DE102019108985A1 - Magnetic-inductive flow meter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, das ein Messrohr, mindestens eine magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung stehenden Magnetfeldes im Medium, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung einen Polschuh oder eine Sattelspule umfasst, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung in einem Querschnitt des Messrohres das Messrohr in einem maximalen Mittelpunktswinkel β umgreift, ein Elektrodensystem mit mindestens zwei Elektrodenpaaren, die dazu eingerichtet sind, eine senkrecht zum Magnetfeld und zur Längsrichtung induzierte Spannung im Medium zu erfassen, wobei ein erstes Elektrodenpaar in einer ersten senkrecht zur Messrohrachse liegenden Querschnittsebene angeordnet ist, wobei ein zweites Elektrodenpaar in einer zweiten senkrecht zur Messrohrachse liegenden Querschnittsebene angeordnet ist, wobei die erste Querschnittsebene zur zweiten Querschnittsebene beabstandet ist umfasst und das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Mittelpunktswinkel α in einer Orthogonalprojektion der Querschnittsebenen einen minimalen Kreissektor aufspannt, in dem sich die auf jeweils einer Seite des Messrohres befindlichen und auf die Orthogonalprojektion projizierten Elektroden verteilen, und dass die Mittelpunktswinkel α und β so aufeinander abgestimmt sind, dass das Durchflussmessgerät unempfindlich gegenüber Abweichungen einer rotationssymmetrischen Strömung ist.The invention relates to a magneto-inductive flowmeter that has a measuring tube, at least one magnetic field generating device for generating a magnetic field in the medium that is essentially perpendicular to the longitudinal direction, the magnetic field generating device comprising a pole piece or a saddle coil, the magnetic field generating device in a cross section of the measuring tube encompasses the measuring tube at a maximum central angle β, an electrode system with at least two electrode pairs which are set up to detect a voltage induced in the medium perpendicular to the magnetic field and to the longitudinal direction, a first pair of electrodes being arranged in a first cross-sectional plane perpendicular to the measuring tube axis, wherein a second pair of electrodes is arranged in a second cross-sectional plane lying perpendicular to the measuring tube axis, wherein the first cross-sectional plane is spaced apart from the second cross-sectional plane and which is thereby marked It is shown that a central angle α in an orthogonal projection of the cross-sectional planes spans a minimal sector of a circle in which the electrodes located on one side of the measuring tube and projected onto the orthogonal projection are distributed, and that the central angles α and β are coordinated so that the The flow meter is insensitive to deviations in a rotationally symmetrical flow.
Description
Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.The invention relates to a magnetic-inductive flow meter.
Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte werden zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit und des Volumendurchflusses eines Mediums in einem Messrohr eingesetzt. Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät besteht aus einem Magnetsystem, das ein Magnetfeld senkrecht zur Flussrichtung des Mediums erzeugt. Dafür werden üblicherweise einzelne oder mehrere Spulen verwendet. Um ein überwiegend homogenes Magnetfeld zu realisieren, werden zusätzlich Polschuhe so geformt und angebracht, dass die Magnetfeldlinien über den gesamten Rohrquerschnitt im Wesentlichen senkrecht zur Messrohrachse verlaufen. Ein an die Mantelfläche des Messrohres angebrachtes Elektrodenpaar greift eine senkrecht zur Flussrichtung und zum Magnetfeld anliegende elektrische Spannung ab, die entsteht, wenn ein leitfähiges Medium bei angelegtem Magnetfeld in Flussrichtung fließt. Da die abgegriffene Spannung laut Faraday'schem Induktionsgesetz von der Geschwindigkeit des fließenden Mediums abhängt, kann aus der Spannung die Durchflussgeschwindigkeit u und, mit Hinzunahme eines bekannten Rohrquerschnitts, der Volumendurchfluss V̇ ermittelt werden.Electromagnetic flowmeters are used to determine the flow rate and volume flow of a medium in a measuring tube. An electromagnetic flowmeter consists of a magnet system that generates a magnetic field perpendicular to the direction of flow of the medium. Single or multiple coils are usually used for this. In order to achieve a predominantly homogeneous magnetic field, pole pieces are additionally shaped and attached in such a way that the magnetic field lines run essentially perpendicular to the measuring tube axis over the entire pipe cross-section. A pair of electrodes attached to the outer surface of the measuring tube picks up an electrical voltage that is perpendicular to the direction of flow and to the magnetic field, which is generated when a conductive medium flows in the direction of flow when a magnetic field is applied. Since, according to Faraday's law of induction, the tapped voltage depends on the speed of the flowing medium, the flow rate u and, with the addition of a known pipe cross section, the volume flow rate V̇ can be determined from the voltage.
Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte sind empfindlich gegenüber dem Strömungsprofil des Mediums. Abhängig vom Rohrsystem und Messgerät können Messfehler von mehreren Prozent auftreten. Üblicherweise wird daher ein Geradrohr, dessen Länge mindestens das Fünf- bis Zehnfache der Nennweite des Messrohres entspricht, an die einlaufseitige Stirnfläche eingebaut. Es sind allerdings Anwendungen bekannt, in welchen dieser Mindestabstand, die sogenannte Einlaufstrecke, nicht eingehalten werden kann. Das ist zum Beispiel dann der Fall, wenn sich ein Rohrsystem auf engstem Raum befindet. Eine Lösung liefert die in
Dieser Ausgestaltung nachteilig ist aber, dass zwar eine geringere Empfindlichkeit gegenüber rotationsunsymmetrischer Strömungsprofile realisiert werden kann, dafür aber ein Druckverlust in Kauf genommen werden muss. Außerdem beschränkt sich diese Ausgestaltung auf Rohrsysteme mit DN<350.The disadvantage of this embodiment, however, is that although a lower sensitivity to rotationally asymmetrical flow profiles can be achieved, a pressure loss must be accepted. In addition, this configuration is limited to pipe systems with DN <350.
Die Empfindlichkeit der Durchflussmessung gegenüber einem rotationsunsymmetrischen Strömungsprofil hängt von der Geometrie des Messrohres und der Elektroden ab. Daher müssen die Einflüsse der Rohr- und Elektrodengeometrie für die korrekte Beschreibung der geschwindigkeitsabhängigen Induktionsspannung berücksichtigt werden. Die beiden genannten Einflüsse werden mathematisch durch eine Gewichtsfunktion GF beschrieben.The sensitivity of the flow measurement to a rotationally asymmetrical flow profile depends on the geometry of the measuring tube and the electrodes. Therefore, the influences of the tube and electrode geometry must be taken into account for the correct description of the speed-dependent induction voltage. The two influences mentioned are described mathematically by a weight function GF.
Der Einfluss der Geometrie auf den Durchfluss lässt sich am besten an folgendem Zusammenhang verdeutlichen:
So ist beispielsweise aus der
Eine weitere Ausführung wird in
Die
Die
Diesen Ausgestaltungen nachteilig ist aber, dass zwar für kleine Durchmesser die Messgenauigkeit optimiert wird, diese aber bei handelsüblichen Messrohren mit großer Nennweite nicht die angestrebte Verringerung der Messfehler erreichen. Außerdem ist nachteilig, dass für jedes Elektrodenpaar ein Gewichtungsfaktor berücksichtigt werden muss, wobei nicht von vornherein klar ist, wie dieser in Abhängigkeit des Rohrsystems bzw. des rotationsunsymmetrischen Strömungsprofils gewählt werden muss.However, it is a disadvantage of these configurations that, although the measurement accuracy is optimized for small diameters, it does not achieve the desired reduction in measurement errors with commercially available measuring tubes with a large nominal diameter. It is also disadvantageous that a weighting factor has to be taken into account for each pair of electrodes, although it is not clear from the outset how this has to be selected as a function of the pipe system or the rotationally asymmetrical flow profile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bereitzustellen, welches die Einflüsse eines rotationsunsymmetrischen Strömungsprofils bei der Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit und des Volumendurchflusses minimiert.The invention is based on the object of providing a magnetic-inductive flow measuring device which minimizes the influences of a rotationally asymmetrical flow profile when determining the flow rate and the volume flow.
Die Aufgabe wird gelöst durch das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät nach Anspruch 1.The object is achieved by the electromagnetic flow measuring device according to
Ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit u oder des Volumendurchflusses V̇ eines Mediums, umfasst:
- - ein Messrohr, zum Führen des Mediums in eine durch eine Messrohrachse definierte Längsrichtung, wobei das Messrohr eine einlaufseitige Stirnfläche und eine auslaufseitige Stirnfläche aufweist, welche das Messrohr in Längsrichtung abgrenzen;
- - mindestens eine magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung stehenden Magnetfeldes im Medium, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung einen Polschuh oder eine Sattelspule umfasst, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung in einem Querschnitt des Messrohres das Messrohr in einem maximalen Mittelpunktswinkel β umgreift,
- - ein Elektrodensystem mit mindestens zwei Elektrodenpaaren, die dazu eingerichtet sind, eine senkrecht zum Magnetfeld und zur Längsrichtung induzierte Spannung im Medium zu erfassen,
wobei eine vertikale Messrohr-Längsebene das Messrohr in eine erste Seite und in eine zweite Seite einteilt,
wobei sich jeweils eine erste Elektrode des Elektrodenpaares auf der ersten Seite des Messrohres befindet,
wobei sich jeweils eine zweite Elektrode des Elektrodenpaares auf der zweiten Seite befindet,
wobei ein erstes Elektrodenpaar in einer ersten senkrecht zur Messrohrachse liegenden Querschnittsebene angeordnet ist,
wobei ein zweites Elektrodenpaar in einer zweiten senkrecht zur Messrohrachse liegenden Querschnittsebene angeordnet ist,
wobei die erste Querschnittsebene zur zweiten Querschnittsebene beabstandet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Mittelpunktswinkel α in einer Orthogonalprojektion der Querschnittsebenen einen minimalen Kreissektor aufspannt, in dem sich die auf jeweils einer Seite des Messrohres befindlichen und auf die Orthogonalprojektion projizierten Elektroden verteilen, und
dass die Mittelpunktswinkel α und β so aufeinander abgestimmt sind, dass das Durchflussmessgerät in dem Maß unempfindlich gegenüber Abweichungen einer rotationssymmetrischen Strömung ist, dass das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät bei einer Testmessung einen Messfehler der Durchflussgeschwindigkeit
- a measuring tube for guiding the medium in a longitudinal direction defined by a measuring tube axis, the measuring tube having an inlet-side end face and an outlet-side end face which delimit the measuring tube in the longitudinal direction;
- - At least one magnetic field generating device for generating a magnetic field in the medium which is essentially perpendicular to the longitudinal direction, the magnetic field generating device comprising a pole piece or a saddle coil, the magnetic field generating device encompassing the measuring tube at a maximum central angle β in a cross section of the measuring tube,
- - An electrode system with at least two pairs of electrodes which are set up to detect a voltage induced in the medium perpendicular to the magnetic field and to the longitudinal direction, a vertical longitudinal plane of the measuring tube dividing the measuring tube into a first side and a second side, one in each case The first electrode of the electrode pair is located on the first side of the measuring tube, a second electrode of the electrode pair being located on the second side, a first electrode pair being arranged in a first cross-sectional plane perpendicular to the measuring tube axis, with a second electrode pair being arranged in a second perpendicular to the Measuring tube axis lying cross-sectional plane is arranged, wherein the first cross-sectional plane is spaced apart from the second cross-sectional plane, characterized in that a central angle α spans a minimal circular sector in an orthogonal projection of the cross-sectional planes, in which the on each one Be te of the measuring tube and projected onto the orthogonal projection, and that the central angles α and β are matched to one another in such a way that the flow meter is insensitive to deviations in a rotationally symmetrical flow to the extent that the magnetic-inductive flow meter shows a measurement error in a test measurement Flow rate
Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, das unempfindlich gegenüber einem rotationsunsymmetrischen Strömungsprofil ist, bietet sich idealerweise für die Überwachung von Rohrsystemen an, bei denen eine Einlaufstrecke, deren Länge ein Vielfaches der Nennweite des Messrohres entspricht, nicht realisiert werden kann.An electromagnetic flowmeter that is insensitive to a rotationally asymmetrical flow profile is ideally suited for monitoring pipe systems in which an inlet section has Length corresponds to a multiple of the nominal diameter of the measuring tube, cannot be realized.
Nach Störungen treten, abhängig vom Abstand und Art der Störung, durch ein nichtideales Strömungsprofil Messfehler auf, da ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät normalerweise davon ausgeht und dahingehend optimiert worden ist, dass ein voll ausgebildetes rotationssymmetrisches Strömungsprofil vorliegt. Als voll ausgebildetes rotationssymmetrisches Strömungsprofil ist dabei das Strömungsprofil zu verstehen, dass sich in Strömungsrichtung nicht mehr ändert. Ein derartiges Strömungsprofil bildet sich beispielsweise in einem Messrohr mit einer Einlaufstrecke, entsprechend der 30-fachen Messrohr-Nennweite, und einer Mediumsgeschwindigkeit von 2 m/s aus.After disturbances, depending on the distance and type of disturbance, measurement errors occur due to a non-ideal flow profile, since a magnetic-inductive flow meter normally assumes and has been optimized to the effect that a fully developed, rotationally symmetrical flow profile is present. A fully developed, rotationally symmetrical flow profile is to be understood as the flow profile that no longer changes in the flow direction. Such a flow profile is formed, for example, in a measuring tube with an inlet section corresponding to 30 times the nominal diameter of the measuring tube and a medium speed of 2 m / s.
Im Stand der Technik sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit mindestens zwei Elektrodenpaaren, die einen Mittelpunktswinkel γ in einem Querschnitt des Messrohres aufschlagen, bereits bekannt. Üblicherweise schlagen benachbarte Elektroden einen Mittelpunktswinkel δ mit festem Winkelwert von ca. 180°/(N + 1) auf, wobei die natürliche Zahl N der Anzahl der Elektrodenpaare entspricht. Mit einer Gewichtung der separat an den Elektroden anfallenden Potentialdifferenzen können so Messfehler von unter 1% für rotationsunsymmetrische Strömungsprofile realisiert werden. Es hat sich als erstaunlich herausgestellt, dass der anfallende Messfehler aufgrund eines rotationsunsymmetrischen Strömungsprofils durch die Modifizierung der Mittelpunktswinkel α und β weiter deutlich reduziert werden kann, wobei der Mittelpunktswinkel α nicht in einem Querschnitt im Messrohr aufgeschlagen ist, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, sondern in einer Orthogonalprojektion mehrerer einzelner Querschnittsebenen durch die dort projizierten Elektroden aufgeschlagen ist.In the prior art, magnetic-inductive flowmeters with at least two pairs of electrodes that strike a central angle γ in a cross section of the measuring tube are already known. Adjacent electrodes usually have a central angle δ with a fixed angular value of approx. 180 ° / (N + 1), the natural number N corresponding to the number of electrode pairs. With a weighting of the potential differences occurring separately at the electrodes, measurement errors of less than 1% can be realized for rotationally asymmetrical flow profiles. It has turned out to be astonishing that the measurement error due to a rotationally asymmetrical flow profile can be further reduced significantly by modifying the central angles α and β, the central angle α not appearing in a cross section in the measuring tube, as is known from the prior art but is opened in an orthogonal projection of several individual cross-sectional planes through the electrodes projected there.
Der Mittelpunktswinkel β dient dabei als Kenngröße für die magnetfelderzeugende Vorrichtung und gibt an inwieweit das Messrohr durch das das Magnetfeld in das Medium einkoppelnde Segment der magnetfelderzeugenden Vorrichtung in dem Querschnitt umgriffen wird. The central angle β serves as a parameter for the magnetic field generating device and indicates the extent to which the measuring tube is encompassed in the cross section by the segment of the magnetic field generating device coupling the magnetic field into the medium.
Während ein kleiner Winkel β dafür sorgt, dass die Magnetfeldlinien ausschließlich im Zentrum des Messrohres gebündelt werden, wird durch die Verwendung eines großen Mittelpunktswinkels β ein annähernd über den gesamten Querschnitt des Messrohres homogenes Magnetfeld realisiert. Der Mittelpunktswinkel β ist dabei durch zwei Geraden gekennzeichnet, die sich im Mittelpunkt des Rohres treffen und die jeweils eines der beiden Enden des Polschuhs schneiden.While a small angle β ensures that the magnetic field lines are bundled exclusively in the center of the measuring tube, the use of a large central angle β creates a magnetic field that is almost homogeneous over the entire cross section of the measuring tube. The central angle β is characterized by two straight lines which meet in the center of the tube and which each intersect one of the two ends of the pole piece.
Es sind magnetfelderzeugende Vorrichtungen bekannt, die ein Leitblech im Außenbereich und mindestens ein Abschirmelement zwischen einem Polschuh und dem Leitblech und/oder oberhalb des Leitblechs und des Elektromagneten umfassen. Diese Segmente erfüllen die Aufgabe Stör- oder Streufelder zu reduzieren und sind nicht für das Einkoppeln des Magnetfeldes in das Medium verantwortlich.Devices that generate magnetic fields are known which comprise a guide plate in the outer region and at least one shielding element between a pole piece and the guide plate and / or above the guide plate and the electromagnet. These segments fulfill the task of reducing interference or stray fields and are not responsible for coupling the magnetic field into the medium.
Das Messrohr ist auf seiner das Medium berührenden Innenseite elektrisch isolierend ausgebildet, und zwar einerseits z.B. dadurch, dass das Messrohr selbst vollständig aus einem Isolierstoff, insb. aus gesinterter Keramik, bevorzugt aus Aluminiumoxid-Keramik, oder aus einem Kunststoff besteht. Andererseits kann das Messrohr auch dadurch realisiert sein, dass ein nichtferromagnetisches Metallrohr, insb. ein rostfreies Stahlrohr, innen mit einer Isolierschicht aus einem geeigneten Kunststoff, insb. aus Hartgummi, Weichgummi oder Polyfluorethylen, bevorzugt Polytetrafluorethylen, ausgekleidet ist.The measuring tube is designed to be electrically insulating on its inside which is in contact with the medium, on the one hand e.g. in that the measuring tube itself consists entirely of an insulating material, in particular of sintered ceramic, preferably of aluminum oxide ceramic, or of a plastic. On the other hand, the measuring tube can also be implemented in that a non-ferromagnetic metal tube, especially a stainless steel tube, is lined on the inside with an insulating layer made of a suitable plastic, especially hard rubber, soft rubber or polyfluoroethylene, preferably polytetrafluoroethylene.
Die magnetfelderzeugende Vorrichtung ist außerhalb des Messrohres angeordnet und komplett anliegend, teilweise anliegend oder mit einem festen Abstand zum Messrohr befestigt. Es sind aber auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte bekannt, die im Liner bzw. in der Wandung vergossene magnetfelderzeugende Vorrichtungen aufweisen. Die Elektroden hingegen sind nicht zwingend eingebettet, sondern können auch nachträglich als Stiftelektroden eingesetzt werden. Allerdings sind in vielen Fällen Elektroden mit Elektrodenköpfen, z.B. sogenannte Pilzkopfelektroden, für den Einsatz in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät bevorzugt. Diese können vorteilhaft im Rahmen der vorliegenden Erfindung während der Fertigung bei Ausbildung des Materials der Wandung mitvergossen werden.The magnetic field generating device is arranged outside of the measuring tube and is attached completely adjacent, partially adjacent or at a fixed distance from the measuring tube. However, magnetic-inductive flowmeters are also known which have magnetic field generating devices cast in the liner or in the wall. The electrodes, however, are not necessarily embedded, but can also be used subsequently as pin electrodes. However, in many cases electrodes with electrode heads, e.g. so-called mushroom head electrodes, preferred for use in a magnetic-inductive flow meter. In the context of the present invention, these can advantageously also be encapsulated during manufacture when the material of the wall is formed.
Das Messrohr ist auf seiner das Medium berührenden Innenseite elektrisch isolierend ausgebildet, und zwar einerseits z.B. dadurch, dass das Messrohr selbst vollständig aus einem Isolierstoff, insb. aus gesinterter Keramik, bevorzugt aus Aluminiumoxid-Keramik, oder aus einem Kunststoff besteht. Andererseits kann die Isolierung auch dadurch realisiert sein, dass ein nichtferromagnetisches Metallrohr, insb. ein rostfreies Stahlrohr, innen mit einer Isolierschicht aus einem geeigneten Kunststoff, insb. aus Hartgummi, Polyurethan, Weichgummi oder Polyfluorethylen, bevorzugt Polytetrafluorethylen, ausgekleidet ist.The measuring tube is designed to be electrically insulating on its inside which is in contact with the medium, on the one hand e.g. in that the measuring tube itself consists entirely of an insulating material, in particular of sintered ceramic, preferably of aluminum oxide ceramic, or of a plastic. On the other hand, the insulation can also be implemented in that a non-ferromagnetic metal tube, especially a stainless steel tube, is lined on the inside with an insulating layer made of a suitable plastic, especially hard rubber, polyurethane, soft rubber or polyfluoroethylene, preferably polytetrafluoroethylene.
Für die Ermittlung des Referenzwertes wird ein Durchflussmessgerät verwendet, das auf dem Coriolis-Prinzip basiert und eine Messgenauigkeit von 0,1 % aufweist. Dieses ist in einem Rohrsystem eingebaut und dient als Referenzsystem für das erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmessgerät.A flow meter based on the Coriolis principle and with a measuring accuracy of 0.1% is used to determine the reference value. This is built into a pipe system and serves as a reference system for the electromagnetic flowmeter according to the invention.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous refinements of the invention are the subject of the subclaims.
Gemäß einer Ausgestaltung wird für die Testmessung eine rotationsunsymmetrische Strömung durch eine an die einlaufseitige Stirnfläche eingerichtete und mindestens eine Störquelle umfassende Störung erzeugt.According to one embodiment, a rotationally asymmetrical flow is generated for the test measurement by a disturbance set up on the inlet-side end face and comprising at least one disturbance source.
Die Testmessung kann viele verschiedene Störquellen beinhalten, die alle einen beliebigen Einbauwinkel annehmen können. Durch die Verwendung von ausreichend unterschiedlichen Störungen kann der Mittelpunktswinkel α und β dahingehend optimiert werden, dass der Messfehler einer speziellen Störung einen Wert kleiner 0,05% und der maximale Messfehler einer beliebigen Störung einen Wert kleiner 0,5% annimmt.The test measurement can contain many different sources of interference, all of which can assume any installation angle. By using sufficiently different disturbances, the central angle α and β can be optimized so that the measurement error of a special disturbance takes a value less than 0.05% and the maximum measurement error of any disturbance takes a value less than 0.5%.
Es hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung von zwei ausreichend unterschiedlichen Störquellen, insbesondere einer Blende und eines
90°Rohrbogens, ein bereits ausreichend gutes Mittelpunktswinkelpaar α und β für ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ermittelt wird, das für eine beliebig andersartige Störung einen maximalen Messfehler von 0,5% aufweist. Durch Einbeziehen weiterer Störquellen in die Testmessung ändern sich die optimierten Parameter nur marginal, wodurch sich der resultierende Messfehler nur geringfügig ändert.It has been found that the use of two sufficiently different sources of interference, in particular a diaphragm and a
90 ° pipe bend, an already sufficiently good midpoint angle pair α and β is determined for a magnetic-inductive flow meter, which has a maximum measurement error of 0.5% for any other type of disturbance. By including additional sources of interference in the test measurement, the optimized parameters change only marginally, which means that the resulting measurement error changes only slightly.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Störquelle eine Blende oder einen 90°Rohrbogen,
wobei durch die Blende 10% des Querschnitts des Messrohres abgedeckt wird,
wobei die Blende eine Kreissehne aufweist, welche die Blende zum Rohr hin begrenzt,
wobei die Blende eine erste Blendenorientierung oder eine zweite Blendenorientierung annimmt,
wobei bei der ersten Blendenorientierung die Kreissehne senkrecht zum Magnetfeld orientiert ist und bei der zweiten Blendenorientierung die Kreissehne parallel zum Magnetfeld orientiert ist,
wobei der 90°Rohrbogen eine erste Rohrbogenorientierung oder eine zweite Rohrbogenorientierung annimmt,
wobei sich die erste Rohrbogenorientierung durch eine senkrecht zum Magnetfeld und zur Längsrichtung des Messrohres verlaufende Rohrachse auszeichnet und die zweite Rohrbogenorientierung durch eine parallel zum Magnetfeld und senkrecht zur Längsrichtung des Messrohres verlaufende Rohrachse auszeichnet.According to one embodiment, the source of interference comprises a diaphragm or a 90 ° pipe bend,
whereby 10% of the cross section of the measuring tube is covered by the diaphragm,
wherein the diaphragm has a chord which limits the diaphragm towards the tube,
wherein the diaphragm assumes a first diaphragm orientation or a second diaphragm orientation,
whereby in the first diaphragm orientation the circular chord is oriented perpendicular to the magnetic field and in the second diaphragm orientation the circular chord is oriented parallel to the magnetic field,
whereby the 90 ° pipe bend assumes a first pipe bend orientation or a second pipe bend orientation,
wherein the first pipe bend orientation is characterized by a pipe axis running perpendicular to the magnetic field and to the longitudinal direction of the measuring tube and the second pipe bend orientation is characterized by a pipe axis running parallel to the magnetic field and perpendicular to the longitudinal direction of the measuring pipe.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die Störung mit Abstand 0-DN zur einlaufseitigen Stirnfläche eingerichtet.According to one embodiment, the disturbance is set up at a distance of 0-DN from the inlet-side end face.
Gemäß einer Ausgestaltung ist eine Unempfindlichkeit gegenüber einem rotationsunsymmetrischen Strömungsprofil bei einer Reynoldszahl des Mediums im Messrohr größer gleich 100.000, insbesondere größer gleich 50.000 und bevorzugt größer gleich 10.000 gegeben.According to one embodiment, insensitivity to a rotationally asymmetrical flow profile is given when the Reynolds number of the medium in the measuring tube is greater than or equal to 100,000, in particular greater than or equal to 50,000 and preferably greater than or equal to 10,000.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Durchflussmessgerät drei Elektrodenpaare auf.According to one embodiment, the flow measuring device has three pairs of electrodes.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das dritte Elektrodenpaar in einer senkrecht zur Messrohrachse liegenden dritten Querschnittsebene angeordnet.According to one embodiment, the third pair of electrodes is arranged in a third cross-sectional plane lying perpendicular to the measuring tube axis.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die zweite und die dritte Querschnittsebene einen gleichen Abstand zur ersten Querschnittsebene auf.According to one embodiment, the second and the third cross-sectional plane are at the same distance from the first cross-sectional plane.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das dritte Elektrodenpaar in der ersten oder zweiten Querschnittsebene angeordnet.According to one embodiment, the third pair of electrodes is arranged in the first or second cross-sectional plane.
Gemäß einer Ausgestaltung sind mindestens zwei Elektroden, insbesondere alle auf jeweils einer Seite des Messrohres bezüglich der vertikalen Messrohr-Längsebene befindlichen Elektroden kurzgeschlossen.According to one embodiment, at least two electrodes, in particular all electrodes located on one side of the measuring tube with respect to the vertical longitudinal plane of the measuring tube, are short-circuited.
Der technische Erfolg dieser Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass gefunden wurde, dass durch das Anpassen der Winkel α und β auf eine Abtastung der einzelnen Potentialdifferenzen mit Hinzunahme von empirisch bestimmte Gewichtungsfaktoren verzichtet werden kann und die anliegende Spannung über alle Elektroden im Falle einer Störung weniger als 0,5% von einem anhand eines voll ausgebildeten Strömungsprofils ermittelten Messwertes abweicht. Eine Gewichtung der einzelnen Spannungswerte ist somit nicht notwendig, wodurch die Auswerteeinheit zur Bestimmung der anliegenden Spannung und der daraus resultierenden Strömungsgeschwindigkeit deutlich vereinfacht werden kann. Es reicht nunmehr den gemessenen Spannungswert mittels einer Kalibration in eine Strömungsgeschwindigkeit oder einen Volumendurchfluss umzuwandeln.
Die Elektroden werden insbesondere durch Kabel miteinander kurzgeschlossen und bevorzugt durch ein leitfähiges Blechteil. Das bietet eine einfache und stabile Montage und liefert zusätzlich eine kostengünstige Alternative zu bekannten Lösungen. Die Elektroden sind mit einer Regel- und Auswerteeinheit verbunden, die anhand der in den Elektroden induzierten Spannung Informationen über die Durchflussgeschwindigkeit und den Volumendurchfluss im Messrohr liefert.The technical success of this embodiment of the invention is that it has been found that by adapting the angles α and β, sampling of the individual potential differences with the addition of empirically determined weighting factors can be dispensed with and the voltage applied across all electrodes less in the event of a fault deviates by more than 0.5% from a measured value determined on the basis of a fully developed flow profile. It is therefore not necessary to weight the individual voltage values, which means that the evaluation unit for determining the applied voltage and the resulting flow velocity can be significantly simplified. It is now sufficient to convert the measured voltage value into a flow velocity or a volume flow by means of a calibration.
The electrodes are short-circuited to one another in particular by cables and preferably by a conductive sheet metal part. This offers a simple and stable installation and also provides an inexpensive alternative to known solutions. The electrodes are connected to a control and evaluation unit that uses the voltage induced in the electrodes to provide information about the flow rate and the volume flow in the measuring tube.
Gemäß einer Ausgestaltung gilt für den Mittelpunktswinkel α, dass 30° ≤ α ≤ 60° ist und insbesondere, dass 40° ≤ α ≤ 50° ist.According to one embodiment, it applies to the central angle α that 30 ° α 60 ° and in particular that 40 ° α 50 °.
Gemäß einer Ausgestaltung gilt für den Mittelpunktswinkel β, dass 50° ≤ β ≤ 90° ist und insbesondere, dass 70° ≤ β ≤ 80° ist.According to one embodiment, it applies to the central angle β that 50 ° β 90 ° and in particular that 70 ° β 80 °.
Gemäß einer Ausgestaltung sind die Elektroden achsensymmetrisch zur vertikalen Messrohr-Längsebene angeordnet.According to one embodiment, the electrodes are arranged axially symmetrical to the vertical longitudinal plane of the measuring tube.
Gemäß einer Ausgestaltung spannen jeweils zwei auf einer Seite des Messrohres (
Das Abstimmen der Mittelpunktswinkel α und β wird mit einem Simulationsprogramm oder anhand eines Testaufbaus durchgeführt. Eine Testumgebung wird definiert oder aufgebaut und die Mittelpunkswinkel des Durchflussmessgerätes werden solange angepasst bis der Messfehler für die eingestellten Testumgebungen minimal ist.The adjustment of the central angles α and β is carried out with a simulation program or on the basis of a test setup. A test environment is defined or set up and the center point angles of the flow meter are adjusted until the measurement error for the set test environments is minimal.
Gemäß einer Ausgestaltung wird für die Testmessung eine rotationsunsymmetrische Strömung durch eine an die einlaufseitige Stirnfläche eingerichtete und mindestens eine Störquelle umfassende Störung erzeugt.According to one embodiment, a rotationally asymmetrical flow is generated for the test measurement by a disturbance set up on the inlet-side end face and comprising at least one disturbance source.
Die Testmessung kann auch zur Abstimmung der optimalen Mittelpunktswinkel α und β dienen und wird dann im Voraus durchgeführt, so dass unter Berücksichtigung des optimierten Mittelpunktswinkelpaares α und β ein strömungsprofilunabhängiges magnetisch-induktives Durchflussmessgerät realisiert wird.The test measurement can also be used to coordinate the optimal central angles α and β and is then carried out in advance, so that a flow profile-independent magnetic-inductive flow meter is implemented taking into account the optimized central angle pair α and β.
Die Testmessung kann viele verschiedene Störquellen beinhalten, die allesamt einen beliebigen Einbauwinkel annehmen können. Durch die Verwendung von ausreichend unterschiedlicher Störungen können die Mittelpunktswinkel α und β dahingehend optimiert werden, dass der Messfehler einer speziellen Störung einen Wert kleiner 0,05% und der maximale Messfehler einer beliebigen Störung einen Wert kleiner 0,5% annimmt.The test measurement can contain many different sources of interference, all of which can assume any installation angle. By using sufficiently different disturbances, the central angles α and β can be optimized in such a way that the measurement error of a special disturbance takes a value less than 0.05% and the maximum measurement error of any disturbance takes a value less than 0.5%.
Es hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung von zwei ausreichend unterschiedlichen Störquellen, insbesondere einer Blende und eines 90°Rohrbogens, ein bereits ausreichend gutes Mittelpunktswinkelpaar α und β für ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ermittelt werden kann, so dass eine beliebig andersartige Störung zu einem maximalen Messfehler von 0,5% führt. Durch Einbeziehen weiterer Störquellen in die Testmessung ändern sich die optimierten Parameter nur marginal, wodurch sich der resultierende Messfehler nur geringfügig ändert.It has been found that by using two sufficiently different sources of interference, in particular a diaphragm and a 90 ° pipe bend, an already sufficiently good midpoint angle pair α and β can be determined for an electromagnetic flowmeter, so that any other type of interference can result in a leads to a maximum measurement error of 0.5%. By including additional sources of interference in the test measurement, the optimized parameters change only marginally, which means that the resulting measurement error changes only slightly.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : einen Querschnitt eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes nach dem Stand der Technik; -
2 : eine Orthogonalprojektion einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes mit zwei Elektrodenpaaren; -
3 : eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes mit drei Elektrodenpaaren und einer Orthogonalprojektion; -
4 : eine Längsansicht einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes; und -
5 : eine Darstellung zweier Blenden und zweier Rohrbogenorientierungen, für die Testmessungen zur Ermittlung des Messfehlers.
-
1 : a cross section of a magneto-inductive flow measuring device according to the prior art; -
2 : an orthogonal projection of an embodiment of the magnetic-inductive flow measuring device according to the invention with two pairs of electrodes; -
3 : a perspective view of a magnetic-inductive flow measuring device according to the invention with three pairs of electrodes and an orthogonal projection; -
4th : a longitudinal view of a second embodiment of the magnetic-inductive flow measuring device according to the invention; and -
5 : a representation of two orifices and two pipe elbow orientations for the test measurements to determine the measurement error.
Die
Die magnetfelderzeugende Vorrichtung ist üblicherweise so konzipiert, dass sich die Magnetfeldlinien möglichst homogen über einen Querschnitt des Messrohres verteilen. Dadurch können besonders für voll ausgebildete Strömungsprofile Messfehler von unter 0,2% erreicht werden. Bei einem rotationsunsymmetrischen Strömungsprofil kann sich ein homogenes Magnetfeld nachteilig auf die Messgenauigkeit auswirken. Dieses Problem kann erfinderisch durch das Anpassen der magnetfelderzeugenden Vorrichtung gelöst werden, insbesondere durch das Anpassen des Mittelpunktswinkels β.The device generating the magnetic field is usually designed in such a way that the magnetic field lines are distributed as homogeneously as possible over a cross section of the measuring tube. This means that measurement errors of less than 0.2% can be achieved, especially for fully developed flow profiles. In the case of a rotationally asymmetrical flow profile, a homogeneous magnetic field can have a disadvantageous effect on the measurement accuracy. This problem can be solved according to the invention by adapting the device generating the magnetic field, in particular by adapting the center angle β.
Durch die Variation des Mittelpunktswinkels β, der beschreibt in wieweit ein an das Messrohr angebrachtes Segment der magnetfelderzeugenden Vorrichtung das Messrohr umgreift, erhält man einen weiteren Freiheitsgrad für die Reduzierung des Messfehlers. Ein das Magnetfeld in das Medium einkoppelndes Segment kann einen Polschuh (
Bei dem in
Die
Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät umfasst eine einlaufseitige Stirnfläche (
Die Messfehler der Durchflussgeschwindigkeit u bzw. des Volumendurchflusses V̇ sind
In der
Die
- Im ersten Schritt werden die Mittelpunktswinkel α und β so angepasst, dass der Messfehler der Durchflussgeschwindigkeit in Testmessungen mit einer einzelnen Störung minimal wird. Dabei wird die Störung durch eine Blende (B) oder einen 90°Rohrbogen (
90°R ) generiert.
- In the first step, the central angles α and β are adjusted so that the measurement error of the flow velocity in test measurements with a single disturbance is minimal. The interference is caused by an orifice plate (B) or a 90 ° pipe bend (
90 ° R ) generated.
Die Blende (B) deckt dabei 10% des Rohrquerschnitts ab und weist eine Kreissehne auf, welche die Blende zum Rohr hin begrenzt. Sie nimmt eine erste Blendenorientierung (
Im zweiten Schritt wird das Mittelpunktswinkelpaar bestimmt, dessen maximaler Messfehler für alle durchgeführten Testmessungen minimal ist.In the second step, the center angle pair is determined, the maximum measurement error of which is minimal for all test measurements carried out.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- MessrohrMeasuring tube
- 22
- LinerLiner
- 33
- erste Elektrodefirst electrode
- 44th
- zweite Elektrodesecond electrode
- 55
- FüllstandsüberwachungselektrodeLevel monitoring electrode
- 66th
- BezugselektrodeReference electrode
- 77th
- magnetfelderzeugende VorrichtungMagnetic field generating device
- 88th
- Rohrpipe
- 99
- Mess-, Betriebs- und/oder AuswerteeinheitMeasuring, operating and / or evaluation unit
- 1010
- einlaufseitige Stirnflächeinlet end face
- 1111
- auslaufseitige Stirnflächeend face on the outlet side
- 1212
- vertikale Messrohr-Längsebenevertical measuring tube longitudinal plane
- 1313
- AbzissenachseAbscissa axis
- 1414th
- PolschuhPole piece
- 1515th
- erstes Elektrodenpaarfirst pair of electrodes
- 1616
- zweites Elektrodenpaarsecond pair of electrodes
- 1717th
- drittes Elektrodenpaarthird pair of electrodes
- 1818th
- erste Elektrode eines Elektrodenpaaresfirst electrode of a pair of electrodes
- 1919th
- zweite Elektrode eines Elektrodenpaaressecond electrode of a pair of electrodes
- 3636
- OrthogonalprojektionOrthogonal projection
- 3737
- erste Querschnittsebenefirst cross-sectional plane
- 3838
- zweite Querschnittsebenesecond cross-sectional plane
- 3939
- dritte Querschnittsebenethird cross-sectional plane
- 4040
- vertikale Messrohr-Längsebenevertical measuring tube longitudinal plane
- 4141
- AbzissenachseAbscissa axis
- 4242
- RohrachsePipe axis
- 4343
- magnetisch-induktives Durchflussmessgerätmagnetic-inductive flow meter
- 4444
- MagnetfeldverteilungMagnetic field distribution
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- EP 0878694 A1 [0009]EP 0878694 A1 [0009]
- WO 2017025314 A1 [0010]WO 2017025314 A1 [0010]
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