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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur vorausschauenden Wartung an
einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät und/oder
ein Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit
eines Mediums, das das Messrohr eines magnetisch induktives Durchflussmessgerät
in Richtung der Längsachse durchströmt. Ein magnetisch-induktive Durchflussmessgerät
umfasst die folgenden Komponenten:
- – ein
Magnetsystem, das ein das Messrohr durchsetzendes, im wesentlichen
quer zur Messrohrachse verlaufendes Magnetfeld erzeugt,
- – zumindest zwei mit dem Medium koppelnde Messelektroden
mit einem definierten Ruhepotential, die in einem im wesentlichen
senkrecht zum Magnetfeld liegenden Bereich des Messrohres angeordnet
sind, und
- – eine Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der in die
Messelektroden induzierten Messspannung Information über
den Volumen- oder Massestrom des Mediums in dem Messrohr liefert,
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Entsprechende
magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte werden von der
Anmelderin in einer Vielzahl von Ausgestaltungen, z. B. unter der
Bezeichnung PROMAG angeboten und vertrieben.
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In
der
DE 103 56 007
B3 wird ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
beschrieben, das einen Zusatznutzen liefert. Um dies zu erreichen, wird
zwischen einer Messelektrode und einer Referenzelektrode oder einer
Füllstandsüberwachungselektrode ein Strom eingeprägt.
Die hierbei zwischen den Messelektroden anliegende Spannung wird
gemessen und aus dem Verhältnis von gemessener Spannung
zu eingeprägtem Strom wird ein erster Widerstandswert ermittelt.
Anschließend wird die erste Messelektrode durch die zweite
Messelektrode ersetzt, und die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte
werden wiederholt, wodurch einer zweiter Widerstandswert zu Verfügung
steht. Durch Differenz- oder Quotientenbildung der zwei ermittelten
Widerstandswerte wird eine kritische Belegung einer der beiden Messelektroden
festgestellt, wenn das gebildete Verhältnis bzw. die gebildete
Differenz außerhalb eines vorgegebenen Wertebereiches liegt.
Nachteilig bei dieser Ausgestaltung ist, dass durch das Aufprägen eines
Stroms jede der beiden Messelektroden aus dem Ruhepotential herausbewegt
wird bzw. dass sich das Ruhepotential verschiebt. Um nachfolgend eine
korrekte Durchflussmessung durchführen zu können,
muss zugewartet werden, bis der Gleichgewichtszustand wieder erreicht
ist. Da weniger Messzeit zur Verfügung steht wird die Messgenauigkeit des
Durchflussmessgeräts vermindert.
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Aus
der
EP 0 336 615 B1 ist
ein elektro-magnetisches Durchflussmessgerät bekannt geworden, das
es erlaubt, simultan den Durchfluss eines Mediums durch das Messrohr
des Durchflussmessgeräts und die elektrische Leitfähigkeit
des Mediums zu bestimmen. Das Durchflussmessgerät umfasst
die in der Einleitung genannten Komponenten. Zusätzlich zu
den bekannten Durchflussmessgeräten besitzt die in der
EP 0 336 615 B1 offenbarte
Lösung ein Mittel zum Erzeugen eines die Leitfähigkeit
des Mediums repräsentierenden Leitfähigkeitssignals
aus einem ebenso wie das Durchflussmesssignal von den zwei Messelektroden
erzeugten Ausgangssignals. Hierzu ist zusätzlich zu dem
alternierenden rechteckförmigen Erregungssignal für
das Magnetsystem ein Mittel vorgesehen, das einen elektrischen Impuls
erzeugt, der über eine entsprechende Steuerung jeweils
zu Beginn von jedem Halbzyklus des Erregungssignals an das Magnetsystem
angelegt wird.
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Aus
der
US 6,804,613 ist
ein elektromagnetischer Durchflussmesser bekannt geworden, der neben
der Information über den Durchfluss auch Information über
eine Leerrohrdetektion, einen an der Messelektrode haftenden Belag
oder die elektrische Leitfähigkeit des durch das Messrohr
strömenden Mediums ermitteln kann. Hierzu werden zwischen
jeweils einer der beiden Messelektroden und einer Erdungselektrode
Diagnosesignale angelegt. Die entsprechenden Diagnosesignalgeneratoren
sind entweder Konstantstromversorgungen oder Konstantspannungsversorgungen,
wobei die Diagnosesignalgeneratoren Wechselsignale verwenden, deren
Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der bei der Anregungsschaltung
für das Magnetsystem verwendeten Anregungsfrequenz ist.
Weiterhin ist eine Diagnoseschaltung vorgesehen, die die Erregerfrequenz
des Magnetsystems mit der Frequenz des Diagnosesignals synchronisiert.
Insbesondere wird die Leitfähigkeit des Mediums oder die
Bildung von Belag an den Messelektroden über die Messung
des Widerstandes der Messelektroden oder über die Messung
des Widerstandes zwischen einer Messelektrode und der Erdungselektrode
bestimmt.
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Nachteilig
bei den bekannt gewordenen Verfahren ist, dass hier davon ausgegangen
wird, dass der gemessene Widerstand der Flüssigkeit in
einer eindeutigen Beziehung zu der Leitfähigkeit des Mediums
steht. Im Bereich hoher Leitfähigkeiten ist der Messbereich
einer Leitfähigkeitsmeßzelle durch den Phasenübergang
von der Messelektrode in die Flüssigkeit beschränkt.
Die Impedanz des Phasenübergangs verhält sich
nur im Idealfall rein kapazitiv; im Realfall hat die Impedanz des
Phasenübergangs auch einen Ohm'schen Anteil. Ist dieser
Anteil gegenüber dem Ohmschen Widerstand des Mediums nicht
mehr zu vernachlässigen, so wird die gemessene Leitfähigkeit
des Mediums verfälscht. Folglich ist der Messbereich einer
Leitfähigkeitsmesszelle nach oben entsprechend beschränkt.
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Um
diesen Missstand zu beseitigen, ist aus der
EP 0 990 984 B1 eine verbesserte
Messzelle zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit
eines flüssigen Mediums bekannt geworden. Insbesondere handelt
es sich bei dem flüssigen Medium um eine Kalibrierlösung
für pH-Elektroden. Hier wird die Impedanz der in die Flüssigkeit
eintauchenden Messzelle bei zumindest zwei Frequenzwerten einer
Wechselspannung ermittelt. Aus den ermittelten Impedanzwerten werden
unter Zugrundelegung eines Ersatzschaltbildes frequenzunabhängige
Parameter und der Widerstandswert, aus dem die Leitfähigkeit
ermittelt wird, bestimmt. Das Ersatzschaltbild besteht aus einer
Parallelschaltung eines die Kapazität der Messzelle darstellenden
Kondensators und eines den gesuchten Widerstand der Flüssigkeit
innerhalb der Messzelle darstellenden ohmschen Widerstands sowie
eines mit dem ohmschen Widerstand in Reihe geschalteten elektrischen
Bauelements mit einer frequenzunabhängigen Phase. Bei jedem
der zumindest zwei Frequenzwerte werden der Realteil und der Imaginärteil
der Impedanz der Messzelle ermittelt. Aus den ermittelten Werten
werden anschließend die frequenzunabhängigen Parameter
und der gesuchte Widerstand berechnet. Anschließend erfolgt
dann die Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Durchflussmessgerät
so auszugestalten, dass neben den Durchflussmesswerten eine präzise
Information über die Leitfähigkeit des Mediums
oder eine physikalische Veränderung an einer Messelektrode vorliegt.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein erstes Erregungssignal
mit einer ersten Frequenz und zumindest ein zweites Erregungssignal
mit einer zweiten Frequenz oder ein Erregungssignal, das zumindest
zwei Frequenzen enthält, derart an die Messelektrode angelegt
werden bzw. wird, dass der Mittelwert der Erregungssignale bzw.
des Erregungssignals zumindest näherungsweise mit dem Mittelwert des
Elektrodenpotentials der Messelektrode zusammenfällt, und
dass anhand von zumindest einem zwischen Messelektrode und Referenzpotential
(Masseelektrode, Erdungsring, usw.) gemessenen Impedanzwert die
Leitfähigkeit des Mediums oder die Veränderung
an der Messelektrode erkannt wird. Die Veränderung an der
Messelektrode kann entweder durch eine Belagsbildung oder durch
Korrosion hervorgerufen sein.
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Bevorzugt
wird als Erregungssignal eine erste Pulsfolge mit einer ersten Frequenz
und eine zweite Pulsfolge mit einer zweiten Frequenz verwendet. Die
beiden Pulsfolgen werden bevorzugt in zwei aufeinanderfolgenden
Messzyklen – und hier bevorzugt jeweils synchron oder asynchron
zum Umschalten des Magnetfeldes – an die Messelektrode
angelegt. Es versteht sich von selbst, dass die beiden Messzyklen,
in denen die Pulsfolgen jeweils angelegt werden, weder direkt aufeinander
folgen müssen, noch dass die Pulsfolgen – wie
bereits gesagt – mit der Umschaltung des Magnetfeldes synchronisiert
sein müssen. Vielmehr können die Pulsfolgen sowohl
synchron als auch asynchron zum Umschalten des Magnetfeldes an die
Messelektrode angelegt werden. Bei der Pulsfolge handelt es sich
beispielsweise um eine Folge aus rechteckförmigen Pulsen.
Es können jedoch auch andere Arten von Pulsfolgen, z. B.
sinusförmige Pulse, in Verbindung mit der vorliegenden
Erfindung verwendet werden.
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Gemäß einer
alternativen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass als
Erregungssignal ein Pseudo-Rauschen mit einer Vielzahl von Frequenzen,
also ein Frequenzspektrum, verwendet wird. Das entsprechende Erregungssignal
wird auch als digitales weißes Rauschen bezeichnet. Wiederum
weisen die einzelnen Pulse bevorzugt eine Rechteckform auf. Als
weiteres Test- oder Erregungssignal kommt ein Multitonsignal in
Frage, welches sich optimal an das jeweilige Messproblem anpassen
lässt.
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Zur
Verbesserung der Messgenauigkeit, hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn als Erregungssignal ein Signal verwendet wird, bei dem nach
der Transformation vom Zeitbereich in den Frequenzbereich die Seitenbänder
stark gedämpft sind.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird folgendermaßen vorgegangen:
- – in vorgegebenen Zeitabständen wird die Durchflussmessung
unterbrochen und der zuletzt gemessene Durchflussmesswert wird abgespeichert bzw.
eingefroren;
- – bei einer ersten Unterbrechung der Durchflussmessung
wird ein erstes Erregungssignal mit einer ersten Frequenz und bei
einer zweiten Unterbrechung der Durchflussmessung wird ein zweites
Erregungssignal mit einer zweiten Frequenz an die Messelektrode
angelegt.
- – Anhand von zumindest einem ermittelten Impedanzwert
wird die Leitfähigkeit bestimmt, oder es wird erkannt,
ob an der Messelektrode eine Änderung aufgetreten ist.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass die optimale Frequenz und/oder der optimale
Amplitudenwert der Pulsfolge, bzw. der zumindest zwei Pulsfolgen
mit unterschiedlichen Frequenzen, bei denen die Impedanzwerte ermittelt
werden, in Abhängigkeit von dem Medium ermittelt werden.
Bevorzugt liegen die Frequenzen der Signale, die an die Messelektrode angelegt
werden, zwischen 10 Hz bis 10 kHz. In einer Ausgestaltung werden
beispielsweise vier Frequenzen ausgewählt: 60 Hz, 110 Hz,
440 Hz und 1.1 kHz. Bei der Auswahl der Frequenzen ist insbesondere darauf
zu achten, dass sie nicht mit der Netzfrequenz oder der Umschaltfrequenz
des Magnetfeldes übereinstimmen. Je mehr Frequenzen für
die Bestimmung der Leitfähigkeit ausgewählt werden,
um so genauer kann das Betragsspektrum und das Phasenspektrum der
Impedanz und somit die Leitfähigkeit ermittelt werden.
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Im
einfachsten Fall werden nur die Realteile, also die Betragswerte
der Impedanzwerte für die Bestimmung der Leitfähigkeit
herangezogen. Hierzu werden sukzessive mindestens zwei Pulsfolgen
mit unterschiedlichen Frequenzen an die Messelektrode angelegt.
Sind die Beträge der Impedanzwerte innerhalb tolerierbarer
Grenzen gleich, so wird davon ausgegangen, dass die Messung in einem
Bereich erfolgt ist, in dem der Betrag des Impedanzwertes näherungsweise
konstant ist und somit funktional von der Leitfähigkeit
abhängt. Somit kann eine verlässliche Aussage
hinsichtlich der Leitfähigkeit des Mediums getroffen werden.
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Alternativ
wird vorgeschlagen, dass die Frequenzen der Pulsfolge sukzessive
geändert werden. Zusätzlich zu den Beträgen
können weiterhin auch noch die Phasenwerte der Impedanzwerte
ermittelt werden. Bei der Frequenz, bei der die Phasenverschiebung
der Impedanz minimal ist, wird der korrespondierende Betrag des
Impedanz zur Bestimmung der Leitfähigkeit herangezogen.
Möglich es selbstverständlich auch, die Impedanzwerte über
das gesamte Frequenz-spektrum zu ermitteln und hieraus die Leitfähigkeit
und die Änderung an der Messelektrode hoch genau zu bestimmen.
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Somit
ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass
bei zumindest zwei Frequenzen die Amplitudenwerte oder das Amplitudenspektrum
bzw. die Realteile der Impedanzwerte und die Phasenwerte oder das
Phasenspektrum bzw. die Imaginärteile der entsprechenden
Impedanzwerte bestimmt werden und dass anhand der Realteile und
der Imaginärteile die frequenzunabhängigen Parameter,
hier insbesondere n, Q und der Widerstand bzw. die Leitfähigkeit
des Mediums ermittelt werden. Im Prinzip genügen hierzu – wie
in der
EP 0 990 894 beschrieben – zwei
Messungen bei unterschiedlichen Frequenzen. Je mehr Messungen durchgeführt
werden, um so geringer ist der Messfehler bei der Bestimmung der Leitfähigkeit.
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Hierbei
wird bevorzugt so vorgegangen, dass auf die ermittelten Impedanzwerte
jeweils ein Ersatzschaltbild angewendet wird, wobei das Ersatzschaltbild
aus einer Parallelschaltung eines die Kapazität der Messelektrode
darstellenden Kondensators und eines den gesuchten Widerstand des
Mediums zwischen Potential der Messelektrode und Bezugspotential
darstellenden Ohm'schen Widerstands sowie eines mit dem Ohm'schen
Widerstand in Reihe geschalteten elektrischen Bauelements Z mit
einer frequenzunabhängigen Phase besteht, wobei das Bauelement
Z durch folgende Impedanz beschrieben wird:
hierbei kennzeichnen n und
Q zwei frequenzunabhängige Parameter.
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Weiterhin
ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass
in vorgegebenen Zeitabständen der Istwert des frequenzunabhängigen
Parameters Q mit einem bei einem vorgegebenen Startpunkt des Durchflussmessgeräts
ermittelten Sollwert von Q verglichen wird, und dass eine Änderung
an der Oberfläche der Messelektrode signalisiert wird,
wenn die Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert von Q
einen vorgegebenen Toleranzbereich überschreitet. Die Änderung
kann entweder von einer Belagsbildung an der Messelektrode oder
von Korrosion an der Messelektrode herrühren.
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Wie
bereits gesagt, ist weiterhin vorgesehen, dass die Frequenz der
Pulsfolge sukzessive geändert wird, bis der Phasenwert
(Imaginärteil) der ermittelten Impedanzwerte ein Minimum
erreicht, und dass bei der Frequenz der Pulsfolge, bei der der Phasenwert
minimal ist, der zugehörige Amplitudenwert (Realteil) des
Impedanzwertes zur Bestimmung des Widerstands bzw. zur Bestimmung
der Leitfähigkeit des Mediums herangezogen wird. Bevorzugt
werden die Leitfähigkeitswerte des Mediums, die der Prozessüberwachung dienen,
simultan mit den Durchflussmesswerten bereitgestellt. Insbesondere
ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass Durchflussmesswerte
während eines jeden Messzyklus' bereitgestellt werden,
während die Leitfähigkeitswerte in größeren
Abständen von ca. 1 ms zur Verfügung stehen. Die
Sensordiagnose, also insbesondere die Überwachung von Änderungen
an den Messelektroden, kann in größeren Abständen
erfolgen. Hier ist es sinnvoll, eine Messung des vollständigen
Frequenzspektrums durchzuführen – eine Vorgehensweise, die
entsprechend zeitaufwändig ist. Da sich Änderungen
an der Messelektrode in einem relativ großen Zeitraum einstellen,
ist es möglich, die zeitintensive Auswertung des Amplituden-
und/oder Phasenspektrums hierfür einzusetzen. Eine Belagsbildung
oder Korrosion an der Messelektrode lässt sich über
einen Vergleich von Historiendaten gewinnen.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts,
bei dem das erfindungsgemäße Verfahren realisiert
ist,
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2:
eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit zwei parallelen
Messelektroden,
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3:
ein Graph, der die funktionale Abhängigkeit eines Gleichstroms
i von der Klemmenspannung EKl zeigt, wenn
die elektrische Leitfähigkeit eines Elektrolytlösung
gemessen wird,
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4:
eine schematische Darstellung der sich ausbildenden elektrischen
Doppelschicht,
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5:
eine schematische Darstellung des elektrischen Strömungsfeldes
bei einer Messung mit einem magneitsch-induktiven Durchflussmessgerät zwischen
Messelektrode und Masseelektrode,
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6:
ein Ersatzschaltbild für die Ermittlung der Leitfähigkeit
und einer physikalischen Änderung an der Messelektrode
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
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7a:
eine graphische Darstellung des Betragsfrequenzganges der Impedanz
bei unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten des
Mediums,
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7b:
eine graphische Darstellung des Phasenfrequenzganges der Impedanz
bei unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten des
Mediums,
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8:
eine Darstellung einer bevorzugten Schaltung zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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9:
ein Diagramm, das ein Erregungssignal einer Frequenz f1 zeigt, das
der Umschaltfrequenz des Magnetfeldes überlagert ist,
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10:
eine Darstellung eines an die Messelektrode angelegten Erregungssignals
und
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11:
ein Schaltbild eines Spannungsteilers.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer 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.
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Das
Messrohr 2 ist an seiner Innenfläche mit einem
Liner 18 ausgekleidet; der Liner 18 besteht aus
einem nicht-leitfähigen Material, das ggf. in hohem Maße
chemisch und/oder mechanisch beständig ist.
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Das
senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums 11 ausgerichtete
Magnetfeld B wird über ein Magnetsystem, z. B. über
zwei diametral angeordnete Spulenanordnungen 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
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 Verbindungselemente,
z. B. Flansche – wie in 3 zu sehen –,
mit einem Rohrsystem verbunden, durch das das Medium 11 hindurchströmt.
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Bei
den beiden Messelektroden 4, 5 handelt es sich
im gezeigten Fall um pilzförmige Messelektroden, die in
direktem Kontakt mit dem Medium 11 stehen. Selbstverständlich
sind in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung
auch Stiftelektroden oder alle anderen bekannten Arten von Messelektroden
einsetzbar.
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Über
Verbindungsleitungen 12, 13 sind die Messelektroden 4, 5 mit
der Regel-/Auswerteeinheit 8 verbunden. Die Verbindung
zwischen den Spulenanordnungen 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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Mit
dem bekannten magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät
wird erfindungsgemäß die elektrische Leitfähigkeit χ ermittelt.
Grundlegend lässt sich hier Folgendes sagen: Um den Zusammenhang
zwischen dem gemessenen Leitwert G und der elektrischen Leitfähigkeit χ eines
homogenes Mediums herzustellen, ist es notwendig, die Geometrie der
jeweiligen Messanordnung zu kennen. Die Geometrie einer Messanordnung
lässt sich üblicherweise über einen konstanten
Zahlenwert beschreiben, der als Zellkonstante k bezeichnet wird.
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Für
eine quaderförmigen Anordnung von zwei plattenförmigen
Elektroden – dargestellt ist dieser Fall in der 2 – lässt
sich die Leitfähigkeit χ wie folgt bestimmen: χ = lA ·G = k·G = kR mit:
- χ:
- elektrische Leitfähigkeit
in S/cm
- G, R:
- gemessener Leitwert
in S, Widerstand in Ohm
- k:
- Zellkonstante in 1/cm
- A:
- Fläche einer
Elektrode in cm2
- L:
- Abstand der beiden
Elektroden
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Bei
anderweitige Geometrien, insbesondere bei der Geometrie, die in
einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät vorliegt,
wird die Zellkonstante k entweder aus einer Simulation des elektrischen
Strömungsfeldes oder durch Messung mit einer Eichlösung
mit bekannter Leitfähigkeit ermittelt. Das Strömungsfeld
bei einer Messung mit einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät 1 zwischen einer
Messelektrode 4; 5 und der Masseelektrode 19 ist
schematisch in 5 dargestellt.
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Problematisch
ist hierbei, dass die Messung der elektrischen Leitfähigkeit χ einer
Elektrolytlösung nicht mit einer Gleichspannung durchgeführt
werden kann, da der damit verbundene Gleichstrom zu einer Entladung
der Ionen an der Messelektrode führen würde, was
mit einer chemischen Reaktion verbunden ist. Damit diese Reaktion überhaupt
einsetzt, ist eine gewisse Mindestspannung Ez erforderlich – siehe
hierzu auch 3. Diese Mindestspannung Ez
ist abhängig von unterschiedlichen Größen,
z. B. von dem Medium und der Temperatur. Aufgrund dieses nicht linearen
Verhaltens ist eine Durchführung der Messung mit Gleichspannung
nicht möglich.
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Erklären
lässt sich dieser Effekt dadurch, dass es zwischen Medium
und Elektrolyt zur Ausbildung einer sogenannten elektrischen Doppelschicht kommt,
die ein kapazitives Verhalten aufweist. Dargestellt ist dies schematisch
in 4. Benutzt man anstelle der Gleichspannung jedoch
eine elektrische Wechselspannung geeigneter Frequenz und Amplitude
(<= 100 mV), so
ist es möglich, die Impedanz der Doppelschichtkapazität
klein im Verhältnis zum ohmschen Widerstand des Mediums 11 zu
halten.
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Die
elektrische Doppelschicht hat nicht das elektrische Verhalten einer
idealen Kapazität, sondern kann näherungsweise
mit einem Netzwerkelement beschrieben werden, das in der Elektrochemie als
Constant Phase Element – CPE – bezeichnet wird.
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Die
komplexe Impedanz Z eines CPE ergibt sich zu
wobei der frequenzunabhängige
Parameter n kleiner eins ist. Bei einer idealen Kapazität
ist n gleich 1 zu setzen. Der zweite frequenzunabhängige
Parameter Q hat die physikalische Einheit Farad. Für n
ungleich 1 kann dem Parameter Q keine physikalische Einheit zugeordnet
werden. Das CPE dient als reines Beschreibungselement für
die experimentell erfassten Frequenzgänge.
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Ein
brauchbares Ersatzschaltbild für die Leitfähigkeitsmessung
mit einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät ist
in 6 dargestellt. Für die Doppelschichtkapazität
CD wird das CPE angenommen.
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Mit
dem Ersatzschaltbild wird die Leitfähigkeit und ggf. eine
weitere Größe ermittelt. Bei der weiteren Größe
handelt es sich z. B. um die Änderung an der mit dem Medium 11 in
Kontakt stehenden Messelektrode 4; 5. Diese Änderung
kann durch eine Belagsbildung oder durch Korrosion an der Oberfläche
der Messelektrode 4; 5 hervorgerufen sein.
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Das
Ersatzschaltbild besteht aus einer zwei Zweige aufweisenden Parallelschaltung,
wobei der eine Zweig von einem Kondensator mit der Streukapazität
CS gebildet ist. Der andere Zweig besteht
aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes RM und des
frequenzabhängigen Bauelements CPE. Bei dem Widerstand
RM handelt es sich um den Ohmschen Widerstand
des Mediums 11. Das Bauelement CPE repräsentiert
oder simuliert hierbei die am Phasenübergang zwischen der
Messelektrode 4; 5 und dem Medium 11 auftretenden
Vorgänge.
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Die
Berechnungsformel für das Modell ergibt sich damit zu
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In
den Figuren 7a und 7b sind
der Betrags- und der Phasenfrequenzgang bei verschiedenen Leitfähigkeiten
aufgetragen. Für die Parameter wurden die folgenden Werte
angesetzt, die für magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte
typisch sind:
CS = 200 pF; Q = 8E – 6;
n = 0.8; k = 1/cm
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Der
Betragsfrequenzgang, der in 7a dargestellt
ist, zeigt ein ausgeprägtes Plateau, das im Wesentlichen
durch den Mediumswiderstand RM bestimmt
ist. Diese Plateau korreliert mit einem Minimum der Phasenverschiebung.
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Für
die Ermittlung der Leitfähigkeit bieten sich unterschiedliche
Verfahren an:
- – Das Phasenminimum
kann somit als eindeutiges Kriterium für eine geeignete
Frequenz f für das Erregungssignal benutzt werden.
- – Steht die Phaseninformation nicht zur Verfügung,
so kann mittels eines Suchverfahrens eine Frequenz fn aufgefunden
und gewählt werden, in deren Umgebung sich der Betrag der
Impedanz kaum ändert.
- – Für eine hochgenaue Bestimmung der Leitfähigkeit
ist die vollständige Identifikation des Models aus 6 erforderlich.
Dazu sind mindestens zwei komplexe Impedanzmessungen (jede Messung
liefert zwei unabhängige Größen) bei
verschiedenen Frequenzen f1, f2 erforderlich,
da insgesamt vier unabhängige Parameter bestimmt werden
müssen: Q, n, CS, RM.
Die Parameter Q, n und CS können
für Diagnosezwecke ausgewertet werden, da sie den Zustand
des Übergangssystems Messelektrode zu Elektrolyt, die Anschlusskabel
für die Messelektroden, usw. widerspiegeln. Die Berechnung
führt auf ein nichtlineares Gleichungssystem, welches mit
bekannten numerischen Methoden gelöst werden kann.
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Aus
den Figuren 7a, 7b ist
ersichtlich, dass zur Bestimmung einer hohen Leitfähigkeit eine
hohe Frequenz erforderlich ist. Bei bekannten Leitfähigkeitsmessgeräten
wird die Zellkonstante k einfach an den jeweiligen Messbereich angepasst. Bei
einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät ist dies
nicht möglich, da die Zellkonstante k durch das Durchflussmessgerät 1 fest
vorgegeben ist. Die Bestimmung der Leitfähigkeit kann jedoch – wie
bereits erwähnt – durch die Identifikation des
Modells erfolgen. In diesem Zusammenhang ist es auch nicht erforderlich,
die Testfrequenzen der Erregungssignale bis in den Bereich des Phasenminimums
zu schieben.
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Man
erkennt weiterhin anhand der Graphen aus den Figuren
7a und
7b,
dass im Bereich hoher Leitfähigkeiten die Messung durch
die Streukapazität C
S nicht mehr
beeinflusst wird. Das Model lässt sich dann zu einer Serienschaltung,
bestehend aus R
M und CPE, vereinfachen.
Für die Impedanz ergibt sich damit:
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Weiterhin
kann für den Parameter n in guter Näherung der
Wert 0.8 genommen werden, da dieser Wert sehr gut den aufgrund experimenteller
Bestimmungen ermittelten Wert widerspiegelt. Hierbei muss jedoch
einschränkend gesagt werden, dass dieser Wert von 0.8 nur
gut passt, wenn die Messelektrode 4; 5 sich in
einem belagsfreien Zustand befindet.
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Misst
man anschließend die komplexe Impedanz bei einer Frequenz
f, so können die Parameter Q und RM durch
Lösen eines linearen Gleichungssystems bestimmt werden.
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Erfindungsgemäß wird
die Leitfähigkeitsmessung bei dem magnetisch-induktiven
Durchflussmessgerät 1, z. B. bei dem von der Anmelderin
angebotenen und vertriebenen Promag 55, alternierend zur Duchfluss messung
betrieben. Die Leitfähigkeitsmessung soll dabei einen möglichst
kurze Zeitdauer in Anspruch nehmen, damit die Durchflussmessung möglichst
wenig gestört wird. Als Test- bzw. Erregungssignal werden
kurze Pulsfolgen geeigneter Frequenz und Amplitude verwendet.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist in 8 dargestellt. Hierbei ist die
Impedanz Z die zu bestimmende Größe. Rx ist in
dieser Ausgestaltung ein technisch erforderlicher Widerstand, der
dazu dient, die Anforderung zu erfüllen, dass das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät 1 im
explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden kann. Dieser
Widerstand liegt in Reihe zum eigentlichen Meßobjekt Z.
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Um
die Leitfähigkeitsmessung durchzuführen, werden
von einem Pulsgenerator 23 Rechteckpulse generiert, die
offsetfrei auf das Elektrodenpotential addiert werden. Das eigentlichen
Messelektrodensignal zur Ermittlung des Durchflusses wird während
der Messung mittels A/D-Wandler 21 kontinuierlich erfasst.
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In 9 ist
parallel zu 8 der zeitliche Ablauf schematisch
dargestellt. Das Erregungs- oder Testsignal wird nur während
des relativ kurzen Abschnitts 2 an die Messelektrode 4; 5 angelegt.
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Bevorzugt
wird die Messung in drei Abschnitte unterteilt:
- 1.
Im Abschnitt 1 wird das Elektrodenpotential gemessen, und der aktuelle
Mittelwert des Elektrodenpotentials gebildet.
- 2. Im Abschnitt 2 wird der Schalter 22 geschlossen
und der Pulsgenerator 23 erzeugt eine rechteckförmige
Pulsfolge mit einer vorgegebenen Frequenz f. Die Pulsgenerierung
kann synchron oder asynchron zum Umschalten des Magnetfeldes B erfolgen.
Im gezeigten Fall ist sie synchron. Die Offsetspannung des Erregungssignals
wird gleich dem Mittelwert gesetzt, der in Abschnitt 1 berechnet
wurde. Hierdurch wird das Elektrodenpotential durch das überlagerte
Erregungssignal kaum aus dem Gleichgewicht gebracht.
- 3. Im Abschnitt 3 wird der Schalter 22 geöffnet, und
die mittels A/D-Wandler 21 erfassten Daten werden ausgewertet.
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Die
Auswertung der Daten des ND-Wandlers 21 aus Abschnitt 2
erfolgt nach folgendem Verfahren:
- 1. Der Datenblock
wird jeweils mit einer Sinus- und Cosinus-modulierten FIR-Filterfunktion
multipliziert. Die FIR-Filterfunktion kann im einfachsten Fall ein
Rechteckfenster sein, was einem Vektor aus Einsen entspricht und
der somit wegfällt. Über die FIR-Filterfunktion
kann die Bandbreite der ausgewerteten Signale gesteuert werden.
Beim Promag 55 sind schaltungstechnisch bedingt, Pulsgenerator und
A/D-Umsetzer nicht synchron mit demselben Takt angesteuert. Deshalb
weichen tatsächliche Sendefrequenz und tatsächlich gemessene
Frequenz etwas voneinander ab. Wenn das Auswerteverfahren im Frequenzbereich
zu selektiv wirkt, kommt es zu Fehlern bei der Auswertung.
Somit
ergibt sich für den Realteil und den Imaginärteil
der Impedanz die folgenden Gleichungen: mit: fP:
Pulsfrequenz
fT: Tastfrequenz A/D-Umsetzer
Re(H1): Realteil einer komplexen Größe
H
Im(H1): Imaginärteil einer
komplexen Größe H
sig(k): Das gemessene Signal
im Abschnitt 2
N: Länge des Blocks in Anzahl Abtastpunkte
und
FIR(k)
= 0.54 – 0.46·cos(π·(2·(k – 1)
+ 1)/N) ist ein sog. Hämming-Filter
- 2. Die komplexe Größe H1 wird
durch die Pulsamplitude AP und durch eine
weitere frequenzabhängige komplexe Größe
HE, die das Übertragungsverhalten
der Messelektronik beschreibt, dividiert.
- 3. Die Impedanzen Z, Rx und Rv bilden einen Spannungsteiler.
Der Spannungsteiler ist in 11 dargestellt. Nach Z aufgelöst,
ergibt sich somit: mit ν = H2
- 4. Die Leitfähigkeit κ des Mediums 11 kann
im Rahmen der Messgenauigkeit aus dem Betrag der komplexen Impedanz
nach folgender Beziehung berechnet werden.
- 5.
- 6. Aus dem berechneten Ergebnis werden die Parameter für
das Rechteckpulspaket für die nächste Messung
berechnet.
-
Dazu
wird folgende Vorgehensweise herangezogen.
- 1.
Das Verfahren beschränkt sich auf eine kleine Anzahl an
Testfrequenzen (z. B. auf 5 Frequenzen, f1 ...
f5). Begonnen wird das Verfahren bei einer
mittleren Frequenz und einer mittelgroßen Amplitude.
- 2. Bei dieser Frequenz ergibt sich ein erster Wert für
den Mediumswiderstand RM.
- 3. Anhand einer Tabelle, bestehend aus den Frequenzen fi und Intervallgrenzen für RM, ergibt sich eine neue Testfrequenz fn. Die Tabelle bildet dabei grob den Betragsfrequenzgang
des angenommen Models ab.
Bei gut gewählten Intervallgrenzen
konvergiert das Verfahren immer zu der geeigneten Frequenz des Erregersignals.
- 4. Die zu erwartende Pulsamplitude an der Impedanz Z wird über
die Spannungsteilerformel berechnet, und die Amplitude des Erregersignals wird
so eingestellt, dass an der Impedanz Z maximal 100 mV anliegen.
-
Bevorzugt
werden erfindungsgemäß entweder nur das Amplitudenspektrum
oder das Amplitudenspektrum und das Phasenspektrum zur Ermittlung
der Leitfähigkeit κ des Mediums 11 herangezogen.
Ist der Verlauf des Amplituden- und/oder des Phasenspektrums bekannt,
so ist die Leitfähigkeit κ des Mediums 11 aufgrund
der funktionalen Abhängigkeit eindeutig bestimmbar. Unterschiedliche
Leitfähigkeiten κ von Medien 11 zeigen
sich im wesentlichen in einer Parallelverschiebung des in 3 gezeigten
Betragsspektrums in Richtung der y-Achse. Ist bekannt, in welchem
Frequenzbereich das Betragsspektrum konstant ist, so lässt
sich die Leitfähigkeit κ mit hoher Genauigkeit
bestimmen.
-
Noch
genauer wird die Ermittlung der Leitfähigkeit κ,
wenn zusätzlich das Phasenspektrum herangezogen wird. Hier
wird so vorgegangen, dass die Leitfähigkeit κ bei
dem Amplitudenwert ermittelt wird, bei dem der Phasenwert ein Minimum
aufweist.
-
Die
Ermittlung der Leitfähigkeit κ erfolgt im wesentlichen
simultan zur Ermittlung des Durchflusses des Mediums 11 durch
das Messrohr 2.
-
Neben
der Bestimmung der Leitfähigkeit κ kann mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine physikalische Änderung
an der Messelektrode 4; 5 erkannt werden. Hierzu
wird in vorgegebenen Zeitabständen der Istwert des frequenzunabhängigen
Parameters Q mit einem bei einem vorgegebenen Startzeitpunkt des
Durchflussmessgeräts 1 ermittelten Sollwert von
Q verglichen. Um die in 7a und 7b gezeigten
Kurven möglichst genau nachzubilden und somit Q exakt zu
ermitteln, werden möglichst viele Impedanzwerte bei unterschiedlichen Frequenzen
bestimmt. Da Korrosion oder Belangsbildung an der Messelektrode 4; 5 üblicherweise
nicht sprunghaft sondern schleichend auftreten, genügt es,
die 'Predictive Maintenance'-Information in relativ großen
Zeitabständen zur Verfügung zu stellen.
-
Treten
bei der Ermittlung des aktuellen Q-Wertes Abweichungen vom Sollwert
auf, die außerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegen,
so lässt sich das dahingehend interpretieren, dass an der Oberfläche
der Messelektrode 4; 5 eine nicht mehr zu tolerierende Änderung
aufgetreten ist. Die Änderung kann – wie bereits
erwähnt – durch eine Belagsbildung an der Messelektrode 4; 5 hervorgerufen
sein; es kann sich jedoch auch um eine Änderung an der Oberfläche
der Messelektrode 4; 5 handeln, die durch Korrosion
entsteht. Eine detektierte Änderung wird dem Bedienpersonal
signalisiert. Wird ein vorgegebener Toleranzbereich überschritten,
wird ein Alarm ausgelöst, da die Funktionsfähigkeit
des Durchflussmessgeräts 1 nicht mehr gewährleistet
ist. Somit liefert das erfindungsgemäße Verfahren
neben der Zusatzinformation: Leitfähigkeit des durch das Durchflussmessgerät 1 strömenden
Mediums auch Information, die im Bereich der vorausschauenden Wartung
angesiedelt ist.
-
- 1
- Magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät
- 2
- Messrohr
- 3
- Messrohrachse
- 4
- erste
Messelektrode
- 5
- zweite
Messelektrode
- 6
- Spulenanordnung/Elektromagnet
- 7
- Spulenanordnung/Elektromagnet
- 8
- Regel-/Auswerteeinheit
- 9
- Eingabe-/Ausgabeeinheit
- 10
- Speichereinheit
- 11
- Medium
- 12
- Verbindungsleitung
- 13
- Verbindungsleitung
- 14
- Verbindungsleitung
- 15
- Verbindungsleitung
- 16
- Verbindungsleitung
- 17
- Primer
bzw. Haftvermittler
- 18
- Liner
- 19
- Masseelektrode
- 20
- Verstärker
- 21
- A/D
Wandler
- 22
- Schalter
- 23
- Pulsgenerator
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10356007
B3 [0003]
- - EP 0336615 B1 [0004, 0004]
- - US 6804613 [0005]
- - EP 0990984 B1 [0007]
- - EP 0990894 [0017]
mit ν = H2
