DE2440652C2 - Induktiver Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Durchflußmesser für ein in einem Rohr ilicßcndcs Medium, mit einer Magnetanordnung, welche ein magnetisches Wechselfeld mit senkrecht zum Rohr verlaufender Komponente erzeugt, und einem Elcklrodenpaar an den .Seitenwänden des Rohres.

Derartige Durchflußmesser sind bekannt und beispielsweise in ATM Archiv für technisches Messen, 8 (Juli 1970). S. 145 bis 150 beschrieben. Sie basieren auf dem Induktionsgesetz, nach dem ein senkrecht zu einem Magnetfeld bewegter Leiter eine elektrische Spannung erzeugt. Der Leiter ist die in dem Rohr sirömendc Flüssigkeit. Diese erzeugt in einom quer /um Rohr gerichteten Magnetfeld eine elektrische Spannung, deren Richtung rechtwinklig zur Strömungsrichtung und rechtwinklig zum Magnetfeld verläuft. Diese Spannung kann mil Elektroden, die in die Rohrwandung eingelasssen und mit einem Anzeigegerät verbunden sind, gemessen werden.

Bei der Auswertung der Meßergebnisse derartiger induktiver Durchflußmesser sind eine Reihe von Fehlerquellen zu berücksichtigen. Besonders gefährlich sind solche Fehlerspannungen, die in Phase mit der an den Elektroden abnehmbaren Meßspannung liegen. Dagegen kann man solche Fehlerspannungen, die gegenüber der Meßspannung phasenverschoben sind, relativ leicht mit einem Phasendiskriminalor, mit dem man die Meßspannung aus dem Summensignal heraussiebt, eliminieren.

Es sind in erster Linie drei Fehlerspannungcn. die das Meßergebnis verfälschen: Eine Fehlcrspannung Fl entsteht durch unsymmetrischen Aufbau der das Magnetfeld erzeugenden Magnetanordnung. Hier bestehen Grenzen insbesondere durch die Fertigungstoleranzen. Eine zweite Fehlerspannung FI entsteht durch teilweise verschmutzte Elektroden, und eine dritte Fehlerspannung F3 entsteht durch unsymmetrische Wirbelströme in der Rohrwand bei Verwendung von Metallrohren. Schließlich können Verfälschungen des Meßergebnisses dadurch eintreten, daß die Magnetschuhe, die das Magnetfeld auf den Rohrbereich übertragen, gegeneinander versetzt, d. h. nicht exakt zueinander ausgerichtet sind.

Von den genannten Fehlerspannungen wirkt sich die Fehlerspannung Fi, die durch unsymmetrische Wirbelströme erzeugt wird, besonders störend aus, weil sie eine Komponente aufweist, die gleichphasig mit der Meßspannung ist und daher nicht mit einem Phasendiskriminator ausgeschaltet werden kann. Bei idealer Rohrsymmetrie sind die Wirbelströme, die in der Rohrwandung erzeugt werden, zu beiden Seilen der Meßstelle gleich. Sie erzeugen magnetische Wechselfclder, die parallel zur Rohrachse weisen. Die beidseitig der Meßstelle entstehenden Wechselfelder sind einander entgegengerichtet und heben sich daher unter idealen Bedingungen auf, so daß das Meßergebnis nicht verfälscht wird. Ein Unterschied in der Rohrwandstärke verursacht jedoch unterschiedliche Wirbelstromdichien und damit unterschiedliche magnetische Feldstärken. Ein Unterschied der Rohrwandstärke von z.B. .nur 0.1 mm links und rechts der Elektroden ergibt etwa 0.05 mV Fehlerspannung. Dies kann einen Fehler von eiwa 5°,'o vom Er Jwert bedeuten.

Aufgabe der Erfindung ist es, den durch unsymmetrische Wirbelströme in der Rohrwandung erzeugten Meßfehler bei einem induktiven Durchflußmesser der eingangs genannten Art zu eliminieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß im Bereich des Magnetfeldes mindestens eine Spulenwicklung um das Rohr herumgelegt ist, deren Spulenachse unter einem Winkel zur Rohrachse verläuft, und deren Spulencndcn an eine veränderbare Last angeschlossen sind.

Es ist zwar bekannt, bei einer Vorrichtung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten, die in Verbindung mit induktiven Durchflußmeßgeräten anwendbar ist, das Rohr, in dem sich die Flüssigkeit befindet, im Bereich der sich einander gegenüberliegenden Elektroden mit einer schräg zur Rohrachse ausgerichteten Spulenwicklung zu umgeben, die eine Magnetfeldkomponente in Achsrichtung des Rohres erzeugt (DE-PS 21 60 547). Diese Spulenwicklung soll die Bedingungen bei der induktiven Durchflußmessung nicht stören, dient also nur der Messung der Leitfähigkeit. Dabei bilden zu den Elektroden führende Leitungen zusammen mit der zwischen den Elektroden vorhandenen Flüssigkeit eine einzige Sekundär-Spulenwindung, die von dem durch die Spule erzeugten Magnetfluß in Richtung der Rohrachse durchsetzt wird. Dieser magnetische Fluß erzeugt in der so gebildeten Sekundär-Windung eine Spannung, die ein Maß für die Leitfähigkeit der Flüssigkeit darstellt. Der in der Spule erforderliche Wechselstrom wird entweder von einer direkt angeschlossenen Spannungsquelle geliefert, oder mittels einer zusätzlichen Magnetan-Ordnung induktiv erzeugt. Im letzten Fall kann die Wicklung der Spule über einen einstellbaren Widerstand kurzgeschlossen werden, so daß der Strom in der Spule justiert werden kann. Bezüglich der Induktion des der Leitfähigkeit entsprechenden Stromes arbeitet die Spule in beiden Fällen als aktive Primärspule eines Transformators.

Bei dem erfindungsgemäßen Durchflußmesser ist die Spulenwicklung dagegen Teil des Durchflußmessers und

arbeitet als passive Sekundärspule in dem für die Durchflußmessung notwendigen senkrecht zur Strömung gerichteten Magnetfeld und erzeugt ihrerseits ein sekundäres Magnetfeld, dessen Hauptrichtung durch die Spulenachse vorgegeben ist Da die Spulenachse unter einem Winkel zur Rohrachse verläuft, besitzt das sekundäre Magnetfeld eine in der Rohrachse liegende Komponente. Diese hat eine solche Richtung, daß sie dem durch unsymmetrische Wirbelströme erzeug en Magnetfeld, das ebenfalls parallel zur Rohrachse weist, entgegengesetzt gerichtet ist. Die Stärke des sekundären Magnetfeldes kann man durch Änderung der an die Spulenwicklung angeschlossenen Last beeinflussen. Auf diese Weise ist ein Abgleich möglich, den man zweckmäßigerweise vornimmt, wenn das in dem Rohr enthaltene Medium stillsteht. Die an Jic Spulenwicklung angeschlossene Last ist dann so einzustellen, daß das Anzeigegerät den Wert Null anzeigt. Die Kompensation der Wirbelstromeinflüsse erfolgt also dadurch, daß dem durch unsymmetrische Wirbelsiröme entstandenen Magnetfeld eine axial zum Rohr gerichtete Magnetfcldkomponente der Spulenwicklung entgegengeset/t wird, so daß beide Magnetfelder sich aufheben.

Die Verwendung einer einzigen Spulenwicklung sci/t voraus, daß bekannt ist, in welche Richtung entlang der Rohrachse das aus den Wirbelströmen resultierende Magnetfeld weist, damit die Richtung, in der die Spulenachse gegenüber der Rohrachse geneigt ist, festgelegt werden kann. Ist die Richtung des genannten Magnetfeldes dagegen nicht bekannt, so verwendet man zweckmäßigerweisc zwei kreuzweise um das Rohr herum gelegte .Spulenwicklungen, deren /ur Rohrachse parallele Magnetfeldkomponenten einander entgegengeset/Ί gerichtet sind. Durch Anschalten unterschiedlicher elektrischer Lasten an die Spulenwicklungen kann man bestimmen, welches der beiden sekundären Magnetfelder überwiegen soll, so daß ein Ausgleich des Wirbelslrommagneifeldes in beiden Richtungen der Rohrachse möglich ist.

Dabei sind die einen Wicklungsenden der Spulenwicklungen /weckmäßigerweisc zusammengeschaltet und die anderen Enden der .Spulenwicklungen an die Finden eines Potentiometers angeschlossen, und die /usammengcschalteien einen Enden sind mit dem Potentiometerabgriff verbunden. Durch Verstellen des Potcntioineterabgriffcs wird die elektrische Lastverteilung der beiden Spulen geändert.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

F i g. I zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung die wichtigsten Elemente eines induktiven Durchllußmessers bekannter Bauart, und

[' i g. 2 zeigt die Anbringung und Schaltung der kreuzweise über dem Rohr angeordneten Spulenwicklungen nach der Erfindung, die zusätzlich zu der in F" i g. 1 dargestellten Meßeinrichtung vorgesehen sind.

Das Metallrohr, in dem das Medium fließt, ist mit 10 be/eichnet. Bei der in F i g. 1 dargestellten Meßanordnung sind zwei Polschuhe 11, !2 eine:, (nicht dargestellten) Elektromagneten zu bi.-Jir· leiten des Rohres 10 ungeordnet, so daß das von einem Polschuh zum anderen verlaufende Magnetfeld im wesentlichen senkrecht zur Rohrachse durch das Rohr 10 hindurchgeht.

In die Rohrwandung sind im Rohrinneren die Elektroden 13, 14 eingelassen. Sie liegen einander diametral gegenüber. In der Nähe der Elektrode 13 befindet sich ein Abgleichpotentiometer 15, dessen Enden über je eine Drahtschleife 16, 17 mit der gegenüberliegenden Elektrode 14 verbunden sind. Die Drahtschleifen 16, 17 sind in Achsrichtung des Rohres 10 schräggestellt, in Verbindung mit der leitenden Flüssigkeit, die sich in dem Rohr befindet, bilden sich zwei Spulen mit je einer Wicklung, die den halben Rohrquerschnitt erfassen. Die Meßspannung wird zwischen dem Abgriff 18 des Potentiometers 15 und der Elektrode 13 abgenommen.

ίο Die Schleifen 16 und 17 bilden jeweils mit der Verbindungslinie 19 der Elektroden 13 und 14 Flächen, durch die das Magnetfeld der Polschuhe 11, 12 hindurchtritt. Sind die Polschuhe mangelhaft zueinander ausgerichtet, wie es bei dem Polschuh 12 der F i g. 1 der Fall ist, dann werden die Flächen der beiden Schleifen unterschiedlich stark von dem Magnetfeld durchsetzt, was zur Folge hat, daß an den Schleifen 16 und 17 unterschiedliche Spannungen erzeugt werden. Diese unterschiedlichen Spannungen können durch Verstellen des Potentiometerabgriffes 18 ausgeglichen werden.

Ist zu beiden Seilen der Meßeinrichtung die Wandstärke des Rohres 10 unterschiedlich, dann ergeben sich in der Rohrwandung unterschiedliche Wirbelstromstärken, die axiale Magnetfelder mit unterschiedlichen Feldstärken zur Folge haben. Zur magnetischen Kompensation dieser Magnetfelder dient die in F i g. 2 dargestellte Anordnung, die zusätzlich zu der in F i g. 1 abgebildeten Meßanordnung in dem Rohr angebracht ist. Gemäß F i g. 2 sind an der Meßstclle zwei Spulenwicklungen 20. 21 kreuzweise übereinander angeordnet. Vorzugsweise sind sie unter einem Winkel zwischen etwa 30 und 45 schräggestellt. Die Schrägstellung erfolgt in unterschiedliche Richtungen, so daß die Kreuzungspunkte der beiden Spulenwicklungen etwa in Höhe der Elektroden 13, 14 liegen.

Das von dem Polschuh 11 zum Polschuh 12 weisende Magnetfeld geht durch jede der Spulenwicklungen 20, 21 hindurch. In den Spulenwicklungen werden dadurch Ströme induziert, die ihrerseits sekundäre Magneifelder erzeugen. Die sekundären Magnetfelder weisen in Richtung der jeweiligen Spulenachse. Da die Spulen kreuzweise, d. h. unter gleichen Winkeln zur Rohrachse, angeordnet sind, und da die zur Rohrachse parallelen Komponenten ihrer sekundären Magnetfelder cntgegengesetzt gerichtet sind, heben diese Komponenten sich im Idealfall, d. h. bei gleicher Stärke der Wirbelstiöinc rechts und links der Meßstelle, auf.

Die einen Enden 22 der Spulenwicklungen 20 und 21 sind zusammengeschaltet, während die anderen Enden 23 mit den Enden eines Potentiometers 24 verbunden sind. Der Potentiometerabgriff 25 ist mit den Enden 22 verbunden. Auf diese Weise bildet bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die linke Potcntiometerhälfle die elektrische Last für die Spulenwicklung 21 und die rechte Poientiometerhälfte die Last für die Spulenwicklung 20. Durch Verstellen des Potentiometerabgriffs 25 kann diese Lastverteilung verändert werden, so daß die Summe der zur Rohrachse parallelen Komponenten der sekundären Feldstärken beider Spulenwicklungen von Null verschieden wird. Die resultierende Axialkomponente muß dem resultierenden Wirbelstrommagnetfeld im Rohr gleich und entgegengesetzt gerichtet sein. Der Abgleich läßt sich durchführen, indem bei im Rohr stillstehendem Medium der Potentioinelerabgriff 25 so eingestellt wird, daß die an den Punkten 13 und 18 abgenommene Meßspannung Null wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   !. Induktiver Durchflußmesser für ein in einem Rohr fließendes Medium, mit einer Magnetanord nung, weiche ein magnetisches Wechselfeld mit senkrecht zum Rohr verlaufender Komponente erzeugt, und einem Elektrodenpaar an den Seitenwänden des Rohres, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Magnetfeldes mindestens eine Spulenwicklung (20, 21) um das Rohr herumgelegt ist, deren Spulenachse unter einem Winkel zur Rohrachse verläuft und deren Spulenenden (22, 23) an eine veränderbare Last (24) angeschlossen sind.
2. 2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei kreuzweise um das Rohr (iO) herumgelegte Spulenwicklungen (20. 21) vorgesehen sind, deren zur Rohrachse parallele Magnetfeldkomponenten einander enlgegengesetzl gerichtet sind.
3. 3. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Spulenenden (22) der Spulenwicklungen (20, 21) zusammengeschaltet und die anderen Enden (23) der Spulenwicklungen an die Enden eines Potentiometers (24) angeschlossen sind, und daß die zusammengeschalteten einen Enden (22) mit dem Potentiometerabgriff (25) verbunden sind.