DE102013106050A1

DE102013106050A1 - Fluidfließgeschwindigkeitsmessvorrichtung sowie -verfahren

Info

Publication number: DE102013106050A1
Application number: DE201310106050
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2014-12-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Verfahren und eine Vorrichtung zur universellen Messung der Fließgeschwindigkeit leitender und nicht leitender Medien, wobei die von leitenden Medien bekannte Messung der durch Wechselwirkung des fließenden Mediums mit dem Magnetfeld induzierten Leerlaufspannung zwischen zwei im Einflussbereich des Magnetfeldes befindlichen Elektroden (4, 4’) durch eine Messung des induzierten Kurzschlussstromes (IKS) zwischen zwei entsprechend angeordneten kurzgeschlossenen Elektroden (4, 4’) ersetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Fließgeschwindigkeit eines Mediums in einem von einem Magnetfeld durchsetzten Volumen.
Die im Stand der Technik bekannte magnetisch-induktive Durchflussmessung, nachfolgend kurz MID, zur Messung des Durchflusses über ein elektrisch nutzbares Signal, das aufgrund der elektromagnetischen Induktion in einer leitenden Flüssigkeit erzeugt wird, hat sich in der industriellen Praxis als elegantes Messverfahren durchgesetzt.
Ein typisches im Stand der Technik bekanntes MID-System zur Fließgeschwindigkeitsbestimmung elektrisch leitender Fluide besteht im Grundprinzip aus einem Messrohr, das von dem eine elektrische Mindestleitfähigkeit aufweisenden Fluid oder Messgut durchflossen wird und deren Fließgeschwindigkeit bestimmt werden soll. Hierbei ist das Messrohr zumindest in einem Abschnitt mit einem durch Spulen erzeugten Magnetfeld durchsetzt, wobei sich in dem Magnetfeld mindestens zwei am Messrohr gegenüberliegend und quer zum Magnetfeld angeordnete Messelektroden befinden. Mittels der Messelektroden erfolgt die Erfassung der induktiv erzeugten Messspannung, wobei das Messprinzip auf der Trennung bewegter Ladungen in dem Magnetfeld beruht. An den senkrecht zum Magnetfeld angeordneten Messelektroden entsteht durch die Ladungstrennung eine Spannung, die mit einer Mess- und Auswerteanordnung erfasst wird. Es besteht eine Proportionalität der gemessenen Spannung zu der Fluidfließgeschwindigkeit.
Das Messrohr ist mit einer elektrisch isolierenden Innenbeschichtung oder Auskleidung versehen, jedoch stehen die Messelektroden bei einem galvanischen Signalabgriff in direktem Kontakt mit dem Medium und müssen ausreichend korrosionsbeständig ausgebildet sein und einen guten elektrischen Übergang zum Fluid bzw. dem Messgut gewährleisten.
Alternativ ist im Stand der Technik die kapazitive Signalnahme bekannt, wobei hierzu Messwertaufnehmer mit berührungslosem kapazitivem Signalabgriff zur Anwendung kommen. Die Elektroden sind hierbei als großflächige Kondensatorplatten auf der Außenseite der Auskleidung des nicht leitenden Messrohres vorgesehen, wobei dies insbesondere bei Fluiden, die auf der Rohrinnenseite zu isolierenden Ablagerungen neigen, Verwendung findet. Die komplette Messstelle eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers besteht aus einem Messaufnehmer und einem zugehörigen Messumformer.
Die Anwendung des MID-Verfahrens ist jedoch beschränkt auf Medien mit einer Mindestleitfähigkeit, die im Schrifttum mit 1 μS/cm angegeben wird. Während die wichtigen wässrigen Medien diese Bedingung meist erfüllen, gilt dies nicht für schwach leitende oder gar nichtleitende Medien, wie sie bei den meisten organischen Stoffen, z.B. Ölen, Fetten und Kraftstoffen, vorliegen. Dieser große Stoffbereich scheidet für die Anwendung des MID-Verfahrens nach dem heutigen Stand der Technik aus.
Ursache dieses Versagens bei den heute gebräuchlichen Messverfahren ist eine zu hohe innere Impedanz der durch das Medium verlaufenden Messstrecke, die zwischen den üblicherweise galvanisch an das Medium angekoppelten Elektroden liegt. Sie wird in diesem Fall durch ihren inneren Ohmschen Widerstand gebildet. Bei der weniger gebräuchlichen – prinzipiell auch möglichen – kapazitiven Signalauskopplung, zu entnehmen aus „Magnetisch-induktive Durchflussmessung mit kapazitiven Verfahren", Brockhaus, Helmut aus der Zeitschrift Technisches Messen 64 (1997) 5, S. 190 ff., Oldenbourg Verlag, München 1997, liegt eine isolierende Wandschicht geringer Dicke zwischen Elektrode und Medium, die die Kopplungskapazität C_k definiert. Die innere Impedanz der Messstrecke ergibt sich dann durch die Reihenschaltung des Ohmschen Widerstandes der Medienstrecke mit der kapazitiven Auskopplungsimpedanz Z_k = 1/(jωC_k).
Da es sich bei den heute verwendeten Messverfahren letztlich um die Messung der Leerlaufspannung einer Spannungsquelle, nämlich der durch die Bewegung des Mediums im Magnetfeld induzierten Spannung, handelt, sollte die innere Impedanz der Quelle gering gegenüber dem Eingangswiderstand der eigentlichen Spannungsmesseinrichtung sein, die i.d.R. durch einen Spannungsverstärker dargestellt wird. Diese Bedingung lässt sich für schwach leitende oder nichtleitende Medien nicht erfüllen.
Mit Blick auf die beteiligten inneren Impedanzen gibt es eine ganz ähnliche Problematik sogar bei gut leitenden Medien und Signalauskopplung durch isolierende Wände größerer Dicke, im Idealfall durch die ganze Wanddicke. Eine solche Kopplung hätte für die Praxis außerordentliche Vorzüge: Bei Durchflussmessungen an chemisch aggressiven Medien ließe sich jeder Medienkontakt vermeiden. Die gesamte Messeinrichtung einschließlich aller Komponenten ließe sich außerhalb des Messvolumens – ohne jeden Eingriff in sein Inneres – unterbringen. Auch hier scheitert das im Stand der Technik bekannte MID-Verfahren an der Leerlaufspannungsmessung. In diesem Falle ist zwar der Ohmsche Widerstand der Messstrecke durch das Medium gering, dafür verletzt aber die Größe der in Serie dazu liegenden Auskopplungsimpedanz Z_k = 1/(jωC_k) die genannte Bedingung hinreichend geringer Quellenimpedanz.
Die angestellten Betrachtungen zum Stand der Technik zeigen, dass die heute am Markt verfügbaren MID-Sensoren bei allen bekannten Vorteilen unter dem Mangel ihrer eingeschränkten Einsetzbarkeit leiden, der letztlich auf die Grenzen der heute ausnahmslos verwendete Leerlaufspannungsmessung zurückzuführen ist.
Für eine universelle Verwendbarkeit des MID-Prinzips bei leitenden und nichtleitenden Medien bedarf es eines neuen Messverfahrens, das die bekannten Mängel der Leerlaufspannungsmessung vermeidet. Einem solchen neuen Verfahren könnte eine fundamentale Bedeutung zukommen, da es eine Fülle neuer Anwendungsfelder erschließen und die konstruktive Vielfalt beflügeln könnte.
Aus dem Stand der Technik sind diesbezüglich keinerlei Lösungen bekannt. Lediglich theoretische Erwägungen zur relativistischen Bewegung von Materie im Magnetfeld lassen den MID-Effekt auch bei außerordentlich geringfügig leitenden und sogar bei nichtleitenden Medien erwarten. Diesbezüglich wird auf Krause, Jens; Stange, Gerd: „Modellierung des magnetisch-induktiven Durchflusssensors für niedrig konzentrierte und nichtleitende Flüssigkeiten" aus der Zeitschrift Technisches Messen 75 (2008) 3, S. 199 ff., Oldenbourg Verlag, München 2008 verwiesen, wo diese im Rahmen umfangreicher Simulationsstudien zu dem Ergebnis kommen, dass in der Grenze geringster und schließlich verschwindender ionischer Leitfähigkeit eines Mediums dennoch ein MID-Signal zur Verfügung stehen dürfte, sofern das Medium als polarisierbar vorausgesetzt wird. An die Stelle der bei leitfähigen Medien durch den MID-Effekt hervorgerufenen Ladungsträgertrennung tritt bei nichtleitenden Medien der Polarisationseffekt und damit die Polarisationsladung anstelle der durch frei bewegliche Ladungsträger gebildeten Ladung. Diese Polarisation führt bekanntlich auch zu einer Ladungsträgertrennung in atomaren bzw. molekularen Dimensionen. Medien, die sowohl leitfähig, als auch polarisierbar sind, zeigen die Überlagerung freier Ladungen mit Polarisationsladungen. Wasser mit seiner sehr hohen relativen Dielektrizitätskonstante von ε_r = 80 ist hierfür ein hervorragendes Beispiel. Bei Krause und Stange kann der Fachmann jedoch keinerlei Hinweise auf die technische Umsetzung finden, um aus den theoretischen Überlegungen ein geeignetes Messverfahren sowie eine entsprechende Messanordnung zu entwickeln. Es wird lediglich angeregt, eine möglichst stromlose Messmethode anzuwenden.
Auch die Druckschrift DE 198 43 808 A1 , die sich mit nichtleitenden Medien und der Messung der Ladungsverschiebung in ihnen befasst, erscheint diesbezüglich in einem neuen Licht. Die Lehre dieser Druckschrift hat sich aber – u.a. wegen der geringen Ladungsunterschiede und des damit verbundenen geringen Niveaus der Nutzsignale im Vergleich zum hohen Störsignalniveau – im Experiment als nicht robust ausführbar erwiesen.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass es bis heute trotz massiver Bemühungen nicht gelungen ist, die Anwendung des MID-Prinzips auf schwach leitende und nicht leitende Medien zu übertragen, um damit die Voraussetzungen für seinen universellen Einsatz zu schaffen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine bei leitenden als auch bei nichtleitenden Medien bzw. Fluiden universell einsetzbare Vorrichtung sowie ein universell einsetzbares Verfahren zur magnetisch-induktiven Durchflussmessung zu schaffen, so dass unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des Fluides bzw. des Mediums eine Durchflussmengenmessung bzw. Fließgeschwindigkeitsmessung erfolgen kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit der Merkmalskombination gemäß dem Hauptanspruch sowie mit einem Verfahren mit der Merkmalskombination gemäß dem nebengeordneten Anspruch.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung, den Unteransprüchen sowie den anliegenden Figuren zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Fluidfließgeschwindigkeitsmessvorrichtung zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines Fluides / Mediums mit einem Rohrabschnitt, durch den das Fluid / Medium durchströmt, weist ein zeitlich periodisch veränderbares Magnetfeld senkrecht zur Fließrichtung durch den Rohrabschnitt auf, wobei das Fluid / Medium von dem Magnetfeld durchsetzt wird, ferner mindestens zwei oder auch vier sich gegenüberliegenden und innerhalb des Magnetfeldes angeordnete Elektroden, wobei diese senkrecht zu dem Magnetfeld angeordnet sind und zumindest teilweise oder vollständig in direktem Kontakt mit dem Fluid / Medium stehen oder auf der äußeren Wandung des Rohrabschnittes derart angeordnet sind, dass eben kein direkter Kontakt mit dem Medium besteht, und weiter eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Fluidfließgeschwindigkeit oder des Durchflusses, wobei zwischen den Elektroden eine Kurzschlussverbindung besteht, und die Elektroden auf Massepotential gelegt sind, und die Auswerteeinheit eine Strommesseinrichtung zur Messung des Kurzschlussstromes über die kurzgeschlossenen Elektroden aufweist und der Rohrabschnitt aus isolierendem Material besteht oder auf dessen Innen- und Außenseite isoliert ausgebildet ist.
Hierdurch ist es erstmals möglich mit Hilfe einer Strommessung den MID-Effekt auszunutzen, um die Fluidfließgeschwindigkeit zu messen. Entscheidend dürfte hierbei alleinig die Messung des Kurzschlussstromes sein, wobei nunmehr auch die Fluidfließgeschwindigkeit sowohl von leitenden, schwach leitenden und insbesondere von nicht-leitenden Fluiden bestimmt bzw. gemessen werden kann.
Die Auswerteeinheit umfasst eine Einheit zur Abtastung und Digitalisierung des Kurzschlussstromsignals, eine Speichereinheit zur Speicherung sowie eine Recheneinheit zur phasengesteuerten Integration und zur Berechnung der Fließgeschwindigkeit aus dem integrierten Signal.
Die Kurzschlussverbindung ist innerhalb der Strommesseinrichtung vorgesehen.
Die Elektroden in Zusammenschau, also die insgesamt vorgesehenen Elektroden, decken den vollen inneren oder äußeren Umfang des Rohrabschnittes auf der Innenseite oder Außenseite ab, wobei bei zwei vorhandenen Elektroden diese, bei einem runden Rohrquerschnitt, als kreiszylindrische Halbschalen ausgebildet sind, und den Rohrabschnitt umlaufend von innen oder außen abdecken, ohne sich dabei zu berühren, da ansonsten bei Berührung keine Messung eines Kurzschlussstromes möglich ist. Eine entsprechende Berührungsfreiheit wird erfindungsgemäß durch einen minimal ausgebildeten Abstand oder eine entsprechende Isolierung realisiert.
Zur Verbindung der Elektroden mit der Auswerteeinheit bzw. Strommesseinrichtung sind Koaxkabel vorgesehen, wobei die Koaxkabel geschirmt ausgebildet sind.
Die Auswerteeinheit und/oder der zur Erzeugung des Magnetfeldes notwendige Magnetfelderzeuger sind räumlich von der Messstelle getrennt angeordnet.
Das erfindungsgemäße Fluidfließgeschwindigkeitsmessverfahren zur Messung einer Fluidfließgeschwindigkeit eines Fluides / Mediums, wobei sich das Fluid / Medium durch einen Rohrabschnitt insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Fluidfließgeschwindigkeitsmessvorrichtung bewegt / transportiert wird,
umfasst die kontinuierlichen Schritte:

– Erzeugen eines periodisch zeitlich verändernden Magnetfeldes senkrecht zur Transportrichtung des Fluides / Mediums, wobei das Magnetfeld außerhalb des Rohrabschnittes derart erzeugt wird, dass der Rohrabschnitt innerhalb des Magnetfeldes liegt,
– Erfassen eines Signals an innerhalb des Magnetfeldes paarweise angeordneten Elektroden,
– Auswerten der an den Elektroden erfassten Signale,

Zur Signalerfassung werden die Elektroden auf Massepotential gelegt.
Die Auswerteeinheit tastet den zeitlichen Verlauf des Kurzschlussstromes ab und speichert ihn digital. Das Auswerten der an den Elektroden erfassten Signale umfasst die Digitalisierung des gemessenen Kurzschlussstromes, wobei im Anschluss eine Speicherung des digitalen Signals erfolgt und dieses digital gespeicherte Stromsignal durch eine phasengesteuerte Integration über einen Phasenbereich innerhalb einer Periode integriert wird, wobei das durch Wechselwirkung des Magnetfeldes mit dem strömenden Fluid / Medium verursachte Nutzsignal selektiert wird und Störsignale unterdrückt / gefiltert werden.
Mit Hilfe der phasengesteuerten Integration erfolgt eine Mittelwertbildung und weiter wird eine weitere Unterdrückung von Störsignalen über eine wählbare Anzahl von Perioden wiederholt, wobei aus dem gebildeten Mittelwert die Fließgeschwindigkeit des Mediums mittels bekannter mathematischer Formeln berechnet wird.
Ferner ist es erfindungsgemäß,

a) dass der gesamte Kurzschlussstrom gemessen wird, der sich durch Wechselwirkung des strömenden Mediums mit dem zeitlich periodisch veränderlichen Magnetfeld zwischen einem Paar kurzgeschlossener, im Einflussbereich des Magnetfeldes befindlicher Elektroden als Nutzsignal, überlagert von Störsignalen, einstellt,
b) dass diese Elektroden auf Massepotential liegen und das Messvolumen so umschließen, ohne sich zu berühren, dass sie eine möglichst vollständige Schirmung des Inneren des Messvolumens gegenüber von außen wirkenden Störfeldern ermöglichen,
c) dass dieses Stromsignal in digitaler Form gespeichert wird,
d) dass dieses digital gespeicherte Stromsignal durch eine phasengesteuerte Integration über einen solchen Phasenbereich innerhalb einer Periode integriert wird, der nur das durch Wechselwirkung des Magnetfeldes mit dem strömenden Medium verursachte Nutzsignal selektiert, während Störsignale unterdrückt werden,
e) dass diese phasengesteuerte Integration mit dem Ziel der Akkumulation und Mittelwertbildung und der weiteren Unterdrückung von Störsignalen über eine wählbare Anzahl von Perioden wiederholt wird,
f) und aus diesem akkumulierten Wert nach bekannten Gesetzmäßigkeiten die Fließgeschwindigkeit des Mediums ermittelt wird.

Im Zentrum des erfindungsgemäßen Verfahrens steht die Messung des Kurzschlussstromes zwischen einem Paar symmetrisch zum zeitlich sinusförmig periodischen Magnetfeld in seinem Einflussbereich angeordneter, kurzgeschlossener und auf Massepotential befindlicher Elektroden. Dabei sollen die Elektroden das Messvolumen so umschließen, ohne sich zu berühren, dass sie zugleich die Rolle einer möglichst vollständigen Abschirmung des Messvolumens gegenüber von außen einwirkenden elektromagnetischen Störquellen übernehmen. Dadurch wird der äußere, aus den Elektroden und der Kurzschlussverbindung zwischen ihnen bestehende Messkreis zu einem integrativen Bestandteil der Systemabschirmung, wie sie in Form metallischer, auf Massepotential liegender Rohre in der industriellen Durchflussmesstechnik immer vorhanden ist. In diesem Falle nehmen die Elektroden zweckmäßig die Form zweier kreiszylindrischer Halbschalen an, die sich optimal an das aus isolierendem Material bestehende Messrohr anschmiegen, so dass sie eine natürliche Fortsetzung der Rohrgeometrie als Abschirmung bilden.
Neben den geschilderten Vorteilen der natürlichen Abschirmung ist die Kurzschlussstrommessung bequem in einer vom eigentlichen Durchflussmessgerät räumlich abgesetzten Strommesseinrichtung möglich, wobei die Verbindung zwischen beiden mit einem geschirmten Koaxialkabel erfolgt, das zugleich die Kurzschlussverbindung herstellt. Da diese Verbindung auf Massepotential liegt, spielen die Kabelkapazitäten keine Rolle. Daher führen auch längere Anschluss- und Verbindungskabel zu keinerlei Beeinträchtigung der Messung.
Ein vergleichender Blick auf die bei MID-Systemen bisher ausschließlich verwendete Leerlauf-Spannungsmessung macht die Unterschiede deutlich: Die Spannungsmesseinrichtung wird dabei direkt mit den Elektroden verbunden, deren Potentialdifferenz im Idealfall gleich der Leerlaufspannung sein muss. Dies ist in guter Näherung nur dann möglich, wenn der innere Widerstand der Messstrecke klein gegenüber dem Eingangswiderstand der Spannungsmesseinrichtung ist. Darüber hinaus ist jede Streukapazität zwischen der Elektrode und ihrer Umgebung extrem schädlich, weil sie eine Parallelimpedanz zum Messpfad darstellt und damit jede Messung unbrauchbar macht. Daher verbieten sich Anschlusskabel. Selbstverständlich können die Elektroden in diesem Fall auch nicht die vorteilhafte Rolle einer Abschirmung übernehmen. Zusammenfassend wird noch einmal deutlich, dass die Leerlaufspannungsmessung in der bisher gebräuchlichen Form sich nur für Medien mit einer Mindestleitfähigkeit eignet.
Bei allen geschilderten Vorteilen der Kurzschlussstrommessung darf aber nicht außer Acht gelassen werden, dass es sich bei den Nutzsignalen um außerordentlich geringe Ströme handelt, die darüber hinaus von in der Praxis unvermeidbaren Störsignalen überlagert sind. Sie gehen einerseits vom Magnetfelderzeuger aus und gelangen auf induktivem und kapazitivem Wege in das Messsystem. Diese lassen sich leicht anhand ihrer Frequenz und ihrer Phasenlage identifizieren, da sie um 90° gegenüber dem Nutzsignal phasenverschoben sind. Andererseits handelt es sich um stochastische Signale, die ihren Ursprung in statistischen Schwankungen der Strömung selbst und in weiteren Rauschquellen haben, zu denen auch die elektronische Messeinrichtung zählt.
Die im Folgenden geschilderten Schritte der digitalen Signalaufbereitung und -verarbeitung sind daher weitere wesentliche Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt wird der in einer Strommesseinrichtung gemessene Gesamtstrom, in dem sich Nutz- und Störsignalanteile überlagern, in digitaler Form gespeichert. Weitere Schritte sind die zeitliche Integration des gespeicherten Gesamtsignals über einen bestimmten Periodenausschnitt zum Zwecke der Selektion des Nutzsignals, sowie die mehrfache Anwendung dieser Integration auf eine wählbare Anzahl von Perioden zum Zwecke der Signalakkumulation bei gleichzeitiger Unterdrückung von Störsignalen.
Dabei sollte für die Frequenz f_m des Magnetfeldes ein möglichst hoher Wert gewählt werden, um – unter beispielhafter Voraussetzung eines sinusförmig periodisch veränderlichen Magnetfeldes – gemäß I_{KS MID} = ω_m·Q_P = 2πf_m·Q_P eine möglichst hohe Amplitude des auf den MID-Effekt zurückzuführenden sinusförmigen Kurzschlussstromes I_{KS MID} durch den Messkreis zu erhalten. Dieser Messkreis besteht aus der Messstrecke durch das Medium, den Elektroden und der Kurzschlussverbindung zwischen ihnen. Darin ist Q_p die Amplitude der Polarisationsladung, die sich durch Wechselwirkung des fließenden Mediums mit dem Magnetfeld einstellt. Bei einer Dielektrizitätskonstante ε_{r med} des Mediums ergibt sie sich zu Q_P = (ε_{r med} – 1)·ε₀·A_{el proj}·B·ν, wobei A_{el proj}die auf die Mittelebene zwischen den symmetrisch zum Magnetfeld angeordneten Elektroden projizierte Elektrodenfläche, B die Amplitude der Induktion des Magnetfeldes und v die Mediengeschwindigkeit ist.
Durch Zusammenfassen beider Gleichungen erhält man den folgenden Zusammenhang, I_{KS MID} = 2πf_m·(ε_{r med} – 1)·ε₀·A_{el proj}·B·ν, der als Funktionsgleichung eines magnetisch-induktiven Durchflusssensors für dielektrische Medien und zugleich als Dimensionierungsbeziehung gelten kann. Ein Zahlenbeispiel soll eine Abschätzung für die zu erwartende Größe des Kurzschlussstromes I_{KS MID} für Wasser als Medium liefern:
Für Wasser mit ε_{r med} = 80, und mit ε₀ = 8.85 10^–12 As/Vm, f_m = 1 kHz, A_{el proj}= 4 cm² = 4 10^–4 m² (bei Annahme eines Rohrdurchmessers von 2 cm mit Elektroden in der Form von Zylinderhalbschalen, die sich an die Rohrwand anschmiegen und einer axialen Länge der Elektroden von 2 cm), B = 10 mT (Amplitude des sinusförmigen Magnetfeldes), v = 1 m/s erhält man eine Kurzschlussstromamplitude des MID-Nutzsignals von I_{KS MID} = 17.6 pA = 17.6 10^–12 A.
Nun sind aber – wie weiter oben bereits erwähnt – in der Praxis dem Nutzsignal in Form des als Nutzsignal aufzufassenden Kurzschlussstromes I_{KS MID} unvermeidbare Signale überlagert, die sich nicht abschirmen lassen und die in ihrer Höhe beträchtlich über dem Nutzsignalniveau liegen können. Dazu gehören einerseits die durch den Magnetfelderzeuger induktiv aufgrund der zeitlichen Flussänderung dΦ/dt und kapazitiv über die Spulenspannung eingekoppelten Signale und andererseits statistisch schwankende Rauschsignale, deren Quellen im Strömungsmedium und im Messkreis selbst liegen können. Als Folge der Überlagerung lässt sich das geringe Nutzsignal nicht direkt messen. Messtechnisch erfasst wird vielmehr zunächst dass aus Nutzsignal und Störsignalanteilen bestehende Gesamtsignal I_{KS TOT}des Kurzschlussstromes. Erfindungsgemäß wird dieses Signal in digitalisierter Form abgespeichert, um mit Methoden der digitalen Signalverarbeitung die Störsignale zu eliminieren und das Nutzsignal zu extrahieren.
Dies wird nach der Erfindung durch das zeitlich periodisch mit der Frequenz f_m veränderliche Magnetfeld erreicht, das für einen periodischen Auf- und Abbau der induzierten Ladungen sorgt. Damit ist eine einfache Signalakkumulation möglich. Besonders übersichtliche Verhältnisse ergeben sich durch die bevorzugte Wahl eines sinusförmig veränderlichen Feldes, das für die folgenden Überlegungen beispielhaft zugrundegelegt wird. Berücksichtigt man nun, dass die vom Magnetfelderzeuger induktiv eingekoppelten Störsignalanteile des Kurzschlussstromes I_{KS TOT} um 90 Grad gegenüber dem Nutzsignal I_{KS MID} phasenverschoben sind, so lassen sich zu beiden Anteilen – zum Nutzsignal und zum induktiv eingekoppelten Signal – proportionale Größen jeweils durch eine phasengesteuerte Integration über jeweils eine halbe Periode herausfiltern, wobei die Integrationsintervalle für beide Signalanteile gerade 90 Grad auseinanderliegen. Durch Wiederholung über N Perioden lässt sich eine Signalakkumulation erzielen. Gleichzeitig werden statistische Störsignale im Mittel eliminiert.
Zusammenfassend lassen sich also durch die phasengesteuerte Integration zweierlei erreichen:

1. Die Nutzsignale werden akkumuliert.
2. Statistische Störsignale werden im Mittel eliminiert.

Offensichtlich lässt sich auf diese Weise eine fast beliebige Steigerung der Messgenauigkeit erreichen, indem die Anzahl N der zur Akkumulation herangezogenen Perioden hinreichend groß gewählt wird und so sehr wirksam das Nutz- bzw. Störsignalverhältnis verbessert wird. Begrenzt wird die Wahl von N natürlich durch die Wahl der Messzeit T_mess, die sich durch Multiplikation mit der Periodendauer T_m = 1 / f_m des Magnetfeldes ergibt: T_mess = N / f_m. In der Praxis hat sich die Wahl einer Magnetfeldfrequenz von f_m = 1 kHz bei N = 10 bewährt. Dabei ergibt sich eine Messzeit von 10 ms, so dass alle 10 Millisekunden ein neuer Mittelwert zur Verfügung steht, aus dem nach bekannten Gesetzmäßigkeiten die Fließgeschwindigkeit des Mediums berechnet werden kann.
Bisher wurde angenommen, dass die Elektroden sich in direktem Medienkontakt befinden, indem sie sich an die Innenwand des beispielhaft als kreiszylindrisch angenommenen Messrohres als zylindrische Halbschale anschmiegen. In einer besonders vorteilhaften und bevorzugten Ausprägung lässt das erfindungsgemäße Verfahren äußere Elektroden zu, die sich in gleicher Weise an die Außenwand des Messrohres anschmiegen. Dabei erhebt sich die Frage nach der zulässigen Wandstärke des Messrohres. Unter der Annahme eines dielektrischen Wandmaterials mit der relativen Dielektrizitätskonstante ε_{r wand} lässt sich die zulässige Wanddicke aus der Bedingung abschätzen, dass die Messrohrwanddicke dem dielektrischen Verschiebungsfluss einen größeren Widerstand entgegensetzen muss als der Weg durch die Rohrwand hindurch über den Außenraum. Dann gilt mit einer gewissen Willkür bei der Wahl des Faktors 1/10 etwa: π / 2·R_messrohr >> d_wand → d_{wand max} = 1 / 10· π / 2·R_messrohr.
Für einen Messrohrradius von 1cm als Beispiel ergibt sich daraus eine zulässige Wandstärke von ca. 1.6 mm. Wichtiger ist, dass die zulässige Wandstärke linear mit dem Rohrradius zunimmt, was den linear zunehmenden Festigkeitserfordernissen entspricht.
Die Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Sensorverfahrens ist gekennzeichnet durch ein zeitlich periodisch veränderliches Magnetfeld der Periode T_m, mindestens ein Paar vom Magnetfeld erfasster, in direktem Medienkontakt innerhalb des Messvolumens oder außen an seiner Wandung symmetrisch zum Magnetfeld in seinem Einflussbereich angebrachter Elektroden, die im Kurzschluss betrieben und an Massepotenzial gelegt werden, versehen mit einer Einrichtung zur Messung des Kurzschlussstromes und eine mit dieser verbundene Auswerteeinheit, die eine Abtasteinrichtung zur Abtastung und digitalen Speicherung des zeitlichen Verlaufes des Kurzschlussstromes und – zum Zwecke der Signalakkumulation bei gleichzeitiger Rauschunterdrückung – einen Rechner zur phasenabhängigen Integration des Stromsignals über einen wählbaren Zeitabschnitt innerhalb einer Periode und darüber hinaus unter Beibehaltung dieses Zeitabschnitts über eine wählbare Anzahl von Perioden erlaubt und der schließlich aus dem so ermittelten Wert für das Integral die Fließgeschwindigkeit v berechnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat herausragende Vorteile. Mit ihm ist es erstmals gelungen, das magnetisch-induktive Verfahren auf nichtleitende Medien zu übertragen. Damit sind alle aus den Anwendungen bei leitenden Medien bekannten Vorteile des magnetisch-induktiven Verfahrens auch bei Anwendungen mit nichtleitenden Medien gültig: Einfacher, robuster Aufbau, Unabhängigkeit vom Strömungsprofil bei radialsymmetrischen Strömungen, hohe Genauigkeit.
Die große Verbreitung nichtleitender Medien eröffnet dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Fülle neuer Anwendungsfelder. Als Beispiele seien genannt:
Kraftstoffe, organische und mineralische Öle, Fette, Organische Lösungsmittel, aber auch Kunststoffe, Granulate etc.
Die Wahl der Periodendauer einerseits und der Anzahl der zur Integration herangezogenen Perioden andererseits ermöglichen, die Genauigkeit des Messverfahrens in weiten Grenzen zu verändern.
Darüber hinaus schafft das Verfahren die Voraussetzungen für eine bisher nicht gekannte Flexibilität hinsichtlich der konstruktiven Möglichkeiten für die Gestaltung völlig neuartiger Vorrichtungen. In einer besonders interessanten Variante lässt sich die gesamte Messvorrichtung ohne Veränderungen am Rohrinneren auf ein vorhandenes Messrohr aufsetzen, ähnlich wie dies von Ultraschallsystemen nach dem sog. clamp-on-Prinzip bekannt ist. Voraussetzung ist ein Rohr mit einer elektrisch isolierenden Wandung. Die Vorzüge einer solchen Lösung liegen auf der Hand. Sie erlaubt die Nachrüstung von Messmitteln für die Durchflussmessung ohne Eingriffe in bestehende Rohrleitungssysteme. Selbstverständlich lassen sich auch Schläuche bzw. Schlauchsysteme mit einer solchen Vorrichtung versehen.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine komplette Messsystemübersicht, bestehend aus einem im Querschnitt dargestellten Durchflusssensor mit außen anliegenden Auskoppelelektroden nach dem clamp-on-Prinzip und angeschlossenen Einheiten zur Strommessung und Auswertung,
2 eine komplette Messsystemübersicht wie 1, wobei die Einheit zur Strommessung beispielhaft durch zwei symmetrische Stromverstärker realisiert wurde,
3 ein Blockschaltbild der Mess- und Auswerteeinheit,
4 die Kennlinien zu zwei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unabhängig voneinander aufgenommenen Messreihen.
Gemäß 1 sorgt die an der Spannungsquelle mit der zeitlich periodischen Spannung UM liegende und vom Strom IM durchflossene Spule 1 für die Induktion B(t) und den magnetischen Fluss Φ(t) durch den von der elektrisch isolierenden Wandung 2 begrenzten, und von dem mit der Fließgeschwindigkeit v strömenden Medium mit der relativen Dielektrizitätskonstante ε_r erfüllten Querschnitt 3 des Messvolumens. Durch Wechselwirkung des strömenden Mediums mit dem Magnetfeld entsteht die Polarisationsladung +/–Q_P. Die zeitlichen Ladungsänderungen als Nutzsignal führen gemeinsam mit Störanteilen zu einem Kurzschlussstrom I_{KS TOT} durch den Messkreis, der aus der im Medium verlaufenden Messstrecke durch den Querschnitt 3 des Messvolumens, die zwischen dem Innenraum 3 und den Elektroden 4, 4’ liegenden Ausschnitte aus der Wand 2 und der Kurzschlussverbindung 5, 5’ zwischen den Elektroden 4, 4’ sowie der Messeinrichtung 6 für den Kurzschlussstrom I_{KS TOT} besteht.
Der Kurzschlussstrom I_{KS TOT} besteht aus dem durch den MID-Effekt verursachten Nutzsignal I_KSMID und – den ihm überlagerten – vom Magnetfelderzeuger 1 induktiv eingekoppelten Störanteilen, die gegenüber dem Nutzsignal um 90 Grad phasenverschoben sind. Die Kurzschlussverbindung wird dabei innerhalb der Messeinrichtung 6 auf Massepotential gelegt. Die Strommesseinrichtung 6 liefert an ihrem Ausgang ein dem Kurzschlussstrom proportionales Signal k·I_{KS TOT}, das der Auswerteeinheit 7 zur weiteren Auswertung zugeführt wird.
Die Elektroden 4, 4’ können sich alternativ zu der in 1 gezeigten Anordnung auch innerhalb des Messvolumens 3 direkt in Kontakt mit dem Messmedium befinden. Vorzugsweise sollten sie in jedem Fall möglichst vollständig den Kurzschlussstrom erfassen. Für die lediglich beispielhaft gezeigte Anordnung nach 1 führt diese Überlegung zu Elektroden 4, 4’ von jeweils der Form einer sich an die Wandung anschmiegenden Halbschale, wobei die beiden Halbschalen sich nicht berühren dürfen.
Es muss besonders erwähnt werden, dass die erfindungsgemäße Wahl der Kurzschlussstrommessung – im Gegensatz zu der sonst bei MID-Sensoren üblichen Messung der Leerlaufspannung – überhaupt erst eine Messung bei nicht leitenden Medien ermöglicht. Dies ist leicht zu erkennen an den in 1 eingezeichneten Kapazitäten C_e, in denen alle möglichen parasitären Kapazitäten gegenüber der Umgebung einschließlich des Beitrags von Messkabeln zusammengefasst sind. Man erkennt sofort, dass sie bei einer Leerlaufspannungsmessung mit ihrer vergleichsweise geringen Impedanz einen unerwünschten Beipass gegenüber der Systemmasse bilden, der eine Messung unmöglich macht. Im Gegensatz dazu werden solche Probleme nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch ausgeschlossen, dass sich die kurzgeschlossenen Elektroden 4, 4’ mitsamt ihren Verbindungsleitungen 5, 5’ sowieso auf Massepotential befinden und daher keinerlei Spannung an den Kapazitäten C_e liegt. Darüber hinaus umschließen die auf Massepotential befindlichen halbschalenförmigen metallischen Elektroden das Messrohrinnere so vollständig, dass sie eine ideale Abschirmung gegen jedwede Störung von außen darstellen.
2 zeigt eine mögliche technische Umsetzung der Strommesseinrichtung 6 und ist ansonsten mit 1 identisch. Der Kurzschlussstrom I_{KS tot} fließt unter Voraussetzung idealer Verstärker in voller Höhe durch die Gegenkopplungswiderstände R_g. Dies führt zu einer Ausgangsspannung 2 R_g I_{KS TOT}, die für die weitere Auswertung in der Auswerteeinheit 7 zur Verfügung steht. Gleichzeitig werden die Eingänge durch die verschwindende Eingangsspannung auf Massepotential gelegt, so dass die Leitungen 5, 5’ und die Elektroden 4, 4’ Massepotential annehmen.
Die Auswerteeinheit 7 in 3 übernimmt die Aufgabe der digitalen Speicherung des Kurzschlussstromsignals und seiner Integration zum Zwecke der Unterdrückung von Rauschsignalen einerseits und der Signalakkumulation durch eine phasenabhängige Integration.
4 zeigt beispielhaft die Ergebnisse zweier unabhängig voneinander nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgenommener Messreihen als Kennlinien, die die hervorragende Praxistauglichkeit des Verfahrens belegen. Die Messungen wurden mit Rapsöl durchgeführt, wobei die Elektroden in direktem Medienkontakt standen. Dabei wurde ein zeitlich sinusförmiges Magnetfeld mit einer Induktionsamplitude von ca. 5 mT im Inneren des Messrohres bei einer Frequenz von 1 kHz benutzt. Bei einer Abtastrate von 96 kHz wurde die Integration über 10 Perioden vorgenommen. Dies entspricht einer Zeitdauer von 10 ms. Dargestellt ist das akkumulierte Signal als Funktion der Fließgeschwindigkeit.
Bezugszeichenliste

1: Magnetfelderzeuger
2: Begrenzungswand
3: Messvolumen
4, 4’: Elektrode
5, 5’: Verbindungsleitung
6: Strommesseinrichtung
7: Auswerteeinheit
I_{KS tot}: Kurzschlussstrom, gesamt
I_{KS MID}: Kurzschlussstrom, Nutzanteil aufgrund des MID-Effekts
R_g I_{KS TOT}: Ausgangsspannung
IM: Strom
UM: Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19843808 A1 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Magnetisch-induktive Durchflussmessung mit kapazitiven Verfahren“, Brockhaus, Helmut aus der Zeitschrift Technisches Messen 64 (1997) 5, S. 190 ff., Oldenbourg Verlag, München 1997 [0007]
Krause, Jens; Stange, Gerd: „Modellierung des magnetisch-induktiven Durchflusssensors für niedrig konzentrierte und nichtleitende Flüssigkeiten“ aus der Zeitschrift Technisches Messen 75 (2008) 3, S. 199 ff., Oldenbourg Verlag, München 2008 [0012]

Claims

Fluidfließgeschwindigkeitsmessvorrichtung zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines Fluides / Mediums mit: – einem Rohrabschnitt, durch den das Fluid / Medium durchströmt, – einem zeitlich periodisch veränderbaren Magnetfeld senkrecht zur Fließ richtung durch den Rohrabschnitt, wobei das Fluid / Medium von dem Magnetfeld durchsetzt wird, – mindestens zwei sich gegenüberliegenden und innerhalb des Magnet feldes angeordneten Elektroden (4, 4’), wobei diese senkrecht zu dem Magnetfeld angeordnet sind, wobei – die Elektroden (4, 4’) zumindest teilweise oder vollständig in direktem Kontakt mit dem Fluid / Medium stehen oder – die Elektroden (4, 4’) auf der äußeren Wandung des Rohrabschnittes angeordnet sind, und einer Auswerteeinheit (7) zur Bestimmung der Fluidfließgeschwindigkeit oder des Durchflusses, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen den Elektroden (4, 4’) eine Kurzschlussverbindung besteht, – die Elektroden (4, 4’) auf Massepotential gelegt sind, – die Auswerteeinheit (7) eine Strommesseinrichtung (6) zur Messung des Stromes (I_KS) über die kurzgeschlossenen Elektroden (4, 4’) aufweist und – der Rohrabschnitt aus isolierendem Material besteht oder auf dessen Innen- und/oder Außenseite isoliert ausgebildet ist.
Fluidfließgeschwindigkeitsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7) eine Einheit zur Abtastung und Digitalisierung des Kurzschlussstromsignals (I_KS), eine Speichereinheit zur Speicherung sowie eine Recheneinheit zur phasengesteuerten Integration und zur Berechnung der Fließgeschwindigkeit aus dem integrierten Signal aufweist.
Fluidfließgeschwindigkeitsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussverbindung innerhalb der Strommesseinrichtung (6) vorgesehen ist.
Fluidfließgeschwindigkeitsmessvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4, 4’) in Zusammenschau den vollen inneren oder äußeren Umfang des Rohrabschnittes auf der Innenseite oder Außenseite abdecken, wobei bei zwei vorhandenen Elektroden (4, 4’) diese, bei einem runden Rohrquerschnitt, als kreiszylindrische Halbschalen ausgebildet sind, und den Rohrabschnitt umlaufend von innen oder außen abdecken, ohne sich dabei zu berühren.
Fluidfließgeschwindigkeitsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Elektroden (4, 4’) mit der Auswerteeinheit (7) bzw. Strommesseineinrichtung (6) Koaxkabel vorgesehen sind, wobei die Koaxkabel geschirmt ausgebildet sind.
Fluidfließgeschwindigkeitsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7) und/oder die zur Erzeugung des Magnetfeldes notwendige Magnetfelderzeuger (1) räumlich von der Messstelle getrennt angeordnet sind.
Fluidfließgeschwindigkeitsmessverfahren zur Messung einer Fluidfließgeschwindigkeit eines Fluides / Mediums, wobei sich das Fluid / Medium durch einen Rohrabschnitt bewegt / transportiert wird, insbesondere mit einer Fluidfließgeschwindigkeitsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die kontinuierlichen Schritte: – Erzeugen eines periodisch zeitlich verändernden Magnetfeldes senk recht zur Transportrichtung des Fluides / Mediums, wobei das Magnet feld außerhalb des Rohrabschnittes derart erzeugt wird, dass der Rohr abschnitt innerhalb des Magnetfeldes liegt, – Erfassen eines Signals an innerhalb des Magnetfeldes paarweise an geordneten Elektroden (4, 4’), – Auswerten der an den Elektroden (4, 4’) erfassten Signale, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerfassung die Messung des Kurzschlussstromes (I_KS) über die paarweise angeordneten Elektroden (4, 4’) umfasst.
Fluidfließgeschwindigkeitsmessverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Signalerfassung die Elektroden (4, 4’) auf Massepotential gelegt werden.
Fluidfließgeschwindigkeitsmessverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten der an den Elektroden (4, 4’) erfassten Signale die Digitalisierung des gemessenen Kurzschlussstromes (I_KS) umfasst, wobei im Anschluss eine Speicherung des digitalen Signals erfolgt und dieses digital gespeicherte Stromsignal durch eine phasengesteuerte Integration über einen Phasenbereich innerhalb einer Periode integriert wird, wobei das durch Wechselwirkung des Magnetfeldes mit dem strömenden Fluides / Medium verursachte Nutzsignal selektiert und Störsignale unterdrückt / gefiltert werden.
Fluidfließgeschwindigkeitsmessverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der phasengesteuerten Integration eine Mittelwertbildung erfolgt, die zur weiteren Unterdrückung von Störsignalen über eine wählbare Anzahl von Perioden wiederholt wird, wobei aus dem gebildeten Mittelwert die Fließgeschwindigkeit des Mediums berechnet wird.