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Induktions-Durchflußmesser für leitfähige Flüssigkeiten Die Erfindung
bezieht sich auf Induktions-Durchflußmesser für leitfähige Flüssigkeiten.
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Derartige Geräte bestehen, in Verbindung mit einem Rohrleitungsstück,
durch das die zu messende Flüssigkeit strömt, aus einer Einheit von magnetischen
Stromkreisen und Wicklungen, die im Innern der Rohrleitung ein Wechselmagnetfeld
senkrecht zur Strömungsrichtung erzeugen kann, sowie aus Mitteln zur Meldung und/oder
Anzeige einer elektromotonschen Kraft, der sogenannten Verschiebungskraft, die dem
genannten Feld und der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist und in der bewegten
Flüssigkeit durch Induktion senkrecht zu diesem Feld und dieser Geschwindigkeit
entsteht.
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Zur Anzeige dieser elektromotorischen Kraft hat man versucht, quer
in der Wand der Strömung leitung angeordnete Elektroden zu verwenden, wobei die
Wand selbst an ihrer Innenseite im ganzen Meßbereich mit Isolierstoff bedeckt war.
Bei erhöhten Drücken und Temperaturen bringt jedoch die Anordnung derartig isolierter
Elektroden und die Abdichtung ihrer Durchgangsöffnungen erhebliche Schwierigkeiten
mit sich.
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Zur Vermeidung derselben wurde bereits vorgeschlagen, die induzierte
elektromotorische Kraft der Verschiebung nicht unmittelbar, sondern durch Anzeigen
eines sekundären Wechselfeldes kenntlich zu machen, das durch die von der Verschiebung
herrührenden Verzerrung des Feldes entsteht, welches die induzierten Ströme entgegen
dem Induktionsfeld aufzubauen sucht. Eine bezüglich der Induktionspole symmetrisch
an der Außenseite der Rohrleitung angeordnete Sekundärspule kann so der Sitz einer
der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit proportionalen elektromotorischen Kraft
werden.
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Wie die Erfahrung zeigt, waren Geräte, die auf diesem Prinzip beruhen,
äußerst schwierig zu handhaben; die sehr schwache Amplitude der aufgenommenen Spannungen
erforderte sehr erhebliche Verstärkungen, die Messungen wurden durch einen übermäßigen
Geräuschpegel beeinträchtigt, und die Geräte wiesen eine erhebliche Empfindlichkeit
gegenüber Störmagnetfeldern auf.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Bauweise eines Induktions-Durchflußmessers
dieser Art vor, bei der durch außerhalb der Durchflußleitung angebrachte Mittel
einerseits ein zur Strömung senkrechtes Wechselfeld aufgebaut und andererseits eine
der Strömungsgeschwindigkeit proportionale Rückwirkungsspannung gewonnen wird. Diese
Bauweise ermöglicht die Vermeidung der oben dargelegten Nachteile der bisher bekannten
Apparate.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leitung
einen länglich rechteckigen Querschnitt aufweist und der dazugehörige Magnetkreis
einen kontinuierlichen Magnetgürtel um ein Rohrleitungsstück bildet, der aus zwei
länglichen und parallel zu den beiden Breitseiten des Leitungsstückes verlaufenden
Abschlußleisten und zwei Endflanschen besteht und zwischen diesen von den Abschlußleisten
in Richtung der anliegenden Leitungsflächen ausgehend mindestens zwei Paar Induktionspole
und mindestens ein Paar Meldepole aufweist, welch letztere zwischen den Induktionspolpaaren
symmetrisch angeordnet sind.
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Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß die Leistungen der
Durchflußmesser des betrachteten Typs durch eine besondere Ausbildung ihrer verschiedenen
Bestandteile überraschend verbessert werden können; diese Ausbildung ermöglicht
eine industrielle Verwertung, die mit den bisher vorgeschlagenen und erprobten Anordnungen
schwer zu verwirklichen schien.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachstehend an Hand
eines Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Induktions-Durchflußmessers und seines Meßkreises und F i g. 2 eine Teilansicht
des Magnetkreises und der Leitung im Querschnitt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird mit 1 eine Leitung
mit annähernd rechteckigem Querschnitt bezeichnet, in der die zu messende Flüssigkeit
z. B. eine metallische Flüssigkeit mit einem spezifischen Leitungswiderstand von
etwa 100 Mikroohm cm, fließt. Diese Leitung besteht erfindungsgemäß aus einem nichtmagnetischen
Material, dessen elektrischer Leitungswiderstand merklich über denjenigen der Flüssigkeit
liegt. Die Leitungsinnenfläche ist nach der Erfindung an ihren Schmalseiten mit
einem Paar gut leitender Metallbänder 2, z. B. aus Kupfer, versehen.
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Die Leitung 1 führt durch einen magnetischen Kreis von im allgemein
länglich-rechteckiger Form mit zwei parallel zu den Breitseiten der Leitung verlaufenden
Längsseiten oder Abschlußleisten 3, 4 und zwei Endseiten oder -flanschen 5, 6, die
so ausgebildet sind, daß sie beispielsweise mittels zweier Öffnungen, welche für
die Aufnahme und gegebenenfalls Halterung der Leitung dimensioniert sind, erfindungsgemäß
einen Durchgang für letztere bieten. Dieser aus einem Stapel von Magnetblechen bestehende
magnetische Kreis weist zwischen seinen Längsseiten eine Reihe Induktionspole N1-S1,
N2-S2, N3-S3 auf, deren abschließende Polstücke sich an den oder in unmittelbarer
Nähe der Breitseiten der Leitung verbreitern und die eine geeignete Anzahl Induktionswicklungen
besitzen, wie von 11 bis 16 schematisch dargestellt. Diese Einheit aus Polen und
Induktionswicklungen ist so ausgebildet, daß sie im Inneren der Leitung ein Wechselmagnetfeld
errichten können, wobei die Wicklungen 11 bis 16 aus einer Wechselstromquelle 10
mit z. B. 50 Hz gespeist werden.
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Wie aus der Figur ersichtlich, in der die Flußlinien durch gestrichelte
und mit Pfeilen versehene Linien dargestellt sind, entsteht so im Innern der Leitung
1 eine Reihe von Induktionszonen, die durch die Polstücke der Induktionsspule bestimmt
und von alternierenden Wechselströmen durchflossen werden, die insbesondere durch
die Gegenwart der Endflansche 5, 6 etwa gleichmäßig und im Gleichgewicht sind.
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Schließlich besitzt der magnetische Kreis bezüglich der Induktionspole
N-S symmetrisch angeordnete Meldepole P 1-P1', P2-P2' wobei ein solches Polpaar
zwischen jedem aufeinanderfolgenden Paar von Induktionspolen N-S gebildet wird.
Diese Meldepole wirken mit einer Reihe von Meldewicklungen zusammen, die von 21-bis
24 schematisch dargestellt sind. Diese sind an die Klemmen 20 eines Meßkreises angeschlossen
und symmetrisch angeordnet, so daß die an diesen Klemmen abgegriffene Spannung Null
wird, wenn die Flüssigkeit in der Leitung 1 unbewegt ist.
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Die Primärwicklung eines Transformators 17 ist mit den Induktionswicklungen
11 bis 16 in Reihe geschaltet, während die Sekundärwicklung desselben vom Mittelpunkt
aus eine Kompensationsvorrichtung speist, die aus einem Spannungsteiler mit Kondensatorl8,
regelbarem Widerstand 19 und einem Potentiometer 27 in der Rückleitung zum Mittelpunkt
der Sekundärwicklung des Transformators 17 besteht.
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Auf diese Weise wird ein Kompensationssystem des
Störfeldes geschaffen,
das es ermöglicht, zwischen seinen Ausgängen 28, 29 eine Ausgleichsspannung zu liefern,
deren Amplitude durch Einstellung des Gleitkontakts des Potentiometers 27 und deren
Phase durch Einstellung des Widerstandes 19 veränderbar ist.
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Der an die Klemmen 20 angeschlossene Meßkreis enthält, unter dem
Schutz einer Abschirmung 30, die mit dem Ausgang 28-29 der Kompensationseinrichtung
in Reihe geschaltete Primärwicklung eines Transformators 32 zur Spannungserhöhung
mit geringen Verlusten, dessen Sekundärwicklung über eine Trockengleichrichterbrücke
33 und einen Rheostat 34 mit einstellbarem Widerstand, einen Galvanometer 35 mit
beweglichem Rahmen speist, der das Durchflußgerät bildet.
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Wenn die Flüssigkeit ruht, bleiben die in ihr induzierten Ströme
bezüglich der Meldepole P symmetrisch und die in den Meldewicklungen induzierte
Spannung muß Null bleiben. Durch entsprechende Einstellung der Kompensationseinrichtung
bei 27 und 19 wird die Spannung, die an den Klemmen 20 unter der Wirkung von Störfeldern
auftreten kann, zum Verschwinden gebracht.
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Wenn die Flüssigkeit in der Leitung fließt und das durch die Induktionsspule
geschaffene Feld durchquert, entsteht auf den Seitenflächen dieser Flüssigkeit eine
der Strömungsgeschwindigkeit proportionale elektromotorische Kraft, wodurch Induktionsströme
auftreten, die einen Wechselfluß in den Hilfspolen P verursachen: man empfängt so
an den Klemmen 20 eine Spannung mit der gleichen Frequenz als diejenige der Stromquelle
10 (z. B. 50 Hz) und mit einer Amplitude, die der Strömungsgeschwindigkeit und damit
auch dem Flüssigkeitsdurchfluß proportional ist.~ Diese durch den abgeschirmten
Transformator 32 erhöhte und bei 33 gleichgerichtete Verschiebungsspannung wird
durch das Galvanometer 35 gemessen.
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Die Erfahrung zeigt, daß ein derart ausgebildeter Durchflußmesser
bezüglich folgender Punkte überraschende Leistungen erzielt: a) Der für einen gegebenen
Durchffuß- und Leitfähigkeitswert der Flüssigkeit erhaltene Signalpegel zeigt eine
Erhöhung von etwa 40 db gegenüber den bisher vorgeschlagenen und erprobten elementaren
Vorrichtungen; b) das Ansprechen bleibt in einem sehr breiten Strömungsgeschwindigkeitsbereich
linear; c) Schutz der Einheit gegenüber äußeren magnetischen Störfeldern; d) Erhöhung
des Verhältnisses Signal zu Geräusch.
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Diese Leistungen scheinen auf die längliche, Mehrfachpole aufweisende
Bauart des Magnetkreises zurückzuführen zu sein, der mittels der Endflansche 5,
6 zusammen mit den Bändern 2 für den Kreislauf der Induktionsströme in sich geschlossen
ist. Der durch die Abschlußleisten 3, 4 um die ganze Einheit gebildete kontinuierliche
magnetische Gürtel bewirkt wahrscheinlich den ausgezeichneten Schutz, der gegenüber
Störfeldern festgestellt werden konnte. Eine anfängliche Einstellung der Kompensationseinrichtung
genügt im allgemeinen, um Dissymmetrien auszugleichen, wobei diese Korrektur unabhängig
von der Erwärmung der Einheit ist. Die Linearität des Ansprechens ist der Gleichmäßigkeit
der Struktur des Induktionsmagnetfeldes über eine beträchtliche Länge der Leitung
zuzuschreiben, während diese Gleichmäßigkeit durch die aufeinanderfolgenden Induktionspole
im
Zusammenwirken mit den Endflanschen hervorgerufen wird. Die Verbesserung des Verhältnisses
Signal zu Geräusch kann schließlich durch die Regulierung und Ausdehnung in Quadratur,
verursacht durch die Strömung, erklärt werden. Die Amplitude des erhaltenen Signals
ist derart, daß in den gegenwärtig beabsichtigten Verwendungsbereichen (Durchflußmessung
von flüssigen Metallen in den Kühlkreisen von Kernreaktoren) die Messungen unmittelbar
ohne jede Verstärkung vorgenommen werden können.
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Normalerweise ändert sich die Ausgangsspannung des Durchflußmessers
mit dem Leitungswiderstand der Flüssigkeit; dies ermöglicht eventuell die Verwendung
zur Messung des inneren Leitungswiderstandes der Flüssigkeit (wenn der Durchsatz
bekannt ist) oder die Anordnung einer äußeren Kompensation der Anzeige, wenn sich
die Beschaffenheit des Produktes ändern kann (durch eine Selbstinduktionsspule),
die durch die Foucaultströme in der Flüssigkeit mehr oder minder gedämpft wird.
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Wenn sich die Strömungsrichtung der Flüssigkeit ändert, wird die
Polarität des Ausgangssignals umgekehrt.