DE102021131698A1

DE102021131698A1 - Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102021131698A1
Application number: DE102021131698.7A
Authority: DE
Inventors: Florent Tschambser; Tulio Paiva Galvao; Jean-Marc Baysang; Beat Grüter
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2023-06-01
Also published as: WO2023099277A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums, umfassend:- eine Vorrichtung (5) zum Erzeugen eines Magnetfeldes und eine Vorrichtung (8) zum Abgreifen einer im fließfähigen Medium induzierten Messspannung;- eine Betriebsschaltung (7, 107), welche dazu eingerichtet ist ein erstes Betriebssignal (11.1) an die erste Spule (6.1) und separat ein zweites Betriebssignal (11.2) an die zweite Spule (6.2) aufzubringen, wobei das erste Betriebssignal (11.1) und das zweite Betriebssignal (11.2) jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-)Spannungsverlauf (12) aufweisen, welcher in Zeitintervalle (t) eingeteilt ist, wobei die Zeitintervalle (t) jeweils ein erstes Zeitteilintervall (thold) aufweisen, in welchem eine über das erste Zeitteilintervall (thold) erste (Spulen-)Spannung (Uhold) an die Spulen (6.1, 6.2) angelegt ist, wobei Spulenströme unterschiedlicher Messintervalle des ersten Betriebssignales (11.1) veränderliche Größen sind; und- eine Reglerschaltung (10, 120), wobei die Reglerschaltung (10, 120) dazu eingerichtet ist, zumindest die erste (Spulen-)Spannung (Uhold) des ersten Betriebssignales (11.1) so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung, insbesondere ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät und/oder eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde.
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 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 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.
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.
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.
Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren zum Regeln des an die Spulenanordnung aufgeprägten Betriebssignales. Diese haben in der Regel das Ziel, ein Magnetfeld mit einer, über eine gesamte Messphase möglichst konstanten magnetischen Induktion zu erzeugen. So wird beispielsweise in der WO 2014/001026 A1 eine Steuerung gelehrt, bei der ein an die Spulenanordnung aufgebrachtes Betriebssignal derart geregelt wird, dass ein durch die Spulenanordnung fließender (Spulen-)Strom in einer festgelegten Messphase einen (Spulen-)Stromsollwert erreicht und beibehält. Der durch die Spulenanordnung fließende (Spulen-)Strom erzeugt ein Magnetfeld mit einer vom (Spulen-)Strom abhängigen magnetischen Induktion.
DE 10 2015 116 771 B4 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum Einstellen einer konstanten Magnetfeldstärke eines Magnetfelds bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät, dabei wird ein konstanter Sollstrom einem Stromregler vorgegeben.
Dabei wird grundlegend angenommen, dass durch Einrichten eines fixen (Spulen-)Stromsollwertes auch die magnetische Induktion des erzeugten Magnetfeldes einen Sollwert reproduzierbar annimmt. Vorteilhaft an einer derartigen Regelung ist, dass die Regelung ohne das Messen der magnetischen Induktion auskommt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich - bedingt durch Temperaturänderungen und magnetische Störfelder - die magnetische Induktion nicht alleine durch das Regeln auf einen fixen (Spulen-)Stromsollwert reproduzieren lässt. Das hat zur Folge, dass der für die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße angenommene Wert für die magnetische Induktion von der aktuell vorliegenden magnetischen Induktion im Messrohr abweicht. Abhängig von der Störgröße kann dies bei der Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße zu Abweichungen von bis zu 20% führen.
EP3211384A2 offenbart ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, das mindestens zwei Spulenpaare aufweist, die am Umfang des Messrohres angeordnet sind. Dabei weisen die Spulenpaare jeweils zwei in Reihe geschaltete Spulen auf, die in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Weiterhin werden eine Vielzahl an Szenarien offenbart wie die Spulenpaare separat bestromt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung mit einem robusteren Magnetfeld bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums, umfassend:

- eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes, umfassend zumindest eine erste Spule und eine zweite Spule;
- eine Vorrichtung zum Abgreifen einer im fließfähigen Medium induzierten Messspannung, insbesondere umfassend mindestens zwei bevorzugt diametral angeordnete Messelektroden;
- eine Betriebsschaltung, welche dazu eingerichtet ist ein erstes Betriebssignal an die erste Spule und separat ein zweites Betriebssignal an die zweite Spule aufzubringen,
- wobei das erste Betriebssignal und das zweite Betriebssignal jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-)Spannungsverlauf aufweisen, welcher in Zeitintervalle eingeteilt ist,
- wobei die Zeitintervalle jeweils ein erstes Zeitteilintervall aufweisen, in welchem eine über das insbesondere gesamte erste Zeitteilintervall bevorzugt konstante erste (Spulen-)Spannung an die Spulen angelegt ist,
- wobei die Zeitintervalle des ersten Betriebssignales jeweils mindestens ein Messintervall aufweisen, in dem ein (Spulen-)Strom durch die erste Spule fließt,
- wobei Spulenströme unterschiedlicher Messintervalle des ersten Betriebssignales veränderliche Größen sind; und
- eine Reglerschaltung,
- wobei die Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, zumindest die erste (Spulen-)Spannung des ersten Betriebssignales so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist.

Das separate Betreiben der beiden Spulen hat den Vorteil, dass somit auf eine Alterung einer einzelnen Spule reagiert werden kann und gleichzeitig das zu erzeugende Magentfeld an das jeweilige vorliegende Strömungsprofil im Medium anpassbar ist. Weiterhin lassen sich die Betriebssignale individuell anpassen um somit auf externe Störmagnete zu reagieren.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Betriebssignal und das zweite Betriebssignal derart synchronisiert sind, dass die jeweiligen Zeitintervalle der beiden Betriebssignale gleichzeitig beginnen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Zeitintervalle des ersten Betriebssignales jeweils ein zweites Zeitteilintervall aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall eine insbesondere konstante zweite (Spulen-)Spannung an die erste Spule angelegt ist,
wobei die zweite (Spulen-)Spannung größer als die erste (Spulen-)Spannung ist,
wobei die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und die erste (Spulen-)Spannung jeweils eine veränderliche und regelbare Größe sind,
wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung abhängigen Funktion abhängt.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen mit einer derartigen Reglerschaltung weisen eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber externer Störfelder auf. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Reglerschaltung im Einsatz in, über einen elektrochemischen Speicher versorgte magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen. Diese werden in der Regel mit einem deutlich geringeren Strom bzw. einer deutlich geringeren (Spulen-)Spannung betrieben, als herkömmliche über ein Stromnetz versorgte magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen. Das führt dazu, dass die feldführenden Bauteile im Einsatz nicht in eine magnetische Sättigung übergehen. Dadurch weisen sie zusätzlich zu einer besonders erhöhten Empfindlichkeit gegenüber externer Störfelder auch eine verlängerte Einschwingzeit bei der Inbetriebnahme auf, wobei die Einschwingzeit die Dauer beschreibt, die nach dem Einschalten der Durchflussmessvorrichtung abgewartet werden muss, bis die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes aufgewärmt ist und in der sich die magnetische Induktion stetig in Richtung Sollwert einpendelt. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen mit der erfindungsgemäßen Reglerschaltung weisen zudem einen deutlich geringeren Temperaturkoeffizienten des Magnetfeldes auf, wobei der Temperaturkoeffizient die Abweichung des Magnetfeldes pro Temperaturänderung beschreibt.
Der werkseitig oder bei der Inbetriebnahme ermittelte und bereitgestellte Regelsollwert kann in einem Justierverfahren oder durch eine Computersimulation bestimmt werden. Der Regelsollwert umfasst weiterhin eine Größe, die mit dem magnetischen Fluss proportional ist. D.h. dass der Sollwert die Einheit einer des magnetischen Flusses umfasst. Der magnetische Fluss einer Spulenanordnung hängt zum Einen von der Selbstinduktion L der Spule und einem quadratischen Beitrag des aktuell durch die Spuleanordnung fließenden (Spulen-)Stromes ab, und zum Anderen von dem magnetischen Fluss, der durch im metallischen Trägerroh und dem Gehäuse auftretende Wirbelströme erzeugt wird. Wird eine externer Magnet an die magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung angebracht bzw. angenähert, so trägt auch dieser zum magnetischen Fluss im Messrohr bei.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Zeitintervalle des ersten Betriebssignales und des zweiten Betriebssignales jeweils ein zweites Zeitteilintervall aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall eine, insbesondere konstante, zweite (Spulen-)Spannung an die erste Spule angelegt ist,
wobei die zweite (Spulen-)Spannung größer als die erste (Spulen-)Spannung ist,
wobei die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und die erste (Spulen-)Spannung jeweils eine veränderliche und regelbare Größe sind,
wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung abhängigen Funktion abhängt,
wobei die Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, ebenfalls die erste (Spulen-)Spannung des zweiten Betriebssignales so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist,
wobei Spulenströme unterschiedlicher Messintervalle des zweiten Betriebssignales veränderliche Größen sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Dauer des ersten Zeitteilintervalles des ersten Betriebssignales und die Dauer des ersten Zeitteilintervalles des zweiten Betriebssignales in den jeweiligen Zeitintervallen gleich sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Summe aus der Dauer des ersten Zeitteilintervalles und der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles des ersten Betriebssignales und eine Summe aus der Dauer des ersten Zeitteilintervalles und der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles des zweiten Betriebssignales in den jeweiligen Zeitintervallen gleich sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass sich die erste (Spulen-)Spannung des ersten Betriebssignales von der ersten (Spulen-)Spannung des zweiten Betriebssignales unterscheidet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass sich die zweite (Spulen-)Spannung des ersten Betriebssignales von der zweiten (Spulen-)Spannung des zweiten Betriebssignales unterscheidet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass sich der Regelsollwert des ersten Betriebssignales von dem Regelsollwert des zweiten Betriebssignales zumindest zeitweise unterscheidet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, die erste (Spulen-)Spannung des ersten Betriebssignales und die erste (Spulen-)Spannung des zweiten Betriebssignales so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist,
wobei der Regelsollwert von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles des ersten Betriebssignales und eine von der ersten (Spulen-)Spannung des ersten Betriebssignales abhängigen Funktion abhängt,
wobei der Regelsollwert ebenfalls von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles des zweiten Betriebssignales und eine von der ersten (Spulen-)Spannung des zweiten Betriebssignales abhängigen Funktion abhängt.
Somit werden die entsprechenden Stellgrößen aller Betriebssignale so geregelt, dass einer für die gesamte Spulenanordnung gültige Regelfunktion nicht vom Regelsollwert abweicht.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, die erste (Spulen-)Spannung des zweiten Betriebssignales so zu regeln, dass eine Abweichung des (Spulen-)Stromes während des Messintervalles von einem insbesondere werkseitig vorgegebenen (Spulen-)Stromsollwert minimal ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die beiden Betriebssignale unterschiedliche Regelgrößen und/oder Stellgrößen aufweisen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, für eine Dauer eines Diagnoseintervalles das erste Betriebssignal an die zweite Spule anzulegen,
wobei eine Diagnoseschaltung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des während des Messintervalles des ersten Betriebssignales fließenden Stromes einen korrigierten (Spulen-)Stromsollwert zu ermitteln, der den vorgegebenen Spulensollwert ersetzt.
Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist, dass somit eine Rekalibration des (Spulen-)Stromsollwert über das erste Betriebssignal und die zweite Spule ermöglicht wird. Der korrigierte (Spulen-)Stromsollwert oder die Abweichung des korrigierten (Spulen-)Stromsollwertes von dem werkseitig vorgegebenen (Spulen-)Stromsollwert kann zu diagnosezwecken verwendet werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes zusätzlich N weitere Spulen aufweist,
wobei N >_ 1 gilt,
wobei die Betriebsschaltung ebenfalls dazu eingerichtet ist, die N weiteren Spulen jeweils mit einem Betriebssignal zu betreiben,
wobei die Betriebssignale zum Betreiben der N weiteren Spulen jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-)Spannungsverläufe aufweisen, welcher in Zeitintervalle eingeteilt ist,
wobei die Zeitintervalle jeweils ein erstes Zeitteilintervall aufweisen, in welchem eine über das insbesondere gesamte erste Zeitteilintervall bevorzugt konstante erste (Spulen-)Spannung an die N weiteren Spulen angelegt ist,
wobei die Zeitintervalle der Betriebssignale jeweils ein zweites Zeitteilintervall aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall eine insbesondere konstante zweite (Spulen-)Spannung an die N weiteren Spule angelegt ist,
wobei die zweite (Spulen-)Spannung größer als die erste (Spulen-)Spannung ist,
wobei die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und die erste (Spulen-)Spannung jeweils eine veränderliche und regelbare Größe sind,
wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung abhängigen Funktion abhängt,
wobei die Reglerschaltung ebenfalls dazu eingerichtet ist, die erste (Spulen-)Spannung der N Betriebssignale so zu regeln, dass eine Abweichung einer insbesondere jeweiligen Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist.
Je mehr Spulen vorliegen, desto genauer kann man ein erwünschtes Magnetfeld auflösen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Regelfunktion von mindestens drei und bevorzugt N + 2 Produkten der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung abhängigen Funktion der jeweiligen Betriebssignale abhängt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Betriebssignal Ruheintervalle aufweist, in denen im Wesentlichen keine (Spulen-)Spannung an die erste Spule angelegt ist,
wobei während der Ruheintervalle eine (Spulen-)Spannung an der zweiten Spule angelegt ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Diagnoseschaltung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines aktuell eingeregelten (Spulen-) Spannungswertes der ersten (Spulen-)Spannung und/oder eines aktuellen Dauer des zweiten Zeitteilintervalles die Spule zu bestimmen, die durch ein externes Magnetfeld gestört ist.
Durch das separate Betreiben der Spulen lässt sich die Position einer ein Störmagnetfelderzeugenden Vorrichtung relativ zur magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung bestimmen. Weicht eine einer einzelnen Spule zuordneten Regelfunktion stärker oder früher vom Regelsollwert ab als die Regelfunktionen der weiteren Spulen, so befindet sich die Störmagnetfelderzeugenden Vorrichtung näher zu der entsprechenden Spule als zu den restlichen Spulen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1: eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes;
2: eine erste Ausgestaltung des Verlaufes der (Spulen-)Spannung und das entsprechend erzeugten Magnetfeld durch die Spulenanordnung;
3: eine erste Ausgestaltung des Verlaufes des Stromes, welcher durch die Spulenanordnung fließt;
4: eine zweite Ausgestaltung des Verlaufes der (Spulen-)Spannung und das entsprechend erzeugte Magnetfeld durch die Spulenanordnung;
5: eine zweite Ausgestaltung des Verlaufes der (Spulen-)Spannung und das entsprechend erzeugte Magnetfeld durch die Spulenanordnung;
6: eine perspektivische Ansicht auf eine teilweise geschnittene Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde; und
7: eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessvorrichtung.

Die 1 zeigt einen Querschnitt einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 1. Der Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 1 sind grundsätzlich bekannt. Durch ein Messrohr 2 wird ein fließfähiges Medium geleitet, welches eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Das Messrohr 2 umfasst ein Trägerrohr 3, welches üblicherweise aus Stahl, Keramik, Kunststoff oder Glas gebildet ist oder diese zumindest umfassen. Eine Vorrichtung 5 zum Erzeugen eines Magnetfeldes ist so am Trägerrohr 3 angeordnet, dass sich die Magnetfeldlinien im Wesentlichen senkrecht zu einer durch eine Messrohrachse definierten Längsrichtung orientieren. Die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes umfasst eine Spulenanordnung aus mindestens einer Sattelspule oder mindestens einer Spule 6. Üblicherweise weisen magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte zwei diametral angeordnete Spulen 6 auf. Durch eine Aufnahme 15 der Spule 6 erstreckt sich üblicherweise ein Spulenkern 14. Als Aufnahme 15 ist der durch die die Spule 6 bildende Spulendraht begrenzte Volumen zu verstehen. Die Aufnahme 15 der Spule 6 kann somit durch eine Spulenhalterung oder durch das gedachte eingeschlossene Volumen gebildet sein. Letzteres tritt ein, wenn der Spulendraht der Spule 6 direkt um den Spulenkern 14 gewickelt ist. Der Spulenkern 14 ist aus einem magnetisch leitenden, insbesondere weichmagnetischen Werkstoff gebildet. Die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes umfasst üblicherweise ebenfalls einen Polschuh 21, der an einem Ende des Spulenkerns 14 angeordnet ist. Der Polschuh 21 kann separates Bauteil sein oder monolithisch mit dem Spulenkern 14 verbunden sein. In der abgebildeten Ausgestaltung der 1 weisen zwei diametral angeordnete Spulen 6.1, 6.2 jeweils einen Spulenkern 14.1, 14.2 und einen Polschuh 21.1, 21.2 auf. Die zwei Spulenkerne 14.1, 14.2 sind über eine Feldrückführung 22 miteinander verbunden. Die Feldrückführung 22 verbindet die jeweils voneinander abgewandten Seiten der Spulenkerne 14.1, 14.2 miteinander. Es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit genau einer Spule mit einem Spulenkern bzw. einer Sattelspule und ohne Feldrückführung bekannt. Die Vorrichtung 5 zum Erzeugen eines Magnetfeldes, insbesondere die Spule 6 ist mit einer Betriebsschaltung 7 verbunden, welche die Spule 6 mit einem Betriebssignal 11 betreibt. Das Betriebssignal 11 kann eine (Spulen-) Spannung mit einem zeitlich veränderlichen Spannungsverlauf sein und ist durch Betriebssignalparameter charakterisiert, wobei mindestens einer der Betriebssignalparameter regelbar ist. Das durch die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes aufgebaute Magnetfeld wird durch einen mittels einer Betriebsschaltung 7 getakteten (Spulen-) Spannung wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch elektrochemische Störungen. Die zwei Spulen 6.1, 6.2 sind separat mit der Betriebsschaltung 7 verbunden.
Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr 2 eine durchflussabhängige Potentialverteilung, welche sich beispielsweise in Form einer induzierten Messspannung erfassen lässt. Eine Vorrichtung 8 zum Abgreifen der induzierten Messspannung ist am Messrohr 2 angeordnet. In der abgebildeten Ausgestaltung ist die Vorrichtung 8 zum Abgreifen der induzierten Messspannung durch zwei gegenüberliegend angeordnete Messelektroden 17, 18 zum Bilden eines galvanischen Kontaktes mit dem Medium gebildet. Es sind jedoch aus magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte bekannt, die an der Außenwandung des Trägerrohres 3 angeordnete Messelektroden aufweise, die nicht mediumsberührend sind. In der Regel sind die Messelektroden 17, 18 diametral angeordnet und bilden eine Elektrodenachse bzw. werden durch eine Querachse geschnitten, die senkrecht zu den Magnetfeldlinien und der Längsachse des Messrohres 2 verläuft. Es sind aber auch Vorrichtungen 8 zum Abgreifen der induzierten Messspannung bekannt, welche mehr als zwei Messelektrode aufweisen. Anhand der gemessenen Messspannung kann die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße bestimmt werden. Die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße umfasst die Durchflussgeschwindigkeit, den Volumendurchfluss und/oder den Massedurchfluss des Mediums. Eine Messschaltung 8 ist dazu eingerichtet, die an den Messelektroden 17, 18 anliegende, induzierte Messspannung zu erfassen und eine Auswerteschaltung 24 ist dazu ausgebildet, die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße zu ermitteln. Es sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Temperatursensoren 26 bekannt. Diese können in einer seitlichen Öffnung angeordnet oder in einer der Elektroden integriert sein.
Das Trägerrohr 3 ist häufig aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, wie z.B. Stahl. Um das Ableiten der an der ersten und zweiten Messelektrode 2, 3 anliegenden Messspannung über das Trägerrohr 3 zu verhindern, wird die Innenwand mit einem isolierenden Material, beispielsweise einem (Kunststoff-)Liner 4 ausgekleidet.
Handelsübliche magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte weisen zusätzlich zu den Messelektroden 17, 18 zwei weitere Elektroden 19, 20 auf. Zum einen dient eine optimalerweise am höchsten Punkt im Messrohr 2 angebrachte Füllstandsüberwachungselektrode 19 dazu, eine Teilbefüllung des Messrohres 1 zu detektieren, und ist dazu eingerichtet diese Information an den Nutzer weiterzuleiten und/oder den Füllstand bei der Ermittlung des Volumendurchflusses zu berücksichtigen. Des Weiteren dient eine Bezugselektrode 20, die üblicherweise diametral zur Füllstandsüberwachungselektrode 19 bzw. am untersten Punkt des Messrohrquerschnittes angebracht ist, dazu, ein kontrolliertes, elektrisches Potential im Medium einzustellen. In der Regel wird die Referenzelektrode 20 zum Verbinden des fließenden Mediums mit einem Erdpotential eingesetzt.
Die Betriebsschaltung 7, Reglerschaltung 10, Messschaltung 23, Diagnoseschaltung 13 und Auswerteschaltung 24 können Teil einer einzelnen Elektronikschaltung sein, oder einzelne Schaltungen bilden. Zumindest die Reglerschaltung 10 weist einen insbesondere programmierbaren Mikroprozessor, d.h. einen als integrierter Schaltkreis ausgeführter Prozessor auf. Dieser ist dazu eingerichtet, die Spannungen und die Dauer der Zeitteilintervalle einzustellen und so zu ändern, dass die Vorgabe für die Regelfunktion erfüllt ist. Die Betriebsschaltung 7 ist weiterhin dazu eingerichtet, mittels eines eine veränderliche (Spulen-)Spannung und einen veränderlichen (Spulen-)Strom aufweisenden elektrisch ersten Betriebssignals, elektrische Leistung in die erste Spule 6.1 einzuspeisen und welche ebenfalls dazu eingerichtet ist, mittels eines eine veränderliche (Spulen-)Spannung und einen veränderlichen (Spulen-)Strom aufweisenden elektrisch zweiten Betriebssignals, elektrische Leistung in die zweite Spule 6.2 einzuspeisen. Dabei weisen das erste Betriebssignal und das zweite Betriebssignal jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-) Spannungsverlauf auf, welcher in Zeitintervalle (t) eingeteilt ist mit jeweils einem erstes Zeitteilinterval, in welchem eine über das, insbesondere gesamte, erste Zeitteilintervall t_hold, insbesondere konstante, erste (Spulen-)Spannung an die Spulen 6.1, 6.2 angelegt ist. Zumindest während einzelner Messintervalle fließt ein (Spulen-)Strom durch die erste Spule 6.1. Dabei sind die Absolutbeträge der Spulenströme unterschiedlicher Messintervalle des ersten Betriebssignales veränderliche Größen. Alternativ kann eine der beiden Betriebssignale derart ausgebildet sein, dass der (Spulen-)Strom während der Messintervalle immer einen, insbesondere werkseitig, vorgegebenen (Spulen-)Strom sollwert annimmt. D.h. dass auch die Regelungen der beiden Spulen 6.1, 6.2 unterschiedliche sein können, d.h. unterschiedliche Regelgrößen und/oder Stellgrößen aufweisen können.
Die Diagnoseschaltung 13 ist dazu eingerichtet und geeignet, in Abhängigkeit eines aktuell eingeregelten (Spulen-)Spannungswertes der ersten (Spulen-)Spannung und/oder eines aktuellen Dauer des zweiten Zeitteilintervalles die Spule 6.1, 6.2 zu bestimmen, die durch ein externes Magnetfeld gestört ist.
Die Betriebsschaltung 7 ist dazu eingerichtet, für ein erstes Zeitteilintervall eine erste (Spulen-)Spannung an die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes anzulegen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Zeitintervalle ebenfalls jeweils ein zweites Zeitteilintervall aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall eine insbesondere konstante zweite (Spulen-)Spannung an die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes angelegt istebenfalls für ein zweites Zeitteilintervall eine zweite (Spulen-)Spannung an die Spulenanordnung anzulegen. Dabei ist die zweite (Spulen-)Spannung größer als die erste (Spulen-) Spannung. Zudem folgt in einem einzelnen Zeitintervall das erste Zeitteilintervall auf das zweite Zeitteilintervall. Die Dauer des ersten Zeitteilintervalles ist größer als die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles. Die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles ist eine regelbare Größe. Ebenso die erste (Spulen-) Spannung. Die 2 bis 5 zeigen mögliche Ausgestaltungen der Betriebssignales.
Erfindungsgemäß ist die Reglerschaltung 10 dazu eingerichtet einen der Betriebssignalparametern des Betriebssignales, insbesondere zumindest die erste (Spulen-)Spannung (U_hold) so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist. Die Regelfunktion kann von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung abhängigen Funktion abhängen. Dafür wird die erste (Spulen-)Spannung und die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles so geregelt, dass eine von der ersten (Spulen-)Spannung und der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles abhängige Größe nicht vom Regelsollwert abweicht. Kommt es zu einer Abweichung - bedingt durch magnetische Störfelder oder Temperatureinflüsse - so werden die beiden Regelparameter angepasst, bis die Abweichung des Produktes vom Regelsollwert wieder minimal ist.
Die 2 zeigt eine erste Ausgestaltung des ersten Betriebssignales 11.1 und/oder zweiten Betriebssignales 11.2 und das entsprechend erzeugte Magnetfeld durch die Spule. Im Folgenden wird auf die Nummerierung der Betriebssignale verzichtet, da in 2 und ebenfalls in 4 das Grundprinzip der Betriebssignale erläutert wird. Das Betriebssignal 11 umfasst erfindungsgemäß eine (Spulen-)Spannung mit einem zeitlich veränderlichen Verlauf 12, welcher in Zeitintervalle t eingeteilt ist. Das Vorzeichen der angelegten (Spulen-)Spannung ändert sich in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen t. Das in 2 abgebildete Betriebssignal 11 umfasst Zeitintervalle t, die jeweils ein erstes Zeitteilintervall t_hold aufweisen, in denen über die gesamte Dauer des ersten Zeitteilintervalles t_hold eine konstante erste (Spulen-)Spannung U_hold an die Spule angelegt wird. Die erfasste für die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße induzierte Messspannung wird im ersten Zeitteilintervall t_hold, insbesondere während eines Messintervalles ermittelt. Während des Messintervalles fließt durch die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes ein (Spulen-)Strom . Dieser ist nicht konstant geregelt, d.h. dass ein Absolutbetrages eines während des Messintervalles fließender (Spulen-)Stromes in unterschiedlichen Zeitintervallen t eine veränderliche Größe ist. Gemäß der ersten Ausgestaltung ist die Reglerschaltung 10 dazu eingerichtet, die erste (Spulen-)Spannung U_hold eines Zeitintervalles t so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist. Die erste (Spulen-)Spannung U_hold ist erfindungsgemäß eine zeitlich veränderliche und regelbare Größe. Der Anstieg des (Spulen-)Strom ist durch eine Dauer eines Zeitteilintervalles t_rise charakterisiert, welche über eine Messschaltung ermittelbar ist. Ein Absolutbetrag des (Spulen-)Stromes wächst innerhalb des Zeitteilintervalles t_rise von einem ersten (Spulen-)Strom sollwert auf einen zweiten (Spulen-)Strom sollwert an. Die erste (Spulen-) Spannung U_hold ist so geregelt sein, dass eine von dem Produkt der Dauer des Zeitteilintervalles t_rise und der ersten (Spulen-)Spannung U_hold abhängigen Größe nicht von einem vorgegebenen zweiten Sollwert abweicht.
Die 3 zeigt einen sich aus dem Betriebssignal der 2 ergebenden zeitlichen Verlauf des (Spulen-)Stromes. Nach dem Umschalten der angelegten (Spulen-)Spannung ändert sich die Stromrichtung des (Spulen-) Stromes. Innerhalb eines Anstiegs-Zeitteilintervalles t_rise nimmt der Absolutbetrag des (Spulen-)Stromes mit einem nichtlinearen Verhalten zu. Der (Spulen-)Strom nähert sich einem maximalen (Spulen-)Strom wert I_max an. Wenn der (Spulen-)Strom maximal ist und sich im Wesentlichen nicht mehr ändert beginnt das Messintervall t_mess. Nur Messspannungen, die in diesem Zeitintervall ermittelt werden, gehen in die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe ein.
Die 4 zeigt eine zweite Ausgestaltung des ersten Betriebssignales 11.1, und/oder des zweiten Betriebssignales 11.2 und das erzeugte Magnetfeld durch die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes. Das Betriebssignal 11 umfasst erfindungsgemäß eine (Spulen-)Spannung mit einem zeitlich veränderlichen Verlauf 12, welcher in Zeitintervalle t eingeteilt ist. Das Vorzeichen der angelegten (Spulen-)Spannung ändert sich in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen t. Das in 4 abgebildete Betriebssignal umfasst Zeitintervalle t, die jeweils ein erstes Zeitteilintervall t_hold aufweisen, in denen über die gesamte Dauer des ersten Zeitteilintervalles t_hold eine konstante erste (Spulen-)Spannung U_hold an die Spule angelegt wird. Die erfasste für die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße induzierte Messspannung wird im ersten Zeitteilintervall t_hold ermittelt. Zudem weisen die Zeitintervalle t jeweils ein zweites Zeitteilintervall t_shot auf, in denen eine, insbesondere über die gesamte Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot konstante zweite (Spulen-)Spannung U_shot an die Spule angelegt ist. Dabei ist die zweite (Spulen-)Spannung U_shot größer als die erste (Spulen-)Spannung U_hold. Im Spannungsverlauf folgt das erste Zeitteilintervall t_hold auf das zweite Zeitteilintervall t_shot. Zudem ist die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot kleiner als die Dauer des ersten Zeitteilintervalles t_hold. Die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot ist zeitlich veränderlich und regelbar. Ebenso die erste (Spulen-)Spannung U_hold. Zumindest die erste (Spulen-)Spannung U_hold ist so geregeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist. Die Regelfunktion hängt dabei von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot und eine von der ersten (Spulen-)Spannung U_hold abhängigen Funktion ab. Der Regelsollwert kann für den gesamten Spannungsverlauf und somit für alle Zeitintervalle vorgegeben sein. Alternativ können Zeitintervalle mit einem positiven Vorzeichen im Spannungsverlauf einen ersten Regelsollwert aufweisen und Zeitintervalle mit einem negativen Vorzeichen einen zweiten Regelsollwert aufweisen, wobei sich der erste Regelsollwert vom zweiten Regelsollwert unterscheidet. Alternativ kann auch eines der beiden Betriebssignale auf einer Konstant-(Spulen-)Strom -Regelung beruhen. Das heißt, dass z.B. die erste Spannung so geregelt wird, dass während eines Messintervalles die Abweichung des (Spulen-)Strom es von einem (Spulen-)Strom sollwertes minimal, und bevorzugt Null ist.
Die erste (Spulen-)Spannung U_hold und die zweite (Spulen-)Spannung U_shot können so festgelegt sein, dass ein Verhältnis zwischen der ersten (Spulen-)Spannung U_hold und der zweiten (Spulen-)Spannung U_shot über den gesamten Spannungsverlauf 12 konstant ist bzw. ein Absolutbetrag eines Quotientes aus der ersten (Spulen-)Spannung U_hold und der zweiten (Spulen-)Spannung U_shot über den Spannungsverlauf 12 konstant ist. Das heißt, dass durch Regelung der ersten (Spulen-)Spannung U_hold automatisch auch die zweite (Spulen-)Spannung U_shot proportional zu Änderung angepasst wird. In dem Fall ist vorzugsweise die von der ersten (Spulen-)Spannung U_hold abhängige Funktion umgekehrt proportional zu der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot. Alternativ kann die zweite (Spulen-)Spannung U_shot, bzw. ein Absolutbetrag der zweiten (Spulen-)Spannung U_shot über den gesamten Spannungsverlauf 12 einen konstanten Wert annehmen.
Zusätzlich zur Regelung der ersten (Spulen-)Spannung U_hold wird die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot so geregelt ist, dass ein ermittelter Wert einer von einer Prüfgröße abhängigen Größe innerhalb der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot einen Prüfsollwert annimmt. Ein Beispiel für eine derartige Umsetzung wird in der WO 2014/001026 A1 offenbart. Dabei kann es sich bei der Größe beispielsweise um einen (Spulen-)Strom sollwert, eine Summe oder eine Integral der Messwerte der Prüfgröße für einen vorgegebenen Zeitabschnitt handeln. Dabei werden die beiden Regelparameter so geregelt, dass eine von dem Produkt der ersten (Spulen-)Spannung U_hold und der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot abhängigen Funktion nicht von einem vorgegebenen zweiten Regelsollwert abweicht. Die von der ersten (Spulen-)Spannung U_hold abhängige Funktion ist umgekehrt proportional zur Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot. Bei der Prüfgröße kann es sich um einen Messwert des (Spulen-)Stromes, einen zeitlichen Verlauf eines (Spulen-)Stromes und/oder einer davon abhängigen Größe handeln.
Die Reglerschaltung ist dazu eingerichtet, bei einer Abweichung eines Spulenprüfstromwertes oder einer von dem Spulenprüfstromwert abhängigen Prüfgröße von einem Sollwert in einem Zeitintervall t_N, die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot so zu ändern, dass die Abweichung in einem zeitlich darauffolgenden Zeitintervall t_N+M kleiner ist, wobei M ≥ 1 ist. Gleichzeitig ist die Reglerschaltung dazu eingerichtet, bei einer Abweichung des Ist-Wertes von einem Sollwert in einem Zeitintervall t_N, die erste (Spulen-)Spannung U_hold so zu ändern, dass die Abweichung von einem Sollwert in einem zeitlich darauffolgenden Zeitintervall t_N+M kleiner ist, wobei M ≥ 1. Dabei ist jedoch mindestens eine der obig gelisteten Bedingungen zu erfüllen. Die Reglerschaltung kann dazu eingerichtet sein, weitere Größen und/oder Funktionen zu regeln.
Die Regelfunktion, insbesondere die von der ersten (Spulen-)Spannung U_hold abhängige Funktion kann ebenfalls von In ((U_shot + U_hold)/(U_shot - U_hold)) abhängen, bzw. proportional dazu sein.
Die 5 zeigt einen sich aus dem Spannungssignal der 4 ergebenden zeitlichen Verlauf des (Spulen-)Stromes durch die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes, insbesondere durch die Spulenanordnung. Der (Spulen-)Strom ändert in den einzelnen Zeitintervallen die Fließrichtung. Durch das Anlegen der zweiten Spulenspannung, die um ein Vielfaches höher ist als die erste (Spulen-)Spannung, nimmt der (Spulen-)Strom rapide zu. Ab Beginn des ersten Zeitteilintervalles nimmt der (Spulen-)Strom noch solange zu, bis er den maximalen (Spulen-)Strom wert I_max erreicht. In diesem Zeitteilintervall sind die Wirbelströme im Wesentlichen konstant. Danach sinkt der (Spulen-)Strom ab und konvergiert gegen einen im Wesentlichen konstanten (Spulen-)Strom wert I_hold.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist eine Messschaltung dazu eingerichtet im ersten Zeitteilintervall t_hold einen maximalen (Spulen-)Strom wert I_max zu ermitteln und die die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot und die von der erste (Spulen-)Spannung U_hold abhängige Funktion so geregelt werden, dass eine Regelfunktion nicht von einem vorgegebenen zweiten Sollwert abweicht, wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot und der von der erste (Spulen-)Spannung U_hold und dem maximalen (Spulen-)Strom wert I_max abhängigen Funktion abhängt.
Alternativ kann die Reglerschaltung dazu eingerichtet sein, mindestens einen der Betriebssignalparameter - vorzugsweise die erste (Spulen-)Spannung U_hold - so zu regeln, dass ein von einem Quotienten des maximalen (Spulen-)Strom wertes I_max und eines während des ersten Zeitteilintervalles t_hold ermittelten (Spulen-)Strom wertes I_hold über das Betriebssignal konstant ist.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer eines dritten Zeitteilintervalles t_Imax und eine von der ersten (Spulen-)Spannung U_hold abhängigen Funktion abhängen. Dabei ist das dritte Zeitteilintervall t_Imax durch einen Beginn des zweiten Zeitteilintervalles t_shot und einem Zeitpunkt in dem der (Spulen-)Strom den maximalen (Spulen-)Strom wert I_max annimmt begrenzt ist.
Bei den in 2 bis 5 abgebildeten Verläufen handelt es sich um stark vereinfachte Schemata. Nach dem zweiten Zeitteilintervall kommt es in der Regel zu einem Einschwingen des Magnetfeldes.
Anhand der perspektivischen und teilweise geschnittenen Darstellung der 6 wird zunächst das der Erfindung zugrunde liegende Messprinzip erläutert. Eine Durchflussmesssonde 101 umfasst ein im allgemeinen kreiszylindrisches, einen vorgegebenen Außendurchmesser aufweisendes Gehäuse 102. Dieses ist an den Durchmesser einer Bohrung angepasst, die sich in einer Wand einer in 6 nicht dargestellten Rohrleitung befindet und in die die Durchflussmesssonde 101 fluiddicht eingesteckt ist. In der Rohrleitung strömt ein zu messendes Medium, in das die Durchflussmesssonde 101 praktisch senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums eintaucht, die durch die gewellten Pfeile 118 angedeutet ist. Ein in das Medium ragendes Frontende 116 des Gehäuses 102 ist mit einem Frontkörper 115 aus Isoliermaterial fluiddicht verschlossen. Mittels einer im Gehäuse 102 angeordneten Spulenanordnung 106 lässt sich ein durch den Endabschnitt hindurch, in das Medium hineinreichendes Magnetfeld 109 erzeugen. Ein mindestens teilweise aus einem weichmagnetischen Material bestehender, im Gehäuse 102 angeordneter Spulenkern 111 endet an oder in der Nähe des Endabschnittes 116. Ein Feldrückführungskörper 114, der die Spulenanordnung 106 und den Spulenkern 111 umschließt, ist dazu eingerichtet das aus dem Endabschnitt hindurchreichende Magnetfeld 109 in das Gehäuse 102 zurückzuführen. Der Spulenkern 111, der Polschuh 112 und der Feldrückführungskörper 114 sind jeweils Feldführungskörper 110, welche zusammen eine Feldführungsanordnung 105 bilden. Eine erste und eine zweite einen galvanischen Kontakt mit dem zu führenden Medium bildende Messelektrode 103, 104 bilden die Vorrichtung zum Erfassen einer im Medium induzierten Messspannung und sind in dem Frontkörper 115 angeordnet und berühren ebenso wie die Außenwände des Gehäuses das Medium. An den Messelektroden 103, 104 lässt sich eine aufgrund des Faraday'schen Induktionsgesetzes induzierte elektrische (Spulen-)Spannung mittels einer Mess- und/oder Auswerteeinheit abgreifen. Diese ist maximal, wenn die Durchflussmesssonde 101 so in die Rohrleitung eingebaut ist, dass eine durch eine die beiden Messelektroden 103, 104 schneidende Gerade und eine Längsachse der Durchflussmesssonde aufgespannte Ebene senkrecht zu der Strömungsrichtung 118 bzw. Längsachse der Rohrleitung verläuft. Eine Betriebsschaltung 107 ist mit der Spulenanordnung 106, insbesondere mit der Spule 113 elektrisch verbunden und dazu eingerichtet ein getaktetes Betriebssignal auf die Spule 113 aufzuprägen, um somit ein getaktetes Magnetfeld 109 zu erzeugen. Die Reglerschaltung 120 ist dazu eingerichtet, mindestens einen der Betriebssignalparameter des Betriebssignales, insbesondere die erste (Spulen-) Spannung und bevorzugt auch die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe, umfassenden Regelsollwert minimal ist. Dafür wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung die von der ersten (Spulen-)Spannung U_hold abhängige Funktion und die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles t_shot so geregelt, dass sich beide umgekehrt proportional zueinander verhalten. Die 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessvorrichtung in Form eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes. Das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät weist neben der ersten Spule 6.1 und der diametral dazu angeordneten zweiten Spule 6.2 N weitere Spulen auf. Dabei gilt für die abgebildete Ausgestaltung, dass N = 2 ist. Die dritte Spule 6.3 und die vierte Spule 6.4 sind ebenfalls am äußeren Umfang des Messrohres angebracht. Sie sind diametral zueiander angeordnet. Die vier Spulen unterscheiden sich weder in dem Material der einzelnen Spulenkomponenten, noch in der Spulenwicklungszahl. Alternativ können auch N + 2 in der Wicklungszahl und materialtechnisch unterschiedliche Spulen eingesetzt werden. Die vier abgebildeten Spulen sind alle mit Betriebsschaltung 7 elektrisch verbunden und werden separat mittels eines Betriebssignales betrieben. Die Betriebssignale zum Betreiben der N weiteren Spulen weisen jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-)Spannungsverläufe aufw, welcher in Zeitintervalle eingeteilt ist mit einem ersten Zeitteilintervall, in welchem eine über das, insbesondere gesamte, erste Zeitteilintervall, insbesondere konstante, erste (Spulen-)Spannung an die N weiteren Spulen angelegt ist. Weiterhin weisen die Zeitintervalle der Betriebssignale jeweils ein zweites Zeitteilintervall auf, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall eine, insbesondere konstante, zweite (Spulen-)Spannung an die N weiteren Spule angelegt ist. Für die Regelung gilt, dass die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung abhängigen Funktion, insbesondere der ersten (Spulen-)Spannung abhängt. Die Reglerschaltung ist ebenfalls dazu eingerichtet, die erste (Spulen-)Spannung der N Betriebssignale so zu regeln, dass eine Abweichung einer insbesondere jeweiligen Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist. Alternativ kann die Regelfunktion von mindestens drei und bevorzugt N + 2 Produkten - bzw. in dem Fall von den vier Produkten - der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (U_hold) abhängigen Funktion der jeweiligen Betriebssignale abhängen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2014/001026 A1 [0005, 0049]
DE 102015116771 B4 [0006]
EP 3211384 A2 [0008]

Claims

Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums, umfassend: - eine Vorrichtung (5) zum Erzeugen eines Magnetfeldes, umfassend zumindest eine erste Spule (6.1) und eine zweite Spule (6.2); - eine Vorrichtung (8) zum Abgreifen einer im fließfähigen Medium induzierten Messspannung, insbesondere umfassend mindestens zwei bevorzugt diametral angeordnete Messelektroden (17, 18); - eine Betriebsschaltung (7), welche dazu eingerichtet ist, mittels eines eine veränderliche (Spulen-)Spannung und einen veränderlichen (Spulen-)Strom aufweisenden elektrisch ersten Betriebssignals (11.1), elektrische Leistung in die erste Spule (6.1) einzuspeisen und welche ebenfalls dazu eingerichtet ist, mittels eines eine veränderliche (Spulen-)Spannung und einen veränderlichen (Spulen-)Strom aufweisenden elektrisch zweiten Betriebssignals (11.2), elektrische Leistung in die zweite Spule (6.2) einzuspeisen, wobei das erste Betriebssignal (11.1) und das zweite Betriebssignal (11.2) jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-)Spannungsverlauf (12) aufweisen, welcher in Zeitintervalle (t) eingeteilt ist, wobei die Zeitintervalle (t) jeweils ein erstes Zeitteilintervall (t_hold) aufweisen, in welchem eine über das, insbesondere gesamte, erste Zeitteilintervall (t_hold), insbesondere konstante, erste (Spulen-)Spannung (U_hold) an die Spulen (6.1, 6.2) angelegt ist, wobei die Zeitintervalle (t) des ersten Betriebssignales (11.1) jeweils mindestens ein Messintervall (26) aufweisen, in dem ein (Spulen-)Strom durch die erste Spule (6.1) fließt, wobei Spulenströme unterschiedlicher Messintervalle des ersten Betriebssignales (11.1) veränderliche Größen sind; und - eine Reglerschaltung (10, 120), wobei die Reglerschaltung (10, 120) dazu eingerichtet ist, zumindest die erste (Spulen-)Spannung (U_hold) des ersten Betriebssignales (11.1) so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden, Regelsollwert minimal ist.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Betriebssignal (11.1) und das zweite Betriebssignal (11.2) derart synchronisiert sind, dass die jeweiligen Zeitintervalle der beiden Betriebssignale (11.1, 11.2) gleichzeitig beginnen.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitintervalle (t) des ersten Betriebssignales (11.1) jeweils ein zweites Zeitteilintervall (t_shot) aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte, zweite Zeitteilintervall (t_shot) eine, insbesondere konstante, zweite (Spulen-)Spannung (U_shot) an die erste Spule (6.1) angelegt ist, wobei die zweite (Spulen-)Spannung (U_shot) größer als die erste (Spulen-)Spannung (U_hold) ist, wobei die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (t_shot) und die erste (Spulen-)Spannung (U_hoid) jeweils eine veränderliche und regelbare Größe sind, wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (t_shot) und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (U_hold) abhängigen Funktion abhängt.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zeitintervalle (t) des ersten Betriebssignales (11.1) und des zweiten Betriebssignales (12.1) jeweils ein zweites Zeitteilintervall (t_shot) aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall (t_shot) eine insbesondere konstante zweite (Spulen-)Spannung (U_shot) an die erste Spule (6.1) angelegt ist, wobei die zweite (Spulen-)Spannung (U_shot) größer als die erste (Spulen-)Spannung (U_hold) ist, wobei die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (t_shot) und die erste (Spulen-)Spannung (U_hoid) jeweils eine veränderliche und regelbare Größe sind, wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (t_shot) und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (U_hold) abhängigen Funktion abhängt, wobei die Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, ebenfalls die erste (Spulen-)Spannung (U_hold) des zweiten Betriebssignales (11.2) so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist, wobei Spulenströme unterschiedlicher Messintervalle des zweiten Betriebssignales (11.2) veränderliche Größen sind.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dauer des ersten Zeitteilintervalles (t_hold) des ersten Betriebssignales (11.1) und die Dauer des ersten Zeitteilintervalles (t_hold) des zweiten Betriebssignales (11.2) in den jeweiligen Zeitintervallen (t) gleich sind.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Summe aus der Dauer des ersten Zeitteilintervalles (t_hold) und der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (t_shot) des ersten Betriebssignales (11.1) und eine Summe aus der Dauer des ersten Zeitteilintervalles (t_hold) und der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (t_shot) des zweiten Betriebssignales (11.2) in den jeweiligen Zeitintervallen (t) gleich sind.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die erste (Spulen-)Spannung (U_hold) des ersten Betriebssignales (11.1) von der ersten (Spulen-)Spannung (U_hold) des zweiten Betriebssignales (11.2) unterscheidet.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei sich die zweite (Spulen-)Spannung (U_shot) des ersten Betriebssignales (11.1) von der zweiten (Spulen-)Spannung (U_shot) des zweiten Betriebssignales (11.2) unterscheidet.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei sich der Regelsollwert des ersten Betriebssignales (11.1) von dem Regelsollwert des zweiten Betriebssignales (11.2) zumindest zeitweise unterscheidet.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die Reglerschaltung (10) dazu eingerichtet ist, die erste (Spulen-)Spannung (U_hold) des ersten Betriebssignales (11.1) und die erste (Spulen-)Spannung (U_hold) des zweiten Betriebssignales (11.2) so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist, wobei der Regelsollwert von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (t_shot) des ersten Betriebssignales (11.1) und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (U_hold) des ersten Betriebssignales (11.2) abhängigen Funktion abhängt, wobei der Regelsollwert ebenfalls von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (t_shot) des zweiten Betriebssignales (11.2) und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (U_hold) des zweiten Betriebssignales (11.2) abhängigen Funktion abhängt.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Reglerschaltung (10) dazu eingerichtet ist, die erste (Spulen-)Spannung (U_hold) des zweiten Betriebssignales (11.2) so zu regeln, dass eine Abweichung des (Spulen-)Stromes während des Messintervalles von einem insbesondere werkseitig vorgegebenen (Spulen-)Stromsollwert minimal ist.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Betriebsschaltung (7) dazu eingerichtet ist, für eine Dauer eines Diagnoseintervalles das erste Betriebssignal (11.1) an die zweite Spule (6.2) anzulegen, wobei eine Diagnoseschaltung (13) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des während des Messintervalles (t_mess) des ersten Betriebssignales (11.1) fließenden Stromes einen korrigierten (Spulen-)Stromsollwert zu ermitteln, der den vorgegebenen Spulensollwert ersetzt.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (5) zum Erzeugen des Magnetfeldes zusätzlich N weitere Spulen aufweist, wobei N >_ 1 gilt, wobei die Betriebsschaltung (7) ebenfalls dazu eingerichtet ist, die N weiteren Spulen jeweils mit einem Betriebssignal zu betreiben, wobei die Betriebssignale zum Betreiben der N weiteren Spulen jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-)Spannungsverläufe aufweisen, welcher in Zeitintervalle (t) eingeteilt ist, wobei die Zeitintervalle (t) jeweils ein erstes Zeitteilintervall (t_hold) aufweisen, in welchem eine über das insbesondere gesamte erste Zeitteilintervall (t_hold) bevorzugt konstante erste (Spulen-)Spannung (U_hold) an die N weiteren Spulen angelegt ist, wobei die Zeitintervalle (t) der Betriebssignale jeweils ein zweites Zeitteilintervall (t_shot) aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall (t_shot) eine insbesondere konstante zweite (Spulen-) Spannung (U_shot) an die N weiteren Spule angelegt ist, wobei die zweite (Spulen-)Spannung (U_shot) größer als die erste (Spulen-)Spannung (U_hold) ist, wobei die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (t_shot) und die erste (Spulen-)Spannung (U_hold) jeweils eine veränderliche und regelbare Größe sind, wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (t_shot) und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (U_hold) abhängigen Funktion abhängt, wobei die Reglerschaltung ebenfalls dazu eingerichtet ist, die erste (Spulen-)Spannung (U_hoid) der N Betriebssignale so zu regeln, dass eine Abweichung einer insbesondere jeweiligen Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Regelfunktion von mindestens drei und bevorzugt N + 2 Produkten der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (t_shot) und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (U_hold) abhängigen Funktion der jeweiligen Betriebssignale abhängt.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Betriebssignal (11.1) Ruheintervalle aufweist, in denen im Wesentlichen keine (Spulen-)Spannung an die erste Spule (6.1) angelegt ist, wobei während der Ruheintervalle eine (Spulen-)Spannung an der zweiten Spule (6.2) angelegt ist.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Diagnoseschaltung (13) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines aktuell eingeregelten (Spulen-)Spannungswertes der ersten (Spulen-)Spannung (U_hold) und/oder eines aktuellen Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (t_shot) die Spule (6.1, 6.2) zu bestimmen, die durch ein externes Magnetfeld gestört ist.