DE10244642A1

DE10244642A1 - Induktiver Durchflußmesser

Info

Publication number: DE10244642A1
Application number: DE2002144642
Authority: DE
Inventors: Andres Ketelsen
Original assignee: Ketelsen Broder
Current assignee: Ketelsen Broder
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-08
Also published as: AU2003283246A1; WO2004031699A3; AU2003283246A8; EP1543297A2; WO2004031699A2

Abstract

Es wird ein induktiver Durchflussmesser für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten vorgeschlagen, bei dem eine verbesserte Unempfindlichkeit gegenüber messwertverfälschenden Einflüssen von Strömungsprofiländerungen und Strömungsprofilunsymmetrien dadurch erreicht wird, dass das von dem Magnetfelderzeugungssystem angelegte Magnetfeld, das eine Orientierung quer zur Strömungsrichtung und quer zur Verbindungslinie zwischen den Messelektroden an der Strömungskanalinnenwand hat, eine stark konkave Verteilung der effektiven Intensität des Magnetfeldes zwischen einem mittig zwischen den Elektroden gelegenen Punkt, der die Elektroden enthaltenden Querschnittsebene und der Strömungskanalinnenfläche über den Innenumfang des Strömungskanals hin bis zu einem Punkt nahe den Messelektroden hat.

Description

Die Erfindgbetrifft induktive Durchflußmesser mit den Merkmalen des Oberbegriffe von Patenanspruch 1.

Durchflußmesser der hier betrachteten Art dienen zur Bestimmung des Durchflusses elektrisch leitender Flüssigkeiten durch Kanäle oder Rohre insbesondere kreisförmigen Querschnittes. In einem eine elektrisch isolierende Kanalwand oder Rohrwand aufweisenden Kanalabschnitt sind an einander gegenüberliegenden Stellen eines Kanalquerschnittes punktförmige Elektroden vorgesehen, welche elektrisch an die elektrisch leitende Flüssigkeit angekoppelt sind, insbesondere zum Kanalinnenraum hin freiliegen und leitende Verbindung zu der leitenden Flüssigkeit aufnehmen. Senkrecht zur Verbindungslinie zwischen den Elektroden und senkrecht zu den Strömungslinien der den Kanal oder das Rohr durchfließen leitenden Flüssigkeit verlaufen die Feldlinien eines magnetischen Feldes, welches durch eine Permanentmagnetanordnung oder insbesondere durch eine Spulenanordnung erzeugt wird. Leiterpfade, die von der einen punktförmigen Elektrode zur anderen punktförmigen Elektrode verlaufen und auf dem die Elektroden enthaltenden Rohrabschnitt oder Kanalabschnitt den gesamten Rohrquerschnitt oder Kanalquerschnitt durchsetzen, können, wenn sich die leitende Flüssigkeit längs des Kanales oder Rohres bewegt, als im Magnetfeld bewegte Leiter verstanden werden, in denen aufgrund der Flüssigkeitsströmung Spannungen induziert werden, die von den punktförmigen Elektroden über durch die isolierende Kanalwand oder Rohrwand geführte Anschlüsse abgenommen werden und ein Maß für den Durchfluß der leitenden Flüssigkeit durch das Rohr oder den Kanal sein.

Genauer betrachtet ist das von den Elektroden abnehmbare Ausgangssignal eines induktiven Durchflußmessers der vorstehenden beschriebenen Art folgendermaßen anzugeben:

Das Integral über das Volumen wird von dem jeweiligen Produktwert von Vektoren dreier Vektorfelder gebildet, von denen B - die magnetische Induktion in dem Strömungskanalabschnitt in dem durch den Strömungskanalabschnitt umgrenzten Zylinderraum mit dem Kanalinnenquerschnitt und mit bestimmter Länge stromauf und stromab von der die Elektroden enthaltenen Radialebene ist und W - ein Wertigkeits-Vektorfeld bezeichnet, worunter ein Feld von Vektoren in dem zuvor definierten Zylinderraum zu verstehen ist, welche die Konfiguration der Leiterpfade zwischen den Elektroden in dem Zylinderraum kennzeichnen. Schließlich bezeichnet - das Vektorfeld im genannten Zylinderraum mit Vektoren entsprechend den Geschwindigkeiten der Partikel der leitfähigen Flüssigkeit.

Wären die Werte von B - nach Betrag und Richtung konstant (homogenes magnetisches Feld) und wären die Werte des Wertigkeits-Vektorfeldes W - nach Betrag und Richtung konstant entsprechend Strompfaden, die parallel zueinander zwischen Parallelelektroden verlaufen, so wäre das Teilprodukt B - × W - konstant, derart, daß ungleichförmige und/oder unsymmetrische Geschwindigkeitsverteilungen der zu untersuchenden Strömung der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit durch den Strömungskanalabschnitt nicht zu Meßwertverfälschungen führen.

Zwar kann mit einigem Aufwand das Magnetfeld des Magnetfelderzeugungssystems so ausgebildet werden, daß es im Bereich des Innenraums des Strömungskanalabschnittes im wesentlichen homogen ist, während bei im Querschnitt rundem Strömungskanalabschnitt und bei einander diametral gegenüberstehenden, im wesentlichen punktförmigen Elektroden das Wertigkeits-Vektorfeld keinesfalls homogen ist. Dies zeigt ohne weiteres die nachfolgende Überlegung:
Zeichnet man in Rohrquerschnitten oder Kanalquerschnitten diese im wesentlichen ganz überdeckende Leiterpfade ein, so erkennt man, daß eine Leiterpfadkonzentration im Bereich nahe den punktförmigen Elektroden vorhanden ist, derart, daß Bewe gungen der Leiterpfade aufgrund der Strömung der leitenden Flüssigkeit in diesen Bereichen besonders starken Einfluß auf das von den Elektroden abnehmbare Signal haben.

Charakteristische Strömungen im Strömungskanalabschnitt eines induktiven Durchflußmessers können, wenn sie laminar sind, im ungestörten Zustand ein mit Bezug auf die Strömungskanalmittelachse rotationssymmetrisches Geschwindigkeitsprofil haben oder bei einer asymmetrischen Störung ein Strömungsprofil aufweisen, dessen Maximum in radialer Richtung seitlich gegenüber der Strömungskanalmittelachse versetzt ist. Für hohe Strömungsgeschwindigkeiten kann die Strömung turbulent werden, derart, daß das Strömungsprofil mit Bezug auf den Strömungskanalquerschnitt einen Plateaubereich und randnahe Bereiche geringerer Strömungsgeschwindigkeit aufweist.

Sowohl Verformungen des Strömungsprofils in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit als auch Unsymmetrien des Strömungsprofiles haben einen meßwertverfälschenden Einfluß auf das mit einem induktiven Durchflußmesser der hier betrachteten Art gewonnene Meßergebnis.

Schon in der durch die Deutsche Patentschrift 1 295 223 gegebenen technischen Lehre wurde angestrebt, das magnetische Feld in einem Strömungskanalabschnitt eines induktiven Durchflußmessers derart inhomogen auszubilden, daß hierdurch dem Einfluß der notgedrungen vorhandenen Inhomogenität des Wertigkeit-Vektorfeldes auf das Meßergebnis bei ungleichförmiger Strömungsverteilung über den Strömungskanalquerschnitt hin entgegengewirkt wird. Die Deutsche Patentschrift 1 295 223 schlägt hierzu vor, daß die Magnetanordnung, also das Magnetfelderzeugungssystem, so ausgebildet wird, daß die Feldkomponente in der die Elektroden enthaltenen Radialebene und in Ebenen parallel dazu in Richtung der Verbindungslinie zwischen den Elektroden von innen nach außen hin abnimmt.

Zur Verringerung der Meßwertverfälschung durch ungleichförmige Strömungsverteilung hat man auch bereits versucht, den verstärkten Einfluß des elektrodennahen Bereiches des Strömungsquerschnittes auf die Größe des Meßsignales dadurch zu kompensieren, daß man etwa gemäß der Deutschen Offenlegungsschrift 26 22 943 bei Erzeugung des Magnetfeldes mittels stromdurchflossener Spulen zusätzliche Kompensationsspulen vorsah, die in der die Elektroden enthaltenden Querschnittsebene des Strömungskanalabschnittes oder auch stromaufwärts oder stromabwärts hiervon Magnetfelder erzeugten, die die Strömung zur Erzeugung der induzierten Spannungen in den Leiterpfaden in denjenigen Bereichen durchsetzten, welche den unmittelbar nahe den Elektroden gelegenen Bereichen zuzuordnen sind, wobei die Orientierung dieser Magnetfelder zu dem Hauptmagnetfeld entgegengesetzt gerichtet war.

Der sich hierbei ergebende Aufbau der gesamten Einrichtung ist vergleichsweise kompliziert, wobei die in der Nähe der Elektroden gelegenen Teile des Magnetsystems, die unmittelbar auf den Bereich sehr großer Leiterpfaddichte einwirken, eine sehr genaue Montage und extrem feine Justierung erfordern.

Ein ähnlich wie die zuvor betrachtete Einrichtung wirkender induktiver Durchflußmesser mit einem vereinfachten Aufbau des Magnetfelderzeugungssystems ist in der Deutschen Offenlegungsschrift 400 20 30 beschrieben.

Schließlich offenbart die Europäische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 41 80 33, einen induktiven Durchflußmesser der hier betrachteten Art mit einem gegenüber dem Paar einander gegenüberliegender Meßelektroden um 90° versetzten Haupt-Magnetfelderzeugungssystem, das jeweils mit sich über einen begrenzten Winkelbereich der Strömungskanalwand an dessen Außenfläche anliegenden Polschuhen ausgestattet ist, und mit diese Polschuhe umschlingenden Hilfsspulen, die sich über einen größeren Winkelbereich an die Außenfläche des Strömungskanalabschnittes anschmiegn, derart, daß über eine in Umfangsrichtung weniger als 180° überspannende Mantelfläche der Strömungskanalwand zwischen den Meßelektroden eine etwa sinusförmige Durchflutungsverteilung des Magnetfelderzeugungssystems erreicht wird.

Es zeigt sich, daß auch mit diesem bekannten induktiven Durchflußmesser keine ganz zufriedenstellende Unempfindlichkeit des Meßergebnisses gegenüber strö mungsaeschwindigkeitsabhängigen Veränderungen des Strömungsprofils und gegenüber unsymmetrischen Verzerrungen des Strömungsprofils der Strömung im Strömungskanalabschnitt erreicht werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Durchflußmesser der hier betrachteten allgemeinen Art so auszugestalten, daß bei vergleichsweise einfachem Aufbau und einfacher Herstellung des Magnetfelderzeugungssystems eine beträchtlich verbesserte Unempfindlichkeit gegenüber Meßwertverfälschungen aufgrund von strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Veränderungen des Strömungsprofils im Strömungskanalquerschnitt oder aufgrund von Unsymmetrien des Strömungsprofils relativ zur Strömungskanalmittelachse erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen induktiven Durchflußmesser mit den Merkmalen gemäß bei dem Anspruch 1 gelöst. Es sei hier betont, daß erfindungsgemäß eine um bis zu einer Größenordnung verbesserte Unempfindlichkeit gegenüber Meßwertverfälschungen erreicht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der dem Anspruch l nachgeordneten Patenansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei in den Zeichnungen eine in erster Linie die Wirkungsweise verdeutlichende schematische Darstellungsweise gewählt ist und auf Maßstäblichkeit kein Wert gelegt ist. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine teilweise im Schnitt gezeichnete perspektivische Darstellung eines induktiven Durchflußmessers der hier betrachteten allgemeinen Art zur Erleuterng von Begriffen und geometrischen Verhältnissen;
2 eine perspektivische Ansicht eines Teiles eines induktiven Durchflußmessers zur Erläuterung des meßwertverfälschenden Einflusses einer asymmetrischen Verzerrung des Geschwindigkeits-Vektorfeldes im Strömungskanalquerschnitt relativ zur Strömungskanalmittelachse;
3 eine perspektivische Ansicht eines Teiles eines induktiven Durchflußmessers zur Erläuterung des meßwertverfälschenden Einflusses einer Änderung des zur Strömungskanalmittelachse symmetrischen Strömungsgeschwindigkeit-Vektorfeldes beim Übergang von einer laminaren Strömung zu einer turbulenten Strömung;
4 eine perspektivische Ansicht eines Teiles eines induktiven Durchflußmessers, durch dessen Strömungskanalquerschnitt eine laminare Strömung der elektrisch leitenden Flüssigkeit tritt;
5 eine perspektivische Ansicht eines induktiven Durchflußmessers der hier angegebenen Art in einem Viertel der Wand des Strömungskanalabschnittes enthaltenden Ausschnitt mit einer Festlegung eines Koordinatensystems;
5a und 5b Diagramme, in denen über dem Umfangswinkel der Lage von Punkten der Strömungskanalinnenfläche zwischen einem umfangsmäßig in der Mitte zwischen den Elektroden gelegenem Punkt und dem Lagepunkt einer Elektrode Werte einer Größe aufgetragen sind, die zu Durchflutungswerten des Magnetfelderzeugungssystems des induktiven Durchflußmessers in Beziehung steht;
6 ein Diagramm und eine Querschnittsdarstellung einer Abwicklung der Strömungskanalwand gemäß 5 zur Erläuterung der Gewinnung von Diagrammen nach den 5a und 5b;
7 bis 12 verschiedene vorteilhafte Formen von an oder in einander diametral gegenüberliegenden Wandbereichen des Strömungskanalabschnittes des induktiven Durchflußmessers angebrachten Feldspulen des Magnetfelderzeugungssystems, wobei in den genannten Darstellungen jeweils die auf einer Seite gelegene Spule oder Spulenanordnung für den Betrachter sichtbar gezeichnet ist;
13 eine schematische Schnittdarstellung eines induktiven Durchflußmessers in einer Ausführungsform, bei der das Magnetfelderzeugungssystem in bestimmter Weise ausgebildete Polstücke eines mit einer Erregerwicklung versehenen Kernsystems aufweist;
14 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines induktiven Durchflußmessers gemäß einer Abwandlung gegenüber der Ausführungsform nach 13;
15 eine schematische perspektivische Ansicht eines induktiven Durchflußmessers der hier betrachteten Art unter Weglassung des Magnetfelderzeugungssystems, jedoch mit detaillierter Darstellung eines besonders vorteilhaften Elektrodensystems;
16 einen Radialschnitt durch den Strömungskanalabschnitt des induktiven Durchflußmessers nach 15 in der die Elektrodenanordnungen enthaltenden Ebene;
17 und 18 ähnliche Darstellungen wie 16 von gegenüber der Ausführungsform nach 15 und 16 abgewandelten Ausführungsformen;
19 eine schematische Teilansicht eines induktiven Durchflußmessers der hier angegebenen Art im Bereich der äußeren Anschlüsse der Meßleitungen gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung; und
20 eine schematische Seitenansicht eines induktiven Durchflußmessers gemäß einer weiteren Abwandlung.
Der in 1 in seinen grundsätzlichen Bestandteilen dargestellte induktive Durchflußmesser der hier betrachteten allgemeinen Art enthält einen Strömungskanalabschnitt 1 in Gestalt eines Rohres aus elektrisch isolierendem Material. Die Mittellängsachse des Strömungskanalabschnittes 1 ist mit Z bezeichnet. In der Mitte der Längserstreckung des Strümungskanalabschnittes 1 befinden sich an einander diametral über den betreffenden Strömungskanalquerschnitt hinweg gegenüberliegenden Orten beispielsweise etwa punkförmige Meßelektroden 2 und 3, welche über durch die Wand des elektrisch isolierenden Strömungskanalabschnittes 1 reichende Meßleitungen 4 bzw. 5 an ein Spannungsmeßgerät 6 angeschlossen sind. Die Meßelektroden 2 und 3 können auf der Innenseite des Strömungskanalabschnittes 1 unmittelbar Verbindung zu der den Strömungskanalabschnitt 1 durchfließenden, elektrisch leitenden Flüssigkeit aufnehmen oder aber bei dem Fachmann bekannter Wechselstromerregung eines Magnetfelderzeugnissystems des induktiven Durchflußmessers kapazitiv an die elektrisch leitende Flüssigkeit eingekoppelt sein, so daß die Meßelektroden in diesem Fall an der Innenseite des Strömungskanalabschnittes 1 nicht frei zu liegen brauchen. Der Abstand der die Meßelektroden 2 und 3 enthaltenden Querschnittsebene des Strömungskanalabschnittes 1 von dessen stromauf gelegenem Ende und dessen stromab gelegenem Ende sei jeweils mit z bezeichnet.
Schließlich ist in 1 durch ein Blocksymbol ein Magnetfelderzeugungssystem 7 angedeutet. Dieses erzeugt ein durch Vektoren der magnetischen Induktion dargestelltes Induktions-Vektorfeld B -, wobei die magnetischen Feldlinien die Wand des Strömungskanalabschnittes 1 und dessen Innenraum durchsetzen und im wesentlichen senkrecht zur Mittelachse Z und senkrecht zur die Meßelektroden 2 und 3 verhindenden Durchmesserlinie des Strömungskanalquerschnittes orientiert sind.
Die hier betrachtete Länge des Innenraumes des Strömungskanalabschnittes 1 von 2z ist hier etwa gleich dem Durchmesser des Strömungskanalquerschnittes gewählt. Ein von dem Magnetfelderzeugungssystem 7 erzeugtes Magnetfeld sei für die Erläuterungszwecke im Zusammenhang mit 1 zunächst als im gesamten Innenraum des Strömungskanalabschnittes 1 homogen angenommen. Wird nun eine elektrisch leitende Flüssigkeit durch den Innenraum des Strömungskanalabschnittes 1 geführt, so haben die Strömungspartikel der Flüssigkeit Geschwindigkeiten entsprechend den einzelnen zu der Mittellängsachse Z parallelen Geschwindigkeitsvektoren eines Vektorfeldes -.
Eine Vielzahl von den den gesamten Innenraum des Strömungskanalabschnittes 1 sowohl über den Kanalquerschnitt als auch über die Länge des Strömungskanalabschnittes 1 hin durchsetzenden Leiterpfaden ist durch gestrichelte Linien w in 1 angedeutet. Bewegt sich die elektrische leitende Flüssigkeit entsprechend dem Geschwindigkeits-Vektorfeld - durch den Strömungskanalabschnitt 1, so sind die Leiterpfade entsprechend den Linien w als im Magnetfeld bewegte Leiter zu verstehen, in welchen jeweils elektromotorische Kräfte aufgrund der Bewegung der Leiterpfade induziert werden, derart, daß schließlich zwischen den Meßelektroden 2 und 3 eine resultierende induzierte Meßspannung ansteht, welche durch das Meßgerät 6 gemessen wird und zu der Durchflußmenge je Zeiteinheit der elektrisch leitenden Flüssigkeit in Beziehung steht.
Aufgrund der Orientierung und des Verlaufs der in der elektrisch leitenden Flüssigkeit angenommenen Leiterpfade entsprechend den Linien w tragen die in den einzelnen Leiterpfaden induzierten elektromotorischen Kräfte in unterschiedlichem Maße zu dem schließlich am Meßgerät 6 ablesbaren Meßsignal S bei. Dies ergibt sich daraus, daß die Leiterpfade mindestens in bestimmten Abschnitten ihres Verlaufes zwischen den Meßelektroden 2 und 3 eine von dem Verlauf senkrecht zur Mittellängsachse Z und senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfeldes unterschiedliche Orientierung haben und auch jeweils unterschiedliche Längen besitzen.
Aus diesem Grunde rechtfertigt sich eine Betrachtung der Leiterpfadkonfiguration als Leiterpfadkonfigurations-Wertigkeitsvektorfeld W -, wobei dieses nachfolgend abgekürzt als Wertigkeits-Vektorfeld bezeichnete Vektorsystem die für die Induktion von elektromotorischen Kräften verantwortlichen Orientierungskomponenten das Leiterpfadverlaufs berücksichtigen.
Das an dem Spannungsmeßgerät 6 ablesbare Signal S ist folgendermaßen auszudrücken:
Haben sämtliche zur Mittellängsachse Z parallele Vektoren des Strömungsgeschwindigkeit-Vektorfeldes - gleiche Länge, ist also die Strömungsgeschwindigkeit über dem Strömungskanalquerschnitt hin konstant, dann ergibt sich eine lineare Abhängigkeit des Meßsignales S von der Strömungsgeschwindigkeit, da das Produkt (BB - × W -) im wesentlichen als eine durch die geometrische Anordnung im Durchflußmesser bestimmte Vorrichtungskonstante ist.
Praktisch aber erleidet das Geschwindigkeits-Vektorfeld - für bestimmte Betriebsfälle des induktiven Durchflußmessers bestimmte Verzerrungen, die kurz unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 rein qualitativ behandelt seien.
2 zeigt ein Vektorfeld - der Geschwindigkeitsverteilung über den Strömungskanalquerschnitt hin, bei dem keine Rotationssymmetrie des Strömungsprofils mit Bezug auf die Mittellängsachse Z des Strömungskanalabschnittes 1 vorliegt. Der Bereich maximaler Geschwindigkeitsvektoren des Vektorfeldes - ist mit Bezug auf die Mittellängsachse Z nach abwärts asymmetrisch versetzt. Diese Geschwindigkeitsverteilung kann beispielsweise daraus resultieren, daß sich in Kanalabschnitten, welche dem Strömungskanalabschnitt 1 vorgeschaltet sind, Strömungshindernisse, beispielsweise Ventilschieber, Rohrkrümmer und dgl. befinden, die bewirken, daß sich beispielsweise im unteren Quadranten des Rohrquerschnittes die maximalen Strömungs vektoren der Strömungsverteilung befinden. Der Bereich des Maximum kann jedoch auch in anderen Quadranten liefen, etwa in einem Querschnittsquadranten, an den die Meßelektrode 2 angrenzt, oder in einem Querschnittsquadranten, welcher dem Scheitelpunkt des Strömungskanalabschnittes 1 benachbart ist, oder auch in dem Querschnittsquadranten, an den die Meßelektrode 3 angrenzt.
3 zeigt eine Situation, bei der aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanalabschnitt 1 ein Übergang von der laminaren Strömung (siehe 4) zu einer turbulenten Strömung stattgefunden hat. Das Strömungsprofil ist in einem Axiallängsschnitt einer Trapezform angenähert, wobei Randschichten geringer Strömungsgeschwindigkeit verhältnismäßig geringe radiale Stärke haben. Im Bereich einer laminaren Strömung gemäß 4 hat das Strömungsprofil des Vektorfeldes - die Gestalt eines zu der Mittellängsachse Z symmetrischen Rotationsparaboloides.
Sowohl die Lage als auch die Größe der Asymmetrie des Strömungsprofils gegenüber der Mittellängsachse Z nach 2 als auch die prinzipielle Gestalt eines zur Mittellängsachse Z symmetrischen Strömungsprofils nach den 3 und 4 und schließlich auch die Gestalt eines rotationsparaboloidischen Strömungsprofils im laminaren Strömungsbereich haben Einfluß auf das an dem Meßgerät 6 nach 1 ablesbare Meßsignal im Sinne einer Meßwertverfälschung, wenn von einem homogenen Magnetfeld B ausgegangen wird, da Abweichungen der praktischen Geschwindigkeits-Vektorfelder - von einer über den Strömungskanalquerschnitt gleichförmigen Verteilung jeweils unterschiedliche Bewegungen der durch das Linienfeld w in 1 versinnbildlichten Leiterpfade des Wertigkeits-Vektorfeldes W - und damit unterschiedliche Beiträge zum Signal S bedeuten.
Es wurde nun gefunden, daß die Kompensation des meßwertverfälschenden Einflusses der Verzerrung der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung über den Strömungskanalquerschnitt hin durch besondere Gestaltung des Vektorfeldes der magnetischen Induktion B - dann besonders erfolgreich ist, wenn ein in dem Strömungskanalabschnitt 1 wirksames Magnetfelderzeugungssystem den Innenraum des Strömungskanalabschnittes mit einer effektiven Intensität i durchsetzt, die, über einer Abwicklung der Strömmungskanalinnenwand aufgetragen, zwischen einem Umfangspunkt auf halber Strecke zwischen den Meßelektroden und jeweils einer der Meßelektroden einen in ganz bestimmter Weise ausgeprägten konkaven Verlauf hat.
Die effektive Intensität i des vom Magnetfelderzeugungssystem erzeugten Magnetfeldes bezogen auf die Zylinderfläche, in welcher die Magnetlinien in die elektrisch leitfähige Flüssigkeit eintreten und mit ihr in Wechselwirkung treten, also bezogen auf die Innenwandfläche des Strömungskanalabschnittes 1, sei hier folgendermaßen definiert:
Hierin bedeutet den in der Kanalquerschnittsebene der Elektroden 2, 3 gemessenen Umfangswinkel zwischen einem mittig zwischen den Elektroden gelegenen Punkt der Strömungskanalinnenfläche und einem hiervon entfernteren, einer der Elektroden näherliegenden Punkt der Strömungskanalinnenfläche und der Kanalquerschnittsfläche, wobei zur Bedeutung des Winkels φ auch auf 5 hingewiesen sei.
φ₀ ist der Wert von für den elektrodennächsten Punkt einer den Strömungskanalabschnitt 1 umschlingenden Spulenanordnung oder Polschuhfläche des Magentfelderzeugungssystems, derart, daß φ₀ dem halben Umschlingungswinkel dieser Spulenanordnung oder der betreffenden Polschuhfläche gleich ist.
Θ ist die magnetische Durchflutung in Amperewindungen einer Spule oder eines Polschuhteiles des Magnetfelderzeugungssystems mit dem Umschlingungswinkel 2φ. derart, daß dann, wenn beispielsweise eine Spulenanordnung eines Spulenanordnungspaares des Magnetfelderzeugungssystems aus Einzelspulen jeweils unterschiedlicher Umschlingungswinkel besteht, die jeweilige magnetische Durchflutung dieser Einzelspulen zur Berechnung der Summanden in obiger Gleichung zu berücksichtigen ist.
b(φ) ist die jeweilige örtliche Spulenbreite bzw. die jeweilige örtliche Polschuhbreite (gemessen in der Richtung der Strömungskanallängsachse).
R_i ist der Innenradius des Strömungskanalabschnittes.
R_φ ist der örtliche Abstand einer dem Strömungskanal zugewandten Strömungshauptfläche oder einer Magnetpolfäche von der Strömungskanallängsachse Z.
Der Korrekturfaktor
berücksichtigt die Erzeugung einer geringeren effek tiven Intensität des Magnetfeldes an der Innenwandfläche des Strömungskanalabschnittes 1 durch solche Teile des Magentfelderzeugungssystems, also Spulenteile oder Polschuhflächenteile, welche vergleichsweise größeren Abstand von der Strömungskanalmittellängsachse haben.
Würde man nun einen Strömungskanalabschnitt 1 mit einer Reihe von am Mantel der Strömungngskanalwand vorgesehenen Rechteckspulen gleicher Breite in Richtung der Kanalachse gemessen, versehen, wobei der Umschlingungswinkel bei jeweils gleicher Lage der Spulenmitte von Spule zu Spule linear zunimmt, so ergäbe sich entsprechend den zuvor aufgezeigten Zusammenhängen ein linearer Verlauf der effektiven Intensität. Eine solche Bemessung des Magnetfelderzeugungssystems erfüllt nicht die hier angegebene technische Lehre.
Auch eine einzige, in Aufsicht auf die Abwicklung der Strömungskanalinnenfläche rautenförmige, Feldspule auf je einer Seite des Strömungskanalabschnittes führt nicht zu der vorerwähnten, in besonderer Weise konkaven Gestalt der Kennlinie der effektiven Intensität, weil bei der genannten Rautenform die örtliche Spulenbreite linear abnimmt und wiederum nicht ein „konkaver" Verlauf der Kennlinie der effektiven Intensität des Magnetfeldes innerhalb des Strömungskanalabschnittes gegeben ist.
Dann, wenn man entsprechend der Lehre der eingangs kurz diskutierten europäischen Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 04 130 33, die Strömungskanalau ßenwand umschlingende Spulen des Magentfelderzeugungssystems in solcher umfangsmäßiger Verteilung vorsieht. daß eine etwa sinusförmige Durchflutungsverteilung über den Umfang hin auf einem weniger als 180° überspannenden Bogen zwischen den Elektroden erreicht wird, erhält man, wie vergleichsweise einfache Überlegungen zeigen, bei Anwendung der obigen Definitionsgleichung für die effektive Intensität eine Sinus-Charakteristik, die einen konkaven Verlauf hat.
Es wurde nun gefunden, daß es für die Lösung der hier zugrunde gelegten Aufgabe nicht ausreicht, lediglich einen konkaven Verlauf der effektiven Intensität des Magnetfeldes des Magenterzeugungssystems über den Strömungskanalinnenumfang auf die Elektroden hin zu fordern, sondern daß eine besondere Qualität dieses konkaven Verlaufes zu überraschenden Ergebnissen und sprungartigen Verbesserungen bezüglich der Unempfindlichkeit gegenüber Messewertverfälschungen aufgrund von strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Veränderungen des Strömungsprofils oder aufgrund von Unsymmetrien des Strömungsprofils führt.
Dies bedeutet, daß erfindungsgemäß die Kennlinie i(φ) oder eine konkave Hüllkurve i'(φ) dieser Kennlinie, soweit diese Unstetigkeitsbereiche aufweist, also beispielweise getreppt oder geknickt ist, einerseits die Bedingung zu erfüllen hat, daß sie von einem bei oder nahe = 0 gelegenen Maximalwert ausgehend für Werte von φ = φ₀ derart auf 0 abfällt, daß
bzw.
mindestens im überwiegenden Teil des Bereiches negativ ist, was bedeutet, daß die Kennlinie im wesentlichen über den gesamten angegebenen Bereich fallend verläuft. Zusätzlich aber ist die Bedingung einzuhalten, daß die Kennlinie in diesem Bereich mindestens abschnittsweise kleinere Werte hat als die Kennlinie
wobei wenigstens einer dieser kleineren Werte 10% kleiner als der entsprechende Wert der Kennlinie
ist.
Diese besonders ausgeprägte Konkavität des hier vorgeschlagenen Verlaufes der Kennlinie für die effektive Intensität des Magnetfeldes des Magnetfelderzeugungs systems ist bei sämtlichen hier angegebenen Ausführungsformen einzuhalten und begründet die erzielten bedeutsamen und teilweise größenordnungsmäßigen Verbesserungen der Unempfindlichkeit gegenüber messwertverfälschenden Einflüssen.
Die Diagramme nach den 5a und 5b zeigen den Verlauf der effektiven Intensität des Magnetfeldes, aufgetragen über dem Winkel φ, welcher den in der Kanalquerschnittsebene der Elektroden gemessenen Umfangswinkel zwischen einem mittig zwischen den Elektroden gelegenen Punkt der Strömungskanal-Innenfläche, also zwischen dem Scheitel der Strömungskanal-Innenwand gemäß der Darstellung von 5, und einem hiervon entfernteren, einer der Elektroden näherliegenden Punkt. Die Kennlinie i = f(φ) fällt gemäß 5a von einem Maximalwert bei φ = 0 mit im wesentlichen ständig abnehmendem Gefälle in Richtung auf die Umfangsposition der Elektrode 2 hin ab und erreicht bei φ₀ ausreichend vor dem Abszissenwert von φ = 90° entsprechend der Position der Elektrode einen Nulldurchgang. Bei dem Beispiel von 5b steigt die Kennlinie i = f(φ) von einem gewissen Wert für φ = 0 zu einem Maximum bei einem noch verhältnismäßig kleinen Wert für an, um dann mit zunächst größer werdendem Gefälle, danach aber ähnlich wie bei der Kennlinie nach 5a mit stetig kleiner werdendem Gefälle gegen eine Nullstelle bei φ₀ zu streben, die der Elektrodenposition bei φ = 90° naheliegt.
Es versteht sich, daß sich die Kennlinien i = f(φ) beim Fortschritt in Umfangsrichtung auf die jeweils andere Meßelektrode 3 hin in den von 5a und 5b links 1iegenden Umfangsbereichen der Strömungskanal-Innenfläche zu Ordinatenachse symmetrisch wiederholen.
In praktischen Fällen, in denen diskrete Spulen den Außenumfang des Strömungskanalabschnittes 1 umschlingen, hat die Kennlinie i = f(φ) Treppenform, wie dies in der Darstellung von 6 deutlich gemacht ist. Die hier angegebene Lehre bezieht sich in diesen Fällen auf eine konkave Hüllkurve i'(φ), welche in 6 durch eine strichpunktierte Linie 10 dargestellt ist.
Die Erfindung erfaßt auch Kennlinienformen, bei denen i = f(φ) von einem bestimmten Maximalwert für Abszissenwerte von φ nahe Null, zu einer Nullstelle abfällt, um dann für einen größeren Wert von wieder über Null anzuwachsen, jedoch auf ein neuerliches Maximum, das ganz wesentlich unter dem erstgenannten Maximum liegt, wonach der i-Wert schließlich für einen Wert φ = φ₀ endgültig auf Null abfällt, bevor die Umfangsposition der Meßelektrode erreicht ist. Die Winkelposition dieses endgültigen Abfalles von f(φ) auf Null in der Nähe der Meßelektrode 2 oder 3 kann als halber Umschlingungswinkel φ des Magnetfelderzeugungssystems bezeichnet werden. Er ist mit Bezug auf die Darstellungen nach den 5, 5a, 5b und 6 jedenfalls kleiner als 90°, und, bezogen auf die Darstellung zweier Quadranten zwischen den Meßelektroden 2 und 3, jedenfalls kleiner als 180°.
Einr bevorzugter Grad der Umschlingung im vorstehenden Sinne ist φ ≥ 70°, bezo gen auf die Darstellung zweier Quadranten also 2φ ≥ 140°.
Im Prinzip eignen sich zwei, gleiche Wirksamkeit aufweisende, Vorgehensweisen zur Verringerung des Einflusses einer Verzerrung des Strömungsgeschwindigkeits-Vektorfeldes auf den Meßwert in der hier angegebenen Weise, wobei der insgesamt auggewandete magnetische Fluß so aufgeteilt wird, daß sich die zuvor definierte Gestalt der Kennlinie i = f(φ) ergibt. Zum einen kann man eine Polfläche oder Strömungskanallnnenwandfläche von in Umfangsrichtung gleichbleibender Breite in Strömungskanal-Längsrichtung mit örtlich unterschiedlicher elektrischer Durchflutung belegen, was bedeutet, daß beispielsweise eine erste Spule geringerer Umschlingung in Umfangsrichtung eine Amperewindungszahl von 1,000 habe, während eine zweite Spule größerer Umschlingung beispielsweise eine Amperewindungszahl von 0,1 habe. Meßungenauigkeiten aufgrund einer Asymmetrie des Strömungsgeschwindigkeits-Vektorfeldes schwanken bei Wanderung des Strömungsmaximums zwischen der Umfangsposition einer Meßelektrode und der Umfangsposition des umfangsmäßigen Mittelpunktes zwischen den beiden Meßelektroden. Gegenüber einer optimierten Pechteckspule wird der maximale Betrag der Meßungenauigkeit auf ein Zehntel herabgesetzt. Eine Abhängigkeit der Meßgenauigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit, der Gestalt eines symmetrischen Strömungsprofils nach den 3 und 4 ist im wesentlichen bei dieser Ausbildung des Magnetfeld-Erzeugungssystems der hier angegebenen Art nicht mehr gegeben.
Ein anderer Weg der Gestaltung des Magnetfeld-Erzeugungssystems derart, daß sich die gewünschte Kennliniengestalt ergibt, besteht darin, die äußere Kontur einer mit einer einheitlichen elektrischen Durchflutung versehenen Spule entsprechend zu gestalten. Diese Ausbildung ist in 7 dargestellt. Die einander über den Strömungskanal-Innenraum gegenüberstehenden Spulen sind jeweils kreuzförmig gestaltet und ergeben den ewünschten Kennlinienverlauf i = f(φ), etwa gemäß 5b mit dem Ergebnis einer weitgehenden Unabhängigkeit des Meßergebnisses von der Asymmetrie der Strömungsgeschwindigkeits-Vektrofeldes - nach 2 in Grenzen von etwa 0,5 % bis -0,1 % sowie weitgehender Unabhängigkeit des Meßergebnisses von rotations mmetrischen Strömungsprofilen.
Eine der effektiven Intensität des Magnetfeld-Erzeugungssystems nach 7 entsprechende effektive Intensität kann gemäß 8 auch durch eine schmale Spule größerer Umschlingung und eine breite Spule geringerer Umschlingung je Strömungskanalseite erreicht werden.
Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung ist in 9 gezeigt, bei der je Strömungskanalseite eine schmale Spule großer Umschlingung und zwei am Strömungskanalmantel stromab und stromauf von der schmalen Spule gelegene weitere Spulen geringerer Umschlingung vorgesehen sind. Selbstverständlich sind sämtliche Spulen nach 8 und 9, sowie im übrigen auch nach den nachfolgend kurz zu betrachtenden 10, 11 und 12 in gleichem Umlaufsinn stromdurchflossen.
10 zeigt in ihrem oberen Teil eine Ausführungsform, bei der eine in Richtung der Mittellängsachse des Strömungskanalabschnittes breite Spule geringerer Umschlingung symmetrisch zur umfangsmäßigen Mitte zwischen den Meßelektroden 2 und 3 angeordnet ist und sich an deren zur Mittellängsachse des Strömungskanalabschnittes parallelen Spulenseiten jeweils schmale Spulen anschließen, deren von der Mitte der genannten breiten Spule abliegende Spulenseiten jeweils den Meßelektroden 2 und 3 naheliegen. Die im unteren Teil von 10 angedeutete Ausführungsform sieht noch einen Zwischenraum zwischen der mittigen, breiten Spule und den den Meßelektroden näherliegenden schmalen Spulen vor, was die Wirkung hat, daß man beim Aufzeichnen der Kennlinie i = f(φ) nach den im Zusammenhang mit 6 gegebenen Regeln zu einem Kennlinienabschnitt im Bereich zwischen den Spulen kommt, der mit der Abszisse zusammenfällt. Wie zuvor schon angegeben, erfüllen auch solche Ausführungsformen die hier angegebene technische Lehre eines eingebuchteten oder „konkaven" Verlaufes der Kennlinie i = f(φ) etwa gemäß den 5a oder 5b. Die an eine mittige breite Spule angrenzenden schmäleren Spulen können anstelle der in Aufsicht rechteckigen Gestalt auch dreieckige oder runde Form besitzen.
Die zwischen den stromauf und stromab gelegenen Spulen geringeren Umschlin gungswinkels gelegene schmale Spule großen Umschlingungswinkels gemäß 9 kann auch in zwei schmale Einzelspulen aufgeteilt werden.
Die Spulenteile geringerer Breite in Richtung der Mittellängsachse des Strömungskanals 1 gemäß 7 brauchen nicht notwendig in Aufsicht rechteckige Gestalt haben, sondern können sich auch spitz zulaufend in Richtung auf die Meßelektroden 2 und 3 verjüngen.
11 zeigt eine Ausführungsform in entsprechender Darstellungsweise wie in den 7 bis 10, wobei die einander diametral gegenüberstehenden Spulenanordnungen jeweils eine Aufteilung in zwei Spulen unterschiedlicher Umschlingung bei gleicher Spulenbreite in Richtung der Strömungskanallängsachse Z im oberen Teil der Zeichnung und eine Aufteilung in drei Spulen unterschiedlicher Umschlingung jedoch gleicher Spulenbreite in Richtung der Strömungskanallängsachse Z im unteren Teil der Zeichnung aufweisen. Die Spulen können unterschiedliche Windungszahlen haben und/oder mit unterschiedlichen Erregerströmen beaufschlagt sein.
12 zeigt eine Ausführungsform, bei der die einander gegenüberliegenden Spulenanordnungen jeweils eine Spule bestimmter Umschlingung aufweisen und mit Hilfspolschuhteilen h zusammenwirken, welche zur Kanalquerschnittsebenen der Elek troden symmetrisch gelegen sind und im vorliegenden Ausführungsbeispiel lanzenförmige Gestalt haben. Sie erstrecken sich über einen Bereich zwischen dem Strömungskanalabschnitt 1 und der Spulenanordnung hinaus in Richtung auf die Elektroden hin und werden von streifenartigen weichmagnetischen Bauteilen gebildet. Die Hilfspolschuhteile h können auch jeweils schmal streifenförmig oder blattförmig oder rautenförmig ausgebildet sein und ergeben zusammen mit den zugehörigen Spulen des Magentfelderzeugungssystems die hier angegebene besondere Form des Verlaufes der effektiven Intensität des Magnetfeldes.
Ausdrücklich sei hier erwähnt, daß in keiner Ausführungsform ein Verlauf der Kennlinie i = f(φ) angenähert ist, wie er durch eine in Aufsicht rautenförmige Spule erreicht wird, mittels derer ein von der Gestalt nach den 5a und 5b abweichender, etwa geradliniger Verlauf der Kennlinie i = f(φ) erzielt wird, während gemäß der hier angegebenen Lehre sich die Kennlinie i = f(φ) durch einen mindestens in einem wesentlichen Bereich in bestimmter Weise qualifiziert konkaven Verlauf auszeichnet.
Die hier angegebene Gleichung für die effektive Intensität des Magnetfeldes, nämlich i = f(φ), hat nur bei Verwendung von über die Umschlingung im Umfangsbereich zwischen den Meßelektroden windungsmäßig fein verteilten Spulen oder bei Spulen mit in Richtung auf die Meßelektroden hin stetig abnehmender Breite ihrerseits einen stetigen Verlauf, während bei den meisten Ausführungsformen, etwa wie in 6 angedeutet, eine abgetreppte Kennlinie i = f(φ) erhalten wird. Die hier angegebene Gestaltungsregel für die Kennlinie i = f(φ) derart, daß die Kennlinie über einen wesentlichen Bereich zwischen der umfangsmäßigen Mitte der Strömungskanalinnenwand zwischen den Meßelektroden und einer Winkelposition der Strömungskanalinnenwand nahe den Meßelektroden einen konkaven Verlauf hat, bezieht sich im Falle einer abgetreppten Kennlinie, wie bereits gesagt, auf die konkave Hüllkurve i'(φ), die in 6 bei 10 eingezeichnet ist.
Die bisher behandelten Ausführungsformen eines induktiven Durchflußmessers der hier betrachteten Art weisen auf einander gegenüberliegenden Seiten des Strömungskanalabschnittes 1 in Umfangsbereichen zwischen den Meßelektroden 2 und 3 auf der Wandaußenseite oder in die Wand des Strömungskanalabschnittes 1 eingebettet stromdurchflossene Feldspulen auf, die das Magnetfeld der gewünschten effektiven Intensität erzeugen.
Anstelle der Feldspulen kann jedoch auch eine Anordnung einander über den Strömungskanalbschnitt 1 gegenüberstehender Polschuhe eines magnetischen Schließungskreises vorgesehen sein, wie dies in den 13 und 14 dargestellt ist. Dieser magnetische Schließungskreis ist in den 13 und 14 mit 20 bezeichnet und trägt eine konzentrierte Erregerwicklung 21, welche mit getaktetem Gleichstrom oder Wechsel strom beaufschlagt wird, je nachdem, ob der induktive Durchflußmesser ein Gleichstrom-Meßsignal oder Wechselstrom-Meßsignal liefern soll.
Die einander über den Strömungskanalabschnitt 1 hinweg gegenüberstehenden Polschuhe 22 und 23 bei der Ausführungsform nach 13 haben seitlich angesetzte Polschuhteile 24, deren Polschuhflächen sich in geringerem Abstand von den jeweiligen Meßelektroden 2 und 3 an die Strömungskanalabschnitt-Außenwand anlegen, wobei die Pnlschuhteile 24 durch in der Zeichnung nicht dargestellte Einschnürungen oder Ausstanzungen so ausgebildet sein können, daß sie einen erhöhten magnetischen Widerstand aufweisen, derart, daß die an den Polschuhflächen der Polschuhteile 24 zu messende Flußdichte geringer ist als die Flußdichte, die aus den Polschuhflächen der Hauptteile der Polschuhe 22 und 23 austritt, wodurch erreicht wird, daß die effektive Intensität des Magnetfeldes entsprechend einer äquivalenten Amperewindungszahl einer durch die Polschuhe 22 und 23 ersetzten Feldspulenanordnung gestaltet wird.
Bei der Ausführungsform nach 14 haben die Polschuhe 22 und 23 seitliche Ansätze 25 geringerer Breite bezogen auf die Abmessung in Richtung der Mittellängsachse Z des Strömungskanalabschnittes 1, wobei die seitlichen Ansätze 25 sich mit ihren dem Strömungskanal-Innenraum zugewandten Polflächen über einen nahe an die Meßelektroden 2 und 3 reichenden Umschlingungsbereich anlegen. Der Fachmann erkennt, daß die in 14 gezeigte Ausführungsform mit Teil eines magnetischen Kreises bildenden Polschuhen 22 und 23 einer Ausführungsform mit Feldspulen des Magnet-feld-Erzeugungssystems nach 7 entspricht. Eine Ausführungsform nach
1 mit seitlich an die Haupt-Polschuhe 22 und 23 angesetzten und von diesen abzweigenden Polschuhteilen 24 kann, wenn diese Polschuhteile 24 in Richtung der Mittellängsachse des Strömungskanalabschnittes 1 geringere Breite als die Haupt-Polschuhteile haben, als äquivalent zu einer Feldspulen-Magnetfelderzeugungseinrichtung gemäß dem unteren Teil von 10 angesehen werden.
In Abwandlung der Ausführungsformen nach den 13 und 14 können zur Bildung des Magnetfeld-Erzeugungssystems des induktiven Durchflußmessers der hier angegebenen Art auch mehrere magnetische Schließungskreise mit unterschiedlich strombeaufschlagten Erregerwicklungen vorgesehen sein, wodurch sich weitere zu Magnetfelderzeugungssystemen mit Feldspulen äquivalente Magnetfelderzeugungssysteme mit Polschuhanordnungen aufbauen lassen, welche der hier angegebenen Regel für den Verlauf der effektiven Intensität des Magnetfeldes über dem Umfangswinkel der Strömungskanalinnenwand zwischen den Meßelektroden genügen.
Eine zusätzliche Größe zur Beeinflussung des Vektorfeldes B - der magnetischen Induktion im Innenraum des Strömungskanalabschnittes 1 zur Erzeugung der gewünschten Verteilung der effektiven Intensität des Magnetfeldes an der Strömungskanal-Innenfläche ist der Abstand zwischen Spulen oder Spulensätzen bzw. zwischen den Polschuhflächen der Pole des Magnetfeld-Erzeugungssystems von der äußeren Mantelfläche des Strömungskanalabschnittes 1 in Abhängigkeit von der Winkelposition zwischen der umfangsmäßigen Mitte zwischen den Meßelektroden und der jeweiligen Meßelektrode. In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, wenn die Spulen oder Spulensätze mit zunehmender Nähe zu den Meßelektroden einen abgestuft oder kontinuierlich größer werdenden Abstand besitzen, so daß auch der entsprechende Abstand zu der Strömungskanal-Innenfläche in Umfangsrichtung auf die Meßelektroden hin zunimmt. Ganz entsprechendes gilt für die Abstände der Polschuhflächenbereiche von der Außenfläche bzw, von der Innenfläche der Wand des Strömungskanalabschnittes 1. Bei der Berechnung des Magentfelderzeugungssystems der hier vorgeschlagenen Art geht der jeweilige örtliche Abstand der Spulenflächen bzw. der Polschuhflächen von der Strömungskanallängsachse Z ohne dies durch den Korrekturfaktor
der hier ange gebenen Gleichung für i(φ) in die Rechnung ein.
Werden bei Bewegungen der elektrisch leitenden Flüssigkeit im Strömungskanalabschnitt 1 Ströme in dem etwa zylindrischen Flüssigkeitsvolumen induziert, so konzentrieren sich die den Strömungskanalinnenraum zwischen den Elektroden 2 und 3 durchsetzenden Leitungspfade in der elektrisch leitenden Flüssigkeit nahe der Austrittsstelle bzw. der Eintrittsstelle an den im allgemeinen punktförmige Elektrodenflächen, was bei bestimmten Strömungsprofilverzerrungen über den Strömungskanalquerschnitt hin zu Messwertverfälschungen führen kann, die durch die hier angegebene besondere Gestaltung des Magnetfelderzeugungssystems nicht vollständig beseitigt werden können.
Es hat sich gezeigt, daß durch eine besondere Zusammenwirkung der hier vorgeschlagenen Gestaltung des Verlaufs der effektiven Intensität des Magnetfeldes des Magentfelderzeugungssystems mit einer besonderen Elektrodenform der Elektrodenflächen der Elektroden 2 und 3 eine überraschende Verbesserung der Unempfindlichkeit des induktiven Durchtlußmessers gegenüber Strömungsprofiländerungen und Strömungsprofilunsymmetrien erreicht werden kann, wobei auch die Herstellung der Elektrodenanordnung vereinfacht und verbilligt wird.
Der induktive Durchflußmesser nach 15 enthält wiederum den aus elektrisch isolierendem Material gefertigten, im Querschnitt runden Strömungskanalabschnitt 1, drch dessen zylindrischen Innenraum die elektrisch leitende Flüssigkeit parallel zur Strömungskanalmittelachse Z geführt wird, deren Durchfluß zu messen ist. Das in der Darstellung von 15 nicht im einzelnen gezeigte Magnetfelderzeugungssystem erzeugt im Bereich des Strömungskanalabschnittes 1 ein Magnetfeld, in der Art und Weise, wie dies im Zusammenhang mit den zuvor betrachteten Ausführungsformen im einzelnen beschrieben wurde. Über einen etwa in der Mitte der Längserstreckung des Strömungskanalabschnittes 1 gelegenen Querschnitt des Strömungskanalinnenraums stehen einander diametral Elektrodenanordnungen 2 und 3 gegenüber, die jeweils einen bestimmten Winkelbereich a des Strömungskanalinnenumfangs überspannen. Die Elektrodenanordnungen weisen schmale, zylindersektorförmige Elektrodenflächen auf, die mit der Innenfläche des Strömungskanalabschnittes fluchten, wie aus 16 deutlich zu ersehen ist. Die Erstreckung der Elektrodenflächen über den Winkelbereich α bewirkt, daß die Eintrittstelle bzw. die Austrittsstelle der Leitungspfade, welche den Strömungskanalinnenraum durchsetzen und in welchen bei Bewegung der Flüssigkeit vermittels des Magnetfeldes B elektromotorische Kräfte induziert werden, im elektrodennahen Bereich eine gegenüber Anordnungen mit punktförmigen Elektroden gerin gere Leitungspfadkonzentration haben, so daß bei Veränderungen des Strömungsprofils durch den Strömungskanalinnenraum eine geringere Meßwertverfälschung mit den hier gezeigten Elektrodenanordnungen erreicht wird.
Die Elektrodenannrdnung 2 steht radial nach einwärts als bogenförmiger Steg von einem Kreisringscheibensektor 40 weg, der im Bereich seiner Unterbrechung an einen dünnen U-förmigen Kurzschlußbügel 50 anschließt. Der Kreisringscheibensektor 40 und der U-förmige Kurzschlußbügel 50 liegen in einer Radialebene mit Bezug auf die Strömungskanallängsachse Z, in welcher auch die Mittelebenen der Elektrodenanordnungen 2 und 3 gelegen sind.
Die Unterbrechung des Kreisringscheibensektors 40 und der Kurzschlußbügel 50 haben solche lichte Breite, daß sie in der Radialebene die andere Elektrodenanordnung und eine zu ihr führende streifenförmige Meßleitung 60 mit Isolationsabstand umrahmen. Die Elektrodenanordnung 3 kann sich entweder von der Meßleitung 60 aus in Richtung auf die Innenfläche des Strömungskanalabschnittes hin verbreitern, wie dies in 15 angedeutet ist oder kann von einem vorderen Teil der Meßleitung 60 gebildet sein, wobei diese dann auf ihre gesamte Länge solche Breite hat, daß die Meßelektrodenanordnung 3 schließlich auf der Strömungskanalinnenseite denselben umfangsmäßi gen Winkel α überspannt wie die Elektrodenanordnung 2.
17 zeigt eine Ausführungsform, bei der jede Elektrodenanordnung zwei Einzelelektroden 2a und 2b bzw. 3a und 3b aufweist, die am Innenumfang des Strömungskanalabschnittes 1 über den Winkelbereich α auseinanderliegen. Auch mit dieser An ordnung wird eine Herabsetzung der Konzentration der Leitungspfade im elektrodennahen Bereich erzielt, die zu einer Verbesserung der Unabhängigkeit des Meßergbnisses von Strömungsprofilverzerrungen in der elektrisch leitenden Flüssigkeit führt.
Bei der Ausführungsform nach 18 sind über den Winkelbereich von α jeweils vier stegförmige Einzelelektroden 2a bis 2d bzw. 3a bis 3d verteilt. Die einzelnen Elektroden nach 3 und die Einzelelektroden nach 18 brauchen nicht an gesonderte Meßleistungsabschnitte gelegt zu werden, die gegebenenfalls verdrillt aus dem Strömungskanalabschnitt herausgeführt werden müßten, um meßwertverfälschende Einflüße von Induktionsspannungen in den Meßleitungen auszuschließen. Vielmehr sind die einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnungen jeweils unmittelbar über Meßleitungsabschnitte kurzgeschlossen, nämlich die Einzelelektroden 2a und 2b über den sie verbindenden Bogenabschnitt des Kreisringscheibensektors 40 und die Einzelelektroden 3a und 3b durch die sie verbindende Stirnseite des streifenförmigen Teiles 60. Entsprechendes gilt Für die Ausführungsform nach 40.
Man erkennt bei den Bauformen nach den 15 bis 18, daß der Kreisringscheibensektor 40 und Teile des Kurzschlußbügels 50 ebenso wie der die Elektrodenanordnung 3 tragende streifenförmige Leiter 60 teilweise in einer radialen Mittelebene lie gend in die Wand des Strömungskanalabschnittes 1 eingebettet sind. Die genannten Leiterteile können in den als Kunststoff-Spritzgußteil ausgebildeten Strömungsabschnitt 1 eingegossen sein, derart, daß die Elektrodenflächen auf der Strömungskanalinnenseite Freiliegen und der Kurzschlußbügel 50 sowie der streifenförmige Leiter 60 seitlich aus der Wand des Strömungskanalabschnittes 1 vorstehen, derart, daß hier eine Meßvorrichtung angeschlossen werden kann, die in der Zeichnung mit 70 bezeichnet ist.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Kurzschlußbügel 50 und die streifenförmige Meßleitung 60 seitlich ausreichend weit aus der sie umschließenden Strömungskanalwand hervorstehen und in diesem Bereich zunächst durch Leiterstege einstückig verbunden sind, derart, daß während des Einbettens der Elektrodenanordnungen und der Meßleitungen die Elektrodenanordnungen eine feste relative Lage zueinander einhalten. Nach dem Einbetten werden die verbindenden Leiterstege durch von der Strömungska nalaußenwand beabstandete Ausstanzungs-Trennbereiche entfernt, wobei sich die gegenseitige Lage der Elektrodenanordnungen nicht mehr verändert. Solche Ausstanzungs-Trennbereiche sind in 19 bei 80 angedeutet. Die beiden Meßleitungen mit ihren Elektrodenanordnungen können also als ein einheitliches Blech-Stanzteil bereitge stallt werden und werden in den als Spritzgußteil ausgebildeten Strömungskanalab chnitt 1 eingebettet und erst danach durch die Ausstanzungs-Trennbereiche elektrisch voneinander abgeteilt.
Der Kreisringscheibensektor 40 und die streifenförmige Meßleitung 60 haben in der Radialebene mit Bezug auf die Strömungskanallängsachse Z beträchtliche Breite, um ausreichende Leiterquerschnitte für einen sicheren Kurzschluß der Einzelelektroden je einer Elektrodenanordnung zur Verfügung zu stellen. Werden die Elektrodenanordnungen und Meßleitungen in die Wand des Strömungskanalabschnittes 1 eingebettet, so kann der Strömungskanalabschnitt eine beträchtliche Wandstärke annehmen, derart, daß es bei manchen Ausführungsformen Schwierigkeiten bereitet, im Innenraum des Strömungskanalabschnittes 1 ein ausreichend intensives Magnetfeld zu errichten.
Zur Vermeidung dieses Problems können gemäß der Ausführungsform von 20 die Elektrodenanordnungen und die Meßleitungen in einem Flanschkörper 90 größeren Durchmessers des Strömungskanalabschnittes 1 eingebettet sein, an den beidseitig dünnwandige Kanalteile 100 und 110 des Strömungskanalabschnittes 1 anschließen. Die Innenräume dieser Kanalteile fluchten mit der zentralen Öffnung des Flanschkörpers 90 größeren Durchmessers. Die Außenwände der dünnwandigen Kanalteile 100 und 110 sind von paarweise über den Strömungskanalinnenraum hinweg einander gegenüberstehenden Erreger-Feldspulen 120 des Magnetfelderzeugungs systems in bestimmten Umfangswinkelbereichen umschlugen, derart, daß das von den Spulen ausgehende Magnetfeld der hier angegebenen Art auf einem vergleichsweise kurzen Weg durch die Kanalwände hindurch das Flüssigkeitsvolumen im Strömungskanalabschnitt 1 erreicht.

Claims

Induktiver Durchflußmesser für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten, – mit einem mindestens auf seiner Innenseite elektrisch isolierenden Strömungskanalabschnitt (1) im wesentlichen kreisrunden Querschnittes; – mit einem Paar aneinander diametral gegenüberliegender, mit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit elektrisch gekoppelter Elektroden (2, 3); und – mit einem Magnetfelderzeugungssystem (7; 20, 21, 22, 23), welches ein im wesentlichen guer zur Strömungskanallängsachse (Z) und quer zur direkten Verbindungslinie zwischen den Elektroden (2, 3) orientiertes, die Wand des Strömungskanalabschnittes und dessen Innenraum durchsetzendes Magnetfeld erzeugt, welches an der Strömungskanal-Innenfläche eine effektive Intensität i hat, welche durch folgende Gleichung definiert ist:
worin φ den in der Kanalquerschnittsebene der Elektroden (2, 3) gemessene Umfangswinkel zwischen einem mittig zwischen den Elektroden gelegenen Punkt der Strömungskanal-Innenfläche und einem hiervon entfernteren, einer der Elektroden näherliegenden Punkt der Strömungskanal-Innenfläche und der Kanalquerschnittsebene bezeichnet, φ₀ den Wert von für den elektrodennächsten Punkt einer den Strömungskanalabschnitt (1) umschlingenden Spulenanordnung oder Pulschuhfläche des Magnetfelderzeugungssystems bezeichnet, derart, daß dem halben Unschlingungswinkel gleich ist, Θ die magnetische Durchflutung in Amperewindungen einer Spule oder eines Polschuhteiles des Magentfelderzeugungssystems mit dem Umschlingungswinkel 2φ ist, b(φ) die örtliche Spulenbreite bzw. die örtliche Polschuhbreite in Richtung der Strömungskanallängsachse (Z) ist, R_i den Innenradius des Strömungskanalabschnittes bedeutet, und R_φ den örtlichen Abstand einer dem Strömungskanal zugewandten Spulenhauptfläche oder einer Polschuhfläche von der Strömungskanallängsmittelachse ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie i = (φ) oder, soweit diese Unstetigkeitsbereiche aufweist, eine konkave Hüllkurve i' = f(φ) dieser Kennlinie, von einem bei oder nahe = 0 gelegenen Maximalwert i_max ausgehend, für φ = φ₀ derart auf Null abfällt, so daß
bzw.
mindestens im überwiegenden Teil des Bereiches negativ ist und in diesem Bereich mindestens abschnittsweise kleinere Werte hat als die Kennlinie
wobei wenigstens einer dieser kleineren Werte 10% kleiner als der entsprechende Wert der Kennlinie
ist.
Induktiver Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnettelderzeugungssystem ein Paar über dem Strömungskanalabschnitt (1) hinweg einander gegenüberliegender, sich im wesentlichen an den Strömungskanalabschnitt (1) anschmiegender Einzelspulen aufweist, deren Breite in Richtung parallel zur Strömungskanallängsachse (Z) mit zunehmender Nähe zu den Elektroden (2, 3) abgetreppt ist und/oder stetig abnimmt (7).
Induktiver Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnettelderzeugungssystem ein Paar von Spulen oder Spulengruppen, welche über den Strömungskanalabschnitt (1) hinweg einander diametral gegenüber stehen und welche einen kleineren Bereich des Strömungskanalumfangs zwischen den Meßelektroden (2, 3) umschlingen und größere Breite in Richtung der Strömungskanallängsachse (Z) aufweisen, sowie ein weiteres Paar von Spulen oder Spulengruppen enthält, die einen größeren Bereich des Umfanges des Strömungskanalabschnittes (1) zwischen den Meßelektroden (2, 3) umschlingen, jedoch in Richtung der Strömungskanallängsachse (Z) gemessen eine geringere Breite haben (8, 9).
Induktiver Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfelderzeugungssytem ein Paar von Spulen oder Spulengruppen, welches über den Strömungskanalabschnitt (1) hinweg einander diametral gegenüberstehen und welche einen kleineren Bereich des Strömungskanalumfanges zwi chen den Meßelektroden umschlingen und größere Breite in Richtung der Strömungskanallängsachse (Z) aufweisen, sowie zwei Paare von Spulen mit jeweils geringerer Breite in Richtung der Strömungskanallängachse (Z) enthält, die jeweils den Elektroden (2, 3) näher liegend getrennt von den Spulen oder Spulen gruppen des erstgenannten Paares an den Enden eines Bereiches liegen, der den Strömungskanalabschnitt weiter umschlingt (10).
Induktiver Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magentfelderzeugungssystem eine Paar von Spulen oder Spulengruppen, welches üiber den Strömungskanalabschnittes (1) einander diametral gegenüberstehen und einen geringeren Bereich des Umfanges des Strömungskanalabschnittes (1) zwischen den Meßelektroden (2, 3) umschlingen, sowie ein weiteres Paar von Spulen oder Spulengruppen enthält, welche einen größeren Bereich des Umfanges des Strömungskanalabschnittes (1) zwischen den Meßelektroden (2, 3) umschlingen (11).
Induktiver Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar von Spulen oder Spulengruppen, welche den Umfangsbereich des Strömungskanalabschnittes (1) zwischen den Meßelektroden (2, 3) mit einem kleineren Umfangswinkel umschlingen, mit einem anderen Erregerstrom beaufschlagt ist, als das Paar von Spulen oder Spulengruppen, welche den Umfang des Strömungskanalabschnittes (1) zwischen den Meßelektroden (2, 3) mit einem größeren Umschlingungswinkel umschlingen bzw. deren Bereich den Strömungskanalabschnitt mit einem größeren Umschlingungswinkel umschlingt.
Induktiver Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfelderzeugungssystem mindestens ein Paar einander über den Strömungskanalabschnitt (1) hinweg gegenüberstehender Spulen oder Spulengruppen aufweist, deren Abstand von der Strömungskanalinnenfläche mit zunehmender Nähe zu den Meßelektroden (2, 3) hin stetig oder stufenweise zunimmt.
Induktiver Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnungen des Magnetfelderzeugungssystems mit Hilfpolschuhteilen (h) zusammenwirken, welche zur Kanalquerschnittsebene der Elektroden (2, 3) symmetrisch gelegen sind, insbesondere streifen- oder lanzen- oder blattförmig ausgebildet sind und sich über einen Bereich zwischen dem Strömungskanalabschnitt (1) und den Spulenanordnungen hinaus in Richtung auf die Elektroden (2, 3) hin erstrecken (12).
Induktiver Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magentfelderzeugungssystem einander über den Strömungskanalabschnitt (1) hinweg einander diametral gegenüberstehende Polschuhe (22, 23) mindestens eines magnetischen Schließungskreise (20) enthält, der durch eine bzw. jeweils eine Erregerwicklung (21) beaufschlagt ist, wobei die Polschuhe jeweils Polschuhteile mit in Richtung der Strömungskanallängsachse (Z) gemessen größerer Breite und in Richtung des Umfangsbereichs zwischen den Meßelektroden (2, 3) kleineren Umschlingungswinkel sowie in Umfangsrichtung in den Meßelektroden (2, 3) näherliegenden Bereichen seitliche Polschuhteile (24; 25) aufweisen, von denen Magnetfelder mit gegenüber denjenigen der erstgenannten Polschuhe geringerer effektiver Intensität ausgehen und/ oder die in Richtung der Strömungskanallängssachse (Z) geringere Breite haben.
Induktiver Durchflußmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhteile mit zunehmender Nähe zu den Meßelektroden (2, 3) abgestuft und/oder stetig zunehmenden Abstands zu der Strömungskanalinnenfläche haben.
Induktiver Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit von der Strömungskanalaußenseite isoliert zu den Elektrodenanordnungen (2, 3) geführten Meßleitungen (40, 50, 60), über welche die Elektrodenanordnungen an eine Meßeinrichtung (70) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Meßleitungen einen dünnen Kreisringscheibensektor (40) mit einem Innendurchmesser größer als der Innendurchmesser des Strömungskanalabschnittes (1) aufweist, der im Bereich seiner Umfangsmitte mit einer der Elektrodenanordnungen (2, 3) verbunden ist und im Bereich seiner Unterbrechung an einen dünnen U-förmigen Kurzschlußbügel (50) anschließt, wobei ferner der Kreisringscheiben sektor (40) und der U-förmige Kurzschlußbügel in einer Radialebene mit Bezug auf die Strömungskanallängsachse (Z) gelegen sind, in der auch die Elektrodenanordnungen (2, 3) liegen, und wobei die Unterbrechung des Kreisringscheibensektors und der Kurzschlußbügel solche lichte Breite haben, daß sie in der genannten Radialebene die andere der Elektrodenanordnungen und die andere, damit verbundene streifenförmige Meßleitung (60) mit Isolationsabstand umrahmen, wobei jede der Elektrodenanordnungen (2, 3) als ein von einem jeweils bogenförmigen Abschnitt des Kreisringscheibensektors (40) bzw. der streifenförmigen Meßleitung (60) radial einwärts ragender, einen bestimmten Winkelbereich a des Strömungskanalinnenumfangs überspannender Steg ausgebildet ist, dessen radial einwärts gerichtete Stegfläche mit der Strömungskanalinnenfläche fluchtet.
Induktiver Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit von der Strumungskanalaußenseite isoliert zu den Elektrodenanordnungen geführten Meßleitungen (40, 50, 60), über welche die Elektrodenanordnungen (2, 3) an eine Meßeinrichtung (70) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Meßleitungen einen dünnen Kreisringscheibensektor (40) mit einem Innendurchmesser größer als der Innendurchmesser des Strömungskanalabschnittes (1) aufweist, der im Bereich seiner Umfangsmitte mit einer der Elektrodenanordnungen (2, 3) verbunden ist und im Bereich seiner Unterbrechung an einen dünnen Uförmigen Kurzschlußbügel (50) anschließt, wobei ferner der Kreisringscheibensektor (40) und der U-förmige Kurzschlußbügel in einer Radialebene mit Bezug auf die Strömungskanallängsachse (Z) gelegen sind, in der auch die Elektroden anordnungen (2, 3) liegen, und wobei die Unterbrechung des Kreisringscheibensektors und der Kurzschlußbügel solche lichte Breite haben, daß sie in der genannten Radialebene die andere der Elektrodenanordnungen und die andere, damit verbundene streifenförmige Meßleitung (60) mit Isolationsabstand umrahmen, wobei jede der Elektrodenanordnungen (2, 3) von mehreren, umfangsmäßig über einen bestimmten Winkelbereich (α) verteilten Elektrodenstegen (2a, 2b, 3a, 3b; 2a – 2d, 3a – 3d) gebildet ist.
Induktiver Durchflußmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Elektrodenanordnungen zwei Elektrodenstege (2a, 2b, 3a, 3b) enthält, die am Anfang und am Ende des bestimmten Winkelbereiches (α) angeordnet sind.
Induktiver Durchflußmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenstege im Umfangsrichtung unterschiedliche Länge haben.
Induktiver Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmige Meßleitung (60) und der an den Kreisringscheibensektor anschließende Kurzschlußbügel (50) aus der sie bereichsweise umschließenden Strömungskanalwand hervorstehen und mindestens einen von der Strömungskanalaußenwand beabstandeten Ausstanzungs-Trennbereich (80) aufweisen, derart, daß beide Meßleitungen mit ihren Elektrodenanordnungen als einheitliches Blech-Stanzteil bereitstellbar, in dem als Spritzgußteil ausgebildeten Strömungskanal (1) einbettbar und danach durch Herstellung der Ausstanzungs-Trennbereiche (80) voneinander elektrisch trennbar sind.
Induktiver Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnungen (2, 3) und die Meßleitungen in einen Flanschkörper (90) größeren Durchmessers des Stömumgskanalabschnittes (1) eingebettet sind, an den beidseitig dünnwandige Kanalteile (100, 110) des Strömungskanalabschnittes (1) anschließen, deren Innenwand mit der zentralen Öffnung des Flanschkörpers fluchtet und deren Außenwände beidseitig des Flanschkörpers von paarweise über den Strömungskanalinnenraum hinweg einander gegenüberstehenden Feldspulen (120) des Magnetfelderzeugungssystems in bestimmten Umfangswinkelbereichen umschlungen sind.
Induktiver Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einander über den Strömungskanalquerschnitt gegenüberstehenden Elektrodenanordnungen (2, 3) jeweils aus einem sich über einen bestimmten Winkelbereich (α) des Strömungskanalinnenumfangs erstreckenden Elektrodensteg oder jeweils aus einer sich über einen bestimmten Winkelbereich des Strömungskanalinnenumfangs erstreckenden Elektrodenreihe von mindestens zwei Elektro den bestehen, wobei mindestens der Elektrodensteg bzw. die Elektroden einer Elektrodenanordnung an einen den Strömungskanal außen umfassenden Meßleitungsring angeschlossen sind.