DE102018132601A1

DE102018132601A1 - Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde, Messaufbau und Verfahren zur Ermittlung eines Durchflusses und/oder eines Einbauwinkels

Info

Publication number: DE102018132601A1
Application number: DE102018132601.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bier
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2038-12-19
Also published as: DE102018132601B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde zur Ermittlung des Durchflusses eines Mediums, umfassend ein Frontteil mit einem ein Zentrum aufweisenden Frontende, ein Gehäuse, eine im Gehäuse angeordnete magnetfelderzeugende Vorrichtung zur Erzeugung eines durch das Frontende hindurchreichenden Magnetfeldes und eine Mess- und Auswerteeinheit, und ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Frontende N einen galvanischen Kontakt mit dem Medium bildende Messelektroden angeordnet sind, die N · (N - 1)/2 Messelektrodenpaare bilden, wobei N eine natürliche Zahl größer 3 ist, wobei die Mess- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, an mindestens zwei Messelektrodenpaaren jeweils eine induzierte Messspannung zu erfassen.

Description

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte werden zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines Mediums in einem Messrohr eingesetzt. Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät umfasst eine magnetfelderzeugende Vorrichtung, die ein Magnetfeld senkrecht zur Querachse des Messrohres erzeugt. Dafür werden üblicherweise einzelne oder mehrere Spulen verwendet. Um ein überwiegend homogenes Magnetfeld zu realisieren, werden zusätzlich Polschuhe so geformt und angebracht, dass eine Symmetrieachse der Magnetfeldlinien im Wesentlichen senkrecht zur Querachse verlaufen. Ein an die Mantelfläche des Messrohres angebrachtes Elektrodenpaar greift eine induktiv erzeugte elektrische Messspannung ab, die entsteht, wenn ein leitfähiges Medium bei angelegtem Magnetfeld in Richtung der Längsachse fließt. Da die abgegriffene Messspannung laut Faraday'schem Induktionsgesetz von der Geschwindigkeit des fließenden Mediums abhängt, kann aus der Messspannung die Durchflussgeschwindigkeit und, mit Hinzunahme eines bekannten Rohrquerschnitts, der Volumendurchfluss des Mediums ermittelt werden.
Im Gegensatz zu magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten, bei denen eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines ein Messrohr durchdringenden Magnetfelds auf der Mantelflache des Messrohrs fixiert ist und mindestens zwei Messelektroden in der Innenwandung angeordnet sind, werden magnetisch-induktive Durchflussmesssonden mit ihrem kreiszylindrischen Gehäuse in eine seitliche Öffnung des Messrohrs eingesteckt und fluiddicht fixiert. Die erwähnte Spulenanordnung auf der Mantelflache des Messrohrs entfällt, da das Magnetfeld lediglich im Bereich des in das Fluid ragenden Frontendes der Durchflussmesssonde existiert bzw. von einem deren Spulenanordnung durchfliessenden Strom in diesem Bereich erzeugt wird. Die Durchflussmesssonde umfasst üblicherweise zwei stiftförmig ausgebildete Messelektroden. Es sind aus der EP0534003A1 aber auch Durchflussmesssonden mit einer im Zentrum des Frontendes angeordneten, stiftförmigen Messelektrode und einer die stiftförmige Messelektrode umschließende Ringelektrode bekannt.
Die EP0892251A1 offenbart eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde, deren in das Fluid ragende Frontende die Form einer Kugelkalotte annimmt und in der eine erste und zweite galvanische Elektrode auf einem der Meridiane der Kugelkalotte symmetrisch zu einem Scheitelpunkt des Meridians angeordnet sind. Die Durchflussmesssonde ist praktisch senkrecht zu der Strömungsrichtung des zu messsenden Fluids einzutauchen. Eine Abweichung von der idealen Einbauorientierung führt zur Abnahme der Genauigkeit des gemessenen Durchflusses.
Aus der US3881350A ist eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde bekannt, die neben den beiden, auf einem ersten Durchmesser angeordneten Messelektroden zwei weitere, auf einem zweiten Durchmesser angeordnete Messelektroden aufweist, wobei beide Durchmesser senkrecht zueinander stehen. Da eine Messschaltung dazu eingerichtet ist, jeweils eine an den beiden Messelektrodenpaaren anliegende Messspannung zu erfassen, ergeben sich daraus zwei ideale Einbauorientierungen für die Durchflussmessonde in eine Rohrleitung.
Diesen Ausgestaltungen nachteilig ist, dass beim Einbauen der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde in eine Messtelle, eine klar definierte Einbauanforderung eingehalten werden muss. Dem Nutzer wird abverlangt, die Durchflussmesssonde so einzubauen, dass der die zwei Messelektroden schneidende Durchmesser praktisch senkrecht zu der Strömungsrichtung des zu messsenden Fluids verläuft. Wird dies bei der Installation nicht berücksichtigt, kommt es zu erheblichen Messfehlern bei der Ermittlung des Durchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde, einen Messaufbau und ein Verfahren zur Ermittlung einer Durchflussgeschwindigkeit bereitzustellen, die allesamt dazu beitragen das Einbauen der Durchflussmesssonde in die Rohrleitung zu vereinfachen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach Anspruch 1, durch das Verfahren zur Ermittlung eines Durchflusses und/oder eines Einbauwinkels nach Anspruch 11 und den Messaufbau nach Anspruch 17.
Die erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmesssonde zur Ermittlung des Durchflusses eines Mediums, umfasst ein Frontteil mit mit einem ein Zentrum aufweisenden Frontende, ein Gehäuse, eine im Gehäuse angeordnete magnetfelderzeugende Vorrichtung zur Erzeugung eines durch das Frontende hindurchreichenden Magnetfeldes und eine Mess- und Auswerteeinheit, und ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Frontende N einen galvanischen Kontakt mit dem Medium bildende Messelektroden angeordnet sind, die N · (N - 1)/2 Messelektrodenpaare bilden, wobei N eine natürliche Zahl größer 3 ist, wobei die Mess- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist an mindestens zwei Messelektrodenpaaren jeweils mindestens eine induzierte Messspannung zu erfassen.
Der größte Vorteil der erfindungsgemäßen Durchflussmesssonde liegt darin, dass durch die N einen galvanischen Kontakt mit dem Medium bildenden Messelektroden ermöglicht wird mindestens zwei Messspannungen im fließenden Medium abzugreifen. Diese Messspannungen sind nicht nur proportional zur Fließgeschwindigkeit des Mediums, sondern hängen offenkundig von der Einbauorientierung der Durchflusssonde ab. Mit nur einem Messelektrodenpaar, insbesondere mit einer einzelnen abgreifbaren Messspannung, ist es unmöglich nähere Informationen zur Einbauorientierung zu erhalten. Durch mindestens eine weitere Messspannung lässt sich die Einbauorientierung relativ zur Strömungsrichtung des Mediums bzw. relativ zur Längsrichtung der Rohrleitung ermitteln. Mittels der Mess- und/oder Auswerteeinheit lässt sich ein Einbauwinkel α, der ein Maß für die Abweichung zur idealen Einbauorientierung ist, ermitteln. Der Einbauwinkel α wird durch eine, ein Messelektrodenpaar schneidende Gerade und eine Strömungsrichtung des durch die Rohrleitung fließenden Mediums in der Frontenden-Ebene aufgespannt. Dreht sich die Durchflussmesssonde um ihr Zentrum in der Frontendenen-Ebene, so ändert sich auch der Einbauwinkel α. Dieser dient zur Korrektur der abgegriffenen Messspannung. Dafür reicht der Abgriff von zwei Messspannungen an zwei Messelektrodenpaaren mittels der Mess- und/oder Auswerteeinheit bereits aus. Die Ermittlung des Einbauwinkels α geschieht nach dem Einbauen bzw. beim Einrichten der Durchflussmesssonde einmalig, kontinuierlich oder zu festgelegten Zeitpunkten.
Der Benutzer braucht beim Anbringen und Fixieren der Durchflussmesssonde in die Rohrleitung neben dem sachgemäßen Einführen der Durchflussmesssonde in die Rohrleitung und dem Abdichten, nicht mehr noch zusätzlich auf die Orientierung der Durchflussmesssonde, insbesondere auf den eingestellten Drehwinkel zur Strömungsrichtung zu achten.
Die Berücksichtigung von mehr als zwei Messspannungen eröffnet weitere Möglichkeiten. Zum Einen kann der Einbauwinkel α nicht nur durch ein Paar an Messspannungen, sondern mittels der zusätzlich abgegriffenen Messspannung-Paaren ermittelt werden. Somit kann durch eine statistische Auswertung, beispielsweise Erstellen eines Mittelwertes etc., die Schwankungen oder der Fehler des ermittelten Einbauwinkels α verringert werden. Des Weiteren dienen die zusätzlichen Messspannung als Kontrollwert für Einbaukonstellationen, in denen an einem Messelektrodenpaar trotz fließendem Medium keine Spannung anliegt. Das tritt zum Beispiel immer dann auf, wenn eine das Messelektrodenpaar schneidende Gerade parallel zur Strömungsrichtung verläuft. Durch die Berücksichtigung von mindestens drei anliegenden Messspannungen kann zwischen einem einbaubedingten und defektbedingten Ausfall eines Messelektrodenpaares unterschieden werden. Dafür muss die Mess- und/oder Auswerteeinheit eingerichtet sein, an mindestens drei Messelektrodenpaare jeweils mindestens eine Messspannung abzugreifen. Die Ermittlung des Einbauwinkels α geschieht nach dem Einbauen bzw. beim Einrichten der Durchflussmesssonde einmalig, kontinuierlich oder zu festgelegten Zeitpunkten. Alternativ sind die Messelektroden mit einer Multiplexereinheit, eine analoge oder digitale Selektionsschaltung, verbunden, die dazu eingerichtet ist die anliegenden Messspannungen zyklisch abzugreifen.
Gemäß einer Ausgestaltung sind mindestens 4 Messelektroden der N Messelektroden drehsymmetrisch um ein Drehzentrum angeordnet sind, wobei das Zentrum des Frontendes das Drehzentrum bildet.
Eine drehsymmetrische Anordnung der Messelektroden erleichtert die Auswertung der Messspannungen, weil bei einer homogenen Magnetfeldverteilung auf dem Frontende auf eine individuelle Berücksichtigung der Anordnunggeometrie bei der Ermittlung des Einbauwinkels α oder des Durchflusses verzichtet werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Gehäuse zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch mit einer durch das Zentrum des Frontendes verlaufenden Rotationsachse ausgebildet, wobei die Rotationsachse senkrecht zum Frontende verläuft.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die magnetfelderzeugende Vorrichtung eine Spulenanordnung und einen Spulenkern, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung mindestens eine Rückführung aufweist, wobei der Spulenkern an oder in der Nähe des Frontendes endet, wobei der Spulenkern zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet ist, wobei die Spulenanordnung den Spulenkern umschließt.
Da die Messspannung gemäß Faraday'schem Induktionsgesetz von der Magnetfeldrichtung abhängt, ist es vorteilhaft, wenn das Magnetfeld senkrecht zum Frontende aus dem Gehäuse aus- oder eintritt. Die Messspannung hängt insbesondere von der Magnetfeldstärke ab, somit ist es besonders vorteilhaft, wenn die Magnetfeldstärke über das gesamte Frontende, inbesondere zwischen den jeweiligen Messelektrodenpaaren konstant ist. Somit kann auf eine Kalibration oder auf eine magnetfeldbedingte Korrektur der einzelnen ermittelten Messspannungen verzichtet werden.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die Rückführung hohlzylindrisch ausgebildet, wobei die Rückführung den Spulenkern und die Spulenanordnung umschließt.
Die Rückführung ist in dem Fall hohlzylindrisch und an einem Ende geschlossen ausgebildet, so dass sie die Form einer Tasse annimmt. Im Zentrum der hohlzylindrischen Wandung ist der Spulenkern angeordnet. Dieser ist zylindrisch oder quaderförmig ausgebildet. In diesem Fall wird der Spulenkern von einer einzelnen Rückführung umschlossen.
Gemäß einer Ausgestaltung ist zwischen den Messelektrodenpaaren jeweils eine eine Längsachse aufweisende Rückführungen angeordnet, wobei die Rückführungen drehsymmetrisch um das Drehzentrum angeordnet sind, wobei die Längsachsen jeweils zwischen einem Messelektrodenpaar senkrecht aus dem Frontende austreten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Durchflussmesssonde mehrere Rückführungen auf. Die Rückführungen sind so ausgebildet und angeordnet, dass das Magnetfeld zwischen den Messelektroden senkrecht in das Frontende hineinreicht oder aus dem Frontende herausragt. Es ist vorteilhaft, wenn sie stiftförmig ausgebildet und jeweils zwischen einem Messelektrodenpaar angeordnet sind. Das eröffnet die Möglichkeit die Anzahl der Rückführungen so zu wählen und die Gestalt der Rückführungen so zu formen und die Rückführungen so in das Gehäuse anzuordnen, dass zwischen den Messelektrodenpaaren ein ausreichend großes Magnetfeld zum Detektieren des Durchflusses des Mediums existiert. Die Anzahl der Rückführungen ist dabei der Anzahl der Messelektrodenpaare bzw. die der Anzahl der abgegriffenen Messspannungen anzupassen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Rückführungen als einzelne Kreisringsegmente ausgebildet.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die Mess- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet die induzierte Messspannung an diametral angeordnete Messelektroden und/oder an benachbarte Messelektroden und/oder an maximal beabstandete Messelektroden zu erfassen.
Bei Durchflussmesssonden mit einem hohen N ist es nicht notwendig an jedem Messelektrodenpaar eine Messspannung abzugreifen. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn die Messspannung nur an den diametral angeordneten oder an den maximal beabstandeten Messelektroden abgegriffen wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da bei diametral angeordneten oder maximal beabstanden Messelektroden lokale Störungen im Strömungsprofil weniger Einfluss auf die Durchflussmessung nehmen. Die Messung wird insgesamt stabiler. Das Abgreifen der Messspannungen an den diametral angeordneten Messelektroden vereinfacht die Auswertung und die Ermittlung des Durchflusses.
Gemäß einer Ausgestaltung ist N gleich 4. Außerdem verlaufen eine eine erste und zweite Messelektrode schneidende Gerade und eine eine dritte und vierte Messelektrode schneidende Gerade senkrecht zueinander, wobei die Mess- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist an mindestens zwei Messelektrodenpaaren, insbesondere an mindestens drei Messelektrodenpaaren, jeweils eine induzierte Messspannung zu erfassen.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Druchflussmesssonde vier Messelektroden aufweist, die drehsymmetrisch zum Zentrum auf dem Frontende angeordnet sind. Diese Ausgestaltung vereinfacht die Auswertung der anliegenden Messspannungen deutlich, da die Abstände der einzelnen Messelektrodenpaare identisch sind und somit keine zusätzliche Korrektur notwendig ist. Da das Magnetfeld konstant eingestellt wird hängt die Messspannung nur noch von der Durchflussgeschwindigkeit des Mediums und dem Einbauwinkel der Druchflussmesssonde ab.
Gemäß einer Ausgestaltung ist im Zentrum des Frontendes eine Elektrode angeordnet, die dazu eingerichtet ist die Funktion einer Bezugselektrode zu übernehmen.
Durch die Anordnung der Bezugselektrode im Zentrum ist es vorteilhaft, wenn der Spulenkern eine Durchführung in Form einer Bohrung aufweist, durch die die Bezugselektrode und die Anschlüsse geführt werden.
Üblicherweise wird ein metallisches Gehäuse verwendet. Dieses wird an ein Referenpotential angeschlossen und dient somit als Referenz- bzw. Bezugselektrode. Durch das Anordnen einer Elektrode, die als Bezugselektrode eingerichtet ist, kann auf ein leitfähiges Gehäuse verzichtet werden. Das Gehäuse kann somit aus einem kostengünstigen Kunststoff gefertigt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die Mess- und Auswerteeinheit dazu ausgebildet, anhand der höchsten Messspannung, in Bezug auf die an den jeweiligen Messelektroden anliegenden Messspannungen, und des ermittelten Einbauwinkels einen Durchfluss und/oder eine Durchflussgeschwindigkeit des Mediums zu ermitteln und einer Messelektrode, die nicht für die Ermittlung des Durchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit verwendet wird, die Funktion einer Bezugselektrode oder einer Füllstandsüberwachungselektrode oder einer Elektrode zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Mediums zuzuordnen.
Nach dem Ermitteln des Einbauwinkels α, reicht eine Messpannung bzw. ein Messelektrodenpaar aus, um den Durchfluss zu überwachen. Somit steht eine der (N - 2) restlichen Messelektroden für die Überwachung weiterer prozessbedingter Parameter zur Verfügung. Diese Messelektrode wird in dem Zusammenhang als funktionelle Messelektrode bezeichnet. Idealerweise ist die Mess- und/oder Auswerteeinheit dazu eingerichtet, den Durchfluss anhand dem Messelektrodenpaar mit der höchsten gemessenen Messspannung zu ermitteln. Dadurch erhält man eine bessere Auflösung und einen geringeren Messfehler bzw. geringere Messschwankungen. Der funktionellen Messelektrode wird eine neue Funktion zugeordnet.
Eine Funktion ist die Bestimmung der Leitfähigkeit des Mediums. Für die Ermittlung der Leitfähigkeit des Mediums wird zwischen der funktionellen Messelektrode und beispielsweise dem Gehäuse, der Rohrleitung oder einem Erdungsring eine Potentialdifferenz angelegt und der Strom ermittelt.
Eine weitere Funktion ist die Überwachung des Füllstandes. Füllstandsüberwachungssysteme für Durchflussmessgeräte sind bereits für magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte bekannt. Dabei wird eine sogenannte Füllstandsüberwachungselektrode bei horizontalem Einbau des Messrohres, bezüglich des Querschnittes des Messrohres optimalerweise am obersten Punkt des Messrohres angeordnet. Durch Bestimmung der Leitfähigkeit des Mediums zwischen der Füllstandsüberwachungselektrode und der Bezugselektrode oder eines metallischen Prozessanschlusses wird die Befüllung des Rohres überwacht. Dabei weist das Medium gegenüber Luft stets eine höhere Leitfähigkeit auf. Sinkt die Leitfähigkeit unter einen vorgegebenen Grenzwert, so wird eine teilweise Befüllung detektiert. Der Grenzwert ist unter anderem abhängig von der spezifischen Leitfähigkeit des Mediums, von der Nennweite des Messrohres, von der Abmessung und Position der Füllstandsüberwachungselektrode sowie von den Eigenschaften der Messrohrauskleidung. Für die Überwachung des Füllstandes mittels der funktionellen Messelektrode wird die Leitfähigkeit des Mediums zwischen der funktionellen Messelektrode und einem Referenzpotential ermittelt.
Des Weiteren kann sie die Funktion einer Bezugselektrode zugeordnet bekommen. Üblicherweise ist das Gehäuse der Durchflussmesssonde metallisch und wird daher mit einem Refrenzpotential verbunden. Im vorliegenden Fall kann durch die Verwendung der funktionellen Messelektrode als Referenzelektrode auf ein leitfähiges Gehäuse und auf eine zusätzliche Referenzelektrode in der Durchflussmesssonde verzichtet werden.
Die Zuordnung der Funktion wird mit einer Schaltungseinheit realisiert, die in der Mess- und/oder Auswerteeinheit oder im Gehäuse des Durchflussmessgerätes eingebaut ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung eines Durchflusses eines Mediums in einer Rohrleitung mittels einer magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde und/oder eines Einbauwinkels α der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde, wobei der Einbauwinkel α durch eine ein Messelektrodenpaar schneidende Gerade und einer Strömungsrichtung des durch die Rohrleitung fließenden Mediums aufgespannt wird, ist gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

A) Messen einer ersten und zweiten Messspannung, wobei die erste Messspannung an einem ersten Messelektrodenpaar und die zweite Messspannung an einem zweiten Messelektrodenpaar anliegt;
V1) Ermittlung des Einbauwinkels α in Abhängigkeit der ersten und zweiten Messspannung; und/oder
W1) Ermittlung des Durchflusses in Abhängigkeit von mindestens einer an einem Messelektrodenpaar anliegenden Messspannung und des ermittelten Einbauwinkels α.

Es ist besonders von Vorteil, wenn der Einbauwinkel α beim Einrichten der Durchflussmesssonde ermittelt wird und dann im weiteren Verfahren für die Ermittlung des Durchflusses berücksichtigt wird. Für die Bestimmung des Einbauwinkels α wird mindestens ein Paar an Messspannungen benötigt. Durch Vektorberechnung lassen sich in Abhängigkeit der Einbaugeometrie der Messelektroden und Einbauorientierung die Messspannungen beschreiben.
Die an einem Messelektrodenpaar anliegende Messspannung hängt wie folgt von dem Einbauwinkel ab: $U_{1} = k_{1} \cdot U_{i} \cdot cos (α),$
wobei U₁ die anliegende Messspannung, U_i die Messspannung bei idealer Einbauorientierung und k₁ einen ersten Korrekturfaktor beschreibt.
Fügt man den beiden ein Messelektrodenpaar bildenden Messelektroden zwei weitere Messelektroden hinzu, stehen sechs Messelektrodenpaare zur Verfügung, an denen jeweils mindestens eine Messspannung abgegriffen werden kann. Nimmt man an, dass die vier Messelektroden die Ecken eines Quadrates bilden, lassen sich die jeweiligen Messspannungen sich wie folgt in Abhängigkeit des Einbauwinkels beschreiben: $U_{2} = k_{2} \cdot U_{i} \cdot cos (α - 90 °),$
$U_{3} = k_{3} \cdot U_{i} \cdot cos (α - 45 °),$
$U_{4} = k_{4} \cdot U_{i} \cdot cos (α - 135 °),$
$U_{5} = k_{5} \cdot U_{i} \cdot cos (α - 225 °)$
und $U_{6} = k_{6} \cdot U_{i} \cdot cos (α - 315 °),$
Sind die Korrekturfaktoren k₁ bis k₆ bekannt, kann unter Berücksichtigung von zwei Messspannungen auf einen Einbauwinkel geschlossen werden.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Verfahren gekennzeichnet durch die Verfahrenschritte:

B) Messen von M Messspannungen, wobei die M Messspannungen jeweils an unterschiedlichen Messelektrodenpaaren anliegen, wobei M eine natürliche Zahl ist und es gilt, dass 2 ≤ M ≤ N · (N - 1)/2;
V2) Ermittlung des Einbauwinkels α in Abhängigkeit der M Messspannungen.

Die Berücksichtigung von M weiteren Messspannung eröffnet zusätzliche Möglichkeiten. Zum Einen können ausgehend von den M Messspannungen weitere Messspannungs-Paare gebildet werden, aus denen jeweils der Einbauwinkel α ermittelt werden kann. Somit kann durch eine statistische Auswertung, beispielsweise Erstellen eines Mittelwertes etc., die Schwankungen oder der Fehler des ermittelten Einbauwinkels α verringert werden. Des Weiteren dient die zusätzliche Messspannung als Kontrollwert für Einbaukonstellationen, in denen an einem Messelektrodenpaar keine Spannung anliegt. Das tritt zum Beispiel immer dann auf, wenn eine ein Messelektrodenpaar schneidende Gerade parallel zur Strömungsrichtung verläuft. Somit kann zwischen einem einbaubedingten und defektbedingten Ausfall eines Messelektrodenpaares unterschieden werden. Dafür muss die Mess- und/oder Auswerteeinheit eingerichtet sein, an jedem durch die drei Messelektroden gebildete Messelektrodenpaare eine Messspannung abzugreifen. Die Ermittlung des Einbauwinkels α geschieht nach dem Einbauen bzw. beim Einrichten der Durchflussmesssonde einmalig, kontinuierlich oder zu festgelegten Zeitpunkten.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Verfahren gekennzeichnet durch den Verfahrenschritt:

Z) Ausgabe des Durchflusses und/oder des Einbauwinkels α mittels einer Ausgabeeinheit.

Gemäß einer Ausgestaltung ist das Verfahren gekennzeichnet durch die Verfahrenschritte:

W2) Ermitteln des Durchflusses anhand des Messelektrodenpaares an dem die höchste Messspannung in Bezug auf die ermittelten Messspannungen anliegt und anhand des ermittelten Einbauwinkels α;
Q) Einrichten einer Messelektrode, die nicht für die Ermittlung des Durchflusses verwendet wird, zur Überwachung des Füllstandes; und/oder
R) Einrichten einer Messelektrode, die nicht für die Ermittlung des Durchflusses verwendet wird, zur Ermittlung der Leitfähigkeit des Mediums, und/oder S) Einrichten einer Messelektrode, die nicht für die Ermittlung des Durchflusses verwendet wird, als Bezugselektrode.

Nach der Ermittlung des Einbauwinkels α reicht es aus, den Durchfluss mit einem einzelnen Messelektrodenpaar zu bestimmen. Es ist vorteilhaft, wenn das Messelektrodenpaar für die Ermittlung des Durchflusses verwendet wird, an dem die höchste Messspannung im Bezug auf die drei anliegenden und ermittelten Messspannungen anliegt. Einer der N - 2 Messelektroden, im Folgenden als funktionelle Messelektrode bezeichnet wird, kann somit eine neue Funktion zugeordnet bekommen. Abhängig von der Anwendung kann eine Schaltungseinheit dazu eingerichtet sein, der funktionellen Messelektrode die Funktion einer Füllstandsüberwachungselektrode zuzuordnen.
Gemäß einer Ausgestaltung werden für die Ermittlung des Einbauwinkels α und/oder des Durchflusses nur soviele Messelektrodenpaare mit den jeweils anliegenden Messspannungen berücksichtigt, bis eine ermittelte Standardabweichung des Einbauwinkels α und/oder des Durchflusses kleiner 10%, insbesondere kleiner 5% und bevorzugt kleiner 2% ist.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Verfahren gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

K) Ermitteln der N · (N - 1)/2 Messspannungen;
L) Summieren der N · (N - 1)/2 Messspannungen; und
M) Ausgabe der ermittelten Summe der gemessenen Messspannungen; und/oder
N) Erstellen einer Fehlermeldung, wenn die Summe der gemessenen Messspannungen von einem vordefinierten Sollwert abweicht.

Oftmals kann es zu Unregelmäßgikeiten oder zu defektbedingten Abweichungen bei der Bestimmung des Durchflusses kommen. Dann ist es besonders hilfreich, wenn man mit Hilfe einer Plausibilitätsprüfung einen Defekt erkennen bzw. ausschließen kann. Sind die Messelektroden drehsymmetrisch angeordnet und ist das Magnetfeld homogen über das Frontende verteilt, ist die Summe der anliegenden Messspannungen durch einen Sollwert gegeben. Der Sollwert kann zuvor im Kalibrationsverfahren bestimmt, simuliert oder fest vorgegeben werden.
Die erfindungsgemäße Messstelle zur Ermittlung eines Durchflusses eines Mediums, umfasst eine Rohrleitung, welche das Medium in eine durch eine Rohrachse definierte Längsrichtung führt und eine Öffnung in einer Wandung der Rohrleitung, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmesssonde durch die Öffnung in die Rohrleitung eingebracht ist, wobei ein Einbauwinkel α durch eine ein Messelektrodenpaar schneidende Gerade und einer Strömungsrichtung des durch die Rohrleitung fließenden Mediums aufgespannt wird, wobei die Mess- und/oder Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Durchflusses und/oder des Einbauwinkels α auszuführen.
Eine erfindungsgemäße Verwendung der erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde zur Überwachung der Messstelle ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Änderung des ermittelten Einbauwinkels α eine Benachrichtigung erstellt und mittels einer Ausgabeeinheit ausgegeben wird.
Durch das kontinuierliche oder zu festgelegten Zeitpunkten Ermitteln des Einbauwinkels α kann die Durchflussmesssonde zum Überwachen der Messstelle verwendet werden. Änderungen des ermittelten Einbauwinkels sind ein Indiz für eine Lockerung der Verschraubung oder eine Änderung des Strömungsverhaltens, die immer dann auftritt wenn es zu Ablagerungen oder Verstopfungen in der Rohrleitung kommt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1: eine Perspektivansicht einer magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde gemäß dem Stand der Technik;
2: einen Querschnitt einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde in einer Messstelle;
3: einen Längsschnitt der ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde in einer Messstelle;
4: eine Frontansicht der erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde im eingebauten Zustand mit eingezeichneter Einbaulage; und
5: unterschiedliche Ausführungen der Rückführungen der magnetfelderzeugenden Vorrichtung.

Anhand der perspektivischen und teilweise geschnittenen Darstellung der 1 wird zunächst das der Erfindung zugrunde liegende Messprinzip erläutert. Eine Durchflussmesssonde (1) umfasst ein im allgemeinen kreiszylindrisches, einen vorgegebenen Außendurchmesser aufweisendes Gehäuse (3). Dieses ist an den Durchmesser einer Bohrung angepasst, die sich in einer Wand einer in 1 nicht, dagegen in 3 dargestellten Rohrleitung (13) befindet und in die die Durchflussmesssonde (1) fluiddicht eingesteckt ist. In der Rohrleitung (13) strömt ein zu messendes Fluid, in das die Durchflussmesssonde (1) praktisch senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids eintaucht, die durch die gewellten Pfeile (12) angedeutet ist. Ein in das Fluid ragendes Frontende (2) des Gehäuses (3) ist von einem Frontteil aus Isoliermaterial fluiddicht verschlossen. Mittels einer im Gehäuse (2) angeordneten Spulenanordnung (9) lasst sich ein durch das Frontende hindurch in das Fluid hinein reichendes Magnetfeld (8) erzeugen. Ein mindestens teilweise aus einem weichmagnetischen Material bestehender, im Gehäuse (2) angeordneter Spulenkern (7) endet an oder in der Nähe des Frontendes. Eine Rückführung (10), die die Spulenanordnung (9) und den Spulenkern (7) umschließt, ist dazu eingerichtet das aus dem Frontende hindurchreichenden Magnetfeld (8) in das Gehäuse (2) zurückzuführen. Eine erste und eine zweite galvanische Messelektrode (4, 5) sind in dem Frontteil angeordnet und berühren somit das Fluid. An den Messelektroden (4, 5) lässt sich eine aufgrund des Faraday'schen Induktionsgesetzes induzierte elektrische Spannung mittels einer Mess- und/oder Auswerteeinheit (11) abgreifen. Diese ist maximal, wenn die Durchflussmesssonde so in die Rohrleitung (13) eingebaut ist, dass eine durch eine die beiden Messelektroden schneidende Gerade und eine Längsachse der Durchflussmesssonde aufgespannte Ebene senkrecht zu der Strömungsrichtung (12) bzw. Längsachse der Rohrleitung (21) verläuft.
Der in 2 abgebildete Querschnitt zeigt den im Zentrum (6) angeordneten Spulenkern (7), die Spulenanordnung (9), die Rückführung (10), welche in dieser Ausgestaltung hohlzylindrisch ausgebildet ist, und die erste, zweite, dritte und vierte Messelektrode (4, 5, 16, 17), die drehsymmetrisch zum Drehzentrum, hier das Zentrum des Frontendes (6), angeordnet sind. Die Anordnung und Ausgestaltung der Rückführung (10) ist dahingehend optimiert, dass die Magnetfeldlinien (8) das Frontende (2) zwischen Messelektrodenpaaren senkrecht schneidet und die Magnetfeldstärke maximal ist. In der 2 ist die Rückführung nur schematisch dargestellt. Der Einbauwinkel α und der Druchfluss wird mittels einer Ausgabeeinheit (20) ausgegeben.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist die Durchflussmesssonde (1) im Längsschnitt dargestellt. Die Durchflussmesssonde (1) ist mittels einer Einschraubverbindung (14), die in die Wand der Rohrleitung (13) eingesetzt und mit ihr z.B. verschweißt ist, in der Rohrleitung (13) fluiddicht befestigt. Dieser Aufbau der Messstelle ist besonders zweckmäßig, da zunächst die Einschraubverbindung (14) in die Rohrleitung (13) eingesetzt und darin befestigt werden kann und erst danach die Durchflussmesssonde (1) in den Einschraubverbindung (14) eingesteckt, ihrerseits darin fixiert und mittels einer Dichtung (15) abgedichtet zu werden braucht. Die erste, zweite, dritte und vierte Messelektrode (4, 5, 16, 17) sind auf dem Frontende (2) symmetrisch zu einem Zentrum (6) des Frontendes (2) angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel der 4 deuten Pfeile die Messelektrodenpaare an, an denen jeweils eine Messspannung mittels der Mess- und/oder Auswerteeinheit abgegriffen wird. Eine gestrichelte Gerade deutet eine Idealgerade (18) an. Diese spannt zusammen mit einer Referenzgeraden (19), hier als gepunktete Linie dargestellt, den Einbauwinkel α auf. Die Idealgerade (18) verläuft senkrecht zur Strömungsrichtung (12). Die Referenzgerade (19) kann durch ein beliebiges Messelektrodenpaar beschrieben werden. In diesem Fall verläuft die Referenzgerade (19) durch die dritte und vierte Messelektrode (16, 17).
Die 5 zeigt schematisch zwei Ausführungsformen der magnetfelderzeugenden Vorrichtung. Anhand der erste Ausführungsform wird das Grundprinzip dargestellt. Ein Grundkörper (22) dient als ein Verbindungsteil des Spulenkerns (7) mit den Rückführungen (10). Der Grundkörper hat ein Polygon als Basis, er kann aber auch kreiszylindrisch ausgebildet sein. Die Rückführungen sind in der 5 quaderförmig dargestellt, sie können jedoch beliebig geformt, insbesondere an die Messelektrodenanordnung angepasst sein. In der zweiten Ausführungsform ist der Spulenkern (7) kreiszylindrisch und die Rückführungen (10) als Kreisringsegmente geformt. Des Weiteren sind die Grundfläche (22) und die Rückführungen (10) einstückig ausgebildet. Die Anzahl der Rückführungen (10) hängt von der Anordnung der Messelektroden (4, 5, 16, 17) ab.
Bezugszeichenliste

1: Durchflussmesssonde
2: Frontende
3: Gehäuse
4: erste Messelektrode
5: zweite Messelektrode
6: Zentrum
7: Spulenkern
8: Magnetfeldlinien
9: Spulenanordnung
10: Rückführung
11: Mess- und/oder Auswerteeinheit
12: Strömungsrichtung
13: Rohrleitung
14: Einschraubverbindung
15: Dichtung
16: dritte Messelektrode
17: vierte Messelektrode
18: Idealgerade
19: Referenzgerade
20: Ausgabeeinheit
21: Längsachse der Rohrleitung
22: Grundkörper
25: Frontteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0534003 A1 [0002]
EP 0892251 A1 [0003]
US 3881350 A [0004]

Claims

Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde zur Ermittlung des Durchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit eines flüssigen Mediums, umfassend: - ein Frontteil mit einem ein Zentrum aufweisenden Frontende; - ein Gehäuse; - eine im Gehäuse angeordnete magnetfelderzeugende Vorrichtung zur Erzeugung eines durch das Frontende hindurchreichenden Magnetfeldes; und - eine Mess- und Auswerteeinheit; dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Frontende N jeweils einen galvanischen Kontakt mit dem Medium bildende Messelektroden angeordnet sind, die N · (N - 1)/2 Messelektrodenpaare bilden, wobei N eine natürliche Zahl größer 3 ist, wobei die Mess- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, an mindestens zwei Messelektrodenpaaren jeweils mindestens eine induzierte Messspannung zu erfassen.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach Anspruch 1, wobei mindestens 4 Messelektroden der N Messelektroden drehsymmetrisch um ein Drehzentrum angeordnet sind, wobei das Zentrum des Frontendes das Drehzentrum bildet.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch mit einer durch das Zentrum des Frontendes verlaufenden Rotationsachse ausgebildet ist, wobei die Rotationsachse senkrecht zum Frontende verläuft.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung eine Spulenanordnung und einen Spulenkern umfasst, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung mindestens eine Rückführung umfasst, wobei der Spulenkern an oder in der Nähe des Frontendes endet, wobei der Spulenkern zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet ist, wobei die Spulenanordnung den Spulenkern umschließt.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückführung hohlzylindrisch ausgebildet ist, wobei die Rückführung den Spulenkern und die Spulenanordnung umschließt.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den Messelektrodenpaaren jeweils eine eine Längsachse aufweisende Rückführungen angeordnet ist, wobei die Rückführungen drehsymmetrisch um das Drehzentrum angeordnet sind, wobei die Längsachsen jeweils zwischen einem Messelektrodenpaar senkrecht aus dem Frontende austreten.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vohergehenden Ansprüche, wobei die Mess- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist die induzierte Messspannung an diametral angeordnete Messelektroden und/oder an benachbarte Messelektroden und/oder an maximal beabstandete Messelektroden zu erfassen.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vohergehenden Ansprüche, wobei N gleich 4 ist und eine eine erste und zweite Messelektrode schneidende Gerade und eine eine dritte und vierte Messelektrode schneidende Gerade senkrecht zueinander verlaufen, wobei die Mess- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist an mindestens zwei Messelektrodenpaaren, insbesondere an mindestens drei Messelektrodenpaaren, jeweils eine induzierte Messspannung zu erfassen.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich im Zentrum des Frontendes eine Elektrode angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist die Funktion einer Bezugselektrode zu übernehmen.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mess- und Auswerteeinheit (11) dazu ausgebildet ist, anhand der höchsten Messspannung, in Bezug auf die an den jeweiligen Messelektroden anliegenden Messspannungen, einen Durchfluss zu ermitteln und einer Messelektrode, die nicht für die Ermittlung des Durchflusses verwendet wird, die Funktion einer Bezugselektrode oder einer Füllstandsüberwachungselektrode oder einer Elektrode zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Mediums zuzuordnen.
Verfahren zur Ermittlung eines Durchflusses eines Mediums in einer Rohrleitung mittels einer magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde und/oder eines Einbauwinkels α der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einbauwinkel α durch eine ein Messelektrodenpaar schneidende Gerade und einer Strömungsrichtung des durch die Rohrleitung fließenden Mediums aufgespannt wird, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: A) Messen einer ersten und zweiten Messspannung, wobei die erste Messspannung an einem ersten Messelektrodenpaar und die zweite Messspannung an einem zweiten Messelektrodenpaar anliegt; V1) Ermittlung des Einbauwinkels α in Abhängigkeit der ersten und zweiten Messspannung; und/oder W1) Ermittlung des Durchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Mediums in Abhängigkeit von mindestens einer an einem Messelektrodenpaar anliegenden Messspannung und des ermittelten Einbauwinkels α.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch den Verfahrenschritt: B) Messen von M Messspannungen, wobei die M Messspannungen jeweils an unterschiedlichen Messelektrodenpaaren anliegen, wobei M eine natürliche Zahl ist und es gilt, dass 2 ≤ M ≤ N - (N - 1)/2; V2) Ermittlung des Einbauwinkels α in Abhängigkeit der M Messspannungen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Verfahrenschritt: Z) Ausgabe des Durchflusses und/oder des Einbauwinkels α mittels einer Ausgabeeinheit.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verfahrenschritte: W2) Ermitteln des Durchflusses anhand des Messelektrodenpaares an dem die höchste Messspannung in Bezug auf die ermittelten Messspannungen anliegt und anhand des ermittelten Einbauwinkels α; Q) Einrichten einer Messelektrode, die nicht für die Ermittlung des Durchflusses verwendet wird, zur Überwachung des Füllstandes; und/oder R) Einrichten einer Messelektrode, die nicht für die Ermittlung des Durchflusses verwendet wird, zur Ermittlung der Leitfähigkeit des Mediums, und/oder S) Einrichten einer Messelektrode, die nicht für die Ermittlung des Durchflusses verwendet wird, als Bezugselektrode.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Ermittlung des Einbauwinkels α und/oder des Durchflusses nur soviele Messelektrodenpaare mit den jeweils anliegenden Messspannungen berücksichtigt werden, bis eine ermittelte Standardabweichung des Einbauwinkels α und/oder des Durchflusses kleiner 10%, insbesondere kleiner 5% und bevorzugt kleiner 2% ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: K) Ermitteln der N · (N - 1)/2 Messspannungen; L) Summieren der N · (N - 1)/2 Messspannungen; und M) Ausgabe der ermittelten Summe der gemessenen Messspannungen; und/oder N) Erstellen einer Fehlermeldung, wenn die Summe der gemessenen Messspannungen von einem vordefinierten Sollwert abweicht.
Messstelle zur Ermittlung eines Durchflusses eines Mediums, umfassend: - eine Rohrleitung, welche das Medium in eine durch eine Rohrachse definierte Längsrichtung führt; und - eine Öffnung in einer Wandung der Rohrleitung; dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche durch die Öffnung in die Rohrleitung eingebracht ist, wobei ein Einbauwinkel α durch eine ein Messelektrodenpaar schneidende Gerade und einer Strömungsrichtung des durch die Rohrleitung fließenden Mediums aufgespannt wird, wobei die Mess- und/oder Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Ermittlung des Durchflusses und/oder des Einbauwinkels α nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.