DE102019108985A1 - Magnetic-inductive flow meter - Google Patents

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Simon Mariager
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    • G01F1/56Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/58Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters
    • G01F1/588Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters combined constructions of electrodes, coils or magnetic circuits, accessories therefor

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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 DE 10 2014 113 408 A1 offenbarte Erfindung, bei der eine Verengung des Rohrdurchmessers zur Konditionierung des Flusses führt, wodurch der Einfluss des Strömungsprofils minimiert wird, so dass eine 0-DN Einlaufstrecke verwendet werden kann. Electromagnetic flowmeters are sensitive to the flow profile of the medium. Depending on the pipe system and measuring device, measurement errors of several percent can occur. A straight tube, the length of which corresponds to at least five to ten times the nominal diameter of the measuring tube, is therefore usually installed on the inlet-side end face. However, there are known applications in which this minimum distance, the so-called inlet section, cannot be maintained. This is the case, for example, when a pipe system is in a confined space. The in DE 10 2014 113 408 A1 disclosed invention in which a narrowing of the pipe diameter leads to the conditioning of the flow, whereby the influence of the flow profile is minimized, so that a 0-DN inlet section can be used.

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: U ( x ) = V v ( x ' )   G F ( x ' , x ) d V

Figure DE102019108985A1_0001
wobei für die Bestimmung der Spannung U(x), die Strömungsgeschwindigkeit v(x') und die Gewichtsfunktion GF(x',x) über das Volumen des Messrohres integriert werden. Dabei wird die Gewichtsfunktion GF anhand GF(x',x) = B × ∇G(x',x), mit dem Magnetfeld B(x') und einer Greenschen Funktion G, die von den elektrischen Randbedingungen gegeben wird, beschrieben. Das Ziel eines Optimierungsverfahrens ist es nun die Geometrie des Aufbaus dahingehend zu optimieren, dass im gesamten Strömungsprofil ∇×GF = 0 gilt. Dies ist jedoch für ein Rohr mit einem einzelnen punktförmigen Elektrodenpaar nicht möglich. Einen möglichen Lösungsansatz liefert die Anpassung der Elektrodenform. Dies ist jedoch nicht praktisch und verursacht neue Schwierigkeiten. Ein weiterer Lösungsansatz besteht darin, mehrere Elektrodenpaaren zu verwenden.The influence of the geometry on the flow can best be illustrated by the following context: U ( x ) = V v ( x ' ) G F. ( x ' , x ) d V
Figure DE102019108985A1_0001
where for the determination of the voltage U (x), the flow velocity v (x ') and the weight function GF (x', x) are integrated over the volume of the measuring tube. The weight function GF is described using GF (x ', x) = B × ∇G (x', x), with the magnetic field B (x ') and a Green function G, which is given by the electrical boundary conditions. The goal of an optimization process is to optimize the geometry of the structure in such a way that ∇ × GF = 0 applies in the entire flow profile. However, this is not possible for a pipe with a single point-shaped pair of electrodes. One possible solution is to adapt the shape of the electrodes. However, this is not practical and creates new difficulties. Another approach is to use multiple pairs of electrodes.

So ist beispielsweise aus der CN 101294832 A ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bekannt, das zwei Elektrodenpaare aufweist, die achsensymmetrisch in einem Rohrquerschnitt angeordnet sind, um somit den Einfluss des Strömungsprofils auf die Bestimmung des Volumendurchflusses zu minimieren. Die beiden durch die jeweiligen Elektrodenpaare definierten Elektrodenachsen spannen dabei in dem Querschnitt des Messrohres einen Winkel von ca. 40° auf.For example, from the CN 101294832 A a magneto-inductive flowmeter is known which has two pairs of electrodes which are arranged axially symmetrically in a pipe cross-section in order to minimize the influence of the flow profile on the determination of the volume flow. The two electrode axes defined by the respective electrode pairs span an angle of approx. 40 ° in the cross section of the measuring tube.

Eine weitere Ausführung wird in DE 10 2015 113 390 A1 gezeigt, in der ein zweites und drittes Elektrodenpaar auf definierten Elektrodenachsen angeordnet sind, die um einen Winkelmaß von kleiner gleich ±45° gegenüber einer zum Magnetfeld senkrecht orientierten ersten Elektrodenachse arrangiert sind.Another implementation is in DE 10 2015 113 390 A1 shown, in which a second and third pair of electrodes are arranged on defined electrode axes which are arranged at an angle of less than or equal to ± 45 ° with respect to a first electrode axis oriented perpendicular to the magnetic field.

Die EP 0878694 A1 offenbart ebenfalls ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, das, ausgehend vom Stand der Technik, durch die Verwendung von zwei zusätzlichen Elektrodenpaaren, deren Elektrodenachsen jeweils einen Winkel von ca. 45° zu der Elektrodenachse des herkömmlichen Elektrodenpaares zur Messrohrachse aufspannen, eine Verbesserung der Messgenauigkeit im Bereich von Messfehlern unter 1% realisiert. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die an den Elektroden anliegenden Potentialdifferenzen einzeln erfasst und gewichtet werden.The EP 0878694 A1 also discloses a magnetic-inductive flowmeter which, based on the prior art, improves the measurement accuracy in the area by using two additional pairs of electrodes, the electrode axes of which each form an angle of approximately 45 ° to the electrode axis of the conventional electrode pair to the measuring tube axis realized by measuring errors below 1%. This is achieved in particular in that the on the electrodes pending potential differences are recorded and weighted individually.

Die WO 2017 025 314 A1 lehrt ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem ersten Elektrodenpaar in einer ersten Querschnittsebene. Zusätzlich zu dem ersten Elektrodenpaar ist das Durchflussmessgerät mit bis zu vier zusätzlichen Elektrodenpaaren versehen, die sich auf einer zweiten und einer dritten Querschnittsebene verteilen, die jeweils von der ersten Querschnittsebene beabstandet sind. Mittels der zusätzlichen vor und nach der ersten Querschnittsebene erfassten Messspannungen, kann eine Aussage zu dem Strömungsprofil gemacht werden, was zu einer Reduzierung der Messabweichung vom tatsächlichen Durchfluss führt.The WO 2017 025 314 A1 teaches an electromagnetic flowmeter with a first pair of electrodes in a first cross-sectional plane. In addition to the first pair of electrodes, the flowmeter is provided with up to four additional pairs of electrodes, which are distributed over a second and a third cross-sectional plane, each of which is spaced from the first cross-sectional plane. Using the additional measurement voltages recorded before and after the first cross-sectional plane, a statement can be made about the flow profile, which leads to a reduction in the measurement deviation from the actual flow.

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 claim 1.

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 Δ u = | u v a u S u v a |
    Figure DE102019108985A1_0002
    und/oder einen Messfehler des Volumendurchflusses Δ V ˙ = | V ˙ v a V ˙ S V ˙ v a |
    Figure DE102019108985A1_0003
    kleiner 1,0%, insbesondere kleiner 0,5% und bevorzugt kleiner 0,2% aufweist, wobei eine Durchflussgeschwindigkeit uva und/oder ein Volumendurchfluss V̇va im Falle einer Strömung mit voll ausgebildeten Strömungsprofil bestimmt werden, wobei eine Durchflussgeschwindigkeit us und/oder ein Volumendurchfluss V̇s im Falle einer rotationsunsymmetrischen Strömung bestimmt werden.
An electromagnetic flowmeter according to the invention for measuring the flow rate u or the volume flow V̇ of a medium comprises:
  • 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 Δ u = | u v a - u S. u v a |
    Figure DE102019108985A1_0002
    and / or a measurement error of the volume flow Δ V ˙ = | V ˙ v a - V ˙ S. V ˙ v a |
    Figure DE102019108985A1_0003
    less than 1.0%, in particular less than 0.5% and preferably less than 0.2%, a flow rate u va and / or a volume flow rate V̇ va being determined in the case of a flow with a fully developed flow profile, a flow rate u s and / or a volume flow rate V̇ s can be determined in the case of a rotationally asymmetrical flow.

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 (1) und in der Orthogonalprojektion der Querschnittsebenen benachbarten Elektroden einen Mittelpunktswinkel δ = α/(N - 1) auf, wobei eine natürliche Zahl N der Anzahl der Elektrodenpaare entspricht.According to one embodiment, two each stretch on one side of the measuring tube ( 1 ) and in the orthogonal projection of the cross-sectional planes adjacent electrodes have a central angle δ = α / (N − 1), where a natural number N corresponds to the number of electrode pairs.

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.
The invention is explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
  • 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 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes. Der Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes sind grundsätzlich bekannt. Durch ein Messrohr (1) wird ein Medium geleitet, das eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Eine magnetfelderzeugende Vorrichtung (7) ist so angebracht, dass sich die Magnetfeldlinien senkrecht zu einer durch die Messrohrachse definierten Längsrichtung orientieren. Als magnetfelderzeugende Vorrichtung (7) eignet sich vorzugsweise eine Sattelspule oder ein Polschuh mit aufgesetzter Spule und Spulenkern. Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr (1) eine durchflussabhängige Potentialverteilung, die mit zwei an der Innenwand des Messrohres (1) angebrachten Elektroden (3, 4) abgegriffen wird. In der Regel sind diese diametral angeordnet und bilden eine Elektrodenachse, die senkrecht zu den Magnetfeldlinien und der Längsachse des Rohres verläuft. Anhand der gemessenen Messspannung kann, unter Berücksichtigung der magnetischen Flussdichte, die Durchflussgeschwindigkeit und, unter Berücksichtigung der Rohrquerschnittsfläche, der Volumendurchfluss des Mediums bestimmt werden. Um das Ableiten der an der ersten und zweiten Elektroden (3, 4) anliegenden Messspannung über das Rohr (8) zu verhindern, wird die Innenwand mit einem isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff-Liner (2) ausgekleidet. Das durch eine magnetfelderzeugende Vorrichtung, beispielsweise einen Elektromagneten, aufgebaute Magnetfeld wird durch einen mittels einer Betriebseinheit getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch elektrochemische Störungen. Eine Messeinheit liest die an den Elektroden (3, 4) anliegende Spannung aus und gibt die Durchflussgeschwindigkeit und/oder den mittels einer Auswerteeinheit errechneten Volumendurchfluss des Mediums aus. Handelsübliche magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte weisen zusätzlich zu den Elektroden (3, 4) zwei weitere Elektroden (5, 6) auf. Zum einen dient eine optimalerweise am höchsten Punkt im Rohr (8) angebrachte Füllstandsüberwachungselektrode (5) dazu, eine Teilbefüllung des Messrohres (1) zu detektieren, diese Information an den Nutzer weiterzuleiten und/oder den Füllstand bei der Ermittlung des Volumendurchflusses zu berücksichtigen. Desweiteren dient eine Bezugselektrode (6), die üblicherweise diametral zur Füllstandsüberwachungselektrode (5) angebracht ist, dazu eine ausreichende Erdung des Mediums zu gewährleisten.The 1 shows a magneto-inductive flow measuring device known from the prior art. The structure and the measuring principle of a magnetic-inductive flow meter are basically known. Through a measuring tube ( 1 ) a medium is passed that has electrical conductivity. A magnetic field generating device ( 7th ) is attached so that the magnetic field lines are oriented perpendicular to a longitudinal direction defined by the measuring tube axis. As a magnetic field generating device ( 7th ) a saddle coil or a pole piece with an attached coil and coil core is preferably suitable. When a magnetic field is applied, ( 1 ) a flow-dependent potential distribution, which with two on the inner wall of the measuring tube ( 1 ) attached electrodes ( 3 , 4th ) is tapped. As a rule, these are arranged diametrically and form an electrode axis which runs perpendicular to the magnetic field lines and the longitudinal axis of the pipe. On the basis of the measured voltage, taking into account the magnetic flux density, the flow rate and, taking into account the pipe cross-sectional area, the volume flow of the medium can be determined. In order to derive the on the first and second electrodes ( 3 , 4th ) applied measurement voltage across the pipe ( 8th ), the inner wall is covered with an insulating material, for example a plastic liner ( 2 ) lined. The magnetic field built up by a magnetic field generating device, for example an electromagnet, is generated by a direct current of alternating polarity clocked by an operating unit. This ensures a stable zero point and makes the measurement insensitive to the effects of electrochemical interference. A measuring unit reads the data on the electrodes ( 3 , 4th ) and outputs the applied voltage the flow rate and / or the volume flow of the medium calculated by means of an evaluation unit. Commercially available electromagnetic flowmeters have, in addition to the electrodes ( 3 , 4th ) two more electrodes ( 5 , 6th ) on. On the one hand, it is ideally used at the highest point in the pipe ( 8th ) attached level monitoring electrode ( 5 ) to partially fill the measuring tube ( 1 ) to detect, to forward this information to the user and / or to take the level into account when determining the volume flow. A reference electrode is also used ( 6th ), which are usually diametrically opposed to the level monitoring electrode ( 5 ) is appropriate to ensure sufficient grounding of the medium.

2 zeigt eine Orthogonalprojektion (36) einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes. Durch ein Messrohr wird ein Medium geleitet, das eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Eine magnetfelderzeugende Vorrichtung ist so angebracht, dass sich die Magnetfeldlinien senkrecht zu einer durch die Messrohrachse definierten Längsrichtung orientieren. Als magnetfelderzeugende Vorrichtung eignet sich vorzugsweise eine Sattelspule oder wie in der 2 dargestellt eine Projektion eines Polschuhes (14). Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr eine Potentialverteilung, die mit zwei an der Innenwand des Messrohres angebrachten Elektroden (18,19) mindestens zweier Elektrodenpaare abgegriffen werden kann. In der Regel sind diese ein Elektrodenpaar bildende Elektroden diametral angeordnet und bilden eine Elektrodenachse bzw. einer Abzissenachse (13), die im Wesentlich senkrecht zur vertikalen Messrohr-Längsebene (12) und der Längsrichtung verläuft. Anhand der gemessenen Spannung kann, unter Berücksichtigung der magnetischen Flussdichte, die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums u und, unter Berücksichtigung der Rohrquerschnittsfläche, der Volumendurchfluss V̇ bestimmt werden. Um das Ableiten der an den Elektroden anliegenden Spannung über die Rohrleitung zu verhindern, wird die Innenwand mit einem isolierenden Material verkleidet. Das durch beispielsweise einen Elektromagneten aufgebaute Magnetfeld wird durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Erfindungsgemäß werden mindestens zwei Elektrodenpaare für die Bestimmung des Volumendurchflusses V̇ verwendet. In der schematischen Darstellung 2, wird beispielhaft eine Orthogonalprojektion eines magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit drei Elektrodenpaaren abgebildet. Neben dem Elektroden zum Abgreifen einer Potentialdifferenz werden oftmals zusätzliche Elektroden in Form von Messstoffüberwachungs- oder Erdungselektroden in das Messrohr eingebaut, die dazu dienen, ein elektrisches Referenzpotential zu messen oder teilgefüllte Messrohre zu erkennen oder die Temperatur des Mediums mittels eingebautem Temperaturfühler zu erfassen. Diese werden in der schematischen Darstellung nicht berücksichtigt. Es liegt jeweils eine erste Elektrode (18) des Elektrodenpaares auf der ersten Seite (I) des Messrohres und eine zweite Elektrode (19) des Elektrodenpaares auf der zweiten Seite (II). Die außenliegenden Elektroden einer Seite spannen in der Orthogonalprojektion (36) einen Mittelpunktswinkel α auf. Die weiteren Elektroden verteilen sich innerhalb des aufgeschlagenen Kreissegments, bevorzugt an der Innenwand des Messrohres. 2 shows an orthogonal projection ( 36 ) an embodiment of an electromagnetic flowmeter according to the invention. A medium that has electrical conductivity is passed through a measuring tube. A magnetic field generating device is attached in such a way that the magnetic field lines are oriented perpendicular to a longitudinal direction defined by the measuring tube axis. A saddle coil or as in FIG. 2 is preferably suitable as a magnetic field generating device 2 shown is a projection of a pole piece ( 14th ). When a magnetic field is applied, a potential distribution is created in the measuring tube, which is determined by two electrodes attached to the inner wall of the measuring tube ( 18th , 19th ) at least two pairs of electrodes can be tapped. As a rule, these electrodes, which form an electrode pair, are arranged diametrically and form an electrode axis or an abscissa axis ( 13 ), which are essentially perpendicular to the vertical longitudinal plane of the measuring tube ( 12 ) and running lengthways. Based on the measured voltage, taking into account the magnetic flux density, the flow rate of the medium u and, taking into account the pipe cross-sectional area, the volume flow rate V can be determined. To prevent the voltage applied to the electrodes from being discharged through the pipeline, the inner wall is covered with an insulating material. The magnetic field built up by an electromagnet, for example, is generated by a clocked direct current of alternating polarity. This ensures a stable zero point and makes the measurement insensitive to the effects of multiphase substances, inhomogeneities in the liquid or low conductivity. According to the invention, at least two pairs of electrodes are used to determine the volume flow rate V̇. In the schematic representation 2 , an orthogonal projection of a magnetic-inductive flow meter with three pairs of electrodes is shown as an example. In addition to the electrodes for tapping a potential difference, additional electrodes in the form of measuring medium monitoring or grounding electrodes are often built into the measuring tube, which are used to measure an electrical reference potential or to detect partially filled measuring tubes or to record the temperature of the medium using a built-in temperature sensor. These are not taken into account in the schematic representation. There is always a first electrode ( 18th ) of the electrode pair on the first side (I) of the measuring tube and a second electrode ( 19th ) of the pair of electrodes on the second side (II). The external electrodes on one side span in the orthogonal projection ( 36 ) has a central angle α. The other electrodes are distributed within the open circle segment, preferably on the inner wall of the measuring tube.

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 (14) umfassen, der zwei an eine ebene Fläche angrenzende Schenkel oder auch zwei an seiner ebenen Fläche angebrachte Kreisbögen aufweist. Alternativ kann ein Polschuh (14) auch die Form eines Kreisbogens annehmen. Im Allgemeinen kann ein das Magnetfeld in das Medium einkoppelndes Segment eine beliebige Kontur, bestehend aus mindestens einem weiteren Teilsegment, annehmen. Für die Ermittlung des maximalen Mittelpunktswinkels β werden die Teilsegmente berücksichtigt, die im Wesentlichen dafür verantwortlich sind, das Magnetfeld in das Medium einzukoppeln.By varying the central angle β, which describes the extent to which a segment of the magnetic field generating device attached to the measuring tube encompasses the measuring tube, a further degree of freedom is obtained for reducing the measuring error. A segment coupling the magnetic field into the medium can be a pole piece ( 14th ), which has two legs adjoining a flat surface or two circular arcs attached to its flat surface. Alternatively, a pole piece ( 14th ) also take the form of an arc of a circle. In general, a segment coupling the magnetic field into the medium can assume any contour, consisting of at least one further sub-segment. To determine the maximum center angle β, the subsegments are taken into account that are essentially responsible for coupling the magnetic field into the medium.

Bei dem in 2 dargestellten Orthogonalprojektion befindet sich die Elektroden in direktem Kontakt mit dem Medium; die Kopplung kann jedoch, wie oben erwähnt, auch kapazitiv erfolgen.The in 2 the orthogonal projection shown, the electrodes are in direct contact with the medium; however, as mentioned above, the coupling can also take place capacitively.

Die 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messrohres (1) mit drei Elektrodenpaaren und eine Orthogonalprojektion (36). Ein erstes Elektrodenpaar (15) ist in einer ersten Querschnittsebene (37) angeordnet. Dabei ist das erste Elektrodenpaar (15) diametral angeordnet, wie es bei magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten nach dem Stand der Technik bekannt ist. Ein zweites Elektrodenpaar (16) ist in einer zweiten Querschnittsebene (38) angeordnet, die zwischen der einlaufseitigen Stirnfläche (10) des Messrohres und der ersten Querschnittsebene (37) angeordnet ist. Ein drittes Elektrodenpaar (17) ist in einer dritten Querschnittsebene (39) angeordnet, die sich zwischen der auslaufseitigen Stirnfläche (11) des Messrohres und der ersten Querschnittsebene (37) befindet. Die Querschnittsebenen sind jeweils beabstandet. Das zweite und das dritte Elektrodenpaar (16, 17) sind in dieser Ausgestaltung nicht diametral angeordnet. Stattdessen liegen die beiden Elektrodenpaare (16, 17) jeweils auf einer Elektrodenachse, die parallel zur Elektrodenachse des ersten Elektrodenpaares (15) verläuft. Auf der Orthogonalprojektion (36) bilden die außenliegenden Elektroden einer Seite mit dem Mittelpunkt des Messrohres einen Mittelpunktswinkel α. Des Weiteren zeigt die 3 einen Polschuh (14), der einen Querschnitt aufweist, welcher mit auf die Orthogonalprojektion (36) projiziert ist. Die Projektion des Polschuhs (14) ist durch einen Mittelpunktswinkel β charakterisiert.The 3 shows a perspective view of a measuring tube according to the invention ( 1 ) with three pairs of electrodes and an orthogonal projection ( 36 ). A first pair of electrodes ( 15th ) is in a first cross-sectional plane ( 37 ) arranged. The first pair of electrodes ( 15th ) diametrically arranged, as it is known in electromagnetic flowmeters according to the prior art. A second pair of electrodes ( 16 ) is in a second cross-sectional plane ( 38 ) arranged between the inlet-side face ( 10 ) of the measuring tube and the first cross-sectional plane ( 37 ) is arranged. A third pair of electrodes ( 17th ) is in a third cross-sectional plane ( 39 ) arranged between the outlet-side end face ( 11 ) of the measuring tube and the first cross-sectional plane ( 37 ) is located. The cross-sectional planes are each spaced apart. The second and third pair of electrodes ( 16 , 17th ) are not arranged diametrically in this embodiment. Instead, the two pairs of electrodes ( 16 , 17th ) each on an electrode axis that is parallel to the electrode axis of the first pair of electrodes ( 15th ) runs. On the orthogonal projection ( 36 ) the external electrodes on one side form a central angle α with the center of the measuring tube. Furthermore, the 3 a pole piece ( 14th ), which has a cross-section that coincides with the orthogonal projection ( 36 ) is projected. The projection of the pole piece ( 14th ) is characterized by a central angle β.

Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät umfasst eine einlaufseitige Stirnfläche (10) und eine auslaufseitige Stirnfläche (11). Ein an die einlaufseitige Stirnfläche (10) montierter 90°Rohrbogen oder eine Blende wirken sich auf das Strömungsprofil des Mediums aus, so dass im Messrohr (1) ein rotationsunsymmetrisches Strömungsprofil herrscht.An electromagnetic flowmeter comprises an inlet-side face ( 10 ) and an outlet-side face ( 11 ). A to the inlet-side face ( 10 ) mounted 90 ° pipe bend or an orifice affect the flow profile of the medium, so that in the measuring pipe ( 1 ) there is a rotationally asymmetrical flow profile.

Die Messfehler der Durchflussgeschwindigkeit u bzw. des Volumendurchflusses V̇ sind Δ u = | u v a u S u v a |

Figure DE102019108985A1_0004
bzw. Δ V ˙ = | V ˙ v a V ˙ S V ˙ v a | ,
Figure DE102019108985A1_0005
wobei die Durchflussgeschwindigkeit uva und der Volumendurchfluss V̇va im Falle einer Strömung mit voll ausgebildeten Strömungsprofil bestimmt werden, und die Durchflussgeschwindigkeit us und der Volumendurchfluss V̇s im Falle eines rotationsunsymmetrischen Strömungsprofils bestimmt werden. Dabei ist der reale Volumendurchfluss V̇real in beiden Fällen identisch und im Falle des voll ausgebildeten Strömungsprofils optimalerweise gleich dem gemessenen Volumendurchfluss V̇va.The measurement errors of the flow velocity u and the volume flow V̇ are Δ u = | u v a - u S. u v a |
Figure DE102019108985A1_0004
or. Δ V ˙ = | V ˙ v a - V ˙ S. V ˙ v a | ,
Figure DE102019108985A1_0005
whereby the flow rate u va and the volume flow rate V̇ va are determined in the case of a flow with a fully developed flow profile, and the flow rate u s and the volume flow rate V̇ s are determined in the case of a rotationally asymmetrical flow profile. The real volume flow rate V̇ real is identical in both cases and, in the case of the fully developed flow profile, optimally equal to the measured volume flow rate V̇ va .

In der 4 ist die Längsansicht einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes abgebildet. Es weist eine erste und eine zweite Querschnittsebene (37, 38) auf, in denen jeweils zwei Elektrodenpaare angebracht sind. Die Elektrodenpaare liegen jeweils auf einer Elektrodenachse, welche parallel zueinander verlaufen. In einer Orthogonalprojektion (nicht dargestellt) der zwei Querschnittsebenen liegen immer eine Elektrode der ersten Querschnittsebene (37) und eine Elektrode der zweiten Querschnittsebene (38) übereinander. Eine derartige Elektrodenanordnung wird auch beansprucht. Des Weiteren ist eine magnetfelderzeugende Vorrichtung (7) und eine schematische Magnetfeldverteilung (44) im Längschnitt abgebildet. In diesem Fall ist die Magnetfeldverteilung (44) gaußförmig dargestellt. Die zwei Querschnittsebenen (37, 38) sind so in angeordnet, dass das die Magnetfeldstärke in der jeweiligen Querschnittsebene mindestens die Hälfte und bevorzugt mindestens ¾ der im Längsquerschnitt maximalen Magnetfeldstärke aufweist.In the 4th is shown the longitudinal view of an embodiment of the flow measuring device according to the invention. It has a first and a second cross-sectional plane ( 37 , 38 ), in which two pairs of electrodes are attached. The electrode pairs each lie on an electrode axis which run parallel to one another. In an orthogonal projection (not shown) of the two cross-sectional planes there is always an electrode of the first cross-sectional plane ( 37 ) and an electrode of the second cross-sectional plane ( 38 ) one above the other. Such an electrode arrangement is also claimed. Furthermore, a magnetic field generating device ( 7th ) and a schematic magnetic field distribution ( 44 ) shown in longitudinal section. In this case the magnetic field distribution is ( 44 ) shown in Gaussian shape. The two cross-sectional planes ( 37 , 38 ) are arranged in such a way that the magnetic field strength in the respective cross-sectional plane has at least half and preferably at least ¾ of the maximum magnetic field strength in the longitudinal cross-section.

Die 5 zeigt Blenden (B) mit unterschiedlichen Blendenorientierungen (B1, B2) und 90°Rohrbögen (90°R) im eingebauten Zustand und mit unterschiedlichen Rohrbogenorientierungen (R1, R2). Diese Bauteile dienen in Testmessungen bzw. Simulationen als Störungsursache. In den Simulationen bildet ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit mindestens zwei Elektrodenpaaren die Grundlage für Berechnung der optimalen Parameter. Die Fläche der Elektroden ist größer als punktförmig, jedoch endlich groß. Die Optimierung der Mittelpunktswinkel α und β läuft in folgenden Schritten ab:

  • 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.
The 5 shows apertures (B) with different aperture orientations ( B1 , B2 ) and 90 ° pipe bends ( 90 ° R ) when installed and with different pipe bend orientations ( R1 , R2 ). These components serve as the cause of failure in test measurements or simulations. In the simulations, an electromagnetic flowmeter with at least two pairs of electrodes forms the basis for calculating the optimal parameters. The area of the electrodes is larger than punctiform, but finitely large. The optimization of the central angles α and β takes place in the following steps:
  • 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 (B1) oder eine zweite Blendenorientierung (B2) an, die insbesondere um 90° zueinander verdreht sind. Dabei ist die Kreissehne bei der ersten Blendenorientierung (B1) senkrecht zum Magnetfeld und bei der zweiten Blendenorientierung (B2) parallel zum Magnetfeld orientiert. Die erste Blendenorientierung (B1) und die zweite Blendenorientierung (B2) einer Blende (B) ist schematisch in 5 dargestellt. Das schwarz gefüllte Kreissegment stellt dabei die Fläche dar, die einen Teil der Querschnittsfläche des Messrohres blockiert. In der Testmessung ist die Blende (B) mit einem Abstand von 0-DN zur einlaufseitigen Stirnfläche angebracht. Alternativ wird ein 90°Rohrbogen (90°R) eingangs zur einlaufseitigen Stirnfläche in einem Abstand von 0-DN angebracht, wobei der 90°Rohrbogen (90°R) eine erste Rohrbogenorientierung (R1) oder eine zweite Rohrbogenorientierung (R2) annimmt, die insbesondere um 90° zueinander verdreht sind. Die erste Rohrbogenorientierung (R1) und die zweite Rohrbogenorientierung (R2) eines 90°Rohrbogens (90°R) ist schematisch in 5 dargestellt. Bei der ersten Rohrbogenorientierung (R1) verläuft die Rohrachse (42) parallel zur Abszissenachse (41) des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes (43). Die Anpassung der Mittelpunktswinkel α und β wird vorzugsweise für die beiden Störungen mit beiden Orientierungen durchgeführt.The diaphragm (B) covers 10% of the pipe cross-section and has a chord that limits the diaphragm towards the pipe. It takes a first aperture orientation ( B1 ) or a second aperture orientation ( B2 ), which are rotated in particular by 90 ° to each other. The chord is at the first aperture orientation ( B1 ) perpendicular to the magnetic field and with the second aperture orientation ( B2 ) oriented parallel to the magnetic field. The first aperture orientation ( B1 ) and the second aperture orientation ( B2 ) of a diaphragm (B) is shown schematically in 5 shown. The black-filled circle segment represents the area that blocks part of the cross-sectional area of the measuring tube. In the test measurement, the orifice (B) is attached at a distance of 0-DN to the front face on the inlet side. Alternatively, a 90 ° elbow ( 90 ° R ) at the entrance to the inlet end face at a distance of 0-DN, whereby the 90 ° pipe bend ( 90 ° R ) a first pipe bend orientation ( R1 ) or a second elbow orientation ( R2 ), which are in particular rotated by 90 ° to each other. The first elbow orientation ( R1 ) and the second elbow orientation ( R2 ) a 90 ° elbow ( 90 ° R ) is schematically in 5 shown. At the first pipe bend orientation ( R1 ) runs the pipe axis ( 42 ) parallel to the abscissa axis ( 41 ) of the electromagnetic flowmeter ( 43 ). The adjustment of the central angles α and β is preferably carried out for the two disorders with both orientations.

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

  • DE 102014113408 A1 [0003]DE 102014113408 A1 [0003]
  • CN 101294832 A [0007]CN 101294832 A [0007]
  • DE 102015113390 A1 [0008]DE 102015113390 A1 [0008]
  • EP 0878694 A1 [0009]EP 0878694 A1 [0009]
  • WO 2017025314 A1 [0010]WO 2017025314 A1 [0010]

Claims (14)

Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit u oder des Volumendurchflusses V eines Mediums, umfassend: - ein Messrohr (1), zum Führen des Mediums in eine durch eine Messrohrachse definierte Längsrichtung, wobei das Messrohr eine einlaufseitige Stirnfläche (10) und eine auslaufseitige Stirnfläche (11) aufweist, welche das Messrohr (1) in Längsrichtung abgrenzen; - mindestens eine magnetfelderzeugende Vorrichtung (7) zum Erzeugen eines im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung stehenden Magnetfeldes im Medium, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung (7) einen Polschuh oder eine Sattelspule umfasst, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung (7) in einem Querschnitt des Messrohres (1) das Messrohr (1) 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 (12) das Messrohr (1) in eine erste Seite (I) und in eine zweite Seite (II) einteilt, wobei sich jeweils eine erste Elektrode (18) des Elektrodenpaares auf der ersten Seite (I) des Messrohres befindet, wobei sich jeweils eine zweite Elektrode (19) des Elektrodenpaares auf der zweiten Seite (II) befindet, wobei ein erstes Elektrodenpaar (15) in einer ersten senkrecht zur Messrohrachse liegenden Querschnittsebene (37) angeordnet ist, wobei ein zweites Elektrodenpaar (16) in einer zweiten senkrecht zur Messrohrachse liegenden Querschnittsebene (38) angeordnet ist, wobei die erste Querschnittsebene (37) zur zweiten Querschnittsebene (38) beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelpunktswinkel α in einer Orthogonalprojektion (36) 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 Δ u = | u v a u S u v a |
Figure DE102019108985A1_0006
und/oder einen Messfehler des Volumendurchflusses Δ V ˙ = | V ˙ v a V ˙ S V ˙ v a |
Figure DE102019108985A1_0007
kleiner 1,0%, insbesondere kleiner 0,5% und bevorzugt kleiner 0,2% aufweist, wobei eine Durchflussgeschwindigkeit uva und/oder ein Volumendurchfluss V̇va im Falle einer Strömung mit voll ausgebildeten Strömungsprofil bestimmt werden, wobei eine Durchflussgeschwindigkeit us und/oder ein Volumendurchfluss V̇s im Falle einer rotationsunsymmetrischen Strömung bestimmt werden.
Magnetic-inductive flow meter for measuring the flow rate u or the volume flow V of a medium, comprising: a measuring tube (1) for guiding the medium in a longitudinal direction defined by a measuring tube axis, the measuring tube having an inlet-side end face (10) and an outlet-side end face (11) which delimit the measuring tube (1) in the longitudinal direction; - At least one magnetic field generating device (7) for generating a magnetic field in the medium which is essentially perpendicular to the longitudinal direction, the magnetic field generating device (7) comprising a pole shoe or a saddle coil, the magnetic field generating device (7) in a cross section of the measuring tube (1) encompasses the measuring tube (1) at a maximum central angle β, - 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, with a vertical measuring tube longitudinal plane (12) being the measuring tube (1) divided into a first side (I) and a second side (II), with a first electrode (18) of the electrode pair being located on the first side (I) of the measuring tube, with a second electrode (19 ) of the pair of electrodes is located on the second side (II), a first pair of electrodes (15) in a first perpendicular to the Mes cross-sectional plane (37) lying on the tube axis, a second pair of electrodes (16) being arranged in a second cross-sectional plane (38) lying perpendicular to the measuring tube axis, the first cross-sectional plane (37) being spaced from the second cross-sectional plane (38), characterized in that a central angle α in an orthogonal projection (36) of the cross-sectional planes spans a minimal circular sector 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 matched to one another so that the flow meter is insensitive to deviations in a rotationally symmetrical flow to the extent that the magnetic-inductive flowmeter shows a measurement error in the flow rate during a test measurement Δ u = | u v a - u S. u v a |
Figure DE102019108985A1_0006
and / or a measurement error of the volume flow Δ V ˙ = | V ˙ v a - V ˙ S. V ˙ v a |
Figure DE102019108985A1_0007
less than 1.0%, in particular less than 0.5% and preferably less than 0.2%, a flow rate u va and / or a volume flow rate V̇ va being determined in the case of a flow with a fully developed flow profile, a flow rate u s and / or a volume flow rate V̇ s can be determined in the case of a rotationally asymmetrical flow.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei für die Testmessung eine rotationsunsymmetrische Strömung durch eine an die einlaufseitige Stirnfläche (10) eingerichtete und mindestens eine Störquelle umfassende Störung erzeugt wird.Electromagnetic flowmeter according to Claim 1 , wherein for the test measurement a rotationally asymmetrical flow is generated by a disturbance which is set up on the inlet-side end face (10) and includes at least one source of disturbance. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 2, wobei die Störquelle eine Blende (B) oder einen 90°Rohrbogen (90°R) umfasst, wobei durch die Blende (B) 10% des Querschnitts des Messrohres (1) abgedeckt wird, wobei die Blende (B) eine Kreissehne aufweist, welche die Blende zum Rohr hin begrenzt, wobei die Blende (B) eine erste Blendenorientierung (B1) oder eine zweite Blendenorientierung (B2) annimmt, wobei bei der ersten Blendenorientierung (B1) die Kreissehne senkrecht zum Magnetfeld orientiert ist und bei der zweiten Blendenorientierung (B2) die Kreissehne parallel zum Magnetfeld orientiert ist, wobei der 90°Rohrbogen (90°R) eine erste Rohrbogenorientierung (R1) oder eine zweite Rohrbogenorientierung (R2) annimmt, wobei sich die erste Rohrbogenorientierung (R1) durch eine senkrecht zum Magnetfeld und zur Längsrichtung des Messrohres (1) verlaufende Rohrachse (11) auszeichnet und die zweite Rohrbogenorientierung (R2) durch eine parallel zum Magnetfeld und senkrecht zur Längsrichtung (4) des Messrohres (1) verlaufende Rohrachse (11) auszeichnet.Electromagnetic flowmeter according to Claim 2 , the source of interference comprising a diaphragm (B) or a 90 ° pipe bend (90 ° R), the diaphragm (B) covering 10% of the cross-section of the measuring tube (1), the diaphragm (B) having a chord, which delimits the diaphragm towards the pipe, whereby the diaphragm (B) assumes a first diaphragm orientation (B1) or a second diaphragm orientation (B2), whereby in the first diaphragm orientation (B1) the circular chord is oriented perpendicular to the magnetic field and in the second diaphragm orientation ( B2) the circular chord is oriented parallel to the magnetic field, with the 90 ° pipe bend (90 ° R) assuming a first pipe bend orientation (R1) or a second pipe bend orientation (R2), the first pipe bend orientation (R1) being perpendicular to the magnetic field and to the The pipe axis (11) running in the longitudinal direction of the measuring pipe (1) is characterized and the second pipe bend orientation (R2) is characterized by a pipe axis (1) running parallel to the magnetic field and perpendicular to the longitudinal direction (4) of the measuring pipe (1) 1). Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Störung mit Abstand 0-DN zur einlaufseitigen Stirnfläche (10) eingerichtet ist.Magnetic-inductive flow measuring device according to one of the preceding claims, wherein the disturbance is set up at a distance of 0-DN from the inlet-side end face (10). Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Unempfindlichkeit gegenüber einem rotationsunsymmetrischen Strömungsprofil bei einer Reynoldszahl des Mediums im Messrohr (1) größer gleich 100.000, insbesondere größer gleich 50.000 und bevorzugt größer gleich 10.000 gegeben ist.Electromagnetic flowmeter according to one of the preceding claims, insensitivity to a rotationally asymmetrical flow profile with a Reynolds number of the medium in the measuring tube (1) 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. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Durchflussmessgerät drei Elektrodenpaare aufweist.Electromagnetic flow meter according to one of the Claims 1 to 5 , wherein the flow meter has three pairs of electrodes. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 6, wobei das dritte Elektrodenpaar (17) in einer senkrecht zur Messrohrachse liegenden dritten Querschnittsebene (39) angeordnet ist.Electromagnetic flowmeter according to Claim 6 , the third pair of electrodes (17) being arranged in a third cross-sectional plane (39) lying perpendicular to the measuring tube axis. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 7, wobei die zweite und die dritte Querschnittsebene (38, 39) einen gleichen Abstand zur ersten Querschnittsebene (37) aufweisen.Electromagnetic flowmeter according to Claim 7 wherein the second and the third cross-sectional plane (38, 39) are at the same distance from the first cross-sectional plane (37). Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 6, wobei das dritte Elektrodenpaar (17) in der ersten oder zweiten Querschnittsebene (37, 38) angeordnet ist.Electromagnetic flowmeter according to Claim 6 wherein the third pair of electrodes (17) is arranged in the first or second cross-sectional plane (37, 38). Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens zwei Elektroden, insbesondere alle auf jeweils einer Seite des Messrohres bezüglich der vertikalen Messrohr-Längsebene (12) befindlichen Elektroden kurzgeschlossen sind.Electromagnetic flowmeter according to one of the preceding claims, wherein at least two electrodes, in particular all electrodes located on one side of the measuring tube with respect to the vertical measuring tube longitudinal plane (12), are short-circuited. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem vorherigen Ansprüche, wobei für den Mittelpunktswinkel α gilt, dass 30° ≤ α ≤ 60° ist und insbesondere, dass 40° ≤ α ≤ 50° ist.Electromagnetic flowmeter according to one of the preceding claims, wherein for the central angle α it applies that 30 ° ≤ α 60 ° and in particular that 40 ° α 50 °. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei für den Mittelpunktswinkel β gilt, dass 50° ≤ β ≤ 90° ist und insbesondere, dass 70° ≤ β ≤ 80° ist.Electromagnetic flowmeter according to one of the preceding claims, where for the central angle β it applies that 50 ° β 90 ° and in particular that 70 ° β 80 °. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektroden achsensymmetrisch zur vertikalen Messrohr-Längsebene (12) angeordnet sind.Magnetic-inductive flow measuring device according to one of the preceding claims, wherein the electrodes are arranged axially symmetrically to the vertical longitudinal plane (12) of the measuring tube. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jeweils zwei auf einer Seite des Messrohres (1) und in der Orthogonalprojektion der Querschnittsebenen benachbarten Elektroden einen Mittelpunktswinkel δ = α/(N - 1) aufspannen, wobei eine natürliche Zahl N der Anzahl der Elektrodenpaare entspricht.Electromagnetic flowmeter according to one of the preceding claims, wherein two electrodes on one side of the measuring tube (1) and adjacent electrodes in the orthogonal projection of the cross-sectional planes span a central angle δ = α / (N - 1), with a natural number N being the number of Corresponds to electrode pairs.
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