DE102018132603B4

DE102018132603B4 - Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde und Messstelle zur Ermittlung eines Durchflusses und/oder eines Einbauwinkels

Info

Publication number: DE102018132603B4
Application number: DE102018132603.3A
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: 2024-02-22
Anticipated expiration: 2038-12-19
Also published as: DE102018132603A1

Abstract

Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde zur Ermittlung eines Durchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums in einer Rohrleitung (13), umfassend:- ein Frontteil (25) mit einem ein Zentrum (6) aufweisenden Frontende (2);- ein Gehäuse (3);- eine im Gehäuse (3) angeordnete magnetfelderzeugende Vorrichtung zur Erzeugung eines durch das Frontende (2) hindurchreichenden Magnetfeldes,wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung eine Spulenanordnung (9) und einen Spulenkern (7) umfasst,wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung mindestens eine Rückführung (10) umfasst,wobei der Spulenkern (7) an dem Frontende (2) endet,wobei der Spulenkern (7) zylindrisch ausgebildet ist,wobei die Spulenanordnung (9) den Spulenkern (7) umschließt;- mindestens drei auf dem Frontteil (25) angeordnete jeweils einen galvanischen Kontakt mit dem Medium bildende Messelektroden (4, 5, 16), die mindestens drei Messelektrodenpaare bilden;- eine Mess- und Auswerteeinheit (11),wobei die Mess- und/oder Auswerteeinheit (11) dazu eingerichtet ist, an mindestens zwei Messelektrodenpaaren jeweils mindestens eine induzierte Messspannung zu erfassen,wobei die Mess- und/oder Auswerteeinheit (11) dazu eingerichtet ist, einen Einbauwinkel α zu ermitteln,wobei der Einbauwinkel α durch eine ein Messelektrodenpaar schneidende Gerade und einer zu einer idealen Einbauorientierung gehörenden Idealgeraden (18) senkrecht zur Strömungsrichtung (12) des durch die Rohrleitung (13) fließenden Mediums aufgespannt wird; und- eine im Zentrum (6) des Frontteils (25) angeordnete Elektrode, die als Bezugselektrode (23) eingerichtet ist;dadurch gekennzeichnet,dass der Spulenkern (7) eine Durchführung oder eine Bohrung (24) aufweist in der die Bezugselektrode (23) eingesteckt ist.

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 Frontteiles 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. Des Weiteren weist die Durchflussmesssonde eine Ringelektrode auf, die die Messelektroden umschließt und die Funktion einer Erdungselektrode übernimmt.
Die US4308753A offenbart ein System zur Minimierung des Leistungsbedarfs eines Durchflussmessers, der für den unbeaufsichtigten Langzeiteinsatz in einem Strom vorgesehen ist, der durch einen Körper aus leitfähiger Flüssigkeit fließt. Das System umfasst ein Paar Elektroden, die mit der Flüssigkeit in Kontakt stehen, und einen Permanentmagneten, der ein Magnetfeld erzeugt, das orthogonal zu einer zwischen den Elektroden verlaufenden Linie verläuft. Außerdem ist eine elektromagnetische Spule vorgesehen, die selektiv aktiviert und deaktiviert wird, um unterschiedliche Signale zu erzeugen, welche die Bestimmung eines Fehlerterms ermöglichen, der die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden umfasst.
Aus der DE3707138A1 sind Strömungssensoren zur Erfassung von Wasserströmen bekannt durch die räumliche Messung eines Strömungsvektors. Zur räumlichen Strömungsmessung werden erfindungsgemäß Strömungssensoren mit mindestens drei Elektrodenpaaren offenbart, deren gedachte Verbindungslinien in drei verschiedene, orthogonale Richtungen verlaufen. Der Strömungssensor eignet sich insbesondere zur Messung von Meeresströmungen, kann jedoch auch zur Messung anderer Flüssigkeitsströme eingesetzt werden.
Die US5390548A offenbart eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde mit einer Vielzahl von Elektrodenpaaren und mit einem Magneten mit einer Mittelachse, wobei die Elektrodenpaare symmetrisch um die Mittelachse des Magneten angeordnet und in einer festen Beziehung zum Magneten montiert sind. Die elektrischen Ausgangssignale der Elektrodenpaare werden zur Messung der Geschwindigkeitsfeldeigenschaften der Flüssigkeit in der relevanten Richtung angezeigt.
Aus der DE8332021 U1 ist eine Meßsonde bekannt zum induktiven Messen der Durchflußgeschwindigkeit von leitenden Flüssigkeiten in Rohren oder Gerinnen, umfassend eine in einem Gehäuse angebrachten zylindrischen Spule zur Erzeugung eines die Flüssigkeit durchdringenden geschlossenen Magnetfeldes und wenigstens zwei in dem Magnetfeld liegenden Elektroden, die unter Durchdringung einer Bodenplatte des Gehäuses mit der Flüssigkeit in Kontakt bringbar sind. Die erfindungsgemäße Meßsonde ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in dem die Bodenplatte durchdringenden Bereich eine sich vom Gehäuseinneren nach außen hin konisch erweiternde Form haben und in entsprechend konisch geformten Bohrungen in der Bodenplatte sitzen.
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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde und eine Messstelle 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 und die Messstelle nach Anspruch 9.
Eine erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmesssonde zur Ermittlung des Durchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums, umfasst ein Frontteil mit einem ein Zentrum aufweisendes Frontende, ein Gehäuse, und eine im Gehäuse angeordnete magnetfelderzeugende Vorrichtung zur Erzeugung eines durch das Frontende hindurchreichenden Magnetfeldes, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung eine Spulenanordnung und einen Spulenkern umfasst, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung mindestens eine Rückführung umfasst, wobei der Spulenkern an dem Frontende 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 eine Symmetrieachse des Magnetfeldes 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 zwischen den jeweiligen Messelektrodenpaaren konstant ist. Somit kann auf eine Kalibration oder auf eine magnetfeldbedingte Korrektur der einzelnen ermittelten Messspannungen verzichtet werden.
Eine erfindungsgemässe Mess- und Auswerteeinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Frontende mindestens drei einen galvanischen Kontakt mit dem Medium bildende Elektroden angeordnet sind, die mindestens drei Messelektrodenpaare bilden, wobei die Mess- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist an mindestens zwei Messelektrodenpaaren jeweils mindestens eine induzierte Messspannung zu erfassen, wobei eine zentrische Elektrode als Bezugselektrode eingerichtet ist.
Der größte Vorteil der erfindungsgemäßen Durchflussmesssonde liegt darin, dass durch die mindestens drei 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 einer zu einer idealen Einbauorientierung gehörenden Idealgeraden senkrecht zur Strömungsrichtung des durch die Rohrleitung fließenden Mediums in der Frontende-Ebene aufgespannt. Der Einbauwinkel α liegt in der Frontende-Ebene und ändert sich immer dann, wenn die Durchflussmesssonde um das Drehzentrum gedreht wird. Ist der Einbauwinkel α bekannt, so kann er zur Korrektur der abgegriffenen Messspannung für die Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit und/oder das Durchflussvolumen verwendet werden. 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.
Erfindungsgemäß weist der Spulenkern eine Durchführung oder eine Bohrung auf in der die zentrische Elektrode eingesteckt ist.
Die Anordnung der Bezugselektrode im Zentrum des Frontteiles führt dazu, dass sich die Bezugselektrode und der Spulenkern räumlichen behindern. Daher ist es vorteilhaft, wenn der Spulenkern eine Durchführung in Form einer Bohrung aufweist, durch die die Bezugselektrode und die Anschlüsse geführt werden können.
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 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.
Üblicherweise wird ein metallisches Gehäuse verwendet. Dieses wird an ein Referenpotential angeschlossen und dient somit als Referenz- bzw. Bezugselektrode. Durch das Anordnen einer Bezugselektrode im Zentrum des Frontteiles kann auf ein leitfähiges Gehäuse verzichtet werden. Das Gehäuse kann somit aus einem kostengünstigen Kunststoff gefertigt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung sind mindestens drei Messelektroden drehsymmetrisch um ein Drehzentrum angeordnet, 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 und/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, wobei das Gehäuse aus einem elektrisch isolierenden Material ausgearbeitet ist.
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.
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 passt sich der Anzahl der Messelektrodenpaare bzw. die der Anzahl der abgegriffenen Messspannungen an.
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 angeordneten Messelektroden und/oder an benachbarten Messelektroden und/oder an maximal beabstandeten Messelektroden zu erfassen.
Bei Durchflussmesssonden mit mehr als vier Messelektroden 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.
Des Weiteren muss berücksichtigt werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums über das gesamte Frontende nicht homogen verteilt ist. Es kann einbaubedingt oder aufgrund der Form der Frontteiles dazu kommen, dass die Strömungsrichtung des Mediums an dem Frontende stellenweise um einen Winkel geneigt ist. Das kann dazu führen, dass an zwei Messelektrodenpaaren, die parallele Verbindungslinien aufweisen, und die einen gleichen Abstand zueinander aufweisen, effektiv unterschiedliche Messspannungen abgegriffen werden. Um diese Einflüsse auf die Ermittlung des Durchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit zu minimieren ist es daher vorteilhaft, wenn für die Ermittlung die Messspannung, die an den maximal beabstandeten bzw. diametral angeordneten Messelektroden anliegt, verwendet wird.
Gemäß einer Ausgestaltung sind vier Messelektroden auf dem Frontende angeordnet, wobei eine die erste und zweite Messelektrode schneidende Gerade und eine die dritte und eine vierte Messelektrode schneidende Gerade senkrecht zueinander verlaufen.
Dieser Ausgestaltung vorteilhaft ist, dass herkömmliche Durchflussmesssonden mit einem ersten Messelektrodenpaar, einfach um ein zweites Messelektrodenpaar erweitert werden können, dessen Verbindungslinie senkrecht zur Verbindungslinie des ersten Messelektrodenpaares verläuft.
Ein weiterer Vorteil entsteht dann, wenn die Messspannungen an den diametral angeordneten Messelektroden abgegriffen werden, denn diese Messspannungen sind weniger empfindlich gegenüber Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit am Frontende, als Messelektrodenpaare aus benachbarten Messelektroden.
Gemäß einer Ausgestaltung sind drei Messelektroden auf dem Frontende angeordnet und die Mess- und Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet an zwei oder drei Messelektrodenpaaren jeweils eine induzierte Messspannung zu erfassen.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn drei Messelektroden auf dem Frontende angeordnet sind, da minimal drei Messelektroden notwendig sind um einen Einbauwinkel α der Durchflussmesssonde ermitteln zu können. Diese Ausgestaltung lässt sich einfach und günstig herstellen. Des Weiteren benötigen drei Messelektroden und die dazugehörigen Anschlüsse bzw. Verkabelung weniger Platz im Gehäuse, als für Ausgestaltungen mit mehr als drei Messelektroden.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die Mess- und Auswerteeinheit dazu ausgebildet, 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 Füllstandsüberwachungselektrode oder einer Elektrode zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Mediums zuzuordnen.
Nach dem Ermitteln des Einbauwinkels α, reicht eine Messspannung bzw. ein Messelektrodenpaar aus, um den Durchfluss zu überwachen. Somit steht mindestens eine der (N - 2) restlichen Messelektroden für die Überwachung weiterer prozessbedingter Parameter zur Verfügung, wobei N der Anzahl der Messelektroden entspricht. 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 mittels der Mess- und/oder Auswerteeinheit 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.
Die Zuordnung der Funktion wird mit einer Schaltungseinheit realisiert, die in der Mess- und/oder Auswerteeinheit oder im Gehäuse des Durchflussmessgerätes eingebaut ist.
Das 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 senkrecht zu einer Längsrichtung der Rohrleitung verlaufende Idealgeraden 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.

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 oder gleich, kann unter Berücksichtigung von zwei Messspannungen auf einen Einbauwinkel geschlossen werden.
Sind auf dem Frontende ingesamt drei Messelektroden angeordnet und sind die drei Messelektroden so angeordnet, dass sie die Ecken eines gleichwinkligen Dreiecks bilden, so gilt, ausgehend von der obigen Messspannung, für die weiteren anliegenden Messspannungen $U_{2} = k_{2} \cdot U_{i} \cdot cos (α - 60 °)$
und $U_{3} = k_{3} \cdot U_{i} \cdot cos (α - 120 °) .$
Sind die Korrekturfaktoren k₁, k₂ und/oder k₃ bekannt oder gleich, kann durch Umstellen der Gleichungen der Einbauwinkel α hergeleitet werden. Ist dieser bekannt, kann der Durchfluss in Abhängigkeit des Einbauwinkels α ermittelt und daraus die ideale Messpannung U_i ermittelt werden.
Ein Verfahren ist gekennzeichnet durch den Verfahrenschritt:

B) Messen von M Messspannungen, wobei die M Messspannungen jeweils an unterschiedlichen Messelektrodenpaaren anliegen, wobei gilt, dass $2 \leq M \leq N \cdot (N - 1) / 2;$
S) 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 mindestens 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.
Ein Verfahren ist gekennzeichnet durch den Verfahrenschritt:

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

Ein Verfahren ist gekennzeichnet durch die Verfahrenschritte:

W2) Ermitteln des Durchflusses anhand des Messelektrodenpaares an dem die höchste Messspannung in Bezug auf die ermittelten Messspannungen anliegt und 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.

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.
Bei einem Verfahren 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.
Ein Verfahren ist 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.
Die 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 Anzeigeeinheit 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;
3: einen Längsschnitt der ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde in einer Messstelle;
4: Frontansichten von drei erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonden mit eingezeichneter Einbaulage; und
5: unterschiedliche Ausführungen der Rückführungen der magnetfelderzeugenden Vorrichtung.

Anhand der perspektivischen und teilweise geschnittenen Darstellung einer magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde nach dem Stand der Technik in 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 ebenen oder gewölbten Frontteil aus Isoliermaterial fluiddicht verschlossen. Mittels einer im Gehäuse (2) angeordneten Spulenanordnung (9) lässt 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 (25) angeordnet und berühren 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 und dritte Messelektrode (4, 5, 16), 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. Der Spulenkern (7) weist eine Bohrung (24) auf, durch die eine Bezugselektrode (23) geführt ist.
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 eingeschweißt werden kann und erst danach die Durchflussmesssonde (1) in den Einschraubverbindung (14) eingesteckt, ihrerseits darin eingeschraubt und mittels einer Dichtung (15) abgedichtet zu werden braucht. Dadurch ensteht durch einbaubedingt ein unbekannter Einbauwinkel. 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.
In den Ausführungsbeispielen 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). In einer ersten Ausgestaltung mit drei Messelektroden auf dem Frontende werden die Messspannungen zwischen benachbarten Messelektroden abgegriffen. In der zweiten und dritten Ausgestaltung weist das Frontteil (25) vier Messelektroden auf, die die Ecken eines Quadrates bilden. In der zweiten Ausgestaltung werden die Messspannungen an Messelektrodenpaaren abgegriffen, die diametral angeordnet sind. In der dritten Ausgestaltung werden Messspannungen an benachbarten Messelektroden abgegriffen. In einer nicht abgebildeten Ausgestaltung werden an allen Messelektrodenpaaren jeweils mindestens eine Messspannung ermittelt.
Alle Ausgestaltungen weisen eine Bezugselektrode (23) im Zentrum (6) des Frontendes auf.
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
23: Bezugselektrode
24: Bohrung
25: Frontteil

Claims

Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde zur Ermittlung eines Durchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums in einer Rohrleitung (13), umfassend: - ein Frontteil (25) mit einem ein Zentrum (6) aufweisenden Frontende (2); - ein Gehäuse (3); - eine im Gehäuse (3) angeordnete magnetfelderzeugende Vorrichtung zur Erzeugung eines durch das Frontende (2) hindurchreichenden Magnetfeldes, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung eine Spulenanordnung (9) und einen Spulenkern (7) umfasst, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung mindestens eine Rückführung (10) umfasst, wobei der Spulenkern (7) an dem Frontende (2) endet, wobei der Spulenkern (7) zylindrisch ausgebildet ist, wobei die Spulenanordnung (9) den Spulenkern (7) umschließt; - mindestens drei auf dem Frontteil (25) angeordnete jeweils einen galvanischen Kontakt mit dem Medium bildende Messelektroden (4, 5, 16), die mindestens drei Messelektrodenpaare bilden; - eine Mess- und Auswerteeinheit (11), wobei die Mess- und/oder Auswerteeinheit (11) dazu eingerichtet ist, an mindestens zwei Messelektrodenpaaren jeweils mindestens eine induzierte Messspannung zu erfassen, wobei die Mess- und/oder Auswerteeinheit (11) dazu eingerichtet ist, einen Einbauwinkel α zu ermitteln, wobei der Einbauwinkel α durch eine ein Messelektrodenpaar schneidende Gerade und einer zu einer idealen Einbauorientierung gehörenden Idealgeraden (18) senkrecht zur Strömungsrichtung (12) des durch die Rohrleitung (13) fließenden Mediums aufgespannt wird; und - eine im Zentrum (6) des Frontteils (25) angeordnete Elektrode, die als Bezugselektrode (23) eingerichtet ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (7) eine Durchführung oder eine Bohrung (24) aufweist in der die Bezugselektrode (23) eingesteckt ist.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach Anspruch 1, wobei die mindestens drei Messelektroden (4, 5, 16) drehsymmetrisch um ein Drehzentrum angeordnet sind, wobei das Zentrum (6) des Frontendes (2) das Drehzentrum bildet.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (3) zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch mit einer durch das Zentrum (6) des Frontendes (2) verlaufenden Rotationsachse ausgebildet ist, wobei die Rotationsachse senkrecht zum Frontende (2) verläuft, wobei das Gehäuse (3) aus einem elektrisch isolierenden Material ausgearbeitet ist.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückführung (10) hohlzylindrisch ausgebildet ist, wobei die Rückführung (10) den Spulenkern (7) und die Spulenanordnung (9) umschließt.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mess- und Auswerteeinheit (11) dazu eingerichtet ist die induzierte Messspannung an diametral angeordneten Messelektroden und/oder an benachbarten Messelektroden und/oder an maximal beabstandeten Messelektroden zu erfassen.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der vohergehenden Ansprüche, wobei vier Messelektroden (4, 5, 16, 17) auf dem Frontende (2) angeordnet sind und eine die erste und zweite Messelektrode (4, 5) schneidende Gerade und eine die dritte und eine vierte Messelektrode (16, 17) schneidende Gerade senkrecht zueinander verlaufen.
Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei drei Messelektroden (4, 5, 16) auf dem Frontende (2) angeordnet sind und die Mess- und Auswerteeinheit (11) dazu eingerichtet ist an zwei oder drei Messelektrodenpaaren jeweils mindestens eine induzierte Messspannung zu erfassen.
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 und/oder der Durchflussgeschwindigkeit verwendet wird, die Funktion einer Füllstandsüberwachungselektrode oder einer Elektrode zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Mediums zuzuordnen.
Messstelle zur Ermittlung eines Durchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums, umfassend: - eine Rohrleitung (13), welche das Medium in eine durch eine Rohrachse definierte Längsrichtung führt; und - eine Öffnung in einer Wandung der Rohrleitung (13); dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche durch die Öffnung in die Rohrleitung (13) eingebracht ist.