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Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zur Messung des Durchflusses eines strömenden, leitfähigen Mediums mit einem aus einem nicht leitenden Werkstoff bestehenden Messrohr, mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines das Messrohr im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Messrohrs durchsetzenden – insbesondere wechselnden – Magnetfeldes, mit zwei – insbesondere galvanisch mit dem Medium gekoppelten – Messelektroden zum Abgreifen einer in dem strömenden Medium induzierten Messspannung und mit einer Messvorrichtung zur Leerrohrerkennung, wobei die Messelektroden entlang einer senkrecht zur Längsachse des Messrohres und senkrecht zur Magnetfeldrichtung verlaufenden Verbindungslinie angeordnet sind.
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Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, deren Funktionsweise auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion (= Faraday'sche Induktion) beruht, sind seit vielen Jahren bekannt und werden in der industriellen Messtechnik umfangreich eingesetzt. Nach dem Induktionsgesetz entsteht in einem strömenden Medium, das Ladungsträger mit sich führt und durch ein Magnetfeld hindurchfließt, eine elektrische Feldstärke senkrecht zur Strömungsrichtung und senkrecht zum Magnetfeld. Das Induktionsgesetz wird bei magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten dadurch ausgenutzt, dass mittels einer Magnetfelderzeugungseinrichtung, die üblicherweise zwei bestromte Magnetspulen aufweist, ein Magnetfeld erzeugt wird, das wenigstens teilweise durch das Messrohr geführt wird, wobei das erzeugte Magnetfeld wenigstens eine Komponente aufweist, die senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft. Innerhalb des Magnetfeldes liefert jedes sich durch das Magnetfeld bewegende und eine gewisse Anzahl von Ladungsträgern aufweisenden Volumenelement des strömenden Mediums mit der in diesem Volumenelement entstehenden Feldstärke einen Beitrag zu einer über die Elektroden abgreifbaren Messspannung.
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Da die über die Elektroden abgegriffene induzierte Spannung proportional zur über den Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ist, kann aus der gemessenen Spannung bei bekanntem Durchmesser des Messrohres direkt der Volumenstrom bestimmt werden. Voraussetzung für den Einsatz eines magnetisch-induktives Durchflussmessgeräts ist lediglich eine Mindestleitfähigkeit des Mediums. Darüber hinaus muss sichergestellt sein, dass das Messrohr zumindest so weit mit dem Medium gefüllt ist, das der Pegel des Mediums oberhalb der Messelektroden liegt. Da jedoch bei nicht vollständig gefüllten Messrohren abhängig vom Befüllungsgrad ein nicht unerheblicher Messfehler auftreten kann, sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte primär für Anwendungen optimal geeignet, bei denen das Messrohr vollständig gefüllt ist. Aus diesem Grund weisen magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte in der Praxis zumeist eine Messvorrichtung zur Leerrohrerkennung auf, die dem Benutzer anzeigt, wenn der Befüllungsgrad so weit abgesunken ist, dass der ermittelte Messwert nicht mehr mit der geforderten Genauigkeit bestimmt werden kann. Dies kann beispielsweise bereits bei einem nur zu zwei Dritteln befüllten Messrohr der Fall sein, so dass die in der Praxis eingesetzten Messvorrichtungen zur ”Leerrohrerkennung” nicht erst dann ein Signal erzeugen, wenn das Messrohr tatsächlich ”leer” ist.
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Soll ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät auch dann einen Messwert anzeigen, wenn es nicht vollständig befüllt ist, so muss der Grad der Befüllung bekannt sein, damit der Messwert korrigiert werden kann. Solche Korrekturwerte und deren Bestimmung werden beispielsweise diskutiert in der
DE 196 37 716 C1 . Hierzu wird eine Prüfsignalspannung an ein erstes Paar einander gegenüber liegender Elektroden angelegt und eine dadurch an einem zweiten Paar einander gegenüber liegender Elektroden hervorgerufene Reaktionsspannung gemessen, wobei die beiden Elektrodenpaare elektrisch mit dem Medium gekoppelt sind. Aufgrund des ermittelten Verhältnisses zwischen Reaktionsspannung und Prüfsignalspannung wird ein Korrekturwert ermittelt, wobei entsprechende Korrekturwerte zuvor empirisch bestimmt und in einem Speicher abgelegt worden sind.
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Das Maß der Befüllung des Messrohres lässt sich gemäß der
DE 196 55 107 C2 auch kapazitiv ermitteln. Dabei sind die beiden Elektroden zur Messung des Durchflusses des Mediums kapazitiv mit dem Medium gekoppelt, wobei die Elektroden mit dem Medium als Dielektrikum einen Kondensator bilden. Mit Hilfe der beiden Elektroden wird dabei zum einen die in dem Medium induzierte Spannung als Maß für die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums abgegriffen, zum anderen werden die Elektroden mit einer Wechselspannung beaufschlagt und durch eine Steuer- und Auswerteschaltung die Kapazität zwischen den Elektroden als Maß für den Anteil des leitfähigen Mediums im Messrohr bestimmt.
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Auch aus der
DE 43 17 366 C2 ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bekannt, bei dem einander gegenüberliegende flächige Elektroden vorgesehen sind, die sowohl zur Bestimmung des Durchflusses als auch des Füllgrades verwendet werden. Dazu werden die Elektroden von einer Signalquelle mit einer Wechselspannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz, die vorzugsweise 15 kHz beträgt, beaufschlagt, so dass in Abhängigkeit vom Füllgrad im Messrohr ein Strom im Medium generiert wird. Aus diesem Messwert wird dann in einer Auswerteeinheit der Füllgrad ermittelt, der zur Ermittlung des Volumenstromes mit berücksichtigt wird.
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Die
DE 20 2004 009 798 U1 offenbart ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät für voll- oder teilbefüllte Messrohre, bei dem mit einem oberhalb der Messelektroden eingebauten piezoelektrischen Element im Impuls-Echo-Betrieb die Echolaufzeit im Gasraum bis zur Flüssigkeitsoberfläche bei teilgefüllten Messrohren oder bei vollgefüllten Messrohren die Echolaufzeit in der Flüssigkeit senkrecht zur Strömungsrichtung ermittelt wird. Dabei erfolgt die Füllstandsmessung bei einem teilgefüllten Messrohr mit einer niedrigen Frequenz und bei einem vollgefüllten Messrohr mit einer höheren Frequenz.
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Gemäß der
DE 10 2009 045 274 A1 wird eine Messung auch für eine teilgefüllte Messrohre dadurch ermöglicht, dass eine Magnetfelderzeugungseinrichtung derart angeordnet ist, dass das davon erzeugte Magnetfeld das Messrohr horizontal durchsetzt und eine Elektrode in der Unterseite und die andere Elektrode in der Oberseite des Messrohres angeordnet ist. Die oberhalb des Messrohrs angeordnete Elektrode weist dabei einen elektrisch leitfähigen nicht magnetischen Fortsatz auf, der sich in dem Messrohr befindet und im Messbetrieb in Verbindung mit dem Medium steht.
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Aus der
DE 10 2010 001 993 A1 ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bekannt, bei dem zusätzlich zur magnetisch-induktiven Messeinheit noch eine Temperaturmessvorrichtung vorgesehen ist, die ein metallisches Gehäuse aufweist, das mit dem Medium in Berührung steht und als Elektrode zur Messung einer Mindestleitfähigkeit dient. In Abhängigkeit vom Vorhandensein der Mindestleitfähigkeit wird dann von einer Auswerteeinheit auf einen bestimmten Befüllungsgrad geschlossen. 5
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Die
DE 93 16 008 U1 offenbart eine Anordnung zum Messen der Durchflussmenge von luftdurchsetzter Milch, bei der räumlich neben einer magnetisch-induktiven Messeinheit mit zwei Spulen und zwei Elektroden zwei weitere Elektroden zur Messung des elektrischen Leitwerts der Milch in einem Messrohr angeordnet sind.
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Außerdem offenbart die
DE 10 2008 054 432 A1 eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses eines durch ein Messrohr strömenden Mediums. Das Messrohr besteht aus einem Trägerrohr mit einer zwei Schichten aufweisenden Auskleidung, wobei zwischen den beiden Schichten eine röhrenförmige Überwachungselektrode angeordnet ist, mit deren Hilfe eine Beschädigung bzw. Erosion der Auskleidung detektiert wird.
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Im Stand der Technik werden somit teilweise unterschiedliche Messprinzipien miteinander kombiniert, um Aussagen über den Durchfluss und den Füllstand zu erhalten. Teilweise werden die Werte für Durchfluss und Füllstand auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt. Neben dem Problem, dass durch die Messung bzw. Bestimmung des Füllstandes die Messung des Durchflusses beeinflusst werden kann, insbesondere wenn die primär für die Durchflussmessung vorgesehenen Messelektroden in die Messung mit einbezogen werden, gibt es darüber hinaus das Problem, dass bei den unterschiedlichen Messprinzipien der Messwert für den Füllstand von der Leitfähigkeit des Mediums abhängt, so dass diese bekannt sein muss, um eine Aussage über den Füllstand machen zu können. Darüber hinaus kann die Messung des Füllstandes von dünnen Flüssigkeitsfilmen oder leitfähigen Anhaftungen im Bereich der Messvorrichtung beeinträchtigt werden, so dass nicht zuverlässig unterschieden werden kann, ob es sich ”nur” um eine Mediumanhaftung handelt oder eine entsprechender, ausreichend hoher Füllstand gegeben ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs in seinem grundsätzlichen Aufbau beschriebenes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät anzugeben, bei dem eine Leerrohrerkennung bzw. eine Messung des Füllstandes des Mediums im Messrohr auf möglichst einfache aber dennoch zuverlässige Weise möglich ist.
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Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Kennzeichenteils des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Messvorrichtung zur Leerrohrerkennung als Admittanzmessvorrichtung ausgebildet ist, die einen Messfühler, eine Gegenelektrode, eine Wechselsignalquelle und eine Auswerteeinheit aufweist, wobei der Messfühler eine Elektrode aufweist, die mit der Wechselsignalquelle verbunden ist, so dass die Elektrode mit einem Wechselsignal beaufschlagbar ist, wobei die Frequenz des Wechselsignals, mit dem die Elektrode beaufschlagt wird, im Bereich von etwa 50 MHz–200 MHz liegt. Die Elektrode des Messfühlers und die Gegenelektrode sind dabei flächenförmig ausgebildet und an der Außenfläche des Messrohres einander im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnet, wobei die Elektrode des Messfühlers oberhalb und die Gegenelektrode unterhalb der Längsachse des Messrohres angeordnet ist.
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Das Messprinzip der Admittanzmessvorrichtung beruht darauf, dass der veränderliche Füllstand des Mediums in dem Messrohr den Messfühler beeinflusst, nämlich die durch den Messfühler detektierbare Admittanz verändert. Der Messfühler weist eine aktive, angesteuerte Elektrode auf, wobei sich ein elektrisches Feld von der aktiven Elektrode des Messfühlers in die Umgebung, d. h. in das Messrohr erstreckt. Die Kapazität des von der aktiven Elektrode des Messfühlers, der Gegenelektrode und der veränderlichen Umgebung gebildeten Kondensators ist dabei abhängig von dem zu erfassenden Füllstand des Mediums, das sich zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode befindet.
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Wenn die Elektrode des Messfühlers von der Wechselsignalquelle mit einem Wechselsignal beaufschlagt wird, beispielsweise mit einer Wechselspannung, so ist der Messstrom, d. h. der Lade- und Endladestrom der Messkapazität, in Abhängigkeit von der veränderlichen, nämlich vom Füllstand des Mediums abhängigen Admittanz des Messfühlers abhängt. Durch Messung des sich einstellen Stroms kann auf die Admittanz des Messfühlers geschlossen werden und damit wiederum auf den Füllstand oder eine Füllstandsänderung.
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Dadurch, dass die Messfrequenz bei dem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät im Bereich von 50–200 MHz liegt, wird erreicht, dass der Messstrom und damit das Messsignal weitgehend unabhängig von der Leitfähigkeit des Mediums ist, so dass eine Veränderung der Leitfähigkeit des Mediums kaum Auswirkung auf den ermittelten Füllstand hat. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass bei Verwendung einer Frequenz des Wechselsignals im zuvor genannten hohen Megahertz-Bereich weder leitfähige Anhaftungen noch dünne Flüssigkeitsfilme an der Innenwandung des Messrohres das Messergebnis derart beeinflussen, dass ein nur teilgefülltes Messrohr mit Anhaftungen nicht von einem vollständig oder ausreichend gefüllten Messrohr sicher unterschieden werden kann.
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Dadurch, dass die Elektrode des Messfühlers und die Gegenelektrode flächenförmig ausgebildet sind, erhöht sich zum einen die Kapazität zwischen den beiden Elektroden, kann zum anderen eine hohe Sendeleistung in das Medium eingekoppelt werden, was zu einem größeren auszuwertenden Messsignal führt. Die Anordnung der aktiven Elektrode, d. h. der Elektrode des Messfühlers im oberen Bereich des Messrohres führt zu einer steilen Kennlinie des Messsignals in Abhängigkeit von der Füllhöhe, so dass das Messsignal besser ausgewertet werden kann. Dies führt dann dazu, dass mit einer hohen Genauigkeit festgestellt werden kann, ob der Füllstand des Mediums in dem Messrohr einen vorgegebenen Grenzwert unterschritten hat. Außerdem kann dadurch auch ein Schaltpunkt gewählt werden, der auch bei sich möglicherweise bildenden Luftblasen im strömenden Medium ein zuverlässiges Messsignal ermöglicht.
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Wenn zuvor ausgeführt ist, dass die Elektrode des Messfühlers oberhalb und die Gegenelektrode unterhalb der Längsachse des Messrohres angeordnet ist, so soll dies nicht bedeuten, dass sich die beiden Elektrode exakt senkrecht oberhalb bzw. unterhalb der Mittelachse des Messrohres befinden müssen. Es ist vielmehr ausreichend, wenn sich die Elektrode des Messfühlers im oberen Bereich des Messrohres befindet, wobei es gleichwohl vorteilhaft ist, wenn die Elektrode des Messfühlers möglichst im oder nahe des im Einbauzustand höchsten Punktes des Messrohres angeordnet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts ist die Gegenelektrode als Teil eines zweiten Messfühlers mit einer zweiten Wechselsignalquelle verbunden, so dass sich ein zweites elektrisches Feld von der Gegenelektrode in das Medium erstreckt. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung sind somit sowohl die Elektrode des ersten Messfühlers als auch die Gegenelektrode als aktive, angesteuerte Elektroden ausgebildet, so dass beide Elektroden jeweils ein Messsignal liefern. Dies hat zunächst den Vorteil, dass der Anwender beim Einbau des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts nicht darauf achten muss, welche der beiden Elektroden oben ist, da funktional kein Unterschied zwischen den beiden Messfühlern besteht. Da beide Elektroden als aktive Elektroden betrieben werden, ist sichergestellt, dass eine Elektrode eines Messfühlers oberhalb der Längsachse des Messrohres angeordnet ist.
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Sind gemäß der zuvor beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung beide Elektroden Teil jeweils eines Messfühlers, so sind die beiden Wechselsignalquellen vorzugsweise mit einem gemeinsamen Bezugspotential verbunden, wobei das Bezugspotential direkt oder über eine Kapazität mit einem metallischen Gehäuse des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts verbunden ist. Die Signalform der von den Wechselsignalquellen erzeugten Wechselsignale kann insbesondere sinusförmig oder rechteckförmig sein, so dass als Wechselsignalquelle beispielsweise ein Rechteck-Generator verwendet werden kann. Ein solcher Rechteck-Generator kann beispielsweise durch einen programmierbaren Logikbaustein oder einen programmierbaren Clock-Baustein realisiert sein, mit denen jeweils mehrere Sendesignale eingestellt werden können.
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Weist das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät zwei Messfühler und auch zwei Wechselsignalquellen auf, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass die beiden Messfühler nacheinander mit unterschiedlicher Phase betrieben werden. Dabei können die Messfühler sowohl gleichphasig als auch gegenphasig betrieben werden, wodurch entweder die Kapazität bzw. Admittanz zwischen den Elektroden und der Umgebung (gleichphasiger Betrieb) oder die Kapazität bzw. die Admittanz zwischen den Elektroden (gegenphasiger Betrieb) ermittelt werden kann. Darüber hinaus können die beiden Messfühler auch jeweils einzeln bzw. abwechselnd mit einem Wechselsignal beaufschlagt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts ist der erste Messfühler als Resonator ausgebildet. Weist das Durchflussmessgerät zwei Messfühler auf, so ist vorzugsweise auch der zweite Messfühler als Resonator ausgebildet. Der Messfühler ist somit selbst als ein schwingfähiges Messsystem ausgebildet, was die Unterscheidbarkeit verschiedener Füllstandszustände des Mediums weiter verbessert. Auch der als Resonator ausgebildete Messfühler ist von außen elektrisch beeinflussbar, wobei sich insbesondere die Resonanzfrequenz des Resonators durch einen sich ändernden Füllstand verändert. Die Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators hat bei unveränderter Beaufschlagung des Messfühlers mit dem Wechselsignal eine Änderung der Amplitude des Messstromes zur Folge, was ebenfalls durch die Auswerteeinheit detektiert werden kann.
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Ist bei dem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät der mindestens eine Messfühler als Resonator ausgebildet, so ist der Resonator selber vorzugsweise so ausgestaltet, dass seine Resonanzfrequenz im Megahertz-Bereich liegt, insbesondere zwischen 50 und 200 MHz beträgt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Frequenz des von der Wechselsignalquelle erzeugten Wechselsignals der Resonanzfrequenz des Resonators entspricht, so dass der Resonator mit seiner Resonanzfrequenz angeregt wird, was zu maximalen Messsignalen führt.
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Ist der Messfühler nicht als Resonator ausgebildet, so kann die Auswertung des Messsignals beispielsweise mittels des In-phase & Quadratur-Verfahrens (I&Q-Verfahren) oder durch eine Über- oder Unterabtastung durchgeführt werden.
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Um das elektrische Feld des Messfühlers bzw. der Messfühler möglichst gut in das Innere des Messrohres einkoppeln zu können, ist das Messrohr insbesondere im Bereich der Elektrode des Messfühlers und der Gegenelektrode möglichst dünnwandig ausgebildet. Die Wandstärke des Messrohres beträgt dabei weniger als 5 mm, vorzugsweise etwa 2 mm. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Stabilität und zum Schutz der außerhalb des Messrohres angeordneten Bauelemente ist das Messrohr von einem Stützgehäuse umgeben ist, das vorzugsweise aus Metall besteht. Das Messrohr selber besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff mit hoher Festigkeit. Hierfür eignen sich insbesondere entsprechende Thermoplaste, wie beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK), Perfluoralkoxylalkan (PFA), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyphenylensulfid (PPS) oder glasfaserverstärkte Kunststoffe mit einem Thermoplast als Basismaterial.
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Wenn, wie zuvor ausgeführt, das Messrohr im Bereich der Elektrode des Messfühlers und der Gegenelektrode sehr dünnwandig ausgebildet ist, so ist vorzugsweise zwischen den an der Außenfläche des Messrohres angeordneten Elektroden und der Innenwandung des das Messrohr umgebenden Stützgehäuses jeweils ein Stützkörper angeordnet. Durch die Anordnung des Stützkörpers zwischen dem dünnwandigen Bereich des Messrohres und dem Stützgehäuse wird die Druckfestigkeit des Messrohres erhöht, so dass das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät trotz des teilweise sehr dünnwandigen Messrohres auch bei hohen Drücken eingesetzt werden kann. Die Stützkörper sind dabei vorzugsweise hohlwandig ausgebildet, so dass eine möglichst gute Kopplung des elektrischen Feldes der Elektroden ins Innere des Messrohres und eine möglichst hohe Entkopplung zur äußeren Umgebung erreicht wird. Dazu besteht der Stützkörper vorzugsweise aus einem Kunststoff mit hoher Festigkeit und einer möglichst geringen Dielektrizitätszahl (DK-Wert).
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts sind die Elektrode und die Gegenelektrode der Admittanzmessvorrichtung von der Magnetfelderzeugungseinrichtung und den Messelektroden zur Durchflussmessung des Mediums räumlich getrennt, so dass die gegenseitige Beeinflussung der beiden Messsysteme möglichst gering ist. Dabei sind die Elektrode und die Gegenelektrode der Admittanzmessvorrichtung einerseits und die Magnetfelderzeugungseinrichtung andererseits vorzugsweise in Längsrichtung des Messrohres hintereinander angeordnet.
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Die Auswertung des Messsignals kann dadurch besonders einfach erfolgen, dass die Admittanzmessvorrichtung mindestens einen als Synchrongleichrichter betriebenen Diodenring mit mindestens vier seriell und gleichsinnig hintereinander geschalteten Dioden aufweist, wobei der Diodenring mittels der Wechselsignalquelle über einen ersten Einspeisepunkt und einen zweiten Einspeisepunkt mit einem Wechselsignal beaufschlagbar ist. Der erste Einspeisepunkt und der zweite Einspeisepunkt sind über jeweils zwei seriell geschaltete Dioden des Diodenrings verbunden. Der Messfühler ist dabei mit dem ersten Einspeisepunkt und die Auswerteeinheit ist mit einem ersten Messpunkt und/oder einem zweiten Messpunkt des Diodenrings verbunden, wobei der erste Messpunkt und der zweite Messpunkt jeweils über eine Diode des Diodenrings mit dem ersten Einspeisepunkt und dem zweiten Einspeisepunkt verbunden sind.
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Eine derartige Ausgestaltung einer Admittanzmessvorrichtung ist aus der
DE 10 2008 027 921 B4 bekannt, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Der als Synchrongleichrichter betriebene Diodenring, der über den ersten Einspeisepunkt sowohl mit der Wechselsignalquelle als auch mit dem Messfühler verbunden ist, bewirkt zweierlei. Zum Einen wird bewirkt, dass die eine ”negative” Halbwelle des Wechselsignals den ersten der beiden zwischen dem ersten Einspeisepunkt und dem zweiten Einspeisepunkt liegenden Diodenpfad leitend schaltet. Zum Anderen wird bewirkt, dass die andere ”positive” Halbwelle des Wechselsignals den zweiten zwischen dem ersten Einspeisepunkt und dem zweiten Einspeisepunkt liegenden Diodenpfad des Diodenrings leitend schaltet. Dies bedeutet, dass der Messstrom in dem einen Fall über den ersten Messpunkt zwischen den beiden Dioden im ersten Diodenpfad des Diodenrings abnehmbar ist, und im anderen Fall über den zweiten Messpunkt zwischen den beiden Dioden des zweiten Diodenpfades des Diodenrings abnehmbar ist. Die über die beiden Diodenpfade fließenden Messströme sind bei symmetrischem Aufbau des Diodenrings gleich und können separat oder zusammen durch die Auswerteeinheit ausgewertet werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Admittanzmessvorrichtung ist ein weiterer Resonator, nämlich ein Referenzresonator vorgesehen, der mit dem ersten Einspeisepunkt oder mit dem zweiten Einspeisepunkt verbunden ist, wobei die Resonanzfrequenz des Referenzresonators vorzugsweise von der Resonanzfrequenz des Messfühlers verschieden ist.
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Schließlich ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Auswerteeinheit als Strommessschaltung ausgebildet, wobei der erste Messpunkt des Diodenrings über einen ersten Kondensator und/oder der zweite Messpunkt des Diodenrings über einen zweiten Kondensator mit Masse verbunden ist. Vorzugsweise werden dabei die Maximalströme bzw. der Frequenzgang der Maximalströme ausgewertet.
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Gemäß einer letzten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts, die hier noch kurz erläutert werden soll, führt die Auswerteeinheit anhand des mindestens einen Messsignals eine Schwellwertentscheidung durch, aufgrund der sie ein Zustandssignal ausgibt, ob der Füllstand des Mediums in dem Messrohr ausreichend ist, um eine zuverlässige Durchflussmessung durchzuführen. Von der Auswerteeinheit wird somit kein konkreter Füllstand ausgegeben bzw. angezeigt, sondern der Benutzer des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts erhält lediglich die für ihn bei der Messung des Durchflusses entscheidende Information, ob der Füllstand des Mediums in dem Messrohr ausreichend ist, um einen zuverlässigen, mit einem entsprechend geringen Messfehler behafteten Messwert zu messen oder nicht.
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Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmessgerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts, in Seitenansicht,
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2 das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät gemäß 1 im Längsschnitt,
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3 eine Explosionsdarstellung des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts gemäß 1,
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4 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der Admittanzmessvorrichtung des Durchflussmessgeräts gemäß 1,
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5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Admittanzmessvorrichtung, und
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6 ein Ablaufdiagramm der Auswertung des Messsignals der Admittanzmessvorrichtung.
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Die 1 bis 3 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts 1 zur Messung des Durchflusses eines strömenden, leitfähigen Mediums 2 in einem Messrohr 3. Zur Messung der Strömung des Mediums 2 ist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung vorgesehen, die zwei Spulen 4 aufweist, die auf einander gegenüberliegenden Seiten von außen am Messrohr 3 angebracht sind und von einem hier nicht dargestellten Stromgenerator gespeist werden. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung bzw. die Spulen 4 erzeugen ein Magnetfeld, dass das Messrohr 3 im Wesentlichen senkrecht zu dessen Längsachse 5 durchsetzt. Darüber hinaus sind noch zwei Messelektroden 6, 7 vorgesehen, die galvanisch mit dem Medium 2 gekoppelt sind und eine in dem strömenden Medium 2 induzierte Messspannung abgreifen. Neben der hier vorgesehenen galvanischen Kopplung der Messelektroden 6, 7 mit dem Medium 2 ist grundsätzlich auch eine kapazitive Kopplung möglich.
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Neben der zuvor beschriebenen, für sich bekannten Messvorrichtung zur Messung des Durchflusses des strömenden Mediums 2 weist das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät 1 noch eine Messvorrichtung 8 zur Leerrohrerkennung auf. Diese Messvorrichtung 8 ist als Admittanzmessvorrichtung ausgebildet und weist einen Messfühler 9, mit einer Elektrode 10, eine Gegenelektrode 11, eine erste Wechselsignalquelle 12 und eine (nur in 5 schematisch dargestellt) Auswerteeinheit 13 auf.
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Wie insbesondere aus den 2 und 3 ersichtlich ist, sind die Elektrode 10 und die Gegenelektrode 11 flächenförmig ausgebildet und an der Außenfläche des Messrohrs 3 einander gegenüberliegend angeordnet, wobei die Elektrode 10 oberhalb und die Gegenelektrode 11 unterhalb der Längsachse 5 des Messrohres 3 angeordnet ist.
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Bei der in den 1 bis 3 dargestellten, bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts 1 ist nicht nur die Elektrode 10 mit einer ersten Wechselsignalquelle 12 sondern auch die Gegenelektrode 11 mit einer zweiten Wechselsignalquelle 14 verbunden, so dass beide Elektroden 10, 11 als aktive, von den jeweiligen Wechselsignalquellen 12, 14 angesteuerte Elektroden betrieben werden. Wie aus 4 ersichtlich ist, sind die beiden Wechselsignalquellen 12, 14 mit einem gemeinsamen Bezugspotential 15 verbunden, das über eine Kapazität 16 mit dem äußeren, metallischen Stützgehäuse 17 des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts 1 verbunden ist.
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Da das aus einem Thermoplast, insbesondere Polyetheretherketon (PEEK) bestehende Messrohr 3 im Bereich der Elektroden 10, 11 nur eine sehr geringe Wandstärke von wenigen Millimeter, vorzugsweise etwa 2 bis 3 mm aufweist, ist zur Gewährleistung einer ausreichenden Druckfestigkeit des Messrohrs 3 zwischen den Elektroden 10 und 11 und der Innenwandung des Stützgehäuses 17 jeweils ein hohlwandiger Stützkörper 18 angeordnet. Um die dünnen, flächenförmigen Elektroden 10, 11 vor Beschädigungen zu schützen, ist dabei zwischen den Elektroden 10, 11 und den Stützkörpern 18 jeweils noch eine Schutzmatte 19 aus einem elastischen Material, beispielsweise Gummi, angeordnet. Durch die Anordnung der Stützkörper 18, die vorzugsweise aus demselben oder einem ähnlichen Material wie das Messrohr 3 bestehen, wird nicht nur die mechanische Stabilität des Messrohrs 3 erhöht, sondern auch die Kopplung des von den Elektroden 10, 11 ausgestrahlten elektrischen Feldes in das Medium 2 erhöht. Hierzu können die hohlwandigen Stützkörper 18 beispielsweise wabenförmig ausgebildet sein.
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Aus den 2 und 3 ist darüber hinaus ersichtlich, dass die Elektrode 10 und die gegenüberliegende Gegenelektrode 11 von den beiden Spulen 4 der Magnetfelderzeugungseinrichtung und den Messelektroden 6, 7 derart räumlich getrennt sind, dass die Elektroden 10, 11 einerseits und die Spulen 4 sowie die Messelektroden 6, 7 andererseits in Längsrichtung des Messrohres 3 hintereinander angeordnet sind.
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5 zeigt ein bevorzugtes schaltungstechnisches Ausführungsbeispiel der Admittanzmessvorrichtung 8, wobei bei dieser schematischen Darstellung nur die Auswerteschaltung für den ersten Messfühler 9 dargestellt ist. Wenn die Gegenelektrode 11 Teil eines zweiten Messfühlers ist und mit einer zweiten Wechselsignalquelle 14 verbunden ist, so erfolgt die Auswertung des Messsignals des zweiten Messfühlers entsprechend der nachfolgend beschriebenen und in der 5 dargestellten Auswertung des Messsignals des ersten Messfühlers 9.
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Die Admittanzmessvorrichtung 8 weist einen als Synchrongleichrichter betriebenen Diodenring mit vier seriell und gleichsinnig hintereinander geschalteten Dioden 20, 21, 22, 23, den Messfühler 9 und eine Auswerteeinheit 13 auf. Der Diodenring ist mittels der Wechselsignalquelle 12 über einen ersten Einspeisepunkt 24 und einen zweiten Einspeisepunkt 25 mit einem Wechselsignal beaufschlagbar, wobei das Wechselsignal vorzugsweise eine rechteckige Signalform hat. Der erste Einspeisepunkt 24 liegt auf der Verbindung zwischen der Anode der ersten Diode 20 und der Katode der vierten Diode 23, während der zweite Einspeisepunkt 25 auf der Verbindung zwischen der Katode der zweiten Diode 21 und der Anode der dritten Diode 22 liegt. Die beiden Einspeisepunkte 24, 25 teilen den Diodenring somit in zwei Diodenpfade, wobei der erste Diodenpfad eine Stromführung über die erste Diode 20 und die zweite Diode 21 und der zweite Diodenpfad eine Stromführung über die dritte Diode 22 und die vierte Diode 23 zulässt. Je nach Polarität der von der Wechselsignalquelle 12 generierten Spannung wird entweder der erste Pfad des Diodenrings oder der zweite Pfad des Diodenrings leitend geschaltet.
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Wie aus 5 darüber hinaus erkennbar ist, ist der Messfühler 9 mit dem ersten Einspeisepunkt 24 des Diodenrings verbunden und die Auswerteeinheit 13 mit einen ersten Messpunkt 26 und zusätzlich mit einen zweiten Messpunkt 27 des Diodenrings verbunden. Die beiden Messpunkte 26, 27 sind dabei jeweils über eine Diode des Diodenrings von dem ersten Einspeisepunkt 24 und dem zweiten Einspeisepunkt 25 beabstandet. Neben dem als Resonator ausgebildeten ersten Messfühler 9 weist die Admittanzmessvorrichtung 8 außerdem noch einen Referenzresonator 28 auf, der vorliegend mit dem ersten Einspeisepunkt 24 des Diodenrings verbunden ist.
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Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinheit 13 als Strommessschaltung ausgestaltet, wobei der erste Messpunkt 26 des Diodenrings über einen ersten Kondensator 29 mit der Schaltungsmasse verbunden ist. Darüber hinaus ist der zweite Messpunkt 27 des Diodenrings über einen zweiten Kondensator 30 ebenfalls mit Masse verbunden, so dass die über die beiden Pfade des Diodenrings fließenden Resonatorströme die beiden Kondensatoren 29, 30 laden.
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In 6 ist ein Ablaufdiagramm der Auswerteeinheit dargestellt. Ist die von der Auswerteeinheit erfasste Resonanzfrequenz des Messfühlers kleiner als eine vorgegebene Grenzfrequenz und die Amplitude des Messsignals größer als ein unterer Grenzwert, so bedeutet dies, dass das Messrohr vollständig mit dem Medium gefüllt ist oder jedenfalls die Füllstandshöhe des Mediums ausreichend ist, um eine zuverlässige Durchflussmessung durchzuführen. Ist die Resonanzfrequenz des Messfühlers kleiner als die vorgegebene Grenzfrequenz, die Amplitude des Messsignals jedoch kleiner als ein unterer Grenzwert, so bedeutet dies, dass das Messrohr zwar gefüllt ist, jedoch gleichzeitig ein Belag an der Innenwandung des Messrohrs existiert, weil beispielsweise das Medium gewechselt worden ist und noch Anhaftungen eines vorherigen, haftfähigen Mediums vorhanden sind. Auch in diesem Fall ist jedoch eine zuverlässige Durchflussmessung möglich.
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Ist die Resonanzfrequenz des Messsignals dagegen größer als die Grenzfrequenz, so bedeutet dies zunächst, dass der Füllstand des Mediums in dem Messrohr geringer als ein unterer Grenzwert ist. Ist dabei die Amplitude des Messsignals kleiner als ein unterer Grenzwert, so befinden sich Anhaftungen an der Innenwandung des Messrohrs, während dann, wenn die Amplitude größer als ein unterer Grenzwert ist, das Messrohr leer ist. In beiden Fällen ist eine zuverlässige Durchflussmessung nicht möglich, was dem Benutzer durch ein entsprechendes Warnsignal angezeigt werden kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät 1 kann zuverlässig erkannt werden, ob der Füllstand eines durch das Messrohr 3 fließenden Mediums 2 ausreichend hoch ist, so dass eine zuverlässige Durchflussmessung durchgeführt werden kann. Die realisierte Leerrohrerkennung wird auch von dünnen Flüssigkeitsfilmen oder leitfähigen Anhaftungen im Bereich der Messvorrichtung nicht negativ beeinträchtigt. Durch die Anordnung und Ausgestaltung der Elektroden 10, 11 sowie die Verwendung einer hohen Messfrequenz im Megaherz-Bereich, vorzugsweise zwischen 50 und 200 MHz, kann ein Schaltpunkt gewählt werden, der auch bei sich möglicherweise bildenden Luftblasen im strömenden Medium 2 ein zuverlässiges Zustandssignal ermöglicht, das angibt, ob der Füllstand des Mediums 2 ausreichend ist, um eine zuverlässige Durchflussmessung durchzuführen.
