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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Defekterkennung der Signalleitung zwischen einer Messelektrode und einer Mess- und/oder Auswerteeinheit eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes sowie ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Impedanzmessverfahren und deren -auswertung im Bereich der magnetisch-induktiven Durchflussmessung bekannt. Relevant in diesem Zusammenhang sind u.a. die
EP 2 245 430 A2 und die
DE 10 2006 033 112 A1 . Üblicherweise werden die Impedanzmessungen genutzt um den Füllstand zu bestimmen oder ggf. um eine Belags- oder Korrosionsdetektion der Messelektroden durchzuführen.
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Es kann im Lebenszyklus eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes in der Prozessmesstechnik allerdings vorkommen, dass einzelne Sensorbauteile ausfallen. Während Überprüfungsfunktionen und Überwachungsfunktionalitäten für Magnetsysteme oder auch für die Verbindung zwischen Magnetsystem und Transmitter bereits bekannt sind, wird eine Defektüberwachung der Signalleitung zwischen einzelnen Elektroden, insbesondere den Messelektroden, und dem Transmitter auf einen Defekt bisher nur sehr begrenzt durchgeführt.
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Aus diesem Kontext ist allerdings die
GB 2 333 161 . Dieses Dokument beschreibt eine Kabelbrucherkennung auf Basis einer kapazitiven Messung. Dabei wird von einem Stromerzeuger ein Signal erzeugt, welches sich durch eine Spannungsrampe auszeichnet.
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Weiterhin bekannt ist die gattungsgemäße
WO 2016/102 193 A1 bekannt. In der praktischen Umsetzung dieser Variante wurde mit einer AC-Spannung erregt aber die Erregung wird auf allen Elektroden durchgeführt, wobei bekanntlich an den Messelektroden
E1 und
E1 auch das Durchflussmesssignal abgegriffen wird. Dieser Abgriff ist allerdings gestört, weil die Messelektroden selbst eine DC Spannung tragen, welche nicht Null ist.
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Die vorliegende Erfindung setzt daher bei der Aufgabe an, einen Defekt der Signalleitung zwischen einer Messelektrode und einer Mess- und/oder Auswerteeinheit in einem magnetisch-induktiven Messgerät zu erkennen, wobei dieses Erkennungs- bzw. Überwachungsprogramm jedoch die Durchflussmessung in geringerem Maße stört als dies bisher der Fall ist.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch das Bereitstellen eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Die vorliegende Erfindung differenziert zwischen einer Defekterkennung und einer Fehlmessung. Während eine Fehlmessung lediglich einen fehlerhaften Messwert ausgibt, geht es bei der Defekterkennung darum, dass einzelne Elektroden des Messgerätes aufgrund eines Kabelbruchs, einer gelösten Kontaktierung oder aufgrund einer Korrosion keine elektrische Verbindung zur Mess- und/oder Auswerteeinheit des Messgerätes aufweisen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der Erkennung eines Defektes einer Signalleitung zwischen einer ersten Messelektrode eines magnetisch-induktiven Durchfluss-messgerätes und einer Mess-und/oder Auswerteeinheit des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes. Insofern handelt es sich bei dem Verfahren um ein Überwachungsverfahren welches kontinuierlich oder auch mit zeitlichen Unterbrechungen durchgeführt werden kann. In letzteren Fall kann das Verfahren intermittierend mit einem Verfahren zur Ermittlung des Befüllungszustandes erfolgen.
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Ein Befüllungszustand ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise Zustand wie „voll befüllt“ und „teilbefüllt oder leer“. Eine genaue Füllstandsangabe des Messrohres eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts ist im Kontext der vorliegenden Erfindung nicht zwingend für die Ermittlung eines Befüllungszustandes sondern es geht lediglich um die Information ob das Rohr zu einem Messzeitraum voll befüllt ist.
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Das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät weist in an sich bekannter Weise zumindest die vorgenannte Mess- und/oder Auswerteeinheit sowie ein Messrohr auf.
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Das Messrohr ist mit zumindest zwei Messelektroden versehen, wobei die vorgenannte Messelektrode eine dieser beiden Messelektroden ist. Die Messelektroden dienen dem Abgriff einer Messspannung zur Ermittlung des Durchflusses. Sie stehen sich typischerweise, jedoch nicht zwingend, diametral am Messrohr gegenüber.
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In Einbaulage vorzugsweise am höchsten Punkt und vorzugsweise um 90 ° gegenüber den Messelektroden am Innenumfang des Messrohres versetzt ist eine dritte Elektrode angeordnet. Diese dritte Elektrode wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als die EPD-Elektrode definiert. Sie dient der Erkennung des Befüllungszustandes des Messrohres. EPD-Elektroden sind an sich ebenfalls u.a. aus Patentanmeldungen der Anmelderin bekannt.
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Weiterhin erfindungsgemäß ist eine Erdungselektrode, auch Ground-Elektrode genannt, am Messrohr vorgesehen. Durch die Erdungselektrode wird eine Messwertbestimmung gegen Erdung bzw. Masse ermöglicht. Typischerweise, jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht zwingend, ist die Erdungselektrode in Einbaulage im unteren Bereich des Messrohres angeordnet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Defekterkennung weist die folgenden Schritte auf:
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a Bereitstellen eines Anregungs-Spannungssignals an der EPD-Elektrode
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Bei dem Anregungssignal handelt es sich, anders als in der
GB 2 333 161 A1 um kein Anregungs-Stromsignal unter Erzeugung einer Spannungsrampe, sondern um ein Anregungs-Spannungssignal. Dieses Anregungsspannungssignal ist vorzugsweise ein Rechteck-Spannungssignal, welches vorzugsweise durch eine Spannungsquelle erzeugt wird. Die Vorgabe des Rechtecksignals erfolgt durch einen Micro-Controller der Mess- und/oder Auswerteeinheit. Die Spannungsquelle erzeugt ein Rechtecksignal mit einem festen Spannungswert. Das Anregungs-Spannungssignal wird durch das im Messrohr befindliche Medium geleitet.
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b Abgriff eines ersten Messsignals gegen Masse an der ersten Messelektrode;
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An der ersten Messelektrode erfolgt ein Abgriff eines aus dem Anregungs-Spannungssignal generierten ersten Messsignals gegen Masse bzw. Erdung an der ersten Messelektrode. Die Messung zwischen der Erdungselektrode und der EPD-Elektrode kann dabei als Referenz gegenüber der Messung an den beiden Messelektroden genutzt werden.
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c Abgriff eines zweiten Messsignals gegen Masse an der zweiten Messelektrode;
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Analog und insbesondere auch zeitgleich kann an der zweiten Messelektrode ein zweites Messsignal abgegriffen werden.
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d Vergleich der beiden Messsignale zur Erkennung des Defekts der Signalleitung
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Schließlich kann durch Vergleich der beiden Messsignale, z.B. durch Quotienten- oder Differenzbildung und Abgleich mit einem Sollwert ein Defekt der Signalleitung, z.B. ein Kabelbruch oder ein Kabelabriss, erkannt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Rechteck-Spannungssignal weist vorzugsweise eine konstante Amplitude bzw. einen konstanten Spannungswert auf. Das Rechtecksignal kann also einen ersten Spannungswert z.B. Null und einen zweiten Spannungswert z.B. 250 mV aufweisen, wobei der zweite Spannungswert als der der vorgenannte konstante Spannungswert zu verstehen ist.
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Das Anregungs-Spannungssignal an der EPD-Elektrode ist bevorzugt als ein AC-Signal ausgebildet. Während ein DC-Signal für Störungen bei der Durchflussmessung sorgt, treten diese Störungen im AC-Betrieb der Messung nicht oder nur in sehr geringem Maße auf.
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In Schritt d) kann aus den beiden Messsignalen ein Vergleichswert ermittelt werden, welcher mit einem Sollwert verglichen wird, wobei bei Über- oder Unterschreiten des Sollwerts ein Kabelbruch bzw. ein Defekt der Signalleitung angezeigt wird.
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Zusätzlich kann ein Defekt der Erdungselektrode erkannt werden, sofern sowohl das erste als auch das zweite Messsignal als auch ein drittes Messsignal, dessen Abgriff gegen Masse an der EPD-Elektrode erfolgt, einen zweiten Sollwert z.B. eine hohe Spannung von 1 Volt überschreiten. Anders als das Signal zum Vergleich eines Defekts der Signalleitung der Messelektroden, welche durch Vergleich der Messung der beiden Messelektroden erfolgt, kann ein Defekt der Signalleitung der Erdungselektrode gegenüber einem Absolutwert, also dem Sollwert, detektiert werden.
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Das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät kann vorteilhaft einen Bandpassfilter zur Signalwandlung des Rechtecksignals in ein DC-Signal mit entsprechenden Amplituden aufweist, welcher zwischen dem oder den Messelektroden und der Mess- und/oder Auswerteeinheit angeordnet ist.
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Das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät kann zudem einen Bandpassfilter, vorzugsweise den vorgenannten Bandpassfilter aufweisen, welcher zwischen der EPD-Elektrode und der Mess- und/oder Auswerteeinheit angeordnet ist. Ein entsprechender Spannungsteiler für die Leitung des Anregungssignals und das Messsignals kann zudem vorgesehen sein.
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Ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät umfasst ein Messrohr mit zumindest zwei Messelektroden, einer dritten Elektrode, zur Erkennung des Befüllungszustandes des Messrohres und mit einer Erdungselektrode, wobei das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät zumindest eine Mess- und/oder Auswerteeinheit umfasst, welche ausgebildet ist zur Durchführung des vorgenannten erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät kann vorteilhaft einen ersten Betriebsmodus aufweisen, in welchem das vorgenannte Verfahren durchgeführt wird und einen zweiten Betriebsmodus in welchem der Befüllungsgrad durch die EPD-Elektrode ermittelt wird.
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Zwischen den beiden Betriebsmodi kann gewechselt werden, beispielsweise in periodischen Abständen, welche durch die Mess- und/oder Auswerteeinheit festgelegt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren mittels eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Schaltbild mit Impedanzen zwischen einzelnen Elektroden;
- 2 ein schematisches Schaltbild bezüglich des Schaltplans zum Betrieb der Leerrohrdetektions-Elektrode;
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Das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes ist grundsätzlich bekannt. Gemäß dem Faraday'schen Induktionsgesetz wird in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Spannung induziert. Beim magnetisch-induktiven Messprinzip entspricht das fließende Messmedium dem bewegten Leiter.
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Ein gattungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ist in der
WO 2016/102193 A1 dargestellt, auf welche hinsichtlich des Aufbaus eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts vollumfänglich Bezug genommen wird.
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1 der vorliegenden Anmeldung zeigt eine stark vereinfachte Darstellung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 1 mit einem Messrohr 2 und Magnetfeld-erzeugenden Spulen 3 bzw. MS, welche über eine Mess- und/oder Auswerteeinheit betrieben werden.
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An einem Messrohr 2 dieses magnetisch induktiven zwei sich diametral gegenüberstehende Messelektroden E1 , E2 vorgesehen, welche bei einer Anordnung aus zwei Feldspulen 3 vorzugsweise um 90° versetzt zu den Feldspulen 3 am Messrohr 2 angeordnet sind. Die Messelektroden E1 , E2 greifen die beim Durchfließen des Messstoffes bzw. Messmediums erzeugte Spannung ab. Die induzierte Spannung verhält sich proportional zur Durchflussgeschwindigkeit und damit zum Volumendurchfluss. Das durch die Feldspulen 3 aufgebaute Magnetfeld wird vorzugsweise durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit.
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Zusätzlich zu den beiden Messelektroden E1, E2 weist das erfindungsgemäße magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 1 in der dargestellten Ausführungsvariante eine Erdungselektrode GND und eine weitere Elektrode EPD auf, welche oftmals MSÜ-Elektrode (Messstoffüberwächungselektrode), Füllstandsüberwachungselektrode oder EPD-Elektrode (Empty Pipe Detektion Electrode) genannt wird.
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Beide Elektroden an sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Die EPD-Elektrode überwacht dabei, ob das Messrohr während der Messung vollständig gefüllt ist. Die erfolgt vorzugsweise durch eine Leitfähigkeitsmessung.
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Die Messwerte und/oder der Zustand der einzelnen Elektroden werden von einer Mess- und/oder Auswerteeinheit 7 ausgewertet und/oder überwacht. Zwischen der Mess- und/oder Auswerteeinheit 7 und den Messelektroden E1 , E2, der EPD-Elektrode EPD und der Erdungselektrode GND ist jeweils eine Kabelleitung 4 angeordnet, welche Messsignale zur Mess- und/oder Auswerteeinheit 7 übermittelt In 1 sind die Messstrecken zwischen den Messelektroden E1 und E2 und der EPD-Elektrode dargestellt. Dabei weist die Messstrecke zwischen der ersten Messelektrode E1 und der EPD-Elektrode eine erste Impedanz ZEPD,E1 auf und die Messstrecke zwischen der zweiten Messelektrode E2 und der EPD-Elektrode weist eine zweite Impedanz ZEPD,E2 auf.
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Weitere Impedanzen sind ZE1 und ZE2 zwischen den Messelektroden E1 und E2 und der Erdungselektrode GND, sowie die Impedanz ZEPD zwischen der EPD-Elektrode EPD und der Erdungselektrode GND.
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Dabei weist die Messstrecke zwischen der ersten Messelektrode E1 und der Erdungselektrode GND weist eine dritte Impedanz ZGND,E1 auf und die Messstrecke zwischen der zweiten Messelektrode E2 und der Erdungselektrode GND weist eine vierte Impedanz ZGND,E2 auf.
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Weiterhin die Messstrecke zwischen der Erdungselektrode GND und der EPD-Elektrode eine fünfte Impedanz ZGND, EPD auf und die Messstrecke zwischen den zweite Messelektrode E1 und E2 weist eine sechste Impedanz ZE1,E2 auf.
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Nach dem neuen Verfahren werden AC-Rechteckspannungen an EPD-Elektrode angelegt um die Impedanzen entlang der Messstrecke zu ermitteln. Die Messung und somit der Abgriff des Messsignals findet an der EPD-Elektrode und an den Messelektroden, vorzugsweise seriell statt.
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Es wird somit nach folgendem Schema vorgegangen
- a) An der EPD-Elektrode anregen und gleichzeitig Signalabgriff an der EPD-Elektrode messen
- b) an der EPD-Elektrode anregen und an der Messelektroden E1 messen.
- c) an der EPD-Elektrode anregen und an der Messelektrode E2 messen.
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Einige vorgenannten Messstrecken sind gleich groß sind und die Elektrodentypen ebenfalls gleich ausgestaltet daher ergibt das Verhältnis der Impedanzen ZEPD,E1 und ZEPD,E2 im Idealfall den Wert 1,0. Oftmals beeinflussen im Realfall jedoch Beläge auf den Elektroden, Strömungsstörungen und dergleichen das Verhältnis.
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Bei einem Kabelbruch kann die Impedanz an der fehlerhaften Elektrode allerdings sehr groß sein oder näherungsweise unendlich groß sein. Kleinere Impedanzunterschiede, welche außerhalb des vordefinierten Referenzwertes liegen, können auf Fehler durch starken Belag oder eine asymmetrische Belagserkennung auf den Elektroden hinweisen. Da somit bei einem Kabelbruch einer der vorgenannten Elektrode die Impedanz gegen unendlich tendiert, werden auch hohe Grenzwerte für ein Impedanz-Verhältnis problemlos überschritten. Wenn die Impedanzen daher nicht im für den Sensor typischen Sollwertbereich zueinander befinden liegt ein Kabelbruch vor. Das Prinzip lässt sich auch anwenden, falls die Abstände B und C nicht gleich sind.
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Als Kabelbruch ist im Rahmen der Erfindung auch ein Kabelabriss, z.B. an der Lötstrecke zur entsprechenden Elektrode, zu verstehen.
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Zusätzlich kann auch ein Vergleich der Impedanzen zwischen der Erdungs- und der EPD-Elektrode gegenüber der Impedanz der Messelekroden E1 und E2 erfolgen. Um auch an dieser Stelle ein Kabelbruch durch einen Vergleich zu detektieren
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Weiter kann analog zur
WO 2016/102193 A1 ein Vergleich der Messstrecken der
E1 mit der Erdungselektrode und ein Vergleich der Messstrecke der
E2 mit der Erdungselektrode erfolgen.
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2 zeigt den Aufbau einer Schaltung zum Betrieb der EPD-Elektrode im erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät 1. Man erkennt eine Spannungsquelle 10 und deren Impedanz Zquekke , ein Ausgangssignal UAnregung , die Impedanz des Mediums ZMedium im Messrohr 2 und ein Messsignal UMess welches durch einen Bandpassfilter 11 bearbeitet wird.
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Dabei erfolgt die Impedanzmessung an der
EPD-Elektrode durch Messung der Amplitude im AC-Bereich. Die in
2 dargestellte Schaltung wird vollständig ACbetrieben. DC-Störungen werden dadurch vorteilhaft vermieden. Die in
2 dargestellten Impedanzen sind ebenfalls AC-mäßig zu betrachten. Es gilt
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Es erfolgt ein Anlegen eines Signals UAnregung als Anregungs-Spannungssignal in Form eines Rechtecksignals an der EPD-Elektrode und eine Messung eines Spannungssignals UMess unter Berücksichtigung der Eigenimpedanz der Spannungsquelle Zquelle .
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Die Messung des Spannungssignals erfolgt a den Messelektroden E1 und E2. Dies ist ungewöhnlich, da das Messsignal deutlich geringer als beim Abgriff an der EPD-Elektrode ist Allerdings ist ein Vergleich der Impedanzen bei intakten Signalleitungen trotzdem möglich. Der Einfluss dieser Messung auf die Durchflussmessung ist bei dieser Vorgehensweise relativ gering.
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Die Auswerteeinheit 7 umfasst dabei einen Mikro-Controller. Das Signal UAnregung ist ein Rechtecksignal welches direkt durch den Mikrokontrollers mittels der in 2 dargestellten Spannungsquelle generiert wird. Die Spannungsquelle ist kapazitiv mit dem Mikrocontroller gekoppelt und weist eine konstante Impedanz auf.
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Der Bandpassfilter 11 ermöglicht sodann die Erzeugung eines Sinussignals aus dem Rechtecksignal. Der Bandpassfilter ermöglicht zudem auch Störungen zu dämpfen. Diese Störungen können durch verschiedene chemische oder mechanische Reaktionen an Medium oder Rohr erscheinen.
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Die Ermittlung eines Kabelbruchs und die Überwachung der Messfunktion der EPD-Elektrode kann somit durch Direktmessung der Ampitude und/oder der Amplitudenverteilung des Rechtecksignals erfolgen und durch Auswertung dieses Rechtecksignals.
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Die Messung erfolgt stets durch Anregung von der EPD-Elektrode und durch Messung der Spannung an der Messelektrode EPD oder E1 oder E2, wobei das Messsignal gegen Masse gemessen wird. Daher wird das Anregungssignal auch an die Erdungselektrode GND übermittelt. Ein rapides Ansteigen aller drei Messignale, die beiden Messelektroden E1 und E2 und der EPD-Elektrode abgegriffen werden, deutet auf eine Unterbrechung der Signalleitung 5 zur Erdungselektrode hin.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- magnetisch induktives Durchflussmessgerat
- 2
- Messrohr
- 3
- Feldspule
- 4
- Signalleitung bzw. Kabelleitung
- 5
- Signalleitung
- 7
- Mess- und/oder Auswerteeinheit
- 11
- Bandpassfilter
- E1
- Messelektrode
- E2
- Messelektrode
- GND
- Erdungselektrode
- EPD
- Füllstandsüberwachungselektrode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2245430 A2 [0002]
- DE 102006033112 A1 [0002]
- GB 2333161 [0004]
- WO 2016/102193 A1 [0005, 0032, 0048]
- GB 2333161 A1 [0016]
