauten Zustand und
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3 einen
Durchflussmessumformer nach dem Ultraschall-Laufzeitdifferenzverfahren.
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Ein
magnetisch induktiver Durchflussmessumformer, dessen prinzipieller
Aufbau in 1 dargestellt ist, besitzt einen
Aufnehmer 1 zur Ermittelung von Messsignalen an einem Messrohr 2,
das von einem Medium durchflossen wird, und eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 3,
welche anhand der Messsignale einen Messwert für den Durchfluss
und eine Aussage über die Qualität des Mediums
erzeugt. Diese können über eine Anzeigeeinheit 4 oder einen
Feldbus 5, mit welchem der Durchflussmessumformer in ein
Automatisierungsnetzwerk eingebunden ist, ausgegeben bzw. gemeldet
werden. Mit einer Tastatur 16 können Eingaben,
beispielsweise zur Parametrierung des Messumformers, vorgenommen
werden. Zur Erzeugung eines ersten Messsignals, das einer zwischen
zwei Elektroden 6 und 7 am Messrohr 2 abgreifbaren
Spannung entspricht und von der Durchflussgeschwindigkeit des Mediums durch
das Rohr 2 abhängt, wird in bekannter Weise mit
zwei Spulen 8 und 9 ein senkrecht zur Durchflussrichtung
verlaufendes Magnetfeld erzeugt. Die senkrecht zum Magnetfeld und
senkrecht zur Durchflussrichtung nach dem Faradayschen Induktionsgesetz induzierte
Spannung ist proportional zur Stärke des Magnetfelds und
zur Fließgeschwindigkeit des Mediums. Anhand der Elektrodenspannung,
die über zwei Leitungen 10 und 11 als
erstes Messsignal der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 3 zugeführt
wird, kann diese somit einen Messwert für den Durchfluss bestimmen.
Zusätzlich ist der Aufnehmer 1 mit einem Sensor
zur Trübungs- und Färbungsmessung ausgestattet,
der aus einem in die Elektrode 6 integrierten Lichtsender 12 und
einem in die Elektrode 7 integrierten Lichtempfänger 13 gebildet
wird. Messergebnisse für die Trübung und Färbung
des Mediums werden in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 3 mit
in bekannter Weise ermittelten Messergebnissen für die elektrische
Leitfähigkeit des Mediums kombiniert und daraus eine Aussage über
die Qualität des Mediums abgeleitet. Unterschreitet die
Qualität des Mediums ein vorbestimmtes Mindestkriterium,
so können aufgrund der ständigen Überwachung
frühzeitig geeignete Maßnahmen zur Beseitigung
des Fehlerzustands ergriffen werden. Ergänzend oder alternativ zu
dem zusätzlichen Sensor zur Trübungs- und Färbungsmessung
ist ein Sensorarray 14 am Messrohr 2 angebracht,
das ebenfalls Messsignale an die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 3 abgibt,
auf deren Basis die chemische Zusammensetzung des Mediums und damit
weitere Qualitätsaussagen ermittelt werden können.
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2 zeigt
eine Detailansicht des Aufbaus der Elektrode 6 aus 1.
Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Elektrode 6 ist als
eine Spitzelektrode ausgeführt, die sich dadurch auszeichnet,
dass sich an der Spitze kaum Ablagerungen bei vorbeiströmendem
Medium bilden. Sie ist in eine Öffnung des Messrohrs 2 eingesetzt,
das an seiner Innenseite mit einem elektrisch isolierenden Belag 20 ausgekleidet
ist. Durch eine Feder 21, die mit einer Mutter 22 vorgespannt
ist, wird die Spitzelektrode 6 gegen die Innenseite des
Belags 20 dichtend angedrückt. Ein Lichtleiter 23 ragt
durch die Elektrode 6 bis zum Medium hindurch. Mit einer
in der 2 nicht dargestellten Lichtquelle wird Licht entsprechend
einem Pfeil 24 in den Lichtleiter 23 eingespeist,
das an seinem anderen Ende, das heißt im Bereich der Spitze
der Spitzelektrode 6, aus diesem austritt und das im Rohr 2 befindliche
Medium durchleuchtet. Der Lichtleiter 23 hat somit die
Funktion eines Lichtsenders. In entsprechender Weise ist die Funktion
des Lichtempfängers 13 in 1, der in
die Elektrode 7 integriert ist, realisiert.
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Eine
alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt 3.
Ein Durchflussmessumformer arbeitet nach dem Ultraschall-Laufzeitdifferenzverfahren
und weist einen Aufnehmer 30 mit einem Messrohr 31 auf,
der Messsignale an eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 32 weitergibt.
Zur Messung des Durchflusses befinden sich zwei Ultraschallwandler 33 und 34 am
Messrohr 31, die wechselweise als Sender und Empfänger
eines Ultraschallsignals betrieben werden, das entsprechend einem
Doppelpfeil 35 das Medium im Messrohr 31 W-förmig
durchläuft. Aus der Laufzeitdifferenz zwischen den Ultraschallsignalen
stromauf- und stromabwärts wird in bekannter Weise ein
Messwert für die Durchflussgeschwindigkeit berechnet. Als
Nebengrößen werden dabei mit den Schallwandlern 33 und 34 die
Schallgeschwindigkeit durch das Medium, dessen akustische Impedanz
und dessen spezifische Dichte nach Auswertung der Messsignale durch
die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 32 gemessen. Eine
oder mehrere dieser Nebengrößen werden mit einem
Messwert der Trübung oder Färbung des Mediums
kombiniert, der mit Hilfe eines optischen Sensors 36 bestimmt
wird. Dieser ist mit Medienkontakt in das Messrohr 31 eingebaut.
Aus der Kombination leitet die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 32 eine
Aussage über die Qualität des Mediums ab, welche
zu sätzlich zum Messwert über einen Feldbus 37 an
eine in der 3 der Übersichtlichkeit
wegen nicht dargestellte Überwachungs- und Meldestation
weitergegeben wird. In vorteilhafter Weise erlaubt somit derselbe
Messumformer sowohl eine quantitative als auch qualitative Beurteilung
des Medienstroms, so dass die Anzahl erforderlicher Messumformer
zur Überwachung eines umfangreichen Rohrleitungsnetzwerks
deutlich reduziert werden kann.
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Alternativ
kann der Sensor 36 als Sensorarray ausgeführt
sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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