DE19615140A1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Phasenanteils eines leitfähigen Mediums in einer Leitung - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung des Phasenanteils eines leitfähigen Mediums in einer Leitung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Phasenanteils eines leit­ fähigen Mediums in einer Leitung, insbesondere zum Einsatz in Verbindung mit ei­ nem magnetisch-induktiven Durchflußmeßgerät, mit mindestens einer Kondensator­ platte, mit einer Isolationsschicht zwischen der Kondensatorplatte und dem Medium und mit einer Steuer- und Auswerteschaltung, wobei die Steuer- und Auswerteschal­ tung die Kondensatorplatte mit einer Wechselspannung beaufschlagt.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für den Einsatz in einem magnetisch-indukti­ ven Durchflußmeßgerät (MID), und zwar insbesondere in einem MID mit kapazitiv gekoppelten Elektroden. Bei dieser Kombination können die für die Durchflußmes­ sung mit Hilfe des MID benötigten kapazitiv gekoppelten Elektroden gleichzeitig als Kondensatorplatten zur Bestimmung des Phasenanteils eingesetzt werden. Die Kombination der vorliegenden Erfindung mit einem MID ist weiterhin deshalb vor­ teilhaft, weil aus dem Meßsignal eines MID nicht zwischen einer reduzierten Durch­ flußgeschwindigkeit und einem reduzierten Phasenanteil des leitfähigen Mediums un­ terschieden werden kann.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Bestimmung des Phasenanteils eines leitfähigen Mediums in einer Leitung in Verbindung mit einem MID mit galva­ nisch gekoppelten Elektroden bekannt. Diese werden auch als Leerlauferkennungen bezeichnet. Bei einer solchen Leerlauferkennung wird gleichzeitig mit der normalen Durchflußmessung des MID′s geprüft, ob die Leitung vollständig mit dem leitfähigen Medium gefüllt ist. Das Arbeitsprinzip dieser bekannten Leerlauferkennungen unter­ scheidet sich jedoch von dem der Erfindung grundsätzlich.
Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung sind die aus den europäischen Offenle­ gungsschriften 0 514 964 und 0 547 751 sowie aus der nachveröffentlichten deut­ schen Offenlegungsschrift 195 31 124 bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung des Phasenanteils eines Mediums in einer Leitung. Bei diesen bekannten Verfahren und Vorrichtungen wird zur Bestimmung des Phasenanteils stets der Strom zwischen zwei Kondensatorplatten ausgewertet. Dies führt, wie aus dem genannten Stand der Technik ersichtlich ist, zu einer Aufteilung der Kondensatorplatten und ei­ ner relativ aufwendigen Ansteuerung der Kondensatorplatten und Auswertung der erzielten Meßsignale. Diese Problematik resultiert aus der Tatsache, daß der Strom zwischen zwei Kondensatorplatten wesentlich von den elektrischen Eigenschaften des Mediums, also insbesondere der Dielektrizitätskonstante ε und der elektrischen Leitfähigkeit σ, bestimmt wird.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Phasenanteils eines leitfähigen Mediums in einer Leitung zur Verfügung zu stel­ len, welche einfach aufgebaut ist und zumindest im wesentlichen unabhängig von den elektrischen Eigenschaften des leitfähigen Mediums arbeitet.
Die zuvor aufgezeigte und hergeleitete Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuer- und Auswerteschaltung die Kapazität zwischen der Kondensatorplat­ te und dem Medium als Maß für den Phasenanteil bestimmt. Vorteilhafterweise läßt sich also mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Phasenanteil des leitfähigen Mediums anhand einer entsprechenden Ansteuerung nur einer Kondensatorplatte bestimmen. Diese Kondensatorplatte kann gleichzeitig auch eine kapazitiv gekoppel­ te Elektrode eines MID′s bilden. Bei vollständig gefüllter Leitung bildet sich zwi­ schen der Kondensatorplatte mit einer Oberfläche A und dem leitfähigen Medium eine Kapazität. Ist die Leitung nun nicht mehr vollständig gefüllt, ergibt sich eine kleinere Kapazität CMeß, die proportional zu einer kleineren Fläche A′ ist. Die kleinere Fläche A′ erhält man durch die Projektion der Fläche A von der Außenseite der Lei­ tung auf die Innenseite und die Betrachtung nur des Teils dieser Fläche, der mit dem leitfähigen Medium benetzt ist. Bezeichnet man die mittlere Dicke der Isolations­ schicht zwischen der Kondensatorplatte und dem leitfähigen Medium mit d und die Dielektrizitätskonstante dieser Schicht mit ε, so erhält man für CMeß:
und für C′Meß:
Hieraus erkennt man, daß die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte und dem Medium ohne weiteres als Maß für den Phasenanteil des leitfähigen Mediums in der Leitung geeignet ist.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre führt die Steuer- und Auswerteschaltung anhand der gemessenen Kapazität zwischen der Kondensa­ torplatte und dem Medium eine Schwellwertentscheidung durch. Beim Unterschrei­ ten des Schwellwertes wird in bekannter Art und Weise ein Leerlaufsignal ausgege­ ben.
Alternativ oder kumulativ zu der an sich bekannten Leerlauferkennung ist die er­ findungsgemäße Lehre dadurch weiter ausgestaltet, daß die Steuer- und Auswerte­ schaltung die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte und dem Medium quantita­ tiv auswertet, d. h. ein zur Füllstandshöhe des Mediums in der Leitung proportionales Signal ausgibt. Somit ist bei der Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem MID auch bei einer nur teilweise gefüllten Leitung sichergestellt, daß die Durchflußmenge zutreffend feststellbar ist.
Liegt die Wechselspannung gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsge­ mäßen Lehre zwischen zwei Kondensatorplatten an, so ist der bereits geringe Einfluß der elektrischen Eigenschaften des leitfähigen Mediums auf das Meßsignal der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung weiter reduziert, da der Ladungstransport innerhalb der Flüssigkeit nur auf einer realtiv geringen Strecke stattfinden muß.
Nach einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre liegt die Wech­ selspannung zwischen jeweils einer Kondensatorplatte und einem Bezugspotential an, mit dem das Medium mit Hilfe eines Mittels zur Erdung verbunden ist. Diese Aus­ gestaltung gewährleistet eine Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit nur einer Kondensatorplatte.
Die bei der zuletzt beschriebenen Ausgestaltung notwendige Verbindung mit dem Bezugspotential kann in konventioneller Weise über Erdungsringe oder metallische Rohrstücke erfolgen oder gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsge­ mäßen Lehre über kapazitiv gekoppelte, vom Medium isolierte Elektroden, die mit dem Bezugspotential verbunden sind. Diese Alternative ist insbesondere zu bevorzugen, wenn das Medium gegenüber Metallen chemisch aggressiv ist, da hiermit ein Kontakt des Mittels zur Erdung mit dem Medium vermieden wird.
Bei der zuletzt beschriebenen alternativen Ausgestaltung ist weiter zu beachten, daß der Wechselstromwiderstand der Kapazität zwischen der Kondensatorplatte und dem Medium in Verbindung mit der Frequenz der Wechselspannung fTest höchstens in der Größenordnung des ohmschen Widerstandes des Mediums gegen das Bezugspoten­ tial RMedium liegt. Formelmäßig bedeutet dies in etwa:
Diese Maßnahme gewährleistet es, daß der Ladungstransport durch das leitfähige Medium das Meßergebnis nur unwesentlich beeinträchtigt, wobei die Genauigkeit des Meßsignals durch eine Absenkung des Wechselstromwiderstandes der Kapazität zwischen der Kondensatorplatte und dem Medium durch eine Erhöhung der Fre­ quenz fTest weiter zu verbessern ist.
Eine weitere Ausgestaltung erfährt die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch, daß die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte und dem Medium eine erste Kapazität eines mindestens zwei Kapazitäten aufweisenden kapazitiven Spannungsteilers bil­ det und die Steuer- und Auswerteschaltung das Meßsignal am Mittelabgriff des ka­ pazitiven Spannungsteilers abgreift. Bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre liegt das Wechselspannungssignal STest über die zweite Kapazität des kapaziti­ ven Spannungsteilers an der Kapazität zwischen der Kondensatorplatte und dem Medium an. Es ergibt sich somit für die von der Steuer- und Auswerteschaltung aus­ gewertete Spannung UTest folgender Zusammenhang:
mit
CTest = zweite Kapazität des kapazitiven Spannungsteilers.
Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist vorteilhaft, da somit eine besonders einfach zu realisierende Möglichkeit der Messung der Kapazität zwi­ schen der Kondensatorplatte und dem Medium zur Verfügung gestellt ist.
Die zuletzt beschriebene Anordnung erfährt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung dadurch, daß die zweite Kapazität CTest des kapazitiven Spannungsteilers kleiner als die erste Kapazität C′Meß ist. Bei leerer Leitung ist dann die Spannung UTest groß, da CMeß fast gleich Null ist. Hingegen ist bei voller Leitung die Spannung UTest klein, da CMeß deutlich größer als CTest ist.
Eine, wie vorgeschlagen, kleine zweite Kapazität CTest läßt sich ohne schaltungstech­ nischen Aufwand besonders einfach dadurch zur Verfügung stellen, daß eine parasi­ täre Kapazität der Steuer- und Auswerteschaltung diese zweite Kapazität CTest bildet.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Phasenanteils eines leitfähigen Mediums in einer Leitung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Be­ schreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeich­ nung. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 die prinzipielle Ausbildung eines magnetisch-induktiven Durchflußmeß­ gerätes sowohl mit kapazitiv gekoppelten Elektroden als auch mit gal­ vanisch gekoppelten Elektroden,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Phasenanteils eines leitfähigen Mediums in einer Lei­ tung, realisiert in Verbindung mit einem kapazitiven magnetisch-indukti­ ven Durchflußmeßgerät mit vollständig gefüllter Leitung,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Phasenanteils eines leitfähigen Mediums in einer Lei­ tung, realisiert in Verbindung mit einem kapazitiven magnetisch-indukti­ ven Durchflußmeßgerät mit teilweise gefüllter Leitung und,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Phasenanteils eines leitfähigen Mediums in einer Leitung, realisiert in Verbindung mit einem kapazitiven magnetisch-in­ duktiven Durchflußmeßgerät mit teilweise gefüllter Leitung.
Es soll zunächst das Prinzip eines MID anhand der Fig. 1 der Zeichnung erläutert werden.
Ein MID besteht zunächst aus einer ein leitfähiges Medium 1 führenden Leitung 2. In der Leitung 2 wird ein magnetisches Wechselfeld B mit einer Frequenz fMeß erzeugt, dessen magnetische Feldlinien im wesentlichen senkrecht zur Leitungsachse verlau­ fen. Durch die Lorenzkraft wird, abhängig von der Durchflußgeschwindigkeit v des leitfähigen Mediums eine Ladungstrennung in dem Medium erzeugt. An zwei Elek­ troden 4, 5, bzw. 6, 7, deren Elektrodenachse sowohl senkrecht zu den magnetischen Feldlinien als auch zu der Leitungsachse liegt, kann eine Wechselspannung UMeß mit der Meßfrequenz fMeß gemessen werden, deren Amplitude proportional zur Durch­ flußgeschwindigkeit v des Mediums 1 in der Leitung 2 ist. Bei einem MID mit galva­ nisch gekoppelten Elektroden 6, 7 wird diese Spannung UMeß über metallische Kon­ takte zu dem Medium 1 nahezu punktförmig abgegriffen. Bei MID′s mit kapazitiv ge­ koppelten Elektroden 4, 5, die bei der vorliegenden Erfindung gleichzeitig als Kon­ densatorplatten dienen können, wird die Wechselspannung UMeß zwischen flächen­ förmigen Elektroden 4, 5, die von dem leitfähigen Medium durch eine Isolations­ schicht 8 getrennt sind, kapazitiv abgegriffen. Die Leitung 2 ist auch bei einem MID mit galvanisch gekoppelten Elektroden 6, 7 mit einer Isolationsschicht 8 ausgekleidet, die jedoch von den galvanisch gekoppelten Elektroden 6, 7 durchbrochen ist. Bei beiden Varianten der bekannten MID wird das leitfähige Medium außerhalb des ge­ genüber der Flüssigkeit isolierten Leitungsabschnittes mit einem Bezugspotential, beispielsweise über Erdungsringe oder metallische Rohrstücke, verbunden.
Fig. 2 der Zeichnung zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Phasenanteils eines leitfähigen Mediums in einer Leitung 2. In der Fig. 2 ist die Leitung 2 vollständig mit dem leitfähigen Medium 1 ge­ füllt. Somit kommt die gesamte Oberfläche der Kondensatorplatten 3, also der Elek­ troden 4, 5, für die Kapazität zwischen den Kondensatorplatten 3 und dem leitfähi­ gen Medium 1 zum Tragen. Für die Kapazität CMeß ergibt sich also:
Im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird diese Kapazität CMeß dadurch bestimmt, daß eine Wechselspannung STest zwischen jeweils einer Kondensatorplatte 3, also einer Elektrode 4 bzw. 5, und einem Bezugs­ potential 9 anliegt und daß das Medium 1 mit Hilfe eines nicht dargestellten Mittels zur Erdung mit dem Bezugspotential 9 verbunden ist. Bei dem in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Steuer- und Auswerteschaltung nur für die rechte Elektrode 5 dargestellt. Sollte auch die linke Elektrode 4 zur Bestimmung des Phasenanteils des leitfähigen Mediums 1 herange­ zogen werden, so ist eine entsprechende Steuer- und Auswerteschaltung mit der lin­ ken Elektrode 4 zu verbinden.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet die Kapazität CMeß zwischen der als Kondensatorplatte 3 dienen­ den Elektrode 4 und dem Medium 1 eine erste Kapazität 10 eines zwei Kapazitäten 10, 11 aufweisenden kapazitiven Spannungsteilers 12. Die Steuer- und Auswerte­ schaltung greift hier das Meßsignal am Mittelabgriff 13 des kapazitiven Spannungs­ teilers 12 ab und ermittelt aus dem am Ausgang eines Buffers 14 anliegenden Signal die Testspannung UTest und damit den Phasenanteil des leitfähigen Mediums 1 in der Leitung 2 und die Meßspannung UMeß und damit die Durchflußgeschwindigkeit V des Mediums 1 in der Leitung 2. Aus diesen beiden Größen kann die Steuer- und Auswerteschaltung anschließend die Durchflußmenge durch die Leitung 2 bestim­ men. Bei der dargestellten vollständig gefüllten Leitung 2 ergibt sich die Durchfluß­ menge in bekannter Weise aus der Durchflußgeschwindigkeit V multipliziert mit dem Querschnitt der Leitung 2.
Die Fig. 3 der Zeichnung zeigt nun das erste Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung mit einer nur teilweise gefüllten Leitung 2. Der von der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung bestimmte Phasenanteil des flüssigen leitfähigen Medi­ ums 1 ist somit geringer als 1. Dies drückt sich meßtechnisch darin aus, daß die wirk­ same Fläche A′ der Kapazität der als Elektrode 5 dienenden Kondensatorplatte 3 deutlich geringer ist als die Gesamtfläche der gleichzeitig als Elektrode 5 wirkenden Kondensatorplatte 3. Für die Kapazität CMeß ergibt sich somit:
Die Kapazität C′Meß bildet in Fig. 3 wiederum die erste Kapazität 10 eines Spannungs­ teilers 12. Die Steuer- und Auswerteschaltung ermittelt die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte 3 und dem Medium 1, wie bereits anhand von Fig. 2 beschrieben. Die durch die Leitung 2 strömende Menge des Mediums 1 ergibt sich bei einer nur teilweisen Füllung der Leitung 1, wie in Fig. 3 dargestellt, aus der Durchflußge­ schwindigkeit V, multipliziert mit dem Querschnitt der Leitung 2 und dem Phasenan­ teil des leitfähigen Mediums 1, der sich aus der Kapazität CMeß bestimmen läßt.
Fig. 4 der Zeichnung zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine parasitäre Kapazität 15 des Buffers 14 der Steuer- und Aus­ werteschaltung die zweite Kapazität eines kapazitiven Spannungsteilers 12 bildet. Die parasitäre Kapazität 15 wird hierbei durch einen parasitären Kondensator zwi­ schen dem Eingang des Buffers 14 und dessen Versorgungsanschlüssen 16, 17 gebil­ det. Ansonsten stimmt die Funktionsweise des in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der des in den Fig. 2 und 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels überein.
Wird die Wechselspannung, wie in der allgemeinen Beschreibung bereits erläutert, zwischen zwei Kondensatorplatten über ein Differenzsignal eingespeist, so wird die Testspannung in diesem Fall zwischen zwei Buffern abgenommen. Die Funktion stimmt ansonsten im wesentlichen mit der der in den Fig. 2 bis 4 beschriebenen Aus­ führungsbeispielen überein.
Beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Phasenan­ teils eines leitfähigen Mediums 1 in einer Leitung 2 in Verbindung mit einem magne­ tisch-induktiven Durchflußmeßgerät, wie in den Fig. 2 bis 4 dargestellt, ist zu beach­ ten, daß die von der Steuer- und Auswerteschaltung an die Kondensatorplatten ange­ legte Wechselspannung eine von der Frequenz des magnetischen Wechselfeldes B, fMeß, verschiedene Frequenz fTest aufweisen muß.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Phasenanteils eines leitfähigen Mediums (1) in ei­ ner Leitung (2), insbesondere zum Einsatz in Verbindung mit einem magnetisch-in­ duktiven Durchflußmeßgerät, mit mindestens einer Kondensatorplatte (3), mit einer Isolationsschicht (8) zwischen der Kondensatorplatte (3) und dem Medium (1) und mit einer Steuer- und Auswerteschaltung, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung die Kondensatorplatte (3) mit einer Wechselspannung beaufschlagt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteschaltung die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte (3) und dem Medium (1) als Maß für den Phasenanteil bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Aus­ werteschaltung anhand der Kapazität zwischen der Kondensatorplatte (3) und dem Medium (1) eine Schwellwertentscheidung durchführt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteschaltung die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte (3) und dem Me­ dium (1) quantitativ auswertet.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung zwischen zwei Kondensatorplatten (3) anliegt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung zwischen jeweils einer Kondensatorplatte (3) und einem Bezugs­ potential (9) anliegt und das Medium (1) mit Hilfe eines Mittels zur Erdung mit dem Bezugspotential (9) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (1) über kapazitiv gekoppelte, vom Medium (1) isolierte Elektroden mit dem Bezugspotential (9) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel­ stromwiderstand der Kapazität zwischen der Kondensatorplatte (3) und dem Medium (1) in Verbindung mit der Frequenz der Wechselspannung höchstens in der Größen­ ordnung des ohmschen Widerstandes des Mediums (1) gegen das Bezugspotential (9) liegt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte (3) und dem Medium (1) eine erste Kapa­ zität (10) eines mindestens zwei Kapazitäten (10, 11) aufweisenden kapazitiven Spannungsteilers (12) bildet und die Steuer- und Auswerteschaltung das Meßsignal am Mittelabgriff (13) des kapazitiven Spannungsteilers (12) abgreift.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kapazität (11) des kapazitiven Spannungsteilers (12) kleiner als die erste Kapazität (10) ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine parasitä­ re Kapazität (15) der Steuer- und Auswerteschaltung die zweite Kapazität bildet.
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