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Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte sind seit vielen Jahren bekannt. Die Funktionsweise dieser Messgeräte beruht auf dem Prinzip der magnetischen Induktion. Hierbei wird die Durchflussmenge des Mediums durch ein Messrohr unter Zuhilfenahme eines Magnetfeldes sowie zweier Messelektroden bestimmt. Das Magnetfeld durchdringt bei der Messung das Messrohr und gleichzeitig das durch das Messrohr fließende Medium. Wird ein elektrisch leitendes Medium von einem Magnetfeld senkrecht zu dessen Durchflussrichtung durchdrungen, werden die Ladungsträger im Magnetfeld senkrecht zur Durchflussrichtung und senkrecht zum Magnetfeld abgelenkt. Dabei wird eine induzierte Spannung zwischen den beiden Messelektroden induziert. Wenn diese induzierte Spannung über die Messelektroden abgegriffen wird, kann diese als Maß für die Durchflussmenge zur weiteren Auswertung herangezogen werden.
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Neben der einen Durchflussmessung kann es notwendig sein, auch die Temperatur des durchfließenden Mediums zu erfassen um Temperatureinflüsse zu kompensieren. Die Temperatur hat bekannterweise einen zum Teil erheblichen Einfluss auf die physikalisch-chemische Beschaffenheit des Mediums, was wiederum einen Einfluss auf das Messergebnis haben kann. Ist die Temperatur des Mediums bekannt, können entsprechende Korrekturfaktoren ermittelt werden, die die Messergebnisse bei unterschiedlichen Temperaturzuständen vergleichbar machen. Aus der
DE 10 2007 005 670 A1 ist beispielsweise bekannt, wie eine derartige Temperaturmessung erfolgen kann.
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Da die Durchflussmessung bei vollständig gefülltem Messrohr erfolgen sollte, ist es für den Anwender derartiger Messgeräte von Interesse, welchen Befüllungszustand das Messgerät bzw. das Messrohr momentan hat, insbesondere ob das Messrohr leer ist. Diese Information ist notwendig, um das Ergebnis zu bewerten. Der Befüllungszustand kann unter anderem über die Messung der Leitfähigkeit des Messmediums ermittelt werden. Hierzu gibt es im Stand der Technik die verschiedensten Vorschläge. Zumeist werden die Strömungselektroden in die Messung mit einbezogen, durch Abgriff oder Einkoppeln ihres spezifischen Signals. Dies ist allerdings nachteilig, da selbst ein geringer Eingriff in das Gleichgewicht, das sich an der Strömungselektrode einstellt, durch Potentialänderung dazu führt, dass eben dieses Gleichgewicht zerstört wird. Es kann eine gewisse Zeit dauern, bis es sich wieder eingestellt hat und sich wieder zuverlässige Strömungsmesswerte bestimmen lassen.
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Der Einbau einer Temperaturmessvorrichtung als auch der einer separaten Elektrode zur Leitfähigkeitsmessung des Messmediums bedingen jeweils eine entsprechende Vorkehrung am bzw. im Messrohr. Damit sind insbesondere Durchbohrungen, Sacklöcher oder dergleichen gemeint, die einen zusätzlichen Aufwand bei der Fertigung erfordern. Insbesondere bei Durchbohrungen können außerdem Dichtprobleme entstehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät anzugeben, das keine separate Elektrode zur Leitfähigkeitsmessung benötigt und bei dem der Aufwand bei der Fertigung des Messrohrs verringert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weist das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät (MID) eine Temperaturmessvorrichtung auf, die ein metallisches Gehäuse umfasst. Dieses metallische Gehäuse fungiert erfindungsgemäß als Elektrode und kann zur Messung einer elektrischen Eigenschaft des Mediums, insbesondere zur Messung einer Mindestleitfähigkeit herangezogen werden. Wenn dieses metallische Gehäuse über eine Auswerteelektronik elektrisch mit einem Bezugspotenzial – zum Beispiel eine der beiden Messelektroden, eine weitere Elektrode oder ein Masseteil – verbunden ist, kann über die Auswerteelektronik ein Signal generiert werden, das ein Maß für die Befüllung des Messrohres darstellt. Der Erfindungsgedanke beruht demnach auf der Kombination der ohnehin vorhandenen Einzelkomponenten zur Messung der Mediumstemperatur und der Messung der Leitfähigkeit des Mediums. Gleichzeitig erfolgt die Generierung des Signals zur Feststellung des Befüllungsgrades des Messrohres ohne Eingriff in die eigentliche Strömungsmessung.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeweils in Verlängerung des Messrohres eine flanschartige Anschlussvorrichtung vorgesehen ist. Diese Anschlussflansche, die an sich zur mechanischen Verbindung des Messgeräts mit einer Rohrleitung vorgesehen sind, bilden ein elektrisches Bezugspotential zur Messung der Leitfähigkeit des Mediums. Besonders vorteilhaft liegt das Bezugspotenzial auf Masse.
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Alternativ dazu wird das Bezugspotential durch eine weitere Elektrode gebildet.
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In einer weiteren alternativen Weiterentwicklung der Erfindung werden das Bezugspotential und/oder das Gehäuse der Temperaturmessvorrichtung durch einen metallischen Ring gebildet, der am bzw. Im Messrohr angeordnet ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine weitere, vorzugsweise gleichartige, Temperaturmessvorrichtung vorgesehen ist, die ebenfalls ein metallisches Gehäuse aufweist, das als Elektrode zur Messung einer elektrischen Eigenschaft des Mediums dient. Alternativ dazu könnte auch, sofern auf die nochmalige Temperaturmessung verzichtet werden könnte, lediglich eine weitere Elektrode zur Leerrohrerkennung vorgesehen sein. Die Vorteile einer dieser beiden Ausgestaltungen werden im Zusammenhang mit der Erläuterung der verschiedenen Ausführungsbeispiele näher erklärt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung besteht das Messrohr, das zumindest an seiner inneren Oberfläche zwingend aus einem nicht leitenden Werkstoff bestehen muss, aus einem Thermoplast, vorzugsweise aus Polyetheretherketon (PEEK). Vorzugsweise ist das Messrohr aber komplett aus PEEK gegossen. PEEK ist ein hochtemperaturbeständiger Kunststoff, der darüber hinaus gegen fast alle organischen und anorganischen Medien beständig ist. Auch weist dieser Werkstoff eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auf. Neben weiteren Vorteilen eignet sich PEEK insbesondere durch die genannten Eigenschaften besonders für die Auskleidung des Messrohrs. Das Messgerät kann nun auch zur Messung von aggressiven Medien mit einer hohen Temperatur verwendet werden.
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Besonders vorteilhaft wird zur Ermittlung des Befüllungszustandes, d. h. zur Ermittlung der Leitfähigkeit, die Änderung der Stromstärke ausgewertet. Damit wird ein sehr einfacher Schaltungsaufbau realisiert, da die Leitfähigkeit des Mediums einen unmittelbaren Einfluss auf den fließenden Strom hat.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Temperaturmessung durch einen NTC-Temperatursensor.
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Nachfolgend wird das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät nach der Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts,
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2 Schnittdarstellung des Durchflussmessgeräts nach 1,
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3 Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Messgeräts.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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In 1 ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 1 dargestellt, das neben einer bekannten und daher hier nicht näher gezeigten magnetisch-induktiven Messeinheit 3 im Wesentlichen aus einem Messrohr 2, zwei Anschlussflansche 4 – wobei hier aus Gründen der besseren Darstellung nur ein Flansch 4 gezeigt ist – sowie eine Temperaturmessvorrichtung 10 besteht. Die Temperaturmessvorrichtung 10 wiederum besteht aus einer Elektrode zur Leerrohrerkennung 11, einem Temperatursensor 12 und einem Kontaktierungselement 13. Die beiden Flansche 4 dienen hauptsächlich dem Anschluss des Messgeräts 1 an die jeweiligen, hier nicht gezeigten Rohrleitungen, in denen das zu messende Medium strömt. Erfindungsgemäß ist zumindest einer der beiden Anschlussflansche 4, 4a auf Masse gelegt, so dass der Stromkreis zur Elektrode 11 geschlossen wird, wenn sowohl die Elektrode 11 als auch der auf Masse liegende Flansch 4a mit dem an sich notwendigerweise leitfähigen Messmedium in Berührung kommen. D. h. über die Elektrode 11 und dem auf Masse liegenden Flansch 4a kann das prinzipielle Vorhandensein des Messmediums festgestellt werden. In der vorliegenden Abbildung befindet sich die Temperaturmessvorrichtung 10 und damit auch die Elektrode 11 an der Oberseite und damit am höchsten Punkt des Messrohrs 2, d. h. ausgehend von dem Querschnitt des Messrohrs 2 bei 0°. In dieser Ausführung kann auf einfache Weise die vollständige Befüllung des Messrohrs 2 festgestellt werden, da die Elektrode 11 nur dann mit dem Medium in Berührung kommt, wenn das Messrohr 2 vollständig gefüllt ist. Andererseits kann die Elektrode 11 auch an einer beliebigen Stelle am Messrohr 2 positioniert werden, insbesondere an den Positionen 90°, 180° und 270°, ausgehend vom Querschnitt des Messrohrs 2. Dann lässt sich bei Anordnung der Elektrode 11 am Boden des Messrohrs 2 – also bei 180° – feststellen, ob das Messrohr 2 leer ist oder nicht bzw. bei Anordnung an den Positionen 90° oder 270°, ob es halbgefüllt ist oder nicht.
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Darüber hinaus sind natürlich auch hier nicht gezeigte Kombinationen denkbar. Insbesondere könnte sich bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Messgeräts 1 eine Elektrode 11 an der – ausgehend vom Querschnitt des Messrohrs 2 – Position 0° und eine zweite Elektrode 11 an der Position 180° befinden. Die beiden Elektroden müssten auch nicht zwingend parallel zueinander bzw. gegenüberliegend angeordnet sein, sondern könnten sich vor, hinter oder im Messquerschnitt befinden. Das Messgerät wäre dann einbaulageunabhängig, da sich die beiden Elektroden 11 nicht mehr auf einer Seite des Messrohres 2 befinden. Wenn sie sich zudem noch im Messquerschnitt befinden, wird eine Messung zeitlich synchron zur Strömungsmessung möglich, somit wird vor allem ein Problem in Steig- oder Fallrohren umgangen, wo sich das Messgerät 1 in einer beliebigen Neigungslage befinden kann. Hier kann es vorkommen, dass die Strömungselektroden schon kein Medienkontakt mehr besitzen, die Leerrohrmessung jedoch noch vom Medium umschlossen ist. Wahlweise könnte darüber hinaus der Temperatursensor 12 nur mit einer Elektrode 11 eine Temperaturmessvorrichtung 10 bilden oder das Messgerät 1 umfasst entsprechend zwei Temperaturmessvorrichtungen 10, um an zwei Stellen eine Temperaturmessung durchzuführen, was bspw. aus Redundanzgründen vorteilhaft bzw. notwendig ist.
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Wenn hier allgemein von Leerrohrerkennung gesprochen wird, so ist damit nicht nur die Überwachung des tatsächlichen Leerzustands des Messrohres 2 gemeint sondern auch jede, den Befüllungsgrad des Messrohres 2 überwachende Ausführungen. Aufgrund der Tatsache, dass mit dem erfindungsgemäßen Messgerät 1 im Grunde nicht die Leitfähigkeit in S/m gemessen wird, sondern binär das Vorhandensein einer Leitfähigkeit an sich, und damit auf die Überwachung eines bestimmten Befüllungsgrades geschlossen wird, wurde die Elektrode 11 als Elektrode zur Leerrohrerkennung benannt.
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Zur einfachen elektrischen Kontaktierung der hülsenförmigen Elektrode 11 ist ein Kontaktierungselement 13 vorgesehen, da sich die direkte Kontaktierung der Elektrode 11 schwierig darstellt. Das Kontaktierungselement 13 weist eine kreisförmige Öffnung auf, deren Durchmesser nahezu dem der hülsenförmigen Elektrode 11 entspricht. Wenn die hülsenförmige Elektrode 11 durch die Öffnung des Kontaktierungselements 13 gesteckt wird, kann zwischen ihnen durch eine entsprechende Presspassung eine dauerhafte mechanische und elektrische Verbindung hergestellt werden. Das eine Ende des Kontaktierungselements 13 ist bspw. umgebogen, vorzugsweise > 180°, so dass auf einfache Weise eine abisolierte Litze in die aufgrund der Umbiegung erzeugte Durchführung eingeführt und bspw. durch Vercrimpen dauerhaft sowohl mechanisch als auch elektrisch mit dem Kontaktierungselement 13 verbunden werden kann.
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Die elektrische Verbindung der Temperaturmesseinheit 10 und des Flansches 4a ist schematisch dargestellt.
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Aus dem in 2 dargestellten Schnittbild des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts 1 ist die Temperaturmessvorrichtung 10 zu sehen. Diese besteht aus einem Temperatursensor 12, vorzugsweise einem NTC-Temperatursensor, und einem metallischen Gehäuse, das als Wärmeleiter und Schutz vor mechanischem Einflüssen, z. B. Abrasion, dient sowie den Sensor 12 vor mechanischen Einflüssen schützt und gleichzeitig als Elektrode zur Leerrohrerkennung 11 fungiert. Selbstverständlich kann auch ein PTC-Temperatursensor verwendet werden. Mit diesem erfindungsgemäßen Aufbau wird einerseits das Temperaturmesselement 12 vor äußeren, mechanischen Einflüssen geschützt und gleichzeitig als Elektrode zur Leitfähigkeitsmessung 11 verwendet. Auf diese Weise werden zwei ohnehin notwendige Elemente – Temperatursensor 12 und Elektrode zur Leerrohrerkennung 11 – miteinander kombiniert, was Vorteile in der Herstellung der Messgeräte 1 mit sich bringt.
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Zu sehen ist weiterhin, dass das Kontaktierungselement 13 eine Öffnung aufweist, durch die die hülsenförmige Elektrode 11 geführt wird. Das Kontaktierungselement 13 stellt den elektrischen Kontakt zur Elektrode 11 her und kann selbst wesentlich einfacher als die Elektrode auf verschiedene Weise, bspw. durch das zuvor beschrieben Vercrimpen, elektrisch kontaktiert werden. Auf eine Darstellung der Kontaktierung wurde aus Gründen der besseren Übersicht verzichtet.
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3 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Messgeräts 1. Vordergründig interessant ist hierbei der mittige Teil, der die Elektrode zur Leerrohrerkennung 11 und den Erdungsflansch 4a – d. h. zumindest einen der beiden Flansche 4 – zeigt. Der Mikrocontroller – hier als uC bezeichnet – liefert am dem Stromverstärker zugeordneten Ausgang „DigitalOUT” ein rechteckförmiges Signal. Ein Rechtecksignal hat sich, insbesondere was die Signalgenerierung angeht, als besonders vorteilhaft herausgestellt. Darüber hinaus ist an dem Mikrocontroller die magnetisch-induktive Messeinheit 3 angeschlossen, bestehend aus einem Spulenpaar zur Erzeugung des Magnetfeldes und die Strömungselektroden angeschlossen. Wenn das die Spulen ein Magnetfeld erzeugen und das Medium senkrecht zu diesem Magnetfeld strömt, fällt zwischen den Strömungselektroden eine Spannung ab. Diese Spannung wird einem Differenzverstärker zugeführt und anschließend über einen A/D-Wandler an die I2C-Schnittstelle des Mikrocontrollers übertragen.
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Das sich zwischen der Leerrohrelektrode 11 und dem geerdeten Flansch 4a befindliche Messmedium bildet einen Ohm'schen Widerstand, dessen Wert von der Leitfähigkeit des Mediums bzw. des Befüllungsgrades abhängig ist und der einen unmittelbaren Einfluss auf den fließenden Strom hat. Der Widerstandswert variiert, abgesehen von unterschiedlichen Medien mit verschiedenen Leitfähigkeiten, je nach Befüllungsgrad des Messrohres 2. Je größer der Luftanteil, d. h. je geringer der Befüllungsgrad des Messrohrs 2 ist, desto geringer ist die Leitfähigkeit bzw. desto größer ist der elektrische Widerstand. In einem Stromverstärker erfolgt eine Signalverstärkung, um die Änderung der Stromstärke besser auswerten zu können. Anschließend wird das verstärkte Signal einem Komparator – hier bezeichnet als Leerrohrschwelle – zugeführt. Der Komparator kann bspw. ein Schmitt-Trigger sein. Dieser gibt sein Ausgangssignal wieder an den Mikrocontroller zur weiteren Verarbeitung bzw. Auswertung zurück. Über entsprechende Schnittstellen können die Signale der Strömungselektroden und der Leerrohrerkennung an eine hier nicht gezeigte Auswerte- und/oder Anzeigeeinheit weitergegeben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
- 2
- Messrohr
- 3
- magnetisch-induktive Messeinheit
- 4
- Flansch
- 4a
- auf Masse liegender Flansch
- 10
- Temperaturmessvorrichtung
- 11
- Elektrode zur Leerrohrerkennung
- 12
- Temperatursensor
- 13
- Kontaktierungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007005670 A1 [0003]
