DE19616281C2 - Magnetischer Durchflußsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Durchflußsensoren für eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit und insbesondere Durchflußsensoren, bei denen das Potential festge­ stellt wird, welches sich entwickelt, wenn die Flüssigkeit sich durch ein magneti­ sches Feld bewegt. Das elektrische Potential wird durch wenigstens zwei Elektro­ den erfaßt, die einander gegenüberstehend orthogonal zu einem magnetischen Feld angeordnet sind und die Flüssigkeit kontaktieren, und hat eine Größe, die proportional ist der Durchflußmenge der Flüssigkeit.

In der Vergangenheit haben alternierende Magnetfelder ein alternierendes Poten­ tial geschaffen, das sich an den Elektroden entwickelt, um eine Elektrodenpolari­ sation zu verhindern, ein Zustand, der schwerwiegende Meßfehler hervorruft. Al­ ternierende Magnetfelder verursachen jedoch einige Probleme, darunter bedeut­ same Anforderungen an die elektrische Stromversorgung, die Erzeugung von elektrischem Rauschen und die Notwendigkeit komplizierter elektrischer Kreise.

Konventionelle magnetische Durchflußsensoren sind erhältlich sowohl in der Son­ denausbildung, in der nur ein Teil des Flüssigkeitsstroms gemessen wird, als auch in der Vollbohrungskonfiguration, in der der gesamte Flüssigkeitsstrom gemessen wird.

Aus der DE 30 00 965 A1 ist ein Durchflußmesser bekannt, der ein Meßrohr und zu beiden Seiten dieses Meßrohrs Permanentmagnete hat. Die Permanentmag­ nete sind an einer gemeinsamen Welle befestigt und dadurch zur Erzeugung ei­ nes magnetischen Wechselfeldes drehbar. Auch in der DE 37 00 165 A1 ist ein Durchflußmesser beschrieben, der mit einem bewegten Permanentmagneten ar­ beitet. Der Permanentmagnet wird dabei durch einen Motor intermittierend ange­ trieben und erzeugt so ein magnetisches Wechselfeld quer zur Strömungsge­ schwindigkeit der Flüssigkeit. Diese vorbekannten Durchflußmesser haben jedoch den Nachteil, daß recht große Luftspalte für das Magnetfeld vorhanden sind, so daß für eine effiziente Durchflußmessung vergleichsweise starke Magnetfelder erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines magnetischen Durchflußsensors, der das für die Durchflußmessung erforderliche Magnetfeld in besonders effizien­ ter Weise erzeugt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Durchflußsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2.

Die Erfindung vermeidet die vorstehend genannten Nachteile, indem sie eine ex­ akte Messung unter Verwendung von Permanentmagneten und einem hocheffi­ zienten Magnetkreis ermöglicht. Der hocheffiziente Magnetkreis kann auch in Ver­ bindung mit Durchflußsensoren verwendet werden, welche Elektromagneten ver­ wenden, die dann größere Potentiale an ihren Elektroden entwickeln und die mit solchen Sensoren verbundenen Schwierigkeiten vermindern.

Die Erfindung führt zu den Vorteilen einer relativ hohen induzierten Spannung, wodurch die Kosten und die Kompliziertheit der Elektronik reduziert wird, und ei­ nem relativ geringen Energieverbrauch, einem besonderen Vorteil für tragbare Instrumente.

Durch die Erfindung ist ein magnetischer Durchflußsensor mit einem Magnetkreis geschaffen, der das an den Elektroden entwickelte Potential beträchtlich erhöht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zei­ gen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Durchflußsensor gemäß Fig. 1 längs der Linie A-A,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Durchflußsensor in Fig. 1 längs der Linie B- B,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Durchflußsensor nach Fig. 1 längs der Linie B-B mit einer verkürzten Durchflußpassage,

Fig. 5 einen Längsschnitt eines Durchflußsensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 6 einen Schnitt des Durchflußsensors in Fig. 7 längs der Linie A-A.

Die Fig. 1 illustriert das bevorzugte Ausführungsbeispiel des als Durchflußsonde konzipierten Sensors. Das Gehäuse 1 ist eine gegen die Umgebung schützende, elektrisch isolierende, nichtmagnetische Umhüllung und Träger für die durchfluß­ messenden Teile des Sensors. Innerhalb des Gehäuses befindet sich eine mag­ netische Scheibe 2, an der vier kleinere Scheibenpermanentmagnete 3 montiert sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Magnete 3 sind identisch, und sie sind äquidistant voneinander und vom Zentrum der Scheibe 2 angeordnet und alternie­ ren in ihrer Polarität, wenn die Scheibe 2 um einen festen Punkt ihrer zentralen Achse gedreht wird. Die Scheibe 2 wird von Lagern 4 abgestützt, so daß sie frei rotieren kann. Die Scheibe 2 ist mit einer Kupplung 5 verbunden, die ihrerseits mit der Welle 6 gekoppelt ist. Die Welle 6 ist mit einem Antriebsmotor 7 verbunden. Die rotierende Welle 6 stellt eine Verbindung mit der rotierenden Welle des An­ triebsmotors 7 her und verursacht somit eine Rotation der Scheibe 2 entsprechend der Motordrehung.

Die Scheibe 8 und die zugeordneten Magneten 17 sind in ähnlicher Weise ange­ ordnet, wie es vorstehend im Zusammenhang mit der Scheibe 2 und ihren zuge­ ordneten Magneten 3 gemäß Fig. 2 beschrieben wurde. Die Scheibe 8 wird durch Lager 9 in der Nähe der Scheibe 2 abgestützt, so daß die von den entsprechen­ den Magneten der Scheiben 2 und 8 entwickelten Magnetfelder sich in einer wechselseitig anziehenden Orientierung ausrichten, wobei die Rotation der Scheibe 8 der der Scheibe 2 folgt.

Zwischen den Scheiben 2 und 8 sind Durchflußpassagen 10 vorgesehen, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Unter rechten Winkeln zu den Durchflußpassagen 10 sind zwei äußere Erfassungselektroden 11 angeordnet, die in Kontakt mit der strömen­ den Flüssigkeit stehen. Eine Elektrode 12 kontaktiert ebenfalls die Flüssigkeit und überbrückt die erzeugten Spannungen in den beiden Durchflußpassagen 10 in einer serienartigen Schaltung. Die Funktion der Elektrode 12 kann auch durch die Flüssigkeit übernommen werden, deren Durchflußmenge gemessen werden soll.

Eine Flüssigkeit, die wenigstens eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, passiert die Durchflußpassage 10 und ein senkrecht dazu orientiertes Magnetfeld und erzeugt eine Spannung an den Elektroden 11 und 12. Leiter 13 leiten das elektrische Signal zu einer elektronischen Schaltung 14 zur Verstärkung, Fest­ stellung, Anzeige und weiteren Verarbeitung, wie es für spezielle Anwendungsfälle notwendig sein kann. Ein Rohr 15 bildet eine mechanische Verbindung zwischen dem Gehäuse 1 und einer Umhüllung 16 des mechanischen Antriebs und der Elektronik. Die Fig. 4 zeigt den Durchflußsensor gemäß Fig. 3, wobei die Durch­ flußpassagen reduziert sind, um den Druckabfall, der bei hohen Durchflußge­ schwindigkeiten auftritt, entsprechend zu reduzieren.

Die Scheiben 2 und 8 bestehen vorzugsweise aus einem magnetischen Material, typischerweise Weicheisen, und bilden somit einen Rückflußweg für das magneti­ sche Feld. Auf diese Weise ist der Luftspalt im magnetischen Kreis erheblich re­ duziert und dadurch die Feldstärke durch die Durchflußpassagen 10 erhöht. Die Scheibe 2 und ihre Magnete 3 können in einer alternativen Ausführungsform auch durch ein einzelnes Stück eines magnetisierten Materials gebildet und dann ge­ mäß der Fig. 2 entsprechend magnetisiert sein. Die Scheibe 8 und ihre Magnete 17 kann in ähnlicher Weise hergestellt werden.

Obgleich ein größerer Flußbeitrag und eine größere Magnetkreiseffizienz durch die Verwendung der Scheibe 8 und ihrer zugeordneten Magnete 17 erzielt wird, kann der Sensor alternativ auch ohne diese zweite Scheibe arbeiten. Ein prakti­ kabler Sensor kann allein unter Verwendung der Scheibe 2 und ihrer Magnete 3 realisiert werden, wobei sich die Durchflußpassage 10 zwischen den äußeren Elektroden 11 erstreckt. Bei einer solchen Konfiguration kann die Elektrode 12 weggelassen werden. Ein derartiger Sensor wäre bevorzugt für Anwendungen, wenn große Partikel im Durchflußstrom vorhanden sind, die eine relativ kleine Durchflußpassage zusetzen könnten. Die Elektroden 11 würden dort elektrisch von der Flüssigkeit isoliert, wo ein Magnetfeld nicht vorhanden ist, um eine Re­ duktion des entwickelten Potentials infolge der Überbrückung durch die Flüssigkeit zu verhindern.

Im Betrieb wird die Scheibe 2 durch den Motor 7 rotierend angetrieben, und zwar entweder kontinuierlich oder schrittweise, wobei ein Schritt wenigstens alle 90° stattfindet, um das intensivste alternierende Magnetfeld über der Durchflußpas­ sage zu positionieren. Die durchschnittliche Rotationsgeschwindigkeit wird be­ stimmt teilweise durch die Materialpolarisationsrate der Elektroden 11 und 12 in der zu messenden Flüssigkeit und die Charakteristika der Meßelektronik. Eine typische Drehgeschwindigkeit liegt zwischen 10 und einigen hundert Umdrehun­ gen pro Minute. Der Motor 7 kann ein Wechselstromsynchronmotor, ein Gleich­ stromquarzmotor, ein Gleichstrommotor mit Bürsten oder mit elektronischer Kom­ mutierung oder ein Schrittmotor sein. Wenn ein Schrittmotor oder ein anderer Motor 7 verwendet wird, der automatisch eine 90°-Rotation vorsieht, ist der Motor 7 vorzugsweise so orientiert, daß das Magnetfeld durch die Durchflußpassage 10 maximiert ist. Wenn der Antriebsmotor 7 keine automatische 90°-Rotationsschritte vorsieht, ist eine Rotationsreferenz, wie ein fotoelektrischer oder magnetischer Sensor, vorgesehen, der den Motor 7 steuert, so daß er, wie es benötigt wird, startet und anhält, wenn eine kontinuierliche Rotation nicht angewandt wird. Ein derartiger Referenzsensor kann auch eine automatische Nullkontrolle triggern, falls sie verwendet wird.

Der Motor 7 kann bevorzugt sehr klein ausgelegt sein, da lediglich die Lagerrei­ bungsverluste während der Rotation überwunden werden müssen. Wenn der Mo­ tor mit einer relativ kleinen Drehgeschwindigkeit arbeitet, kann der Energiever­ brauch äußerst gering gehalten werden. Der Motor 7 kann darüber hinaus vor­ teilhafterweise innerhalb des Gehäuses 1 mit untergebracht werden.

Die von den Elektroden 11 festgestellten elektrischen Signale werden durch die Leiter 13 zur elektronischen Schaltkreisplatine 14 in einer sehr rauschfreien Um­ gebung geleitet, da der Gesamtenergieverbrauch relativ klein ist und jedes benö­ tigte elektrische Schalten mit geringen Geschwindigkeiten durchgeführt werden kann, um ernsthafte elektrische Schwingungen zu vermeiden. So ist beispiels­ weise bei konventionellen magnetischen Durchflußsensoren der Energiebedarf der Magnetfelder in der Größenordnung von einigen 10 Watt, während der Motor 7 einen Energiebedarf von einigen 10 Milliwatt oder weniger aufweist (wie im Falle einiger Quarzkristalluhrmotoren). Daraus resultiert, daß das Messen von geringen Durchflüssen, die nur sehr geringe Signalniveaus aufweisen, wirtschaftlicher er­ folgen kann und darüber hinaus bestehen geringere praktische Grenzen gegen­ über der magnetischen Durchflußmessung.

An unterschiedlichen Stellen auf dem Rohr 15 können zusätzliche Gehäuse 1, jedes mit einem Durchflußsensormechanismus, positioniert und durch den Motor 7 angetrieben sein. Dies kann erreicht werden durch Verbinden einer zweiten Kupplung 5 und einer Welle 6 mit der Scheibe 8, die dann in ein zweites Gehäuse eintritt, ähnlich dem Gehäuse 1 mit seiner Sensoranordnung. Auf diese Art und Weise können mehrfache Sensoren verwendet werden, da der Rotationsfehler zwischen den Sensoreinheiten relativ gering ist, wenn Lager mit niedriger Reibung verwendet werden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors. Dieser Sensor ist als Durchflußmesser konzipiert. Da die in Fig. 5 und 6 gezeigten Kom­ ponenten weitgehend den physikalischen und funktionellen Aspekten der ähnlich numerierten Teile in Fig. 1 und 2 entsprechen, entsprechen Bezugszeichen mit einem Strich (z. B. 3') den entsprechenden Teilen ohne Strich in den Fig. 1 und 2. In den Fig. 5 und 6 werden stationäre Elektromagnete 3' elektrisch erregt und er­ zeugen einen Magnetfluß durch die Durchflußpassage 10'. Auch wenn gleichartige Elektromagnete unter der Durchflußpassage 10' angeordnet sein können und ei­ nen zusätzlichen magnetischen Fluß erzeugen, wie dies aufgrund der Magnete 8 in Fig. 1 der Fall ist, ist es aufgrund der höheren Kompliziertheit zweckmäßiger, daß der Magnetfluß durch die Scheibe 8 verläuft. Die Magnete 3' werden erregt, so daß benachbarte Magnete entgegengesetzte Flußpolarität zu jedem Betriebs­ zeitpunkt aufweisen.

Der elektrische Strom durch die Windungen der Magnete 3' wird periodisch umge­ kehrt, was dazu führt, daß die Magnetfeldpolarität umgekehrt wird, so daß die er­ zeugte Spannung an den Elektroden 11' und 12' entsprechend ebenfalls umge­ kehrt wird und somit ihre Polarisierung und daraus resultierende Fehlersignale verhindert.

Drähte 13' sind an den Elektroden 11' befestigt und werden durch einen Stiel 15 zu den Signalverstärkungs- und -verarbeitungselektroniken geleitet. Das Bezugs­ zeichen 1' bezeichnet das elektrisch isolierende Gehäuse, welches die Kompo­ nenten zusammenhält.

Konventionelle magnetische Durchflußsensoren haben typischerweise recht große Luftspalte für das Magnetfeld. Die vorliegende Erfindung bewirkt eine beträchtliche Reduzierung dieses Spalts und erreicht dadurch den Vorteil der Verwendung klei­ nerer Magnetfelder zur Erzeugung der elektrischen Kraft und/oder vergrößerter Ausgangssignale. Für einen Fachmann ist dabei klar, daß dann, wenn die untere Scheibe 8' weggenommen wird, so daß der Boden des Sensors für den Durchfluß offen ist, der Luftspalt wesentlich kleiner bleibt als bei konventionellen Einzelma­ gnetdurchflußsensoren.

Claims (7)

1. Durchflußsensor zum Messen der Durchflußrate einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, mit einer Durchflußpassage (10) aus elektrisch isolierendem Material, mit einer zwei Teilanordnungen (3, 17) enthaltenden Permanent­ magnetanordnung, deren Magnetfluß die Flüssigkeit quer zur Flußrichtung durchsetzt, mit in der Durchflußpassage (10) rechtwinklig zum Magnetfluß und zur Strömungsrichtung einander gegenüberstehenden die Flüssigkeit kontaktierenden Elektroden (11, 12), und mit einem Drehantrieb (7) zum Drehen der Permanentmagnetanordnung um eine zum Magnetfluß parallele Drehachse, wobei die Drehachse in einer die Durchflußpassage (10) teilen­ den Ebene liegt und die zwei Teilanordnungen (3, 17) mit gleichsinnig ge­ richteten Magnetflüssen beiderseits der Drehachse angeordnet sind.

2. Durchflußsensor zum Messen der Durchflußrate einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit mit einer Durchflußpassage (10') aus elektrisch isolierendem Material, mit einer zwei Teilanordnungen (3') enthaltenden Magnetanord­ nung, deren Magnetfluß die Flüssigkeit quer zur Flußrichtung durchsetzt, und mit in der Durchflußpassage (10') rechtwinklig zum Magnetfluß und zur Strömungsrichtung einander gegenüberstehenden die Flüssigkeit kontaktie­ renden Elektroden (11', 12'), wobei die Magnetanordnung zwei Elekroma­ gnete (3') enthält, die symmetrisch zu einer Achse angeordnet sind, die in einer die Durchflußpassage (10') teilenden Ebene parallel zum Magnetfluß liegt, und daß die Elektromagnete (3') gleichsinnig mit Strömen wechselnder Polarität beaufschlagt werden.

3. Durchflußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Per­ manentmagnetanordnung weitere Teilanordnungen (3, 17) enthält, deren Magnetflüsse denen der ersten Teilanordnungen (3, 17) entgegengesetzt sind und die gegenüber den ersten Teilanordnungen (3, 17) in Drehrichtung versetzt sind, wobei sich die ersten Teilanordnungen und weiteren Tei­ lanordnungen in gleicher Richtung drehen.

4. Durchflußsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere Teilanordnungen (3, 17) gegenüber den ersten Teilanordnungen (3, 17) unter Bildung untereinander gleicher Abstände versetzt sind.

5. Durchflußsensor nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (7) nur mit den Magneten (3) auf einer Seite der Durchfluß­ passage (10) gekoppelt ist, und daß die Magnete (17) auf der anderen Seite der Durchflußpassage auf einem frei drehbaren Träger (8) angeordnet sind.

6. Durchflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Durchflußpassage (10, 10') aus mindestens zwei zu­ einander parallelen Teilkanälen (10, 10') besteht, deren Zahl der Zahl der Teilanordnungen (3, 3') mit einer der beiden Magnetflußrichtungen entspricht und die jeweils ein Elektrodenpaar (11, 12, 11', 12') enthalten.

7. Durchflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Magnetflußweg zwischen den Polen der jeweiligen Magnetteilanordnung (3, 3') frei von ferromagnetischem Material ist.