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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe eines fließfähigen Mediums.
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Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen werden zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit und des Volumendurchflusses eines fließenden Mediums in einer Rohrleitung eingesetzt. Dabei werden inline magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte von magnetisch-induktiven Durchflussmesssonden unterschieden, die in der Regel in eine seitliche Öffnung einer Rohrleitung eingesetzt werden. Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät weist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes auf, das ein Magnetfeld senkrecht zur Flussrichtung des fließenden Mediums erzeugt. Dafür werden üblicherweise einzelne 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 Querachse bzw. parallel zur Vertikalachse des Messrohres verlaufen. Zudem weist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ein Messrohr auf, auf das die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes angeordnet ist. Ein an die Mantelfläche des Messrohres angebrachtes mediumsberührendes Messelektrodenpaar greift eine senkrecht zur Flussrichtung und zum Magnetfeld anliegende elektrische Messspannung bzw. Potentialdifferenz ab, die entsteht, wenn ein leitfähiges Medium bei angelegtem Magnetfeld in Flussrichtung fließt. Da die abgegriffene Messspannung laut Faraday'schem Induktionsgesetz von der Geschwindigkeit des fließenden Mediums abhängt, kann aus der induzierten Messspannung die Durchflussgeschwindigkeit und - mit Hinzunahme eines bekannten Rohrquerschnitts - der Volumendurchfluss ermittelt werden.
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Im Gegensatz zu einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät, welches ein Messrohr zum Führen des Mediums mit angebrachter Vorrichtung zum Erzeugen eines das Messrohr durchdringenden Magnetfeldes und Messelektroden umfasst, werden magnetisch-induktive Durchflussmesssonden mit ihrem üblicherweise kreiszylindrischen Gehäuse in eine seitliche Öffnung einer Rohrleitung eingeführt und fluiddicht fixiert. Ein spezielles Messrohr ist nicht mehr notwendig. Die eingangs erwähnte Messelektrodenanordnung und Spulenanordnung auf der Mantelfläche des Messrohrs entfällt, und wird durch ein im Inneren des Gehäuses und in unmittelbarer Nähe zu den Messelektroden angeordnete Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes ersetzt, welche so ausgestaltet ist, dass eine Symmetrieachse der Magnetfeldlinien des erzeugten Magnetfeldes die Frontfläche bzw. die Fläche zwischen den Messelektroden senkrecht schneidet. Im Stand der Technik gibt es bereits eine Vielzahl an unterschiedlichen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonden.
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Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen finden vielfach Anwendung in der Prozess- und Automatisierungstechnik für Fluide ab einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 5 µS/cm. Entsprechende Durchflussmessvorrichtungen werden von der Anmelderin in unterschiedlichsten Ausführungsformen für verschiedene Anwendungsbereiche beispielsweise unter der Bezeichnung PROMAG oder MAGPHANT vertrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine alternative Vorrichtung zum Bestimmen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe eines fließfähigen Mediums bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung nach Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe eines fließ- und leitfähigen Mediums in einem Führungskörper zum Führen des Mediums, insbesondere in einem Messrohr oder einer Rohrleitung umfasst:
- - eine magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines bewegliche Ladungsträger im Medium trennenden ersten Magnetfeldes;
- - eine magnetfeldsensitive Messanordnung, welche dazu eingerichtet ist, ein Messsignal, insbesondere ein Fluoreszenzsignal bereitzustellen, welches mit einer Änderung und/oder einer Stärke eines durch die beweglichen Ladungsträger erzeugten zweiten Magnetfeldes korreliert,
- wobei die magnetfeldsensitive Messanordnung mindestens eine magnetfeldsensitive Messvorrichtung umfasst,
- wobei die mindestens eine magnetfeldsensitive Messvorrichtung ein optisch anregbares Material umfasst,
- wobei die magnetfeldsensitive Messanordnung eine optische Anregungseinheit zur optischen Anregung der magnetfeldsensitiven Messvorrichtung insbesondere des optisch anregbaren Materials und eine optische Detektionseinheit zur Detektion des Messsignales, insbesondere des Fluoreszenzsignales aufweist;
- - eine Auswerteeinheit welche dazu eingerichtet ist, die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe des Mediums zumindest anhand des von der magnetfeldsensitiven Anordnung bereitgestellten Messsignales, insbesondere des Fluoressenzsignales und einer Leitfähigkeit des Mediums zu ermitteln.
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Die Leitfähigkeit des durchströmenden Mediums kann durch einen ebenfalls am Messrohr oder der Rohrleitung angeordneten Leitfähigkeitssensor ermittelt und zur Verfügung gestellt werden. Alternativ kann - bspw. bei Anwendungen mit bekanntem und unveränderlichen Medium - eine Leitfähigkeit bedienerseitig festgelegt werden.
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Die magnetfeldsensitive Messvorrichtung übernimmt die Funktion der Messelektroden, die in herkömmlichen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten entweder an der Außenfläche des Führungskörpers - bspw. eines Trägerrohres - angeordnet sind oder sich durch Öffnungen im Führungskörper in das Trägerrohrinnere erstrecken und somit mediumsberührend sind. Die Messelektroden in Verbindung mit einer Messschaltung sind dazu eingerichtet, eine induzierte Messspannung im Medium zu messen, die proportional zur Fließgeschwindigkeit des Mediums ist. Vorteilhaft gegenüber der zweiten Variante ist, dass zum einen keine Öffnungen - und somit potenzielle Leckagestellen - in dem Führungskörper notwendig sind und zum anderen der Verschleiß erheblich verringert wird. Der Führungskörper kann aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sein oder eine an der inneren Mantelfläche angebrachte elektrische Isolierung, einen sogenannten Liner aufweisen.
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Die Auswerteeinheit umfasst zumindest eine elektronische Schaltung, die derart ausgebildet und dazu eingerichtet ist, die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe des Mediums zumindest anhand des von der magnetfeldsensitiven Anordnung bereitgestellten Messsignales, insbesondere des Fluoreszenzsignales, welches mit einer Änderung und/oder einer Stärke eines durch die beweglichen Ladungsträger erzeugten zweiten Magnetfeldes korreliert und einer Leitfähigkeit des Mediums zu ermitteln. Dafür kann die elektronische Schaltung elektronische Bauelemente, wie passive Bauelemente, Energiequellen, aktive Bauelemente, integrierte Schaltkreise und/oder eingebettete Rechnersysteme aufweisen.
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Anhand einer vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung erfolgte Leerrohr-Kalibration kann das durch die magnetfelderzeugende Vorrichtung erzeugte erste Magnetfeld an der Position der magnetfeldsensitiven Messanordnung ermittelt und charakterisiert werden. Dieses ist somit bekannt. Bei Vorliegen eines fließenden Mediums durch den Führungskörper erfahren die bewegten Ladungsträger durch das erzeugte erste Magnetfeld eine Kraft, senkrecht zum ersten Magnetfeld und zur Fließrichtung. Dies führt zu einer Auftrennung der Ladungsträger in zwei separate Pfade. Diese Pfade erzeugen wiederum jeweils ein zweites Magnetfeld, welches von der Strömungsgeschwindigkeit und der Leitfähigkeit des Mediums abhängt. Das tatsächlich an der magnetfeldsensitiven Messanordnung, insbesondere an der jeweiligen magnetfeldsensitiven Messvorrichtung vorliegende Magnetfeld setzt sich somit aus dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld zusammen. Wenn die Leitfähigkeit des Mediums und das mittels der magnetfelderzeugenden Vorrichtung erzeugte erste Magnetfeld bekannt sind, lässt sich der Beitrag des zweiten Magnetfeldes und somit auch die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Größe des Mediums bestimmen.
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Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetfeldsensitive Messvorrichtung einen Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum oder eine Gaszelle umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Kristallkörper einen Diamanten mit zumindest einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, ein Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder ein hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Gaszelle zumindest eine ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle umfasst.
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Die Vorrichtung umfasst eine Anregungseinheit zur optischen Anregung der Untereinheit, d.h. des optisch anregbaren Materials bzw. des Kristallkörpers oder der Gaszelle und eine Detektionseinheit zur Detektion eines Fluoreszenzsignals des Kristallkörpers oder der Gaszelle auf, welches mit dem auf die magnetfeldsensitive Messvorrichtung, insbesondere das optisch anregbare Material wirkenden Magnetfeld korreliert. Optional können Filter und Spiegel sowie weitere optische Elemente eingesetzt werden, um ein Anregungslicht zum Kristallkörper oder zur Gaszelle und/oder das Fluoreszenzsignal hin zur Detektionseinheit zu lenken. Der Kristallkörper kann optional mit einem insbesondere frequenzabhängigen Mikrowellensignal beaufschlagt sein, welches durch eine Mikrowellen-Einheit erzeugt wird, die Teil der magnetfeldsensitiven Messeinheit bzw. die in der magnetfeldsensitiven Messeinheit integriert oder als eine separate Einheit ausgebildet sein kann.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetfelderzeugende Vorrichtung mindestens einen Permanentmagneten, insbesondere zwei bevorzugt diametral angeordnete Permanentmagnete umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Magnetfeld der magnetfelderzeugenden Vorrichtung eine Hauptachse Y aufweist,
wobei der Führungskörper eine Längsachse Z aufweist,
wobei eine Querachse X senkrecht zur Längsachse Z und Hauptachse Y verläuft,
wobei die Querachse X und ein die magnetfeldsensitive Messvorrichtung schneidende Referenzachse A zusammen einen Mittelpunktswinkel α aufspannen,
wobei der Mittelpunktswinkel α zwischen 20° und 80°, insbesondere zwischen 30° und 60° und bevorzugt zwischen 40° und 50° liegt.
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Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist, dass sich somit besonders gut kleinste durch die Ladungsträger im fließenden Medium hervorgerufene Magnetfeldänderungen des absoluten an der Messposition vorliegenden Magnetfeldes detektieren lassen.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetfeldsensitive Messanordnung mindestens zwei magnetfeldsensitive Messvorrichtungen aufweist,
wobei die zwei magnetfeldsensitiven Messvorrichtungen symmetrisch zur Hauptachse Y positioniert sind.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetfeldsensitive Messanordnung mindestens zwei magnetfeldsensitive Messvorrichtungen aufweist,
wobei die zwei magnetfeldsensitiven Messvorrichtungen asymmetrisch zur Hauptachse Y positioniert sind.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetfelderzeugende Vorrichtung und/oder die magnetfeldsensitive Messanordnung mechanisch trennbar an einer äußeren Mantelfläche des Führungskörpers anbringbar ist.
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Da die magnetfeldsensitive Messvorrichtung nicht notwendigerweise mediumsberührend sein muss, ergibt sich die Möglichkeit zur Realisierung einer Clamp-On Vorrichtung, die an bestehende Rohrleitungen anbringbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die Vorrichtungen an die Messstellen montiert oder Vorrichtungen ausgewechselt werden können, ohne dass bestehende Prozesse unterbrochen werden müssen. Eine mechanische trennbare Verbindung der Vorrichtung am Führungskörper schließt eine stoffschlüssige Verbindung einzelner Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die magnetfelderzeugende Vorrichtung und/oder die magnetfeldsensitive Messanordnung über eine lösbare Klemmverbindung mit dem Führungskörper verbunden.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung eine Befestigungsvorrichtung aufweist, mit der die magnetfelderzeugende Vorrichtung und/oder die magnetfeldsensitive Messanordnung lösbar an der äußeren Mantelfläche befestigbar ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung ein Gehäuse aufweist,
wobei das Gehäuse dazu eingerichtet ist, in eine Öffnung des Führungskörpers mediumsberührend angeordnet zu werden,
wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung, insbesondere der mindestens eine Permanentmagnet und die magnetfeldsensitive Messanordnung im Gehäuse angeordnet sind.
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Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der vorherigen Ausgestaltung dadurch, dass zumindest Teile der Vorrichtung, insbesondere das Gehäuse - in welchem die magnetfelderzeugende Vorrichtung und die magnetfeldsensitive Messanordnung untergebracht ist - mediumsberührend ausgebildet sind. In diesem Fall ist ein Gehäuse vorgesehen, in welcher die magnetfelderzeugende Vorrichtung und die magnetfeldsensitive Messanordnung untergebracht ist. Das Gehäuse schützt diese vor dem zu führenden Medium. Diese Ausgestaltung ähnelt der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde, siehe
EP 0 892 251 A1 . Derartige Vorrichtungen lassen sich einfach in eine bestehende Rohrleitungen mit einer Öffnung in der Mantelfläche integrieren.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse einen Frontabschnitt aufweist, den eine Hauptachse Y des Magnetfeldes schneidet,
wobei die magnetfeldsensitive Messanordnung zwischen der magnetfelderzeugenden Vorrichtung und dem Frontabschnitt angeordnet ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum im Diamant;
- 2: ein vereinfachtes Funktionsschema des Messprinzips anhand einem leeren Messrohr (rechts) und einem durchflossenen Messrohr (links);
- 3: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 4: eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 5: eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche als anklemmbare Variante ausgebildet ist; und
- 6: eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche als einsteckbare Variante ausgebildet ist.
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In 1 ist ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum in einem Diamanten gezeigt, um die Anregung und die Fluoreszenz einer Fehlstelle in einem Kristallkörper beispielhaft zu erläutern. Die folgenden Überlegungen lassen sich auf andere Kristallkörper mit entsprechenden Fehlstellen übertragen.
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Im Diamant ist typischerweise jedes Kohlenstoffatom mit vier weiteren Kohlenstoffatomen kovalent verbunden. Ein nitrogen vacancy-Zentrum (NV-Zentrum) besteht aus einer Fehlstelle im Diamantgitter, also einem unbesetzten Gitterplatz, und einem Stickstoffatom als einem der vier Nachbaratome. Insbesondere die negativ geladenen NV--Zentren sind für die Anregung und Auswertung von Fluoreszenzsignalen von Bedeutung. Im Energieschema eines negativ geladenen NV-Zentrums findet sich neben einem Triplett-Grundzustand 3A ein angeregter Triplett-Zustand 3E, welche jeweils drei magnetische Unterzustände ms=0, ±1 aufweisen. Weiterhin befinden sich zwei metastabile Singulett-Zustände 1A und 1E zwischen dem Grundzustand 3A und dem angeregten Zustand 3E.
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Durch Anregungslicht 201 aus dem grünen Bereich des sichtbaren Spektrums, also z.B. ein Anregungslicht 201 mit einer Wellenlänge von 532 nm, findet eine Anregung eines Elektrons aus dem Grundzustand 3A in einen Vibrationszustand des angeregten Zustand 3E statt, welches unter Aussenden eines Fluoreszenz-Photons 202 mit einer Wellenlänge von 630 nm in den Grundzustand 3A zurückkehrt. Ein angelegtes Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke B führt zu einer Aufspaltung (Zeeman-Splitting) der magnetischen Unterzustände, so dass der Grundzustand aus drei energetisch separierten Unterzuständen besteht, von denen jeweils eine Anregung erfolgen kann. Die Intensität des Fluoreszenzsignals ist jedoch abhängig von dem jeweiligen magnetischen Unterzustand, von dem aus angeregt wurde, so dass anhand des Abstands der Fluoreszenzminima beispielsweise die Magnetfeldstärke B mithilfe der Zeeman-Formel berechnet werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind weitere Möglichkeiten der Auswertung des Fluoreszenzsignals vorgesehen, wie beispielsweise die Auswertung der Intensität des Fluoreszenzlichts, welche dem angelegten Magnetfeld ebenfalls proportional ist. Eine elektrische Auswertung wiederum kann beispielsweise über eine Photocurrent Detection of Magnetic Resonance (engl. kurz PDMR) erfolgen. Neben diesen Beispielen zur Auswertung des Fluoreszenzsignals sind noch weitere Möglichkeiten vorhanden, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.
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Die Anregung von Gaszellen ist nicht explizit gezeigt, jedoch führt auch bei Gaszellen die Anregung mit Licht einer definierten Wellenlänge zu einer Anregung eines Elektrons, wobei im Anschluss eine Aussendung eines Fluoreszenzlichts folgt. Beispielsweise wird die Intensität und/oder die Wellenlänge des ausgesandten Fluoreszenzlicht zur Bestimmung des Magnetfelds herangezogen.
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Die 2 zeigt ein vereinfachtes Funktionsschema des Messprinzips anhand einer leeren Vorrichtung (rechts) und einer durchflossenen Vorrichtung (links). Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe eines fließfähigen Mediums in einem Führungskörper 1 zum Führen des Mediums, insbesondere in einem Messrohr oder einer Rohrleitung umfasst eine magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 zum Erzeugen eines bewegliche Ladungsträger im Medium trennenden ersten Magnetfeldes und eine magnetfeldsensitive Messanordnung, welche dazu eingerichtet ist, ein Messsignal, insbesondere ein Fluoreszenzsignal bereitzustellen, welches mit einer Änderung und/oder einer Stärke eines durch die beweglichen Ladungsträger erzeugten zweiten Magnetfeldes korreliert. Dabei umfasst die magnetfeldsensitive Messanordnung mindestens eine magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 mit einem optisch anregbaren Material. Weiterhin umfasst die magnetfeldsensitive Messanordnung 3 eine optische Anregungseinheit 4 zur optischen Anregung der magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3, insbesondere des optisch anregbaren Materials und eine optische Detektionseinheit 5 zur Detektion des Messsignales, insbesondere des Fluoreszenzsignales. Die magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 umfasst einen Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum oder eine Gaszelle. Umfasst die magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 einen Kristallkörper, so umfasst dieser einen Diamanten mit zumindest einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, ein Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder ein hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum. Umfasst die magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 eine Gaszelle, so umfasst diese eine ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle. Eine ebenfalls zur Vorrichtung zählende Auswerteeinheit 6 ist dazu eingerichtet, die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe des Mediums zumindest anhand des von der magnetfeldsensitiven Anordnung bereitgestellten Messsignales und einer Leitfähigkeit des Mediums zu ermitteln. Gemäß der abgebildete Ausgestaltung weist die magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 zwei bevorzugt diametral angeordnete Permanentmagnete 8.1, 8.2 auf. Alternativ kann die magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 auch eine oder zwei diametral angeordnete Spulen aufweisen, die ein zeitlich veränderliches oder ein konstantes Magnetfeld erzeugen. Das erzeugte erste Magnetfeld der magnetfelderzeugenden Vorrichtung 2 weist eine Hauptachse Y auf. Der Führungskörper 1 weist eine Längsachse Z auf. Senkrecht zur Längsachse Z und Hauptachse Y verläuft die Querachse X, welche zusammen mit einer die magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 schneidenden Referenzachse A einen Mittelpunktswinkel α aufspannen. Der Mittelpunktswinkel α liegt zwischen 20° und 80°, insbesondere zwischen 30° und 60° und bevorzugt zwischen 40° und 50°. An dieser Position lassen sich bereits kleinste, durch die aufgetrennten Ladungsträger hervorgerufene Magnetfeldänderungen detektieren. Die abgebildete Ausgestaltung weist genau zwei magnetfeldsensitive Messvorrichtungen 3.1, 3.2 auf, welche beide symmetrisch zur Hauptachse Y positioniert sind. Die zwei magnetfeldsensitiven Messvorrichtungen 3.1, 3.2 sind dazu eingerichtet, dass an ihrer Montageposition vorliegende Magnetfeld zu ermitteln. Dieses setzt sich aus dem ersten Magnetfeld und dem strömungsgeschwindigkeitsabhängigen zweiten Magnetfeld zusammen. Ist das erste Magnetfeld - bspw. aus einer Leerrohr Kalibration - bekannt, so lässt sich das zweite Magnetfeld und somit auch mittels der dazu ausgebildeten und eingerichteten Auswerteeinheit die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Größe, insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit, den Volumendurchfluss und/oder - bei bekannter Massendichte - den Massedurchfluss bestimmen.
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Die 3 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich von der Ausgestaltung der 2 im Wesentlichen durch die Position der magnetfeldsensitiven Messvorrichtungen 3.1, 3.2 unterscheidet. Die zwei magnetfeldsensitiven Messvorrichtungen 3.1, 3.2 sind diametral an der Außenwandung der Trägerrohres derart angeordnet, dass sie durch die Querachse X geschnitten werden. An dieser Stelle ist die Überlagerung des ersten Magnetfeldes und des zweiten Magnetfeldes, insbesondere der Beitrag des zweiten Magnetfeldes auf das an der Messposition vorliegende Magnetfeld besonders groß. Durch die symmetrische Anordnung, insbesondere die spiegelsymmetrische Anordnung der magnetfeldsensitiven Messvorrichtungen 3.1, 3.2 gegenüber der Hauptachse Y, kann bei Vorliegen eines achsensymmetrischen ersten Magnetfeldes und einem achsensymmetrischen Strömungsprofil ein Abgleich der beiden Messergebnisse erfolgen, aus dem z.B. das Passieren eines magnetischen oder eines die Leitfähigkeit des Mediums lokal störendes Fremdkörpers ableitbar ist.
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Die 4 zeigt ebenfalls eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich von den Ausgestaltungen der 2 und 3 im Wesentlichen durch die Positionierung an der Außenwandung des Führungskörpers unterscheidet. Die zwei magnetfeldsensitiven Messvorrichtungen 3.1, 3.2 sind asymmetrisch zur Hauptachse Y positioniert. Dabei spannt die Querachse X und die durch ist die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.1 verlaufende Referenzachse einen Mittelpunktswinkel α auf, der zwischen 20° und 80°, insbesondere zwischen 30° und 60° und bevorzugt zwischen 40° und 50° liegt. Die zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3.2 liegt auf der Querachse X. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass für die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe zum einen der absolut Beitrag des zweiten Magnetfeldes auf das an der Messposition ermittelten Magnetfeldes und gleichzeitig auch die durch das zweite Magnetfeld hervorgerufene Magnetfeldänderung bereitsteht.
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Die 5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche als Clamp-On Variante ausgebildet ist. Dafür sind die magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 und/oder die magnetfeldsensitive Messanordnung, insbesondere das die magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 und/oder die magnetfeldsensitive Messanordnung umschließende Gehäuse 12 mechanisch trennbar an einer äußeren Mantelfläche des Führungskörpers 1 anbringbar. Eine Befestigungsvorrichtung 9 ist dazu eingerichtet, mit der die magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 und/oder die magnetfeldsensitive Messanordnung lösbar an der äußeren Mantelfläche des Feldführungskörpers insbesondere form- und/oder kraftschlüssig zu befestigen. Die Auswerteeinheit kann im Gehäuse 12 oder im Messumformer 10 angeordnet sein.
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Die 6 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche als einsteckbare Variante ausgebildet ist. Die Vorrichtung zum Bestimmen der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe des fließfähigen Mediums in dem Führungskörper umfasst eine magnetfelderzeugende Vorrichtung 105 zum Erzeugen eines bewegliche Ladungsträger im Medium trennenden ersten Magnetfeldes. Dafür weist die magnetfelderzeugende Vorrichtung 105 eine Spulenanordnung 106 - in dem Fall eine Spule 113 -, einen Spulenkern 111 und einen Feldrückführungskörper 114 auf. Das Gehäuse 102 ist mit einem im Endabschnitt 103 angeordneten Frontkörper 115 mediumsdicht verschlossen. Somit lässt es sich in eine Öffnung des Führungskörpers, insbesondere einer Rohrleitung mediumsberührend anordnen.
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Eine magnetfeldsensitive Messanordnung mit genau einer magnetfeldsensitive Messvorrichtung 104, welche dazu eingerichtet ist, ein Messsignal, insbesondere ein Fluoreszenzsignal bereitzustellen, welches mit einer Änderung und/oder einer Stärke eines durch die beweglichen Ladungsträger erzeugten zweiten Magnetfeldes korreliert, ist zwischen Frontkörper 115 bzw. Frontabschnitt 103 und Spulenkern 111 angeordnet. Die magnetfeldsensitive Messvorrichtung umfasst ein optisch anregbares Material, welches über eine optische Anregungseinheit optisch anregbar ist und eine optische Detektionseinheit zum Detektieren eines vom optisch anregbaren Material ausgesendeten Fluoreszenzsignales. Eine Auswerteeinheit 107 ist dazu eingerichtet, die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe des Mediums zumindest anhand des von der magnetfeldsensitiven Anordnung bereitgestellten Messsignales und einer Leitfähigkeit des Mediums zu ermitteln. Die Auswerteeinheit kann in dem Gehäuse 102 angeordnet sein oder in einem externen Messaufnehmer.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Führungskörper
- 2
- magnetfelderzeugende Vorrichtung
- 3
- magnetfeldsensitive Messvorrichtung
- 3.1
- erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung
- 3.2
- zweite magnetfeldsensitive Messvorrichtung
- 4
- optische Anregungseinheit
- 5
- optische Detektionseinheit
- 6
- Auswerteeinheit
- 7
- Gehäuse
- 8
- Permanentmagnet
- 8.1
- erste Permanentmagnet
- 8.2
- zweite Permanentmagnet
- 9
- Befestigungsvorrichtung
- 10
- Messumformer
- 101
- magnetisch-induktive Durchflussmesssonde
- 102
- Gehäuse
- 103
- Endabschnitt
- 104
- magnetfeldsensitive Messanordnung
- 105
- magnetfelderzeugende Vorrichtung
- 106
- Spulenanordnung
- 107
- Auswerteeinheit
- 109
- erste Magnetfeld
- 111
- Spulenkern
- 113
- Spule
- 114
- Feldrückführungskörper
- 115
- Frontkörper
- 118
- Strömungsrichtung des Mediums
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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