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Die Erfindung betrifft ein magnetisch induktives Durchflussmessgerät zum Messen eines Volumenstromes eines zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähigen Mediums durch ein bestehendes Rohrleitungssystem, mit einem Messrohr, dessen Innenraum im Messbetrieb vom Medium durchströmt wird, einem am Messrohr angeordneten magnetisch induktiven Durchflussmessaufnehmer, der eine am Messrohr montierte Vorrichtung zur Erzeugung eines das Messohr senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums durchsetzenden Magnetfelds umfasst, und der eine erste und eine zweite in das Messrohr eingesetzte Elektrode umfasst, über die im Messbetrieb eine in das Medium senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums induzierte Spannung abgreifbar ist.
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Magnetisch induktive Durchflussmessgeräte werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Volumenströmen von zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähigen Medien eingesetzt.
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Das magnetisch induktive Durchflussmessverfahren beruht auf dem magnetohydrodynamischen Prinzip, gemäß dem senkrecht zu einem Magnetfeld bewegte Ladungsträger senkrecht zu deren Bewegungsrichtung eine Spannung induzieren, deren Größe proportional zur Geschwindigkeit der Ladungsträger ist.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines handelsüblichen magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts. Im Messgerät wird ein zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähiges Medium, dessen Volumenstrom Q gemessen werden soll, durch ein Messrohr 1 geleitet, das in vertikaler Richtung im wesentlichen senkrecht zur Rohrachse von einem Magnetfeld B durchsetzt ist. Die hierdurch induzierte Spannung U bildet sich im Messrohr 1 in horizontaler Richtung senkrecht zu dem in vertikaler Richtung anliegenden Magnetfeld B und zur Durchflussrichtung aus, und wird über zwei in horizontaler Richtung einander gegenüberliegende in das Messrohr eingesetzte Messelektroden 3 abgegriffen. Diese in horizontaler Richtung einander gegenüberliegende Anordnung der beiden Messelektroden 3 ist erforderlich, um sicher zu stellen, dass beide Messelektroden 3 immer, also auch bei einem geringfügigen Absinken des Mediumsspiegels im Messrohr 1, in elektrischem Kontakt mit dem Medium stehen.
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Die induzierte Spannung U ist proportional zu einer über einen Querschnitt des Messrohres 1 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit v des Mediums, proportional zum Magnetfeld B und proportional zum Abstand d der beiden Messelektroden 3: U = cBdv wobei c eine Proportionalitätskonstante ist.
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Der zu messende Volumenstrom Q des Mediums ist gleich dem Produkt von Strömungsgeschwindigkeit v und dem Rohrquerschnitt A: Q = vA
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Magnetisch induktive Durchflussmessungen sind optimal geeignet für Anwendungen in denen das Messrohr 1 über dessen gesamte Querschnittsfläche A vollständig von dem Medium ausgefüllt ist. Ist das Messrohr 1 jedoch nur teilweise von dem Medium ausgefüllt, so treten abhängig vom Befüllungsgrad erhebliche Messfehler auf.
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Solange der Flüssigkeitsspiegel im Messrohr oberhalb der Einbauhöhe der Messelektroden 3 liegt, sind beide Messelektroden 3 benetzt und die Strömungsgeschwindigkeit v wird entsprechend der Messgenauigkeit des Messgeräts korrekt bestimmt. Der hieraus anhand des Rohrquerschnitts A abgeleitete Volumenstrom Q = vA weist jedoch zwangsläufig einen Messfehler ΔQ auf, der proportional zu der nicht vom Medium ausgefüllten Teilfläche ΔA des Rohrquerschnitts A ist. Bei einem zu zwei Dritteln befüllten Messrohr 1 würde dies einen Messfehler von 33% bedeuten.
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Die durch teilbefüllte Messrohre bedingten Messfehler könnten nur dann vermieden werden, wenn der Befüllungsgrad und damit die vom Medium ausgefüllte Querschnittfläche bekannt wäre oder gemessen werden könnte. In den meisten Anwendungen ist der aktuelle Befüllungsgrad jedoch unbekannt und kann unter Umständen sogar drastischen Schwankungen unterliegen. Grundsätzlich ist es natürlich möglich den Befüllungsgrad durch fortwährende Füllstandsmessungen zur ermitteln. Hierzu wird jedoch ein zusätzliches Füllstandsmessgerät benötigt. Hinzu kommt, dass in das Messrohr eingesetzte Füllstandsmessgeräte anhängig von deren Art und Aufbau eine Veränderung des Strömungswiderstandes bewirken können, die zu einer Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit und des Durchflusses führt.
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Liegt der Flüssigkeitsspiegel im Messrohr 1 unterhalb der Einbauhöhe der Messelektroden 3, so stehen die beiden Messelektroden nicht mehr in elektrischem Kontakt mit dem Medium. In diesem Fall ist keine Messung mehr möglich.
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Es gibt magnetisch induktive Durchflussmessgeräte, die zusätzlich zu den Messelektroden eine Überwachungselektrode aufweisen, und einen Alarm auslösen, sobald die Überwachungselektrode nicht mehr vom Medium benetzt wird. Damit wird das Problem zwar erkannt, eine Messung ist jedoch während dieser Zeit nach wie vor unmöglich.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein magnetisch induktives Durchflussmessgerät anzugeben, mit dem auch in teilbefüllten Messrohren eine sinnvolle Messung des Volumenstroms ausführbar ist, ohne dass hierzu der Befüllungsgrad bekannt sein muss oder gemessen werden muss.
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Hierzu besteht die Erfindung in einem magnetisch induktiven Durchflussmessgerät zum Messen eines Volumenstromes eines zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähigen Mediums durch ein bestehendes Rohrleitungssystem, mit
- – einem Messrohr, dessen Innenraum im Messbetrieb vom Medium durchströmt wird,
- – einem am Messrohr angeordneten magnetisch induktiven Durchflussmessaufnehmer,
- – der eine am Messrohr montierte Vorrichtung zur Erzeugung eines das Messohr senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums durchsetzenden Magnetfelds umfasst, und
- – der eine erste und eine zweite in das Messrohr eingesetzte Elektrode umfasst, über die im Messbetrieb eine in das Medium senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums induzierte Spannung abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- – die Vorrichtung derart ausgerichtet ist, dass das Magnetfeld das Messrohr in horizontaler Richtung durchsetzt,
- – die erste Elektroden in eine Unterseite des Messohrs eingesetzt ist,
- – die zweite Elektrode in eine Oberseite des Messrohr eingesetzt ist, und
- – an die zweite Elektrode ein Elektrodenfortsatz aus einem schwach elektrisch leitfähigen nicht magnetischen Material angeschlossen ist, die sich über einen oberen Teilbereich einer inneren Mantelfläche des Messrohrs zu beiden Seiten der zweiten Elektrode seitlich nach unten erstreckt und im Messbetrieb mit dem Medium in elektrischem Kontakt steht.
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Gemäß einer Weiterbildung weist der Elektrodenfortsatz eine Leitfähigkeit auf, die in der Größenordnung einer für das Medium vorgegebenen Mindestleitfähigkeit liegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der Elektrodenfortsatz aus einem elektrisch schwach leitfähigen Kunststoff, insb. aus Polyethylen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Elektrodenfortsatz flächig auf den oberen Teilbereich der inneren Mantelfläche des Messrohrs aufgebracht.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Elektrodenfortsatz eine rechteckige entsprechend der Messrohrkrümmung gekrümmte Grundfläche auf, in deren Mitte sich die zweite Elektrode befindet.
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Gemäß einer Weiterbildung erstreckt sich der Elektrodenfortsatz ausgehend von der zweiten Elektrode in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung jeweils über ein Teilsegment der inneren Mantelfläche des Messrohrs.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist der Elektrodenfortsatz netzförmig.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist das magnetisch induktive Durchflussmessgerät eine Messgerätelektronik auf, die anhand der über die erste und die zweite Elektrode abgegriffenen induzierten Spannung den Volumendurchfluss unter der Annahme bestimmt, dass
- – ein Abstand, über den die Spannung induziert wird gleich einem Abstand zwischen den beiden Elektroden ist, und
- – eine vom Medium ausgefüllte Querschnittsfläche im Messrohr gleich einer Querschnittsfläche des Messrohrs ist.
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Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung eines erfindungsgemäßen magnetisch induktiven Durchflussmessgerät gemäß dem
- – die über die erste und die zweite Elektrode abgegriffene induzierte Spannung gemessen wird, und
- – der Volumendurchfluss Q gemäß Q = 1 / cUA / Bd bestimmt wird, worin U die gemessene induzierte Spannung, A die Querschnittsfläche des Messrohrs, d ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, B eine Stärke des Magnetfelds, und c eine Proportionalitätskonstante bedeuten.
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Gemäß einer Weiterbildung des letztgenannten Verfahrens, wird die Proportionalitätskonstante in einem vorgeschalteten bei vollständig befülltem Messrohr ausgeführten Kalibrationsverfahren bestimmt.
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Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines handelsüblichen magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts; und
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes magnetisch induktives Durchflussmessgerät;
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3 zeigt: eine Grundfläche des Elektrodenfortsatzes von 1; und
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4 zeigt: das teilbefüllte Messrohr des Durchflussmessgeräts von 1.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßes magnetisch induktives Durchflussmessgerät zum Messen eines Durchflusses eines zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähigen Mediums durch ein bestehendes Rohrleitungssystem im Schnitt dargestellt. Das Medium weist eine Leitfähigkeit auf, die größer gleich einer vorgegebenen Mindestleitfähigkeit ist. Typische Werte für die Mindestleitfähigkeit liegen zwischen 5 μS/cm und 20 mS/cm.
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Das Durchflussmessgerät umfasst ein Messrohr 1, das in das bestehende Rohrleitungssystem eingesetzt wird, und dessen Innenraum im Messbetrieb vom Medium durchströmt wird. Die Strömungsrichtung verläuft parallel zur Messrohrlängsachse und weist hier in die Zeichenebene hinein.
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Am Messrohr 1 ist ein magnetisch induktiver Durchflussmessaufnehmer angebracht.
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Dieser umfasst, wie handelsübliche Messaaufnehmer auch, eine am Messrohr 1 montierte Vorrichtung 5 zur Erzeugung eines das Messohr 1 senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums durchsetzenden Magnetfelds B.
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Als Vorrichtung 5 eignen sich z. B. zwei auf einander gegenüberliegenden Seiten außenseitlich am Messrohrs 1 angebrachte von einem daran angeschlossenen Stromgenerator 9 gespeiste Feldspulen 7. Zur Erzeugung des Magnetfeldes B werden die Feldspulen 7 im Messbetrieb von einem Erregerstrom durchflossen, der die Ausbildung eines Magnetfeldes B bewirkt, das das Messrohr 1 im wesentlichen senkrecht zu dessen Messrohrlängsachse durchsetzt.
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Weiter umfasst der Messaufnehmer, wie handelsübliche Messaufnehmer auch, eine in das Messrohr 1 eingesetzte erste Elektrode 11 und eine in das Messrohr 1 eingesetzte zweite Elektrode 13. Metallische Messrohre 1 sind zur Isolation der Elektroden 11, 13 gegenüber dem Messrohr 1 mit einer – hier nicht dargestellten – nicht leitenden Schicht, z. B. aus Hartgummi oder Polyfluorethylen, ausgekleidet. Bei Messrohren 1 aus nicht leitenden Materialien, wie z. B. aus nicht leitenden Kunststoffen oder aus Keramik, ist eine solche Schicht nicht erforderlich.
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Die beiden Elektroden 11, 13 sind einander gegenüberliegend zu beiden Seiten des Messrohrs 1 derart angeordnet, dass eine gedachte Verbindungslinie zwischen den Elektroden 11, 13 senkrecht zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen den beiden Feldspulen 7 und damit senkrecht zum Magnetfeld B verläuft.
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Sie bestehen aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie z. B. einem Edelstahl, einer Chrom – Nickel Legierung, Platin, Tantal, Titan oder Zirkonium, und dienen dazu im Messbetrieb eine in das Medium senkrecht zum Magnetfeld B und senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums induzierte Spannung U abzugreifen.
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Zur Messung und zur weiteren Auswertung und/oder Verarbeitung dieser zwischen den beiden Elektroden 11, 13 bestehenden Potentialdifferenz sind die beiden Elektroden 11, 13 jeweils mit einem Eingang eines Differenzverstärkers 15 verbunden, der die Spannung U verstärkt und einer Messschaltung 17 zuführt.
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Im Unterschied zu heutigen magnetisch induktiven Durchflussmessaufnehmern ist die Vorrichtung 5 erfindungemäß derart ausgerichtet, dass das von ihr erzeugte Magnetfeld B das Messrohr 1 – wie in 2 dargestellt – in horizontaler Richtung durchsetzt, und die Elektroden 11, 13 sind einander in vertikaler Richtung gegenüberliegend angeordnet. Hierzu ist die erste Elektrode 11 in eine Unterseite des Messohrs 1 eingesetzt, und die zweite Elektrode 13 ist in eine gegenüberliegende Oberseite des Messrohrs 1 eingesetzt.
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Erfindungsgemäß ist an die zweite oben in das Messrohr 1 eingesetzte Elektrode 13 ein Elektrodenfortsatz 19 aus einem schwach elektrisch leitfähigen nicht magnetischen Material angeschlossen, der sich über einen oberen Teilbereich einer inneren Mantelfläche des Messrohrs 1 zu beiden Seiten der Elektrode 13 seitlich nach unten erstreckt, und im Messbetrieb in elektrischem Kontakt mit dem Medium steht. Vorzugsweise wird hierzu ein Material verwendet, das eine Leitfähigkeit aufweist, die in der Größenordnung der für das Medium zur Ausführung magnetisch induktiver Durchflussmessungen vorgeschriebenen Mindestleitfähigkeit liegt. Letztere liegt typischer Weise zwischen 5 μS/cm und 20 mS/cm. Hierzu wird beispielsweise ein elektrisch schwach leitfähiger Kunststoff, wie z. B. Polyethylen, verwendet.
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Da der Elektrodenfortsatz 19 aus einem nicht magnetischen Material besteht, hat er keinen Einfluss auf das Magnetfeld B.
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Die Form des Elektrodenfortsatzes 19 ist innerhalb weiter Grenzen beliebig wählbar, solange dieser sich zu beiden Seiten der Elektrode 13 nach unten erstreckt.
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Der Elektrodenfortsatz 19 ist beispielsweise flächig auf den oberen Teilbereich der inneren Mantelfläche des Messrohrs 1 aufgebracht, und symmetrisch zu beiden Seiten der zweiten Elektrode 13 ausgebildet.
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Hierzu weist der Elektrodenfortsatz 19 beispielsweise eine rechteckige entsprechend der Messrohrkrümmung gekrümmte Grundfläche auf, in deren Mitte sich die zweite Elektrode 13 befindet. Dies ist in 3 dargestellt. Dabei befindet sich die zweite Elektrode 13 im eingebauten Zustand oben im Messrohr 1 und die beiden schmalen Stirnseiten 21 des Rechtecks weisen seitlich entlang der Innenwand des Messrohrs 1 nach unten.
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Der Elektrodenfortsatz 19 weist parallel zur Messrohrlängsachse L vorzugsweise eine Breite auf, die mindestens gleich der Breite bzw. dem Durchmesser der zweiten Elektrode 13 in dieser Richtung ist. Hierdurch ist ein allseitig sicherer elektrischer Anschluss zwischen der Elektrode 13 und dem Elektrodenfortsatz 19 gegeben.
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Darüber hinaus kann der Elektrodenfortsatz 19 natürlich entlang der Messrohrlängsachse verbreitert ausgebildet werden, so dass sich der Elektrodenfortsatz 19 ausgehend von der zweiten Elektrode 13 in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung jeweils über ein Teilsegment der inneren Mantelfläche des Messrohrs erstreckt. Ein Beispiel für einen solchen breiteren Elektrodenfortsatz 19' ist in 3 gestrichelt eingezeichnet.
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Alternativ zu einem vollflächigen Elektrodenfortsatz 19, 19' kann auch eine netzförmige Struktur verwendet werden, die die entsprechende Fläche überdeckt. Ein Beispiel für einen solchen netzförmigen Elektrodenfortsatz 19'' ist in 3 als dritte Variante eingezeichnet.
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Das erfindungsgemäße magnetisch induktive Durchflussmessgerät weist den Vorteil auf, dass es auch dann noch sinnvolle Volumenstrommessungen ausführt, wenn das Messrohr 1 – wie in 4 dargestellt – nur zum Teil befüllt ist.
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Dabei wird die physikalische Gesetzmäßigkeit ausgenutzt, wonach die gemessene induzierte Spannung U nicht nur proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres 1 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit v des Mediums, und proportional zum Magnetfeld B, sondern auch proportional zum Abstand x ist, über den die anliegende Induktionsspannung abgegriffen wird. D. h. U = cB × v wobei c eine vorzugsweise in einem dem Messbetrieb vorgeschalteten Kalibrationsverfahren zu bestimmende Proportionalitätskonstante ist. Dieses Kalibrationsverfahren wird vorzugsweise bei vollständig befülltem Messrohr 1 ausgeführt. Hierdurch wird erreicht, dass eine unter Umständen bei vollem Messrohr 1 durch die geringe Leitfähigkeit des Elektrodenfortsatzes 19 auf die Messung der induzierten Spannung U ausgeübter Einfluss automatisch kompensiert wird.
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Ist das Messrohr 1 vollständig, also über dessen gesamte Querschnittsfläche A mit Medium gefüllt, so entspricht der Abstand x über den die induzierte Spannung U über die beiden Elektroden 11, 13 abgegriffen wird, dem Abstand d zwischen den beiden Elektroden 11 und 13. Es gilt: x = d.
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In diesem Fall sorgt die geringe elektrische Leitfähigkeit des in diesem Fall vollständig vom Medium benetzten Elektrodenfortsatzes 19 dafür, dass in dem von ihm eingeschlossenen oberen Teilbereich des Messrohrs 1 kein Kurzschluss über das Medium stattfindet.
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Liegt, wie in 1 dargestellt, eine Teilbefüllung vor, so ist der Abstand x ein vom Befüllungsgrad L abhängiger Abstand x = xL, der gleich dem Abstand zwischen der unteren ersten Elektrode 11 und der Füllgutoberfläche im Messrohr 1 ist. Solange zumindest ein kleiner unterer Abschnitt des Elektrodenfortsatzes 19 mit dem Medium in elektrischem Kontakt steht, liegt die zweite Elektrode 13 über den Elektrodenfortsatz 19 auf dem gleichen Potential, wie die Füllgutoberfläche. Entsprechend liegt auch hier zwischen den beiden Elektroden 11, und 13 die über den Abstand xL abfallende induzierte Spannung U an.
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Dieser elektrische Kontakt ist natürlich immer gegeben, wenn der Elektrodenfortsatz 19 in das Medium hinein reicht. Er ist aber sehr häufig auch dann noch gegen, wenn der Füllstand im Messrohr 1 unterhalb der unteren Enden des Elektrodenfortsatzes 19 liegt. Dabei reichen Mediumsspritzer oder an der Innenwand anhaftende oder daran abfließenden Mediumsreste um den elektrischen Kontakt aufrecht zu halten. Für die meisten Anwendungen ist es daher ausreichend, den Elektrodenfortsatz 19 so zu bemessen, dass er ein oberes Drittel des Messrohrs 1 umgibt.
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Die mit dem erfindungsgemäßen magnetisch induktiven Durchflussmessgerät gemessene induzierte Spannung U ist dementsprechend umso geringer, je geringer der Befüllungsgrad des Messrohres 1 ist.
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Das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät weist eine an die Messschaltung 17 angeschlossene Messgerätelektronik 23 auf, die anhand der gemessenen induzierten Spannung U den Volumendurchfluss Q berechnet. Dabei wird für die Berechnung unabhängig vom Befüllungsgrad des Messrohrs 1 Hilfsweise angenommen, dass die gemessene Induktionsspannung U über den Abstand x := d zwischen beiden Elektroden 11 und 13 abfällt, und die vom Medium ausgefüllte Querschnittsfläche A(x) = A – ΔA(x) gleich der gesamte Querschnittsfläche A des Messrohrs 1 ist.
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Damit ergibt sich eine gemessene mittlere Strömungsgeschwindigkeit v: ν = U / cBd
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Ist das Messrohr vollständig befüllt, stimmt diese mittlere Strömungsgeschwindigkeit v mit der tatsächlich vorliegenden mittleren Strömungsgeschwindigkeit über ein. Je niedriger Befüllungsgrad ist, umso stärker weicht sie von der tatsächlich vorliegenden Strömungsgeschwindigkeit nach unten ab.
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Dieser für teilbefüllte Messrohre 1 bewusst in Kauf genommene Messfehler wird bei der nachfolgenden Bestimmung des Volumendurchflusses Q weitestgehend dadurch kompensiert, dass für dessen Berechnung angenommen wird, dass die vom Medium durchströmte Querschnittsfläche A(x) gleich der gesamten Querschnittsfläche A des Messrohrs 1 ist. Unter dieser Annahme ergibt sich der messende Volumenstrom Q zu: Q = vA
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Bei vollständig vom Medium ausgefüllten Messrohren 1 sind die beiden Annahmen x = d und A(x) = A zutreffend. In diesem Fall folglich die korrekt gemessene mittlere Strömungsgeschwindigkeit v mit der tatsächlich ausgefüllten Querschnittsfläche A multipliziert. Bei teilbefüllten Messrohren 1 gilt abhängig vom Befüllungsgrad x = xL < d und A(x) = A – ΔA(xL) < A. Beide Abweichungen steigen mit fallendem Befüllungsgrad an, so dass sich die beiden aus den Abweichungen von den beiden Annahmen resultierenden Fehler bei der Bestimmung des gemessenen Volumenstroms Q weitestgehend gegenseitig kompensieren. Grund hierfür ist, dass dort eine abhängig vom Befüllungsgrad zu kleine gemessene mittlere Strömungsgeschwindigkeit v mit einer abhängig vom Befüllungsgrad zu großen Querschnittsfläche A multipliziert wird.
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Während herkömmliche magnetisch induktive Durchflussmessgeräte bei einem lediglich zu zweiten Dritteln befüllten Messrohr 1 Fehlerquoten im Bereich von 30% aufweisen, liegt die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts in der Größenordnung von 5%. Diese Messgenauigkeit ist in einer Vielzahl von Anwendungen bereits ausreichend.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messrohr
- 3
- Messelektroden
- 5
- Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds
- 7
- Feldspulen
- 9
- Stromgenerator
- 11
- erste Elektrode
- 13
- zweite Elektrode
- 15
- Differenzverstärker
- 17
- Messschaltung
- 19
- Elektrodenfortsatz
- 19'
- Elektrodenfortsatz
- 19''
- Elektrodenfortsatz
- 21
- Stirnseite
- 23
- Messgerätelektronik
