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Verfahren zur magnetisch induktiven Strömungsmessung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur magnetisch induktiven Strömungsmessung
zur Bestimmung des Durchflusses in teilgefüllten Querschnitten sowohl offener wie
geschlossener Kanäle oder Rohrleitungen.
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Bei derartigen Strömungsmessern ist es erforderlich, sowohl eine elektrische
Nutzspannung für die Strömungsgeschwindigkeit als auch eine Nutzspannung für den
von der Flüssigkeit gebildeten Strömungsquerschnitt zu erzeugen. Die Mulitplikation
dieser beiden Nutzspannungen ergibt eine Spannung für den Durchfluß.
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Solche Verfahren zur magnetisch induktiven Strömungsmessung sind aus
der Zeitschrift "Archiv für technisches Messen" Blatt V 1255-1 (Mai 1973) s. 81
- 84 unter dem Titel "Magnetische Abflußmessung in offenen Rechteckgerinnen" von
J. Rolff und H. Starke bekannt. Dort wird der Strömungsquerschnitt aus der Multiplikation
der gemessenen Füllstandshöhe und der als bekannt vorausgesetzten Breite des Strößungsquerschnitts
ermittelt. Die Annahme, daß die Füllstandshöhe über den Strömungsquerschnitt konstant
ist und damit proportional zum Strömungquerschnitt ist, ist in der Praxis meist
nicht richtig. Neben einer Beeinflussung des von Rolff und Starke als eben angenommenen
Flüssigkeitsspiegels durch Wellenbewegung, ist die Form des durchströmten Querschnitts
auch beispielsweise von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig. So ist bei höheren
Geschwindigkeiten die Füllstandshöhe in der Mitte des Kanals kleiner als am Rand.
Je nach Wandrauhigkeit und durchströmtem Querschnitt kann die Abweichung mehr als
50% betragen.
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Außerdem ist aus der Zeitschrift messen und prüfen/automatik" Juli/
August 1977 unter dem Titel "Ein neuartiger induktiver Abflußmesser" nach Ing. J.J.
Rolff ein weiteres Verfahren bekannt. Dieses Verfahren
zur Strümungsmessung
in teilgefUllten Kanälen benutzt getrennte Elektroden zur Füllstandsmessung und
zur Geschwindigkeitsmessung.
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Zur Messung des Füllstandes sind zwei Elektroden in Strömungsrichtung
angeordnet. Die Geschwindigkeitsmessung wird über 5 schaltbare Elektroden, die zu
4 Paaren zusammengeschaltet werden können, durchgeführt. Das Verfahren beinhaltet
den gleichen Fehler wie das erstgenannte. Es wird nicht der Strömungsquerschnitt
sondern nur die Füllstandshöhe gemessen. Die gemessene Spannung ist nicht proportional
zur Füllstandshöhe, wenn das Magnetfeld nicht zu diesem Zweck entsprechend geformt
ist. Nachteilig kommt hinzu, daß die Geschwindigkeitsmessung über 5 geschaltete
Elektroden erfolgt. Neben der Anderung der Wertigkeit im Strömungsquerschnitt bei
jedem Umschalten der Elektroden ist außerdem die Wertigkeit gegenüber dem erstgenannten
und dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht immer zum Kanal symmetrisch.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den von der Flüssigkeit
gebildeten Strömungsquerschnitt zu bestimmen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von den Elektrodenzuleitunqen
und dem Flüssigkeitsspiegel eine Leiterschleife gebildet wird, die eine Induktionsfläche
A. aufspannt, wobei die in dieser Schleife induzierte Spannung zur Messung des Strömungsquerschnitts
A benutzt wird und an den Elektroden außerdem die Strömungsgeschwindigkeit v gemessen
wird. Eine Magnetfeldanpassung zur Bestimmung der Füllstandshöhe bzw. des Strömungsquerschnitts
ist nicht erforderlich. Der Strömungsquerschnitt ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung
linear abhängig von der induzierten Spannung. Das gilt nicht nur für Rechteckkanäle
sondern für Kanäle und Rohrleitungen mit weitgehend beliebigem Querschnitt, insbesondere
auch für Kreisquerschnitt.
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Um bei einem solchen magnetisch induktiven Strömungsmesser die bei
der Messung des Strömungsquerschnitts und der Strömungsgeschwindigkeit auftretenden
Störspannungen auch bei durch Umwelteinflüsse wie z.B. Temperatur, Zusammensetzung
der Flüssigkeit u.s.w. geänderten Bedingungen erfassen zu können, wird in der erfindungsgemäßen
Anordnung ein magnetisches Drehfeld verwendet, dessen Drehrichtung intervallweise
umgedreht wird. Hierbei sind die Nutjspannungen für Strömungsgeschwindigkeit
und
Strömungsquerschnitt je nach Drehrichtung des Magnetfeldes in Phase oder Gegenphase.
So erhält man durch Umdrehen der Drehrichtung des Magnetfeldes einmal eine Addition
der Nutzspannungsamplituden für di Strömungsgeschwindigkeit und den Strömungsquerschnitt,
und nach Umdrehen der Drehrichtung des Magnetfeldes erhält man die Subtraktion der
genannten Nutzspannungsamplituden. Aus den beiden Meßspannungsamplituden für links-
bzw. rechtsdrehendes Magnetfeld lassen sich durch elektrische Addition und Subtraktion
einfach die Nutzspannungsamplituden für die Strömungsgeschwindigkeit und den Strömungsquerschnitt
bestimmen. Multipliziert man die so gewonnenen Nutzspannungsampl ituden für Strömungsquerschnitt
und Strömungsgeschwindigkeit, so erhält man eine Spannung, die von der durchfließenden
Menge abhängt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und des Strömungsquerschnitts
erforderliche Umschaltung einer Spulenanordnung nicht so genau erfolgen muß, daß
bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit nur Magnetfeldkomponenten senkrecht
zur Strömungsrichtung existieren dUrfen und bei der Bestimmung des Strömungsquerschnitts
nur Magnetfeldkomponenten in Strömungsrichtung vorhanden sein dürfen, sondern es
ist lediglich ein Vertauschen zweier Phasen im Drehstromnetz erforderlich, um die
notwendige Drehrichtungsumkehr des in der Erfindung benutzten Drehfeldes zu bewirken.
Andert sich durch äußere Einflüsse die Geometrie zwischen den das magnetische Drehfeld
erzeugenden Spulen und dem durchströmten Kanal oder Rohr, so hat das bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren mit Drehfeld zwar auch eine Anderung der Nutzspannungen und Störspannungen
zur Folge, jedoch sind hierbei im Gegensatz zu den bekannten Verfahren Nutz- und
Störspannungen insbesondere bei der Bestimmung des Strömungsquerschnitts unbeeinflußt
trennbar. Das gleiche gilt nicht nur für Anderungen der Geometrie zwischen Spulen
und durchströmtem Kanal oder Rohr sondern für viele andere gewollte oder ungewollte
Anderungen der Anordnung.
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Da die Nutzspannungen für Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsquerschnitt
beim erfindungsgemäßen Verfahren mit magnetischem Drehfeld entweder in Phase oder
Gegenphase sind, lassen sie sich von den Störspannungen, die zur Nutzspannung phasenverschoben
sind, durch bekannte phasenselektive~Schaltun,gen trennen. Bei herkömmlichen Ver-
@ahren
mit Wechselfeld sind die Nutzspannung für die Bestimmung des Stromungsquerschnitts
und die Störspannungen in Phase, wodurch eine @rennung unabhängig von äußeren Einflüssen
nicht möglich ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind anhand von Ausführungsbeispielen
qeiiid den Fig. 1 - 6 nachfolgend näher erläutert. Fig. 1 uiid Z zeigen zwei Ausführungsbeispiele
zur Bestimmung des Durchflusses Q iii einem teilgefüllten Kanalquerschnitt bzw.
einer teilgefüllte Rohrleitung. In Fig. 1 ist ein Beispiel zur Benutzung von Liniellelektr-oden
LE gegeben. Die Linienelektroden, die beispielsweise senkrecht zur Strömungsrichtung
v an den Seitenwänden des Kanals angeordnet sind, sind erfindungsgemäß z.B. an der
Oberkante des Kanals an den Punkten P1 und P2 mit den El ektrodenzu leitungen, die
entlang der oberen Begrenzung zum Meßverstärker MV führen, verbunden. Durch diese
Anordnung ist, genau wie bei dem Beispiel in Fig.
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2, bei dein als weitere Variante Punktelektroden PE verwendet werden,
die erfindungsgemäße Forderung erfüllt, daß von den Elektrodenzuleitungen und dem
Flüssigkeitsspiegel eine Leiterschleife gebildet wird, die eine Induktionsfläche
A. aufspannt. Wird die Induktionsfläche A. von einem magnetischen Wechsel- oder
Drehfeld durchsetzt, so ist die in der die Induktionsfläche A. umrandenden Leiterschleife
induzierte Spannung proportional zu der Induktionsfläche A. . Da die Fläche Ak als
Konstante der jeweiligen Anordnung durch die Summe von Strömungsquerschnitt A und
Induktionsfläche A. gegeben ist, erhält man eine lineare Abhängigkeit zwischen der
in der Leiterschleife induzierten Spannungsamplitude UAo und dem Strömungsquerschnitt
A. KA ist eine Konstante.
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UAo = (Ak - A) Gl.1 Existiert neben den die Fläche A. durchsetzenden
Magnetfeldkomponenten auch ein Magnetfeldanteil, der gleichzeitig senkrecht zur
kürzesten Verbindung zwischen den Elektroden und der Strömungsrichtung v steht,
so erhält man an den Elektroden neben der Spannung UAo zusätzlich eine Spannung
UvO, die proportional zur Strömungsgeschwindigkeit v ist. K ist dabei eine Konstante.
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UVO = KV . V
Als Beispiel einer Anordnung zeigt Fig.
3 die Längsansicht und Fig.
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4 die Queransicht, wobei der Kanal im Quer- bzw. Längsschnitt gezeichnet
ist. Der Flüssigkeitssumpf FS kann z.B. dann eingebaut werden, wenn der Kanal zeitweise
leer ist. Die verbleibende Flüssigkeit im Flüssigkeitssumpf verhindert dann unkontrollierbare
Meßspannungen.
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Die Magnetspulen SP1, SP2 und SP3 bilden erfindungsgemäß in diesem
Beispiel zueinander je einen Winkel von 600. Sie erzeugen ein magnetisches Drehfeld
in dem geschlossenen oder offenen Kanal, der von der Flüssigkeit mit der Strömungsgeschwindigkeit
v durchflossen wird und der beispielsweise senkrecht zur Achse der Spule SP1 angeordnet
ist. Im Beispiel sind Linienelektroden LE, die in den Flüssigkeitssumpf FS ragen,
angenommen. An den Linienelektroden liegt die Differenz zweier Sinusspannungen Uvl
und UAl bei linksdrehendem Magnetfeld bzw. die Summe zweier Sinusspannungen Uvr
-Vr und bzw. bei rechtsdrehendem Magnetfeld, wie in Fig.6 angegeben. Die Amplituden
der Sinusspannungen Uvl und Uvr sowie UAl und UAr sind bei genügend großer Frequenz
der Umschaltung der Drehrichtung des Magnetfeldes gleich groß.
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UAro = UAlo =UAo Gel .3 Uvro Uvio Uvo Gl.4 Die Amplitude der zur
Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Spannung ist UvO. . Die Amplitude der linear
vom Strömungsquerschnitt abhängigen Spannung ist UAo.
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Fig. 6a und 6b zeigen die zeitlichen Verläufe der x- und y-Komponenten
(s. Fig. 3 und 4) des magnetischen Drehfeldes als Funktion der Zeit für rechtsdrehendes
Magnetfeld. Hierbei eilt die x-Komponente B der y-Komponente 8 um 900 nach. Fig.
6f und 69 zeigen -xr -yr die zeitlichen Verläufe der x- und y-Komponenten des magnetischen
Drehfeldes als Funktion der Zeit für linksdrehendes Magnetfeld.
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Hierbei eilt die x-Komponente BXl der y-Komponente Byl um 900 vor.
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Fig. 6c und 6h zeigen die Nutzspannungsanteile aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit
für links und für rechtsdrehendes Magnetfeld.
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U ist mit der jeweiligen y-Komponente des Magnetfeldes 8 in Phase.
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Fig. 6d und 6i zeigen den zeitlichen Verlauf des Nutzspannungsanteils
UA, dessen Amplitude linear vom Strömungsquerschnitt A abhängig ist. Die Spannung
U, A erreicht dort ihr negatives Maximum, wo die positive Änderung der x-Komponente
des magnetischen Drehfeldes am größten ist. Der Nutzspannungsanteil UAr ist bei
rechtsdrehendem Magnetfeld also in Gegenphase zum Nutzspannungsanteil Uvr . Es ergibt
sich als resultierende Nutzspannung Ugesr an den Elektroden der Verlauf in Fig.
6e. Die Amplitude dieser Spannung erhält man zu: U gesro = UAo - UVO Gl.5 Entsprechend
gewinnt man nach Umschalten der Magnetfelddrehrichtung Fig. 6j für linksdrehendes
Magnetfeld. Die Nutzspannungen UA und Uv sind in Phase. Es ergibt sich als resultierende
Nutzspannung Die Amplitude Uges lo lABt sich angeben zu Uge5 o = UAo + UVO Gl.6
Fig. 5 zeigt das erfindungsgemäße Beispiel eines Blockschaltbildes der Anordnung
zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit v, des Strömungsquerschnitts A und des
Durchflusses Q. Der Meßverstärker MV verstärkt die Spannung, die zwischen den Meßelektroden
ME abgenommen werden kann. Der Ausgang des Meßverstärkers MV ist mit zwei elektronischen
Speichern SV1 und SV2 verbunden. SV1 speichert die Nutzspannungsamplitude Ugesro.
SV2 speichert die Nutzspannungsamplitude Ugeslo Die Steuerung ST sorgt für die intervallweise
Umschaltung der Drehfeldrichtung des Magnetfeldes sowie für die Speicherimpulse.
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Die Speicherimpulse liegen derart in Phase mit uer ,eßspannung an
den Meßelektroden, daß nur der in Gl.5 und Gl.6 gegebene Nutzspannungsanteil, der
frei von Störspannungen ist, gespeichert wird. Die Nutzspannungsamplituden Ugesro
und U geslo werden subtrahiert. Es ergibt sich mit Gl.5 und Gl.6 Ugesro - Ugeslo
UVO = - 2 Gl.7 Außerdem werden die Nutzspannungsamplituden Ugesro und Ugeslo addiert.
Mit Gl. 5 und Gl.6 erhält man UAo =Ugesro+Ueslo 2 Gl .8
Setzt man
Gl. 2 in Gl. 7 ein, so kommt man zu v = cv(Ugesro - Ugeslo) Gl.9 mit c = 2 .
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v Setzt man Gl. 1 in Gl. 7 ein, so erhält man A = cA(Ugesro + Ugeslo)
+ Ak Gl.10 mit cA = - 1 .
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2kA Die Strömungsgeschwindigkeit v und der Strömungsquerschnitt A
lassen sich also durch einfache Addition bzw. Subtraktion der beiden Nutzspannungen
U und Ugeslo ermitteln. Ak ist eine Konstante, die durch den Aufbau gegeben ist.
Mit dem Widerstand R1 wird der Anteil KA Ak in Gl.1 gebildet. Wird dieser von der
Spannung UAo in Gl.8 subtrahiert, so erhält man eine Meßspannung U, die direkt proportional
zum Strömungsquerschnitt A ist. Diese Spannung UA ergibt die Anzeige AA für den
Strömungsquerschnitt A.
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Die resultierende Nutzspannung Uvo nach Gl.7 bildet die Anzeige Av
für die Strömungsgeschwindigkeit. Multipliziert man die Spannungen UA und Uvo im
Multiplikator M miteinander, so ergibt sich die Anzeige AQ, da bekanntlich der Durchfluß
Q aus Q = v . A Gl .11 berechnet wird.