DE102014113404A1

DE102014113404A1 - Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem Vierspulen- Magnetsystem

Info

Publication number: DE102014113404A1
Application number: DE102014113404.4A
Authority: DE
Inventors: Simon Stingelin; Andreas Berger
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2016-03-17
Also published as: WO2016041723A1

Abstract

Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides durch eine Rohrleitung (11) nach dem magnetisch-induktiven Messprinzip mit einem Messrohr (3) zumindest zwei am Messrohr (3) befestigten Magnetsystemen (9, 9‘, 9a, 9a‘) jeweils zur Erzeugung eines Magnetfeldes (10, 10a) im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung mit jeweils einem Spulenpaar (9, 9‘, 9a, 9a‘) mit einer ersten (9, 9a) und einer zweiten Spule (9‘, 9a‘), welche Spulen (9, 9‘, 9a, 9a‘) auf gegenüberliegenden Seiten entlang einer diametralen Verbindungslinie am Messrohr (3) befestigt sind, und welche zumindest zwei Magnetsysteme (9, 9‘, 9a, 9a‘) in Bezug auf die Verbindunglinien durch jedes der beiden Spulenpaare (9, 9‘, 9a, 9a‘) mit einem festen Winkel gegeneinander angeordnet sind, zumindest zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) jeweils zum Abgreifen einer induzierten Spannung mit jeweils einer ersten und zweiten Messelektrode, welche Messelektroden(8, 8a) jeweils auf gegenüberliegen Seiten entlang einer diametralen Verbindungslinie derart am Messrohr (3) befestigt sind, dass das erste (8) der mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) senkrecht zum ersten (9, 9‘) der mindestens zwei Spulenpaare (9, 9‘, 9a, 9a‘) und das zweite (8a) der mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) senkrecht zum zweiten (9a, 9a‘) der mindestens zwei Spulenpaare (9, 9‘, 9a, 9a‘) orientiert ist, und einer Elektronikeinheit (6) zur Signalerfassung, und/oder -auswertung, sowie zur Ansteuerung der Magnetsysteme (9, 9‘, 9a, 9a‘), welche Elektronikeinheit (6) so ausgestaltet ist, dass sie in einem ersten Zeitintervall ein erstes (9, 9‘) der mindestens zwei Spulenpaare (9, 9‘, 9a, 9a‘) ansteuert und eine erste induzierte Spannung über das erste (8) der mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) abgreift, dass sie in einem zweiten Zeitintervall ein zweites (9a, 9a‘) der mindestens zwei Spulenpaare (9, 9‘, 9a, 9a‘) ansteuert und eine zweite induzierte Spannung über ein zweites (8a) der mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) abgreift, und dass sie die mindestens zwei Werte für die induzierte Spannung mittelt und daraus den Durchfluss bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides durch ein Messrohr nach dem magnetisch-induktiven Messprinzip.
Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte finden vielfach Anwendung in der Prozess- und Automatisierungstechnik für Fluide ab einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 5µS/cm. Entsprechende Durchflussmessgeräte werden von der Anmelderin in unterschiedlichsten Ausführungsformen für verschiedene Anwendungsbereiche beispielsweise unter der Bezeichnung PROMAG vertrieben.
Das Messprinzip beruht auf dem Faraday´schen Gesetz der magnetischen Induktion und ist aus diversen Veröffentlichungen bekannt. Mittels eines an einem Messabschnitt befestigten Magnetsystems wird im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des leitfähigen Fluides ein Magnetfeld zeitlich konstanter Stärke erzeugt. Dadurch werden die im strömenden Fluid vorhandenen Ionen in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt. Die durch diese Ladungstrennung entstehende elektrische Spannung wird mittels mindestens eines ebenfalls im Messabschnitt befestigten Messelektrodenpaares abgegriffen. Die abgegriffene Spannung ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluides und damit proportional zum Volumendurchfluss.
Die Messgenauigkeit eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts hängt dabei von vielen verschiedenen Faktoren ab. Manche davon betreffen die Konstruktion an sich, wie beispielsweise die Positioniergenauigkeit des Magnetsystems, oder die Auslesung des Messsignals über das mindestens eine Messelektrodenpaar sowie dessen Geometrie. Weiterhin weisen die Messperformance und Messgenauigkeit eine empfindliche Abhängigkeit vom vorherrschenden Strömungsprofil des Fluides auf.
Das vorherrschende Strömungsprofil wiederum ist abhängig von der Reynoldszahl, welche von der Fließgeschwindigkeit, der Geometrie des Messrohres und dessen Oberflächenrauhigkeit im Inneren Bereich, von physikalischen und/oder chemischen Materialparametern des Fluides, wie beispielsweise der Viskosität, und von den Einlaufbedingungen des strömenden Fluides im Messrohr vor dem Messabschnitt, dem sogenannten Einlaufabschnitt, in welchem das Messgerät befestigt ist. Bei gegebener Durchflussmenge bzw. bei gegebenem Volumendurchfluss bestimmt sich die Fließgeschwindigkeit des Fluides aus der Querschnittsfläche des Messrohres. Für sehr geringe Fließgeschwindigkeiten liegt bei einem ausreichend langen geraden Einlaufabschnitt des Messrohres, an welchen sich der Messabschnitt anschließt, typischerweise ein laminares Strömungsprofil vor. Erhöht sich die Fließgeschwindigkeit bzw. die Reynoldszahl, gelangt man in einen Übergangsbereich, in welchem die Strömung anfällig wird für kleinste Störungen. In diesem Bereich ist eine vergleichsweise hohe Messwertabweichung zu beobachten. Erhöht man die Fließgeschwindigkeit weiter, so liegt ein zunehmend turbulentes Strömungsprofil vor, für welches die Messwertabweichung wieder vergleichbar ist mit derjenigen, welche für ein laminares Strömungsprofil vorherrscht. Sehr hohe Fließgeschwindigkeiten können allerdings nachteilig zum Auftreten von Kavitation führen.
Neben der Reynoldszahl wird das Strömungsprofil ebenfalls vom Verlauf der Rohrleitungen und dem Verlauf und der Länge des Einlaufabschnittes bestimmt. Ein Krümmer innerhalb der Rohrleitung beispielsweise beeinflusst das Strömungsprofil maßgeblich. Wird ein Durchflussgerät mehr oder weniger direkt im Anschluss an einen Krümmer angeordnet, so muss mit einer deutlichen Verschlechterung der Messgenauigkeit gerechnet werden. Es versteht sich von selbst, dass ein Krümmer nur ein Beispiel für eine solche Störung des Strömungsprofils ist, und dass die Betrachtungen auch für andere rohrleitungsbedingte Störungen gelten. Im Vergleich zu der Abhängigkeit des Strömungsprofils von der Reynoldszahl lässt sich der Einfluss der Rohrleitungen durch die geeignete Anordnung des Durchflussmessgeräts innerhalb der Rohrleitung minimieren. Deshalb ist es von Vorteil, wenn innerhalb der Rohrleitung dem Durchflussmessgerät ein ausreichend langer gerader Einlaufabschnitt vorausgeht. Dies ist allerdings in der Praxis nicht immer möglich.
Eine Bestrebung, die Messgenauigkeit in Bezug auf die Abhängigkeit vom vorherrschenden Strömungsprofil zu verbessern, ist in der EP2600119A1 bekannt geworden. Das Messrohr wird so ausgestaltet, dass es abschnittsweise unterschiedliche Querschnittsflächen aufweist. Insbesondere wird für den Messabschnitt eine kleinere Querschnittsfläche, insbesondere mit einem rechteckigen Messrohrprofil, gewählt als für die anderen beiden Abschnitte. Die Querschnittsflächenverringerung bietet den Vorteil, dass die Fließgeschwindigkeit des Fluides in diesem Bereich höher ist. Dadurch wird das vorherrschende Strömungsprofil konditioniert, was in einem großen Bereich der Fließgeschwindigkeit zu einer Verbesserung der Messperformance führt. Allerdings muss hierfür das ursprünglich gleichförmig ausgestaltete Messrohr im Bereich des Messabschnitts durch externe Krafteinwirkung verändert werden. Daher sind alternative Methoden zur Konditionierung des Strömungsprofils innerhalb des Messabschnitts wünschenswert, bei welchen das Messrohr nicht selbst verändert werden muss.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung des Durchflusses nach dem magnetisch-induktiven Messprinzip bereitzustellen, mit welcher bzw. mit welchem unabhängig von den Einlaufbedingungen des strömenden Fluides in den Messabschnitt eine hohe Messgenauigkeit erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides durch eine Rohrleitung nach dem magnetisch-induktiven Messprinzip mit

– einem Messrohr
– zumindest zwei am Messrohr befestigten Magnetsystemen jeweils zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung mit jeweils einem Spulenpaar mit einer ersten und einer zweiten Spule, welche Spulen auf gegenüberliegenden Seiten entlang einer diametralen Verbindungslinie am Messrohr befestigt sind, und welche zumindest zwei Magnetsysteme in Bezug auf die Verbindunglinien durch jedes der beiden Spulenpaare mit einem festen Winkel gegeneinander angeordnet sind,
– zumindest zwei Messelektrodenpaare jeweils zum Abgreifen einer induzierten Spannung mit jeweils einer ersten und zweiten Messelektrode, welche Messelektroden jeweils auf gegenüberliegen Seiten entlang einer diametralen Verbindungslinie derart am Messrohr befestigt sind, dass das erste der mindestens zwei Messelektrodenpaare senkrecht zum ersten der mindestens zwei Spulenpaare und das zweite der mindestens zwei Messelektrodenpaar senkrecht zum zweiten der mindestens zwei Spulenpaare orientiert ist, und
– einer Elektronikeinheit zur Signalerfassung, und/oder -auswertung, sowie zur Ansteuerung der Magnetsysteme, welche Elektronikeinheit so ausgestaltet ist, dass sie in einem ersten Zeitintervall ein erstes der mindestens zwei Spulenpaare ansteuert und eine erste induzierte Spannung über das erste der mindestens zwei Messelektrodenpaar abgreift, dass sie in einem zweiten Zeitintervall ein zweites der mindestens zwei Spulenpaare ansteuert und eine zweite induzierte Spannung über ein zweites der mindestens zwei Messelektrodenpaare abgreift, und dass sie die mindestens zwei Werte für die induzierte Spannung mittelt und daraus den Durchfluss bestimmt.

Durch die Verwendung von zumindest zwei Magnetsystemen und zumindest zwei Elektrodenpaaren sowie durch die Mittelung über die zumindest zwei Messsignale wird die Messabweichung ε, die Abweichung eines Messwertes vom wahren Wert der jeweiligen Messgröße, signifikant reduziert. Dieses Vorgehen ist durch folgende Analyse motiviert. Wird ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem Magnetsystem und einem Elektrodenpaar in Anschluss an einen Krümmer in der Rohrleitung angeordnet, so hängt die Messabweichung ε vom Winkel α zwischen der Achse durch die beiden Messelektroden und der Achse parallel zur Rohrleitung vor dem Krümmer ab. Werden nun zumindest zwei separate in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnete Magnetsysteme zur Messung des Durchflusses verwendet, so sind die jeweils erzeugten Messwerte mit einer unterschiedlichen Messabweichung behaftet. Durch geschickte Wahl der jeweiligen Ausrichtungen kann dann durch die Mittelung der beiden Messungen die Bestimmung des Durchflusses genauer erfolgen. Insbesondere können Verschlechterungen der Messperformance, welche erst durch die Störung des Strömungsprofils, wie beispielweise durch einen Krümmer erzeugt werden, ausgeglichen werden.
Entsprechend ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Winkel zwischen zumindest zwei der mindestens zwei Verbindungslinien durch jeweils eines der mindestens zwei Messelektrodenpaare im Falle, dass die Vorrichtung im Anschluss an einen Krümmer, insbesondere ein 90° Krümmer und/oder ein 90° Raumkrümmer, in der Rohrleitung angeordnet ist und die vorliegende Strömung eines Störung aufweist, geeignet eingestellt. Das bedeutet, dass der Winkel zwischen zumindest zwei der mindestens zwei Verbindungslinien so eingestellt ist, dass sich die Messabweichung als Funktion des Winkels α₁ zwischen der Längsachse der Rohrleitung vor dem Knick und der Verbindungslinie durch das erste der mindestens zwei Messelektrodenpaare und die Messabweichung als Funktion des Winkels α₂ zwischen der Rohrachse vor dem Krümmer und der Verbindungslinie durch das zweite der mindestens zwei Messelektrodenpaare sich gegenseitig im Wesentlichen kompensieren.
Die Abhängigkeit der Messabweichung als Funktion des Winkels α, ε(α) ist eine periodische Funktion des Winkels. Je nach Winkel liegt zum Beispiel entweder eine positive Messabweichung vor, was bedeutet, dass der Messwert größer ist als der wahre Wert, oder eine negative Messabweichung, bei welcher der Messwert entsprechend kleiner ist als der wahre Wert für den Durchfluss. Ordnet man die beiden Magnetsysteme nun so an, dass ε(α₁) > 0 und ε(α₂) < 0 und mittelt anschließend über die beiden Ergebnisse, kann für den Durchfluss eine genauere Messung erzielt werden. Im Idealfall sind die beiden Magnetfelder so ausgerichtet, dass sich die Messabweichungen ε(α₁) und ε(α₂) im Wesentlichen genau kompensieren.
Dies ist vorteilhaft der Fall, wenn die Differenz der beiden Winkel α₁ und α₂ δ = α₁ – α₂ einen festen Wert, insbesondere 90°, aufweist.
Ferner ist es dazu von Vorteil, wenn der Winkel zwischen zumindest zwei der mindestens zwei Verbindungslinien durch jeweils eines der mindestens zwei Messelektrodenpaare 90° beträgt. Zur konkreten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, für die zumindest zwei Magnetsysteme und entsprechend zwei Messelektrodenpaare vorgesehen sind, wobei der Winkel zwischen zumindest zwei der mindestens zwei Verbindungslinien durch jeweils eines der mindestens zwei Messelektrodenpaare 90° beträgt, sind verschiedene Ausgestaltungen denkbar. Einige vorteilhafte Beispiele sind in den Unteransprüchen genannt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Anordnungen unter die Erfindung fallen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist für jedes der mindestens zwei Magnetsysteme eine quadratische Anordnung mindestens eines Feldbleches zur Feldrückführung vorgesehen. Dabei kann im Unterschied zu anderen im Stand der Technik bekannt gewordenen Beispielen für magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Anordnungen von mehr als zwei Feldspulen in dieser Ausgestaltung auf Polschuhe verzichtet werden. Es versteht sich jedoch von selbst, dass dieser Verzicht nicht zwingend ist, sondern nur eine von mehreren Möglichkeiten der Ausgestaltung darstellt, und dass auch andere geeignete Ausgestaltungen der Magnetsysteme unter die Erfindung fallen.
Es ist von Vorteil, wenn ein quaderförmiges Gehäuse für die mindestens zwei Magnetsysteme vorgesehen ist.
In einer alternativen Ausgestaltung ist das Gehäuse an den Kanten abgeschrägt. Bei einem derartig abgeschrägten Gehäuse müssen gegebenenfalls auch zusammen mit den Spulen angeordnete Rückführbleche abgeschrägt werden. Eine derartige Konstruktion ist deutlich platzsparender als ein quaderförmiges Gehäuse, insbesondere bei großen Nennweiten des Messrohres.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das vom jeweiligen der mindestens zwei Spulenpaare erzeugte Magnetfeld im Wesentlichen homogen.
Alternativ ist es ebenfalls von Vorteil, wenn das vom jeweiligen der mindestens zwei Spulenpaare erzeugte Magnetfeld im Bereich der Messelektrodenpaare größer als im Zentralbereich des Messrohres ist. Ein derart konstruiertes Magnetfeld erhöht die Messperformance des Durchflussmessgeräts.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein Bezugspotential für die mindestens zwei Messelektrodenpaare gegeben durch das Messrohr oder einen Prozessanschluss. Es wäre auch denkbar, das Bezugspotential jeweils über eine der Messelektroden des im jeweiligen Zeitintervall nicht aktiven Messelektrodenpaares abzugreifen. Dies führt jedoch nachteilig zu Verzögerungen und Störungen während des Umschaltens zwischen den zumindest zwei Magnetsystemen.
Es ist dabei von Vorteil, wenn ein Erdungsring vorgesehen ist, über welchen Erdungsring das Bezugspotential vorgegeben ist, und welcher in einen Prozessanschluss integriert ist. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Möglichkeiten zum Abgreifen des Bezugspotentials bestehen, die ebenfalls unter die Erfindung fallen.
Schließlich ist es von Vorteil, wenn die beiden Magnetsysteme im gleichen Raumbereich um das Messrohr herum angeordnet sind. So weisen sie den gleichen Abstand zur Ursache für die Störung des Strömungsprofils, also beispielsweise den gleichen Abstand zu einem Krümmer, auf. Entsprechend liegt den beiden Messungen das gleiche Strömungsprofil zugrunde.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides durch eine Rohrleitung nach dem magnetisch-induktiven Messprinzip, wobei in einem Messrohr zumindest zwei Magnetfelder im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung erzeugt werden derart, dass die beiden Magnetfelder einen festen Winkel zueinander aufweisen, wobei für jedes der zumindest zwei Magnetfelder eine induzierte Spannung abgegriffen wird, wobei in einem ersten Zeitintervall ein erstes Magnetfeld erzeugt wird und eine erste induzierte Spannung abgegriffen wird, wobei in einem zweiten Zeitintervall ein zweites Magnetfeld erzeugt wird und eine zweite induzierte Spannung abgegriffen wird, und dass die mindestens zwei Werte für die induzierte Spannung gemittelt werden und daraus der Durchfluss bestimmt wird.
Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 3 beschrieben. Es zeigt:
1 ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät gemäß dem Stand der Technik
2 eine Illustrierung der Abhängigkeit ε(α)

a) Ausschnitt einer Rohrleitung mit einem Krümmer und ein im Anschluss an den Krümmer angeordnetes Durchflussmessgerät
b) Schematische Skizze der Funktion ε(α)

3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung

a) in einer zweidimensionalen Ansicht
b) ein erfindungsgemäßes Magnetsystem
c) ein erfindungsgemäßes Magnetsystem mit abgeschrägten Kanten
d) in einer Ansicht mit Fokus auf die Erdung der Messelektrodenpaare

In 1 ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 1 zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides 2 durch ein Messrohr 3 gezeigt. Das Messrohr 3 ist im dem Fluid zugewandten Bereich, d. h. an der Innenseite über die ganze Länge, mit einem elektrisch isolierenden Liner 4 versehen. Es ist zweckdienlich, das Messrohr 3 in einen Einlaufabschnitt 3a, einen Messabschnitt 3b, an welchem die Sensoreinheit angebracht ist, und einen Ausströmabschnitt 3c zu unterteilen. Für die Sensoreinheit sind ein Messelektrodenpaar 8 zum Abgreifen der induzierten Spannung sowie das Magnetsystem 9, 9‘, welches der Einfachheit halber durch zwei Quader dargestellt ist, gezeigt. Das Magnetsystem 9, 9‘ umfasst zumindest zwei Spulen 9, 9‘ zur Erzeugung des Magnetfeldes 10 und gegebenenfalls auch Polschuhe zur Realisierung einer vorteilhaften räumlichen Verteilung und/oder Feldbleche. Die Verbindungsachsen des Messelektrodenpaares 8 und der Feldspulen 9 verlaufen jeweils senkrecht zueinander, wobei die beiden Feldspulen und die beiden Messelektroden 8 jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Messrohres 3 positioniert sind.
Die Sensoreinheit mit ihren jeweiligen Komponenten wie z. B, dem Messelektrodenpaar 8 und dem Magnetsystem 9, 9‘ ist üblicherweise zumindest teilweise von einem Gehäuse 5 umgeben. Im Gehäuse 5 oder im vorliegenden Falle außerhalb des Gehäuses 5 ist weiterhin eine Elektronikeinheit 6 vorgesehen welche über ein Verbindungskabel 7 mit dem Feldgerät 1 elektrisch verbunden ist. Die Elektronikeinheit dient der Signalerfassung und/oder -auswertung und der Speisung der Spulen, sowie als Schnittstelle zur Umgebung, z. B. der Messwertausgabe oder Einstellung des Geräts.
Die Messgenauigkeit des Durchflussmessgeräts 1 hängt von den Einlaufbedingungen des strömenden Fluides im Einlaufabschnitt 3a ab. Beispielsweise sorgt ein Krümmer 12 [s. 2] in der Rohrleitung für eine Störung des Strömungsprofils und vermindert die Messgenauigkeit. Diese Abhängigkeit lässt sich qualitativ und quantitativ erfassen. Dazu ist in 2 die Abhängigkeit ε(α) der Messabweichung vom Winkel α zwischen der Achse durch die beiden Messelektroden 13 und der Achse parallel zur Rohrleitung 14 vor dem Krümmer 12 illustriert. In 2a) ist eine Skizze eines Ausschnitts einer Rohrleitung 11 mit einem Krümmer 12 und ein im Anschluss an den Krümmer 12 angeordnetes Durchflussmessgerät 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt, wobei der Winkel α eingezeichnet ist. Dadurch, dass sich der Einlaufabschnitt 3a des Messrohres 3 direkt an den Krümmer 12 anschließt, beeinträchtigt die durch den Krümmer 12 hervorgerufene Strömungsstörung die Genauigkeit der Messung des Durchflusses. Betrachtet man die Messabweichung des Durchflussmessgeräts 1 als Funktion des Winkels α, so findet man eine periodische Abhängigkeit. Ein möglicher Verlauf der Funktion ε(α) ist in 2b) dargestellt. Für bestimmte Winkel α ist ε(α) < 0, für andere Winkel gilt ε(α) > 0. Werden im Anschluss an den Krümmer 12 in der Rohrleitung 11 nun mindestens zwei Magnetsysteme 9, 9‘, 9a, 9a‘ und zwei Messelektrodenpaare 8, 8a angeordnet, so sind die beiden vom jeweiligen Magnetsystem 9, 9‘, 9a, 9a‘ mit dem jeweiligen Messelektrodenpaar 8, 8a erzeugten Messwerte mit einer unterschiedlichen Messabweichung behaftet. Für bestimmte Winkeldifferenzen 15 δ = α2 – α1 kann entsprechend erreicht werden, dass sich die Messabweichungen der beiden Messwerte gegenseitig im Wesentlichen kompensieren. Als Konsequenz wird der durch den Krümmer 12 hervorgerufene Anstieg der Messabweichung ausgeglichen. Im Falle eines 90° Krümmers 12 kann eine derartige Kompensation erreicht werden, indem die mindestens zwei Magnetsysteme 9, 9‘, 9a, 9a‘ bzw. Elektrodenpaare 8, 8a senkrecht zueinander angeordnet werden. Es versteht sich von selbst, dass die vorangegangenen Betrachtungen nicht nur für Krümmer 12 in der Rohrleitung auftreten, sondern ebenfalls für andere Arten einer Störung des Strömungsprofils. Insbesondere kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die OIML R49 Norm erfüllt werden.
In 3a) ist schließlich eine erfindungsgemäße Vorrichtung in zweidimensionaler Ansicht gezeigt, mit zwei Magnetsystemen 9, 9‘, 9a, 9a‘ und zwei Messelektrodenpaaren 8, 8a gezeigt, welche senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Im Messbetrieb wird in einem ersten Zeitintervall mittels des ersten Magnetsystems 9, 9‘ ein erstes Magnetfeld (B₁) 10 erzeugt, und die induzierte Spannung vom ersten Messelektrodenpaar 8 abgegriffen. In einem zweiten Zeitintervall wird dann mittels des zweiten Magnetsystems 9a, 9a‘ ein zweites Magnetfeld (B₂) 10a senkrecht zu (B₁) 10 erzeugt, und die induzierte Spannung wird entsprechend vom zweiten Messelektrodenpaar 8a abgegriffen. Anschließend wird über die beiden Messwerte gemittelt und der Durchfluss bestimmt.
Für die detaillierte Anordnung eine Durchflussmessgeräts mit zumindest zwei Magnetsystemen 9, 9‘, 9a, 9a‘ und zumindest zwei Messelektrodenpaaren 8, 8a, welche in einem bestimmten Winkel α zueinander angeordnet sind, sind viele verschiedene Ausgestaltungen denkbar. Eine mögliche Anordnung ist in 3b) gezeigt. Für jedes der zwei Magnetsysteme 9, 9‘, 9a, 9a‘ ist eine quadratische Anordnung mindestens eines Feldbleches 16 zur Feldrückführung vorgesehen. Polschuhe sind in dieser Anordnung nicht integriert. Dies ist die einfachste geometrische Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Allerdings ist diese für die Praxis eher weniger geeignet. Die Abhängigkeit der erzeugten Magnetfelder 10, 10‘ von Fremdfeldern und magnetischem Fremdmaterial, sowie das Streufeld wären viel zu groß. Darüber hinaus würde das Durchflussmessgerät 1 für größere Nennweiten des Messrohres 3 sehr groß werden, was ebenfalls von Nachteil sein kann.
Aus diesem Grund ist es zweckdienlich, die Ecken des Gehäuses 5 und entsprechend auch der Feldbleche 16 abzuschrägen 17, wie in 3c) gezeigt. Dies führt zwar in Bezug auf die im Inneren des Durchflussmessgeräts herrschenden Magnetfelder 10, 10a zwar zu einem leichten Verlust der Messperformance, aber dafür sind die Streufelder bedeutend kleiner. Somit kann durch eine leichte Abschrägung der Kanten 17 im Gesamteffekt durch die Abschrägung der Kanten 17 ein gutes Ergebnis erzielt werden. Die Abschrägungen 17 betreffen sowohl das Gehäuse 5 [nicht eingezeichnet] als auch die Feldbleche 16.
Es versteht sich von selbst, dass für die geometrische Anordnung der Magnetsysteme 9, 9‘, 9a, 9a‘ noch viele weitere Möglichkeiten vorhanden sind, die ebenfalls unter die Erfindung fallen. Beispielsweise ist in der DE202012104036U1 ein modularer Aufbau eines Magnetsystems und mehreren Feldspulen bekannt geworden. Ausgehend von dieser Schrift kann beispielsweise für die vorliegende Erfindung ein passendes Magnetsystem 9, 9‘, 9a, 9a‘ konstruiert werden, welches ebenfalls einen modularen Aufbau der einzelnen Komponenten aufweist. Ebenfalls versteht es sich von selbst, dass je nach Art der Störung der Rohrleitung 11 andere Winkeldifferenzen δ vorteilhaft sind. Schließlich kann es für bestimmte Anwendungen von Vorteil sein, wenn mehr als zwei Magnetsysteme 9, 9‘, 9a, 9a‘, ... verwendet werden. Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn die beiden Magnetsysteme 9, 9‘, 9a, 9a‘ im gleichen Raumbereich um das Messrohr 3 angeordnet sind. In anderen Fällen kann jedoch ebenfalls ein räumlicher Versatz der einzelnen Magnetsysteme 9, 9‘, 9a, 9a‘, oder für einige der Magnetsysteme 9, 9‘, 9a, 9a‘ von Vorteil sein.
In 3d) ist schließlich eine Möglichkeit zum Abgreifen eines Bezugspotentials für die zumindest zwei Messelektrodenpaare 8, 8a gezeigt. Es sind zwei Erdungsringe 18, 18a jeweils in Prozessanschlüsse des Messrohres 3 integriert. Auf diese Weise können Störungen und Verzögerungen während des Umschaltens zwischen den beiden Magnetsystemen vermieden werden. Es versteht sich von selbst, dass für das Abgreifen des Bezugspotentials für die zumindest zwei Messelektrodenpaare 8, 8a auch weitere Ausgestaltungen denkbar sind, welche ebenfalls unter die Erfindung fallen.
Bezugszeichenliste

1: magnetisch induktives Durchflussmessgerät gemäß Stand der Technik
2: strömendes Fluid
3: Messrohr
4: elektrisch isolierende Auskleidung, Liner
5: Gehäuseeinheit oder Gehäuse
6: Elektronikeinheit
7: Verbindungskabel
8, 8a: Messelektrodenpaare
9, 9‘, 9a, 9a‘: Magnetsysteme mit jeweils zumindest zwei Spulen
10, 10a: Magnetfeld senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluides und zu den jeweiligen Verbindungsachsen des ersten und zweiten Messelektrodenpaares
11: Ausschnitt der Rohrleitung
12: Krümmer
13, 13a: Achse durch je ein Messelektrodenpaar
14: Achse parallel zur Rohrleitung vor dem Krümmer
15: Winkeldifferenz δ = α2 – α1
16: Feldbleche der Magnetsysteme
17: Abschrägungen
18, 18a: in Prozessanschlüsse integrierte Erdungsringe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2600119 A1 [0007]
DE 202012104036 U1 [0034]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

OIML R49 Norm [0030]

Claims

Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides durch eine Rohrleitung (11) nach dem magnetisch-induktiven Messprinzip mit – einem Messrohr (3) – zumindest zwei am Messrohr (3) befestigten Magnetsystemen (9, 9‘, 9a, 9a‘) jeweils zur Erzeugung eines Magnetfeldes (10, 10a) im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung mit jeweils einem Spulenpaar (9, 9‘, 9a, 9a‘) mit einer ersten (9, 9a) und einer zweiten Spule (9‘, 9a‘), welche Spulen (9, 9‘, 9a, 9a‘) auf gegenüberliegenden Seiten entlang einer diametralen Verbindungslinie am Messrohr (3) befestigt sind, und welche zumindest zwei Magnetsysteme (9, 9‘, 9a, 9a‘) in Bezug auf die Verbindunglinien durch jedes der beiden Spulenpaare (9, 9‘, 9a, 9a‘) mit einem festen Winkel gegeneinander angeordnet sind, – zumindest zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) jeweils zum Abgreifen einer induzierten Spannung mit jeweils einer ersten und zweiten Messelektrode, welche Messelektroden(8, 8a) jeweils auf gegenüberliegen Seiten entlang einer diametralen Verbindungslinie derart am Messrohr (3) befestigt sind, dass das erste (8) der mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) senkrecht zum ersten (9, 9‘) der mindestens zwei Spulenpaare (9, 9‘, 9a, 9a‘) und das zweite (8a) der mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) senkrecht zum zweiten (9a, 9a‘) der mindestens zwei Spulenpaare (9, 9‘, 9a, 9a‘) orientiert ist, und – einer Elektronikeinheit (6) zur Signalerfassung, und/oder -auswertung, sowie zur Ansteuerung der Magnetsysteme (9, 9‘, 9a, 9a‘), welche Elektronikeinheit (6) so ausgestaltet ist, dass sie in einem ersten Zeitintervall ein erstes (9, 9‘) der mindestens zwei Spulenpaare (9, 9‘, 9a, 9a‘) ansteuert und eine erste induzierte Spannung über das erste (8) der mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) abgreift, dass sie in einem zweiten Zeitintervall ein zweites (9a, 9a‘) der mindestens zwei Spulenpaare (9, 9‘, 9a, 9a‘) ansteuert und eine zweite induzierte Spannung über ein zweites (8a) der mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) abgreift, und dass sie die mindestens zwei Werte für die induzierte Spannung mittelt und daraus den Durchfluss bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Winkel zwischen zumindest zwei der mindestens zwei Verbindungslinien durch jeweils eines der mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) im Falle, dass die Vorrichtung im Anschluss an einen Krümmer, insbesondere ein 90° Krümmer und/oder ein 90° Raumkrümmer (12), in der Rohrleitung (11) angeordnet ist und die vorliegende Strömung eines Störung aufweist, derart eingestellt ist, dass sich die Messabweichung als Funktion des Winkels α₁ zwischen der Längsachse der Rohrleitung (14) vor dem Krümmer (12) und der Verbindungslinie (13) durch das erste (8) der mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) und die Messabweichung als Funktion des Winkels α₂ zwischen der Rohrachse (14) vor dem Krümmer (12) und der Verbindungslinie (13a) durch das zweite (8a) der mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) gegenseitig im Wesentlichen kompensieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Differenz 15 der beiden Winkel α₁ und α₂ δ = α₁ – α₂ einen festen Wert, insbesondere 90°, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Winkel zwischen zumindest zwei der mindestens zwei Verbindungslinien (13, 13a) durch jeweils eines der mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) 90° beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jedes der mindestens zwei Magnetsysteme (9, 9‘, 9a, 9a‘) eine quadratische Anordnung mindestens eines Feldbleches (16) zur Feldrückführung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein quaderförmiges Gehäuse (5) für die mindestens zwei Magnetsysteme (9, 9‘, 9a, 9a‘) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Gehäuse (5) an den Kanten abgeschrägt (17) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das vom jeweiligen der mindestens zwei Spulenpaare (9, 9‘, 9a, 9a‘) erzeugte Magnetfeld (10, 10a) im Wesentlichen homogen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das vom jeweiligen der mindestens zwei Spulenpaare (9, 9‘, 9a, 9a‘) erzeugte Magnetfeld (10, 10a) im Bereich der Messelektrodenpaare (8, 8a) größer als im Zentralbereich des Messrohres (3) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Bezugspotential für die mindestens zwei Messelektrodenpaare (8, 8a) gegeben ist durch das Messrohr (3) oder einen Prozessanschluss.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Erdungsring (18) vorgesehen ist, über welchen Erdungsring (18) das Bezugspotential vorgegeben ist, und welcher in einen Prozessanschluss integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die beiden Magnetsysteme (9, 9‘, 9a, 9a‘) im gleichen Raumbereich um das Messrohr (3) herum angeordnet sind.
Verfahren zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides (2) durch eine Rohrleitung (11) nach dem magnetisch-induktiven Messprinzip, wobei in einem Messrohr (3) zumindest zwei Magnetfelder (10, 10a) im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung erzeugt werden derart, dass die beiden Magnetfelder (10, 10a) einen festen Winkel zueinander aufweisen, wobei für jedes der zumindest zwei Magnetfelder (10, 10a) eine induzierte Spannung abgegriffen wird, wobei in einem ersten Zeitintervall ein erstes Magnetfeld (10) erzeugt wird und eine erste induzierte Spannung abgegriffen wird, wobei in einem zweiten Zeitintervall ein zweites Magnetfeld (10a) erzeugt wird und eine zweite induzierte Spannung abgegriffen wird, und dass die mindestens zwei Werte für die induzierte Spannung gemittelt werden und daraus der Durchfluss bestimmt wird.