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Magnetisch-induktivor Durchflußmesser
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Die Erfindung betrift einen magnetisch-induktiven Durchflußmesser
mit einen zumindest an seiner Innenwand elektrisch nicht leitenden Rohr, durch dns
im getrieb die Meßflüssigkeit fließt, mit einander diametral gegenüberliegenden
Maßelementen an der Innenwand des Rohres, die über Zuleitungen mit einem Meßinstrument
verbunden sind und nit Feldspulen zur Erzeugung eines getaktet e en llar;nctfeldes,
welches senkrecht zur Strömungsrichtung der Meßflüssigkeit verläuft.
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Magnetisch-induktive Durchflußmesser dieser Art sind bekannt und beruhen
in ihrcr Wirkungsweise auf dem Farady'schen Induktionsgesetz, gemäß welchem in einer
durch ein Magnetfeld fließenden elektrisch leitenden Flüssigkeit ein elektrisches
Feld bestimmter Stärke entsteht bzw. eine an den Meßelektroden abgreifbare Spannung,
die der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Meßflüssigkeit proportional ist.
Diese Spannung, die in der Größenordnung von einen mV liegt, wird über Zuleizungen
einem Meßumformer zugeführt, wo sie verstärkt und anschließend weiterverarbeitet
wird.
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Wichtige Vorteile der magnetisch-induktiven Durchflußmessung bestehen
darin, daß - Jedenfalls theoretisch - eine lineare Anzeige der mittleren Strömungsgeschwindigkeit
erhalten wird und daß keine mechanischen, insbesondere keine beweglichen Teile in
das Rohr hineinragen, so daß die Durchflußmessung
auch bei sehr
zähen, verschmutzten oder aggressiven Flüssigkeiten ermöglicht wird. Andererseits
bietet das Verfahren der megnetisch-induktiven Durchflußmessung, wenn es mit den
derzeit bekannten Durchflußmessern durchOeführt wird, insofern teilweise beträchtliche
Schwierigkeiten, als beim Arbeiten mit einem Wechselfeld transformatorische Störspannungen
auftreten, während beim Arbeiten mit einem Getakteten Gleichfeld elektrisch-chemischc
Störspannungen auftreten, deren Einfluß auf das Kießergebnis mit teilweise erheblichem
Aufwand kompensiert bzw. susgeschaltet werden muß. Insbesondere ist bisher ein erheblicher
eß- und Abstimmaufwand erforderlich, um die Zuleitungen zu den Meßelektroden so
verlegen zu können, daß der Einfluß von transformatorischen Störspannungen möglichst
gering gehalten wird, wobei jedoch schon geringe mechanische Verformungen der Meßanordnung
unter dem Einfluß äußerer Kräfte oder temperaturabhängiger Lin?enänderungen der
Bauteile wieder zu beträchtlichen Störspannungen führen können, was insofern besonders
kritisch ist, als diese Störspannungen die Größe der Meßspannuns um ein Vielfaches
übersteigen können.
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Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt
der Erfindun die Aufgabe zugrunde, eine Beeintrachtigung der Meßgenauigkeit durch
transformatorische Störspannungen auf den Zuleitungen der Meßelektroden zumindest
weitgehend zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Durchflußmesser der eingangs beschriebenen
Art gelöst, welcher gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß das Rohr
und die Feldspulen von einem Mantel hoher elektrischer LeitfähiCkeit umgeben sind,
daß die Zuleitungen ausgehend von den Meßelektroden unmittelbar auf die Außenseite
des Mantels geführt sind, daß eine Impulsquelle vorgesehen ist, mit deren Hilfe
die Feldspulen mit Stromimpulsen mit steil ansteigender Vorderflanke ansteuerbar
sind und
daß Sperreinrichtungen vorgesehen sind, mit deren hilfe
das Meßinstrument relativ kurze Zeit nach dem Auftreten der Vorderflanke eines Meßimpulses
sperrbar ist.
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Der entscheidende Vorteil eines Durchflußmessers gemein der Erfindung
besteht darin, daß dRs Auftreten von transformatorischen Störspannungen in den Zuleitungen
zwischen den eßelektroden und dem Meßinstrument zwar nicht unterdrückt werden kann,
daß aber ein Einfluß dieser Störspannungen auf dns Meßergebnis verhindert wird.
Dies wird dadurch erreicht, daß die Ausbreitung des von den Meßspulen erzeugten
Maxnetfeldes nach außen durch den gut leitenden Mantel verzögerird. Andererseits
kann sich im Inneren des Rohres das Magnetfeld wegen der steilen Stromimpulse, die
den Feldspulen zugeführt werden, sehr schnell aufbauen, so daß die MeßspnnnunC schnell
ihren endgültigen Wert erreicht und vom Meßinstrument erfaßt werden kann. Das Meßinstrument
wird nun gesperrt, ehe das magnetische Feld sich auch auf der Außenseite des Mantels
ausbreiten kann, so daß die anschließend in die Zuleitungen induzierten Störspannungen
von dem Meßinstrument nicht mehr erfaßt werden. Andererseits läßt sich die Idnge
der Zuleitungen im Inneren des Mantels so kurz halten., daß die dort eingestreuten
transformatorischen Störspannungen auf ein Minimum reduziert werden können.
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Theoretisch basiert die Erfindung auf der Erscheinung, daß die Ausbreitungsgeschwingkeit
eines Magnetfeldes relativ stark von der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums
abhängig ist, in dem sich des Magnetfeld ausbreitet. Durch geeignete Wahl der Materialien
für das Rohr einerseits und den Mantel andererseits ist es also möglich, dafür zu
sorgen, daß das Magnetfeld im Inneren des Rohres bei Anlegen eines steilen Stromimpulses
an die Feldspulen sehr schnell seine volle Größe erreicht, so daß sich an den Meßelektroden
eine entsprechende Maßspannung ergibt, während andererseits das
magnetische
Streufeld auf der AuCenseite des Mantels erst mit einer Verzögerung auftritt, die
es erm(iglicht, zuvor die espannung mit dem MeSinstrument ni erfassen und dieses
dann zu sperrcn, ehe trtnsformntorische Störspannungen in den Zuleituben auftreten
können.
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Als günstig hat es sich erwiesen, wenn die Feldspulen eine geringe
Induktivität aufweisen, insbesondere, wenn sie als Helmholtz-Spulen mit nur einer
einzigen Wicklung ausgebildet sind, da hierdurch der Feldaufbau im Inneren des mantels
und damit im Inneren des von der Meßflüssigkeit durchflossenen Rohres besonders
schnell anstei.t.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Mantel aus Metall, insbesondere
aus einem magnetisierbaren Metall besteht, da mit Hilfe eines solchen Mantels eine
besonders starke Verzögerung der Ausbreitung des von den Feldspulen ausgehenden
Magnetfeldes nach außen erreicht werden kann.
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Günstig ist es, wenn das Rohr aus einem Material einer elektrischer
Leitfähigkeit, insbesondere aus einem isolierenden Material besteht, da hierdurch
der Feldaufbau im Inneren des Rohres beschleunigt wird.
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Ein beschleunigter Feldaufbau im Inneren des Rohres laßt sich auch
dadurch fördern, daß für die Stromimpulse, die den Feldspulen zugeführt werden,
ein schneller Energiespeicher, insbesondere eine Kondensatorbatterje vorgesehen
wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand einer Zeichnung noch näher erläutert und sind Gegenstand der Unteransprüche.
In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch den methanischen Teil eines
Durchflußmessers gemäß der Erfindung und
Fig. 2 ein vereinfachtes
Wirkschaltbild eines erfindungsgemäßen Durchflußmessers.
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Wie Fig. 1 zeigt, besitzt der Durchflußmesser gemäß der Erfindung
in üblicher Weise ein Rohr 10, welches auf seincr innenseite auf jeden Fell isoliert
ist und welche vorzugsweise vollständig aus einem isolierenden Material besteht.
De- Rohr 10 sind zwei Feldspulen 12 zugeordnet, die einander diametral gegenüberliegen.
An der Innenwand des Rohres 10 sind Meßelektroden 14 angeordnet, die auf einer Verbindungslinie
bzw.
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einen Durchmesser des Rohres liegen, welcher senkrecht zu den Feldlinien
eines von den Feldspulen 12 erzeugen, senkrecht zur Strömungsrichtung liegenden
Feldes verläuft. Die MeBelektroden 14 sind über Zuleitungen 16 mit einem Meßinstrument
(nicht dargestellt) verbunden. Ferner sind die Feldspulen 12 niteinander verbunden
und besitzen Anschlußleitungen 18, über die sie mit einer Stromquelle (nicht dargestellt)
verbindbar sind.
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Der erfindungsgemäße Durchflußmeser, soweit er bis hierher beschrieben
wurde, ist bekannt. Neu ist jedoch, daß das R'ir 10 und die Feldspulen 12 von einem
Mantel 20 umgeben sind, durch den die Zuleitungen 16 zu den Meßelektroden 14 im
Bereich der (sehr kleinen) Offnungen 21 herausgeführt sind.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten prinzipiellen Ausbau des mechanischen
Teils bzw. des Gebers eines Durchflußmessers gemäß der Erfindung ergeben sich folgende
physikalische Zusammenhänge: Ganz allgemein gilt die Gleichung
wobei # = el. Feldstärke, v = Geschwindigkeit der Meßflüssigkeit
und # = magnetische Induktion.
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Die Gleichung (1) läßt sich auch in folgender Form schreiben:
wobei c = und c' = Ferner gilt für den all, daß der Geschwindigkeitsvektor v der
Meßflüssigkeit, der Vektor der magnetischen Induktion und der Vektor der elektrischen
feldstärke # senkrecht zueinander verlaufen: um(t) = Bx Nw x v(t) (1b) wobei um(t)
= zeitabhängige Meßspanung zwischen den Elkektroden 14, Nw = lichte des Rohres 10
und v(t) = zeitabhängige Geschwindigkeit der Meßflüssigkeit.
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Weiterhin gilt: Diffusionstern Wellentern
bzw. bei eindimensionaler Betrachtung für den Diffusionstern allein:
wobei # = Permeabilität, # = Leitfähigkeit, # = Dielektrizitätskonst-ante, d = Materialstärke.,
# = Laufzeit
Die Geschwindigkeit, mit der sich des magnetische
Feld ausbreitet bzw. die Zeit r die das magnetische Feld zum Durchleufen dcr Strecke
d in einen Material benötigt, ist alro unter anderen von der Leitfähigkeit des Materials
abhängig.
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Die Gleichung (2b) gestattet nun folgende Abschätzung: Setzt man folgende
Werte ein
(gilt für Kupfer) (gilt für Wasser) da = 0,5 cm di max. " 100 cm di min. = 1 cm
wobei di = Durchmesser des Rohres 10 und # i dessen Leitfähigkeit und die Leitfähigkeit
der Meßflüssigkeit und wobei d = Wandstärke des Mantels 20 und ## dessen Leitfähigkeit
ist, so ergibt sich für die Laufzeit ra ges magnetischen endes durch den Mantel
20
Während man für die Zeit #i , die zur, Aufbau des magnetischen Feldes in Rohr 10
bzw. in der Meßflüssigkeit erforderlich ist, folgende Werte erhält:
Für die zur Verfügung stehende Meßzeit tm» ß die länger als und
kürzer als io sein muß, ergibt sich also ein Wert zwischen 1 ps und 1ms, beispielsweise
ein Wert von 10 µs, was bei den heute zur Verfügung stehenden Bauelementen keine
Schwierigkeiten mit sich bringt.
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Die vorstehend diskutierten physikalischen Phanomene werden bei den
in Fig. 1 im Prinzip dargestellten Geber ausgenutzt, wobei vorzugsweise mit einer
NeBschaltung gearbeitet wird, deren Blockschaltbild in Fig. 2 dargestellt ist. tie
Fig.2 zeigt, enthält die Meßschaltung an ihrem Eingang E ein Netzgerat 22, mit dessen
Hilfe beispielsweise eine Netz-\:echselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt
wird. Diese Gleichspannung wird einem Ernergiespeicher 24 zugeführt, der vorzugsweise
als Kondensatorbatterie ausgebildet ist. Die Steuerung des Energiespeichers 24 erfolgt
durch einen Taktgenerator 26, so daß dieser impulsförmig Energie abgibt. An dieser
Stelle sei darauf hingewiesen, daß erfindungsgemäß mit sehr steilen und sehr kurzen
Impulsen für den Geber 28 gearbeitet wird, während bisher bei der wgetakteten" Ansteuerung
der Geber von Durchflußmessern mit relativ langen Impulsen gearbeitet wurde, so
daß sich nach Abschluß des Einschaltvorgangs während jedes einzelnen Impulses im
wesentlichen dieselben Verhältnisse ergaben, wie bei Anlegen eines entsprechenden
Gleichfeldes.
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Die von dem Geber 28 erzeugte Meßspannung (zwischen den Zuleitungen
16 wird einem Verstärker 30 zugeführt, dessen Ausgang mit einer Torschaltung 32
verbunden ist, welche ebenfalls durch den Taktgeber 26 gesteuert wird, und zwar
derart, daß sie nur für eine vorgegebene Meßzeit #meßgeöffnet ist.
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Mit dem Ausgang der Torschaltung 32 ist ein Spitzenwertspeicher 34
verbunden, welcher während jedes Neßinterwalls den Spitzenwert der ermittelten Meßspannung
speichert. Das Meßergebnis kbnnte nun unmittelbar vom Ausgang des Spitzenwertspeichers
abgegriffen werden. Vorzugsweise ist der Spitzenwertspeicher 34 jedoch noch mit
einem Analog-Digitalwandler 36 verbunden, von dessen Ausgang A, der den Ausgang
der
tel'schaltung bzw. des magnetisch-induktiven Durchflußmessers gemäß der Erfindung
darstellt, die Meßergebnisse in digitalter Form abgegriffen und weiterverarbeitet
werden können.
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In vielen Fällen ist es ferner vorteilhaft, wenn dem Verstärker 30
eine Referenzspannung bzw. Referenzimpulse zugeführt werden können, deren Größe
bekannt ist und die damit eine Abschätzung bzw. Kompensation des Einflusses der
Peßkette 30 bis 3G auf das Meßergebnis an Ausgang A ermöglichen. Die Möglichkeit
der Verwendung von Referenzspannungen bzw. Referenzimpulsen ist in Fig. 2 durch.
eine gestrichelt gezeichnete Eingangsleitung 40 für den Verstärker 30 angedeutet.
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L e e r s e i t e