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Die
Erfindung eine Vorrichtung zur Fehlerkompensation und Überwachung
teil- oder vollbefüllter
magnetisch -induktiver Durchflussmesser mit einem Messrohr, wobei
im Messrohr Elektroden angeordnet sind, die eine der Durchflussgeschwindigkeit
proportionale Spannung abgreifen.
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Diese
Messanordnungen mit Elektroden zur Geschwindigkeitsmessung und damit
zur Durchflussmessung sind allgemein bekannt.
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Mit
magnetisch-induktiven Durchflussmessern wird der Volumendurchfluss
von elektrisch leitfähigen Messstoffen
gemessen. Ein elektrischer Leiter, das ist im Allgemeinen eine elektrisch
leitfähige
Flüssigkeit oder
Suspension (Messstoff), bewegt sich durch ein Magnetfeld. In dem
vom Magnetfeld durchflossenen Messstoff wird entsprechend dem Faradayschen
Prinzip eine Spannung e induziert, die direkt proportional von der
mittleren Fließgeschwindigkeit
v abhängt.
Die magnetische Induktion B (Stärke
des Magnetfeldes) und der Elektrodenabstand D (Rohrnennweite) werden
als konstant betrachtet.
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(1) e = K × B × v × Dmit:
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- B magnetische Induktion
K Gerätekonstante
v mittlere
Fliessgeschwindigkeit des Messstoffes
D Elektrodenabstand
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Der
Elektrodenabstand D ist für
magnetisch-induktive Durchflussmesser gleich dem Rohrdurchmesser.
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Der
Volumendurchfluss Q lässt
sich berechnen nach: (2) Q = v × D2 × π/4
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Aus
Gleichung 1 folgt: (3) v = e/K × B × D
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Damit
ist: (4) Q = (e/K × B) × D × π/4
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Damit
e = proportional Q ist, muss der gesamte Rohrquerschnitt vom Messstoff
durchströmt
sein.
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Die
Befüllung
des gesamten Messrohrquerschnittes ist daher eine grundlegende Vorraussetzung
für das
Funktionieren dieser Messgeräte
mit minimalen Fehlern.
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Für teilbefüllte magnetisch-induktive
Durchflussmesser (auch Freispiegelmessungen genannt) sind Lösungen bekannt.
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Dazu
werden in die Rohrauskleidung berührungslose kapazitive Füllstandmesser
integriert. Damit sollen Messungen bis hinunter zu 10% Teilbefüllung möglich sein.
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Bei
dieser Fehlerkorrektur wird aber der Einfluss von Ablagerungen nicht
mit berücksichtigt.
Diese Ablagerungen können
auch wie Sedimente verstanden werden, die den Messrohrquerschnitt
unterhalb der Elektroden verringern.
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Ablagerungen
auf der Rohrsohle verfälschen
durch Verkleinerung des Querschnitts das Messergebnis, während Ablagerungen
auf den Messelektroden zu fehlerhafter Geschwindigkeitsmessung durch
falsche Spannungsmessung führen
können.
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Die
spezifische Dielektrizitätskonstante
der Ablagerungen führt
hier zu einer zusätzlichen
Fehlmessung der Füllstandmessung
und damit zu einer fehlerhaften Durchflusskorrektur.
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Diese
Ablagerungen im Messaufnehmer sind vorwiegend im Zulauf zur Kläranlage
zu befürchten
aber auch in feststoffbeladenen Zuläufen von Trinkwasseraufbereitungsanlagen.
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Es
sind auch magnetisch-induktive Messwertaufnehmer bekannt, die durch
zusätzliche
Elektrodenpaare im teilbefüllten
Zustand messen können.
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Ein
anderer Weg die vollständige
Befüllung
des Messrohres zu gewährleisten,
ist die Dükerung.
Dabei wird der magnetisch-induktive Durchflussmesser tiefer als
der Zu- und Ablauf der zu messenden Rohrleitung gelegt. Diese Einbauvariante
des magnetischinduktiven Durchflussmessers birgt aber bei niedrigen
Messstoffgeschwindigkeiten die Gefahr der Sedimentbildung.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben mit der vorstehend
genannter Fehler eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers nicht
nur erkannt, sondern auch kompensiert wird.
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Gegenstand
der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erkennung von Fehlern in
Durchflussmesssignalen von magnetisch-induktiven Durchflussmessern
, die Messrohre aus einem gegenüberliegenden
Elektrodenpaar besitzen und deren Messrohr teil- oder voll mit Messstoff
gefüllt
ist, wobei
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- a) durch ein oberhalb der Messelektroden eingebautes
piezoelektrisches Element im Impuls-Echo-Betrieb die Echolaufzeit
im Gasraum bis zur Flüssigkeitsoberfläche bei
teilgefüllten
Messrohren mit einer niedrigen Frequenz oder bei vollgefüllten Messrohren
die Echolaufzeit in der Flüssigkeit
mit einer höheren
Frequenz, senkrecht zur Strömungsrichtung
ermittelt wird,
- b) entsprechend dem Schritt a) die ermittelte Flüssigkeitshöhe allein
oder mit der ermittelten Höhe
des Gasraumes über
der Flüssigkeit
zur Querschnittsberechnung verwendet wird,
- c) dass entsprechend Schritt a) die ermittelte Flüssigkeitshöhe zur Beurteilung
der Funktionsfähigkeit
des magnetisch-induktives Durchflussmessers herangezogen wird.
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Gegenstand
der Erfindung ist ferner ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser
für voll- oder teilbefüllte Messrohre,
wobei
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- e) ein piezoelektrisches Komposit die Flüssigkeitshöhe oder
eine vorhandene Gasraumhöhe
senkrecht von oben nach unten ermittelt,
- f) das piezoelektrische Komposit nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit
steht,
- g) das piezoelektrische Komposit Teil einer Messstoffüberwachung
ist,
- h) das piezoelektrische Komposit ein leitfähiges Gehäuse besitzen kann und mit der
Flüssigkeit
in Kontakt steht.
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Die
Messung des vom Messstoff durchströmten Querschnittes muss von
oben erfolgen, da eine lose Ansammlung von Sedimenten, zum Beispiel
Sandkörner,
keine Messung der Messstoffhöhe
von unten gestattet.
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Die
Füllhöhenmessung
erfolgt mit einem piezoelektrischen Element durch die Laufzeitmessung
eines Ultraschallimpulses.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann bei teilgefüllten
Messrohren mit einer Impuls-Laufzeitmessung der Abstand vom piezoelektrischen
Element gemessen werden. Das piezoelektrische Element besteht aus
einem Komposit, vorzugsweise mit der 1–3 Konnektivität. Diese
Komposite können
mit so einer niedrigen Frequenz angeregt werden, dass die erzeugten
Ultraschallwellen den über
der Flüssigkeit
sich befindenden Gasraum durchdringen können. Für kleine Rohrdurchmesser beziehungsweise
geringe Messwege sind in bekannter Weise die Laufzeiten zwischen
Mehrfachechos auszuwerten.
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Auch
bei teilgefüllten
Messrohren kann sich Sediment bilden. Soll dieses berücksichtigt
werden, muss zur Messung das Messrohr voll befüllt werden.
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Nachfolgend
soll die erfindungsgemäße Vorrichtung
an einem mit Messstoff voll befüllten
magnetisch-induktiven Durchflussmesser demonstriert werden Bei voll
befülltem
Messrohr wird mittels Ultraschall die Schallweglänge durch das Messmedium von
oben senkrecht nach unten bestimmt. Das piezoelektrische Element
wird mit Impulsen kurzer Dauer in einem Frequenzbereich angeregt,
der die Transmission der Ultraschallwellen durch die Flüssigkeit
gestattet. Je nach Messrohrdurchmesser sollten die Impulslängen den
Frequenzen zwischen 250 kHz und etwa 2 MHz entsprechen. Wenn die Messstoffüberwachung
die volle Befüllung der
Messrohres ermittelt, wird nachfolgend verfahren:
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Das
oberhalb der Elektroden angebrachte piezoelektrische Element ermittelt
den Abstand von der Messrohrwand und der Oberfläche des im unteren Teil befindlichen
Sedimentes.
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Mit:
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- r Messrohrradius ( r = ½ D )
h Füllhöhe des Sedimentes
( h = D – m
)
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Aus
der gemessenen Füllhöhe des Messstoffes
m ergibt sich die durch das Sediment besetzte Querschnittsfläche A zu:
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Der
wahre Volumendurchfluss Qw errechnet sich danach zu: (6) Qw = v × D2 × x × π/4 – A
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Diese
Berechnung gilt unter der Annahme, dass die Sedimente im Messrohr
einen Kreisabschnitt bilden und das Messrohr voll befüllt ist.
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Je
nach Ausbildung der Querschnittsfläche kann die Berechnungsvorschrift
variiert werden. Wird die durchströmte Querschnittsfläche durch
eine Teilbefüllung
des Messrohres ständig
gemindert, kann keine kontinuierliche Messung der Sedimenthöhe durch
die Messung der Schalllaufzeit in der Flüssigkeit erfolgen.
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Zur
Vereinfachung der Berechnung können
natürlich
auch normierte Korrekturfaktoren in einer Tabelle abgespeichert
werden. Zur Korrektur des durchflossenen Querschnittes wird dann
nur noch das Verhältnis
von Rohrdurchmesser und ermitteltem Abstand zur Sedimentoberfläche gebildet
und mit dem abgespeicherten Korrekturwert aus der Tabelle verrechnet.
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Sinngemäß kann die
Korrektur natürlich
auch für
teilbefüllte
Messrohre mit oder ohne Sediment angewendet werden.
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Dazu
wird bei teilbefüllter
Rohrleitung das piezoelektrische Komposit mit einer niedrigen Frequenz
angeregt. Für
die Messung der Luftstrecke über
der Flüssigkeit
wird dann das piezoelektrische Komposit mit einer Impulsfolge (Burst)
etwa zwischen 50 kHz bis 200 KHz angeregt. Um auch verwertbare Ergebnisse
bei relativ kleinen Luftstrecken zu bekommen, werden die Laufzeiten
zwischen Mehrfachechos ausgewertet. Damit kann die Begrenzung durch
die „Blockdistanz" der noch minimal
messbaren Strecke des Gasraumes über
der Flüssigkeit
umgangen werden.
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Bei
laufendem Betrieb des magnetisch-induktiven Durchflussmessers kann
damit die Befüllung
ermittelt werden. Ist gleichzeitig mit Sedimenten zu rechnen, muss
das Messrohr durch geeignete Maßnahmen
zur Ermittlung dieser Sedimente kurzzeitig voll befüllt werden.
Diese Intervalle unterbrechen kurzzeitig die kontinuierliche Durchflussmessung.
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Diese
Maßnahmen
können
im Rahmen von Wartungsarbeiten durchgeführt werden. Bei Feststellung von
Sedimenten ist entweder das Messrohr zu reinigen, oder der nicht
durchströmte
Kreisabschnitt ist als Korrekturwert bei der weiteren Durchflussmessung
zu berücksichtigen.
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Die
zur Füllhöhenmessung
verwendeten piezoelektrischen Elemente (Komposit's) ragen nicht in den Messstoff hinein.
Je nach Ausgestaltung kann durch das äußere Messrohr oder durch das
innere elektrisch isolierte Messrohr hindurch gemessen werden. Auch
ein Einbetten des Komposit's
in den Inliner ist möglich.
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Die
Komposite können
auch mit einer, der Frequenz angepassten, Schutzschicht (Koppelschicht)
versehen werden. Werden diese piezoelektrischen Elemente als Teil
einer Messstoffüberwachung
ausgebildet, ist die zur Flüssigkeit
hin gewandte Seite leitfähig.
Der Aufbau des Komposits ist dann so zu gestalten, dass eine Potentialtrennung
der Anregespannung des Komposits von der Messrohrüberwachung
erfolgt.
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Die
Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigen:
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1: magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtung
mit Querschnittskompensation in Schnittdarstellung bei vollgefülltem Messrohr
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2: magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtung
mit Querschnittskompensation als Teil einer Messstoffüberwachung
bei teilgefülltem
Messrohr
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1 zeigt einen Querschnitt
einer magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung mit den Spulen 3a und 3b sowie
den Elektroden 2a und 2b im Querschnitt. Im Messrohr 1,
das hier mit nicht weiter dargestellten Flanschen in ein Rohrsystem
angeordnet ist, wird der Rohrquerschnitt durch eine Sedimentschicht 6 verringert.
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Der
für das
strömende
Messstoffmedium zur Verfügung
stehende Rohrquerschnitt ist um die Fläche eines Kreisabschnittes
kleiner. Zur Kompensation des Fehlers genügt es, die Sedimenthöhe 6 zu
bestimmen. Da der Messrohrdurchmesser gleich dem Abstand des Elektrodenpaares 2a und 2b und
damit bekannt ist, muss nur die Höhe der Sedimentschicht 6 bestimmt
werden. Die Abstandmessung zwischen dem piezoelektrischen Element 4 und
der Oberfläche
des Sediments 6 wird durch die Laufzeit 5 bestimmt.
Ein Füllstandmesser 9 mit
variabler Sendefrequenz nach dem Impuls-Echo-Verfahren ist mit einem Korrekturrechner 7 verbunden.
Im Korrekturrechner wird die von dem Elektrodenpaar 2a und 2b gelieferte
Spannung in für
magnetisch-induktive Durchflussmesser bekannter Weise in eine Durchflussgeschwindigkeit
umgerechnet und als kompensierter Durchflussmesswert 8 ausgegeben.
Das piezoelektrische Element aus einem 1–3 Komposit wird über den
Füllstandmesser
mit einer kurzen Impulsfolge angeregt. Die Impulslänge kann
hierbei z.B. zwischen 4 μs
und 0,5μs
liegen. Neben der Einzelimpulsanregung, die eine höhere Anregespannung
erfordert, kann das 1-3 Komposit auch beispielsweise mit einem Burst
der entsprechenden Frequenz zwischen 250 kHz und 2 MHz angesteuert
werden. Die Elektrode der Messstoffüberwachung 16 ist
Teil der Messstoffüberwachung 10.
Bei voll befülltem
Messrohr 1 arbeitet der Füllstandmesser 9 mit
einer höheren
Ultraschallfrequenz zur Messung in der Flüssigkeit.
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Aus
dem Füllstandmesswert
wird die um die Fläche
des Kreisabschnittes verringerte durchströmte Querschnittsfläche im Korrekturrechner
ermittelt.
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Die
Berechnung kann direkt nach der Funktion (5) erfolgen oder
als abgespeicherter Tabellenwert (zum Beispiel als dimensionsloses
Verhältnis
von Elektrodenabstand D und ermittelter Füllhöhe h des Sedimentes 6).
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform
erfolgt die Messung der Laufzeit 5 mit einem piezoelektrischen
Element 4 durch die Messrohrwand 1 hindurch.
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Die
Montage des piezoelektrischen Elementes 4, welches Teil
einer Füllstandmesseinrichtung 9 ist, erfolgt
in der bekannten Weise, wie sie bei Messungen durch die Wand notwendig
ist. Der Ultraschallübergang zwischen
piezoelektrischem Element und der Messrohrwand erfordert ein Koppelmedium.
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Der
Vorteil dieser Ausführungsform
besteht darin, dass die zusätzliche
Messung der Laufzeit 5 mit einer Füllstandmessung mit einem piezoelektrischen
Element 4 durchgeführt
wird, die keine zusätzliche
Bohrung im Messrohr 1 erfordert. Dichtprobleme können somit
nicht auftreten. Zwischen Inliner und Messrohr muss der Ultraschalldurchgang
ebenso gewährleistet
sein.
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Für den Aufbau
der Vorrichtung kann die Montage des Komposits in unterschiedlichen
Ausführungen erfolgen.
Eine Einbettung in den Inliner ist ebenso möglich. Die Messstoffüberwachung
erfolgt durch die Messstoffüberwachungselektroden 16 und 12.
Die Anordnung dieser Elektroden, zum Beispiel vor oder hinter dem Komposit 4,
hat keinen Einfluss auf die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die
Füllhöhenmessung
des Sedimentes 6 kann natürlich parallel zur Durchflussmessung
durchgeführt werden.
Ist der Messstoff aber gasblasenreich oder besitzt einen so großen Anteil
an Feststoffen, dass keine Messung während der Durchströmung möglich ist,
genügt
es, in bestimmten Zeitabschnitten eine Kontrollmessung mit stehendem
Messstoff, nur mit Wasser oder mit einer anderen geeigneten Flüssigkeit
zu machen. Wird eine bestimmte Höhe
des Sedimentes 6 ermittelt, die technologisch noch keine
Säuberung
des magnetisch-induktiven Durchflussmessers erfordert, wird die
Durchflussmessung mit dem korrigierten Querschnitt weiter fortgeführt.
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Sich ändernde
Schallgeschwindigkeiten des Messstoffes können durch Plausibilitätsprüfung des
Füllstandmesswertes überwacht
oder zusätzlich
kompensiert werden.
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In
der Mehrzahl der Anwendungsfälle
ist der Messstoff bekannt und der Temperaturbereich der Anwendung
bewegt sich in bekannten Grenzen.
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2 zeigt eine magnetisch-induktive
Durchflussmesseinrichtung mit Querschnittskompensation als Teil
einer Messstoffüberwachung 10 mit
den Spulen 3a und 3b sowie dem Elektrodenpaar 2a und 2b bei
teilbefülltem
Messrohr im Querschnitt.
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Oberhalb
der Elektroden 2a und 2b ist ein piezoelektrisches
Element aus einem Komposit 4 in einen Füllstandsensor mit einem zur
Flüssigkeit
hin leitfähigem
Gehäuse 11 eingebaut.
Der Füllstandsensor
wird mit einer niedrigen Frequenz betrieben, da die Messstoffüberwachung 10 mit
den Messstoffüberwachungselektroden 12 und 11 eine
Teilbefüllung
des Messrohres 1 ermittelt hat. Die niedrige Betriebsfrequenz
des Füllstandmessers 9 gestattet
die Ermittlung der Höhe
des Gasraumes über
der Flüssigkeit.
Der Füllstandmesser 9 nach dem
Impuls-Echo-Verfahren ist mit einem Korrekturrechner 7 verbunden.
Im Korrekturrechner wird die von dem Elektrodenpaar 2a und 2b gelieferte Spannung
in für
magnetisch-induktive Durchflussmesser bekannter Weise in eine Durchflussgeschwindigkeit
umgerechnet und als kompensierter Durchflussmesswert 8 ausgegeben.
Die Kompensation kann sowohl den Gasraum über der Flüssigkeit betreffen, als auch
zusätzlich
eine ermittelte Sedimentschicht.
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Aus
den Füllstandmesswerten
wird wie in 1 erläutert, die
um die Kreisabschnitte des Gasraumes und Sedimentes verringerte
durchströmte
Querschnittsfläche
im Korrekturrechner ermittelt.
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In
der in 2 gezeigten Ausführungsform
erfolgt die Messung der Laufzeit 14 im Gasraum über der Flüssigkeit
mit einem Füllstandsensor
aus dem Komposit 4 und der leitfähigen Schicht 11 im
Inliner auf der Messrohrwand 1.
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Die
Durchführung
der Füllhöhenmessung
des Sedimentes 6 kann so erfolgen wie unter 1 beschrieben, wobei das
Messrohr vorher voll befüllt
wird.
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In
weiteren hier nicht näher
dargestellten Ausführungsformen
kann die Durchführung
der Messstoffüberwachung
auch anders gestaltet sein.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann auch bei magnetisch-induktivem Durchflussmessern mit kapazitivem
Signalabgriff zum Einsatz kommen.
