-
Die
Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Durchflussmesser nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb
eines elektromagnetischen Durchflussmessers nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 6.
-
Ein
elektromagnetischer Durchflussmesser dieser Art sowie ein Verfahren
zu dessen Betrieb sind bereits aus der
DE 199 17 268 B4 bekannt.
Dort wird zur Überprüfung des Durchflussmessers
die Anstiegszeit des Stromes in der Spulenanordnung ermittelt und
mit einem Referenzwert verglichen. Dadurch werden insbesondere die
magnetischen Eigenschaften der Spulenanordnung überwacht.
Der Anstieg des Stromes wird als eine Art „Fingerabdruck” für
den jeweiligen Durchflussmesser bezeichnet. Solange der Durchflussmesser
ungestört, das heißt fehlerfrei, arbeiten kann,
sind die Anstiegsverläufe mit einer sehr geringen Streubreite
praktisch identisch. Erst bei Auftreten eines Fehlers elektrischer
oder magnetischer Art wird sich der Anstiegsverlauf ändern.
Dies ist dann ein Zeichen dafür, dass der Durchflussmesser
möglicherweise ungenaue Messergebnisse liefert und überprüft
oder ausgetauscht werden muss. Die bekannte Überwachung des
Durchflussmessers hat den Vorteil, dass sowohl die elektrischen
als auch die magnetischen Eigenschaften überprüft
werden, denn der Anstieg des Stromes wird sowohl von elektrischen
als auch von magnetischen Einflüssen geprägt.
Die Überprüfung findet während des Messens
eines Durchflusses statt. Man muss also die Durchflussmessung nicht einmal
unterbrechen und ist trotzdem in der Lage, praktisch laufend oder
permanent eine Überprüfung vornehmen zu können.
Dies hat darüber hinaus den Vorteil, dass der Durchflussmesser
genau in dem Zustand überprüft wird, in dem er
auch arbeitet. Dabei wird bevorzugt der Referenzwert am Durchflussmesser
selbst zu einem früheren Zeitpunkt ermittelt. Man bestimmt
den gewünschten Parameter Anstiegzeit beispielsweise bei
der Inbetriebnahme und legt diesen als Referenzwert in einem Speicher
ab, so dass er für künftige Überprüfungsvorgänge
zur Verfügung steht. Damit bekommt jeder Durchflussmesser
einen individuellen Referenzwert, so dass die Überprüfung sehr
genau erfolgen kann. Fehler, die sich aufgrund eines fehlerhaft
vorgegebenen Referenzwertes ergeben können, kommen praktisch
nicht vor.
-
Zur
Bestimmung der Anstiegszeit als Parameter werden zwei Alternativen
angegeben. Bei der ersten wird die Zeitspanne gemessen, die zwischen zwei
vorbestimmten Stromwerten verstreicht. Bei der zweiten Alternative
misst man als Parameter die Zeitspanne, die zwischen dem Umschalten
der Stromrichtung und dem Erreichen eines vorbestimmten Stromwertes
verstreicht.
-
Aus
der bereits eingangs genannten
DE 199 17 268 B4 ist zudem bekannt, nach
dem Umschalten der Stromrichtung eine erhöhte Spannung,
eine so genannte Boost-Spannung, zu verwenden, die den Aufbau des
Magnetfeldes beschleunigt. Diese Boost-Spannung verändert
den Stromanstieg und damit den gemessenen Parameter. Da dies auch
den ermittelten Referenzwert betrifft, hat es jedoch keine negativen
Auswirkungen auf die Überprüfung.
-
Bezüglich
weiterer Einzelheiten des bekannten Verfahrens zum Überprüfen
eines elektromagnetischen Durchflussmessers sowie bezüglich
des bekannten Durchflussmessers wird auf die oben genannte
DE 199 17 268 B4 verwiesen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen
Durchflussmesser sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb zu schaffen,
die selbst bei Veränderungen der magnetischen Eigenschaften
des Durchflussmessers in der Lage sind, ausreichend genaue Messergebnisse
des Durchflusses zu liefern.
-
Zur
Lösung dieser Aufgabe weist der neue elektromagnetische
Durchflussmesser der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den weiteren Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Durchflussmessers und ein
neues Verfahren zu dessen Betrieb angegeben.
-
Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zwischen dem Parameter
des Anstiegs des Stromes in der Spulenanordnung, der bei Anlegen
einer Spannung an die Spulenanordnung ermittelt wird, und der an
der Elektrodenanordnung des Durchflussmessers erfassten Spannung,
die in elektromagnetischen Durchflussmessern zur Bestimmung des
Durchflusses ausgewertet wird, ein regelmäßiger
Zusammenhang besteht. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise empirisch
durch Versuche mit einem Durchflussmesser, dessen magnetische Eigenschaften
durch ein äußeres Magnetfeld oder durch Einbringen
von magnetischen Materialien in das Messrohr gezielt verändert
werden, ermittelt und als Kennlinie in einem Speicher der Ansteuer- und
Auswerteeinrichtung des Durchflussmessers hinterlegt werden. Die
so ermittelte Kennlinie kann im späteren Messbetrieb zur
Kompensation des Einflusses von Veränderungen der magnetischen
Eigenschaften des Durchflussmessers anhand des mit der Kennlinie
beschriebenen Zusammenhangs zwischen dem ermittelten Parameter des
Stromanstiegs und dem Messwert des Durchflusses herangezogen werden.
Veränderungen der magnetischen Eigenschaften des Durchflussmessers
werden somit nicht nur erkannt, sondern die mit dem Durchflussmesser
gewonnenen Messwerte werden auch bezüglich des Einflusses
derartiger Veränderungen korrigiert. Dadurch werden die
Robustheit der Durchflussmessung gegenüber äußeren
Störungen sowie die Langzeiteigenschaften des Durchflussmessers
bezüglich seiner Messgenauigkeit erheblich verbessert.
-
Da
der Durchflussmesser selbst unter Einfluss von externen magnetischen
Feldern noch in der Lage ist, aufgrund der Kompensation genaue Messergebnisse
zu liefern, kann ein Toleranzbereich des Parameters, bei dessen
Verlassen ein Fehler durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung
wie in der
DE 199
17 268 B4 beschrieben festgestellt und gemeldet wird, wesentlich
größer als bisher festgelegt werden. In vorteilhafter
Weise wird dadurch die Verfügbarkeit des Durchflussmessers
verbessert und er ist in einer bezüglich magnetischer Felder
rauen Umgebung einsetzbar. Zudem wird der Einsatzbereich des Durchflussmessers
auf Fluide erweitert, die magnetisch sind, beispielsweise da sie
magnetische Teilchen transportieren, die das Magnetfeld im elektromagnetischen
Durchflussmesser beeinflussen. In derartigen Einsatzgebieten mussten
elektromagnetische Durchflussmesser bisher mit einer zusätzlichen
Spule zur Messung und Kompensation derartiger Einflüsse
versehen werden. Eine derartige Maßnahme, die mit einem
erheblichen zusätzlichen Aufwand verbunden war, kann nunmehr
entfallen.
-
Vorzugsweise
wird als Parameter eine Zeitspanne verwendet, die zwischen zwei
vorbestimmten Stromwerten verstreicht. Da der Anstieg des Stromes einer
vorbestimmten physikalischen Gesetzmäßigkeit genügt
und in der Regel ähnlich einer e-Funktion ist, reicht es
aus, die Anstiegszeit zwischen zwei Werten zu ermitteln, um ein
signifikantes Merkmal für die vorherrschenden magnetischen
Eigenschaften des Durchflussmessers zu gewinnen. Dieses Merkmal
bleibt, solange sich die Einsatzbedingungen des Durchflussmessers
nicht verändern, ebenfalls unverändert. Veränderungen
der Zeitspanne deuten auf geänderte Einsatzbedingungen
des Durchflussmessers hin, die ohne Kompensation zu Messfehlern
führen würden.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird als Parameter eine
Zeitspanne verwendet, die zwischen dem Umschalten der Stromrichtung
und dem Erreichen eines vorbestimmten Stromwertes verstreicht. Der
Zeitpunkt des Umschaltens ist sehr genau zu ermitteln. Man kann
beispielsweise das Umschaltsignal auch als Triggersignal für
einen Zeitzähler verwenden. Der vorbestimmte Stromwert kann
beispielsweise in der Nähe des maximalen Stromwerts liegen,
das heißt in der Nähe des Stromes, der sich im
Dauerbetrieb einstellt. Damit steht eine relativ große
Zeitspanne zur Verfügung, so dass Veränderungen
der magnetischen Eigenschaften des Durchflussmessers sich relativ
deutlich in entsprechenden Veränderungen der gemessenen
Zeitspanne äußern.
-
Wenn
der Stromwert, bei dessen Erreichen die Messung der Zeitspanne als
Parameter für den Anstieg des Stromes in der Spulenanordnung
beendet wird, derart bestimmt ist, dass die Zeitspanne im Wesentlichen
unabhängig vom elektrischen Widerstand der Spulenanordnung
ist, so hat dies den Vorteil, dass Veränderungen des Parameters
in überwiegender Weise durch die Induktivität
der Spulenanordnung verursacht werden. Die Aussagekraft des Parameters
bezüglich Veränderungen der magnetischen Eigenschaften
des Durchflussmessers wird somit weiter verbessert. Eine derartige
Vorgehensweise bei der Parameterbestimmung hat zudem den Vorteil,
dass der Einfluss von Temperaturschwankungen auf das Messergebnis
reduziert wird. Kupfer, das meist zur Wicklung von Spulen verwendet
wird, hat nämlich einen Temperaturkoeffizienten von etwa 0,4%
1°C. Zudem hat in vorteilhafter Weise die Länge
der Zuleitungskabel zur Spulenanordnung bei dieser Art der Parameterbestimmung
keinen oder lediglich geringen Einfluss auf den Parameter.
-
Bevor
die Stromrichtung in der Spulenanordnung umgeschaltet wird, befindet
sich der Durchflussmesser im Messbetrieb, in welchem der Strom in der
Spulenanordnung auf einen konstanten Wert geregelt wird. Nach dem
Umschalten der Stromrichtung wird eine konstante Spannung, eventuell
eine Boost-Spannung, an die Spulenanordnung angelegt. Bei diesem
Betrieb einer widerstandsbehafteten Spulenanordnung kann ein Stromwert
beispielsweise empirisch für einen Durchflussmessertyp
derart vorbestimmt werden, dass die Zeitspanne, wie oben beschrieben,
im Wesentlichen unabhängig vom elektrischen Widerstand
der Spulenanordnung ist. Zum Nachweis der Existenz eines derartigen
Stromwerts sei folgende Überlegung angestellt: ausgehend
von einem konstant eingeregelten Stromwert ergibt sich bei Anlegen
einer konstanten Spannung ein näherungsweise exponentieller
Verlauf des Stroms, dessen Anfangssteigung pro portional dem Quotienten R/L
ist mit R – elektrischer Widerstand und L – Induktivität
der Spulenanordnung. Der asymptotische Grenzwert, welchem sich der
Strom annähert, entspricht dem Quotienten V/R, nämlich
den Quotienten aus der angelegten Spannung V und dem elektrischen
Widerstand R der Spulenanordnung. Je größer der
Widerstand ist, desto steiler ist also die Anfangssteigung und desto
kleiner ist der asymptotische Grenzwert des Stromwerts. Bei einer
Kurvenschar derartiger exponentieller Stromverläufe, in
welcher der elektrische Widerstand als veränderlicher Parameter
verwendet wird, gibt es somit einen Schnittpunkt der Kurven für
verschiedene Widerstandswerte. Das heißt mit anderen Worten,
es gibt einen Stromwert, für welchen die Zeitspanne zwischen
Umschalten der Stromrichtung und Erreichen des Stromwerts weitgehend
unabhängig vom elektrischen Widerstand der Spulenanordnung
ist.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des elektromagnetischen
Durchflussmessers wird ein unkorrigierter Messwert des Durchflusses mit
einem Korrekturfaktor multipliziert, der dem Quotienten eines zu
einem früheren Zeitpunkt am Durchflussmesser ermittelten
Referenzwerts für die Zeitspanne und der aktuell ermittelten
Zeitspanne entspricht. Damit wird ein korrigierter Messwert des Durchflusses
berechnet, in welchem Einflüsse von Veränderungen
der magnetischen Eigenschaften des Durchflussmessers kompensiert
sind. Diese Art der Kompensation beruht auf der Erkenntnis, dass zwischen
Veränderungen der gemessenen Zeitspanne und Veränderungen
des unkorrigierten Messwerts des Durchflusses in vielen Fällen
näherungsweise ein proportionaler Zusammenhang besteht.
Eine Veränderung der gemessenen Zeitspanne wird nämlich durch
eine größere Induktivität der Spulenanordnung verursacht
und führt daher bei gleicher Stärke des durch
die Spulenanordnung fließenden Stroms zu einem entsprechend
stärkeren Magnetfeld im Messrohr. Bei gleicher Fließgeschwindigkeit
führt dies zu einer größeren Elektrodenspannung
und damit zu einem größeren unkorrigierten Messwert.
Dieser Messfehler kann daher in einfacher Weise durch Multiplikation
des unkorrigierten Messwerts mit dem Kehrwert der relativen Änderung
der Zeitspanne kompensiert werden. Diese Art der Kompensation hat
weiterhin den Vorteil, dass sie mit vergleichweise einfachen Rechenoperationen
auskommt und somit geringe Anforderungen an die Rechenleistung eines Mikroprozessors
der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung stellt. Dies wirkt sich sowohl
günstig auf die Herstellungskosten als auch auf den Energieverbrauch des
Durchflussmessers aus.
-
Anhand
der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen
und Vorteile näher erläutert.
-
Die
einzige Figur zeigt ein Prinzipschaltbild eines elektromagnetischen
Durchflussmessers.
-
Ein
Messrohr 2 wird in der Figur senkrecht zur Zeichenebene
von einem Medium durchströmt, dessen Fließgeschwindigkeit
gemessen werden soll. Senkrecht zur Strömungsrichtung ist
eine Spulenanordnung aus zwei Spulen 3, 4 angeordnet,
die ein Magnetfeld senkrecht zur Durchströmungsrichtung erzeugen,
wenn die Spulen 3, 4 von einem Strom I durchflossen
werden. Im Messrohr 2 sind Messelektroden 5, 6 und
Erdungselektroden 7, 8 vorgesehen. Die Messelektroden 5, 6 sind
so angeordnet, dass sie eine Potenzialdifferenz oder Spannung senkrecht
zur Durchströmungsrichtung und senkrecht zum Magnetfeld
erfassen. In bekannter Weise steigt die Spannung zwischen den Elektroden 5, 6 mit
zunehmender Geschwindigkeit des strömenden Mediums im Messrohr 2 und
mit zunehmender Stärke des Magnetfelds an. In einer Ansteuer-
und Auswerteeinrichtung 20 befindet sich ein Mikroprozessor
mit einem Programm, der in Abhängigkeit der an den Elektroden 5, 6 erfassten
Spannung einen Messwert für den Durchfluss durch das Messrohr 2 ermittelt
und diesen über einen Feldbus 21 an eine übergeordnete
Leitstation in einer automatisierungstechnischen Anlage zur weiteren
Verarbeitung ausgibt. Die Messelektroden 5, 6 sind
mit einem Differenzverstärker verbunden, dem ein Analog/Digital-Wandler
nachgeschaltet ist. Differenzverstärker und Wandler sind
in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht darge stellt.
Die durch den Analog/Digital-Wandler gewonnenen digitalen Werte
dienen, wie bereits oben angedeutet, in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung
zur Bestimmung eines Messwerts für den Durchfluss.
-
Die
Spulen 3, 4 sind in Reihe geschaltet und werden
durch eine Betriebsspannung 9 gespeist. Die Richtung des
Spulenstromes I wird durch eine H-Brückenschaltung mit
vier elektronischen Schaltern 10 bis 13 bestimmt,
wobei jeder Schalter von einer Freilaudiode 14 bis 17 geschützt
ist. Wenn der Strom I in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung
durch die Spulenanordnung 3, 4 fließen
soll, dann werden die Schalter 10 und 13 geschlossen.
Die Schalter 11 und 12 sind dabei geöffnet.
Wenn die Stromrichtung umgekehrt werden soll, werden die Schalter 11 und 12 geschlossen,
während die Schalter 10 und 13 geöffnet
sind. Der zeitliche Ablauf der Öffnungs- und Schließvorgänge
stellt dabei sicher, dass zu keinem Zeitpunkt mehr als zwei elektronische
Schalter geschlossen sind, so dass ein Kurzschluss der Betriebsspannung
vermieden wird. Der Spulenstrom I wird in den Messphasen durch einen
Regler in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 20 mit
Hilfe einer einstellbaren Stromquelle 18 und eines Messwiderstands 19 auf
einen konstanten Wert eingestellt.
-
Die
Steuerung der Schalter 10 bis 13 erfolgt in geeigneter
Weise durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 20, so
dass die Spulenanordnung 3, 4 mit einem Strom
von wechselnder Fließrichtung betrieben wird. Wenn die
Schalter 10 bis 13 betätigt werden, also
die Richtung des Stromes I durch die Spulenanordnung 3, 4 umgekehrt
wird, dann fängt ein Zeitzähler in der Ansteuer-
und Auswerteeinrichtung 20 an, die Zeit zu zählen
oder zu messen. Diese Zeitzählung wird so lange fortgesetzt,
bis die Spannung über dem Messwiderstand 19 einen
in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 20 vorgegebenen Vergleichswert übersteigt.
Der Vergleichswert ist derart festgelegt, dass Einflüsse
des elektrischen Widerstands der Spulenanordnung und ihrer elektrischen Zuleitungen
auf die gemessene Zeitspanne minimal sind. Die so ermittelte Zeitspanne
wird als Parameter des Anstiegs des Stromes in der Spulenanordnung 3, 4 in
der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 20 weiter verarbeitet.
Zum einen wird die Zeitspanne verglichen mit einer früher,
beispielsweise bei der Inbetriebnahme des Durchflussmessers ermittelten
Referenzzeitspanne. Im ungestörten Betrieb sollte die aktuell
ermittelte Zeitspanne innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs
um die früher ermittelte Zeitspanne liegen. Falls dies
nicht der Fall ist, deutet dies auf einen fehlerhaften oder unzulässigen
Betrieb des Durchflussmessers hin und es wird über den
Feldbus 21 eine entsprechende Fehler oder Alarmmeldung ausgegeben.
Zum anderen wird die aktuell gemessene Zeitspanne zur Kompensation
des Einflusses von Veränderungen der magnetischen Eigenschaften des
Durchflussmessers auf das Messergebnis herangezogen. Dazu ist das
Programm des Mikroprozessors in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 20 derart
ausgebildet, dass ein unkorrigierter Messwert des Durchflusses,
der dem Messwert eines herkömmlichen Durchflussmessers
entspricht, zur Bestimmung eines korrigierten Durchflussmesswerts mit
einem Korrekturfaktor multipliziert wird. Dieser Korrekturfaktor
entspricht dem Quotienten mit einem zu einem früheren Zeitpunkt
am Durchflussmesser ermittelten und in einem Speicher 22 hinterlegten
Referenzwert für die Zeitspanne im Zähler und
der aktuell ermittelten Zeitspanne im Nenner. Alternativ dazu ist
es möglich, den Korrekturfaktor anhand einer zuvor ermittelten,
empirischen Kennlinie zu bestimmen. Über den Feldbus 21 wird
der auf diese Weise korrigierte Messwert des Durchflusses ausgegeben,
der bei Veränderungen der magnetischen Eigenschaften des
Durchflussmessers aufgrund von externen magnetischen Feldern oder
aufgrund von magnetischen Materialien im Messrohr wesentlich genauer
als der unkorrigierte Messwert ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19917268
B4 [0002, 0004, 0005, 0009]