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Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten
in Leitungen Zusatz zum Patent: 1 002 Bei induktiven Durchflußmessern gemäß dem
Patent 1094 002 wird die infolge der Bewegung der Flüssigkeit auftretende Spannung
so gemessen, daß die elektrischen Leitungen keine Windungsfläche im Magnetfeld bilden,
so daß eine transfonmatorisch induzierte elektromotorische Kraft vermieden wird.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß die Hälfte der Spannung,
die zwischen zwei Elektroden diametral an der Außenfläche des strömenden Mediums
auftritt, zwischen einer Elektrode und der Flüssigkeit außerhalb des Magnetfeldes
liegt. Nach dieser Erfindung wird die zu messende Spannung zwischen der Elektrode
und der Rohrwand abgegriffen, wobei der Abgriff der Spannung an der Rohrwand zweckmäßig
an einer der Elektrode möglichst eng benachbarten Stelle erfolgt.
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Auch bei anderen bekannten Durchflußmessem, bei denen die Elektrodenpotentiale
gegen Erde gemessen werden, erhält man zwei Spannungswerte.
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Bei vielen bekannten Meßvorrichtungen werden die Spannungen, wenn
hohe Eingangswiderstände erforderlich sind, zunächst einzeln durch je eine Potentiometeranordnung
kompensiert, die verbleibenden Spannungsdifferenzen einzeln verstärkt und die beiden
verstärkten Spannungsdifferenzen mittels eines Transformators summiert. Nochmals
verstärkt dient diese summierte Spannung zur Steuerung des Potentiometerabgleichs.
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Vorliegende Erfindung weist gegenüber dem Patent 1 094002 das zusätzliche
Merkmal auf, daß eine zweite Elektrode mit der Rohrwand kurzgeschlossen ist. Diese
Anordnung besitzt den Vorteil, eine solche Meßvorrichtung mit erheblich geringerem
baulichen Aufwand bauen zu können, da auf jene Bauteile, die zur Messung der zweiten
Spannungsgröße erforderlich waren, verzichtet werden kann.
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Weiterhin ist vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die
mit einer Isolationsschicht ausgekleidete Meßstrecke gegenüber der übrigen Rohrleitung
elektrisch isoliert ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß nunmehr die volle
Spannung U als Meßspannung abgegriffen werden kann.
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Ein weiteres Kennzeichen ist, daß bei Verwendung eines Kunststoffrohres
dieses über die Breite des Magnetfeldes hinaus durch eine Metallfolie ummantelt
ist, die mit der zweiten Elektrode kurzgeschlossen und geerdet ist. Auch diese Maßnahme
wirkt sich günstig auf die Größe der abzugreifenden Spannung aus.
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Der Erfindungsgedanke wird nachfolgend an Hand von drei Figuren näher
erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Meßvorrichtung, bei der ein
handelsübliches metallisches
Rohr verwendet wird, während in F i g. 2 ein isolierter Rohrstutzen mit isolierend
wirkenden Flanschen dargestellt ist; in F i g. 3 ist eine Meßvorrichtung abgebildet,
die zur Durchflußmessung von flüssigen Metallen verwendet werden kann.
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Durch ein Metallrohr 1, das zum Teil mit einer Isolierschicht 2 ausgekleidet
ist, fließt das Medium 3, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll.
Während die Elektode 4 mit der Rohrwand kurzgeschlossen ist, wird zwischen der Elektrode
5, deren Zuleitung 6 isoliert herausgeführt ist, und der Rohrwand mittels einer
konzentrischen Zuleitung 7 eine der Durchflußgeschwindigkeit entsprechende Meßspannung
UM abgegriffen.
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In der Praxis wird man die Elektrode 4 nicht als besonderen Bauteil
ausführen, sondern beim Isolieren der Rohrwand ein entsprechendes Stück in der Isolationsschicht
aussparen bzw. Metallstutzen von der Höhe der Isolationsschicht an der Innenseite
der Rohrwand anschweißen.
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Die Erhöhung der so abgegriffenen Meßspannung UM auf fast den gesamten,
zwischen den beiden Elektroden vorliegenden Spannungswert U ergibt sich daraus,
daß zwischen der Abgriffsleitung 7 und der Elektrode 4 infolge der elektrisch leitenden
Rohrwand eine Verbindung besteht, die im Schaltbild mit Position 8 angedeutet ist.
Die gesamte Spannung U kann man allerdings mit dieser Anordnung nicht erhalten,
da die Flüssigkeit eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden und der Rohrwand
außerhalb der Isolierungsschicht herstellt. Die entsprechenden Flüssigkeitswiderstände
Rt, R2, R sowie der Flüssigkeitswiderstand r zwischen den beiden Elektroden
sind
in der Figur als Ersatzwiderstände eingezeichnet. Die im Ersatzschaltbild parallel
geschalteten Widerstände R1, R2 und Rn begrenzen die abgreifbare Meßspannung UM
auf einen bestimmten Teilwert der Spannung U, der aber um so größer ist, je größer
das Verhältnis der Widerstände Rl, R2, R gegenüber dem Widerstandr ist. Dieses Verhältnis
kann man aber konstruktiv in einfacher Weise vergrößern, indem man die Rohrwand
auf einer gegenüber dem Rohrdurchmesser möglichst langen Strecke mit einer Isolationsschicht
auskleidet.
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Man kann auch die volle Spannung U als Meßspannung abgreifen, wenn
man die mit Isoliermaterial ausgekleidete Meßstrecke gegenüber der übrigen Rohrleitung
isoliert (Fig. 2). Da man in der Praxis ohnedies die Meßstrecke als besonderen Rohrstutzen
ausbildet, der auf beiden Seiten durch Flanschanschlüsse 9, 10 mit der Rohrleitung
verbunden wird, braucht man die Flanschverbindungen nur elektrisch isoliert auszuführen.
Die elektrische Verbindung 8 zwischen der Elektrode 4 und dem Abgriff 7 wird in
diesem Falle nur noch durch die Rohrwand auf der Länge der ausgekleideten Meßstrecke
gebildet, so daß die Flüssigkeitswiderstände R1, R2 und Rjz nicht mehr im Meßkreis
parallel geschaltet sind.
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Der Erfindungsgedanke läßt sich ebenfalls bei Rohrleitungen aus Kunststoff
verwirklichen, die üblicherweise bei kleinen Nennweiten verwendet werden. In diesem
Fall wird das Kunststoffrohr über die Breite des Magnetfeldes hinaus mit einer dünnen
Metallfolie vornehmlich auf ganzem Umfang ummantelt und damit künstlich eine metallische
Rohrwand geschaffen. Als Meßgröße wird wie im ersten Beispiel die Spannung zwischen
einer Elektrode und der Rohrwand, d. h. der Metallfolie, gemessen, die mit einer
zweiten Elektrode kurzgeschlossen ist. Das Verhältnis von Rohrdurchmesser zur Länge
der Isolationsschicht ist hierbei besonders günstig, so daß praktisch die gesamte
zwischen zwei diametral gegenüber angeordneten Elektroden auftretende Spannung U
als Meßspannung UM abgegriffen wird.
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Da es bei kleinen Nennweiten nicht möglich ist, die Elektroden von
innen einzufügen, kann die Metallfolie zugleich als mechanische Halterung der Elektrode
verwendet werden und mit entsprechenden Hilfsmitteln dazu dienen, die Elektroden
mit einem einstellbaren Druck in die Elektrodenbohrungen des Kunststoffrohres hineinzupressen.
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Die Ummantelung des Kunststoffrohres durch eine Metallfolie erweist
sich zugleich als vorteilhaft im Hinblick auf die Wirbelströme innerhalb der Flüssigkeit,
die meist so stark temperaturabhängig sind, daß sie die Meßgenauigkeit der Anordnung
empfindlich stören können. Wählt man eine Metallfolie mit weitgehend temperaturunabhängigem
elektrischem Widerstand, so sind die in der Metallfolie ebenfalls auftretenden Wirbelströme
temperaturunabhängig und bei genügender Dicke der Folie so stark, daß die Wirbelströme
innerhalb der Flüssigkeit unbedeutend werden.
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Der Erfindungsgedanke kann ebenfalls bei der Durchflußmessung flüssiger
Metalle Anwendung finden. Da hierbei die Leitfähigkeit der Flüssigkeit erheblich
größer ist als die der meist verwendeten V2A-Rohre, werden die Rohre nicht mehr
mit einer
Isolationsschicht ausgekleidet, und die Meßspannung wird bei den bekannten
Durchflußmessern ohne besondere Elektroden an zwei einander gegenüberliegenden Stellen
der äußeren Rohrwand abgegriffen.
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In diesem Anwendungsbeispiel (F i g. 3) wird der Erfindung zufolge
die Rohrwand, nachdem sie zunächst durch beispielsweise eine Glimmerschicht 11 isoliert
ist, durch eine Metallfolie 12 mit einer höheren Leitfähigkeit als die des V2A-Rohres,
z. B. eine Kupferfolie, ummantelt und zwischen ihr und der V2A-Rohrwand - räumlich
möglichst eng nebeneinander - die Meßspannung abgegriffen. Hierbei ist die Kupferfolie
an einer dem Abgriff7 gegenüberliegenden Stelle mit der Rohrwand kurzgeschlossen.