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Induktiver Abflußmesser Die Erfindung betrifft einen induktiven Abflußmesser
zur Messung eines Flüssigkcitsflusses in einem Kanal oder Gerinne, mit einer in
dem Kanal ein Magnetfeld erzeugenden Magnetanordnung und einer Elektrodenanordnung
mit mindcstens zwei von der Flüssigkeit bedeckten Elektroden.
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Die induktive Abflußmessung hat sich zur Messung des Durchflusses
in Kanälen oder Rohren in hohem Maße durchgesetzt. Ein Vorteil besteht darin, daß
die Abflußmessung ohne bewegte Teile erfolgt, so daß in der Flüssigkeit mitgeführte
Gegenstände nicht zu Verstopfungen des Gerinnes oder zur Beschädigung der Meßoinrichtung
führen können. Bei der induktiven Abfluß:nessung wird in dem Flüssigkeitsquerschnitt
ein
Magnetfeld erzeugt. Zwei Elektroden, deren Verbindungslinie
im wesentlichen senkrecht zu dem M;gnetfeld verläuft, messen eine Spannung, die
der Strömungsgescbwindigkeit proportional ist. Wenn dann noch die Höhe des Flüssigkeitsstandes
ermittelt wird, kann man ohne Schwierigkeiten die Durchflußmenge kontinuierlich
messen.
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Eine besondere konstruktive Schwierigkeit besteht darin, daß das Magnetfeld
und die Elektrodenanordnung im wesentlichen senkrecht zueinander stehen müssen.
Es ist bereits bekannt, an den Seitenwänden des Kanals magnetische Polschuhe anzubringen.
eine Elektrode befindet sich dabei am Boden des Kanals und die andere Elektrode
ist als Schwimmer ausgebildet, der in einer vertiL.alen Führung oberhalb der festen
Elektrode geführt ist. Nachteilig ist dabei, daß der Schwimmer bzw. die Führung
von oben her in den Kanal bzw. das Gerinne hineinragen müssen. Hierdurch wird die
Strömung bceinträchtiet und es besteht die Möglichkeit, daß mitgespülte Gegenstände
an dem Schwiinmer hängen bleiben.
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Ferner ist eine Durchflußmeßeinrichtung bekannt, bei der die Elektroden
seitlich in den Kanalwändenangeordnet sind, während die magnetischen Polschuhe ein
vertikales Magnetfeld erzeugen. Auch hierbei muß über dem Kanal ein Magnet angeordnet
werden, was zu konstruktiven Schwiee rigkeiten führen kann.
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Bei einem weiteren bekannten Durchflußmeßgerät sind zwei Spulenwicklungen
kreuzweise um den Kanal bzw. das Gerinne gelegt. Hierbei ist nachteilig, daß der
Kanal, im Querschnitt gesehen, vollständig von den Spulen umgeben
ist,
so daß die Zugänglichkeit von oben beeinträchtigt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen induktiven Abrlußmesser zu schaffen,
der sich insbesondere für den Einsatz bei oben offenen Gerinnen eignet, und bei
dem keinerlei Teile oberhalb des Flüssigkeitsspiegels vorhanden sind. Zur Lösung
dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Polschuhe der Magnetanordnung
derart angeordnet sind, daß das in dem Kanal erzeugte Magnetfeld im wesentlichen
diagonal verläuft, und daß mindestens eine Elektrode an der einen Seitenwand des
Kanals in einer anderen Höhe angeordnet ist als die an der anderen Seitenwand angeordnete
Gegenelektrode.
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Bei dem erfindungsgemäßen Abflußmesser sind die Polschuhe an beiden
Seitenwänden des Kanals in unterschiedlichen höhen angeordnet. Dadurch wird ein
schräges Magnetfeld erzeugt, das unter einem Winkel zur Horizontalen geneigt ist.
Um eine möglichst große Komponente des Magnetfeldes auswerten zu können, ist die-Elektrodenanõrdnung
ebenfalls diagonal, so daß dien Verbindungslinie zwischen den jeweils aktivierten
Elektroden mit dem Magnetfeld einen Winkel bildet, der einem rechten Winkel so weit
wie möglich angenähert ist. Dies geht natürlich nur so weit, wie der Flüssigkeitsstand
im Kanal dies zuläßt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können an der einen Seitenwand
des Kanals mehrere Elektroden in unterschiedlichen Höhen angeordnet sein. Von diesen
Elektroden ist jeweils diejenige eingeschaltet bzw.
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aktiviert, die die höchste der unter dem Flüssigkeitsspiegel
liegenden
Elektroden ist. Die Verbindungslinie dieser Elektroden mit der Gegenelektrode wird
unter dem günstigsten Winkel von den Magnetlinien geschnitten.
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An diesen beiden Elektroden wird daher die höchste Spannung induziert.
Es ist darauf zu achten, daß diejenigen Elektroden, die oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
liegen, in jedem Falle abgeschaltet sind, da sie das Meßergebnis störend beeinflussen
können. Diese Elektroden können elektromagnetische Streufelder einfangen.
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Zur Auswahl derjenigen Elektrode, die aktiviert werden soll, und auch
zur Berücksichtigung der exakten Pegelhöhe in dem endgültigen Meßergebnis kann in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Pegelmeßeinrichtung vorgesehen sein. Die
Pegelmessung kann ohne mechanisch bewegte 1K i zß. auf rein induktivem Wege erfolgen
und ist mit relativ hoher Genauigkeit durchführbar. Das Ausgangssignal der Pegelmeßeinrichtung
kann durch mehrere Schwellwertschalter analysiert werden. Die Ausgänge der Schwellwertschalter
können zur Einschaltung bzw. Aktivierung der jeweiligen Elektrode benutzt werden.
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In guter Annäherung gilt, daß dasjenige Signal, das an der schrägstehenden
Elektrodenanordnung erzeugt wird, der mittleren Geschwindigkeit der Flüssigkeit
proportional ist, während die Pegelmeßeinrichtung ein der Höhe des Pegelstandes
proportionales Signal liefert. Werden beide Signale miteinander multipliziert, dann
erhält man ein der Durchflußmenge proportionales Signal. Da der Qùerschnitt des
Kanals oder Gerinnes konstant ist, kann das der Durchflußmenge proportionale Signal
UQ entsprechend dem Kanal geeicht werden.
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Die oben angegebenen Bezielhungen bzw. Proportionalltäten stimmen
jedoch nur mit gewissen Einschränkungen.
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Insbesondere wird der Proportionall tätsfaktor bci der Ermittlung
der mittleren Strömungsgeschwindigkeit da von beeinflußt, welche der in verschiedenen
höhen an der Kanalwand agesordneten Elektroden aktiviert ist.
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Urii diese Abweichungen auszugleichen, ist in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen, daß in einer Rechenschaltung mehrere Konstantenwerte in
Abhvgigkeit von der Höhe der Ausgangssignale der Pegel;,e.Qeinrichtung zuschaltbar
sind.
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Als zweckmäßig hat sich eine Rechenschaltung erwiesen, die entsprechend
der Beziehung Un UQ Um (k1+k2+k3+... + k4+k5+...) aufgebaut ist, wobei Um der Wert
der Spannung ist, die sich zwischen der jeweils eingeschalteten Elektrode und der
gegenüberliegenden Gegenelektrode ergibt, Uh der Wert einer dem Flüssigkeitsstand
proportionalen Spannung, UQ der Wert der der Abflußmenge proportionalen Spannung,
und k einzeln zuschaltbare Konstanten sind. Praktische Versuche haben ergeben, daß
man mit einer derartigen Rechenschaltung bei ausreichender Anzahl übereinander angeordnter
Elektroden ohne weiteres eine Meßgenauigkeit von ca. 2 % erreichen kann.
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Die Pegelmeßeinrichtung besteht zweckmäßigerweise aus zwei im Bereich
des magnetischen Wechselfeldes am Boden des Kanals angeordneten Elektroden.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren an
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein offenes Gerinne, an dem die
erfindungsgemäße Abflußeinrichtung angebracht ist, zusammen mit einem vereinfachten
Blockschaltbild der Einrichtung, und Fig. 2 zeigt eine detailliertere Darstellung
der gesamten Meßvorrichtung.
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In Fig. 1 ist ein oben offenes Gerinne 10 im Querschnitt dargestellt.
Das Gerinne hat bei dem vorliegerlden Ausführungsbeisplel einen rechteckigen Querschnitt,
es könnte jedoch auch trapezförmig oder rund ausgebildet sein. Die Wände des Gerinnes
müssen aus nicht-leitendem amagnetischem Material bestehen.
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In der in der Zeichnung dargestellten Querschnittsebene ist an der
rechten oberen Kante des Gerinnes ein erster Magnetpolschuh 11 und an der linken
unteren Kante ein zweiter Magnetpolschuh 12 angeordnet. Die beiden Polschuhe 11
und 12 sind Bestandteil von Elektromagneten, die mit Wechselspannung gespeist werdenAuf
diese Weise entsteht zwischen den Polschuhen 11 und 12 ein elektromagnetisches Wechselfeld,
das in Fig. 1 mit B bezeichnet ist und dessen Feldverteilung ungefähr durch die
Länge der durchgezogenen Pfeile angedeutet sein soll. Aus Fig. 1 erkennt man, daß
das Magnetfeld B im wesentlichen diagonal in der Querschnittsfläche des Gerinries
10 liegt.
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In der einen Seitenwand des Gerinnes 10 sind in unterschiedlichen
Höhen drei Elektroden E2, E. E4 angebracht.
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Wenn der Flüssigkeitsstand in dem Gerinne praktisch den Maximalwert
erreicht hat, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, dann sind alle drei Elektroden E2,
E3 und F4 eingetaucht. Die Gegenelektrode E1 befindet sich am unteren Rand der gegenüberliegenden
Seitenwand.
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Da stets diejenige Elektrode ES bis Eg aktiviert ist, die als höchste
Elektrode voll unterhalb des-Fltissigkeitsstandes liegt, ist bei dem in Fig. 1 abgebildeten
Zustand die Elektrode E4 aktiviert. Die Elektroden E1, E4 messen daher die durch
das Magnetfeld B in der strömenden Flüssigkeit erzeugte Spannung, wobei die Wertigkeitsverteilung
durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Es wird jeweils nur diejenige Komponente
der elektrischen Feldstärke ermittelte die senkrecht zum Magnetfeld B verläuft.
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Aus den obigen Erläuterungen ergibt sich, daß die unterste Elektrode
E2 so tief angeordnet sein muß, daß sie bei dem niedrigst möglichen Wasserstand
immer noch voll bedeckt ist. Im Extremfalle ist die Elektrode E2 in unmittelbarer
Nähe des Bodens des Gerinnes anzuordnen.
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Die Spannung, die zwischen der Gegenelektrode E1 und der jeweils aktivierten
Elektrode E2 bis E4 gemessen wird, ist der Strömungsgeschwindigkeit proportional.
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Außerdem wird diese Spannung noch davon beeinflußt, welche der Elektroden
E2 bis E4 aktiviert ist. Es ist daher eine Meßbereichsumschaltung nötig, um über
den gesamten Meßbereich die gewünschte Linearität zu erhalten.
Dies
wird anhand von Fig. 2 weiter unten noch näher erläutert.
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GemäB Fig. 1 werden die Potentiale der Elektroden E2 bis E4 einem
elektronischen Auswahlschalter 13 zugeführt> der dasjenige Elektrodensignal auswählt,
das der am höchsten liegenden voll eingetauchten Elektrode entspricht. Dieses Ausgangssignal
wird einer Rechenschaltung 14 zugeführt, an deren Ausgang das Anzeigegerät 15 angeschlossen
ist, das entsprechend den geometrischen Abmessungen des Strömungskanals in m3/sek
geeicht ist und die Strömungsmenge kontinuierlich anzeigt.
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Fig. 2 zeigt, daß zusätzlich zu den bisher beschriebenen Elektroden
E1 bis E4 noch zwei weitere Elektroden E5 und E6 im Strömungskanal angeordnet sind.
Diese Elektroden befinden sich im Boden des Gerinnes 10 im Bereich des Magnetfeldes
B. Sie liegen in Strömungsrichtung hintereinander. Zweckmäßigerweise sind die Elektroden
E5, E6 entlang der unteren Seitenkante des Gerinnes angeordnet.
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Zwischen den Elektroden E5 und E6 entsteht unter dem Einfluß des Magnetfeldes
B eine Spannung Uh, die der Pegelhöhe proportional ist. Da die Flüssigkeit elektrisch
leitend ist,bildet sie zusammen mit den Zuleitungen der Elektroden E5 und E6 eine
Transformatorschleife, die durch die strichpunktierte Linie 16 angedeutet ist.
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Je höher der Flüssigkeitsstand ist, desto größer ist die Transformatorschleife
16 und umso größer ist die an den Elektroden E5 und E6 entstehende Spannung Uh.
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Die Spannung Uh, die der Pegelhöhe proportional ist, wird in einem
Meßwertumformer MU1 in eine Analogspannung
gegenüber Massepotential
umgesetzt, Die Ausgangsspannung des Meßwertumformers MU1 wird einer Reihe von Schwellwertschaltern
s2J 2-5' s3 und s4 zugeführt, die auf unterschiedliche Schaltschwellen eingestellt
sind. Der Wert, auf den der Schwellvertschalter S2 eingestellt ist, entspricht einem
Flüssigkeitsstand, bei dem die Elektrode E2 gerade voll eingetaucht ist. Der Durchschaltwert
des Schwellwertsehalters S2-3 entspricht einem Pegelwert zwischen den Elektroden
E2 und E3, der Schwellwert des Schwellwertschalters S3 entspricht einem Pegelwert,
bei dem die Elektrode E5 gerade vollständig eingetaucht ist und der Schwellwert
des Scill?rell wertschalters S4 entspricht einem Wert, bei dem die Elektrode Ej
gerade voll eingetaucht ist.
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Die Ausgänge der Schwellwertschalter sS, S3 und s4 stern die Schalter
der elektronischen Schaltvorrichtung 15, um die jeweils gerade voll eingetauchte
Elektrode zu aktivieren. In Fig. 2 sind zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung
die Schalter der elektronischen Schaltvorrichtung 15 als mechanische Schalter dargestellt.
In der Praxis wählt man elektronische Schalter, die normalerweise geöffnet sind
und beim Durchsehalten des jeweiligen Schwellwertschalters geschlossen werden.
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Der Ausgang des Schwellwertschalters s2 ist mit zwei Konstanten-Gebern
kl und k4 verbunden. Hierbei handelt es sich um Potentiometer, die entsprechend
einem noch zu erläuternden Konstantenwert eingestellt sind. Der Ausgang des Schwellwertschalters
S2-3 ist mit einem Konstanten-Geber k5 verbunden, der Ausgang des Schwellwertschalters
S3 mit einem Konstanten-Geber k2 und der Aus
gang des Schwellwertschalters
s4 mit einem Konstanten-Geber k3.
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Die Ausgänge der Konstanten-Geber k, k2 und k3 sind In einer Summierschaltung
17 zusammengefaßt, die den Wert kl+k2+k) bildet. Der Ausgang des Summierers 17 ist
all den einen Eingang einer Divisionsschaltung 18 gelegt, deren anderer Eingang
das Ausgangssignal des Meßwertumformers MU1 erhält, das der Spannung Uh entspricht.
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Am Ausgang der Divisionsschaltung 18 entsteht also ein Signal, das
----Uh entspricht, Dieses Ausgangssignal k1 + K2+ K3 wird dem Eingang eines weiteren
Addierers 19 zugeführt, an dessen anderen Eingängen die Signale k4 und k5 liegen.
Der Ausgang des Addierers 19 ist mit einer Multiplikationsschaltung 20 verbunden.
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Der Ausgang des elektronischen Schalters 15 liegt, ebenso wie die
von der Elektrode E1 kommende Leitung an einem Meßwertumformer MU2, an dessen Ausgang
ein Signal entsteht, das der zwischen den Elektroden E1 und E2 bis E4 gemessenen
Spannung Um entspricht. Dieses Signal wird dem anderen Eingang des Multiplizierers
20 zugeführt. Die gesamte Rechenschaltung 14 arbeitet demnach nach der Beziehung:
UQ = Um(Uh +k (k1+k2+k3 + k4+k5).
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Die einzelnen Konstanten dieser Beziehung hängen von der Form und
Größe des Gerinnes ab, sowie von den vertikalen Abständen der Elektroden E2 bis
E4 und deren Anzahl. Schließlich hängt die Zahl der Konstanten auch
noch
von der geforderten Genauigkeit des Meßergebnisses ab.
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Die einzelnen Konstanten werden in Abhangigkeit von der jeweiligen
Höhe des Flüssigkeitsstandes von den Schwellwertschaltern s2 bis s4 zu- oder abgeschaltet.
Liegt der Flüssigkeitsstand beispielsweise oberhalb von E, aber unterhalb von E4,
dann sind die Konstanten kl, k2, klp und k5 zugeschaltet, während die Konstante
k5 gleich Null ist. In diesem Zustand ist die Elektrode E5 aktivier, so daß die
Spannung Um zwischen den Elektroden E1 und E5 gemessen wird. Versuche haben ergeben,
daß bei geeigneter Wahl der Konstanten eine relativ hohe Meßgenauigkeit erzielbar
ist. Die Rechenschaltung läßt sich ohne Schwierigkeiten mit elektronischen Bauelementen
ausführen. An dem Strömungskanal werden lediglich Elektroden in entsprechender Anzahl
sowie Polschuhe benötigt. Anstelle des unteren Polschuhs 12, der gemäß Fig. 1 im
unteren Bereich der Seitenwand des Gerinnes angeordnet ist, können zwei gleichphasig
betriebene Polsehuhe an der unteren linken Kante vorhanden sein, von denen der eine
an der Seitenwand und der andere an der Bodenwand anliegt. Dies ist insbesondere
dann zweckmäßig, wenn die Messung auch bei ganz geringen Flüssigkeitsständen noch
mit großer Genauigkeit erfolgen soll.