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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer magnetisch-induktiven
Durchflussmesseinrichtung, wobei die Durchflussmesseinrichtung mindestens
eine Spule aufweist, wobei in einem Messbetrieb mittels der Spule
ein Magnetfeld erzeugt wird, welches Magnetfeld ein Messrohr durchsetzt
und eine Messspannung in einem das Messrohr durchströmenden
zumindest geringfügig elektrisch leitfähigen Messstoff
erzeugt.
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Zudem
bezieht sich die Erfindung auf eine magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtung, mit
mindestens einem Erregerkreis, der eine Spule beinhaltet, wobei
in einem Messbetrieb ein Erregerstrom die Spule durchfließt
und ein Magnetfeld erzeugt, welches Magnetfeld ein Messrohr durchsetzt, und
eine Messspannung in einem das Messrohr durchströmenden
zumindest geringfügig elektrisch leitfähigen Messstoff
erzeugt.
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Magnetisch-induktive
Durchflussmessaufnehmer werden in der industriellen Messtechnik
zur Messung von Volumenströmen eingesetzt.
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Dabei
wird ein zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähiger
Messstoff, dessen Volumenstrom gemessen werden soll, durch ein Messrohr
geleitet, das im Wesentlichen senkrecht zur Rohrachse von einem
Magnetfeld durchsetzt ist. Das Magnetfeld wird dabei in der Regel
durch zwei einander gegenüberliegende Spulen erzeugt, zwischen denen
das Messrohr verläuft. Senkrecht zum Magnetfeldbewegte
Ladungsträger erzeugen senkrecht zu deren Durchflussrichtung
eine Spannung, die über Messelektroden abgreifbar ist.
Hierzu werden z. B. zwei Messelektroden einander gegenüberliegend
zu beiden Seiten des Messrohrs derart angeordnet, dass eine gedachte
Verbindungslinie zwischen den beiden Messelektroden senkrecht zu
einer gedachten Verbindungslinie zwischen den Spulen verläuft. Die
Messelektroden sind mit dem Messstoff entweder kapazitiv oder galvanisch gekoppelt.
Die erzeugte Spannung ist proportional zu einer über einen Querschnitt
des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des
Messstoffs und damit proportional zum Volumenstrom.
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Bei
der magnetisch-induktiven Durchflussmessung können Störungen
auftreten. Diese können zum Beispiel auf eine nicht ideale
Magnetfelderzeugung, auf einen Windungsschluss in den Spulen, z. B.
durch Korrosion oder Vibration, oder auf Fremdfelder zurückzuführen
sein. Um entsprechende Störungen erkennen zu können
wird vorzugsweise eine Funktionsüberwachung durchgeführt.
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In
der
US 6,763,729 A wird
hierzu beispielsweise ein Stromanstieg in einer Spule im Anschluss an
eine Umpolung der Spule überwacht und mit einem charakteristischen
Verlauf verglichen.
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Inder
EP 1275940 A2 ist
ein Verfahren beschrieben bei dem durch eine getrennte Ansteuerung von
zwei Spulen zeitweilig bewusst inhomogene Magnetfelder erzeugt werden.
Die Überwachung erfolgt anhand von daraus resultierenden
induzierten Spannungen, die an den Elektroden abgegriffen werden. Diese
Form der Überwachung ist jedoch nur dann einsetzbar, wenn
sich im Messrohr ein leitfähiger Messstoff befindet.
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Eine
mögliche Fehlerursache sind sehr starke externe Störfelder.
Sie bewirken, dass magnetisch relevante Werkstoffe in die Sättigung
getrieben werden. Dies führt zu einer massiven Reduktion
der Amplitude des Messsignals.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Empfindlichkeit der magnetisch-induktiven
Durchflussmessung gegenüber magnetischen Störfeldern zu
verringern.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass ein von außerhalb der Durchflussmesseinrichtung
einwirkendes und eine Störspannung in dem Messstoff erzeugendes
magnetisches Störfeld bestimmt wird, dass zur Durchflussbestimmung
eine zwischen zwei mit dem Messstoff kommunizierenden Messelektroden vorliegende
Spannung abgegriffen wird, wobei die zwischen den Messelektroden
vorliegende Spannung aus einer Überlagerung der Messspannung und
der Störspannung besteht, und dass die abgegriffene Spannung
oder eine daraus abgeleitete Größe in Abhängigkeit
von dem magnetischen Störfeld berichtigt wird.
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Von
der mindestens einen bspw. in einem Messbetrieb von einem Erregerstrom
durchflossenen Spule kann ein Magnetfeld erzeugt werden, welches Magnetfeld
das Messrohr durchsetzt und eine Messspannung erzeugt. Die mittels
der Spule in dem Messstoff erzeugte Spannung wird folglich als Messspannung
bezeichnet. Aufgrund äußerer Störeinflüsse,
wie bspw. dem magnetischen Störfeld, wie sie oftmals in
industriellen Anlagen vorhanden sind, kann ein magnetisches Störfeld
vorliegen, welches das Messrohr ebenfalls durchsetzt und eine Störspannung
in dem Messstoff erzeugt. Solche magnetischen Störfelder
entstehen bspw. in der Umgebung von Schmelzelektroden-Zuleitungen
von Elektroschmelzöfen. Die aus der Überlagerung
zwischen der Messspannung und der Störspannung in dem Messstoff
resultierende Spannung kann mittels der Messelektroden abgegriffen
werden. Diese abgegriffene Spannung oder eine daraus abgeleitete
Größe entspricht bei vorhandener Störspannung,
nicht dem korrekten Durchflusssignal, sondern ist aufgrund der von
dem magnetischen Störfeld erzeugten Störspannung
fehlerhaft. Die Bestimmung des von außerhalb der magnetisch-induktiven
Durchflussmesseinrichtung einwirkenden magnetischen Störfeldes
ermöglicht es, die abgegriffene Spannung zu berichtigen. Der
Zusammenhang zwischen der abgegriffenen Spannung und der berichtigten
Spannung in Abhängigkeit des Störfeldes kann dabei
bspw. in Form von Tabellen oder einer formelhaften Beziehung hinterlegt
sein, und mittels elektronischer Datenverarbeitung hergestellt werden.
Es kann bspw. ausreichen das bloße Vorhandensein eines
magnetischen Störfeldes zu bestimmen, um eine Berichtigung
der abgegriffenen Spannung oder einer daraus abgeleiteten Größe
durchzuführen. Alternativ kann auch eine physikalische
Eigenschaft des magnetischen Störfeldes bestimmt werden.
In Abhängigkeit von der physikalischen Eigenschaft kann
dann eine Berichtigung der abgegriffenen Spannung und/oder der daraus
abgeleiteten Größe vorgenommen werden.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin
zu sehen, dass mechanische Vorrichtungen, wie sie heutzutage zur
Abschirmung des magnetischen Störfeldes eingesetzt werden,
entfallen. Unter mechanischen Vorrichtungen sind bspw. Schirmbleche
zur Abschirmung eines äußeren magnetischen Störfeldes
zu verstehen.
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In
einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein dem Durchfluss
des Messstoffs durch das Messrohr entsprechender Messwert erzeugt.
Durch die Bestimmung des magnetischen Störfeldes kann der
tatsächliche Durchfluss durch das Messrohr bestimmt werden.
Die zwischen den Messelektroden abgegriffene Spannung kann dann
in Abhängigkeit von dem magnetischen Störfeld
berichtigt werden. Aus der berichtigten Spannung kann ein dem tatsächlichen
Durchfluss, insbesondere dem Volumendurchfluss bzw. dem Massendurchfluss,
entsprechender Messwert erzeugt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das
magnetische Störfeld mittels der Spule bestimmt. Die Spule
kann als passives oder aktives Sensorelement zur Bestimmung des
magnetischen Störfeldes verwendet werden. In dieser Ausführungsform
sind keine zusätzlichen Magnetsensoren, bspw. in der Form
von induktiven Elementen, wie z. B. zusätzliche Spulen,
die separat in der Umgebung der magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung
zur Detektion von magnetischen Störfeldern angebracht werden,
notwendig. Zudem sind die das Magnetfeld erzeugenden Spulen oftmals
bereits in der Umgebung des Messrohrs, insbesondere unmittelbar
am Messrohr, angebracht, so dass das an bzw. in dem Messrohr vorliegende
magnetische Störfeld, insbesondere die mindestens eine
physikalische Eigenschaft des magnetischen Störfeldes,
bestimmt werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird während
mindestens einer Phase, in welcher die Spule frei von einem das
Magnetfeld erzeugenden Erregerstrom ist, die Spule als Induktionsspule
zur Bestimmung des magnetischen Störfeldes verwendet. In
der Phase, in welcher die Spule als Induktionsspule verwendet wird,
wird die Spule nicht von einem ein Magnetfeld erzeugenden Erregerstrom
durchflossen, ist also frei von einem Erregerstrom. Die in die Induktionsspule
induzierte Spannung ermöglicht Rückschlüsse,
und also die Bestimmung des magnetischen Störfeldes. Die
Phase, in welcher das magnetische Störfeld mittels der
Induktionsspule bestimmt wird, kann z. B. innerhalb eines Messzyklus
oder zwischen zwei Messzyklen bei einem Betrieb mit getaktetem Gleichstrom
liegen. Alternativ kann die Spule von dem Erregerkreis getrennt
werden und als Induktionsspule verwendet werden. Zudem kann die
Leerlaufzeit zwischen Schubprozessen genutzt werden, um das magnetische
Störfeld zu bestimmen. Zudem kann ein gesonderter Diagnosebetrieb
vorgesehen sein, in welchem die Spule frei von einem das Magnetfeld
erzeugenden Erregerstrom ist und das magnetische Störfeld bestimmt
wird.
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In
einer Ausführungsform ist das magnetische Störfeld
ein Wechselfeld. Bei dem magnetischen Störfeld kann es
sich insbesondere um ein magnetisches Wechselfeld handeln. Das magnetische Wechselfeld
kann über Induktion eine Spannung in der bspw. als Induktionsspule
verwendeten Spule hervorrufen. Diese Spannung kann zur Bestimmung des
Störfeldes genutzt werden, indem bspw. der Spannungsabfall über
der Induktionsspule gemessen wird. Ersatzweise kann über
den Spannungsabfall an der Induktionsspule die Magnetfeldstärke
am Ort der Induktionsspule bestimmt werden und folglich die zwischen
den Messelektroden abgegriffene Spannung oder eine daraus abgeleitete
Größe berichtigt werden.
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In
einer Ausführungsform wird die Frequenz des magnetischen
Störfeldes bestimmt. Dies kann bspw. mittels eines separaten
Magnetsensors oder mittels der vorgeschlagenen Ausgestaltung geschehen,
in welcher vorgeschlagenen Ausgestaltung das magnetische Störfeld
mittels der Spule bestimmt wird, insbesondere in welcher vorgeschlagenen
Ausgestaltung die Spule als Induktionsspule verwendet wird. Über
die Frequenz des magnetischen Störfeldes können
Messzeitpunkte oder Messintervalle bestimmt werden, in welchen eine
Störspannung vorliegt. Die zu diesen Messzeitpunkte oder
Messintervalle abgegriffene Spannung oder die daraus abgeleitete
Größe kann dann berichtigt oder verworfen werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das
Magnetfeld im Messbetrieb mit einer Taktfrequenz erregt. Die Spule
kann bspw. mittels eines getakteten Gleichstroms betrieben werden,
d. h. das Magnetfeld wird periodisch umgepolt, sodass an den Messelektroden
zwei aufeinander folgende Messspannungen mit umgekehrten Vorzeichen
entstehen. Störspannungen die aufgrund eines konstanten
magnetischen Störfeldes entstehen, können dadurch
eliminiert werden. Andererseits können bei der Erregung
des Magnetfeldfeldes mittels eines Wechselstroms die Spulen bspw.
direkt vom Stromnetz mit einer Wechselspannung versorgt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die
Taktfrequenz des Magnetfeldes annähernd an die Frequenz
des magnetischen Störfeldes angepasst. Alternativ kann
die Taktfrequenz des von der mindestens einen Spule erzeugten Magnetfeldes,
so mit der Frequenz des magnetischen Störfeldes abgestimmt
werden, dass das Störfeld zu bestimmten Messphasen, insbesondere
außerhalb der Messphasen, oder zu bestimmten Zeitpunkten
in einer Messphase auftritt. Durch das Anpassen und/oder Abstimmen
der Frequenz des magnetischen Störfeldes an die Taktfrequenz
des Magnetfeldes kann somit der, insbesondere abträgliche,
Einfluss des magnetischen Störfeldes auf die Messsignale
verringert werden oder sogar vollständig unterbunden werden.
Unter Messsignale sind hier bspw. die zwischen den Messelektroden
abgegriffene Spannung, die aus der abgegriffenen Spannung abgeleitete
Größe sowie die von der Durchflussmesseinrichtung
erzeugten Messwerte zu verstehen. Insbesondere besteht die Möglichkeit
die Frequenz des Störfeldes so auf die Taktfrequenz des
Magnetfeldes abzustimmen, dass ein magnetisches Störfeld
mit einem Wechselfeldanteil einer Frequenz wie ein Gleichfeld erscheint.
Dies kann bspw. durch eine konstante Phasenbeziehung zwischen der
Frequenz des Magnetfeldes und der Frequenz des magnetischen Störfeldes
bewirkt werden. Wird z. B. ein getaktetes Gleichfeld als Magnetfeld
verwendet, so lassen sich dann die durch das Wechselfeld bedingten Störspannungen
rechnerisch aus der abgegriffenen Spannung eliminieren.
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In
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die
Taktfrequenz des Magnetfeldes so an die Frequenz des magnetischen
Störfeldes angepasst, dass die Taktfrequenz annähernd
einem ganzzahligen Vielfachen oder einem Teiler der Frequenz des
Störfeldes entspricht. Durch die vorgeschlagene Anpassung
der Taktfrequenz an die Frequenz des magnetischen Störfeldes
können Messungen zur Durchflussbestimmung vorgenommen werden,
die nicht von dem magnetischen Störsignal beeinflusst werden,
also ungestört sind. Die abgegriffenen Spannungen während
dieser Messzyklen sind dann nicht durch die Störspannung
verfälsch. Während der Messzyklen während
denen das magnetische Störfeld auftritt und auf die Messeinrichtung
insbesondere die abgegriffenen Spannung einwirkt, können
die Messsignale entsprechend berichtigt oder verworfen werden.
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Hinsichtlich
der magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung wird die Aufgabe
dadurch gelöst, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist,
welche dazu dient, ein magnetisches Störfeld zu bestimmen,
welches magnetische Störfeld von außerhalb der
Durchflussmesseinrichtung einwirkt und eine Störspannung
in dem Messstoff erzeugt, dass wenigstens zwei Messelektroden vorgesehen
sind, die dazu dienen, eine in dem Messstoff vorliegende Spannung
abzugreifen, welche vorliegende Spannung aus der sich überlagernden
Messspannung und Störspannung besteht, und dass die Auswerteeinheit weiterhin
dazu dient, die abgegriffene Spannung oder eine daraus abgeleitete
Größe in Abhängigkeit von dem magnetischen
Störfeld zu berichtigen.
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Der
Erregerkreis wird bspw. mit einer Spannung versorgt, die den Erregerstrom
erzeugt, welcher Erregerstrom die Spule im Messbetrieb bspw. getaktet
durchfließt und dadurch ein, insbesondere getaktetes, Magnetfeld
erzeugt. Das magnetische Störfeld kann von einer Auswerteeinheit
bestimmt werden. Bei der Auswerteeinheit kann es sich bspw. um eine
einen Magnetsensor umfassende elektrische und/oder elektronische
Schaltung handeln. Die abgegriffene Spannung kann dann in dem Fall
eines vorliegenden magnetischen Störfeldes von der Auswerteeinheit
berichtigt werden.
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In
einer Ausführungsform der Durchflussmesseinrichtung ist
mindestens ein Schalter vorgesehen, welcher dazu dient, die Spule
von dem Erregerkreis zu trennen. Bei dem Schalter kann es sich um
eine Vorrichtung zum Trennen und/oder Herstellen einer elektrischen
Verbindung handeln. Durch eine Einstellung des Schalters kann der
Betrieb der Durchflussmesseinrichtung, insbesondere der die Verwendung
der Spule, gesteuert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Durchflussmesseinrichtung
dient die Spule dazu, das magnetische Störfeld zu bestimmen,
während die Spule von dem Erregerkreis getrennt ist. Die
Spule kann als Induktionsspule verwendet werden, indem die Spule
von dem Erregerkreis getrennt wird. In die Spule kann dann aufgrund
des magnetischen Störfeldes eine Spannung induziert werden,
welche Spannung einen Rückschluss auf das magnetische Störfeld zulässt.
Die Trennung der Spule von dem Erregerkreis kann dabei in einfacher
Weise durch den erwähnten Schalter erfolgen.
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In
einer Weiterbildung der Durchflussmesseinrichtung ist das magnetische
Störfeld ein Wechselfeld, und die in die Spule induzierte
Spannung dient dazu, das magnetische Störfeld zu bestimmen. Aus
der Frequenz der in die als Induktionsspule verwendeten Spule induzierten
Spannung, kann die Frequenz oder die Magnetfeldstärke des
magnetischen Störfeldes bestimmt werden. Mittels der Frequenz und/oder
der Magnetfeldstärke des magnetischen Störfeldes
kann eine Berichtigung der zwischen den Messelektroden abgegriffenen
Spannung oder einer daraus abgeleiteten Größe
erfolgen. Insbesondere kann ein berichtigter Durchfluss-Messwert
von der Durchflussmesseinrichtung erzeugt und ausgegeben werden.
Weiterhin kann der Messbetrieb, insbesondere die Taktfrequenz mit
welcher das Magnetfeld erregt wird, an die Frequenz des magnetischen
Störfeldes angepasst werden. Dadurch kann der Einfluss des
magnetischen Störfeldes auf die zwischen den Messelektroden
während des Messbetriebs abgegriffene Spannung verringert
werden.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktionsweise
einer magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung, und
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2:
ein Ersatzschaltbild eines Erregerkreises.
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1 zeigt
eine magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtung mit einem Messrohr 1, durch
das ein wenigstens geringfügig elektrisch leitfähiger
Messstoff, insbesondere ein Fluid, dessen volumetrischer Durchfluss
bestimmt werden soll, mit der Geschwindigkeit v strömt.
Zwei Spulen 2, 3, durch die ein Erregerstrom bspw.
in Form eines Wechselstroms oder eines pulsierenden Gleichstroms
I fließt, erzeugen im Inneren des Messrohres 1 ein
Magnetfeld B. Der Abgriff der erzeugten Spannung erfolgt mittels
zwei Messelektroden 4, 5, die in die Wandung des
Messrohrs 1 elektrisch gegenüber dem Messrohr
isoliert angebracht sind. Das Messrohr 1 weist eine Auskleidung 6 aus
Kunststoff und ein Trägerrohr 7 auf. Die Auskleidung
hat die Funktion, das metallische Trägerrohr 7 vom
elektrisch leitfähigen Messstoff u. a. elektrisch zu isolieren.
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2 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung.
Der in 2 gezeigte Erregerkreis besteht im Wesentlichen
aus einer in einem Messbetrieb das Magnetfeld B erzeugenden Spule
L. Der Erregerkreis kann mit einer Versorgungsspannung U+ gegenüber
der Masse GND versorgt werden. Weiterhin weist der Erregerkreis
einen ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Schalter
SI, SN, S1, S2, S3, S4 auf. Der erste Schalter SI dient dabei zur
Unterbrechung des Erreger- bzw. Versorgungskreises, während
der zweite Schalter SN dazu dient, den Diagnosekreis zu schließen. Wird
die Spule L zur Erzeugung eines Magnetfeldes verwendet, so ist der
erste Schalter SI geschlossen und der zweite Schalter SN unterbricht
den Kurzschlusszweig zwischen Stromein- und Stromausgang, so dass
die Spule L von dem Erregerstrom I durchflossen wird.
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Der
dritte, vierte, fünfte und sechste Schalter S1, S2, S3,
S4 dienen dazu, die Richtung des Stromflusses durch die Spule zu
steuern. Sind der dritte Schalter S1 und der vierte Schalter S2
geschlossen und der fünfte Schalter S3 und der sechste
Schalter S4 geöffnet, so wird in dem Fall, dass die Spule
von einem Erregerstrom durchflossen wird, ein Magnetfeld B mit einer
Polarität erzeugt. Sind hingegen der dritte Schalter S1
und der vierte Schalter S2 geöffnet und der fünfte
Schalter S3 und der sechste Schalter S4 geschlossen, so wird die
Spule L in entgegengesetzter Richtung von dem Erregerstrom I durchflossen
und es entsteht ein Magnetfeld B umgekehrter Polarität
erzeugt. Die Spule L dient dabei als Spule L zur Erzeugung eines
das Messrohr 1 durchsetzenden Magnetfelds B.
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Die
Spule L wird bspw. während eines Diagnosebetriebs als Induktionsspule
verwendet. Der Schalter S1 unterbricht dann den Erregerkreis, während
der Schalter SN den Kurzschlusszweig schließt und so eine
Messung der über der Spule L abfallenden Spannung ermöglicht.
Um die über der Spule L abfallende Spannung, welche durch
ein vorliegendes magnetisches Störfeld induziert wird,
zu messen, ist ein Messwiderstand R vorgesehen. Die über
dem Messwiderstand R abfallende Spannung wird gemessen und zur kann
Berichtigung der abgegriffenen Messspannung verwendet werden.
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Die
Spule kann über einen Kern aus einem geeigneten, insbesondere
ferromagnetischen, Material, verfügen.
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- 1
- Messrohr
- 2
- Spule
- 3
- Spule
- 4
- Messelektrode
- 5
- Messelektrode
- 6
- Auskleidung
- 7
- Trägerrohr
- I
- Erregerstrom
- B
- Magnetfeld
- v
- (Durchfluss-)Geschwindigkeit
- U+
- Versorgungsspannung
- GND
- Masse
- SI
- Erster
Widerstand
- SN
- Zweiter
Widerstand
- S1
- Dritter
Widerstand
- S2
- Vierter
Widerstand
- S3
- Fünfter
Widerstand
- S4
- Sechster
Widerstand
- R
- Messwiderstand
- L
- Spule
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6763729
A [0006]
- - EP 1275940 A2 [0007]