DE102014216535B4

DE102014216535B4 - Electromagnetic flow meter

Info

Publication number: DE102014216535B4
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: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2034-08-21
Also published as: DE102014216535A1

Abstract

Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zur Messung des Durchflusses eines strömenden, leitfähigen Mediums in einem Abschnitt eines Messrohrs (2),- mit einer Spule (11) zur Erzeugung eines Magnetfelds, das senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft,- mit Elektroden (E1, E2, E3, E4) zum Abgriff einer durch die Strömung bewirkten Induktionsspannung,- und mit einer Auswerteeinheit zur Ermittlung einer Strömungsmenge aus der Induktionsspannung,wobei die Spule (11) durch wenigstens eine Planarspule (11) gebildet wird, die auf einem flächigen Spulenträger (10) angeordnet ist, und mindestens auf einer Seite des Spulenträgers (10) zwei mediumsberührende Elektroden (E1, E2, E3, E4) vorgesehen sind,dadurch gekennzeichnet,dass 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 dass eine Halterung (3) in der Wandung des Messrohrs (2) einen Randabschnitt des flächigen Spulenträgers (10) umgreift, so dass der überwiegende Teil des Spulenträgers (10) frei in das Messrohr (2) hineinragt und somit vom zu messenden Medium umströmt wird.Electromagnetic flow meter 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 that runs perpendicular to the direction of flow, - with electrodes (E1, E2, E3, E4) for tapping an induction voltage caused by the flow, and with an evaluation unit for determining a flow quantity from the induction voltage, the coil (11) being formed by at least one planar coil (11) which is arranged on a flat coil carrier (10). , and at least on one side of the coil support (10) two medium-touching electrodes (E1, E2, E3, E4) are provided, characterized in that the coil support (10) as a composite of at least two substrate bodies (10a, 10b) and one between the The spacer (13) arranged on the substrate bodies (10a, 10b) is designed as a flat, elongated, cuboid block and that a holder (3) in the wall of the M measuring tube (2) surrounds an edge section of the flat coil carrier (10), so that the majority of the coil carrier (10) protrudes freely into the measuring tube (2) and is thus surrounded by 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 flow meter (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.Magneto-inductive flowmeters, the functionality of which is based on the principle of electromagnetic induction (= Faraday's induction), have been known for many years and are used extensively in industrial measurement technology. According to the law of induction, an electric field strength perpendicular to the direction of flow and perpendicular to the magnetic field is created in a flowing medium that carries charge carriers and flows through a magnetic field. The law of induction is used in magnetic-inductive flowmeters in that a magnetic field generating device, which usually has two energized magnet coils, generates a magnetic field that is at least partially guided through the measuring tube, with the generated magnetic field having at least one component that is perpendicular to the direction of flow runs. Within the magnetic field, each volume element of the flowing medium that moves through the magnetic field and has a certain number of charge carriers contributes to a measurement voltage that can be picked off via the electrodes with the field strength arising in this volume element.

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 picked up by the electrodes is proportional to the flow rate of the medium averaged over the cross section of the measuring tube, the volume flow can be determined directly from the measured voltage if the diameter of the measuring tube is known. The only prerequisite for using a magnetic-inductive flow meter is a minimum conductivity of the medium. In addition, it must be ensured that the measuring tube is filled with the medium at least to such an extent 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 German patent specifications 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.

Als weiteren Stand der Technik ist die US 4,170,133 A zu nennen, die einen Durchflussmesser mit einer spiralförmigen Spule offenbart, die zusammen mit den Elektroden in einer Ebene angeordnet ist.As a further state of the art US 4,170,133A which discloses a flow meter with a helical coil arranged in one plane together with the electrodes.

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 state of the art and, in doing so, in particular to propose a magneto-inductive flow meter that has a compact design and can be produced inexpensively.

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 stated object is achieved according to the invention by a magneto-inductive flow meter having the features of claim 1. Advantageous configurations 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 essence of the invention is that the magnetic coils and the electrodes are no longer arranged on or in the wall of the measuring tube, but now both the magnetic coils and the electrodes are arranged on a flat coil carrier, which is a composite of at least two substrate bodies and one between the substrate bodies arranged spacer is designed as a flat, elongated, cuboid block. Such an MID can also be referred to as an immersion MID. This block protrudes like a paddle into the flow or dips into the flow and is thus surrounded by the medium to be measured. "Paddle-shaped" here means that only an edge section of the coil carrier is held in the wall of the measuring tube and the majority of the coil carrier protrudes freely into the measuring tube or into the medium located therein. The arrangement of the magnetic coils on the coil carrier means that an external magnetic circuit can be completely dispensed with. The medium preferably flows around the coil support on both sides. However, it is also conceivable that the flow only flows around one side of the coil carrier.

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 designed as an air-core coil, is arranged on the section of the carrier that protrudes freely into the measuring channel and is characterized in that it is preferably wound in a rectangular shape, with the length being significantly greater than the width with regard to the external dimensions. The ratio of length to width is preferably >> 10. The coil is further characterized in that the core area, ie the free space inside the coil, preferably also has a rectangular shape, with the ratio of length to width and thus the dimensions here of the coil itself is preferably >> 1.5. At least two electrodes are arranged symmetrically in this core area or above the area of the coil windings. The electrodes form a measuring line that is perpendicular to the internal magnetic field of the coil. However, the invention is not limited to the rectangular shape of the coil. Much more a round, oval, elliptical or triangular shape of the coil is also conceivable. The decisive factor for the design is to achieve as many turns 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 further development of the invention provides that the planar coil has an elongated coil core area which is either aligned parallel to the direction of flow of the medium to be measured or, alternatively, is aligned perpendicular to the direction of flow of the medium to be measured. Studies have shown that it is advantageous to align the coil with an elongated coil core area parallel to the direction of flow of the medium to be measured, since the best measurement results can 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 development of the flow measuring device according to the invention, it is provided that the induction voltage is detected with a plurality of electrodes which are arranged on both sides on the front and on the back of the flat coil support. In principle, two electrodes are sufficient for voltage measurement. However, there is a risk that the electrodes will become dirty, i.e. covered with a coating that can affect the measurement result. By providing two pairs of electrodes, greater stability against contamination of the electrodes can now be achieved. There is also 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 to generate a magnetic field can take place as an oscillator circuit, which is operated resonantly with an external capacitance. This magnetic field can arise on only 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, as a result of which a signal voltage dependent on the flow can be tapped at the electrodes, which are also 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 can be made of FR4 material, a mixture of epoxy resin and glass fiber fabric, or in a second alternative, they can be 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, there are advantages, for example, when mounting 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 support is constructed in multiple layers in the form of several substrate bodies lying one on top of the other. In this case, the coil can extend over several layers, i.e. over several substrate bodies, in order 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.In the case of an embodiment as a ceramic substrate, it has proven to be advantageous to make the inner layers from low-temperature single-fired ceramics (LTCC) and the outer layers from aluminum oxide. The edges of the layers are preferably soldered with a high-temperature or glass solder. It is also conceivable to arrange the evaluation electronics directly on the carrier or on 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 made of polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyether ether ketone (PEEK). The process connection, i.e. the part of the carrier that is used to attach the measuring tube, can then be molded on at the same time.

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 development of the invention provides that the planar coil is part of an oscillating circuit. Because the coil is controlled by the oscillating circuit, it is always at its 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 flow meter according to the invention provides that a bow-shaped insulating element spanning the region of the coil is arranged on both longitudinal sides of the coil carrier. This means that the entire area of the coil, i.e. the complete extension of the coil in width and length, is spanned by the insulating element. In this case, the insulating element can assume various shapes, for example round or also angular. Tests have shown that a form similar to the propagation of the E-field between the electrodes is particularly advantageous. This embodiment is particularly useful for large pipe diameters, e.g. with a nominal width of 200 mm and larger, when the B field no longer extends to the edge areas. Furthermore, the flow meter according to the invention with this bow-shaped insulating element can be used both in metal and in plastic pipes. All electrically non-conductive materials can be used as the material for the insulating element, with the use of a plastic being particularly suitable.

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 main advantage of this invention is that a very cost-effective design of a magneto-inductive flow meter is now possible, in particular because an external magnetic circuit can be dispensed with, and that the flow meter is independent of the material of the measuring tube and can also be used with larger measuring tube diameters. About it In addition, with the present invention, an immersion EMF is realized which - compared to known immersion EMFs, some of which have considerable response times - also detects rapid flow changes and, especially when using the insulating element, there is now no complex calibration with regard to the material used in the measuring tube - as with conventional immersion MIDs - required.

Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below in connection with figures using exemplary embodiments.

Es zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät in perspektivischer Ansicht,
2 ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät im Querschnitt gemäß einer ersten Ausführungsform,
3a ein Substratkörper eines Spulenträgers in perspektivischer Ansicht,
3b ein Spulenträger mit zwei Substratkörpern im Querschnitt,
4 ein Spulenträger mit mehreren Substratkörpern in Explosionsdarstellung,
5a eine erste Ausführung einer Planarspule mit zwei Elektroden,
5b eine zweite Ausführung einer Planarspule mit zwei Elektroden,
6a eine erste Ausführung eines Spulenträgers,
6b eine zweite Ausführung eines Spulenträgers und
7 ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät im Querschnitt gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Show it:

1 a perspective view of a magnetic-inductive flowmeter according to the invention,
2 an inventive magnetic-inductive flowmeter in cross section according to a first embodiment,
3a a substrate body of a bobbin in a perspective view,
3b a coil carrier with two substrate bodies in cross section,
4 a coil carrier with several substrate bodies in an exploded view,
5a a first embodiment of a planar coil with two electrodes,
5b a second version of a planar coil with two electrodes,
6a a first embodiment of a coil carrier,
6b a second embodiment of a coil carrier and
7 an inventive magnetic-inductive flowmeter 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, the same reference symbols denote the same 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 inventive electromagnetic flowmeter 1 - hereinafter referred to as MID - in a perspective view, in a section of a measuring tube 2. The transparent representation of the measuring tube 2 makes the fundamentally different structure compared to conventional MID's clear in this figure. While it is known from the prior art to arrange two magnet coils opposite each other outside the measuring tube to generate a magnetic field and to integrate the measuring electrodes into the inner wall of the measuring tube to pick up the voltage resulting from the movement of the charge carriers in the medium, with the MID 1 according to the invention the Coil and the electrodes E1, E2 on a multilayer carrier 10 in the form of a circuit board made of FR4 material or a ceramic substrate, as shown in more detail in the following figures. This coil carrier 10 protrudes perpendicularly 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 1 according to the invention in cross section. It is easy to see how the coil carrier 10 protrudes vertically into the measuring tube 2 like a paddle. The indicated direction of flow makes it clear that the coil carrier 10 and thus also the electrodes E1, E2 are completely surrounded by the medium. A planar coil 11 which generates the magnetic field is arranged on the coil carrier 10 . The electrodes E1, E2 are located in the coil core area 12, where the magnetic field is approximately homogeneous. A holder 3, not shown in detail, in the wall of the measuring tube 2 encompasses an edge section of the coil carrier 10, which is designed as a cuboid block.

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.In order to be able to seal the area of the holder 3 better, it makes sense to overmold the coil carrier 10 at least in the clamping area of the holder 3 with a coating, preferably made of polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyetheretherketone (PEEK). This coating can also have a wedge-shaped widening in the clamping area. Depending on the side from which the coil carrier 10 is inserted into the measuring tube 2, the wedge shape of the widening can extend both from top to bottom and, conversely, from bottom to top. The opening in the measuring tube 2 has a correspondingly complementary design in the area of the holder 3 .

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 shows the arrangement of the planar coil 11 and the two electrodes E1, E2 on the coil carrier 10 and the substrate body 10a. By way of example, this also means the first substrate body 10a for the design of the coil carrier 10 with a plurality of substrate body layers. In this figure, the coil 11 has a circular shape. However, the invention is not limited to this design. A quasi-rectangular or elliptical design of the coil 11 is also conceivable. The electrodes E1, E2 are located in the coil core area 12. The direction of flow of the medium to be measured is indicated by an arrow.

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 a sectional view. In this exemplary embodiment, the coil carrier 10 consists of two substrate bodies 10a, 10b, which are separated from one another by a spacer 13 in the form of a glass solder layer. As from the after following 4 as can be seen, the invention is not limited to two ceramic layers. The direction of flow of the medium to be measured is indicated by the crosses - as a rear view of an arrow. Furthermore, the coil 11 is indicated schematically.

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 10 electrodes are provided on both sides of the coil support. This design makes sense when the magnetic field of the coil 10 extends to both sides of the coil carrier 10 . The pair of electrodes E1/E2 is on one side and the pair of electrodes E3/E4 on the other side.

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 the bobbin 10 consists of seven substrate bodies 10a-10g. One layer of the planar coil 11 is located between the pairs of substrate bodies 10a/10b, 10c/10d, 10d/10e and 10f/10g. The coil thus extends over a total of four levels, which means that the strength of the magnetic field can be significantly increased compared to a single-layer coil . The pair of electrodes E1/E2 is located between the pair of substrate bodies 10b/10c and the pair of electrodes E3/E4 is located between the pair of substrate bodies 10e/10f. The electrodes E1-E4 extend through the bores in the substrate bodies 10a and 10b as well as 10f and 10g up to the surface of the substrate bodies 10a and 10g. On the one hand, the individual coil planes are electrically connected to one another via the contact area 14 and, on the other hand, the electrodes E1-E4 and the coil 11 are electrically contacted here 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 FIG. 12 shows an example of a first embodiment of the planar coil 11 with two electrodes. The planar coil 11 here has a quasi-rectangular configuration. The electrodes E1, E2 are arranged in the coil core area 12.

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 FIG. 12 shows, by way of example, 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 arranged outside of the coil core 12 in the area of 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.Studies 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 the coil 11 is arranged in a different orientation in each case. while in 6a the elongated coil core area 12 is aligned parallel to the direction of flow of the medium to be measured, the coil core area is in 6b perpendicular to the direction of flow of the medium to be measured. Tests have shown that it is advantageous to align the coil 11 with an elongated coil core area 12 parallel to the direction of flow of the medium to be measured, since the best measurement results could be achieved here. The coil 11 is further characterized in that the core area, i.e. the free space inside the coil, preferably also has a rectangular shape, with the ratio of length to width and thus the dimensions of the coil 11 being preferably > 1.5 : 1 is.

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 the MID 1 according to the invention is shown in a second embodiment. In contrast to the execution according to 2 In this case, a bow-shaped insulating element 20 is arranged on both longitudinal sides of the coil carrier 10 and spans the entire area of the coil 11 . This means that the complete extent of the coil 11 in width and length—only one dimension can be seen from the cross-sectional view—is spanned by the insulating element 20 . The insulating element 20 can take on different shapes, e.g. round (as in 7 shown) or elliptical or angular. Experiments have shown that a form similar to the propagation of the E field between the electrodes E1, E2 is particularly advantageous. This embodiment is particularly useful for large pipe diameters, e.g. with a nominal width of 200 mm and larger, with a width of the coil 11 in the longitudinal direction of the coil carrier 10 - as in FIG 7 shown - of, for example, about 15 mm. Furthermore, the MID 1 according to the invention with this bow-shaped insulating element 20 can be used both in metal and in plastic pipes 2 . When using the insulating element 20, there is no longer any need for complex calibration with regard to the material used for the measuring tube 2—as is the case with conventional immersion MIDs. All electrically non-conductive materials can be considered as the material for the insulating element 20, with the use of a plastic being particularly suitable.

Claims

Electromagnetic flow meter 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 that runs perpendicular to the direction of flow, - with electrodes (E1, E2, E3, E4) for tapping an induction voltage caused by the flow, - and with an evaluation unit for determining a flow rate from the induction voltage, wherein the coil (11) is formed by at least one planar coil (11), which is arranged on a flat coil carrier (10), and two medium-touching electrodes (E1, E2, E3, E4) are provided at least on one side of the coil carrier (10). are, characterized in that the coil carrier (10) is designed as a composite of at least two substrate bodies (10a, 10b) and a spacer (13) arranged between the substrate bodies (10a, 10b) as a flat, elongated, cuboid block and that a holder (3) in the wall of the measuring tube (2) encompasses an edge section of the flat coil carrier (10), so that the majority of the coil carrier (10) protrudes freely into the measuring tube (2) and is thus surrounded by the medium to be measured.

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

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

Electromagnetic flow meter according to one of the preceding claims, characterized in that the planar coil (11) has an elongated coil core area (12) whose longer side is aligned parallel to the flow direction of the medium to be measured.

Electromagnetic flowmeter according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the planar coil (11) has an elongate coil core area (12), the longer side of which is aligned perpendicularly to the direction of flow of the medium to be measured.

Electromagnetic flow meter according to one of the preceding claims, characterized in that the induction voltage is detected with a plurality of electrodes (E1, E2, E3, E4) which are arranged on both sides on the front and on the back of the flat coil support (10).

Electromagnetic flow meter according to one of the preceding claims, characterized in that the at least two substrate bodies (10a, 10b) are designed as a printed circuit board made from FR4 material or as a ceramic substrate.

Electromagnetic flow meter according to one of the preceding claims, characterized in that the coil carrier (10), which is designed as a composite of at least two substrate bodies (10a, 10b) and a spacer (13) arranged between the substrate bodies (10a, 10b), has a mirror-symmetrical structure .

Electromagnetic flow meter according to one of the preceding claims, characterized in that the coil carrier (10) is constructed in multiple layers in the form of several substrate bodies (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g) lying one on top of the other.

Electromagnetic 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 coil carrier (10) is arranged.

Magneto-inductive flow meter according to one of the preceding claims, characterized in that the coil carrier (10) is overmoulded with a coating.

Electromagnetic flow meter according to one of the preceding claims, characterized in that the planar coil (11) is part of an oscillating circuit.

Electromagnetic flow meter according to one of the preceding claims, characterized in that a bow-shaped insulating element (20) spanning the region of the coil (11) is arranged on each of the two broad longitudinal sides of the coil carrier (10).