DE112012003952B4

DE112012003952B4 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung eines Massen- oder Volumenstromes eines elektrisch leitfähigen Fluids

Info

Publication number: DE112012003952B4
Application number: DE112012003952.1T
Authority: DE
Inventors: Thomas Fröhlich; André Thess
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2032-09-22
Also published as: DE102011114506A1; DE112012003952A5; JP6117213B2; WO2013041694A1; JP2014526704A

Abstract

Verfahren zur berührungslosen Messung des Massen- oder Volumenstromes eines elektrisch leitfähigen Fluids, bei dem am Ort der Strömung ein Magnetfeld erzeugt wird und eine resultierende Lorenzkraft erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Massen- oder Volumenstrom im Magnetfeld mit einem zweiten bekannten Durchfluss eines weiteren elektrisch leitfähigen Fluides oder eines bewegten elektrisch leitfähigen Festkörpers bekannter Geschwindigkeit überlagert wird und aus dem zweiten bekannten Durchfluss oder der bekannten Geschwindigkeit des Festkörpers und dem Messsignal der Lorentzkraftmessung der Durchfluss des zu messenden Fluids ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung eines Massen- oder Volumenstromes eines elektrisch leitfähigen Fluids mittels Lorentzkraftkompensation.
Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit durch herkömmliche Messverfahren wie Flügelräder, Pitotrohre und dergleichen, ist in Metall-, Halbleiter- und Glasschmelzen nicht möglich, weil Erosion zur Zerstörung der Messsensoren führt. Aus DE102009006733 A1 , DE00001961281 A1 , US000006630285 B1 und DE102010003642 A1 sind spezielle Formen magnetisch induktiver Durchflussmesser bekannt, bei denen ein elektrisch leitfähiges Fluid in mehreren Kanälen strömt. Eine gezielte Beeinflussung der Teildurchflüsse zum Zwecke der Kompensation des Messsignals erfolgt jedoch nicht. In DE102009006733 A1 wird beschrieben, wie der Durchfluss situationsabhängig in zwei Teildurchflüsse gleicher Richtung aber unterschiedlicher Stärke geteilt und von zwei unterschiedlichen Messsystemen erfasst wird, um die Messdynamik zu erhöhen. In DE00001961281 A1 wird das Problem der Elektrodenpolarisierung durch mechanisch bewegte Magnete gelöst und mehrere benachbarte Teildurchflusspassagen, die in gleicher Richtung durchströmt sind, durch Elektroden verbunden, die in serienartiger Anordnung verschaltet sind, um die elektrische Signalausbeute zu erhöhen. Auch in US000006630285 B1 werden hydrodynamisch aufgeteilte Teildurchflüsse jeweils mit Elektroden kontaktiert, um die Teilsignale zu summieren oder unabhängig weiterzuverarbeiten. DE102010003642 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Ultrafiltrationsrate als Differenz eines nahezu gleich großen Zu- und Rückflusses. Beide Durchflüsse werden jeweils mit einem magnetisch induktiven Durchflussmesser bestimmt, befinden sich jedoch in entgegengesetzter Richtung fliesend im gleichen Magnetfeld. Dadurch kann die Differenzspannung der Elektroden direkt abgegriffen und verarbeitet werden. Die Differenzspannung ist ein Maß für die zu messende kleine Durchflussdifferenz.
Auch diese magnetisch induktiven Durchflussmesser zur Messung elektrisch leitfähiger Fluide benötigen immer Elektroden, die in Kontakt zum Medium stehen. Die Elektroden werden durch aggressive Medien unerwünscht beeinflusst. Deshalb werden für Hochtemperaturschmelzen berührungslose elektromagnetische Strömungsmessverfahren verwendet.
DE102009057861 A1 beschreibt, wie durch die Durchflussmessung in zwei Überströmrohren die Regeldynamik der Füllhöhenregelung und der Gießgeschwindigkeit für flüssige Metallschmelzen beim Überströmen von einem in ein weiteres Gefäß und aus diesem in die Kokille verbessert werden kann. Die Funktionsweise der zwei getrennt und unabhängig ausgeführten Durchflussmessgeräte wird offengehalten, jedoch auch auf die Möglichkeit der Messung mittels Lorentzkraftanemometern nach WO2007/033982 A1 hingewiesen.
Ein berührungsloses elektromagnetisches Messverfahren namens Lorentzkraft-Anemometrie wird in DE102005046910 B4 beschrieben. Das Verfahren dient der berührungslosen Inspektion von in Rohren oder Rinnen bewegten elektrisch leitfähigen Substanzen. Es beruht auf der Erzeugung eines Magnetfeldes am Ort der Strömung durch ein Magnetsystem und auf der Messung der durch die Strömung auf das Magnetsystem einwirkenden Lorentzkraft. Mit Hilfe eines flexibel einsetzbaren Magnetsystems wird in die zu inspizierende Substanz ein magnetisches Primärfeld eingekoppelt und mit einem geeigneten Messsystem die aufgrund der Relativbewegung zwischen dem magnetischen Primärfeld und der zu inspizierenden Substanz entstehenden und auf das Magnetsystem wirkenden Kraft- und Momentkomponenten erfasst.
Nach diesem Prinzip wird auch in der JP000H07181195 A verfahren. Hier wird ein Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Metallflusses offenbart. Dazu wird ein magnetischer Körper oberhalb des Metallflusses angeordnet und die auf diesen Körper einwirkende Kraft gemessen.
Analoge Verfahren sind in JP 57199917 A , WO 00/58695 A1 und DE102007046881 A1 angegeben.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass das Messsignal der resultierenden Lorentzkraft in Form der gemessenen Kraft- und Momentkomponenten nicht nur von der Geschwindigkeit, sondern auch von der Magnetfeldstärke abhängt. Wenn sich die Magnetfeldstärke auf Grund von Temperaturvariationen oder Alterungserscheinungen des Magnetmaterials ändert, entstehen Messfehler. Weiterhin muss die Strömungsmessung häufig in Anwesenheit bereits vorhandener äußerer Magnetfelder „Störfelder“ erfolgen. Dies ist beispielsweise bei der Strömungsmessung in flüssigem Aluminium in einer Aluminiumreduktionszelle der Fall. Die Messung mittels Lorentzkraft-Anemometrie wird dadurch erschwert, dass in der Aluminiumreduktionszelle ein magnetisches Gleichfeld von der Größenordnung 0,1 Tesla herrscht, welches eine starke geschwindigkeitsunabhängige Anziehungskraft auf das Magnetsystem eines Lorentzkraft-Anemometers ausüben und eine Messung verfälschen würde. In DE102007046881 A1 wird zur Beseitigung der störenden Fremdmagnetfelder ein zusätzlich angebrachtes Helmholtz-Spulenpaar vorgeschlagen. Im Inneren des Spulenpaares können Fremdmagnetfelder kompensiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen die oben genannten Messfehler vermieden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist und mit einer Vorrichtung, welche die in Anspruch 9 oder 12 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der zu messende unbekannte Durchfluss (Massenstrom oder Volumenstrom) v₁ im Magnetfeld wird mit einem zweiten bekannten Durchfluss v₂ eines einfach handhabbaren elektrisch leitfähigen Fluides oder eines bewegten elektrisch leitfähigen Festkörpers bekannter Geschwindigkeit überlagert. Durch diese Überlagerung ist die resultierende Lorentzkraft eine Überlagerung der durch den unbekannten Durchfluss erzeugten Lorentzkraft und der Kraft durch den zweiten, bekannten Durchfluss oder die bekannte Geschwindigkeit des Festkörpers. Die resultierende Lorentzkraft kann durch eine Regelung auf einen bestimmten, konstanten Wert eingestellt werden oder ein zeitlicher Verlauf gezielt erregt werden.
Aus dem dann bekannten oder deutlich einfacher zu messenden Durchfluss v₂ kann der gesuchte Durchfluss v₁ sehr einfach berechnet werden.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass der bekannte Durchfluss derart zur Kompensation der Lorentzkraft benutzt wird, dass diese verschwindet. Dafür muss der Durchfluss so geregelt werden, dass das Kraftsignal der Lorentzkraftmessung Null wird.
Ferner ist es möglich, die bekannte Bewegung eines elektrisch leitfähigen Festkörpers derart zur Kompensation der Lorentzkraft zu benutzen, dass diese verschwindet. Dabei wird die Bewegung so geregelt werden, dass das Kraftsignal der Lorentzkraftmessung Null wird.
Dem Fachmann sind geeignete Ausführungsformen einer solchen Regelung geläufig.
Eine vorteilhafte Form der Bewegung ist die Drehbewegung, weil diese endlos läuft. Die Richtung der Bewegung des Festkörpers ist entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Fluids; der Betrag hängt von der konstruktiven Ausführung und den Leitfähigkeiten ab.
Die Durchflussmessung des möglicherweise aggressiven Mediums wird somit auf die Messung einer Geschwindigkeit bzw. einer Winkelgeschwindigkeit außerhalb des Fluids zurückgeführt.
Aus der dann bekannten oder deutlich einfacher zu messenden Geschwindigkeit und der gemessenen Lorentzkraft kann der gesuchte Durchfluss mittels einer Berechnung in einer hierfür vorgesehenen Auswerteeinheit bestimmt werden.
Der bekannte Durchfluss bzw. die bekannte Bewegung kann auch zur Ermittlung der Kennlinie des Lorentzkraft-Anemometers verwendet werden, indem bei bekanntem Eingangssignal die Größe des Ausgangssignals der Lorentzkraftmessung bestimmt wird. Das kann an beliebig vielen Punkten auf der Kennlinie erfolgen. Für eine lineare Kennlinie sind mindestens zwei Punkte nötig.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:

1 eine Anordnung mit einem zusätzlichen Fluid,
2 eine Anordnung mit zwei zusätzlichen Fluiden,
3 eine Anordnung mit einer rotierenden Scheibe,
4 eine Anordnung mit zwei rotierenden Scheiben und
5 eine Anordnung mit einem rotierenden Hohlzylinder.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Anordnung dargestellt, bei der das zu untersuchende Fluid in einem rohrförmigen oder rinnenförmigen Kanal 1 mit der zu bestimmenden Geschwindigkeit v₁ strömt. Parallel zum Kanal 1 ist ein weiterer rohrförmiger oder rinnenförmiger Kanal 2 angeordnet, welcher von einem weiteren Fluid, dessen Strömungsgeschwindigkeit v₂ beträgt, durchströmt wird. Beide Kanäle werden vom Magnetfeld eines Magneten 3 durchdrungen. Die zu ermittelnde unbekannte Strömungsgeschwindigkeit v₁ wird mit einer zweiten Strömungsgeschwindigkeit v₂ eines einfach handhabbaren elektrisch leitfähigen Fluids überlagert. Dem Fachmann sind einfach handhabbare elektrisch leitfähige Fluide, beispielweise Elektrolyte oder niedrig schmelzende Metalle und Legierungen, bekannt. Aus der bekannten oder deutlich einfacher zu messenden Strömungsgeschwindigkeit v₂ und der gemessenen Lorentzkraft kann die gesuchte Strömungsgeschwindigkeit v₁ sehr einfach berechnet werden. Hierzu dient eine hier nicht dargestellte Auswerteeinheit, mit der der resultierende magnetische Fluss oder eine dadurch verursachte Lorentzkraft bestimmt wird, welche ein Maß für die zu bestimmende Strömungsgeschwindigkeit v₁ darstellt.
Die Querschnitte von Kanal 1 und dem zusätzlichen Kanal 2 können gleich oder auch unterschiedlich ausgeführt sein. Die räumliche Anordnung kann gleichermaßen horizontal oder vertikal ausgeführt werden.
2 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei weitere rohrförmige oder rinnenförmige Kanäle 2.1 und 2.2 angebracht sind. Damit können zwei Referenzdurchflüsse der magnetischen Wirkung des zu ermittelnden Fluids und damit den bewirkten Lorentzkräften überlagert werden. Diese Ausführung ist vorteilhaft zur Untersuchung von Anordnungen mit nichtlinearen Feldeigenschaften einsetzbar.
Eine Ausführungsform, bei der anstelle eines Referenzdurchfluses ein bewegtes elektrisch leitendes Bauelement in Form einer Scheibe 4 verwendet wird, ist in 3 dargestellt. Die Scheibe 4 rotiert auf einer rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Fluids angeordneten Drehachse.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine rotierende Scheibe (4.1) und eine zusätzliche rotierende Scheibe (4.2) auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform rotiert ein Hohlzylinder 5 um eine rechtwinklig zur Strömungsachse angeordnete Drehachse, sodass die Mantelfläche des Hohlzylinders 5 vom Magnetfeld des Magneten 3 erfasst wird.
Bezugszeichenliste

1: rohrförmiger oder rinnenförmiger Kanal für das zu untersuchende Fluid
2: rohrförmiger oder rinnenförmiger Kanal für ein weiteres Fluid
2.1, 2.2: weitere Kanäle
3: Magnet
4: Drehscheibe
4.1: rotierende Scheibe
4.2: zusätzliche rotierende Scheibe
5: Hohlzylinder
v₁: Strömungsgeschwindigkeit des zu untersuchenden Fluids
v₂: Strömungsgeschwindigkeit eines weiteren Fluids
S: magnetischer Südpol
N: magnetischer Nordpol

Claims

Verfahren zur berührungslosen Messung des Massen- oder Volumenstromes eines elektrisch leitfähigen Fluids, bei dem am Ort der Strömung ein Magnetfeld erzeugt wird und eine resultierende Lorenzkraft erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Massen- oder Volumenstrom im Magnetfeld mit einem zweiten bekannten Durchfluss eines weiteren elektrisch leitfähigen Fluides oder eines bewegten elektrisch leitfähigen Festkörpers bekannter Geschwindigkeit überlagert wird und aus dem zweiten bekannten Durchfluss oder der bekannten Geschwindigkeit des Festkörpers und dem Messsignal der Lorentzkraftmessung der Durchfluss des zu messenden Fluids ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Durchflusses des weiteren Fluids oder des Festkörpers entgegengesetzt zur Richtung des zu messenden Fluids ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bekannte Durchfluss so geregelt wird, dass die resultierende Lorentzkraft einen bestimmten Wert oder zeitlichen Verlauf annimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der bekannte Durchfluss so geregelt wird, dass das Messsignal der Lorentzkraftmessung Null wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine bekannte Bewegung des elektrisch leitfähigen Festkörpers derart geregelt wird, dass die resultierende Lorentzkraft einen bestimmten Wert oder zeitlichen Verlauf annimmt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bekannte Bewegung des elektrisch leitfähigen Festkörpers derart geregelt wird, dass das Messsignal der Lorentzkraftmessung Null wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine bestimmte Verteilung der Leitfähigkeit oder Materialstärke des bewegten elektrisch leitfähigen Festkörpers bei gleichförmiger Bewegung einen zeitlich veränderlichen Verlauf der resultierenden Lorentzkraft erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bekannte Bewegung eine Drehbewegung ist.
Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Massen- oder Volumenstromes eines in einem rohrförmigen oder rinnenförmigen Kanal (1) strömenden elektrisch leitfähigen Fluids, die einen Magneten aufweist, der am Ort der Strömung ein Magnetfeld erzeugt, wobei eine aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und dem Massen- oder Volumenstrom entstehende Lorentzkraft erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem rohrförmigen oder rinnenförmigen Kanal (1) ein weiterer rohrförmiger oder rinnenförmiger Kanal (2), in dem ein weiteres Fluid strömt, so angeordnet ist, dass die Feldlinien des Magneten (3) beide Kanäle (1, 2) durchdringen und eine Auswerteeinheit zur Verarbeitung der gemessenen Lorentzkraft und des bekannten oder gemessenen Durchflusses im weiteren Kanal (2) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Magnet (3) ein Dauermagnet verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem rohrförmigen oder rinnenförmigen Kanal (1) und dem weiteren rohrförmigen oder rinnenförmigen Kanal (2.1) noch ein weiterer rohrförmiger oder rinnenförmiger Kanal (2.2) angeordnet ist.
Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Massen- oder Volumenstromes eines in einem Kanal (1) strömenden elektrisch leitfähigen Fluids, die einen Magneten aufweist, der am Ort der Strömung ein Magnetfeld erzeugt und eine aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und dem Massen- oder Volumenstrom entstehende Lorentzkraft erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein bewegtes elektrisch leitendes Bauelement vom Magnetfeld des Magneten (3) erfasst wird und eine Auswerteeinheit zur Verarbeitung der gemessenen Lorentzkraft und der gemessenen oder bekannten Geschwindigkeit des bewegten Bauelementes vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegte elektrisch leitende Bauelement eine bestimmte Verteilung der Leitfähigkeit oder Materialstärke aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass als bewegtes elektrisch leitendes Bauelement eine Scheibe (4) verwendet wird, die auf einer rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Fluids angeordneten Drehachse rotiert.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche rotierende Scheibe (4.2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Scheibe (4.1) und die zusätzliche rotierende Scheibe (4.2) mit gleicher Winkelgeschwindigkeit betrieben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegte elektrisch leitende Bauelement die Form eines Hohlzylinders (5) aufweist und auf einer rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Fluids angeordneten Drehachse rotiert.