DE102014216535A1

DE102014216535A1 - Magnetic-inductive flowmeter

Info

Publication number: DE102014216535A1
Application number: DE102014216535.0A
Authority: DE
Inventors: Walter Reichart
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2034-08-21
Also published as: DE102014216535B4

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zur Messung des Durchflusses eines strömenden, leitfähigen Mediums in einem Abschnitt eines Messrohrs, mit einer Spule zur Erzeugung eines Magnetfeld, das senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft, mit Elektroden zum Abgriff der durch die Strömung bewirkten Induktionsspannung, und mit einer Auswerteeinheit zur Ermittlung der Strömungsmenge aus der Induktionsspannung, wobei das Magnetfeld mittels wenigstens einer Planarspule (11), die auf einem flächigen Spulenträgers (10) angeordnet ist, erzeugt wird, wobei der Spulenträger (10) als Verbund aus wenigstens zwei Substratkörpern (10a, 10b) und einem zwischen den Substratkörpern (10a, 10b) angeordneten Abstandshalter (13) als flacher, länglicher, quaderförmiger Block ausgebildet ist und mindestens auf einer Seite des Spulenträgers (10) zwei mediumsberührende Elektroden (E1, E2, E3, E4) vorgesehen sind und wobei eine Halterung (3) in der Wandung des Messrohrs (2) einen Randabschnitt des quaderförmigen Blocks umgreift, so dass der überwiegende Teil des Blocks frei in das Messrohr (2) hineinragt und somit vom zu messenden Medium umströmt wird.Shown and described is an electromagnetic flowmeter for measuring the flow of a flowing, conductive medium in a portion of a measuring tube, with a coil for generating a magnetic field, which is perpendicular to the flow direction, with electrodes for tapping the induced by the flow induction voltage, and with an evaluation unit for determining the flow rate from the induction voltage, wherein the magnetic field is generated by means of at least one planar coil (11) which is arranged on a flat coil carrier (10), wherein the coil carrier (10) as a composite of at least two substrate bodies (10a , 10b) and between the substrate bodies (10a, 10b) arranged spacers (13) is formed as a flat, elongated, block-shaped block and at least on one side of the bobbin (10) two medium-contacting electrodes (E1, E2, E3, E4) provided are and wherein a holder (3) in the wall of the Measuring tube (2) surrounds an edge portion of the block-shaped block, so that the majority of the block protrudes freely into the measuring tube (2) and thus flows around the medium to be measured.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser (MID) zur Messung des Durchflusses eines strömenden, leitfähigen Mediums in einem Rohrabschnitt nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.The invention relates to a magnetic-inductive flowmeter (MID) for measuring the flow of a flowing, conductive medium in a pipe section according to the features of the preamble of claim 1.

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, deren Funktionsweise auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion (= Faraday'sche Induktion) beruhen, 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.

Da die über die Elektroden abgegriffene induzierte Spannung proportional zur über den Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ist, kann aus der gemessenen Spannung bei bekanntem Durchmesser des Messrohres direkt der Volumenstrom bestimmt werden. Voraussetzung für den Einsatz eines magnetisch-induktives Durchflussmessgeräts ist lediglich eine Mindestleitfähigkeit des Mediums. Darüber hinaus muss sichergestellt sein, dass das Messrohr zumindest soweit mit dem Medium gefüllt ist, das der Pegel des Mediums oberhalb der Messelektroden liegt.Since the induced voltage tapped off via the electrodes is proportional to the average flow velocity of the medium over the cross section of the measuring tube, the volume flow can be determined directly from the measured voltage for a known diameter of the measuring tube. Prerequisite for the use of a magnetic-inductive flowmeter is only a minimum conductivity of the medium. In addition, it must be ensured that the measuring tube is at least as far filled with the medium that the level of the medium is above the measuring electrodes.

Derartige Messgeräte sind hinlänglich bekannt, beispielsweise aus den deutschen Patentschriften DE 10 2007 004 827 B4 und DE 10 2007 004 826 B4 , und sind im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen sowie die Elektroden unmittelbar an bzw. in der Wandung des Messrohrs angeordnet sind.Such measuring devices are well known, for example from the German patents DE 10 2007 004 827 B4 and DE 10 2007 004 826 B4 , and are essentially characterized in that the magnetic coils and the electrodes are arranged directly on or in the wall of the measuring tube.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik weiter zu verbessern und dabei insbesondere ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät vorzuschlagen, das eine kompakte Bauform aufweist und kostengünstig herstellbar ist.The object of the invention is to further improve the prior art and in particular to propose a magnetic-inductive flow meter, which has a compact design and is inexpensive to produce.

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 Magnetspulen sowie die Elektroden nicht mehr an bzw. in der Wandung des Messrohrs anzuordnen, sondern nunmehr sowohl die Magnetspulen als auch die Elektroden auf einem flächigen Spulenträger anzuordnen, der als Verbund aus wenigstens zwei Substratkörpern und einem zwischen den Substratkörpern angeordneten Abstandshalter als flacher, länglicher, quaderförmiger Block ausgebildet ist. Ein solches MID kann auch als ein Eintauch-MID bezeichnet werden. Dieser Block ragt paddelförmig in die Strömung bzw. taucht in die Strömung ein und wird somit vom zu messenden Medium umströmt. „Paddelförmig“ bedeutet hier, dass nur ein Randabschnitt des Spulenträgers in der Wandung des Messrohrs gehalten wird und der überwiegende Teil des Spulenträgers frei in das Messrohr bzw. in das darin befindliche Medium hineinragt. Durch die Anordnung der Magnetspulen auf dem Spulenträger kann somit vollständig auf einen externen Magnetkreis verzichtet werden. Vorzugsweise wird der Spulenträger vom Medium beidseitig umströmt. Es ist aber auch denkbar, dass nur eine Seite des Spulenträgers umströmt wird.The core of the invention is no longer to arrange the magnetic coils and the electrodes on or in the wall of the measuring tube, but now to arrange both the magnetic coils and the electrodes on a flat coil carrier, which is a composite of at least two substrate bodies and one between the substrate bodies arranged spacers is designed as a flat, elongated, block-shaped block. Such an MID may also be referred to as an immersion MID. This block protrudes paddelförmig into the flow or dives into the flow and is thus flows around the medium to be measured. "Paddle-shaped" here means that only one edge portion of the bobbin is held in the wall of the measuring tube and the major part of the bobbin freely projects into the measuring tube or in the medium therein. The arrangement of the magnetic coils on the bobbin can thus be completely dispensed with an external magnetic circuit. Preferably, the coil carrier is surrounded by the medium on both sides. But it is also conceivable that only one side of the bobbin is flowed around.

Die Spule, vorzugsweise als Luftspule ausgeführt, ist auf dem frei in den Messkanal hineinragenden Abschnitt des Trägers angeordnet und dadurch gekennzeichnet, dass sie vorzugsweise in rechteckförmiger Gestalt gewickelt ist, wobei hinsichtlich der äußeren Abmessungen die Länge wesentlich größer als die Breite ist. Das Verhältnis von Länge zu Breite ist hier bevorzugt >> 10. Die Spule ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Kernbereich, d.h. der Freiraum im Innern der Spule vorzugsweise ebenfalls eine rechteckförmige Gestalt aufweist, wobei hier das Verhältnis von Länge zu Breite und damit die Abmessungen der Spule an sich bevorzugt >> 1,5 ist. In diesem Kernbereich oder über dem Bereich der Spulenwindungen sind symmetrisch mindestens zwei Elektroden angeordnet. Die Elektroden bilden dabei eine Messlinie, die senkrecht zum inneren Magnetfeld der Spule steht. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die rechteckige Gestaltung der Spule begrenzt. Vielmehr ist auch eine runde, ovale, elliptische oder dreieckige Form der Spule denkbar. Entscheidend für die Gestaltung ist, möglichst viele Windungen bei einer kurzen Leitungslänge zu erreichen.The coil, preferably embodied as an air coil, is arranged on the section of the carrier which projects freely into the measuring channel and is characterized in that it is preferably wound in a rectangular shape, the length being substantially greater than the width in terms of the external dimensions. The ratio of length to width is preferred here >> 10. The coil is further characterized in that the core region, i. the free space in the interior of the coil preferably also has a rectangular shape, in which case the ratio of length to width and thus the dimensions of the coil per se is preferably >> 1.5. At least two electrodes are arranged symmetrically in this core region or over the region of the coil turns. The electrodes form a measuring line which is perpendicular to the internal magnetic field of the coil. However, the invention is not limited to the rectangular shape of the coil. Rather, a round, oval, elliptical or triangular shape of the coil is conceivable. Decisive for the design is to achieve as many windings as possible with a short cable length.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Planarspule einen länglichen Spulenkernbereich aufweist, der entweder parallel zur Strömungsrichtung des zu messenden Mediums ausgerichtet ist, oder alternativ dazu senkrecht zur Strömungsrichtung des zu messenden Mediums ausgerichtet ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die Spule mit einem länglichen Spulenkernbereich parallel zur Strömungsrichtung des zu messenden Mediums auszurichten, da hier die besten Messergebnisse erzielt werden konnten.A development of the invention provides that the planar coil has an elongate coil core region which is either aligned parallel to the flow direction of the medium to be measured, or alternatively is aligned perpendicular to the flow direction of the medium to be measured. Studies have shown that it is advantageous to align the coil with an elongated coil core region parallel to the flow direction of the medium to be measured, since the best measurement results could be achieved here.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts ist vorgesehen, dass die Induktionsspannung mit mehreren Elektroden erfasst wird, die beidseitig auf der Vorderseite bzw. auf der Rückseite des flächigen Spulenträgers angeordnet sind. Grundsätzlich sind für die Spannungsmessung zwei Elektroden ausreichend. Jedoch besteht die Gefahr, dass die Elektroden verschmutzen, d.h. mit einem Belag überdeckt sind, der das Messergebnis beeinträchtigen kann. Durch das Vorsehen von zwei Elektrodenpaaren kann nun eine höhere Stabilität gegenüber einer Verschmutzung der Elektroden erreicht werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit der doppelten Signalauswertung.In a preferred embodiment of the flowmeter according to the invention it is provided that the induction voltage is detected with a plurality of electrodes, which are arranged on both sides of the front side or on the back of the flat bobbin. Basically, two electrodes are sufficient for the voltage measurement. However, there is a risk that the electrodes will become dirty, i. covered with a coating that may affect the measurement result. By providing two electrode pairs, a higher stability against contamination of the electrodes can now be achieved. Furthermore, there is the possibility of double signal evaluation.

Die Erregung der Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes kann als Oszillatorkreis erfolgen, der resonant mit einer externen Kapazität betrieben wird. Dieses Magnetfeld kann nur auf einer Seite des Trägers entstehen oder auf beiden Seiten. Durch die Strömung des Mediums im Messkanal tritt eine magnetisch-induktive Wechselwirkung ein, durch die an den Elektroden, die wie zuvor beschrieben ebenfalls auf dem Träger angeordnet sind, eine von der Strömung abhängige Signalspannung abgreifbar ist.The excitation of the coil for generating a magnetic field can be done as an oscillator circuit, which is operated resonantly with an external capacitance. This magnetic field can only arise on one side of the carrier or on both sides. Due to the flow of the medium in the measuring channel, a magneto-inductive interaction occurs, by which a signal voltage dependent on the flow can be tapped off at the electrodes, which are likewise arranged on the carrier as described above.

Die Substratkörper können in einer ersten Alternative aus FR4-Material sein, einer Mischung aus Epoxidharz und Glasfasergewebe, oder in einer zweiten Alternative ein Keramiksubstrat sein. In a first alternative, the substrate bodies may be made of FR4 material, a mixture of epoxy resin and glass fiber fabric, or in a second alternative, a ceramic substrate.

Wenn der als Verbund aus wenigstens zwei Substratkörpern und einem zwischen den Substratkörpern angeordneten Abstandshalter ausgebildeten Block einen spiegelsymmetrischen Aufbau aufweist, ergeben sich bspw. Vorteile bei der Halterung des Blocks in der Wandung des Messrohrs.If the block formed as a composite of at least two substrate bodies and a spacer arranged between the substrate bodies has a mirror-symmetrical structure, advantages arise, for example, in holding the block in the wall of the measuring tube.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Spulenträger mehrlagig in Form von mehreren übereinander liegenden Substratkörpern aufgebaut ist. In diesem Fall kann sich die Spule über mehrere Lagen, d.h. über mehrere Substratkörper erstrecken, um ein stärkeres Magnetfeld zu erhalten. Die Windungszahl kann somit > 50 betragen, bevorzugt sogar > 200.An advantageous development provides that the coil carrier is constructed in multiple layers in the form of a plurality of superimposed substrate bodies. In this case, the coil can spread over several layers, i. extend over a plurality of substrate bodies to obtain a stronger magnetic field. The number of turns can thus be> 50, preferably even> 200.

Bei einer Ausführung als Keramiksubstrat hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Innenlagen aus Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken (LTCC) und die Außenlagen aus Aluminiumoxid auszuführen. Die Randverlötung der Lagen erfolgt bevorzugt mit einem Hochtemperatur- oder Glaslot. Es ist auch denkbar, die Auswerteelektronik direkt auf dem bzw. einem der Träger anzuordnen.When embodied as a ceramic substrate, it has proven to be advantageous to carry out the inner layers of low-temperature firing ceramics (LTCC) and the outer layers of aluminum oxide. The Randverlötung the layers is preferably carried out with a high temperature or glass solder. It is also conceivable to arrange the transmitter directly on the or one of the carriers.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Spulenträger mit einer Beschichtung umspritzt ist, vorzugsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyetheretherketon (PEEK). Der Prozessanschluss, also den Teil des Trägers, der zur Befestigung mit dem Messrohr dient, kann dann gleichzeitig mit angespritzt werden.In a further advantageous development, it is provided that the coil carrier is encapsulated with a coating, preferably of polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyetheretherketone (PEEK). The process connection, ie the part of the carrier which serves for attachment to the measuring tube, can then be injected simultaneously.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Planarspule Teil eines Schwingkreises ist. Dadurch, dass die Spule durch den Schwingkreis angesteuert wird, ist sie immer in ihrer Resonanzfrequenz.A preferred embodiment of the invention provides that the planar coil is part of a resonant circuit. The fact that the coil is driven by the resonant circuit, it is always in their resonant frequency.

Eine wesentliche Verbesserung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts sieht vor, dass auf beiden Längsseiten des Spulenträgers jeweils ein den Bereich der Spule überspannendes, bügelförmiges Isolierelement angeordnet ist. Damit ist gemeint, dass der gesamte Bereich der Spule, d.h. die komplette Erstreckung der Spule in Breite und Länge, von dem Isolierelement überspannt ist. Dabei kann das Isolierelement verschiedene Formen annehmen, bspw. rund oder auch eckig. Versuche haben gezeigt, dass eine Form ähnlich der Ausbreitung des E-Feldes zwischen den Elektroden besonders vorteilhaft ist. Diese Ausführungsform bietet sich besonders bei großen Rohrdurchmessern an, bspw. bei einer Nennweite von 200 mm und größer, wenn das B-Feld nicht mehr bis an die Randbereiche reicht. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät mit diesem bügelförmigen Isolierelement sowohl in Metall- als auch in Kunststoffrohren einsetzbar. Als Material für das Isolierelement kommen sämtliche elektrisch nicht-leitende Materialien infrage, wobei sich insbesondere der Einsatz eines Kunststoffs anbietet.A significant improvement of the flowmeter according to the invention provides that on each of the two longitudinal sides of the bobbin, a bow-shaped insulating element spanning the region of the bobbin is arranged. By this it is meant that the entire area of the coil, i. the complete extent of the coil in width and length, is spanned by the insulating element. The insulating element can take various forms, for example. Round or square. Experiments have shown that a shape similar to the propagation of the E-field between the electrodes is particularly advantageous. This embodiment is particularly suitable for large pipe diameters, for example. With a nominal diameter of 200 mm and larger, when the B-field no longer reaches to the edge regions. Furthermore, the flow meter according to the invention can be used with this bow-shaped insulating both in metal and in plastic pipes. As the material for the insulating all electrically non-conductive materials come into question, in particular, the use of a plastic offers.

Der wesentliche Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass nun eine sehr kostengünstige Ausführung eines magnetisch-induktives Durchflussmessgeräts möglich ist, insbesondere weil auf einen externen Magnetkreis verzichtet werden kann, und dass das Durchflussmessgerät unabhängig vom Material des Messrohrs ist sowie auch bei größeren Messrohrdurchmessern einsetzbar ist. Darüber hinaus ist mit der vorliegenden Erfindung ein Eintauch-MID realisiert, das – verglichen mit bekannten Eintauch-MID’s, die z.T. erhebliche Ansprechzeiten aufweisen – auch schnelle Strömungsänderungen erfasst und insbesondere bei Verwendung des Isolierelements ist nunmehr keine aufwendige Kalibrierung im Hinblick auf das verwendete Material des Messrohrs – wie bei herkömmlichen Eintauch-MID’s – erforderlich.The essential advantage of this invention is that now a very cost-effective design of a magnetic-inductive flowmeter is possible, especially because it can be dispensed with an external magnetic circuit, and that the flowmeter is independent of the material of the measuring tube and also with larger measuring tube diameters can be used. In addition, with the present invention, a submerged MID is realized, which - compared with known immersion MID's, the z.T. Have significant response times - even detected rapid flow changes and especially when using the insulating now no expensive calibration in terms of the material used in the measuring tube - as in conventional immersion MID's - required.

Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention will be explained in more detail in connection with figures with reference to embodiments.

Es zeigen:Show it:

1 ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät in perspektivischer Ansicht, 1 an inventive magnetic-inductive flowmeter in perspective view,

2 ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät im Querschnitt gemäß einer ersten Ausführungsform, 2 a magnetic-inductive flowmeter according to the invention in cross-section according to a first embodiment,

3a ein Substratkörper eines Spulenträgers in perspektivischer Ansicht, 3a a substrate body of a bobbin in perspective view,

3b ein Spulenträger mit zwei Substratkörpern im Querschnitt, 3b a coil carrier with two substrate bodies in cross section,

4 ein Spulenträger mit mehreren Substratkörpern in Explosionsdarstellung, 4 a coil carrier with several substrate bodies in an exploded view,

5a eine erste Ausführung einer Planarspule mit zwei Elektroden, 5a a first embodiment of a planar coil with two electrodes,

5b eine zweite Ausführung einer Planarspule mit zwei Elektroden, 5b a second embodiment of a planar coil with two electrodes,

6a eine erste Ausführung eines Spulenträgers, 6a a first embodiment of a bobbin,

6b eine zweite Ausführung eines Spulenträgers und 6b a second embodiment of a bobbin and

7 ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät im Querschnitt gemäß einer zweiten Ausführungsform. 7 a magnetic inductive flowmeter according to the invention in cross section according to a second embodiment.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.In the following figures, unless otherwise stated, like reference numerals designate like parts with the same meaning.

1 zeigt das erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmessgerät 1 – nachfolgend kurz MID genannt – in perspektivischer Ansicht, in einem Abschnitt eines Messrohrs 2. Durch die Transparenzdarstellung des Messrohrs 2 wird in dieser Abbildung der grundsätzlich andere Aufbau gegenüber herkömmlichen MID´s deutlich. Während aus dem Stand der Technik bekannt ist, zwei Magnetspulen zur Erzeugung eines Magnetfeldes gegenüberliegend außerhalb des Messrohrs anzuordnen und die Messelektroden zum Abgriff der durch die Bewegung der Ladungsträger im Medium resultierende Spannung in die Innenwandung des Messrohrs zu integrieren, ist bei dem erfindungsgemäßen MID 1 die Spule sowie die Elektroden E1, E2 auf einem mehrschichtigen Träger 10 in Form einer Leiterplatte aus FR4-Material oder eines Keramiksubstrats, wie in den nachfolgenden Figuren näher dargestellt, angeordnet. Dieser Spulenträger 10 ragt senkrecht in das Messrohr 2 und damit unmittelbar in die Strömung des zu messenden Mediums hinein. 1 shows the magnetic-inductive flowmeter according to the invention 1 - hereafter referred to as MID - in a perspective view, in a section of a measuring tube 2 , Through the transparency of the measuring tube 2 In this figure, the fundamentally different structure compared to conventional MID's becomes clear. While it is known from the prior art to arrange two magnetic coils for generating a magnetic field opposite outside of the measuring tube and to integrate the measuring electrodes for tapping the resulting in the medium by the movement of the charge carrier voltage in the inner wall of the measuring tube, in the MID according to the invention 1 the coil and the electrodes E1, E2 on a multilayer carrier 10 in the form of a printed circuit board made of FR4 material or a ceramic substrate, as shown in more detail in the following figures. This coil carrier 10 protrudes vertically into the measuring tube 2 and thus directly into the flow of the medium to be measured.

2 zeigt das erfindungsgemäße MID 1 im Querschnitt. Gut zu erkennen ist, wie der Spulenträger 10 paddelförmig senkrecht in das Messrohr 2 hineinragt. Durch die angedeutete Strömungsrichtung wird deutlich, dass damit der Spulenträger 10 und damit auch die Elektroden E1, E2 vollständig vom Medium umgeben sind. Auf dem Spulenträger 10 ist eine Planarspule 11 angeordnet, welche das Magnetfeld erzeugt. Die Elektroden E1, E2 befinden sich im Spulenkernbereich 12, wo das Magnetfeld näherungsweise homogen ist. Eine nicht näher dargestellte Halterung 3 in der Wandung des Messrohrs 2 umgreift einen Randabschnitt des als quaderförmigen Block ausgebildeten Spulenträgers 10. 2 shows the MID according to the invention 1 in cross section. Good to see is how the coil carrier 10 paddle-shaped vertically into the measuring tube 2 protrudes. By the indicated flow direction it becomes clear that thus the coil carrier 10 and thus also the electrodes E1, E2 are completely surrounded by the medium. On the coil carrier 10 is a planar coil 11 arranged, which generates the magnetic field. The electrodes E1, E2 are located in the coil core area 12 where the magnetic field is approximately homogeneous. A bracket not shown 3 in the wall of the measuring tube 2 surrounds an edge portion of the form of a cuboid block bobbin 10 ,

Um den Bereich der Halterung 3 besser abdichten zu können, bietet es sich an, den Spulenträger 10 zumindest im Einspannbereich der Halterung 3 mit einer Beschichtung, vorzugsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyetheretherketon (PEEK), zu umspritzen. Diese Beschichtung kann im Einspannbereich auch eine keilförmige Verbreiterung aufweisen. Dabei kann sich – abhängig von welcher Seite der Spulenträger 10 in das Messrohr 2 eingeführt wird – die Keilform der Verbreiterung sowohl von oben nach unten erstrecken als auch umgekehrt von unten nach oben. Die Öffnung im Messrohr 2 weist im Bereich der Halterung 3 eine entsprechend komplementäre Gestaltung auf.To the area of the bracket 3 To better seal, it makes sense to the coil carrier 10 at least in the clamping area of the holder 3 with a coating, preferably of polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyetheretherketone (PEEK), to overmold. This coating may also have a wedge-shaped broadening in the clamping area. This may - depending on which side of the coil carrier 10 into the measuring tube 2 introduced - the wedge shape of the widening extend both from top to bottom and vice versa from bottom to top. The opening in the measuring tube 2 points in the area of the holder 3 a correspondingly complementary design.

In 3a ist die Anordnung der Planarspule 11 sowie der beiden Elektroden E1, E2 auf dem Spulenträger 10 bzw. des Substratkörpers 10a dargestellt. Beispielhaft ist für die Ausführung des Spulenträgers 10 mit mehreren Substratkörper-Schichten damit auch der erste Substratkörper 10a gemeint. In dieser Abbildung hat die Spule 11 eine kreisrunde Gestalt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Gestaltung beschränkt sein. Denkbar ist ebenso eine quasi rechteckförmige oder elliptische Gestaltung der Spule 11. Die Elektroden E1, E2 befinden sich im Spulenkernbereich 12. Durch einen Pfeil ist die Strömungsrichtung des zu messenden Mediums angedeutet.In 3a is the arrangement of the planar coil 11 and the two electrodes E1, E2 on the bobbin 10 or of the substrate body 10a shown. An example is for the execution of the bobbin 10 with several substrate body layers so that also the first substrate body 10a meant. In this picture has the coil 11 a circular shape. However, the invention is not limited to this design. Also conceivable is a quasi rectangular or elliptical design of the coil 11 , The electrodes E1, E2 are located in the coil core area 12 , An arrow indicates the direction of flow of the medium to be measured.

3b zeigt den Spulenträger 10 im Schnittbild. Der Spulenträger 10 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus zwei Substratkörpern 10a, 10b, die durch einen Abstandshalter 13 in Form einer Glaslotschicht voneinander getrennt sind. Wie aus der nachfolgenden 4 zu erkennen ist, ist die Erfindung jedoch nicht auf zwei Keramikschichten begrenzt. Durch die Kreuze – als Rückansicht eines Pfeils – ist wiederrum die Strömungsrichtung des zu messenden Mediums angedeutet. Des Weiteren ist schematisch die Spule 11 angedeutet. 3b shows the coil carrier 10 in the sectional view. The coil carrier 10 consists in this embodiment of two substrate bodies 10a . 10b passing through a spacer 13 are separated from each other in the form of a glass solder layer. As from the following 4 can be seen, the invention is not limited to two ceramic layers. Through the crosses - as a rear view of an arrow - is in turn the flow direction of the measured Medium indicated. Furthermore, schematically is the coil 11 indicated.

In 3b ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der auf beiden Seiten des Spulenträgers 10 Elektroden vorgesehen sind. Diese Ausführung ist dann sinnvoll, wenn sich das Magnetfeld der Spule 10 auf beide Seiten des Spulenträgers 10 erstreckt. Auf einer Seite befindet sich das Elektrodenpaar E1/E2, auf der anderen Seite das Elektrodenpaar E3/E4.In 3b an embodiment is shown in which on both sides of the bobbin 10 Electrodes are provided. This design is useful when the magnetic field of the coil 10 on both sides of the bobbin 10 extends. On one side there are the electrode pair E1 / E2, on the other side the electrode pair E3 / E4.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 besteht der Spulenträger 10 aus sieben Substratkörpern 10a–10g. Zwischen den Substratkörperpaaren 10a/10b, 10c/10d, 10d/10e und 10f/10g befindet sich jeweils eine Lage der Planarspule 11. Die Spule erstreckt sich somit auf insgesamt vier Ebenen, wodurch die Stärke des Magnetfelds gegenüber einer einlagigen Spule wesentlich erhöht werden kann. Zwischen dem Substratkörperpaar 10b/10c befindet sich das Elektrodenpaar E1/E2 und zwischen Substratkörperpaar 10e/10f befindet sich das Elektrodenpaar E3/E4. Durch die Bohrungen in den Substratkörpern 10a und 10b sowie 10f und 10g erstrecken sich die Elektroden E1–E4 bis an die Oberfläche der Substratkörper 10a bzw. 10g. Über den Kontaktbereich 14 sind zum einen die einzelnen Spulenebenen miteinander elektrisch verbunden und zum anderen erfolgt hier die elektrische Kontaktierung der Elektroden E1–E4 sowie der Spule 11 durch eine hier nicht gezeigte Auswerteeinheit.In the embodiment according to 4 consists of the coil carrier 10 from seven substrate bodies 10a - 10g , Between the substrate body pairs 10a / 10b . 10c / 10d . 10d / 10e and 10f / 10g there is one position of the planar coil 11 , The coil thus extends to a total of four levels, whereby the strength of the magnetic field compared to a single-layer coil can be substantially increased. Between the substrate body pair 10b / 10c is the electrode pair E1 / E2 and between the substrate body pair 10e / 10f is the electrode pair E3 / E4. Through the holes in the substrate bodies 10a and 10b such as 10f and 10g the electrodes E1-E4 extend to the surface of the substrate body 10a respectively. 10g , About the contact area 14 On the one hand the individual coil levels are electrically connected to each other and on the other hand takes place here the electrical contacting of the electrodes E1-E4 and the coil 11 by an evaluation unit, not shown here.

5a stellt beispielhaft eine erste Ausführungsform der Planarspule 11 mit zwei Elektroden dar. Die Planarspule 11 weist hierbei eine quasi rechteckförmige Gestaltung auf. Im Spulenkernbereich 12 sind die Elektroden E1, E2 angeordnet. 5a exemplifies a first embodiment of the planar coil 11 with two electrodes. The planar coil 11 here has a quasi-rectangular design. In the coil core area 12 the electrodes E1, E2 are arranged.

5b stellt beispielhaft eine zweite Ausführungsform der Planarspule 11 mit zwei Elektroden dar. Die Planarspule 11 weist hierbei ebenfalls eine quasi rechteckförmige Gestaltung auf. Allerdings sind die Elektroden E1, E2 außerhalb des Spulenkerns 12 im Bereich der Spulenwicklungen angeordnet. 5b exemplifies a second embodiment of the planar coil 11 with two electrodes. The planar coil 11 here also has a quasi-rectangular design. However, the electrodes E1, E2 are outside the bobbin core 12 arranged in the coil windings.

Untersuchungen haben gezeigt, dass die Ausführung, bei der die Elektroden E1, E2 gemäß 5b im Windungsbereich angeordnet sind, vorteilhaft ist, weil damit ein großer Bereich des E-Feldes senkrecht auf dem B-Feld steht.Investigations have shown that the embodiment in which the electrodes E1, E2 according to 5b are arranged in the winding area, is advantageous because a large area of the E-field is perpendicular to the B-field.

In den 6a und 6b ist die Spule 11 in jeweils unterschiedlicher Ausrichtung angeordnet. Während in 6a der längliche Spulenkernbereich 12 parallel zur Strömungsrichtung des zu messenden Mediums ausgerichtet ist, steht der Spulenkernbereich in 6b senkrecht zur Strömungsrichtung des zu messenden Mediums. Untersuchungen haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die Spule 11 mit einem länglichen Spulenkernbereich 12 parallel zur Strömungsrichtung des zu messenden Mediums auszurichten, da hier die besten Messergebnisse erzielt werden konnten. Die Spule 11 ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Kernbereich, d.h. der Freiraum im Innern der Spule vorzugsweise ebenfalls eine rechteckförmige Gestalt aufweist, wobei hier das Verhältnis von Länge zu Breite und damit die Abmessungen der Spule 11 an sich bevorzugt > 1,5:1 ist.In the 6a and 6b is the coil 11 arranged in different orientations. While in 6a the elongated coil core area 12 aligned parallel to the flow direction of the medium to be measured, is the coil core area in 6b perpendicular to the flow direction of the medium to be measured. Research has shown that it is beneficial to use the coil 11 with an elongated spool core area 12 Align parallel to the flow direction of the medium to be measured, since the best results could be achieved here. The sink 11 is further characterized in that the core region, ie the free space inside the coil preferably also has a rectangular shape, in which case the ratio of length to width and thus the dimensions of the coil 11 in itself preferably> 1.5: 1.

In 7 ist das erfindungsgemäße MID 1 in einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Im Unterschied zur Ausführung gemäß 2 ist hierbei auf beiden Längsseiten des Spulenträgers 10 jeweils ein bügelförmiges Isolierelement 20 angeordnet, das den gesamten Bereich der Spule 11 überspannt. Damit ist gemeint, dass die komplette Erstreckung der Spule 11 in Breite und Länge – aus der Querschnittdarstellung ist nur eine Dimension ersichtlich – von dem Isolierelement 20 überspannt wird. Dabei kann das Isolierelement 20 verschiedene Formen annehmen, bspw. rund (wie in 7 dargestellt) bzw. elliptisch oder auch eckig. Versuche haben gezeigt, dass eine Form ähnlich der Ausbreitung des E-Feldes zwischen den Elektroden E1, E2 besonders vorteilhaft ist. Diese Ausführungsform bietet sich besonders bei großen Rohrdurchmessern an, bspw. bei einer Nennweite von 200 mm und größer, bei einer Breite der Spule 11 in Längsrichtung des Spulenträgers 10 – so wie in 7 dargestellt – von bspw. etwa 15 mm. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße MID 1 mit diesem bügelförmigen Isolierelement 20 sowohl in Metall- als auch in Kunststoffrohren 2 einsetzbar. Bei Verwendung des Isolierelements 20 ist nunmehr keine aufwendige Kalibrierung im Hinblick auf das verwendete Material des Messrohrs 2 – wie bei herkömmlichen Eintauch-MID’s – erforderlich. Als Material für das Isolierelement 20 kommen sämtliche elektrisch nicht-leitende Materialien infrage, wobei sich insbesondere der Einsatz eines Kunststoffs anbietet.In 7 is the MID according to the invention 1 shown in a second embodiment. In contrast to the execution according to 2 is here on both long sides of the bobbin 10 in each case a bow-shaped insulating element 20 arranged that covers the entire area of the coil 11 spans. By this is meant that the complete extension of the coil 11 in width and length - from the cross-sectional view is only one dimension visible - of the insulating 20 is overstretched. In this case, the insulating element 20 take different forms, for example round (as in 7 shown) or elliptical or square. Experiments have shown that a shape similar to the propagation of the E-field between the electrodes E1, E2 is particularly advantageous. This embodiment is particularly suitable for large pipe diameters, for example. With a nominal diameter of 200 mm and larger, with a width of the coil 11 in the longitudinal direction of the bobbin 10 - as in 7 shown - of, for example, about 15 mm. Furthermore, the MID according to the invention is 1 with this bow-shaped insulating 20 both in metal and in plastic pipes 2 used. When using the insulating element 20 is now no complicated calibration with regard to the material used in the measuring tube 2 - as with conventional immersion MID's - required. As a material for the insulating element 20 All electrically non-conductive materials come into question, in particular, the use of a plastic offers.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007004827 B4 [0004]
DE 102007004826 B4 [0004]

Claims

Magnetic-inductive flowmeter for measuring the flow of a flowing, conductive medium in a section of a measuring tube ( 2 ), - with a coil ( 11 ) for generating a magnetic field which is perpendicular to the flow direction, - with electrodes (E1, E2, E3, E4) for tapping the induced by the flow induction voltage, - and with an evaluation unit for determining the flow amount from the induction voltage, characterized in that the magnetic field by means of at least one planar coil ( 11 ), which are mounted on a flat coil carrier ( 10 ) is produced, wherein the coil carrier ( 10 ) as a composite of at least two substrate bodies ( 10a . 10b ) and one between the substrate bodies ( 10a . 10b ) arranged spacers ( 13 ) is formed as a flat, elongated, block-shaped block and at least on one side of the bobbin ( 10 ) two medium-contacting electrodes (E1, E2, E3, E4) are provided and wherein a holder ( 3 ) in the wall of the measuring tube ( 2 ) surrounds an edge portion of the block-shaped block, so that the major part of the block freely into the measuring tube ( 2 ) and thus flows around the medium to be measured.

Magnetic-inductive flowmeter according to claim 1, characterized in that the at least one planar coil ( 11 ) a coil core area ( 12 ) and the electrodes (E1, E2, E3, E4) within this core region ( 12 ) are arranged.

Magnetic-inductive flowmeter according to claim 1, characterized in that the at least one planar coil ( 11 ) a coil core area ( 12 ) and the electrodes (E1, E2, E3, E4) outside this core region ( 12 ), are preferably arranged in the region of the coil windings.

Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that the planar coil ( 11 ) an elongated coil core area ( 12 ), which is aligned parallel to the flow direction of the medium to be measured.

Magnetic-inductive flowmeter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the planar coil ( 11 ) an elongated coil core area ( 12 ), which is aligned perpendicular to the flow direction of the medium to be measured.

Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that the induction voltage with a plurality of electrodes (E1, E2, E3, E4) is detected, the both sides on the front or on the back of the flat bobbin ( 10 ) are arranged.

Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that the at least two substrate bodies ( 10a . 10b ) are formed as a printed circuit board made of FR4 material or as a ceramic substrate.

Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that as a composite of at least two substrate bodies ( 10a . 10b ) and one between the substrate bodies ( 10a . 10b ) arranged spacers ( 13 ) formed block has a mirror-symmetrical structure.

Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that the coil carrier ( 10 ) in the form of several superimposed substrate bodies ( 10a . 10b . 10c . 10d . 10e . 10f . 10g ) is constructed.

Magnetic-inductive flowmeter according to claim 9, characterized in that the planar coil ( 11 ) over a plurality of substrate bodies ( 10a . 10b . 10c . 10d . 10e . 10f . 10g ) of the bobbin carrier ( 10 ) is arranged.

Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that the coil carrier ( 10 ) is coated with a coating, preferably of polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyetheretherketone (PEEK).

Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that the planar coil is part of a resonant circuit.

Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that on both longitudinal sides of the bobbin ( 10 ) each one the area of the coil ( 11 ) spanning, bow-shaped insulating ( 20 ) is arranged.