DE102014214740A1

DE102014214740A1 - Magnetic-inductive flowmeter

Info

Publication number: DE102014214740A1
Application number: DE102014214740.9A
Authority: DE
Inventors: Walter Reichart; Sven Quant
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2016-01-28

Abstract

Dargestellt und beschreiben ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (1) zur Messung des Durchflusses eines strömenden, leitfähigen Mediums in einem Rohrabschnitt (2), mit einer Spule zur Erzeugung eines Magnetfeld, das senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft, mit zwei das Medium berührende Messelektroden (M1, M2) zum Abgriff der durch die Strömung bewirkten Induktionsspannung und mit einer Auswerteeinheit (4) zur Ermittlung der Strömungsmenge aus der Induktionsspannung, wobei den beiden Messelektroden (M1, M2) zum Reinigen ihrer Stirnflächen jeweils ein piezoelektrischer Wandler (10a, 10b) zugeordnet ist. Um die Reinigung der Messelektroden weiter zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die beiden piezoelektrischen Wandler (10a, 10b) jeweils eine erste Ansteuerelektrode (E1, E3) und eine zweite Ansteuerelektrode (E2, E4) aufweisen und über diese Ansteuerelektroden (E1, E2, E3, E4) mittels eines dazugehörigen Frequenzgenerators (15) aktiviert werden, und dass die beiden ersten Ansteuerelektroden (E1, E3) der Wandler (10a, 10b) als die zwei das Medium berührenden Messelektroden (M1, M2) zum Abgriff der durch die Strömung bewirkten Induktionsspannung ausgeführt sind, wobei eine Umschaltvorrichtung (20) vorgesehen ist, durch die die beiden mediumsberührenden ersten Ansteuerelektroden (E1, E3) abwechselnd mit einem Messpfad (MP) zum Abgriff der Messspannung und einem Reinigungspfad (RP) zur Verbindung mit dem Frequenzgenerator (15) verbunden sind.Shown and described is a magnetic-inductive flowmeter (1) for measuring the flow of a flowing, conductive medium in a pipe section (2), with a coil for generating a magnetic field which is perpendicular to the flow direction, with two measuring electrodes touching the medium (M1 , M2) for tapping off the induction voltage caused by the flow and with an evaluation unit (4) for determining the flow rate from the induction voltage, wherein the two measuring electrodes (M1, M2) are each assigned a piezoelectric transducer (10a, 10b) for cleaning their end faces , In order to further improve the cleaning of the measuring electrodes, it is provided according to the invention that the two piezoelectric transducers (10a, 10b) each have a first drive electrode (E1, E3) and a second drive electrode (E2, E4) and via these drive electrodes (E1, E2 , E3, E4) are activated by means of a corresponding frequency generator (15), and that the two first drive electrodes (E1, E3) of the transducers (10a, 10b) as the two contacting the medium measuring electrodes (M1, M2) for the Are provided with a switching device (20) through which the two medium-contacting first drive electrodes (E1, E3) alternately with a measuring path (MP) for tapping the measuring voltage and a cleaning path (RP) for connection to the frequency generator ( 15) are connected.

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a magnetic-inductive flowmeter according to the preamble of claim 1.

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, deren Funktionsweise auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion (= Faraday'sche Induktion) beruht, sind seit vielen Jahren bekannt und werden in der industriellen Messtechnik umfangreich eingesetzt. Nach dem Induktionsgesetz entsteht in einem strömenden Medium, das Ladungsträger mit sich führt und durch ein Magnetfeld hindurchfließt, eine elektrische Feldstärke senkrecht zur Strömungsrichtung und senkrecht zum Magnetfeld. Das Induktionsgesetz wird bei magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten dadurch ausgenutzt, dass mittels einer Magnetfelderzeugungseinrichtung, die üblicherweise zwei bestromte Magnetspulen aufweist, ein Magnetfeld erzeugt wird, das wenigstens teilweise durch das Messrohr geführt wird, wobei das erzeugte Magnetfeld wenigstens eine Komponente aufweist, die senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft. Innerhalb des Magnetfeldes liefert jedes sich durch das Magnetfeld bewegende und eine gewisse Anzahl von Ladungsträgern aufweisenden Volumenelement des strömenden Mediums mit der in diesem Volumenelement entstehenden Feldstärke einen Beitrag zu einer über die Elektroden abgreifbaren Messspannung.Magnetic-inductive flowmeters whose operation is based on the principle of electromagnetic induction (= Faraday induction) have been known for many years and are widely used in industrial metrology. According to the law of induction, an electric field strength arises perpendicular to the flow direction and perpendicular to the magnetic field in a flowing medium which carries charge carriers with it and flows through a magnetic field. The law of induction is exploited in magnetic-inductive flowmeters in that by means of a magnetic field generating device, which usually has two energized magnetic coils, a magnetic field is at least partially passed through the measuring tube, wherein the generated magnetic field has at least one component perpendicular to the flow direction runs. Within the magnetic field, each volume element of the flowing medium moving through the magnetic field and having a certain number of charge carriers with the field strength arising in this volume element makes a contribution to a measurement voltage which can be tapped off via the electrodes.

Problematisch sind nun Sedimente und Partikel, die das zu messende Medium mit sich führt und die sich an der Innenwand des Messrohres ablagern. Besonders problematisch sind dabei Ablagerungen an den Messelektroden, die die strömungsabhängige Induktionsspannung abgreifen. Hierdurch kann das Ergebnis der Durchflussmessung erheblich beeinflusst werden, was zu fehlerhaften bzw. ungenauen Messwerten führt.Now problematic are sediments and particles which carry the medium to be measured and which are deposited on the inner wall of the measuring tube. Particularly problematic are deposits on the measuring electrodes, which tap the flow-dependent induction voltage. As a result, the result of the flow measurement can be significantly influenced, resulting in erroneous or inaccurate readings.

Um Ablagerungen zu vermeiden schlägt die DE 30 37 170 A1 vor, die Messelektroden mittels Ultraschall zu reinigen. Die Ultraschallreiniger bestehen hier aus Ultraschallwandlern in Form von piezoelektrischen Scheiben, die in oder auf den Elektrodenkörpern angeordnet sind und durch einen Ultraschallfrequenzgenerator periodisch erregt werden. Die Elektroden sind dabei so geformt, dass die Schwingung des Wandlers zu der Stirnfläche der Elektrode übertragen wird, welche mit dem Medium in Berührung ist, und die Elektrodenstirnfläche gereinigt wird.To avoid deposits suggests the DE 30 37 170 A1 to clean the measuring electrodes by means of ultrasound. The ultrasonic cleaners here consist of ultrasonic transducers in the form of piezoelectric disks, which are arranged in or on the electrode bodies and are periodically excited by an ultrasonic frequency generator. The electrodes are shaped so that the vibration of the transducer is transmitted to the end face of the electrode, which is in contact with the medium, and the electrode end face is cleaned.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Reinigung der Elektroden eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes weiter zu verbessern.The object of the invention is to further improve the cleaning of the electrodes of a magnetic-inductive flowmeter.

Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.The indicated object is achieved by a magnetic-inductive flowmeter with the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Kern der Erfindung ist es, die Messelektroden und die zu ihrer Reinigung vorgesehenen piezoelektrischen Wandler nicht mehr separat auszuführen, sondern die ohnehin für die Durchflussmessung vorhandenen beiden Messelektroden auch als eine von jeweils zwei Ansteuerelektroden für die piezoelektrischen Wandler zu verwenden. Dadurch vereinfacht sich der konstruktive Aufbau und es ist sichergestellt, dass die Reinigung tatsächlich wirkt, da die Messelektroden jetzt jeweils Teil der piezoelektrischen Wandler sind.The core of the invention is no longer to carry out separately the measuring electrodes and the piezoelectric transducers intended for their cleaning, but also to use the two measuring electrodes, which are already used for the flow measurement, as one of two drive electrodes for the piezoelectric transducers. This simplifies the design and it is ensured that the cleaning actually works because the measuring electrodes are now each part of the piezoelectric transducer.

Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit einer Figur anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der nachfolgenden Figur bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.The invention will be explained in more detail in connection with a figure with reference to an embodiment. In the following figure, unless otherwise stated, like reference numerals designate like parts with the same meaning.

Die einzige Figur zeigt schematisch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 1 im Querschnitt. Das Messrohr 2 bzw. der entsprechende Rohrabschnitt weist an seiner linken und rechten Seite jeweils eine Messelektrode M1, M2 auf. Der grundsätzliche Aufbau eines magnetisch-induktives Durchflussmessgeräts 1 ist seit vielen Jahren bekannt, so dass auf eine detaillierte Darstellung, insbesondere der Spulen, die ein senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufendes Magnetfeld erzeugen, verzichtet wurde. Die Messelektroden M1, M2 greifen die durch die Strömung des Mediums in dem Magnetfeld bewirkte Induktionsspannung ab. Diese Spannungssignale werden zunächst einer Verstärkereinheit 3 zugeführt und dann einer Auswerteeinheit 4, so dass an deren Ausgang ein die Durchflussgeschwindigkeit repräsentierendes und – von einer übergeordneten Steuereinheit, z. B. einer SPS – weiterverarbeitbares Signal anliegt. Insoweit entspricht der beschriebene Aufbau dem eines herkömmlichen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts. The single figure shows schematically a magnetic-inductive flowmeter 1 in cross section. The measuring tube 2 or the corresponding pipe section has on each of its left and right sides a measuring electrode M1, M2. The basic structure of a magnetic-inductive flowmeter 1 has been known for many years, so that was dispensed with a detailed representation, in particular of the coils that produce a perpendicular to the flow direction magnetic field. The measuring electrodes M1, M2 intercept the induced voltage caused by the flow of the medium in the magnetic field. These voltage signals are first an amplifier unit 3 fed and then an evaluation 4 , so that at the output of a flow rate representing and - from a higher-level control unit, eg. B. a PLC - processed signal is applied. In that regard, the structure described corresponds to that of a conventional magnetic-inductive flowmeter.

Das Besondere an dem erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts 1 ist nun, dass auf Höhe der Messelektroden M1, M2 jeweils ein piezoelektrischer Wandler 10a, 10b angeordnet ist. Beide piezoelektrischen Wandler 10a, 10b weisen jeweils eine erste Ansteuerelektrode E1, E3 und eine zweite Ansteuerelektrode E2, E4 auf. Ein Signalgenerator 15 erzeugt bspw. ein sinusförmiges Spannungssignal und ist fest mit den beiden zweiten Ansteuerelektroden E2, E4 verbunden. The special feature of the magnetic-inductive flowmeter according to the invention 1 is now that at the level of the measuring electrodes M1, M2 each have a piezoelectric transducer 10a . 10b is arranged. Both piezoelectric transducers 10a . 10b each have a first drive electrode E1, E3 and a second drive electrode E2, E4. A signal generator 15 generates, for example, a sinusoidal voltage signal and is firmly connected to the two second drive electrodes E2, E4.

Erfindungsgemäß fungieren die beiden ersten Ansteuerelektroden E1, E3 der beiden piezoelektrischen Wandler 10a, 10b gleichzeitig auch als die zum Abgriff der strömungsabhängigen Induktionsspannung benötigten Messelektroden M1, M2. Hierfür ist eine Umschaltvorrichtung 20 vorgesehen, durch die die beiden mediumsberührenden Elektroden M1/E1, M2/E3 abwechselnd mit einem Messpfad MP zum Abgriff der Messspannung und einem Reinigungspfad RP zur Verbindung mit dem Frequenzgenerator 15 verbunden sind. Genauer gesagt arbeiten die beiden mediumsberührenden Elektroden als Messelektroden M1, M2, wenn sie die Umschaltvorrichtung 20 über den Messpfad MP mit der Verstärkereinheit 3 verbunden hat, und wenn die Umschaltvorrichtung 20 sie über den Reinigungspfad RP mit dem Signalgenerator 15 verbunden hat, arbeiten sie als die beiden ersten Ansteuerelektroden E1, E3 für die piezoelektrischen Wandler 10a, 10b.According to the invention, the two first drive electrodes E1, E3 of the two piezoelectric transducers function 10a . 10b at the same time as required for tapping the flow-dependent induction voltage measuring electrodes M1, M2. This is a switching device 20 intended, by the two medium-contacting electrodes M1 / E1, M2 / E3 alternately with a measuring path MP for tapping the measuring voltage and a cleaning path RP for connection to the frequency generator 15 are connected. More specifically, the two medium-contacting electrodes operate as measuring electrodes M1, M2 when they use the switching device 20 via the measuring path MP with the amplifier unit 3 connected, and when the switching device 20 via the cleaning path RP with the signal generator 15 connected, they work as the two first drive electrodes E1, E3 for the piezoelectric transducers 10a . 10b ,

Die Umschaltvorrichtung 20 besteht im Wesentlichen aus einem Schalter 21, der von einem Steuergerät 22 beeinflusst wird. Die beiden dargestellten Schalter 21 werden vom Steuergerät 22 gleichzeitig beeinflusst und schalten somit synchron zwischen den beiden Pfaden, Messpfad MP und Reinigungspfad RP, um. The switching device 20 consists essentially of a switch 21 that of a control unit 22 being affected. The two switches shown 21 be from the controller 22 simultaneously influenced and thus switch synchronously between the two paths, measuring path MP and cleaning path RP to.

Das Verhältnis, mit dem die beiden mediumsberührenden Elektroden M1/E1, M2/E3 mit dem Messpfad MP oder dem Reinigungspfad RP verbunden sind, richtet sich maßgeblich danach, welches Medium sich in dem Rohr 2 befindet, d.h. mit welcher Verschmutzung bzw. Ablagerung an den Messelektroden M1, M2 zu rechnen ist, und nach der gewünschten Genauigkeit der Durchflussmessung, was insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn die Strömungsgeschwindigkeit starken Schwankungen unterworfen ist. Ein optimales Verhältnis zwischen Mess- und Reinigungszyklus ist demzufolge von den jeweiligen Bedingungen abhängig. So gibt es Anwendungen, bei denen mit sehr schnellen Ablagerungen, z.B. bei biologischem Wachstum, gerechnet werden muss, dem dann mit einem stündlichen Reinigungszyklus begegnet werden kann. In anderen Fällen bauen sich Ablagerungen durch Anhaftung häufig über mehrere Tage auf und erlauben deshalb einen wöchentlichen Reinigungszyklus. In kritischen Fällen ist die Reinigung im Minutenabstand sinnvoll. Letztlich ist entscheidend, dass für die Dauer der Reinigung das Strömungsmesssignal nicht zur Verfügung steht, weshalb zumeist ein kurzes, sich häufiger wiederholendes Reinigungsmuster zu bevorzugen ist (Reingung < 100ms).The ratio with which the two medium-contacting electrodes M1 / E1, M2 / E3 are connected to the measuring path MP or the cleaning path RP depends essentially on which medium is in the tube 2 is, that is to be expected with what contamination or deposition of the measuring electrodes M1, M2, and the desired accuracy of the flow measurement, which is particularly important if the flow rate is subject to strong fluctuations. An optimal ratio between the measuring and cleaning cycle is therefore dependent on the respective conditions. There are applications where very rapid deposits, eg biological growth, have to be expected, which can then be dealt with with an hourly cleaning cycle. In other cases, build-up deposits often build up over several days and therefore permit a weekly cleaning cycle. In critical cases, cleaning at minute intervals makes sense. Ultimately, it is crucial that for the duration of the cleaning, the flow measurement signal is not available, which is why usually a short, more frequently repeating cleaning pattern is preferable (cleaning <100ms).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3037170 A1 [0004]

Claims

Magnetic-inductive flowmeter ( 1 ) for measuring the flow of a flowing, conductive medium in a pipe section ( 2 ), - with a coil for generating a magnetic field, which is perpendicular to the flow direction, - with two contacting the medium measuring electrodes (M1, M2) for tapping the induction voltage caused by the flow and - with an evaluation unit ( 4 ) for determining the flow rate from the induction voltage, wherein the two measuring electrodes (M1, M2) for cleaning their end faces in each case a piezoelectric transducer ( 10a . 10b ), characterized in that the two piezoelectric transducers ( 10a . 10b ) each have a first drive electrode (E1, E3) and a second drive electrode (E2, E4) and via these drive electrodes (E1, E2, E3, E4) by means of an associated frequency generator ( 15 ) are activated, and that the two first drive electrodes (E1, E3) of the converter ( 10a . 10b ) are designed as the two measuring electrodes (M1, M2) touching the medium for tapping off the induced voltage caused by the flow, wherein a switching device ( 20 ) is provided, by which the two medium-contacting first drive electrodes (E1, E3) alternately with a measurement path (MP) for tapping the measurement voltage and a cleaning path (RP) for connection to the frequency generator ( 15 ) are connected.

Magnetic-inductive flowmeter according to claim 1, characterized in that the switching device ( 20 ) a control device ( 21 ), which controls the switching between the measuring path (MP) and the cleaning path (RP).