DE1203002B

DE1203002B - Electromagnetic flow meter

Info

Publication number: DE1203002B
Application number: DEK45143A
Authority: DE
Inventors: Akio Edamoto; Takao Maejima
Original assignee: Hokushin Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1960-11-07
Filing date: 1961-11-07
Publication date: 1965-10-14

Description

Elektromagnetischer Strömungsmesser Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Strömungsmesser, d. h. eine elektrische Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit einer leitenden Flüssigkeit.Electromagnetic Flow Meter The invention relates to an electromagnetic flow meter Flow meter, d. H. an electrical device for measuring the flow velocity a conductive liquid.

Das Prinzip derartiger Meßvorrichtungen beruht auf dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion, wonach bei Strömung einer leitenden Flüssigkeit senkrecht zur Kraftlinienrichtung eines magnetischen Feldes eine elektromotorische Kraft in der Flüssigkeit induziert wird, die proportional zur magnetischen Feldstärke und zur Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist und deren Richtung senkrecht auf der Kraftlinienrichtung und der Strömungsrichtung der Flüssigkeit steht. The principle of such measuring devices is based on Faraday's Law of electromagnetic induction, according to which, when flowing, a conductive liquid perpendicular to the direction of the line of force of a magnetic field an electromotive Force induced in the liquid that is proportional to the magnetic field strength and to the flow velocity of the liquid and its direction is perpendicular stands on the direction of the line of force and the direction of flow of the liquid.

Eine derartige Meßvorrichtung besteht im allgemeinen aus einem Teil der Rohrleitung, durch welche die zu messende Flüssigkeit strömt, einer elektromagnetischen Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes senkrecht zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit und zwei symmetrisch zueinander angeordneten Elektroden, die sich in einem Durchmesser eines kreisförmigen Querschnitts des Rohres befinden und durch die Rohrwand hindurchgehen, so daß sie die Flüssigkeit berühren, um die in der Flüssigkeit erzeugte elektromotorische Kraft abzunehmen. Die betreffende Durchmesserrichtung der Elektroden steht senkrecht zur Richtung des magnetischen Feldes. Such a measuring device generally consists of one part the pipe through which the liquid to be measured flows, an electromagnetic one Device for generating a magnetic field perpendicular to the direction of flow Liquid and two symmetrically arranged electrodes, which are in a diameter of a circular cross-section of the tube and through go through the pipe wall so that they touch the liquid around those in the liquid decrease generated electromotive force. The relevant diameter direction the electrode is perpendicular to the direction of the magnetic field.

Es sind bereits zahlreiche Verbesserungen für derartige Meßvorrichtungen angegeben worden, aber es besteht immer noch eine gewisse Grenze der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, unterhalb deren keine Messung der angegebenen Art mit zuverlässigen Ergebnissen durchgeführt werden kann. Numerous improvements have been made to such measuring devices but there is still some limit to the flow velocity of the liquid below which no measurement of the specified type is reliable Results can be done.

Selbst wenn nämlich die Flüssigkeit in dem Rohr ruht, zeigt das Anzeigeinstrument Ausschläge in einem erheblichen Bereich.Namely, even if the liquid is resting in the tube, the indicating instrument shows Rashes in a substantial area.

Diese Erscheinung wird als Nullpunktsunruhe bezeichnet und bestimmt im allgemeinen die Meßgenauigkeit derartiger Strömungsmesser. Für die ständigen Nullpunktsverlagerungen sind verschiedene Ursachen denkbar, wozu insbesondere die Tatsache beitragen dürfte, daß die räumliche Verteilung des Magnetfeldes längs der Rohrachse in einem gewissen Bereich stromaufwärts und stromabwärts von der Querschnittsebene, in welcher sich die beiden Abnahmeelektroden befinden, nicht homogen genug ist. This phenomenon is called and determined as zero point unrest in general the measuring accuracy of such flow meters. For the permanent Different causes are conceivable, including in particular the The fact that the spatial distribution of the magnetic field along the Pipe axis in a certain area upstream and downstream of the cross-sectional plane, in which the two pick-up electrodes are located is not homogeneous enough.

Bekanntlich läßt sich ein vollständig homogenes Magnetfeld in einem gewissen Bereich längs derAchse eines Rohres stromaufwärts und stromabwärts von der Ebene, in welcher die Elektroden sich befinden, auf folgende Weise erzielen: Die Windungen des das Magnetfeld erzeugenden Elektromagneten müssen so auf dem Meßteil des Rohres verteilt sein, daß unter Annahme eines durch den betreffenden Rohrabschnitt definierten Zylinders, der durch eine die Längsachse des Rohres und die Achse der beiden symmetrisch zueinander angeordneten Elektroden enthaltende Bezugsebene halbiert wird, die aus einer großen Anzahl von Einzelspulen bestehenden Windungen derart auf der Zylinderoberfläche verteilt sind, daß alle Spulenseiten parallel zu der genannten Bezugsebene verlaufen und die Amperewindungszahl jeder Spule so gewählt ist, daß sie gleich dem Cosinus des Zentriwinkels ist, der durch die Lage der Spulenseite auf dem Umfangskreis des Zylinders relativ zu der genannten Bezugsebene bestimmt ist. Hierbei ist selbstverständlich vorausgesetzt, daß alle Windungen von einem konstanten Erregergleichstrom durchflossen werden. Um dieses Cosinusgesetz mit ausreichender Annäherung zu erfüllen, muß aber eine große Anzahl von Spulen über den Meßabschnitt verteilt werden, was nicht nur herstellungsmäßig, sondern auch anbringungsmäßig außerordentlich schwierig ist. Wenn jedoch, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Gesamtheit der zur Erzeugung des geforderten Magnetfeldes in dem Rohr erforderlichen Windungen in mehrere Gruppen derart unterteilt wird, daß jede Gruppe eine Spule bildet, deren Windungszahl durch das oben angegebene Cosinusgesetz entsprechend der Stelle der betreffenden Spule bestimmt ist, so läßt sich ein nahezu homogenes Magnetfeld praktisch mit weit geringerer Schwierigkeit erzielen. As is well known, a completely homogeneous magnetic field can be used in one certain area along the axis of a pipe upstream and downstream of the plane in which the electrodes are located in the following way: The turns of the generating the magnetic field Electromagnets need to be on the measuring part of the pipe be distributed that assuming one by the pipe section in question defined cylinder through a the longitudinal axis of the tube and the axis of the two symmetrically arranged electrodes containing reference plane halved is, the consisting of a large number of individual coils turns in such a way are distributed on the cylinder surface that all coil sides are parallel to the and the number of ampere turns of each coil are selected is that it is equal to the cosine of the central angle determined by the position of the coil side determined on the circumferential circle of the cylinder relative to said reference plane is. It is of course assumed here that all turns are from one constant direct excitation current must flow through it. To this cosine law with sufficient To meet approximation, however, a large number of coils must be across the measuring section be distributed, which is not only in terms of manufacture, but also in terms of attachment is extremely difficult. If, however, as proposed according to the invention, the All of the required to generate the required magnetic field in the pipe Windings is divided into several groups in such a way that each group has a coil forms whose number of turns is given by the above Cosine law is determined according to the location of the coil in question, so a nearly achieve a homogeneous magnetic field practically with far less difficulty.

Die Spulen werden erfindungsgemäß auf dem Mantel zweier Halbzylinder, die durch einen dem Rohrquerschnitt entsprechenden und durch eine Bezugsebene, welche die Rohrlängsachse und die Verbindungslinie der beiden Elektroden enthält, unterteilten Zylinder gebildet und sind symmetrisch paarweise parallel zu der Bezugsebene angeordnet, wobei die Windungszahl der einzelnen Spulen in Abhängigkeit von ihrer Lage so gewählt ist, daß sie eine bestimmte Funktion der relativen Lage der Spule hinsichtlich der Bezugsebene darstellt und sämtliche Windungen aller Spulen in Reihe geschaltet sind und vom Erregerstrom durchflossen werden. The coils are according to the invention on the jacket of two half cylinders, by a corresponding to the pipe cross-section and by a reference plane, which contains the longitudinal axis of the pipe and the line connecting the two electrodes Cylinders are formed and are symmetrically arranged in pairs parallel to the reference plane, whereby the number of turns of the individual coils is chosen depending on their position is that it is a certain function of the relative position of the coil with respect to the Represents the reference plane and all turns of all coils are connected in series and are traversed by the excitation current.

Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung liegt darin, daß die Außenfläche sämtlicher Erregerspulengruppen vollständig von einem geschichteten ringförmigen Eisenkern bedeckt ist, der in Axialrichtung in einzelne Ringe unterteilt ist, wobei die Ringe unter Zwischenlage von Isolierschichten miteinander vereinigt sind. Another feature of the invention is that the outer surface all excitation coil groups completely from a layered ring-shaped Iron core is covered, which is divided in the axial direction into individual rings, wherein the rings are united with one another with the interposition of insulating layers.

Das Rohr, durch das die zu messende Flüssigkeit strömt. ist erfindungsgemäß von einer elektrostatischen Abschirmung bedeckt, die aus einzelnen dünnen Metallringen besteht, welche durch Isolierschichten getrennt, jedoch durch einen geerdeten Leiterstreifen kurzgeschlossen sind. The pipe through which the liquid to be measured flows. is according to the invention covered by an electrostatic shield made of individual thin metal rings consists, which are separated by insulating layers, but by an earthed conductor strip are short-circuited.

Da es vorteilhaft ist, die elektrostatische Abschirmung ohne Zwischenraum auf das Rohr aufzuschieben, wird erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen, auf der Oberfläche des Rohres einen Schlitz vorzusehen, in dem sich die Anschlußdrähte für die Elektroden befinden. As it is advantageous to have the electrostatic shield without a gap to push on the tube is proposed according to the invention further on the Surface of the tube to provide a slot in which the connecting wires for the electrodes are in place.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen geschildert. Hierin ist Fig. 1 ein Schrägbild eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers mit teilweise weggelassenen Umhüllungen, Fig. 2 ein Querschnitt durch die Ebene, in welcher sich die beiden Elektroden befinden, F i g. 3 A und F i g. 3 B Seitenansichten der Spulenanordnung, wobei das Rohr im Längsschnitt dargestellt ist und ein Teil des Mantels weggeschnitten ist, Fig.4 ein vergrößerter Querschnitt in der Umgebung einer Elektrode und Fig. 5 ein Schrägbild des betreffenden Teils mit teilweise weggeschnittenem Mantel. An embodiment of the invention will now be made with reference to the drawings described. 1 is an oblique view of a flow meter according to the invention with coverings partially omitted, FIG. 2 a cross section through the plane, in which the two electrodes are located, FIG. 3 A and F i g. 3 B side views the coil arrangement, the tube being shown in longitudinal section and a part of the jacket is cut away, Figure 4 is an enlarged cross-section in the vicinity an electrode and FIG. 5 is an oblique view of the relevant part with a partially cut away A coat.

Die zu messende Flüssigkeit fließt durch das Rohr 1, in das die Elektroden 2 und 3 hineinragen, an denen die erzeugte elektromotorische Kraft abgenommen wird. Die Elektroden 2 und 3 sind symmetrisch angebracht. Die Außenseite des Rohres 1 ist eng von einer metallischen Abschirmung4, z. B. aus Edelstahl, umgeben, um elektrostatische Induktion durch die Erregerspulen 5 und 6 zu verhindern. Letztere sind auf der Oberseite und der Unterseite des Rohres 1 angeordnet. Auf der Außenseite der Spulen befinden sich ringförmige unterteilte Eisenkerne, die von einem Metallmantel 8 umgeben werden. Dieser dient zur Anbringung des Strömungsmessers und zum Schutz der aktiven Teile, sowie gegebenenfalls zur Verstärkung. Der Mantel 8 trägt Befestigungsschrauben 9 und ist mit Flanschen 10 und 11 an seinen Enden versehen. Er weist einen Klemmkasten 12 auf, worin die Anschlußdrähte 13 von den Elektroden 2 und 3 enden. Zur Halterung der Spulen 5 und 6 die- nen Trennleisten 14. Die Elektroden 2 und 3 sind mit Lötfahnen 15 versehen, die mit Gegenmuttern 16 befestigt sind. Zur elektrostatischen Abschirmung der Elektroden dient eine Kappe 17, während zur Abdichtung gegen Flüssigkeitsdurchtritt ein Dichtungsring 18 vorgesehen ist. The liquid to be measured flows through the tube 1 into which the electrodes 2 and 3 protrude, at which the generated electromotive force is removed. The electrodes 2 and 3 are attached symmetrically. The outside of the pipe 1 is closely surrounded by a metallic shield4, e.g. B. made of stainless steel, surrounded to electrostatic To prevent induction by the excitation coils 5 and 6. The latter are on the top and the underside of the tube 1 is arranged. Located on the outside of the coils ring-shaped divided iron cores which are surrounded by a metal jacket 8. This is used to attach the flow meter and to protect the active parts, and, if necessary, for reinforcement. The jacket 8 carries fastening screws 9 and is provided with flanges 10 and 11 at its ends. He has a terminal box 12, wherein the connecting wires 13 from the electrodes 2 and 3 terminate. To the bracket of coils 5 and 6 die- NEN separating strips 14. Electrodes 2 and 3 have soldering lugs 15, which are fastened with lock nuts 16. For electrostatic shielding a cap 17 serves for the electrodes, while sealing against the passage of liquid a sealing ring 18 is provided.

Erfindungsgemäß besteht die statische Abschirmung 4 aus einer Vielfalt dünner metallischer Ringe 4a, 4b usw., die jeweils durch eine Isolierschicht getrennt sind. Alle Ringe sind mittels eines geerdeten Leiters 19 kurzgeschlossen. Die Erregerspulen 5 und 6 bestehen aus einzelnen Spulenpaaren 5 a, 5 b, 6 a und 6b usw., derenWindungszahl nach einer Cosinusfunktion des Winkels abgestuft ist, der zwischen dem Durchmesser durch die beiden Elektroden 2 und 3 und derjenigen Stelle gemessen ist, wo sich die Spulenmitte auf dem Umfang des Rohres befindet. Der Erregerstrom fließt durch sämtliche in Reihe geschaltete Spulen. Die Außenfläche der Spulen 5 und 6 wird von den Eisenkernen überdeckt, die aus in Längsrichtung des Rohres unterteilten Ringen bestehen. According to the invention, the static shield 4 consists of a variety thin metallic rings 4a, 4b etc., each separated by an insulating layer are. All rings are short-circuited by means of a grounded conductor 19. The excitation coils 5 and 6 consist of individual coil pairs 5 a, 5 b, 6 a and 6 b, etc., their number of turns is graded according to a cosine function of the angle between the diameter is measured by the two electrodes 2 and 3 and the point where the center of the coil is on the circumference of the tube. The excitation current flows through all coils connected in series. The outer surface of the coils 5 and 6 is of covers the iron cores, which consist of rings divided in the longitudinal direction of the pipe exist.

Jeder Eisenkern ist mit dem benachbarten unter Zwischenlage eines Isolators verbunden. Die Dicke der Eisenkernringe ist vorzugsweise größer als 1 mm und unabhängig vom Durchmesser des Strömungsmessers.Each iron core is interposed with the neighboring one Connected isolator. The thickness of the iron core rings is preferably greater than 1 mm and regardless of the diameter of the flow meter.

Die erzeugte Signalspannung soll l mV je 1 m/sec Strömungsgeschwindigkeit betragen. Der Anschlußdraht 13, der die Elektroden 5 und 6 mit dem Anschlußkasten 12 verbindet, ist in einen Schlitz 20 auf der Oberfläche des Rohrs 1 eingelegt.The generated signal voltage should be 1 mV per 1 m / sec flow velocity be. The connecting wire 13 that connects the electrodes 5 and 6 to the junction box 12 connects is inserted into a slot 20 on the surface of the tube 1.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann ein homogenes Magnetfeld im Rohr 1 erzeugen, wie sich aus der beschriebenen Konstruktion ergibt. Ferner können die Spulen dichter als bei den bekannten Anordnungen an das Rohr 1 herangebracht werden und die ganze Spulenanordnung ist kompakter, weil der Erregerstrom wesentlich geringer als bei den bekannten Strömungsmessern gehalten werden kann. Auch ist die Nullpunktsunruhe wesentlich geringer als bei den bekannten Anordnungen, weil dieser Strömungsmesser frei von dem Fehler ist, daß die relative Lage des Rohres 1 und der Spulen 5 und 6 sich ändern kann. The arrangement according to the invention can create a homogeneous magnetic field in the pipe 1, as can be seen from the construction described. Furthermore, the Coils are brought closer to the tube 1 than in the known arrangements and the whole coil arrangement is more compact because the excitation current is much lower can be held than with the known flow meters. Also is the zero point unrest much less than with the known arrangements because of this flow meter is free from the error that the relative position of the tube 1 and the coils 5 and 6 can change.

Die von den Spulen erzeugten Magnetfelder haben alle die gleiche Phase, so daß sich ein sehr wirksames resultierendes Feld ergibt, wobei die einzelnen Magnetfelder sich kräftig unterstützen. Eisenverluste durch Wirbelströme können nicht auftreten, weil die Ringkerne 7 außerhalb der Spulen 5 und 6 aus geblätterten ringförmigen Siliziumstahlblechen bestehen und die einzelnen Blechpakete unter Zwischenlage von Isolierschichten axial zum Rohr angeordnet sind.The magnetic fields generated by the coils all have the same phase, so that there is a very effective resulting field, the individual magnetic fields support each other vigorously. Iron losses through eddy currents cannot occur, because the toroidal cores 7 outside the coils 5 and 6 made of peeled annular Silicon steel sheets are made and the individual sheet stacks with the interposition of Insulating layers are arranged axially to the pipe.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion kann der zur Erzeugung des notwendigen Magnetflusses erforderliche Erregerstrom sehr gering gehalten werden, weil der geschichtete ringförmige Magnetkern 7 einen geringen magnetischen Widerstand für die Schließung des magnetischen Kreises außerhalb des Rohres 1 darstellt, so daß der Wärmeverlust in den Spulen 5 und 6 erheblich verringert ist. Gleichzeitig kann der Streufluß außerhalb des magnetischen Kreises ebenfalls weitgehend verhindert werden. Ferner wird jeder Einfluß auf das Magnetfeld innerhalb des Rohres, der durch in der Nähe des Strömungsmessers befindliche leitende oder magnetische Stoffe hervorgerufen werden könnte, verhindert. Als Außenmantel kann z. B. ein Stahlrohr dienen, da außerhalb der inneren Anordnung kein Streufluß vorhanden ist. Die mechanische Festigkeit des Rohres 1 kann gegebenenfalls durch Anbringung geeigneter Stoffe zwischen dem Rohr 1 und dem Mantel 7 erhöht werden. In the construction according to the invention can be used to generate the required excitation current are kept very low, because the laminated ring-shaped magnetic core 7 has a low magnetic resistance represents for the closure of the magnetic circuit outside the tube 1, so that the heat loss in the coils 5 and 6 is significantly reduced. Simultaneously the leakage flux outside the magnetic circuit can also largely be prevented will. Furthermore, any influence on the magnetic field inside the pipe that is caused by conductive or magnetic substances in the vicinity of the flow meter could be prevented. As the outer jacket, for. B. serve a steel pipe because outside there is no leakage flux due to the internal arrangement. The mechanical strength of the Tube 1 can optionally by attaching suitable materials between the tube 1 and the jacket 7 can be increased.

Der Anschlußdraht 13 von den Elektroden 2 und 3 kann leicht auf dem Rohr 1 befestigt werden, indem er in den Schlitz 20 eingelegt wird, so daß die statische Abschirmung 4 auf das Rohr 1 aufgeschoben werden kann, ohne daß ihr Durchmesser unnötig vergrößert wird. The lead wire 13 from the electrodes 2 and 3 can easily be on the Tube 1 can be attached by inserting it into the slot 20, so that the static Shield 4 can be pushed onto the tube 1 without reducing its diameter is unnecessarily enlarged.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist die zeitliche Beziehung zwischen dem Erregerstrom und dem Magnetfeld innerhalb des Rohres im wesentlichen in Phase, und es tritt kein Streufluß außerhalb auf, so daß Eisenverluste in etwa vorhandenen magnetisierbaren Teilen in der Nähe des Strömungsmessers vermieden werden. Da Anderungen der äußeren Bedingungen wie der Temperatur keinen Einfluß auf die Verteilung des Magnetfeldes innerhalb des Rohres haben, ist die erzeugte EMK in Phase mit dem Erregerstrom, so daß sich die abgenommene Spannung leicht verstärken läßt. So können verschiedene Anzeige- oder Aufzeichnungsvorrichtungen einfacher Konstruktion angeschlossen werden, was einen erheblichen Vorteil bei der praktischen Anwendung darstellt. In the arrangement according to the invention, the time relationship is between the excitation current and the magnetic field within the pipe essentially in phase, and there is no leakage flux outside, so that iron losses are approximately present magnetizable parts in the vicinity of the flow meter can be avoided. Because changes the external conditions such as the temperature do not affect the distribution of the Magnetic field inside the pipe, the generated EMF is in phase with the excitation current, so that the removed tension can easily be increased. So can different Display or recording devices of simple construction are connected, which is a considerable advantage in practical use.

Claims

Claims: 1. Electromagnetic flow meter with two electrodes arranged diametrically symmetrically to one another in a tube and through which current flows Coils that are perpendicular to the direction of flow and to the connecting line of the electrodes generate directed magnetic field, d u r c h g e - indicates that the coils (5, 6) on the jacket of two half-cylinders, which are connected to the pipe cross-section (1) corresponding and by a reference plane, which is the pipe's longitudinal axis and the connecting line of the two elec- trodes (2, 3) containing subdivided cylinders are formed symmetrically are arranged in pairs parallel to the reference plane and that the number of ampere-turns the individual coils (5, 6) is chosen depending on their position so that they a cosine function of the relative position of the coil with respect to the reference plane represents, and that all turns of all coils are connected in series and a constant direct excitation current flows through them.

2. Electromagnetic flow meter according to claim 1, characterized in that that the outer surface of all the exciting coil groups (5, 6) completely from one layered annular iron core (7) is covered, which in the axial direction in individual Rings is divided, the rings (7) with the interposition of insulating layers are united with each other.

3. Electromagnetic flow meter according to claim 1 and 2, characterized characterized in that the tube (1) is covered by an electrostatic shield (4) is, which consists of individual thin metal rings (4 a, 4 b), which by insulating layers separated, but short-circuited by a grounded conductor strip (19).

4. Electromagnetic flow meter according to one of the preceding Claims, characterized in that a slot on the surface of the tube (1) (20) is present, in which the connection wires (13) for the electrodes (2, 3) are located.

5. Electromagnetic flow meter according to claim 2, which is so arranged is that he has a signal voltage after 1 mV for 1 m / sec. Flow velocity releases, characterized in that the sheet thickness of the iron core (7) is greater than 1 mm is.