DE1295223C2 - Nach dem induktionsverfahren arbeitende stroemungsmesseinrichtung - Google Patents

Description

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Feld unafaungi
Meßergebn ssc t
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_{m nach dem} Induktions-

Die E^JätendeStrömungsmeßeinrichtung mit verfahr« ^rten* fsolieriiiiterial oder aus nichteinem RonrstucK. :au _IsoIierausk}adin,g, einer

» magnetischem M«.taum^ _{diametral gegen}über-Magnetanordnung und ^^ ^ _strömendc

hegenden EMctroüe - _homogencn Magnetfeld

Medium ^dui^^el^"^a^_nenmender Entfernung von liegen das ^cin ■ _{d E}i_ektrodenebene von

-5 der ^blektf^udX'^1Se _iJ_leioende zur Strömungsrich- ^^nte hat.

gcn, die nach dem Induk-,°_{t man} bisher durch be homogenes Magnetfeld in ^ liegenden, durch J„ _Flüc ^S _he angestrebt, da _daß durch ein homogene, ^ _fi, _einwandfreic

^_{n Untcr Strü}^

^ _{d Rohrquer}schnili

mungsprofil ist dal^d- ^_e ^r _{itsverteilung des strö}sich «gebende Ocsc ^{w n} J= _{Ein rotalions}synv

menden Mcd un ^. _{in der Rohr}.

^f'^fS rffiwindigfel herrscht und zu ^hsed,e lachte C cn . \_chmüß; _{r Abfa},| der den Randern zu ubcra «r^ ^_{elrische Strü}.

Gc«!m^ ^> _{mit kreis}.

rnungsprofile^ hermnc Voraussetzung,

fonmgen Qucrj.hn.tUη u _{vcrursacncnden}

daß keine e nc. wvsent _Strürriung_Spron!

Kor| ^ ⁿJ ^^"1^ viskosität des strömenden js d be, a oh,^n ^^o _n ⁿ _{Ström cschwind}igkeit, von, Mc ^1S·^" , · _{d von} Abweichungen des

U. urg^™™¹^ ^U^_nraEcn von Körpern oder 5« Querschnittes aurui

Krümmungen usw. ^ ^^ _daß ^

L »«^h ™",J ^asung bei jedem Slrömungs-^Ullv-' , _Oßcncs p_c!d Voraussetzung ist, nicht P'»')' ^u" ^^Ssonderc bei Messungen zutage -_/u r. ^ ^ Zement unmiuelbar hin-

^^^^ _ct_{nBcfüpl wur}dc. wobei sich unter

V -r« cmkina eines üblichen homogenen Feldes cr-N c ■c ..Iu g c ^ _{Djcse Mcßcrgcb}.

^ ^ ^^ erkennen lassen, daß es nicht zulässig η ss. h.^J crKcnnc ^ _s,_{auvcriirsacllcndcn} Ven-

^λ1· " _Rnl,_{rkrünimcrn o}d dgl. einzufügen, wenn die U c,, RoI ™^1CrJ | ; _Tolcrunzbcrciches Mossv np mnuh.,1 dt. 7.

6₅ " Di st mindestens in gleichem, wenn nicht gar υ ι ^ y ^ Strömungsnießeinrichtungen

_der cinpanas genannten Art, wie sie aus dem Aufsatz

^{; wiht ÄSingle}-^{Coil Corclcss}

Eleciromngneuc Blood-Flow-Meters« (IEEE Transactions on Βίο-Medical Electronics, S. 60 bis 67, April 1963), bekanntgeworden ist. Bei der einen Meßeinrichtung mit zwei gekrümmten Spulen (Magnetfeld nach Fig. 2c) nimmt die Magnetfeldstärke radial zur Rohrwand hin zu, wodurch sowohl bei unsymmetrischen als besonders auch bei rotationssymmetrischen Veränderungen der Strömungsverteilung noch größere Meßwertabweichungen als bei einer Meßeinrichtung mit homogenem Magnetfeld zu er- 1,, warten sind. Bei der anderen Meßeinrichtung mit einer gekrümmten Spule (Magnetfeld nach Fig. 2d) ist die Magnetfeldverteilung, zusätzlich zu der vorwiegend radialen Magnetfeldverstärkung zur Rohrwand hin, so unsymmetrisch zu der Elektrodenachse, daß besonders bei unsymmetrischen Veränderungen der Strömungsverteilung ebenfalls größere Meßwertfehler als bei einer Meßeinrichtung mit homogenem Magnetfeld erwartet werden müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ₂c eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Art zu scha Π - η. die jeweils bei gegebener Geometrie des Rohr;.:.· in der Elektrodenebene und in ihrer Nähe eine -.'er mittleren Geschwindigkeit der Flüssigkeit propi-'.tionale Meßspannung liefert, gleichgültig welches Mrömungsprofil vorliegt.

Div-c Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelösi i.:aU die Magnetanordnung so ausgebildet ist, daß die Feldkomponente in der Elekirodenebene und ;: Ebenen parallel dazu in Richtung der Elektrod.'!i::chse von innen nach außen h^;n abnimmt und beid·' i⁷eldgradientcn so gewählt sind, daß in allen Punk'.i-'n jeweils einer zur Strömungsrichtung scnkrech'.'U Querschnittsfiäche das Produkt aus FeIdkomponcnte und Wertigkeit innerhalb der Ebene mav:nal um den Faktor 3 schwankt (den unmittelbar. Elektrodenbereich ausgenommen), wobei diese an ">:ch bekannte Wertigkeit den Einfluß der einzelnen riachcnpunktc auf die an den Elektroden auftretende Meßgröße darstellt. 4»

Vv. in es gelingen kön^r'e. ein solches Magnetfeld zu erzeugen, das ausschließlich die Elektrodenebene durchsetzt, dann könnte eine solche Inhomogenität eine Messung erlauben, die praktisch fehlerlos ist, unabhänaig davon, welchen Querschnitt das Rohr hai. welche Strömungsverhältnissc herrschen und welche Oberflächenbeschaffcnheit. d. h. Einragungen oder Einbuchtungen oder Verengungen od. dgl. vorhanden sind.

Da eine solche Felderzeugung jedoch praktisch nicht möglich i:·*. und andererseits die der Elektrodenebcne benachbarten Ebenen mit einer ihnen entsprechenden \Vertigkeits\erteilung—die für die Ebenen mit zunehmender Entfernung von der E'ekiroclenebenc stark abnimmt und sich auch in ihrer Verteilung über die Ebenen ändert — an der Meßwerter/euuung beteiligt sind, wird ein solches räumliches Magnetfeld angestrebt, bei dem in den einzelnen Ebenen das Produkt aus senkrechter FeIdkoniponente und Wertigkeit für jedes Flächcntcilchcn fio einer Ebene gleich groß ist, wobei das Produkt in der Elektrodcncbcne am größten ist und in den benachbarten parallelen Ebenen mit zunehmender Entfernung von der Elekirodenebene bis auf Null abnimmt. Bedingt ist diese Abnahme durch die Vcrrini'.crung der senkrechten Fcldkoniponenle und die Abnahme der Wertigkeit beiderseits der Elcktrodcnebcnc in RohrlängM κ lining. Die Abnahme der Wertigkeit ist nur von der geometrischen Form der Meßstrecke und vn der Form und Anordnung der Elektroden abhängig.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorteilhafterweise die Feldinhomogenität so gewählt werden, daß die Summe der Produkte aus senkrechter Feldkomponente und Wertigkeit längs den Parallelen zur Rohrlängsachse über dem ganzen Rohrquerschnitt möglichst konstant bleibt. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß die in den einzelnen Ebenen eventuell herrschende Abweichung von der Konstanz der Produkte ausgeglichen wird.

Eine gute Feldinhomogenität im Sinne der Erfindung kann mit einfachen Spulenformen dadurch erreicht werden, wenn man ebene oder leicht gekrümmte Spulen von etwa elliptischer oder rautenförmiger Gestak verwendet, bei denen das Verhältnis Breite zur Länge vorzugsweise 0,5 bis 0,7 beträgt. Besonders vorteilhafte Ergebnisse sind mit Spulen zu erreichen, deren längste Erstreckung im Mittel etwa dem Rohrdurchniesser eines kreisförmigen Rohres entspricht, wobei die mittlere Breite etwa 0,6 der Länge gewählt ist. JeJe dieser Spulen ist parallel zur Elektrodenachse mit ,iirer Längsrichtung quer zur Rohrachse planparallel an_beordnet.

Bei kleineren Rohrnennweiten können plane, parallel zueinander liegende runde Spulen benutzt werden, bei denen das Verhältnis von mittlerem Spulendurchmesser zum Rohrdurchniesser mit zunehmendem Spulenqucrschnitt und oder abnehmenden Nennweiten zunimmt und für mittlere Nennweiten insbesondere Werte im Bereich zwischen 0,8 und 1,5

erhält.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführun«sbcispielcs veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 Kurven konstanter Wertigkeit in der Elek-

trodcnebenc.

F i g. 2 Kurven konstanter Wertigkeit in einer Ebene parallel zur Elektrodenebene ein Fünftel des Rohrdurchmessers davon entfernt.

Fi g. 3 Kurven konstanter Feldstärke für die senkrechte Fcldkoniponenle bei einer Felderzeugung gemäß der Erfindung.

F i c. 4 und 5 Anordnung und Form einer Maenetanordnunc mit rautenförmigen Spulen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß jedes Flüssickeitsteilchen an jeder Stelle einer x-y-F.benc den gleichen Anteil am Gesamtwert erzeugen sollte, was gemäß der Beziehung

dt'= W (.γ. y) · B (x, y) · >> (χ, y) ■ d χ ■ d y mit W- B — const, an jeder Stelle erreichbar ist.

Für d^;e Meßspannung in d~r v-y-Ebcne gilt dann die Beziehung:

U /d U ----- W ■ B j j rd.vdy = WB ■ V₀F.

In der Gleichung bedeutet:

dU = den Mefiwcrtanteil eines Volumenelements an der Stelle (.v, y),

ß(v, v) =-" örtliche senkrechte Magnctfeldkompon;nte.

W(x. y) = die örtliche Wertigkeit,

v(x,y) = dicörtliclieGesclnvindigkeitdesMediums.

dx · dy = Fläche eines Volumcnclcmcnts in der x-y-Ebcnc,

v₀ = mittlere Geschwindigkeit und

F = Querschnittsflächc in der Elektrodenebene.

In Fig. 1 ist für ein Beispiel die Wertigkeit in der Elektrodenebene dargestellt und zwar für einen kreisrunden Rohrquerschnitt. Die Verteilung ist symmetrisch zu den beiden Koordinatenachsen χ und >\ Der Wert »Eins« für die Wertigkeit ist im Schnittpunkt der beiden Koordinaten liegend gedacht. Ihr Wert nimmt zu in Richtung der y-Achse (Ordinate) zu den Elektroden —- die an beiden Endpunkten der Ordinate befindlich zu denken sind -- auf etwa den Wert Acht in der Nähe der Elektroden.

Auf der .r-Achsc (Abszisse) nimmt vom Koordinatenursprung ausgehend die Wertigkeit nach außen hin ab.

Diese Ortskiirvcn bestimmter Wertigkeit sind bei den Wertigkeiten größer als »Eins« Teile einer angenäherten Ellipse und für die Wertigkeit »Eins« Teile einer Lcmniskate, während sie für die unter »Eins« liegenden Wertigkeiten zur Ordinate symmetrisch liegende Kurvenzüge bilden, die in der Abszisse und in der Nähe der Elektroden zur Ordinate hin eingebuchtet sind. Die Einbuchtungen werden /um Rand des Rohres hin kleiner. An den Elektroden selbst herrschen unbestimmbare Verhältnisse, da theoretisch jeder Wertigkeitsbereich vorhaiukr. sein müßte. Der auf die Elektrodencbcne bezogene Wcrtigkcitsvcrlauf gemäß F i g. 1 ändert sich in den benachbarten Ebenen gemäß F i g. 2. wobei die F i g. 2 den Verlauf für eine Ebene zeigt, die einen Abstand von einem Fünftel des Rohrdurchmessers parallel zur Elektroden achse hat. Die Form der Kurven gleicher Wertigkeit ist etwa ähnlich der Form nach Fig.l, jedoch sind die Größen wesentlich verschieden, wobei jedoch das Übereinstimmende darin besteht, daß auch in diesem Falle auf der Abszisse nach außen zu die Wertigkeiten abnehmen, während sie auf der Ordinate zu den Elektroden hin zunehmen, jedoch in einem wesentlich geringeren Umfang. Von etwa halbem Rohrdurchmcsscrabstand von der Elektrodenebene an fällt die Wertigkeit in Richtung der beiden Koordinatenachsen zur Rohrwand hin ab.

Für die Elektrodenebene müßte theoretisch der Verlauf der Inhomogenität der senkrechten Komponente des Feldes gemäß Fig. 1 und für eine im Abstand eines Fünftels des Rohrdurchmessers liegende Ebene gemäß F i g. 2 mit reziproken Werten gewählt sein. Die mit verschiedenen Zahlenwerten bezeichneten Kurven nach Fig. 3 sollen Ortskurven bestimmter Werte der senkrechten Feldkomponenten sein; sie zeigen die Feldinhomogenität, die zur Erzielung der gewünschten Konstanz des Produktes Wertigkeit mal senkrechte Fcldkomponcnte angestrebt wird.

In F i g. 4 und 5 ist in Draufsicht und im Schnitt senkrecht zur Rohrachse eine elliptische oder etwa rautenförmige Spulenanordnung gezeigt, wobei die beiden Spulen 1 und 2, die in sich parallel und eben

_a5 sind, zur Elcktrodcnachse 3-3 parallel liegen und eine Längseistreckung haben, die im Mittel dem Durchmesser des Rohres 4 entspricht.

Die größte Breite dieser elliptischen oder rautenförmigen Spulenform beträgt im Mittel etwa 0,6 des Rohrdurchmessers. Diese Spulenform eignet sich für kreisförmige Rohrdurchmcsscr. Für davon abweichende Rohrdurchmesser ergeben sich nur iicringc Änderungen des Inhomogenitätsverlaufs, wobei noch eine Anpassung an Querschnitte, die von kreisför-

_3S miger Form abweichen, dadurch möglich ist, daß dir Enden der rautenförmigen oder elliptischen Spulen nach oben abgebogen bzw. zu den Rohrwandungeti an den Enden abgewinkelt werden oder daß noel· zusätzliche, nicht dargestellte fcldverzerrende Eisen teile entweder im Zwickel 5 zwischen Rohr 4 um Spulen 1, 2 oder in der Nähe der Elektroden ange ordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   1, Nach dem Induktionsverfahren arbeitende Strömungsmeßeinrichtung mit einem Rohrstück aus Isoliermaterial oder aus m'chUnagnetischem Metall mit Isolierauskleidung, einer Magnetanordnung und zwei diametral gegenüberliegenden Elektroden, die in einem das strömende Medium durchsetzenden, inhomogenen Magnetfeld liegen, das eine mit zunehmender Entfernung von der Elektrodenachse in der Elektrodenebene von innen nach außen ansteigende, zur Strömungsrichtung senkrechte Feldkomponente hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung (1, 2) so ausgebildet ist, daß die Feldkomponente in der Elektrodenebene und in Ebenen parallel dazu in Richtung der Elektrodunachse (3-3) von innen nach außen hin abnimmt und beide Feldgradienten so gewählt sind, daß in allen Punkten jeweils einer zur Strömungsrichtung senkrechten Querschnittsfläche das Produkt aus Feldkomponente und Wertigkeit innerhalb der Ebene maximal um den Faktor 3 schwankt (den unmittelbaren Elektrodenbereich ausgenommen), wobei diese an sich bekannte Wertigkeit den Einfluß der einzelnen Flächenpunkte auf die an den Elektroden auftretende Meßgröße darstellt.
2. 2. Strömungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung (1, 2) so ausgebildet ist, daß die Feldinhomogenität symmetrisch zui Elektrodenebene entsprechend der mit zune'imr ider Entfernung von der Elektrodenebene in der Richtung parallel zur Elektrodenachse (3-3) auftretenden Abnahme der Wertigkeit so ansteigt, daß das Produkt aus Wertigkeit und Feldkomponente innerhalb jeder Ebene konstant ist.
3. 3. Strömungsmeßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine derartige Magnetanordnung, daß die Summe aller Produkte aus Wertigkeit und senkrechter FcIdkomponente längs den Parallelen zur Rohrachse über den ganzen Rohrquerschnitt konstant ist.
4. 4. Strömungsmeßcinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung beiderseits des Rohrstückes (4) je eine zur Elektrodenebenc symmetrische Spule (1 und 2) aufweist, die in der Symmeuieachse länger als in der dazu senkrechten Achse ist und die sich nach den Enden der Symmetrieachse hin verjüngt.
5. :>. Strömungsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule (1 und 2) in sich eben ist und angenähert rautenförmig oder elliptische Form hat.
6. i). Strümungsmeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von mittlerer Breite zur mittleren Länge der Spulen zwischen 0,5 und 0,7 gewählt ist.
7. 7. Strömungsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von mittlerer Breite zu mittlerer Länge etwa 0,6 beträgt, wenn die mittlere Länge der gleich dem Rohrdurchmesser ist.

   des Rohres (4) «"J™*¹ *_{d 2) beste}ht, die planen runden Sputen C^JJ^ ^, Elek-

   ™f_{se (3}.₃) und zueinander parallel ange_{sind und deren} Verhältnis vom mUUeren

   Spulendurchmesser zum ^"^Ξ Χ Nehmendem Spulenquerschn.tt und/oder üd_nehmendem Rohrdurchmesser ^mrnmt una iur „^ Rohrdurchmesser insbesondere werte ^chen 0,8 und 1,5 hat.