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Die Erfindung betrifft einen Durchflusssensor, eine damit versehene Durchflussmessanordnung und ein Durchflussmessverfahren.
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Zum technologischen Hintergrund sowie zur Erläuterung der verwendeten Begriffe wird auf die folgenden Literaturstellen verwiesen:
- D1 „Wirbelstromprüfung“ - aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie, heruntergeladen am 5. September 2019;
- D2 „Wirbelstrom“ - aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie, heruntergeladen am 5. September 2019.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen Durchflusssensor, eine damit versehene Durchflussmessanordnung und ein Durchflussmessverfahren zu schaffen, die die Fließgeschwindigkeit eines Fluids durch eine Fluidleitung bestimmen und universell einsetzbar und leicht anwendbar sind. Dabei ist universell einsetzbar und leicht anwendbar in dem Sinne zu verstehen, dass die Fließgeschwindigkeit von Fluiden unterschiedlicher Beschaffenheit in Fluidleitungen unterschiedlicher Größe mit geringem Eingriff in das zu messende Fluid oder die Fluidleitung bestimmt werden kann.
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Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung einen Durchflusssensor nach Anspruch 1. Eine damit versehene Durchflussmessanordnung und ein Durchflussmessverfahren sind Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt einen Durchflusssensor zum Messen eines Durchflusses eines elektrisch leitfähigen Fluids durch eine Fluidleitung, umfassend:
- - eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Erregermagnetfelds mit einer Polarität, die sich mit einer Frequenz von wenigstens 1 kHz, vorzugsweise 5 kHz, mehr bevorzugt 10 kHz, periodisch ändert, wobei das Erregermagnetfeld dergestalt ist, dass sich durch seine Wechselwirkung mit dem Fluid ein effektives Magnetfeld ergibt, das an einem ersten Messort eine zur Fließgeschwindigkeit des Fluids in Fließrichtung direkt proportionale erste Magnetfeldamplitude aufweist oder das an einem ersten Messort eine erste Magnetfeldamplitude und an einem zweiten Messort eine zweite Magnetfeldamplitude aufweist, deren Differenz direkt proportional zur Fließgeschwindigkeit des Fluids in Fließrichtung ist,
- - eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen des effektiven Magnetfeldes an dem ersten Messort oder an dem ersten und zweiten Messort, und
- - eine Steuereinheit zum Ansteuern der Magnetfelderzeugungseinrichtung und zum Bestimmen der Fließgeschwindigkeit des Fluids durch die Fluidleitung auf Grundlage des Signals der Magnetfelderfassungseinrichtung.
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Bei einer Ausgestaltung weist der Durchflusssensor eine Magnetfelderzeugungseinrichtung auf, die ein Erregermagnetfeld erzeugt, das in ein in einer Fluidleitung mit einer Fließgeschwindigkeit fließendes Fluid eindringt.
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Durch das Erregermagnetfeld induzierte Wirbelströme in dem Fluid wird ein mit dem Erregermagnetfeld überlagertes effektives Magnetfeld erzeugt.
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Bei einer Ausgestaltung ist das Erregermagnetfeld dergestalt, dass das sich ergebende effektive Magnetfeld an einem ersten Messort eine zur Fließgeschwindigkeit in Fließrichtung direkt proportionale erste Magnetfeldamplitude aufweist.
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Vorzugsweise ist das Erregermagnetfeld bei dieser Ausgestaltung symmetrisch zu einer Ebene ausgebildet, welche senkrecht zur Fließrichtung des Fluids steht.
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Vorzugsweise weist das Erregermagnetfeld weiter eine zur Fließrichtung des Fluids parallele, verschwindende Magnetfeldkomponente in der Symmetrieebene auf. Aus einer Fließgeschwindigkeit ungleich Null ergibt sich dann eine zur Fließrichtung parallele effektive Magnetfeldkomponente an einem ersten Messort in der Symmetrieebene, welches ungleich Null ist und eine erste Magnetfeldamplitude aufweist.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung ist das Erregermagnetfeld dergestalt, dass das sich ergebene effektive Magnetfeld an einem ersten Messort eine erste Magnetfeldamplitude und an einem zweiten Messort eine zweite Magnetfeldamplitude aufweist.
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Vorzugsweise ist das Erregermagnetfeld symmetrisch zu einer Ebene ausgebildet, welche senkrecht zur Fließrichtung des Fluids steht, und der erste Messort und der zweite Messort liegen spiegelsymmetrisch zu dieser Ebene gegenüber.
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Eine Differenz der ersten und zweiten Magnetfeldamplitude ist dann vorzugsweise direkt proportional zur Fließgeschwindigkeit des Fluids in Fließrichtung ist.
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Der Durchflusssensor umfasst weiter eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen des effektiven Magnetfeldes.
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Außerdem umfasst der Durchflusssensor bei einer Ausgestaltung eine Steuereinheit zum Bestimmen der Fließgeschwindigkeit des Fluids durch die Fluidleitung auf Grundlage des Signals der Magnetfelderfassungseinrichtung.
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Es ist bevorzugt, dass die Steuereinheit ferner einen Signalgenerator aufweist, der mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung verbunden ist und dazu ausgebildet ist, ein Wechselstromsignal mit einer Frequenz größer oder gleich 10 kHz zum Erzeugen des Erregermagnetfelds zu generieren.
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Es ist bevorzugt, dass die Steuereinheit eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, anhand des sich periodisch verändernden Signals der Magnetfelderfassungseinrichtung eine Magnetfeldamplitude zu bestimmen.
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Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine erste Erregerspule zum Erzeugen des Erregermagnetfeldes aufweist, wobei die erste Erregerspule eine senkrecht zur Fließrichtung des Fluids gerichtete Hauptachse aufweist.
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Die Erregerspule kann eine Luftspule sein.
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Vorzugsweise weist die Erregerspule einen Spulenkern auf.
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Das durch die Erregerspule erzeugte Erregermagnetfeld ist symmetrisch um die Erregerspule ausgebildet.
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Die Erregerspule weist eine Hauptachse auf, die senkrecht zur Fließrichtung des Fluids gerichtet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung eine erste Messspule zum Erfassen des effektiven Magnetfeldes an dem ersten Messort und eine zweite Messspule zum Erfassen des effektiven Magnetfeldes an dem zweiten Messort aufweist, wobei die erste und die zweite Messspule in Fließrichtung des Fluids seitlich versetzt zueinander angeordnet sind und die erste Erregerspule zwischen der ersten und der zweiten Messspule mit gleichen Abstand zu der ersten wie zu der zweiten Messspule angeordnet ist, und wobei die erste und zweite Messspule parallel zur Hauptachse der Erregerspule gerichtete Hauptachsen aufweisen.
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Vorzugsweise wird das effektive Magnetfeld durch eine erste Messspule an einem ersten Messort und durch eine zweite Messspule an einem zweiten Messort erfasst.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die geometrische Anordnung der Erregerspule und der ersten und der zweiten Messspule zueinander wichtig.
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Demnach erweist sich eine Anordnung als besonders bevorzugt, bei der die Erregerspule in der Mitte zwischen der ersten Messspule und der zweiten Messspule angeordnet ist, wobei die Verbindungslinie der ersten Messspule, der Erregerspule und der zweiten Messspule parallel zur Fließrichtung des Fluids gerichtet ist, und wobei der Abstand der ersten Messspule zur Erregerspule gleich groß ist wie der Abstand der zweiten Messspule zu der Erregerspule.
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Da die erste Messspule und die zweite Messspule mit gleichem Abstand zu der Erregerspule angeordnet sind, kann eine durch das fließende Fluid erzeugte Asymmetrie des effektiven Magnetfelds differentiell erfasst werden.
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Es ist bevorzugt, dass der Durchflusssensor ein Sensormodul aufweist, das die erste Erregerspule und die Magnetfelderfassungseinrichtung aufweist und zum Platzieren von einer Seite an die Fluidleitung ausgebildet ist, sodass der Durchflusssensor nicht um die Fluidleitung herum oder an gegenüberliegenden Seiten der Fluidleitung gelegt werden muss.
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Dies hat den Vorteil, dass der Durchflusssensor zum Messen des Durchflusses durch Fluidleitungen unterschiedlicher Größe geeignet ist und einfach zu installieren ist, da Zugang zu der Fluidleitung lediglich zu einer Seite notwendig ist.
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Es ist bevorzugt, dass der Durchflusssensor ferner eine Signalstärkemesseinheit umfasst, die dazu ausgebildet ist, ein zur elektrischen Leitfähigkeit des Fluids proportionales und von der Fließgeschwindigkeit des Fluids unabhängiges Magnetfeld zu erfassen, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, auf Grundlage des Signals der Signalstärkemesseinheit Änderungen des Signals der Magnetfelderfassungseinrichtung, die auf Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids beruhen, zu kompensieren.
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Änderungen des Signals der Magnetfelderfassungseinrichtung können auf einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids oder einer Änderung der Fließgeschwindigkeit des Fluids in der Fluidleitung beruhen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist daher eine Signalstärkemesseinheit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, eine zur elektrischen Leitfähigkeit des Fluids proportionale, aber von der Fließgeschwindigkeit des Fluids unabhängige Größe zu bestimmen.
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Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, auf Grundlage der Signalstärkemesseinheit Änderungen des Signals der Magnetfelderfassungseinrichtung, welche auf Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids beruhen, zu kompensieren.
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Dadurch ist der Durchflusssensor für Fluide unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit einsetzbar.
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Es ist bevorzugt, dass die Signalstärkemesseinheit eine erste und zweite Signalstärkemessspule zum Erfassen des effektiven Magnetfeldes an einem ersten und zweiten Signalstärkemessort aufweist, wobei die ersten und die zweite Signalstärkemessspule senkrecht zur Fließrichtung des Fluids seitlich versetzt zueinander angeordnet sind und die erste Erregerspule zwischen der ersten und der zweiten Signalstärkemessspule mit gleichen Abstand zu der ersten wie zu der zweiten Signalstärkemessspule angeordnet ist.
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Zum Erfassen eines effektiven Magnetfeldes um die Erregerspule, welches zur elektrischen Leitfähigkeit des Fluids in der Fluidleitung proportional, aber von der Fließgeschwindigkeit des Fluids unabhängig ist, ist die Wahl der Messorte wichtig.
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Vorzugsweise weist die Signalstärkemesseinheit eine erste und eine zweite Signalstärkemessspule auf.
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Demnach erweist sich eine Anordnung als besonders bevorzugt, bei der die Erregerspule in der Mitte zwischen der ersten Signalstärkemessspule und der zweiten Signalstärkemessspule angeordnet ist, wobei die Verbindungslinie der ersten Signalstärkemessspule und der zweiten Signalstärkemessspule senkrecht zur Fließrichtung des Fluids gerichtet ist, und wobei der Abstand der ersten Signalstärkemessspule zur Erregerspule gleich groß ist wie der Abstand der zweiten Signalstärkemessspule zu der Erregerspule.
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Da die erste und zweite Signalstärkemessspule senkrecht zur Fließrichtung versetzt zueinander angeordnet sind und gleichen Abstand zur Erregerspule haben, ist das Signal der ersten und zweiten Signalstärkemessspule jeweils unempfindlich auf die Fließgeschwindigkeit des Fluids und lediglich abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids.
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Es ist bevorzugt, dass die erste und zweite Signalstärkemessspulen zum Bilden eines absoluten Signals mit gleicher Polarität zueinander in Serie geschaltet sind.
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Es ist bevorzugt, dass die Erregerspule sowie die erste und zweite Signalstärkemessspule parallel zueinander gerichtete Hauptachsen aufweisen.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung weist die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine erste Erregerspule und eine zweite Erregerspule und die Magnetfelderfassungseinrichtung eine erste Messspule zum Erfassen des effektiven Magnetfeldes an dem ersten Messort auf, wobei die erste und die zweite Erregerspule in Fließrichtung des Fluids seitlich versetzt zueinander angeordnet sind und parallel zueinander gerichtete Hauptachsen aufweisen, die jeweils senkrecht zur Fließrichtung des Fluids gerichtet sind.
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Es ist bevorzugt, dass die erste Messspule eine Hauptachse aufweist, die parallel zur Fließrichtung des Fluids gerichtet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die erste Messspule zwischen der ersten und zweiten Erregerspule und mit gleichem Abstand zu der ersten wie zu der zweiten Erregerspule angeordnet ist.
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Alternativ kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine erste und zweite Erregerspule und die Magnetfelderfassungseinrichtung eine erste und zweite Messspule aufweisen.
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Vorzugsweise sind die erste Messspule und zweite Messspule auf der Mittelsenkrechten der Verbindungslinie der ersten und zweiten Erregerspule gegenüber voneinander angeordnet sind.
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Bei letzterer Ausgestaltung weisen die erste und zweite Messspule bevorzugt parallel zueinander gerichtete Hauptachsen auf, die jeweils senkrecht zur Fließrichtung des Fluids und senkrecht zu den Hauptachsen der ersten und zweiten Erregerspule gerichtet sind.
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Werden eine erste und eine zweite Messspule verwendet, so ist besonders bevorzugt, dass die erste und die zweite Messspule in umgekehrter Polarität in Serie geschaltet sind, sodass sich das ergebende Signal direkt proportional zur Differenz der ersten Magnetfeldamplitude und der zweiten Magnetfeldamplitude ist.
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Alternativ können die erste und die zweite Messspule mit einem Subtraktor verbunden sein, der dazu ausgebildet ist, die Signale der ersten und der zweiten Messspule voneinander zu subtrahieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Durchflussmessanordnung, umfassend eine Fluidleitung, die dazu ausgebildet ist, ein Fluid in longitudinaler Richtung von einer Zuflussöffnung zu einer Abflussöffnung zu leiten, wobei die longitudinale Richtung der Fließrichtung entspricht, und einen Durchflusssensor, der an oder beabstandet neben und außerhalb der Wandung der Fluidleitung angeordnet ist, wobei die Wandung und der Durchflusssensor derart ausgebildet sind, dass das Erregermagnetfeld der Magnetfelderzeugungseinrichtung durch die Wandung in das innerhalb der Wandung enthaltene Fluid dringt und dass die Magnetfelderfassungseinrichtung das sich ausbildende effektives Magnetfeld erfassen kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Durchflussmessverfahren zum Messen eines Durchflusses eines Fluids durch eine Fluidleitung, umfassend: Erzeugen eines Erregermagnetfeldes in das in der Fluidleitung enthaltene Fluid; Messen des sich aufgrund von Wirbelstromeffekten ausbildenden effektiven Magnetfeldes an einem Messort A und einem Messort B, wobei der Messort A derart gewählt wird, dass das dort gemessene Magnetfeld proportional zur elektrischen Leitfähigkeit des Fluids und unabhängig von der Fließgeschwindigkeit des Fluids ist, und wobei der Messort B derart gewählt ist, dass das dort gemessene Magnetfeld proportional zur Fließgeschwindigkeit ist; und Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids auf Grundlage des an Messort A gemessenen Magnetfelds; und
Bestimmen der Fließgeschwindigkeit des Fluids durch die Fluidleitung auf Grundlage des an Messort B gemessenen Magnetfeldes unter Kompensation der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids.
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Es ist bevorzugt, dass das Durchflussmessverfahren weiter das Messen des effektiven Magnetfeldes an weiteren Messorten zum Ermöglichen einer differentiellen Bestimmung der Fließgeschwindigkeit des Fluids durch die Fluidleitung umfasst.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst außerdem eine Anordnung zum Messen eines Durchflusses eines elektrisch leitfähigen Fluids durch eine Fluidleitung, umfassend:
- - eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes;
- - eine erste Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen des Magnetfeldes, wobei die erste Magnetfelderfassungseinrichtung bezüglich der Magnetfelderzeugungserzeugungseinrichtung in Fließrichtung versetzt angeordnet ist; und
- - eine Steuereinheit, die mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der Magnetfelderfassungseinrichtung verbunden ist, wobei die Steuereinheit ausgebildet zum:
- Generieren eines Wechselstromsignals und Bereitstellen des Wechselstromsignals an die Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen des Magnetfeldes;
- Erfassen eines ersten elektrischen Signals, insbesondere eines Spannungssignals, welches durch das Magnetfeld in der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung induziert wird;
- Bestimmen einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch die Fluidleitung auf Grundlage des ersten elektrischen Signals, insbesondere auf Grundlage einer Amplitude, z.B. eines Spitzenwertes oder eines Spitze-Spitze-Wertes des Spannungssignals.
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Es ist bevorzugt, dass eine Hauptachse der Magnetfelderzeugungseinrichtung parallel zu einer Hauptachse der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung und senkrecht durch Fließrichtung des Fluids gerichtet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Anordnung weiter eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen des Magnetfeldes umfasst, wobei die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung bezüglich der ersten Magnetfelderzeugungseinrichtung in Fließrichtung des Fluids versetzt angeordnet ist, wobei die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung mit der Steuereinheit verbunden ist, wobei eine Hauptachse der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung parallel zu einer Hauptachse der ersten Magnetfelderzeugungseinrichtung gerichtet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung zwischen der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung und der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung angeordnet ist; wobei insbesondere ein Abstand zwischen der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung gleich einem Abstand zwischen der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Hauptachse der Magnetfelderzeugungseinrichtung, die Hauptachse der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung und die Hauptachse der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung in einer Reihe, welche parallel zur Fluidleitung ist, linear angeordnet sind.
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Es ist bevorzugt, dass die Steuereinheit ausgebildet ist zum:
- Erfassen eines zweiten elektrischen Signals, welches durch das Magnetfeld in der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung erzeugt wird;
- Bestimmen eines differentiellen Signals durch Subtraktion eines Spannungsamplitudenwertes des ersten elektrischen Signals von einem Spannungsamplitudenwert des zweiten elektrischen Signals; und Bestimmen einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids durch die Fluidleitung auf Grundlage des differentiellen Signals.
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Es ist bevorzugt, dass eine Hauptachse der Magnetfelderzeugungseinrichtung senkrecht zu einer Hauptachse der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung und senkrecht zur Fließrichtung des Fluids gerichtet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Hauptachse der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung parallel zur Fließrichtung des Fluids gerichtet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Anordnung weiter eine zweite Magnetfelderzeugungseinrichtung, die bezüglich der ersten Magnetfelderzeugungseinrichtung in Fließrichtung des Fluids seitlich versetzt angeordnet ist, wobei die zweite Magnetfelderzeugungseinrichtung mit der Steuereinheit verbunden ist, um ein Wechselstromsignal zu empfangen, um zusammen mit der ersten Magnetfelderzeugungseinrichtung ein primäres Magnetfeld zu erzeugen, wobei eine Hauptachse der zweiten Magnetfelderzeugungseinrichtung parallel zu einer Hauptachse der Magnetfelderzeugungseinrichtung ist.
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Es ist bevorzugt, dass die erste Magnetfelderfassungseinrichtung zwischen der ersten Magnetfelderzeugungseinrichtung und der zweiten Magnetfelderzeugungseinrichtung angeordnet ist und insbesondere ein Abstand zwischen der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung gleich einem Abstand zwischen der zweiten Magnetfelderzeugungseinrichtung der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Hauptachse der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung die Hauptachse der Magnetfelderzeugungseinrichtung und die Hauptachse der zweiten Magnetfelderzeugungseinrichtung schneidet.
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Es ist bevorzugt, dass die Hauptachse der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung parallel zur Fließrichtung des Fluids gerichtet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Anordnung weiter umfasst:
- - eine zweite Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes, wobei die zweite Magnetfelderzeugungseinrichtung bezüglich der ersten Magnetfelderzeugungseinrichtung in Fließrichtung des Fluids seitlich versetzt angeordnet ist;
- - eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung mit einer Hauptachse, wobei die Hauptachse der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung mit der Hauptachse der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung übereinstimmt, wobei die Hauptachse der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung senkrecht zur Verbindungslinie, welche die Hauptachse der Magnetfelderzeugungseinrichtung und die Hauptachse der zweiten Magnetfelderzeugungseinrichtung verbindet, steht, wobei insbesondere die Verbindungslinie den gleichen Abstand von der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung und der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung aufweist.
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Es ist bevorzugt, dass die Anordnung weiter ein Paar dritter und vierter Magnetfelderfassungseinrichtungen umfasst, die derart angeordnet sind, dass eine Verbindungslinie zwischen dem Paar Magnetfelderfassungseinrichtungen senkrecht zur Fließrichtung steht, wobei das Paar von Spulen mit der Steuereinheit verbunden ist und dazu ausgebildet ist, Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids zu bestimmen, indem Signaländerungen des elektrischen Signals der dritten und vierten Magnetfelderfassungseinrichtungen erfasst werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst weiter ein Durchflussmesssystem, umfassend eine Anordnung zum Messen eines Durchflusses eines elektrisch leitfähigen Fluids durch eine Fluidleitung und eine Fluidleitung, wobei die Fluidleitung dazu ausgebildet ist, ein Fluid in einer longitudinalen Richtung der Fluidleitung von einer Zuflussöffnung zu einer Abflussöffnung zu führen, wobei die longitudinale Richtung der Fließrichtung entspricht, wobei die Messanordnung an oder beabstandet von der Außenfläche der Fluidleitung angeordnet ist.
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Im Folgenden wird auf das physikalische Prinzip näher eingegangen.
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Wenn magnetische Wechselfelder auf eine leitende Oberfläche oder ein leitendes Material treffen, bilden sich Wirbelströme aus.
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Diese Wirbelströme haben einen Einfluss auf die Flusslinien, indem sie den Flusslinien entgegenwirken.
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Ein weiteres Phänomen des Magnetismus ist, dass das Durchdringen einer Substanz oder eines Materials, welche magnetische Eigenschaften besitzen, mit sich zeitlich verändernden magnetischen Flusslinien Zeit benötigt.
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Die Kombination dieser beiden Prinzipien ermöglicht das Design und die Herstellung eines kontaktlosen Durchflusssensors, der die Geschwindigkeit einer leitenden Flüssigkeit messen kann.
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Es ist hervorzuheben, dass zwischen dem vorliegend beschriebenem Durchflusssensor und der leitenden Flüssigkeit keine weitere Substanz angeordnet ist, welche magnetische Eigenschaften aufweist oder elektrisch leitfähig ist.
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Der vorliegend beschriebene Durchflusssensor kann außerhalb einer nichtleitenden Leitung, beispielsweise aus Plastik, Keramik oder Glas, angeordnet sein, wobei die leitende Flüssigkeit in der Leitung fließt.
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Gleichermaßen kann der Durchflusssensor direkt oberhalb der Flüssigkeit angeordnet sein, die unterhalb des Sensors fließt.
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Bei geeigneter Ausführung kann der Sensor auch innerhalb der Flüssigkeit angeordnet sein.
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Der vorliegend beschriebene Durchflusssensor beruht im Wesentlichen auf zwei physikalischen Modulen, nämlich dem Sensormodul und der Sensorelektronik.
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Beide Elemente sind durch eine Mehrzahl von Leitungen miteinander verbunden.
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Vorzugsweise sind das Sensormodul und die Sensorelektronik in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
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Alternativ können die Sensorelektronik und das Sensormodul beabstandet voneinander angeordnet sein, sodass die Sensorelektronik in einer Umgebung mit moderaten Betriebsbedingungen angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist der Durchflusssensor als berührungslos arbeitender Sensor ausgebildet, der mit magnetischen Wechselfeldern hoher Frequenz arbeitet.
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Im Gegensatz zu einem magnetisch-induktiven Durchflusssensor beruht der Durchflusssensor gemäß einer Ausgestaltung auf durch ein Erregermagnetfeld induzierte Wirbelströme in dem Fluid.
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Die induzierten Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein Magnetfeld, welches dem Erregermagnetfeld entgegenwirkt. Näheres zu diesem physikalischen Effekt ergibt sich aus der Literaturstellen D1 und D2 sowie in der vorliegenden Beschreibung.
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Der Durchflusssensor der vorliegenden Erfindung beruht auf der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids und kann daher auch für nicht ferromagnetische Fluide eingesetzt werden.
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Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- - die Erfindung schafft ein kontaktloses Messverfahren;
- - die Erfindung erfasst und bestimmt die Geschwindigkeit, mit der sich ein elektrisch leitfähiges Fluid bewegt;
- - die Erfindung kann die Fließrichtung und die Fließgeschwindigkeit aufgrund eines bipolaren Ausgangssignals bestimmen;
- - elektrisch leitfähige Flüssigkeiten können beispielsweise Quecksilber oder Wasser mit einem Salzgehalt sein;
- - es sind keine beweglichen Teile involviert;
- - die Erfindung ist verschleißlos und benötigt keine Instandhaltung;
- - das Sensormodul wird von einer Seite an das Testobjekt (Leitung) platziert, sodass der Durchflusssensor nicht um die Leitung gewickelt oder auf gegenüberliegenden Seiten montiert werden muss;
- - der Durchflusssensor ist leicht zu montieren, klein und es ist lediglich von einer Seite Zugang zu dem Testobjekt notwendig;
- - differentielle Messungen schaffen hohe Gleichtaktunterdrückung, wobei in differentiellem Modus der Durchflusssensor sehr unempfindlich gegenüber interferierenden Magnetfeldern ist;
- - es werden nur passive Komponenten, wie Induktivitäten, in dem Sensormodul verwendet, was ein robustes und zuverlässiges Design ermöglicht; optional können auch Festkörperfeldsensoren verwendet werden;
- - der Durchflusssensor kann auch in die elektrisch leitfähige Flüssigkeit getaucht werden, was den Anwendungsbereich des Sensors erweitert;
- - Die Sensitivität kann an durch Änderung der Betriebsfrequenz des Wechselstroms in der Magnetfelderzeugungseinrichtung; dies ermöglicht eine Anpassung an die elektrische Leitfähigkeit der zu vermessenden Flüssigkeit;
- - die Erfindung kann Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des zu vermessenden Fluids kompensieren.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 ein Erregermagnetfeld einer Induktivität in einer seitlichen Perspektive;
- 2 eine neben einer mit einem Fluid gefüllten Fluidleitung angeordnete Spule in einer seitlichen Perspektive;
- 3 die Anordnung von 2, wobei das Fluid von links nach rechts fließt;
- 4 eine erste Ausführungsform eines Durchflusssensors in einer seitlichen Perspektive;
- 5 eine Durchflussmessanordnung mit dem Durchflusssensor von 4 in einer Draufsicht;
- 6a und 6b zwei alternative Ausgestaltungen von Spulen des Durchflusssensors von 4;
- 7 schematisches Schaltbild des Durchflusssensors von 4 mit der Fluidleitung;
- 8 ein alternatives, schematisches Schaltbild des Durchflusssensors von 4 mit der Fluidleitung;
- 9 eine Durchflussmessanordnung mit einer zweiten Ausführungsform des Durchflusssensors in einer Draufsicht;
- 10 ein schematisches Schaltbild des Durchflusssensors von 9 mit der Fluidleitung;
- 11 eine dritte Ausführungsform des Durchflusssensors in einer seitlichen Perspektive;
- 12 Magnetfeldvektoren bei dem Durchflusssensor von 11, wobei das Fluid nicht fließt;
- 13 eine Durchflussmessanordnung mit dem Durchflusssensor von 11 in einer Draufsicht;
- 14 Magnetfeldvektoren bei dem Durchflusssensor von 11, wobei das Fluid fließt;
- 15 eine inkorrekte Messanordnung des Durchflusssensors von 11 in einer seitlichen Perspektive;
- 16 eine unvorteilhafte Ausgestaltung des Durchflusssensors von 11;
- 17 eine vierte Ausführungsform des Durchflusssensors in einer Draufsicht;
- 18 ein schematisches Schaltbild des Durchflusssensors von 17 mit der Fluidleitung;
- 19 ein alternatives, schematisches Schaltbild des Durchflusssensors von 17 mit der Fluidleitung.
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Zunächst wird auf den physikalischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung eingegangen. Für weitere Erläuterungen sei auf die Eingangs zitierten Literaturstellen verwiesen.
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1 zeigt eine Induktivität 12 in einer seitlichen Perspektive.
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Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Induktivität 12 eine Spule 14.
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Die Spule 14 weist eine Hauptachse 16 auf.
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Sobald ein Gleich- oder Wechselstrom durch die Spule 14 fließt, bildet sich aufgrund eines durch die Spule 14 fließenden Stromes ein Erregermagnetfeld 10 aus.
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Das Erregermagnetfeld 10 ist symmetrisch rundum die Spule 14 verteilt.
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Da die vorliegend beschriebene Erfindung auf Wirbelströmen beruht, wird nun näher auf die Wirkung eines durch die Spule 14 fließenden Wechselstroms mit einer bestimmten Frequenz auf seine Umgebung eingegangen.
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2 zeigt die Spule 14 neben einer Fluidleitung 18 angeordnet.
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Die Fluidleitung 18 ist mit einem Fluid 20 gefüllt.
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Vorzugsweise ist das Fluid 20 elektrisch leitfähig.
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In dem in 2 gezeigten Beispiel weist das Fluid 20 eine Fließgeschwindigkeit gleich Null auf, d.h. das Fluid 20 fließt nicht.
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Die Frequenz des Wechselstroms durch die Spule 18 wird durch mehrere Faktoren bestimmt, u.a. den Grad der elektrischen Leitfähigkeit des zu vermessenden Fluids 20, den zu vermessenden Bereich einer Fließgeschwindigkeit des Fluids 20, die physikalische Ausmessungen eines im Folgenden beschriebenen Durchflusssensors 22 oder den Abstand bzw. Luftspalt zwischen dem Durchflusssensor 22 und dem Fluid 20.
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Die Frequenz des Wechselstroms kann zwischen 1 kHz bis über 100 kHz liegen.
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Vorzugsweise ist die Frequenz des Wechselstroms wenigstens 10 kHz.
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Bei hoher elektrischer Leitfähigkeit des Fluids 20, wie bei beispielsweise Quecksilber, kann die Frequenz des Wechselstroms niedrig sein, bei geringer elektrischer Leitfähigkeit des Fluids 20, wie bei beispielsweise salzhaltigem Wasser, muss die Frequenz erhöht werden.
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Die effektive Permeabilität in der Umgebung der Spule 14 wird von der elektrischen Leitfähigkeit des Materials bestimmt, welches die Flusslinien durchdringen.
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In einem Bereich 24, in dem die magnetischen Wechselfelder durch das Fluid 20 dringen, treten kleine Wirbelströme auf.
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Dies führt zu einer Verringerung der effektiven Permeabilität.
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Eine Konsequenz davon ist, dass die Intensität der effektiven Flusslinien bzw. die effektive magnetische Feldstärke durch das elektrisch leitfähige Fluid 20 verringert ist.
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3 zeigt die Anordnung von 2, wobei nun das Fluid 20 in der Fluidleitung 18 eine Fließgeschwindigkeit ungleich Null aufweist und von links nach rechts fließt.
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Wie aus der Darstellung ersichtlich ist der Bereich 24, in dem Wirbelströme auftreten, in Fließrichtung versetzt.
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Dies beruht darauf, dass die Ausbildung von Wirbelströmen ein Prozess ist, der eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt und nicht instantan geschieht, sodass ein Fluss des leitfähigen Fluids 20 den Bereich 24 verzerrt oder verschiebt.
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Je größer die Fließgeschwindigkeit des Fluids 20 sowie je höher der Grad der Leitfähigkeit, desto größer ist die Verzerrung des Bereichs 24 in Fließrichtung.
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Diese Verzerrung des Bereichs 24, in dem sich Wirbelströme ausbilden, hat Auswirkungen auf die effektive Permeabilität in dem Bereich, in dem die magnetischen Wechselfelder eindringen.
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Aus 4 geht eine erste Ausführungsform eines Durchflusssensors 22 hervor, wobei die Darstellung schematisch wesentliche Elemente des Durchflusssensors 22 aus einer seitlichen Perspektive zeigt.
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Bei einer Ausgestaltung weist der Durchflusssensor 22 eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 auf.
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Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 kann beispielsweise eine Erregerspule 28 sein.
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Weiter umfasst der Durchflusssensor 22 eine Magnetfelderfassungseinrichtung 30 auf.
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Bei der in 4 gezeigten ersten Ausführungsform des Durchflusssensors 22 weist die Magnetfelderfassungseinrichtung 30 eine erste Messspule 32 und eine zweite Messspule 34 auf.
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Die erste und zweite Messspule 32, 34 sind jeweils zum Erfassen eines Magnetfelds ausgebildet.
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Die Erregerspule 28 erzeugt ein Erregermagnetfeld 10, das zu einer Symmetrieebene 36 symmetrisch ist.
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Die erste Messspule 32, die Erregerspule 34 und die zweite Messspule 34 sind seitlich versetzt zueinander angeordnet, wobei die Erregerspule 34 zwischen der ersten Messspule 32 und der zweiten Messspule 34 angeordnet sind.
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Die erste Messspule 32, die Erregerspule 28 und die zweite Messspule 34 weisen jeweils eine Hauptachse 38, 40, 42 auf.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht sind die Hauptachsen 38, 40, 42 der Spulen 32, 28, 34 parallel zueinander gerichtet sind.
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5 zeigt eine Durchflussmessanordnung 90 mit der ersten Ausführungsform des Durchflusssensors 22 in einer Draufsicht, wobei die Darstellung die Fluidleitung 18 mit dem von links nach rechts fließendem Fluid 20 zeigt.
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Wie aus 5 hervorgeht ist der Durchflusssensor bezüglich der Fluidleitung 18 so angeordnet, dass die Hauptachse 38, 40 42 der ersten Messspule 32, der Erregerspule 28 und der zweiten Messspule 34 jeweils senkrecht zur Fließrichtung des Fluids 20 in der Fluidleitung 18 gerichtet.
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Bereiche, in denen die Änderung der effektiven Permeabilität aufgrund des Durchflusses am einfachsten gemessen werden kann, befinden sich nahe dem Umfeld der Erregerspule 34 und nahe dem Testobjekt, hier der Fluidleitung 18.
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Die Spulen 28, 32, 34 liegen auf einer Linie parallel zur Fließrichtung, wobei der Abstand der Erregerspule 28 zur ersten Messspule 32 gleich dem Abstand der Erregerspule 28 zur zweiten Messspule 34 ist.
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Durch die Wechselwirkung des Erregermagnetfeldes 10 der Erregerspule 28 mit dem in der Fluidleitung 18 enthaltenem Fluid 20 bildet sich ein effektives Magnetfeld 44 aus. Die erste Messspule 32 erfasst das effektive Magnetfeld 44 an einem ersten Messort 33, die zweite Messspule 34 erfasst das effektive Magnetfeld 44 an einem zweiten Messort 35.
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Vorzugsweise weist der Durchflusssensor 22 ein Sensormodul 94 auf, das die Erregerspule 28 und die erste und zweite Messspule 32, 34 aufweist und von einer Seite an die Fluidleitung platziert werden kann.
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Dadurch muss der Durchflusssensor 22 nicht um die Fluidleitung 18 herum oder an gegenüberliegenden Seiten der Fluidleitung 18 gelegt werden muss.
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Dies hat den Vorteil, dass der Durchflusssensor 22 zum Messen des Durchflusses durch Fluidleitungen unterschiedlicher Größe geeignet ist und einfach zu installieren ist, da Zugang zu der Fluidleitung 18 lediglich zu einer Seite notwendig ist.
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6a und 6b zeigen zwei alternative Ausgestaltungen der Spulen 28, 32, 34.
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Die Spulen 28, 32, 34 können als Luftspulen oder als Spulen mit einem Kern ausgebildet sein.
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Die Punktmarkierungen 50 stellen die Polarität der Spulen dar, auf die später eingegangen wird.
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7 stellt ein schematisches Schaltbild der ersten Ausführungsform des Durchflusssensor 22 dar, wobei auch die Fluidleitung 18 gezeigt ist.
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Der Durchflusssensor 22 weist die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 als Erregerspule 28 ausgebildet, die Magnetfelderfassungseinrichtung 30 als erste Messspule 32 und zweite Messspule 34 ausgebildet auf.
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Weiter weist der Durchflusssensor 22 eine Steuereinheit 52 auf.
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Die Steuereinheit 52 weist eine Auswerteeinheit 54 und einen Signalgenerator 56 auf.
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Die Steuereinheit 56 kann weiter eine Mehrzahl von Puffer 58 und Verstärker 60 zur Signalverarbeitung aufweisen.
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Die Erregerspule 28 ist mit dem Signalgenerator 56 verbunden.
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Der Signalgenerator 56 ist dazu ausgebildet, ein hochfrequentes Wechselstromsignal mit einer Frequenz von wenigstens 1 kHz zu erzeugen.
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Der Signalgenerator 56 speist die Erregerspule 28 mit dem Wechselstrom derart, dass die Erregerspule ein zeitlich alternierendes Erregermagnetfeld 10 erzeugt.
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Um ungewollte Harmonische zu erzeugen und um gegenseitige Beeinflussung innerhalb und außerhalb der Sensorelektronik zu vermeiden, erzeugt der Signalgenerator 56 vorzugsweise ein alternierendes, sinusförmigen Signal einer bestimmten Frequenz.
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Andere Formen des Signals, wie beispielsweise ein rechteckförmiges Signal, sind möglich, könnten aber zu einer geringeren Systemperformance führen.
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Die erste Messspule 32 und die zweite Messspule 34 sind mit Auswerteeinheit 54 verbunden.
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Die erste Messspule 32 ist zum Erfassen des effektiven Magnetfeldes 44 an dem ersten Messort 33, die zweite Messspule 34 zum Erfassen des effektiven Magnetfeldes 44 an dem zweiten Messort 35 ausgebildet.
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Die Auswerteeinheit 54 ist zum Bestimmen einer ersten Magnetfeldamplitude 46 und der zweiten Magnetfeldamplitude 48 ausgebildet.
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Die erste und zweite Magnetfeldamplitude 46, 48 sind die Amplitude des an dem ersten und zweiten Messort 33, 35 erfassten, zeitlich variierenden, effektiven Magnetfeldes 44.
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Die Auswerteeinheit 54 kann weiter einen Subtraktor 62 aufweisen.
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Der Subtraktor 62 ist vorzugsweise zur Bestimmung der Differenz der ersten Magnetfeldamplitude 46 und der zweiten Magnetfeldamplitude 48 ausgebildet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind Auswerteeinheit 54 und Signalgenerator 56 gemeinsam auf einem Mikrokontroller 64 ausgebildet, wie in 8 ersichtlich.
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Bevorzugt weist der Mikrokontroller 64 einen Analog-Digital-Wandler 66 zur Signalverarbeitung auf.
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9 zeigt eine Draufsicht auf die Durchflussmessanordnung 90 mit einer zweiten Ausführungsform des Durchflusssensors 22.
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Zusätzlich zu der ersten Messspule 32, der Erregerspule 28 und der zweiten Messspule 34 weist der Durchflusssensor 22 eine Signalstärkemesseinheit 68 auf.
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Vorzugsweise weist die Signalstärkemesseinheit 68 eine erste Signalstärkemessspule 70 und eine zweite Signalstärkemessspule 72 auf.
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Die erste Signalstärkemessspule 70 ist zum Erfassen des effektiven Magnetfeldes 44 an einem ersten Signalstärkemessort 74, die zweite Signalstärkemessspule 72 zum Erfassen des effektiven Magnetfeldes 44 an einem zweiten Signalstärkemessort 76 ausgebildet.
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Die erste Signalstärkemessspule 70, die Erregerspule 28 und die zweite Signalstärkemessspule 72 sind seitlich versetzt zueinander angeordnet, wobei die Erregerspule 28 zwischen der ersten Signalstärkemessspule 70 und der zweiten Signalstärkemessspule 72 angeordnet ist.
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Die Spulen 70, 28, 72 liegen auf einer Linie senkrecht zur Fließrichtung, wobei der Abstand der Erregerspule 28 zur ersten Signalstärkemessspule 72 gleich dem Abstand der Erregerspule 28 zur zweiten Signalstärkemessspule 74 ist.
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Die erste und zweite Signalstärkemessspule 70, 72 weisen jeweils eine Hauptachse 78, 80 auf.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht sind die Hauptachsen 38, 40, 42, 78, 80 der Spulen 32, 28, 34, 70, 72 parallel zueinander gerichtet und jeweils senkrecht zur Fließrichtung des Fluids in der Fluidleitung 18 gerichtet.
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Diese zweite Ausführungsform des Durchflusssensors 22 ist zur automatischen Anpassung an Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids 20 ausgebildet.
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Falls sich die Leitfähigkeit des Fluids 20 ändert, kann der Durchflusssensor 22 eine Signalstärkemesseinheit 68 aufweisen.
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Vorzugsweise sind der erste Signalstärkemessort 74 und der zweite Signalstärkemessort 76 derart gewählt, dass das dort gemessenen effektive Magnetfeld 44 unabhängig von der Fließgeschwindigkeit des Fluids 20 in der Fluidleitung 18 ist.
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10 stellt ein schematisches Schaltbild der zweiten Ausführungsform des Durchflusssensors 22 dar, wobei auch die Fluidleitung 18 gezeigt ist.
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Zusätzlich zu dem in 7 dargestellten Schaltbild weist der Durchflusssensor 22 nun die Signalstärkemesseinheit 68 als erste Signalstärkemessspule 70 und zweite Signalstärkemessspule 72 ausgebildet auf.
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Die Signalstärkemesseinheit 68 ist mit der Auswerteeinheit 54 der Steuereinheit 52 verbunden.
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Wie aus den Punktmarkierungen 50 in der 10 ersichtlich sind die Signalstärkemessspulen 70, 72 mit gleicher Polarität zueinander in Serie geschaltet, sodass sich die Signale der ersten und zweiten Signalstärkemessspulen 70, 72 positiv überlagern und ein absolutes Signal 82 bilden.
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Zusätzlich zu 7 ist die Auswerteeinheit 54 weiter zum Bestimmen der Amplitude des absoluten Signals 82 ausgebildet.
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Wie aus 10 ersichtlich weist die Auswerteeinheit 54 bei der zweiten Ausführungsform keinen Subtraktor 62 auf.
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Wie weiter aus den Punktmarkierungen 50 ersichtlich, sind die erste Messspule 32 und die zweite Messspule 34 in umgekehrter Polarität in Serie geschaltet, sodass sich das ergebende Differenzsignal 90 direkt proportional zu der Differenz des effektiven Magnetfeldes 44 an dem ersten und zweiten Messort 33, 35 ist.
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Die Auswerteeinheit 54 bestimmt die Amplitude des Differenzsignals 90.
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Verändert sich die Amplitude des Differenzsignals 90, so kann diese Änderung sowohl auf einer Änderung der Fließgeschwindigkeit und als auch auf einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit beruhen.
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Die Signalstärkemesseinheit 68 ist dazu ausgebildet, diese beiden Effekte voneinander zu differenzieren. Das gemessene effektive Magnetfeld 44 an den Signalstärkemessorten 74, 76 ist unabhängig von der Fließgeschwindigkeit des Fluids 20.
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Je höher die elektrische Leitfähigkeit des Fluids 20, desto geringer sind die Amplituden des effektiven Magnetfeldes 44 an den Signalstärkemessorten 74, 76.
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Die erste und die zweite Signalstärkemessspule 70, 72 sind nicht oder stark verringert empfindlich gegenüber dem Durchfluss des elektrisch leitfähigen Fluids 20. Die Amplitude des absoluten Signal 82 ist ein Maß für den Einfluss von Wirbelströmen innerhalb des Fluids 20. Ändert sich die elektrische Leitfähigkeit des Fluids 20, so ändert sich auch der Wert der absoluten Wirbelstromänderungen.
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Die Auswerteeinheit 54 ist dazu ausgebildet, die Amplitude des absoluten Signal 82 zu nutzen, um Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit in dem zu überwachenden Fluid 20 zu kompensieren.
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11 zeigt eine dritte Ausführungsform des Durchflusssensors 22 in einer seitlichen Perspektive.
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Bei dieser Ausführungsform weist die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 eine erste Erregerspule 28 und eine zweite Erregerspule 84 auf.
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Weiter weist die Magnetfelderfassungseinrichtung eine erste Messspule 32 auf.
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Das durch die erste und zweite Erregerspule 28, 84 erzeugte Erregermagnetfeld 10 ist zu einer Symmetrieebene 88 symmetrisch.
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Die erste Erregerspule 28, die erste Messspule 32 und die zweite Erregerspule 84 sind seitlich versetzt zueinander angeordnet, wobei die erste Messspule 32 zwischen der ersten Erregerspule 28 und der zweiten Erregerspule 84 angeordnet ist.
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Die erste Erregerspule 28, die erste Messspule 32 und die zweite Erregerspule 84 weisen jeweils eine Hauptachse 40, 38, 86 auf.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht sind die Hauptachsen 40, 86 der ersten und zweiten Erregerspule 28, 84 parallel zueinander gerichtet.
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Die Hauptachse 38 der ersten Messspule 32 ist dagegen senkrecht zu den Hauptachsen 40, 86 der ersten und zweiten Erregerspule 28, 84.
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Die Erregerspulen 28, 84 erzeugen ein zur Symmetrieebene 88 symmetrisches Erregermagnetfeld 10, dessen Pole mit der gleichen magnetischen Polarität der Fluidleitung 18 gegenüberstehen.
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Wie aus 12 hervorgeht, bedeutet dies, dass ein horizontaler Magnetfeldvektor des Erregermagnetfelds 10 genau in der Mitte zwischen der ersten und der zweiten Erregerspule 28, 84, d.h. in der Symmetrieebene 88, verschwindet, d.h. gleich Null ist.
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13 zeigt die Durchflussmessanordnung 90 mit der dritten Ausführungsform des Durchflusssensors 22 in der Draufsicht.
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Die Hauptachsen 40, 86 der Erregerspulen 28, 84 sind jeweils senkrecht zur Fließrichtung des Fluids 20 in der Fluidleitung 18 gerichtet.
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Die Hauptachse 38 der ersten Messspule 32 ist parallel zur Fließrichtung des Fluids 20 gerichtet.
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Die erste Messspule 32 ist nun zwischen der ersten und der zweiten Erregerspule 28, 84 angeordnet - siehe hierzu 13 - sodass sich der erste Messort 33 genau auf der Symmetrieebene 88 des Erregermagnetfeldes 10 befindet.
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Dies bedeutet, dass die Magnetfeldkomponente des Erregermagnetfeldes 10, welche parallel zur Fließrichtung der Fluidleitung 18 gerichtet ist, verschwindet.
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Fließt nun das Fluid 20 in der Fluidleitung 18 von links nach rechts, so weist das effektive Magnetfeld 44 an dem ersten Messort 33 eine horizontale Magnetfeldkomponente auf, wie dies aus 14 ersichtlich ist. Das effektive Magnetfeld 44 wird asymmetrisch und die erste Messspule 32 kann diesen horizontal gerichteten Magnetfeldvektor, der mit zunehmender Fließgeschwindigkeit zunimmt, erfassen.
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Wichtig bei dieser dritten Ausführungsform ist die Anordnung des Durchflusssensors 22 bezüglich der Fluidleitung 18.
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Dies geht aus 15 hervor, die einen inkorrekt angeordneten Durchflusssensor 22 zeigt. Der Durchflusssensor 22 schließt gegenüber der Fluidleitung 18 einen Winkel α ein, der ungleich Null ist, und ist entweder in axialer, tangentialer oder in beiden Richtungen falsch angeordnet.
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Eine weitere unvorteilhafte Ausgestaltung der dritten Ausführungsform des Durchflusssensors 22 ergibt sich, wenn die erste Messspule 32 auf der Symmetrieebene 88 genau in dem geometrischen Schwerpunkt der ersten und zweiten Erregerspulen 28, 84 angeordnet ist, siehe hierzu 16. In diesem Fall ergibt sich trotz einer Fließgeschwindigkeit des Fluids 20 in der Fluidleitung 18 keine horizontale Magnetfeldkomponente.
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Vorzugsweise ist die erste Messspule 32 daher von dem geometrischen Schwerpunkt der ersten und zweiten Erregerspulen 28, 84 in der Symmetrieebene 88 des Erregermagnetfeldes 10 beabstandet und möglichst nah an der Fluidleitung 18 angeordnet.
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Eine vierte Ausführungsform des Durchflusssensors 22 zeigen die 17 bis 19.
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Diese Ausführungsform stellt eine Erweiterung der dritten Ausführungsform dar und weist neben einer ersten und zweiten Erregerspule 28, 84 auch eine erste und zweite Messspule 32, 34 auf.
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Die erste und zweite Messspule 32, 34 sind nun auf der Mittelsenkrechten der Verbindungslinie der ersten und zweiten Erregerspule 28, 84 und auf der Symmetrieebene 88 angeordnet.
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Die Verwendung von wenigstens zwei Messspulen ermöglicht wieder eine differentielle Signalverarbeitung, was das Signal-Rausch-Verhältnis des Durchflusssensors 22 wesentlich verbessert und die Empfindlichkeit gegenüber falscher Anordnung des Durchflusssensors 22 bezüglich der Fluidleitung 18 verringert.
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18 und 19 zeigen zwei mögliche Schaltbilder dieser vierten Ausführungsform mit der Fluidleitung 18.
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Die erste und die zweite Erregerspule 28, 84 sind mit gleicher Polarität in Serie geschaltet und mit dem Signalgenerator 56 der Steuereinheit 52 verbunden.
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In 18 sind die erste und zweite Messspule 32, 34 separat mit der Auswerteeinheit 54 der Steuereinheit 52 verbunden.
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Die Auswerteeinheit 54 ist zum Bestimmen der ersten und zweiten Magnetfeldamplituden 46, 48 ausgebildet.
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Der Subtraktor 62 subtrahiert die erste und zweite Magnetfeldamplitude 46, 48 voneinander.
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In 19 sind die erste und zweite Messspule 32, 34 mit umgekehrter Polarität in Serie geschaltet, sodass der Subtraktor 62 nicht zwingend notwendig ist und die Auswerteeinheit 54 die Amplitude des Differenzsignals 92 bestimmen kann.
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Es ist weiterhin möglich, dass die Messspulen 32, 34 auch durch magnetische Festkörpersensoren ersetzt werden können. Die zu erfassenden Signale sind allerdings sehr klein, sodass Induktivitäten eine bessere Leistung schaffen und gleichzeitig als Bandpassfilter agieren, was die gemessene Signalleistung wesentlich verbessert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Erregermagnetfeld
- 12
- Induktivität
- 14
- Spule
- 16
- Hauptachse
- 18
- Fluidleitung
- 20
- Fluid
- 22
- Durchflusssensor
- 24
- Bereich mit Wirbelströmen
- 26
- Magnetfelderzeugungseinrichtung
- 28
- erste Erregerspule
- 30
- Magnetfelderfassungseinrichtung
- 32
- erste Messspule
- 33
- erster Messort
- 34
- zweite Messspule
- 35
- zweiter Messort
- 36
- Symmetrieebene
- 38
- Hauptachse der ersten Messspule
- 40
- Hauptachse der ersten Erregerspule
- 42
- Hauptachse der zweiten Messspule
- 44
- effektives Magnetfeld
- 46
- erste Magnetfeldamplitude
- 48
- zweite Magnetfeldamplitude
- 50
- Punktmarkierungen für Polarität
- 52
- Steuereinheit
- 54
- Auswerteeinheit
- 56
- Signalgenerator
- 58
- Puffer
- 60
- Verstärker
- 62
- Subtraktor
- 64
- Mikrokontroller
- 66
- Analog-Digital-Wandler
- 68
- Signalstärkemesseinheit
- 70
- erste Signalstärkemessspule
- 72
- zweite Signalstärkemessspule
- 74
- erster Signalstärkemessort
- 76
- zweiter Signalstärkemessort
- 78
- Hauptachse der ersten Signalstärkemessspule
- 80
- Hauptachse der zweiten Signalstärkemessspule
- 82
- absolutes Signal
- 84
- zweite Erregerspule
- 86
- Hauptachse der zweiten Erregerspule
- 88
- Symmetrieebene
- 90
- Durchflussmessanordnung
- 92
- Differenzsignal
- 94
- Sensormodul
