DE2744266B2

DE2744266B2 - Verfahren zur magnetisch induktiven Strömungsmessung

Info

Publication number: DE2744266B2
Application number: DE19772744266
Authority: DE
Inventors: Karl-Walter Prof. Dr.-Ing. 5910 Kreuztal Bonfig; Bernhard Dipl.-Ing. 5900 Siegen Feith
Original assignee: Individual
Current assignee: FEITH, BERNHARD, DIPL.-ING., 5067 KUERTEN, DE
Priority date: 1977-10-01
Filing date: 1977-10-01
Publication date: 1981-02-12
Also published as: DE2744266A1; DE2744266C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur magnetisch induktiven Strömungsmessung zur Bestimmung des Durchflusses in teilgefüUten offenen oder geschlossenen Kanälen oder Rohrleitungen, bei dem in verschiedenen Zeitabschnitten nacheinander das angelegte magnetisehe Wechselfeld eine Komponente in und senkrecht zur Strömungsrichtung aufweist, zur Bestimmung des Pegelstandes mittels der magnetischen Induktion in einer von den Elektrodenzuleitungen und der Flüssigkeit gebildeten Leiterschleife.

bo 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 Multiplikation dieser beiden

b5 Nutzspannungen ergibt eine Spannung für den Durchfluß.

Solche Verfahren zur magnetisch induktiven Strömungsmessung sind aus der Zeitschrift »Archiv für

technisches Messen« Blatt V1255-1 (Mai 1973) s. 81 -84 unter dem Titel »Magnetische Abflußmessung in offenen Rechteckgerinnen« von J. Rolff und H. Starke sowie aus den Druckschriften DE-AS If 63 413 und DE-OS 20 63 777 bekannt Dort wird der Pegelstand mit Hilfe einer Induktion bestimmt, die in einer Leiterschleife wirksam ist, die aus Elektrodenzuleitungen und Flüssigkeitsspiegel gebildet wird. Der Strömungsquerschnitt wird aus der Multiplikation der gemessenen Füllstandshöhe und der als bekannt vorausgesetzten Breite des Strömungsquerschnitts ermittelt Die Annahme, daß die Füllstandshöhe über den Stromungsquerschnitt konstant ist und damit proportional zum Strömungsquerscbnitt ist, ist in der Praxis meist nicht richtig. Neben einer Beeinflussung des von RoVf und Starke als eben angenommenen Flüssigkeitsspiegels durch Wellenbewegung, ist die Form des durchströmten Querschnitts auch beispielsweise von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig. So ist bei höherer. 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.

Außerdem ist aus der Zeitschrift »messen und prüfen/automatik« Juli/August 1977 unter dem Titel »Ein neuartiger induktiver AbfluDmesser« nach Ing. J. J. Rolff ein weiteres Verfahren bekannt. Dieses Verfahren zur Strömungsmessung in teilgefüllten Kanälen benutzt getrennte Elektroden zur Füllstandsmessung und zur Geschwindigkeitsmessung. 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 Stirömungsquersehnitt 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 Änderung der Wertigkeit im Strömungsquerschnitt bei jedem Umschalten der Elektroden ist außerdem die Wertigkeit gegenüber dem erstgenannten Verfahren nicht immer zum Kanal symmetrisch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten A;t den von der Flüssigkeit gebildeten Strömungsquerschnitt zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrodenzuleitungen oberhalb des maximalen Pegelstandes zum Meßverstärker zusammengeführt sind und daß sich ein magnetisches Drehfeld derart zwischen den Elektroden dreht, daß in Abhängigkeit von der Zeit eine Komponente senkrecht zur Induktionsfläche (Ai) der Leiterschleife sowie eine Komponente senkrecht zur Strömungsrichtung vorhanden ist. Auf diese Weise wird eine Induktionsfläche A, aufgespannt, wobei die in dieser Schleife induzierte Spannung zur Messung des Strömungsquerschnitts A benutzt wird. Eine Magnetfeldanpassung zur Bestimmung der Füllstandshöhe bzw. des Strömungsquerschnitts ist nicht erforderlich. Der Strömungsquerschnitt ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung linear abhängig von dieser induzierten Spannung. Das gilt nicht nur für Rechteckkanälc sondern für Kanäle und Rohrleitungen mit weitgehend beliebigem Querschnitt, insbesondere auch für Kreisquerschnitte.

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 usw, geänderten Bedingungen erfassen zu können, kann ein magnetisches Drehfeld verwendet werden, dessen Drehrichtung intervallweise umgedreht

ίο wird. Hierbei sind die Nutzspannungen für Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsquerschnitt je nach Drehrichtung des Magnetfeldes einmal eine Addition der Nutzspannungsamplituden für die 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 Nutzspannungsamplituden für Strömungsquerschnitt und Strömungsgeschwindigkeit miteinander, so erhält man eine Spannung, die von der durchfließenden Menge abhängt Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und des Strömungsquerschnitts erforderliche Umschaltung einer Spulenanordnung nicht se genau erfolgen muß, daß bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit nur Magnetfeldkomponenten senkrecht zur Strömungsrichtung existieren dürfen 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. Ändert 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 Änderung 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 Änderungen der Geometrie zwischen Spulen und durchströmtem

so Kanal oder Rohr sondern für viele andere gewollte oder ungewollte Änderungen der Anordnung.

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 Schaltungen trennen. Bei herkömmlichen Verfahren mit Wechselfeld sind die Nutzspannung für die Bestimmung des Strömungsquerschnitts und die Störspannungen in Phase, wodurch eine Trennung unabhängig von äußeren Einflüssen nicht möglich ist.

Die Erfindung ist anhand von Austührungsbeispielen gemäß den Fig. 1—6 nachfolgend näher erläutert.

F i g. 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele zur Bestimmung des Durchflusses Q in einem teilgefüllten Kanalquerschnitt bzw. einer teilgefüllten Rohrleitung. In F i g. 1 ist ein Beispiel zur Benutzung von Linienelektro-

den LE gegeben. Die Linienelektroden, die beispielsweise senkrecht zur Strömungsrichtung ν an den Seitenwänden des Kanals angeordnet sind, sind z. B. an der Oberkante des Kanals an den Punkten Pl und P2 mit den Elektrodenzuleitungen, die entlang der oberen Begrenzung zum Meßverstärker Λ/Vführen, verbunden. Durch diese Anordnung ist, genau wie bei dem Beispiel in F i g. 2, bei dem 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 Ai von einem magnetischen Wechseloder Drehfeld durchsetzt, so ist die in der die Induktionsfläche A, umrandenden Leiterschleife induzierte Spannung proportional zu der !ndukticr.sfläche Aj. Da die Fläche A_k 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 U_Ao und dem Strömungsquerschnitt A. Ka ist eine Konstante.

U_Ao=K_A-(A_k-A)

(Gl. 1)

= K-v

Als Beispiel einer Anordnung zeigt Fig.3 die Längsansicht und Fig.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.

Die Magnetspulen 5Pl, SP2 und SPi bilden in diesem Beispiel zueinander je einen Winkel von 60°. Sie erzeugen ein magnetisches Drehfeld in dem geschlossenen oder offenen Kanal, der von der Flüssigkeit mit der Strömungsgeschwindigkeit ν durchflossen wird und der beispielsweise senkrecht zur Achse der Spule 5Pl angeordnet ist Im Beispiel sind Linienelektroden LE, die in den Flüssigkeitssumpf FS ragen, angenommen. An den Linienelektroden liegt die Differenz zweier Sinusspannungen Uvi und Uai bei linksdrehendem Magnetfeld bzw. die Summe zweier Sinusspannungen U_n und Um bei rechtsdrehendem Magnetfeld, wie in F i g. 6 angegeben. Die Amplituden der Sinusspannungen Uvi und LZ_n- sowie Uai und U_Ar sind bei genügend großer Frequenz der Umschaltung der Drehrichtung des Magnetfeldes gleich groß.

= U_111n = U₁

Λο

u_vro = u_vl0 = u_v,

(Gl. 3)
(Gl. 4)

Die Amplitude der zur Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Spannung ist U_m Die Amplitude der linear vom Strömungsquerschnitt abhängigen Spannung ist

F i g. 6a und 6b zeigen die zeitlichen Verläufe der x- und /-Komponenten (s. F i g. 3 und 4) des magnetischen Drehfeldes als Funktion der Zeit für rechtsdrehendes Magnetfeld. Hierbei eilt die Ar-Komponente B_xr der /-Komponente B_yr um 90° nach. F i g. 6f und 6g zeigen die zeitlichen Verläufe der x- und /-Komponenten des magnetischen Drehfeldes als Funktion der Zeit für linksdrehendes Magnetfeld. Hierbei eilt die jr-Komponente β,/der/-Komponente B_y/um 90° vor. F i g. 6c und

ίο 6h zeigen die Nutzspannungsanteile aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit für links und für rechtsdrehendes Magnetfeld. U, ist mit der jeweiligen y-Komponente des Magnetfeldes B_x in Phase.

Fig.6d und 6i zeigen den zeitlichen Verlauf des Nutzspannungsanteils Ua, dessen Amplitude linear vom Strömungsquerschnitt A abhängig ist. Die Spannung Ua 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 LA₇* Es ergibt sich als resultierende Nutzspannung t/_iMran den Elektroden der Verlauf in Fig.6e. Die Amplitude dieser Spannung erhält man zu:

Existiert neben den die Fläche A, durchsetzenden Magnetfeldkomponenten auch ein Magnetfeldanteil, der gleichzeitig senkrecht zur kürzesten Verbindung zwischen den Elektroden und der Strömungsrichtung P steht, so erhält man an den Elektroden neben der Spannung U_Ao zusätzlich eine Spannung Uy₀, die proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ν ist. K_v ist dabei eine Konstante.

u_gesro = υ_λ0 - u_m

(Gl. 5)

Entsprechend gewinnt man nach Umschalten der Magnetfelddrehrichtung F i g. 6j für linksdrehendes Magnetfeld. Die Nutzspannungen Ua und U_v sind in Phase. Es ergibt sich als resultierende Nutzspannung Ugesi. Die Amplitude Ugcsio läßt sich angeben zu:

U_Vi

(Gl. 2) (Gl. 6)

F i g. 5 zeigt das 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 Λ/Vist mit zwei elektronischen Speichern 5Vl und SV2 verbunden. 5 Vl speichert die Nutzspannungsamplitude Ugesm- SV2 speichert die Nutzspannungsamplitude Ugcsio. Die Steuerung ST sorgt für die intervallweise Umschaltung der Drehfeldrichtung des Magnetfeldes sowie für die Speicherimpulse. Die Speicherimpulse liegen derart in Phase mit der Meßspannung an den Meßelektroden, daß nur der in Gl.

5 und Gl. 6 gegebene Nutzspannungsanteil, der frei von Störspannungen ist, gespeichert wird. Die Nutzspannungsamplituden Ugcsmund L^ej/o werden subtrahiert Es ergibt sich mit Gl. 5 und GL 6:

^JgeslB

(Gl. 7)

Außerdem werden die Nutzspannungsamplituden und Ugcsio addiert Mit GL 5 und GL 6 erhält man

+ U₁

'tail)

(Gl. 8)

Setzt man Gl. 2 in GL 7 ein, so kommt man zu:

(Gl. 9)

Setzt man Gl. 1 in Gl. 7 ein, so erhält man:

-4 =c_A(U_gesro+ U_gesla)

(Gl. 10)

ermitteln. Ak ist eine Konstante, die durch den Aufbau gegeben ist. Mit dem Widerstand R 1 wird der Anteil Ka · Ak in Gl. 1 gebildet. Wird dieser von der Spannung Uao in Gl. 8 subtrahiert, so erhält man eine MeBspannung Ua, die direkt proportional zum Strömungsquerschnitt A ist. Diese Spannung Ua ergibt die Anzeige Aa für den Strömungsquerschnitt A.

Die resultierende Nutzspannung U_vo nach Gl. 7 bildet die Anzeige A_v für die Strömungsgeschwindigkeit. Multipliziert man die Spannungen Ua und U_vo im Multiplikator M miteinander, so ergibt sich die Anzeige Aq, da bekanntlich der Durchfluß (?aus

Die Strömungsgeschwindigkeit ν und der Strömungsquerschnitt A lassen sich also durch einfache Addition bzw. Subtraktion der beiden Nutzspannungen U_gesm und (Gl. 11)

berechnet wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur magnetisch induktiven Strömungsmessung in teilgefüUten offenen oder geschlossenen Kanälen oder Rohrleitungen, bei dem in verschiedenen Zeitabschnitten nacheinander das angelegte magnetische Wechselfeld eine Komponente in und senkrecht zur Strömungsrichtung aufweist, zur Bestimmung des Pegelstandes mittels der magnetischen Induktion in der von den Elektrodenzuleitungen und der Flüssigkeit gebildeten Leiterschleife, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenzuleitungen oberhalb des maximalen Pegelstandes zum Meßverstärker zusammengeführt sind und daß sich ein magnetisches Drehfeld derart zwischen den Elektroden dreht, daß in Abhängigkeit von der Zeit eine Komponente senkrecht zur Induktionsfläche (A) der Leiterschleife sowie eine Komponente senkrecht zur Strömungsrichtung vorhanden ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Punktelektroden (PE) verwendet werden und die Induktionsfläche (Ai) durch den Flüssigkeitsspiegel, die leitende Flüssigkeit zu den Punktelektroden (PE) und die an der inneren oder äußeren Begrenzung des Kanal- oder Rohrquerschnitts geführten Zuleitungen gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Linienelektroden verwendet werden und die Induktionsfläche (A) vom nicht benetzten Teil der Linienelektroden (LE), den Zuleitungen zum Meßverstärker (MV) und dem Flüssigkeitsspiegel leitend umschlossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßverstärkerzuleitungen von der Oberkante der Linienelektroden (LE) aus direkt entlang der oberen Begrenzung des Kanal- oder Rohrquerschnitts verlaufen.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linienelektroden (LE) nach unten in einen FlQssigkeitssumpf (FS) ragen.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Linienelektroden (LE) kleiner als die maximal mögliche Füllstandshöhe im Kanal- oder Rohrquerschnitt ist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung des magnetischen Drehfeldes intervallweise umgedreht wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß drei Spulen (SP1, SP2, SP3), die zueinander ein gleichseitiges Dreieck bilden, das magnetische Drehfeld erzeugen.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Spulen das magnetische Drehfeld erzeugen.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Spulen, die symmetrisch zum Kanal- oder Rohrquerschnitt angeordnet sind, das magnetische Drehfeld erzeugen.

H. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 oder 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensation von nicht erwünschten Spannungsanteilen in der Nutzspannung durch Gegenschalten einer elektrisch

erzeugten Spannung geschieht, wobei ein solcher unerwünschter Spannungsanteil beispielsweise die Spannung sein kann, die der Fläche (Ak) proportional ist

12. Verfahren nach Anspruch 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet daß die Spannungen, die bei Drehfeldrichtung rechts bzw. links an den Elektroden abgenommen werden können, intervallweise abgetastet und zwischengespeichert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß Spannungsanteile, die nicht mit der Nutzspannung und dem Strömungsquerschnitt in Phase sind, unterdrückt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet daß die Spannungen, die bei Drehfeldrichtung rechts bzw. links an den Elektroden abgenommen werden können, gleichgerichtet, integriert und intervallweise zwischengespeichert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Summenspannung aus der zwischengespeicherten Spannung (U_gCsm) für rechtsd.rehendes Magnetfeld und der zwischengespeicherten Spannung (U_gesio) für linksdrehendes Magnetfeld gebildet wird und eine Anzeige (Aa) für den Strömungsquerschnitt (4,) ergibt

16. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzspannung aus der zwischengespeicherten Spannung (U_gesh) für linksdrehendes Magnetfeld und der Zwischengespeicherten Spannung (U_gesm) für rechtsdrehendes Magnetfeld gebildet wird und eine Anzeige (A_v) für die Strömungsgeschwindigkeit vergibt.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzspannung aus der zwischengespeicherten Spannung (Ugesh) für linksdrehendes Magnetfeld und der zwischengespeicherten Spannung (U_gcsro) für rechtsdrehendes Magnetfeld mit der Summenspannung aus der zwischengespeicherten Spannung (U_geSro) für rechtsdrehendes Magnetfeld und der zwischengespeicherten Spannung (Ugesio) für linksdrehendes Magnetfeld multipliziert wird und die Anzeige (Aq) für den Durchfluß ergibt.