DE102013012616B4

DE102013012616B4 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Massen- oder Volumenstromes eines elektrisch leitfähigen Fluids

Info

Publication number: DE102013012616B4
Application number: DE102013012616.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fröhlich; André Thess
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2033-07-24
Also published as: DE102013012616A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Massen- oder Volumenstromes (v1) eines elektrisch leitfähigen Fluids vorgeschlagen, bei welchen am Ort der Strömung ein Magnetfeld erzeugt wird und eine aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und dem Massen- oder Volumenstrom (v1) entstehende erste Kraft- oder Momentkomponente oder die Auslenkung eines leicht beweglich, reibungsarm und rückstellkräftefrei gelagerten Magnetsystems erfasst wird und die durch den Massen- oder Volumenstrom (v1) im Magnetfeld verursachte erste Kraft- oder Momentkomponente mit der durch einen elektrischen Strom durch einen zusätzlich im Magnetfeld befindlichen, ortsfest angeordneten elektrischen Leiter bewirkte zweite Kraft- oder Momentkomponente überlagert und kompensiert wird und aus der Stromstärke der Massen- oder Volumenstrom des zu messenden Fluids ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Massen- oder Volumenstromes (nachfolgend auch als Durchfluss bezeichnet) eines elektrisch leitfähigen Fluids mittels Lorentzkraftkompensation.
Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit durch herkömmliche Messverfahren wie Flügelräder, Pitotrohre und dergleichen, ist in Metall-, Halbleiter- und Glasschmelzen nicht möglich, weil Erosion zur Zerstörung der Messsensoren führt. Aus DE 10 2009 006 733 A1 und DE 00001961281 A1 sind spezielle Formen magnetisch induktiver Durchflussmesser bekannt. Magnetisch induktive Durchflussmesser zur Messung elektrisch leitfähiger Fluide benötigen immer Elektroden, die in Kontakt zum Medium stehen. Die Elektroden werden durch aggressive Medien unerwünscht beeinflusst. Deshalb werden für Hochtemperaturschmelzen berührungslose elektromagnetische Strömungsmessverfahren verwendet.
DE 10 2009 057 861 A1 beschreibt, wie durch die Durchflussmessung in zwei Überströmrohren die Regeldynamik der Füllhöhenregelung und der Gießgeschwindigkeit für flüssige Metallschmelzen beim Überströmen von einem in ein weiteres Gefäß und aus diesem in die Kokille verbessert werden kann. Die Funktionsweise der zwei getrennt und unabhängig ausgeführten Durchflussmessgeräte wird offengehalten, jedoch auch auf die Möglichkeit der Messung mittels Lorentzkraftanemometern nach WO 2007/033982 A1 hingewiesen. Ein berührungsloses elektromagnetisches Messverfahren namens Lorentzkraft-Anemometrie wird in DE 10 2005 046 910 B4 beschrieben. Das Verfahren dient der berührungslosen Inspektion von in Rohren oder Rinnen bewegten elektrisch leitfähigen Substanzen. Es beruht auf der Erzeugung eines Magnetfeldes am Ort der Strömung durch ein Magnetsystem und auf der Messung der durch die Strömung auf das Magnetsystem einwirkenden Lorentzkraft. Mit Hilfe eines flexibel einsetzbaren Magnetsystems wird in die zu inspizierende Substanz ein magnetisches Primärfeld eingekoppelt und mit einem geeigneten Messsystem die aufgrund der Relativbewegung zwischen dem magnetischen Primärfeld und der zu inspizierenden Substanz entstehenden und auf das Magnetsystem wirkenden Kraft- und Momentkomponenten erfasst. Als eine bevorzugte Ausführungsform dieses Verfahrens wird in Anspruch 7 sowie 3(a) und 3(b) offenbart, dass mit einer Spule, die am Magnetsystem befestigt ist, die Stärke des magnetischen Primärfeldes durch Änderung des Stromes durch die Spule verändert wird. Die Orientierung der Spule muss hierfür so sein, dass die Feldlinien des vom Strom erzeugten magnetischen Feldes in der gleichen Richtung wie das, durch den Dauermagneten erzeugte und die magnetischen Flussleiter geführte, ursprüngliche Primärfeld verlaufen. Das gelingt nur, wenn die Spule am Magnetsystem, also an der beweglichen Seite des kraftmessenden Systems befestigt ist (siehe dazu Absatz [0029]). Die Modulation des Primärfeldes erzeugt jedoch keine kompensierende Lorentzkraft. Zwar gibt es auch eine bestimmte Stromstärke, bei der das Primärfeld genau aufgehoben wird, und somit das mit der zu messenden leitfähigen Flüssigkeit wechselwirkende Feld also verschwindet und die resultierende Lorentzkraft Null ist. Das gilt dann aber für alle Strömungsgeschwindigkeiten des Fluides gleichermaßen. Der Strom durch die Spule ist also kein Maß für den zu bestimmenden Durchfluss.
Analoge Verfahren sind in JP 000S57199917 A , WO 2000/58695 A1 , JP 000H07181195 A und DE 10 2007 046 881 A1 angegeben.
In DE 10 2011 114 506 A1 wird beschrieben, dass es bei diesen Verfahren nachteilig ist, dass das Messsignal der resultierenden Lorentzkraft in Form der gemessenen Kraft- und Momentkomponenten nicht nur von der Geschwindigkeit, sondern auch von der Magnetfeldstärke abhängt. Wenn sich die Magnetfeldstärke auf Grund von Temperaturvariationen oder Alterungserscheinungen des Magnetmaterials ändert, entstehen Messfehler. Weiterhin muss die Strömungsmessung häufig in Anwesenheit bereits vorhandener äußerer Magnetfelder „Störfelder” erfolgen. Dies ist beispielsweise bei der Strömungsmessung in flüssigem Aluminium in einer Aluminiumreduktionszelle der Fall. Die Messung mittels Lorentzkraft-Anemometrie wird dadurch erschwert, dass in der Aluminiumreduktionszelle ein magnetisches Gleichfeld von der Größenordnung 0,1 Tesla herrscht, welches eine starke geschwindigkeitsunabhängige Anziehungskraft auf das Magnetsystem eines Lorentzkraft-Anemometers ausüben und eine Messung verfälschen würde. Deshalb wird in DE 10 2011 114 506 A1 vorgeschlagen, die zu messende Strömung mit einem zweiten bekannten Durchfluss v₂ eines einfach handhabbaren elektrisch leitfähigen Fluides oder eines bewegten elektrisch leitfähigen Festkörpers bekannter Geschwindigkeit zu überlagern und damit gezielt die Lorentzkraft zu verändern oder durch eine Regelung auf Null einzustellen. Nachteilig an der dort vorgeschlagen Vorrichtung ist es, dass mechanisch bewegliche Teile, Rohre sowie Antriebe oder Pumpen nötig sind. Weiterhin ist nachteilig, dass die Kompensationssignale – also der zweite Durchfluss oder die Geschwindigkeit des bewegten leitfähigen Festkörpers – nicht einfach zu messen sind und zweckmäßigerweise eine Umwandlung in ein elektrisches Signal erfolgen muss und dass die Regelung eines Durchflusses oder einer Geschwindigkeit immer mit einer gewissen Trägheit verbunden ist, so dass die Dynamik mit der die Kompensation einer Durchflussänderung folgen kann eingeschränkt ist.
Weiterhin wird in DE 10 2007 046 881 A1 zur Beseitigung der störenden äußeren Fremdmagnetfelder ein zusätzlich angebrachtes Helmholtz-Spulenpaar vorgeschlagen. Im Inneren des Spulenpaares sollen vorhandene äußere Fremdmagnetfelder kompensiert werden (Ansprüche 3, 4 und 5). Eine Verwendung der Spulen, um die durch den zu messenden Durchfluss entstehende Lorentzkraft zu kompensieren, wird dort nicht erwähnt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen der Massen oder Volumenstrom eines elektrisch leitfähigen Fluids durch Kompensation der Lorentzkraft auf einfache Art und Weise ermittelt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist und mit einer Vorrichtung, welche die in Anspruch 5 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der zu messende unbekannte Durchfluss (Massen- oder Volumenstrom) v₁ wird einem von einem Magnetsystem erzeugten Magnetfeld ausgesetzt, so dass auf das Magnetsystem eine zum Durchfluss proportionale Lorentzkraft wirkt. Um diese Lorentzkraft zu kompensieren, wird ein elektrischer Leiter (zum Beispiel in Form einer Spule) in der Nähe des Magnetsystems so platziert, ortsfest angebracht und weiterhin so orientiert, dass die Richtung des Stromes durch diesen Leiter senkrecht zur Fließrichtung des Fluids und senkrecht zum Magnetfeld ist und das Magnetfeld mit dem Strom im Leiter wechselwirken kann. Wird dieser Leiter mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, so wirkt auf das Magnetsystem eine zusätzliche Lorentzkraft, die durch Regelung der Stromstärke auf einen bestimmten Wert eingestellt werden kann. Sie kann insbesondere auch so eingestellt werden, dass sie die durch den Durchfluss v₁ entstehende Lorentzkraft kompensiert. Dafür muss der elektrische Strom so geregelt werden, dass das von der Auswerteeinrichtung erfasste Messsignal der Lorentzkraftmessung Null wird. Die elektrische Stromstärke kann sehr einfach durch eine Regelung eingestellt werden und ist auch sehr einfach messbar. Dem Fachmann sind Verfahren zur Erzeugung, Regelung und Messung eines elektrischen Stromes bekannt.
Eine vorteilhafte Form des ortsfesten Leiters ist eine ortsfeste Spule, weil hier die Kompensationskraft bei gleichem Strom höher ist. Ist die durch den zu messenden Durchfluss verursachte Lorentzkraft sehr klein, weil beispielsweise kleine Geschwindigkeiten oder Fluide kleiner Leitfähigkeit vorliegen, kann aber durchaus die Verwendung eines einzelnen Leiterstückes vorteilhafter sein, als eine Spule. Die konkrete Auslegung kann so erfolgen, dass der der maximalen Lorentzkraft entsprechende Strom einfach messbar ist. Dem Fachmann sind die Berechnungsformeln geläufig, um die Höhe der kompensierenden Kraft als Funktion der Stromstärke, der Geometrie und des Magnetfeldes zu berechnen und um umgekehrt eine möglichst günstige Geometrie für den Leiter auszuwählen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist es, den Leiter direkt an dem durchströmten Rohr oder der durchflossenen Rinne zu befestigen oder als Teil des Rohres oder der Rinne auszuführen. Damit ist die räumliche Zuordnung stabil. Die Durchflussmessung des möglicherweise aggressiven Mediums wird somit auf die Messung eines elektrischen Stromes durch einen Leiter außerhalb des Fluids zurückgeführt.
Aus der elektrischen Stromstärke und der gemessenen Lorentzkraft wird der gesuchte Durchfluss mittels einer Berechnung in einer hierfür vorgesehenen Auswerteeinheit bestimmt. Die Berechnungsvorschrift verwendet die erfasste Kraft- oder Momentkomponente und den Strom durch den elektrischen Leiter und benötigt weiterhin aufbauabhängige Kalibrierkonstanten, um hieraus den gesuchten Durchfluss zu berechnen. Wird durch die Auswerteeinheit der elektrische Strom so geregelt, dass die erfasste Lorentzkraftkomponente Null ist, ist die Stromstärke ein direktes Maß für den zu messenden Durchfluss, weil sie proportional zur Lorentzkraft ist, die durch den Durchfluss erzeugt wird.
Die elektrische Stromstärke kann auch zur Ermittlung der Kennlinie des Lorentzkraft-Anemometers verwendet werden, indem bei bekanntem Eingangssignal, also den aktuellen Durchfluss, die Größe des Ausgangssignals der Lorentzkraftmessung bestimmt wird. Das kann an beliebig vielen Punkten auf der Kennlinie erfolgen. Für eine lineare Kennlinie sind mindestens zwei Punkte nötig.
In „A universal noncontact flowmeter for liquids” in Appl. Phys. Lett. 100, 194103 (2012); wird ein Lorentzkraftanamometer für sehr kleine Leitfähigkeiten des zu messenden Fluids beschrieben. Dabei hängt das messende Magnetsystem an dünnen Drähten, und die sehr kleinen Kräfte werden als Auslenkung des indirekten Pendels gemessen. Aus der Auslenkung des Pendels kann die aktuell wirkende Lorentzkraft berechnet werden, wenn die Masse des Magnetsystems, die Pendellänge und die wirkende Fallbeschleunigung bekannt sind und daraus eine Federkonstante des Lagers berechnet wird. Auch in einem solchen Pendelaufbau hat die erfindungsgemäße Kompensation der Lorentzkraft mittels eines oder mehrerer elektrischer Ströme erhebliche Vorteile. Die tatsächliche Auslenkung muss nicht mehr als Längenwert in einer Längeneinheit gemessen werden, sondern nur noch eine Regelung auf eine bestimmte Position erfolgen. Das ist deutlich einfacher, kostengünstiger und unanfälliger gegen Störeinflüsse von außen. Dem Fachmann sind Verfahren für solche Positionsregelungen geläufig. Weiterhin müssen die Masse des Magnetsystems, die Pendellänge und die wirkende Fallbeschleunigung nicht mehr für die Umrechung der Pendelauslenkung in die Lorentzkraft über die Federkonstante bekannt sein.
Außerdem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren der Kompensation der Lorentzkraft mittels eines oder mehrere elektrischer Ströme auch Vorrichtungen, die andere Lagerungsvarianten verwenden, die in Strömungsrichtung nur einen geringen Widerstand aufweisen, und trotzdem ein vergleichsweise schweres Magnetsystem tragen können. Dem Fachmann sind derartige reibungsarme Lager sowohl für horizontale Bewegungsrichtungen z. B. Luftlager, Spitzenlager oder Magnetlager als auch für vertikale Bewegungsrichtungen z. B. Gegengewichte oder Auftriebskräfte bekannt. Eine derartig ausgeführte Vorrichtung führt die Messung des Durchflusses auf die Regelung der Auslenkung eines reibungsarm und leicht beweglichen Magnetsystems zurück. Einerseits sind damit sehr empfindliche Messungen möglich und andererseits spielt die mechanische Federkonstante des Lagers keine Rolle mehr und muss nicht bekannt sein. Wird die Position so geregelt, dass die Auslenkung Null ist, ist die Stromstärke durch den ortsfesten Leiter direktes Maß für den zu messenden Durchfluss, weil sie proportional zur Lorentzkraft ist, die durch den Durchfluss erzeugt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 eine Anordnung mit einem elektrischen Leiter,
2 eine Anordnung mit einer Spule,
3 eine Anordnung mit mehreren elektrischen Leitern,
4 eine Anordnung mit horizontaler reibungsarmer rückstellkräftefreier Lagerung des Magnetsystems
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Anordnung dargestellt, bei der das zu untersuchende Fluid in einem rohrförmigen oder rinnenförmigen Kanal (1) mit der zu bestimmenden Geschwindigkeit v₁ strömt. Ortsfest angeordnet ist ein elektrischer Leiter (2) welcher von einem elektrischen Strom der Stromstärke I₁ durchflossen wird. Der Kanal (1) und der Leiter (2) werden vom Magnetfeld eines Magneten (3) durchdrungen. Der Leiter (2) ist senkrecht zum Kanal (1) und senkrecht zum Magnetfeld angeordnet. Aus der elektrischen Stromstärke I₁ und der mit einem Kraft- oder Momentensensor (8) gemessenen Lorentzkraft kann die gesuchte Strömungsgeschwindigkeit v₁ sehr einfach berechnet werden. Hierzu dient eine Auswerteeinheit (5), mit der die resultierende Lorentzkraft bestimmt wird, und mit welcher daraus die zu bestimmende Strömungsgeschwindigkeit v₁ berechnet wird. Die räumliche Anordnung kann gleichermaßen horizontal oder vertikal ausgeführt werden.
2 zeigt eine Ausführungsform mit einer stromdurchflossenen ortsfest angebrachten Spule (2) deren Symmetrieachse in einer Ebene liegt, welche durch die zu messende Durchflussrichtung und die Magnetfeldlinien des Magneten (3) aufgespannt wird. Die Richtung des Stromes in einem Teilsegment der Spule, welches von den Magnetfeldlinien des Magneten (3) durchdrungen wird ist auch hier senkrecht zum Durchfluss und senkrecht zum Magnetfeld.
3 zeigt eine Ausführungsform mit mehreren elektrischen Leitern (2), deren Stromstärke unabhängig voneinander eingestellt werden kann. Diese Ausführung ist vorteilhaft zur Untersuchung von Anordnungen mit nichtlinearen Feldeigenschaften oder inhomogenen Flüssigkeitsströmungen im Kanal einsetzbar.
4 zeigt eine Anordnung mit einer horizontalen reibungsarmen Lagerung (6) ohne mechanische Rückstellkräfte und einem Wegsensor (7), der für die Stromregelung den aktuellen Istwert der Position des Magnetsystems (3) erfasst. Die Anordnung ist für vertikale Flüssigkeitsströmungen gleichermaßen möglich, wenn die Gewichtskraft geeignet kompensiert wird.
Bezugszeichenliste

1: rohrförmiger oder rinnenförmiger Kanal für das zu untersuchende Fluid
2: stromdurchflossener Leiter oder Spule
3: Magnet oder Magnetsystem
4a, 4b: elektrische Zuleitungen
5: Auswerteeinheit
6: Reibungsarme Lagerung ohne Rückstellkräfte
7: Wegsensor
8: Kraft- oder Momentensensor
v₁: Strömungsgeschwindigkeit des zu untersuchenden Fluids
I₁: Stromstärke
S: magnetischer Südpol
N: magnetischer Nordpol

Claims

Verfahren zur berührungslosen Messung des Massen- oder Volumenstroms eines elektrisch leitfähigen Fluids, bei dem am Ort der Strömung ein Magnetfeld erzeugt wird und eine aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und dem Massen- oder Volumenstrom entstehende erste Kraft- oder Momentkomponente erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kraft- oder Momentkomponente mit einer zweiten Kraft- oder Momentkomponente überlagert wird, die durch einen elektrischen Strom durch mindestens einen im Magnetfeld ortsfest angeordneten Leiter (2) erzeugt wird, wobei dieser elektrische Strom so eingestellt oder geregelt wird, dass die erste Kraft- oder Momentkomponente einen bestimmten Wert oder zeitlichen Signalverlauf annimmt und aus der elektrischen Stromstärke der Massen- oder Volumenstrom des zu messenden Fluids ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld mit einem reibungsarm und rückstellkräftefrei gelagerten Magnetsystem (3) erzeugt wird und der elektrische Strom so eingestellt oder geregelt wird, dass die in Folge der Einwirkung der ersten Kraft- oder Momentkomponente auf das Magnetsystem hervorgerufene Auslenkung des Magnetsystems einen bestimmten Wert oder zeitlichen Signalverlauf annimmt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom so geregelt wird, dass die erste Kraft- oder Momentkomponente oder die Auslenkung Null wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere im Magnetfeld ortsfest angeordnete elektrische Leiter verwendet werden und die fließenden elektrischen Ströme unabhängig voneinander eingestellt oder geregelt werden.
Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Massen- oder Volumenstroms eines in einem rohrförmigen oder rinnenförmigen Kanal (1) strömenden elektrisch leitfähigen Fluids, die einen Magneten (3) aufweist, der am Ort der Strömung ein Magnetfeld erzeugt, und mit der eine aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und dem Massen- oder Volumenstrom entstehende erste Kraft- oder Momentkomponente erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem rohrförmigen oder rinnenförmigen Kanal (1) mindestens ein stromdurchflossener elektrischer Leiter (2) ortsfest so angeordnet ist, dass die Feldlinien des Magneten (3) zusätzlich zum Kanal (1) den elektrischen Leiter (2) durchdringen, wobei der elektrische Leiter (2) senkrecht zum Massen- oder Volumenstrom des zu messenden Fluids und senkrecht zum Magnetfeld ausgerichtet ist und eine Auswerteeinheit (5) zur Erfassung der ersten Kraft- oder Momentenkomponente, zur Einstellung der elektrischen Stromstärke im elektrischen Leiter (2) in Abhängigkeit von der ersten Kraft- oder Momentenkomponente und zur Berechnung des Massen- oder Volumenstroms des zu messenden Fluids aus der elektrischen Stromstärke vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (3) leicht beweglich, reibungsarm und rückstellkräftefrei gelagert ist und ein Wegsensor (7) zur Erfassung der Auslenkung des Magneten (3) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Magnet (3) ein Dauermagnet verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (2) eine Spule ist, die so angeordnet ist, dass ihre Symmetrieachse in einer durch die Magnetfeldlinien und die Richtung des zu messenden Durchflusses aufgespannten Ebene liegt und ein Teilsegment der Spule von den Magnetfeldlinien durchdrungen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Leiter (2) im Magnetfeld angeordnet sind und die Ströme durch die elektrischen Leiter (2) getrennt einstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, 6, 7, 8, oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere elektrische Leiter (2) direkt am rohrförmigen oder rinnenförmigen Kanal (1) befestigt sind.