DE102008005258A1

DE102008005258A1 - Verfahren zum Betrieb einer Durchflussmesseinrichtung, sowie eine Durchflussmesseinrichtung selbst

Info

Publication number: DE102008005258A1
Application number: DE102008005258A
Authority: DE
Inventors: Kai Dr. Hencken; Daniel Dr. Schrag; Troy Quedgeley Wray
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2009-07-30
Also published as: CN101487726A; US20090205439A1; US7971493B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Durchflussmesseinrichtung sowie eine Durchflussmesseinrichtung selbst, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6. Um hierbei mit einer Messrohrgestaltung herkömmlicher Art auf eine technisch einfache Weise die Leitfähigkeit des Mediums oder durch Ablagerungen bedingte Fehler zu erfassen, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass im Messrohr insgesamt mindestens vier Elektroden auf dem Umfang des Messrohres verteilt angeordnet sind, und das bei Einspeisung eines Signals an einer der Elektroden oder einem Elektrodenpaar ein elektrischer Strom zwischen einem Elektrodenpaar gemessen wird, während eine elektrische Spannung zwischen einem anderen Elektrodenpaar gemessen wird, und dass aus beiden Messwerten ein Impedanzwert ermittelt wird, aus dem eine Leitfähigkeit des Mediums ermittelt wird und/oder im Vergleich verschiedener Leitfähigkeiten oder mit historischen Werten auf eine Belagsschicht auf den Elektroden geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Durchflussmesseinrichtung, sowie eine Durchflussmesseinrichtung selbst, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Durchflussmesseinrichtungen, insbesondere induktiver Art in ihrer Anwendung und ihrer Genauigkeit limitiert werden durch eine geringe Leitfähigkeit des Messmediums und bezüglich betriebsbedingter Ablagerungen auf den Elektroden. Hierdurch werden Übergangswiderstände bei der galvanischen Ankopplung ans Messmedium erzeugt, die die Messergebnisse verfälschen.
Aus der DE 102 43 748 A1 ist bekannt, dass ein Wechselstromsignal auf eine der Elektroden der Durchflussmesseinrichtung eingespeist und gegen eine Erdungselektrode gemessen wird.
Nachteil ist hierbei, dass die Spannungsmessung durch die stromtragenden Elektroden gestört bzw verfälscht wird.
Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde diesen Nachteil zu beseitigen, und dennoch mit einer Messrohrgestaltung herkömmlicher Art auf eine technisch einfache Weise die Leitfähigkeit des Mediums bzw. ablagerungsbedingten Fehler zu erfassen.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte beispielhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
Im Hinblick auf eine Durchflussmesseinrichtung ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 6 gelöst.
Weitere einrichtungsgemäße Ausgestaltungen sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Kern der Erfindung hinsichtlich des Verfahrens ist, dass im Messrohr insgesamt mindestens 4 Elektroden auf dem Umfang des Messrohres verteilt angeordnet sind, und dass bei Einspeisung eines Signales an einer der Elektroden oder einem Elektrodenpaar ein elektrischer Strom zwischen einem Elektrodenpaar gemessen wird, während eine elektrische Spannung zwischen einem anderen Elektrodenpaar gemessen wird, und dass aus beiden Messwerten ein Impedanzwert ermittelt wird, aus dem eine Leitfähigkeit des Mediums ermittelt wird und/oder im Vergleich mit historischen Werten oder im Vergleich der Werte der Elektroden untereinander auf eine Belagsschicht auf mindestens einer der Elektroden geschlossen wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass eine Serie von ggfs zeitlich versetzten Signalen an jeweils einer anderen Elektrode oder einem anderen Elektrodenpaar eingespeist wird und der Strom zwischen einem Elektrodenpaar und die Spannung an einem anderen Elektrodenpaar gemessen wird, und dass die Messungen in einer Weise permutiert werden, bis eine Reihe von Elektrodenpaarkombinationen durchfahren und die Impedanzwerte ermittelt sind, und dass aus der Vielzahl der Impedanzwerte Leitfähigkeiten bestimmt und/oder im Vergleich untereinander oder mit historischen Werten auf die auf den Elektroden entstandene Belagsschicht geschlossen wird.
Würde die Leitfähigkeit über die jeweilige Elektrode gemessen, an der auch das Signal eingespeist wird, so würden Messfehler entstehen, insbesondere durch den nicht genau bekannten Wert der Elektroden-Elektrolyt Impedanz. Diese sind hier ausgeschlossen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist im Zusammenhang mit der verwendeten Messmethode angegeben, dass 4 Elektroden (Ei, Ej, Ek, EI) derart im Messrohr auf dem Umfang desselben bezogen auf die Querschnittsansicht des Messrohres verteilt angeordnet sind, dass im fertigen Einbauzustand des Messrohres je zwei Elektroden gegenüberliegend angeordnet sind, und zwar so, dass die Verbindungslinie einmal senkrecht und waagerecht liegt bezüglich der Erdanziehung, siehe 1. Diese Konstellation bezieht sich auf den einbaufertigen, d. h. den eingebauten Zustand der Messeinrichtung. Eine solche Ausrichtung spielt dann eine Rolle, wenn der sich daraus ergebenden oberen Elektrode, der Top-Elektrode und der unteren Elektrode, der Bottom-Elektrode eine weitere Funktion, wie bspw. die Bestimmung des vollständig mit Messmedium gefüllten Messrohres zukommt, bzw. die Bottomelektrode zur (zusätzlichen) Erdung der Messeinrichtung dient, während die beiden waagerechten Elektroden der eigentlichen Durchflussmessung dienen
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass dieses Verfahren bei einer Anordnung der Elektroden (Ei, Ej, Ek, El) im Messrohr mit einer im wesentlichen symmetrischen Verteilung angewendet wird und dass eine Messung benutzt wird, in der der Strom zwischen zwei bezogen auf die Querschnittsumfangslinie des Messrohres benachbarten Elektroden eingespeist wird und die Spannung zwischen den beiden anderen benachbarten Elektroden gemessen wird. Dazu muss im allgemeinen eine technische Einrichtung vorhanden sein, die die Spannungsmessung zwischen den Elektroden, wie sie für die normale Durchflussmessung verwendet, wird in eine entsprechende Stromeinspeisung und Spannungsmessung zwischen benachbarten Elektroden umschaltet.
Bei der 4-Elektrodenanordnung in einem Ausführungsfall ergibt sich ausserdem, dass beispielsweise die Messelektroden links und rechts angeordnet sind und die Top-Elektrode zur „empty pipe"-Bestimmung genutzt wird, und die Bottom-Elektrode als Erdungselektrode. Vorteilhaft wird die Top-Elektrode und eine Messelektrode als Elektrodenpaar zur Messung im obigen Sinne kombiniert.
Daraus ergibt sich, dass zur Messung der Leitfähigkeit und/oder des Impedanzwertes dieselbe jeweils zwischen zwei Elektroden gemessen wird, deren gedachte im Querschnitt des Messrohres liegende Verbindungslinie in etwa 45° zur Vertikalen liegt, siehe 2.
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die verschiedenen Elektroden bezüglich einer paarweisen Messung mittels eines oder mehrerer Umschalter zur besagten Messung in Bezug zueinander schaltbar sind.
Weiterhin ist ausgestaltet, dass zwischen zwei Elektroden Ei und Ej eine elektrische Spannung U_ij gemessen wird wobei nacheinander zwischen den zwei Elektroden EI und Ej ein erster Strom I_lj und zwischen den Elektroden Ek und Ej ein zweiter Strom I_kj gemessen und daraus die zwei Impedanzwerte Za = U_ij/I_lj und Zb = U_ij/I_kj ermittelt werden, siehe 4. Durch Bilden der Differenz (oder durch eine andere mathematische Umrechnung) wird ein Impedanzwert Z = Za – Zb gebildet. Dieser wird in allgemeinen rein ohmsch sein und proportional zu 1/σ mit σ der Leitfähigkeit des Mediums sein. Daher kann dieser Wert zur Leitfähigkeitsmessung verwendet werden bzw. durch ein Vergleich mit einem Wert aus der Kalibrierhistorie verglichen werden, und daraus der Belagzustand der Elektroden bestimmt werden.
Bezüglich einer Durchflussmesseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht der Kern der Erfindung darin, dass ein permutierender Umschalter zwischen einer Ansteuerung der Elektroden vorgesehen ist, mit welchem eine automatische Permutation der Signaleinspeisung durch jeweils eine andere Elektrode vornehmbar ist, und ebenfalls permutierende Strom- und Spannungsmessungen zwischen jeweils verschiedenen Elektrodenpaaren ansteuerbar ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, in welcher die durch Permutation erhaltenen Strom-/Spannungswerte als Impedanzwerte ermittelbar sind, und in welcher aus der Vielzahl der Impedanzwerte die Leitfähigkeit bestimmbar und im Vergleich der so ermittelten Werte untereinander oder mit historischen Werten aus einer Speichereinrichtung auf die auf den Elektroden entstandene Belagsschicht schließbar ist.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigt:
1: geometrische Anordnung der Elektroden bei einem induktiven Durchflussmesser. Hierbei handelt es sich bei der oberen Skizze um eine Seitenansicht und bei der unteren Skizze um eine Frontansicht.
2: Messkonfiguration. Zwei mögliche Messkonfigurationen für Strom und Spannung an dern vier Elektroden ist gezeigt.
3: Ersatzschaltbild der Impedanzen zwischen den vier Elektroden inklusive der Elektroden-Elektrolytenimpedanzen.
4: weitere Messkonfiguration, bei denen aus der Kombination zweier Messungen ein Impedanzwert ermittelt wird.
1 zeigt im oberen Bildteil schematisch das Messrohr des induktiven Durchflussmessers, sowie das außen angeordnete Magnetsystem sowie die Elektroden. Das Messrohr ist dabei von einem Messmedium durchflossen, dessen Durchfluss bestimmt wird.
Der untere Bildteil von 1 zeigt schematisch einen prinzipiellen Querschnitt durch das Messrohr und zeigt die Lage der in diesem Ausführungsbeispiel platzierten 4 Elektroden. Oben ist die Top-Elektrode E-top, und unten die Erdungselektrode (Bottom-Elektrode) 0. Die gedachte Verbindungslinie liegt in diesem Beispiel in etwa parallel zum g-Vektor der Erdbeschleunigung. Die beiden Messelektroden E1 und E2 liegen so, dass deren Verbindungslinie in etwa senkrecht zur Verbindungslinie zwischen E-top und 0 liegt. Die obere Messelektrode dient im allgemeinen zur Bestimmung des Füllzustandes des Rohres, während die Bottomelektrode im allgemeinen eine Erdungselektrode ist. Dabei kann diese Bottomelektrode auch alternativ durch eine Rohrerdung ausgeführt sein.
Im weiteren wird auch definiert, dass mit der Formulierung „benachbarte Elektrode" die entlang der Umfangslinie um das Messrohr benachbarte liegende Elektrode" gemeint ist,. D. h an diesem Beispiel, dass E2 direkt benachbart zur E-top und 0-Elektrode ist, etc
Diese gezeigte 4 Elektrodenanordnung ist maßgebend für das im weiteren auch noch beschriebene Ausführungsbeispiel.
2 zeigt zwei mögliche Messkonfigurationen. Im Beispiel a) würde die gemessene Spannung U1–U2 aufgrund der Symmetrie gleich Null ergeben, so dass kein Impedanzwert ungleich Null ermittelt werden kann. In der Konfiguration b) wird zwischen der dort definierten Elektrode E1 und E2 die Spannung und zwischen E-Top und 0 (Erdungselektrode) der Strom gemessen. Die Änderung, Permutation der Messbeaufschlagung der Elektroden in der in b) gezeigten Weise ergibt einen ungestörten, und vor allem von Null verschiedenen Impedanzwert.
D. h. mit Permutation ist nicht oder nicht nur die unterschiedliche Elektrodenpaarkombination einer wie in 1 festgelegten Elektrodenfunktionsverteilung gemeint, sondern dass die Elektrodenfunktion der jeweiligen Elektroden zugewiesen wird. D. h. 1 zeigt nur die festgelegte Lage der Elektrodenpositionen zueinander, während die Erfindung nun auch die Funktionen der einzelnen Elektroden permutieren lässt. Dies geht aus der Gegenüberstellung der
1 mit 2 hervor. Die Top-Elektrode E-top (gemäß) 1 wird in 2b) zur Messelektrode E1 etc.
Diese Art der Permutation ist wesentlicher Bestandteil der verfahrensgemäßen Erfindung, und demnach in dieser Weise zu verstehen.
Der gemäß 2b) zwischen E-top und 0 gemessene Strom, sowie die zwischen den Messelektroden E1 und E2 gemessene Spannung sind demzufolge nicht Null. Der aus Z = U/I bestimmte Impedanzwert ist proportional 1/σ, mit σ der Leitfähigkeit des Mediums. Mit Bestimmung des Proportionalitätsfaktors lässt sich dann die Leitfähigkeit bestimmen. Wenn die Flüssigkeit, als das durch das Messrohr durchgeleitete Medium im wesentlichen ohmsch ist, dann besteht der Impedanzwert im wesentlichen nur aus dem Realteil. Eine Phasenbestimmung zwischen Spannung und Strom ist dann nicht notwendig.
Eine alternative Methode kann sein, indem aus zwei Ergebnissen von Impedanzmessungen die Leitfähigkeit bestimmt werden kann. Man nimmt dabei an, dass lediglich eine Erdungselektrode 0 vorgesehen ist, oder dass der Strom vorzugsweise über die Erdungselektrode fließt. Hierdurch lässt sich eine Impedanzmatrix definieren:
Angenommen, die Bottom-Elektrode ist gleich Erdungselektrode 0, so ergibt sich aus dem Matrixform, wobei U3 = U-top.
Die Impedanzwerte haben aufgrund der Matrixform das Ersatzschaltbild gemäß 3. Die Darstellung umfasst Elektroden-Impedanzen Zi an jeder Elektrode. Aufgrund der Symmetrie in 3 stehen damit auch die inneren Widerstandswerte in Beziehung d. h. sind proportional zu 1/σ.
Unter diesen Umständen kommt man zu den Impedanzwerten nur durch Kombinationen. Dies erfolgt über die beschriebenen mehreren Messungen. Beispielsweise indem ein Strom Ia an der Top-elektrode eingespeist wird und zwischen einer Messelektrode und der Erdungselektrode eine erste Spannung Ua gemessen und zu Za = Ua/Ia gebildet wird.
In einer zweiten Messung wird Strom und Spannung wieder permutiert, d. h die Spannung Ub wird zwischen einer Messelektrode und der Erdungselektrode gemessen, und der Strom Ib wird zwischen der anderen Messelektrode und der Erdungselektrode gemessen.
Dies ergibt Zb = Ub/Ib.
Sodann wird die Differenz Z = Za – Zb gebildet. Dieser Impedanzwert hat den Vorteil, dass der Einfluss der Elektrodenimpedanz sich heraushebt, so dass der Wert ohmsch und proportional zu 1/σ ist.
Entstandene Belagschichten auf den Elektroden können auf diese Weise nun durch Vergleich mit Sollwerten zum Widerstand oder zur Leitfähigkeit bestimmt werden. Bzw. das Verfahren kann durch Permutation der Elektrodenpaare widerholt werden und die so erhaltenen Impedanz- oder Leitfähigkeitsmessungen können mittlerweile verglichen werden und durch eine Abweichung auf eine Beschichtung geschlossen werden.
5 zeigt eine schematische Übersicht der Funktion der erfindungsgemäßen Durchflussmesseinrichtung. Innerhalb des Messrohres 1 sind in diesem Beispiel die genannten vier Elektroden 2 entsprechend platziert. Die Elektroden werden über eine Ansteuereinrichtung in der verfahrensgemäß oben beschriebenen Weise angesteuert, wobei die Ansteuereinrichtung 10 den erfindungsgemäß beschriebenen Umschalter zur Permutation der Elektrodenpaarkombinationen integral mit enthält. Die von den Elektroden erfassten Strom und Spannungswerte werden dann bezüglich der vorher jeweils ausgewählten Elektrodenpaarkombinationen mit Indizes versehen in einem entsprechenden Datenfeld über diese Indizes Bspw Zij = Ui/Ij adressiert abgelegt. So dass nicht nur die jeweiligen Strom/Spannungswerte, sondern auch die daraus ermittelbaren Impedanzwerte und/oder Leitfähigkeitswerte auch den jeweilg zugrundegelegenen Elektrodenpaarkombination zuordenbar sind. Dieses adressierbare Datenfeld 11 korrespondiert dabei auch mit intern bereits mitgeschriebenen historischen Daten, so dass Veränderungen über die Zeit automatisch erkannt werden können. In einer Auswerteeinrichtung 12 wird sodann aus den besagten ermittelten Werten direkt eine Berechnung der evtl auf den Elektroden über die Betriebszeit entstandenen Belagschicht vorgenommen, wie oben im beschrieben.
Der Ausgangswert der Auswerteeinrichtung 12 kann dann entweder angezeigt, oder auf einem Messprotokoll automatisch aufgezeichnet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10243748 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Durchflussmesseinrichtung, insbesondere einer induktiven Durchflussmesseinrichtung, bei welcher ein Messrohr von einem Medium durchflossen ist, sowie eine Anordnung von mit dem Medium in galvanischer Verbindung stehenden Elektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Messrohr insgesamt mindestens 4 Elektroden auf dem Umfang des Messrohres verteilt angeordnet sind, und dass bei Einspeisung eines Signales an einer der Elektroden oder einem Elektrodenpaar ein elektrischer Strom zwischen einem Elektrodenpaar gemessen wird, während eine elektrische Spannung zwischen einem anderen Elektrodenpaar gemessen wird, und dass aus beiden Messwerten ein Impedanzwert ermittelt wird, aus dem eine Leitfähigkeit des Mediums ermittelt wird und/oder im Vergleich mit historischen Werten oder im Vergleich der Werte der Elektroden untereinander auf eine Belagsschicht auf mindestens einer der Elektroden geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Serie von ggfs zeitlich versetzten Signalen an jeweils einer anderen Elektrode oder einem anderen Elektrodenpaar eingespeist wird und der Strom zwischen einem Elektrodenpaar und die Spannung an einem anderen Elektrodenpaar gemessen wird, und dass die Messungen in einer Weise permutiert werden, bis eine Reihe von Elektrodenpaarkombinationen durchfahren und die Impedanzwerte ermittelt sind, und dass aus der Vielzahl der Impedanzwerte Leitfähigkeiten bestimmt und/oder im Vergleich untereinander oder mit historischen Werten auf die auf den Elektroden entstandene Belagsschicht geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Elektroden so gestaltet ist, dass vier Elektroden gleichmässig auf dem Umfang verteilt sind, d. h. benachbarte Elektroden einen Zwischenwinkel von ungefähr 90 Grad haben und die Elektrodenpaare so gewählt werden, dass jeweils benachbarte Elektroden für die Strom- und für die Spannungsmessung verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Elektroden bezüglich einer paarweisen Messung mittels eines oder mehrerer Schalter zur besagten Messung in Bezug zueinander schaltbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Elektroden Ei und Ej eine elektrische Spannung U_ij gemessen wird und nacheinander zwischen zwei Elektroden El und Ej ein erster Strom I_lj und zwischen Ek und Ej ein zweiter Strom I_kj angelegt wird und daraus die Impedanzwerte Za = U_ij/I_lj und Zb = U_ij/I_kj ermittelt werden, und durch die Differenz (oder durch eine andere mathematische Funktion) ein Impedanzwert Z = Za – Zb gebildet wird, und aus dieser die Leitfähigkeit de Mediums bestimmt wird oder dieser Wert mit einem Wert aus der Kalibrierhistorie verglichen wird, und daraus der Belagzustand der Elektroden bestimmt wird.
Durchflussmesseinrichtung, insbesondere eine induktive Durchflussmesseinrichtung, bei welcher ein Messrohr von einem Medium durchflossen ist, sowie eine Anordnung von mit dem Medium in galvanischer Verbindung stehenden Elektroden aufweist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein permutierender Schalter zwischen einer Ansteuerung der Elektroden vorgesehen ist, mit welchem eine automatische Permutation der Signaleinspeisung durch jeweils eine andere Elektrode vornehmbar ist, und ebenfalls permutierende Strom- und Spannungsmessungen zwischen jeweils verschiedenen Elektrodenpaaren ansteuerbar ist.
Durchflussmesseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, in welcher die durch Permutation erhaltenen Strom-/Spannungswerte als Impedanzwerte ermittelbar sind, und in welcher aus der Vielzahl der Impedanzwerte die Leitfähigkeit bestimmbar und im Vergleich untereinander oder mit historischen Werten aus einer Speichereinrichtung auf die auf den Elektroden entstandene Belagsschicht schließbar ist.
Durchflussmesseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass vier Elektroden gleichmässig auf dem Umfang verteilt sind, d. h. benachbarte Elektroden einen Zwischenwinkel von ungefähr 90 Grad haben und die Elektrodenpaare so gewählt werden, dass jeweils benachbarte Elektroden für die Strom- und für die Spannungsmessung verwendet werden.