DE102011008295A1 - Magneto-inductive flow meter has internal and external electrodes arranged in pipe through which conductive medium flows, where magneto-inductive voltage generated by flow of medium is determined by short-circuit of internal electrodes - Google Patents

Magneto-inductive flow meter has internal and external electrodes arranged in pipe through which conductive medium flows, where magneto-inductive voltage generated by flow of medium is determined by short-circuit of internal electrodes Download PDF

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Abstract

The flow meter has internal electrodes (E3,E4) and external electrodes (E1,E2) that are arranged in a pipe through which an electrically conductive medium flows. The magneto-inductive voltage generated by flow of the medium is determined by short-circuit of the internal electrodes. The range of magnetic field generated by the internal and external is controlled and a permanent magnet or coil is arranged in vicinity or in the interior of the pipe for creation of the magnetic field. An independent claim is included for magneto-inductive flow measurement system.

Description

Stand der Technik:State of the art:

Das Prinzip eines magnetoinduktiven Durchflussmessgerätes (MID) mit einem permanenten Magnetfeld ist auf 1 dargestellt.The principle of a magnetoinductive flowmeter (MID) with a permanent magnetic field is on 1 shown.

Das Medium strömt durch ein Messrohr senkrecht zu der Ebene der Zeichnung.The medium flows through a measuring tube perpendicular to the plane of the drawing.

Quer zur Strömungsrichtung des Mediums wird mit Hilfe von Permanentmagneten ein Magnetfeld B erzeugt. Auf 1 verläuft das Magnetfeld senkrecht zu der Zeichnenebene.Transverse to the flow direction of the medium, a magnetic field B is generated by means of permanent magnets. On 1 The magnetic field is perpendicular to the plane of the drawing.

Durch die Bewegung des Mediums entsteht die magnetoinduktive Spannung Um, die mit Hilfe eines Elektrodenpaares gemessen wird.The movement of the medium produces the magneto-inductive voltage U m , which is measured with the aid of an electrode pair.

Für die Größe der magnetoinduktiven Spannung gilt folgende Gleichung Um = B·l·v (1)

B
ist die magnetische Induktion
l
die Breite des Messrohres
v
die Geschwindigkeit des Mediums.
The following equation applies to the magnitude of the magneto-inductive voltage U m = B · l · v (1)
B
is the magnetic induction
l
the width of the measuring tube
v
the speed of the medium.

Zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der induzierten Spannung besteht ein grundsätzlich linearer Zusammenhang.There is a basically linear relationship between the flow velocity and the induced stress.

In den meisten praktischen Anwendungen beträgt die magnetoinduktive Spannung nur wenige Millivolt.In most practical applications, the magneto-inductive voltage is only a few millivolts.

In der Praxis besteht die Spannung zwischen den Elektroden nicht nur aus der magnetoinduktiven Spannung, sie hängt auch von den elektrochemischen Spannungen der Elektroden ab.In practice, the voltage between the electrodes not only consists of the magneto-inductive voltage, it also depends on the electrochemical voltages of the electrodes.

Bisher gab es keine Möglichkeit, beide Anteile voneinander zu trennen.So far, there was no way to separate both parts of each other.

Die einzige umständliche Lösung war die Ermittlung der elektrochemischen Spannung der Elektroden in einem Eichvorgang.The only cumbersome solution was to determine the electrochemical stress of the electrodes in a calibration process.

Allerdings verändern sich die elektrochemischen Spannungen der Elektroden langsam in einer zufälligen Weise. Dazu genügt z. B. schon eine geringe Verschmutzung der Oberfläche durch Schwebepartikel.However, the electrochemical voltages of the electrodes change slowly in a random manner. This is sufficient z. B. already a slight contamination of the surface by floating particles.

Aus diesem Grund haben bisher nur MID Geräte mit einem magnetischen Wechselfeld breite kommerzielle Anwendungen gefunden. Solche Geräte werten nur die Wechselkomponente der magnetoinduktiven Spannung aus.For this reason, only MID devices with an alternating magnetic field have so far found broad commercial applications. Such devices only evaluate the alternating component of the magneto-inductive voltage.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Geräte liegt im erheblichen Energieverbrauch der zur Erzeugung des Magnetfeldes benötigten Spulen.A major disadvantage of these devices is the considerable energy consumption of the coils required to generate the magnetic field.

Das magnetische Wechselfeld induziert außerdem im Medium und im Aufbau elektrische Ströme, die das Messsignal überlagern.The alternating magnetic field also induces electrical currents in the medium and in the structure which superimpose the measurement signal.

Eine genaue Messung der magnetoinduktiven Wechselspannung erfordert daher hohen elektronischen Aufwand.An accurate measurement of the magneto-inductive AC voltage therefore requires high electronic complexity.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Gegenstand dieser Erfindung ist ein neuartiges Verfahren zur MID Durchflussmessung mit Permanentmagneten. Bei diesem Verfahren haben elektrochemische Spannungen der Elektroden praktisch keinen Einfluss auf die Genauigkeit.The subject of this invention is a novel method for MID flow measurement with permanent magnets. In this method, electrochemical voltages of the electrodes have practically no influence on the accuracy.

Das neuartige Verfahren ermöglicht die Entwicklung einer neuen Art von preisgünstigen Durchflussmessgeräten mit niedrigem Energieverbrauch und hoher Genauigkeit.The novel process enables the development of a new type of low cost, low energy, high accuracy flowmeters.

Eine erste bevorzugte Ausführung des neuen Verfahrens ist auf der 2 dargestellt.A first preferred embodiment of the new method is on 2 shown.

Es fließt ein elektrisch leitendes Medium mit einer Geschwindigkeit v durch ein Rohr aus nichtleitendem Material.An electrically conductive medium flows at a speed v through a tube of non-conductive material.

In dem Rohr sind vier voneinander isolierte Elektroden untergebracht.In the tube four insulated electrodes are housed.

Die Elektroden E1 und E2 werden weiter als äußere, und die Elektroden E3 und E4 als innere Elektroden bezeichnet.The electrodes E 1 and E 2 are further referred to as external, and the electrodes E 3 and E 4 as internal electrodes.

Der Raum zwischen den inneren und äußeren Elektroden ist durch das Medium gefüllt.The space between the inner and outer electrodes is filled by the medium.

Im Folgenden wird das Messverfahren detailliert beschrieben.In the following, the measuring method is described in detail.

Durch die Bewegung des Mediums entsteht eine magnetoinduktive Spannung Um.The movement of the medium creates a magneto-inductive voltage U m .

Zur Vereinfachung wird angenommen, dass ein wesentlicher Anteil der Spannung Um zwischen den Elektroden E3 und E4 entsteht.For simplicity, it is assumed that a substantial portion of the voltage U m between the electrodes E 3 and E 4 is formed.

Das kann z. B. durch geringen Abstand der inneren und äußeren Elektroden erreicht werden.This can z. B. be achieved by close spacing of the inner and outer electrodes.

Eine andere Lösung, die auf 2 dargestellt ist, beruht auf der Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit im Raum zwischen den äußeren und inneren Elektroden durch konstruktive Maßnahmen.Another solution that up 2 is based on the reduction of the flow velocity in the space between the outer and inner electrodes by constructive measures.

Es ist ebenso möglich, das Magnetfeld auf den Raum zwischen den inneren Elektroden zu beschränken. It is also possible to restrict the magnetic field to the space between the inner electrodes.

Im ersten Schritt wird der Schalter S1 geöffnet.In the first step, the switch S 1 is opened.

Zwischen einer Elektrode und dem Medium bildet sich eine elektrochemische Spannung, die von vielen Faktoren abhängig ist. Die dadurch entstandene Raumladung ist in der Regel auf die engste Umgebung der Elektrode beschränkt.An electrochemical voltage forms between an electrode and the medium, which depends on many factors. The resulting space charge is usually limited to the narrowest environment of the electrode.

Die elektrochemischen Spannungen der Elektroden werden entsprechend als o1, o2, o3, o4 bezeichnet.The electrochemical voltages of the electrodes are referred to as o 1 , o 2 , o 3 , o 4 respectively.

Es ist naheliegend, dass die „freischwebenden” elektrochemischen Spannungen o3, o4 der inneren Elektroden E3 und E4 keinen Einfluss auf die zwischen den äußeren Elektroden E1 und E2 gemessene Spannung U1 haben. U1 = Um + o1 – o2 (2) It is obvious that the "free-floating" electrochemical voltages o 3 , o 4 of the inner electrodes E 3 and E 4 have no influence on the voltage U 1 measured between the outer electrodes E 1 and E 2 . U 1 = U m + o 1 - o 2 (2)

Im zweiten Schritt wird der Schalter S1 geschlossen.In the second step, the switch S 1 is closed.

Dadurch werden die inneren Elektroden E3 und E4 kurzgeschlossen. Die Elektroden bilden eine gemeinsame elektrochemische Spannung gegenüber dem Medium, die sich auf die zwischen den Elektroden E1 und E2 gemessene Spannung U2 nicht auswirkt.As a result, the inner electrodes E 3 and E 4 are short-circuited. The electrodes form a common electrochemical voltage with respect to the medium, which does not affect the voltage U 2 measured between the electrodes E 1 and E 2 .

Durch den Kurzschluss beider Elektroden wird die magnetoinduktive Spannung kurzgeschlossen. U2 = o1 – o2 (3) The short circuit between the two electrodes short circuits the magnetoinductive voltage. U 2 = o 1 - o 2 (3)

Für die gesuchte magnetoinduktive Spannung gilt: Um = U1 – U2 (4) For the required magneto-inductive voltage: U m = U 1 - U 2 (4)

Auf diese Weise kann die magnetoinduktive Spannung auch ohne Kenntnis der elektrochemischen Spannungen der einzelnen Elektroden ermittelt werden.In this way, the magneto-inductive voltage can be determined without knowledge of the electrochemical voltages of the individual electrodes.

In einer praktischen Weiterführung der Erfindung ist daran gedacht, den Schalter S1 periodisch zu schalten. Zwischen den Elektroden E1 und E2 entsteht eine Wechselspannung, die störungsfrei mit einem Verstärker mit schmaler Bandbreite gemessen werden kann.In a practical continuation of the invention is thought to switch the switch S 1 periodically. Between the electrodes E 1 and E 2 , an alternating voltage is generated, which can be measured without interference with an amplifier with a narrow bandwidth.

Aus der gemessenen magnetoinduktiven Spannung kann nach Gleichung 1 die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Bereich ermittelt werden.From the measured magneto-inductive voltage according to equation 1, the flow velocity can be determined in this area.

Wenn dabei nur in einen Teil des gesamten Querschnittes erfasst wird, ist eine Umrechnung auf den gesamten Querschnitt erforderlich. Der dazu erforderliche Umrechnungsfaktor kann beispielsweise in einem Eichvorgang ermittelt werden.If only part of the entire cross-section is recorded, a conversion to the entire cross-section is required. The required conversion factor can be determined for example in a calibration process.

In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist daran gedacht, weitere zusätzliche innere Elektroden, die in der oben beschriebenen Art kurzgeschlossen werden können, zu verwenden. Die magnetoinduktive Spannung wird dann in den Teilbereichen zwischen den kurzgeschossenen Elektroden gemessen. Aus den Messwerten kann ein Strömungsprofil erstellt werden.In a further development of the invention it is envisaged to use further additional internal electrodes which can be short-circuited in the manner described above. The magnetoinductive voltage is then measured in the subregions between the shorted electrodes. From the measured values, a flow profile can be created.

Auch Anordnungen mit vier und mehr inneren Elektroden sind angedacht.Arrangements with four or more internal electrodes are also being considered.

Auf 3 ist eine Beispielanordnung mit vier inneren Elektroden dargestellt.On 3 an example arrangement with four internal electrodes is shown.

Diese Anordnung wird im Folgenden beschrieben.This arrangement will be described below.

Mit Hilfe der Schalter S1, S2 und S3 kann der Anteil der magnetoinduktiven Spannung zwischen den entsprechenden Elektroden in bereits erklärter Art ermittelt werden.With the help of the switches S 1 , S 2 and S 3 , the proportion of the magneto-inductive voltage between the corresponding electrodes can be determined in the manner already explained.

Auch andere Beschaltungen der Elektroden und Schalter als dargestellt sind möglich.Other circuits of the electrodes and switches as shown are possible.

Der Anteil der magnetoinduktiven Spannung zwischen E1 und E3, ebenso wie zwischen E2 und E6 kann nicht gemessen werden. Dieses Thema wurde bereits erläutert.The proportion of the magneto-inductive voltage between E 1 and E 3 , as well as between E 2 and E 6 can not be measured. This topic has already been explained.

Als Material für die Elektroden können prinzipiell sämtliche leitenden Werkstoffe verwendet werden. Die Elektroden können z. B. als massive Platten, oder aus elektrisch leitendem porösem Material, oder aus Geflecht gefertigt werden. Gedacht wird ebenso an die Verwendung vom elektrisch leitenden Kunststoff.In principle, all conductive materials can be used as material for the electrodes. The electrodes can z. B. as solid plates, or made of electrically conductive porous material, or made of braid. It is also thought of the use of electrically conductive plastic.

Unter Beibehaltung des beschriebenen Funktionsprinzips sind auch Anpassungen der Elektroden in Form und Lage an das Rohrprofil, zur Optimierung des Strömungswiederstandes oder zur Optimierung der Funktion möglich.While maintaining the described principle of operation, adjustments of the electrodes in shape and position to the tube profile, to optimize the flow resistance or to optimize the function are possible.

Zur Erzeugung des Magnetfeldes wird in erster Reihe aus Energiegründen an die Verwendung von Permanentmagneten gedacht. Für die Magnete können sämtliche bekannten Werkstoffe verwendet werden, z. B. AlNiCo, Ferrite, Eisen-Neodymium, oder Samarium-Cobalt.To generate the magnetic field, the use of permanent magnets is primarily intended for energy reasons. For the magnets all known materials can be used, for. AlNiCo, ferrites, iron neodymium, or samarium cobalt.

Zur Erzeugung des Magnetfeldes wird in der Regel ein aus den Magneten und magnetisch leitendem Material, z. B. aus einer Eisenlegierung, bestehendes System aufgebaut. Damit kann die Intensität und die Gleichmäßigkeit des Magnetfeldes optimiert werden.To generate the magnetic field is usually from the magnet and magnetically conductive material, eg. B. made of an iron alloy, existing system. Thus, the intensity and the uniformity of the magnetic field can be optimized.

In einigen Anwendungen kann es sinnvoll sein, die zu Erzeugung des Magnetfeldes erforderlichen Mittel innerhalb des Rohres zu unterbringen.In some applications, it may be useful to accommodate the means required to generate the magnetic field within the tube.

Auf die Art der Konstruktion eines magnetischen Systems, die einem Fachmann bekannt ist, wird hier nicht eingegangen.The type of construction of a magnetic system known to a person skilled in the art is not discussed here.

In einigen Anwendungen kann es sinnvoll werden, das Magnetfeld mit Spulen, die dauerhaft oder nach Bedarf eingeschaltet werden, zu erzeugen.In some applications, it may be useful to generate the magnetic field with coils that are turned on permanently or as needed.

Bei längerer Messung kann es im Bereich der Magnete zur Ablagerung von magnetischen Partikeln kommen.Prolonged measurement may cause the deposition of magnetic particles in the area of the magnets.

Zur Erhöhung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit wird daran gedacht, zwei oder mehr Messgeräte in die Reihe zu schalten, und die Messdaten zu vergleichen. Diese Auswertung kann genutzt werden um die einwandfreie Funktion zu erkennen.To increase accuracy and reliability, it is thought to put two or more meters in line and compare the measurement data. This evaluation can be used to recognize the proper function.

Claims (10)

Magnetoinduktives Durchflussmessverfahren und Durchflussmessgerät mit permanentem Magnetfeld dadurch gekennzeichnet, dass äußere Elektroden und mindestens zwei innere Elektroden verwendet werden, wobei die inneren Elektroden zur Ermittlung der magnetoinduktiven Spannung kurzgeschlossen werden können.Magneto-inductive flow measuring method and magnetic field with permanent magnetic field, characterized in that external electrodes and at least two inner electrodes are used, wherein the inner electrodes for determining the magneto-inductive voltage can be short-circuited. Magnetoinduktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss zur Verbesserung der Genauigkeit zwischen inneren und äußeren Elektroden verringert wird.Magnetoinductive flowmeter according to claim 1, characterized in that the flow for improving the accuracy between inner and outer electrodes is reduced. Magnetoinduktives Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld auf den Bereich zwischen inneren Elektroden beschränkt wird um die Messgenauigkeit zu erhöhen.Magnetoinductive flowmeter according to one of claims 1 to 2, characterized in that the magnetic field is limited to the area between internal electrodes in order to increase the accuracy of measurement. Magnetoinduktives Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Magnetfelder mindestens ein Permanentmagnet und, oder eine Spule entweder in der Nähe des Messrohres, oder in seinem Inneren untergebracht wird.Magnetoinductive flowmeter according to one of claims 1 to 3, characterized in that for generating the magnetic fields at least one permanent magnet and, or a coil either in the vicinity of the measuring tube, or is housed in its interior. Magnetoinduktives Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Permanentmagnet und, oder eine Spule innerhalb eines, der Erzeugung des Magnetfeldes dienenden, magnetischen Kreises, untergebracht wird.Magnetoinductive flowmeter according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one permanent magnet and, or a coil within a, the generation of the magnetic field serving, magnetic circuit is housed. Magnetoinduktives Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus massivem Material, oder aus porösem Material, oder aus Geflecht bestehen.Magnetoinductive flowmeter according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrodes of solid material, or of porous material, or consist of braid. Magnetoinduktives Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden in Form und Lage an das Rohrprofil, zur Optimierung des Strömungswiederstandes oder zur Optimierung der Funktion angepasst werden.Magnetoinductive flowmeter according to one of claims 1 to 6, characterized in that the electrodes are adapted in shape and position to the pipe profile, to optimize the flow resistance or to optimize the function. Magnetoinduktives Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messdaten ein Strömungsprofil erstellt wird.Magnetoinductive flowmeter according to one of claims 1 to 7, characterized in that a flow profile is created from the measured data. Magnetoinduktives Durchflussmesssystem, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei magnetoinduktive Durchflussmessgeräte nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in die Reihe geschaltet werden.Magnetoinductive flow measuring system, characterized in that at least two magnetoinductive flow measuring devices according to one of claims 1 to 8 are connected in series. Magnetoinduktives Durchflussmesssystem nach dem Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass bei einer wesentlichen Abweichung zwischen den einzelnen, in die Reihe geschalteten Durchflussessmessgeräten, eine Funktionsstörung angezeigt wird.Magnetoinductive flow measuring system according to claim 9, characterized in that a malfunction is displayed at a significant deviation between the individual, connected in series flow meters.
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