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Induktiver Abflußmesser.
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Die Erfindung betrifft einen induktiven Abflußmesser für offene Gerinne
oder teilgefiillte Rohre, mit einer in dem durchstrdmten Querschnitt ein Magnetfeld
erzeugenden Magnetanordnung und mit einer Elektrodenanordnung aus mindestens zwei
von derströmenden Flüssigkeit bedeckten E1 ektroden.
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Bei einem bekannten induktiven Abflußmesser dieser Art (DT-OS 25 25
387) ist an den Seitenwänden eines oben offenen Gerinnes eine Magnetanordnung aus
zwei Magneten angebracht, die ein Magnetfeld erzeugen, das diagonal durch die Querschnittsfläche
des Gerinnes hindurchgeht. Die Partikel der strömenden Flüssigkeit, die sich quer
durch dieses Magnetfeld hindurchbewegen, erzeugen, da es sich um bewegte Ladungsträger
handelt, ein elektris sches Feld. Dies führt dazu, daß an Elektroden, die an den
beiden Seitenlränden des Gerinnes angebracht sind, eine Spannung entsteht. Die Größe
dieser Spannung gibt bei einem konstanten Magnetfeld Aufschluß Uber die Strömungsmenge.
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Bei dem bekannten Durchflußmesser ist in einer Seitenwand des Gerinnes
eine Elektrode untergebracht, während in der gegentiberliegenden Seitenwand mehrere
Elektroden übereinander untergebracht sind. In Abhängigkeit von der Höhe des Flüssigkeitsstandes
wird über einen Auswahlschalter stets diejenige Elektrode wirksam gemacht, die die
oberste eingetauchte
Elektrode bildet. Die Elektroden messen daher
die elektrische Feldstärke, heispielsweise zwischen einem Punkt in der unteren rechten
Ecke des Gerinnequerschnittes und einem Punkt in der Nähe der linken oberen Ecke.
Die beiden Elektromagnete, die das Magnetfeld erzeugen. sind dagegen in der rechten
oberen Ecke und in der unteren linken Ecke angeordnet. Auf diese Weise wird eine
elektrische Feldstärke gemessen, die etwa rechtwinklig zu dem erzeugten Magnetfeld
verläuft.
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Es ist daher möglich, ausschließlich mit eingetauchten Elektroden
zu arbeit. ohne die oberste Elektrode stets mit dem sich verändernden Pegelstand
mitführen zu müssen.
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Ferner ist es bei Rohren mit geschlossenem Querschnitt bekannt, die
Magnetanordnung einer Strömungsmeßeinrichtung so auszubilden, daß an jeder Stelle
des Strömungsquerschnitts das Produkt aus (magnetischer) Feldkomponente und Wertigkeit
annähernd gleich ist. Die Wertigkeit ist eine zahl, dies angibt, welchen Einfluß
ein bewegtes Teilchen an einer bestimmten Stelle des Strömungsquerschnitts auf die
an den Elektroden entstehende elektrische Spannung hat. Figur einen bestimmten Strömungsquerschnitt
und eine vorgegebene Elektrodenanordnung an diesem Querschnitt kann man die Wertigkeitsverteilung
über die Querschnittsfläche angeben. Die Wertigkeit ist beispielsweise in der Nähe
der Elektroden groß, und sie ist auch aut der rerbindungslinie zwischen den beiden
Elektroden relativ groß,.
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Zur Mitte der Querschnittsfläche hin nimmt die Wertigkeit ab, und
sie nimmt ferner auf der durch den Querschnittsmittelpunkt hindurchgehenden Normalen
zur Elektroden-Verbindungslinie mit zunehmendem Abstand von der Verbindung ab. Bei
dem bekannten Durchflußmesser für geschlossene Hohrquerschnitte ist die Magnetanordnung
so ausgebildet,
daß sie ein Magnetfeld mit einer solchen Form erzeugt,
daß an jeder Stelle der Querschnittsfläche das Produkt aus Wertigkeit und Feldstärke
eine Konstante ergibt, d.h. eine zahl, die an allen Stellen der Querschnittsfläche
etwa gleich ist. Auf diese Weise weraen von aem Durchflußmesser Strömungsprofile
von ungleichmäßiger Form erkannt, weil der Heitrag aller Punkte aer Querschnittsfläche
zum Meßergebnis aerselbe ist. Wenn in der rechten Rohrnälfte oie Strömung schneller
Fließt als in der linken Rohrhälfte, so zeigt aer Durchrlußmesser dennoch die richtige
Strömungsmenge (pro Zeiteinheit) an.
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Bei offenen Re chteckgerinnen bereitet es Schwierigkeiten, diesen
Iaealzustand, bei dem das Produkt aus Wertigkeit und magnetischer Feldstärke an
allen Punkten der Strömungsfläche konstant ist, zu realisieren, weil die Wertigkeitsverteilung
vom Flüssigkeitsstand abhängt. Die Abhängigkeit der Wertigkeit W vom Wasserstand
H in offenen Gerinnen ist bereits Gegenstand einer eingehenden Untersuchung gewesen
("Magnetische Abflußmessung in ofrenen Rechteckgerinnen", Rolif und Starke (ATM)
Archiv rUr Technisches Messen, Bl. V, 1255-1 (Mai 197)), S. b1 - 84).
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen induktiven Ablußmesser für offene
rinne oder teilgefüllte Rohre zu schaffen. bei dem das Magnetfeld in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Fltissigkeitsstand in der Weise verändert wird, daU bei jedem
Flüssigkeitsstand das Produkt aus Wertigkeit und Feldstärke an allen Punkten der
Querschnittsfiäche im wesentlichen konstant ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist errindungsgemäß vorgesehen, da die blagnetanordnung
aus mindestens drei Elektromagneten besteht, und daß die Stromstärken der ErregUrströme
von mindestens zwei Elektromagneten in Abhängigkeib vun uem jeweiligen Flussigkeibsstand
von einer Regelschaltung in der Weise verändert werden, daß ffir jeden Flüssigkeitsstand
an allen Stellen des durchströmten Querschnitts das Produkt aus magnetischer Feldstärke
und Wertigkeit annähern knnstant ist, wobei die Wertigkeit den Einfluß angibt, den
ein in dem Magnetfeld bewegtes Teilchen auf die Spannung an den Elektroden hat.
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Durch mehrere Elektromagnete, die verteilt an dem Gerinne angeordnet
sind, wird in Abhängigkeit vom Pegelstand das Gesamt-Magnetfeld verändert, so daß
die Form des Magnete feldes sich stets auf die betreffende Wertigkeit einstellt.
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Eine 1Jmstellung auf eine andere Wertigkeitsverteilung ist insbesondere
dann erforderlich, wenn eine Umschaltung zwizehen verschiedenen Elektroden erfolgt.
Aber auch bei demselben Elektrodenpaar ändert sich die Wertigkeitsverteilung mit
dem Fliissigkeitsstand. Die einzelnen Elektromagnete miissen so aufeinander abgestimmt
werden und ihre Stromstärken müssen in Abhängigkeit vom Pegelstand so eingestellt
werden, daß sich die gewUnschten Verhältnisse ergeben. Wie die anteilsmäßigen Beiträge
der einzelnen Elektromagneten zu dem gesamten Magnetfeld verändert werden miissen.
hängt von der Querschnittsform des Kanales oder Rohres und außerdem von der Anordnung
bzw. dem Wechsel der wirksamen Elektroden ab. Eine allgemeine Regel kann für diese
Anderungen nicht angegeben werden. Im Einzelfall sind variable elektrische Widerstandselemente
in die Leitungen der Elektromagnete geschaltet, um einen
Abgleich
zu ermöglichen. Damit kann die gegenseitige Relation der Erregerströme verändert
werden. Die absolute Höhe der Erregerströme wird durch eine Pegelstands-Meßeinrichtung
verändert.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Elektromagnete
zueinander parallel und mit einem dritten Elektromagneten in Reihe geschaltet,und
in die Stromleitung mindestens eines der parallel geschalteten Elektromagneten ist
ein erstes regelbares Widerstandselement geschaltet. Die Elektromagnete sind so
gepolt, daß das Magnetfeld von einem der Magnete zu den beiden anderen Magneten
gerichtet ist, wobei der Magnetfeldanteil jedes der beiden anderen Magnete. verändert
werden kann.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Figur 1 zeigt schematisch eine Querschnittsdarstellung eines von Flüssigkeit
durchströmten Gerinnes mit einem induktiven Abflußmesser, sowie ein Prinzipschaltbild
der Meßeinrichtung, und Figuren 2.und 3 zeigen Beispiele für die Vlertigkeitsverteilungen
bei-verschiedenen Flüssigkeitsständen und bei verschiedenen Elektroden zur Ermittlung
der Meßspannung.
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In Fig. 1 ist ein oben offenes Gerinne 10 im Querschnitt dargestellt,
in welchem eine FlUssigkeit fließt. In der Flüssigkeit wird durch Elektromagnete
11, 12, 13 ein Magnetfeld B erzeugt, das schräg bzw. diagonal durch die Querschnittsfläche
der Flüssigkeit hindurchgeht. Am unteren Ende der rechten Seitenwand 14 befindet
sich eine erste Elektrode E1, die mit der Flüssigkeit in Berührung steht und an
eine Leitung angeschlossen ist. In der ge-
genilber angeordneten
linken Seitenwand sind übereinander vier Elektroden E2, E7, E4 und E5 angeordnet.
Auch diese Elektroden stehen bei entsprechendem Flüssigkeitsstand mit der Fliissigkeit
in Verbindung.
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Durch die Strömung der Flüssigkeit im Magnetfeld B wird zwischen den
jeweiligen ELektroden E1 und E2 bis E5 eine Snannung erzeugt. Diese Spannungskomponente
ist um so größer, je mehr der Winkel zwischen der Verbindungslinie der wirksamen
Elektroden und den Feldlinien des Feldes B einem rechten Winkel angenähert ist.
Von den Elektroden E2 bis E5 ist jeweils die oberste Elektrode wirksam, die noch
von Flüssigkeit bedeckt ist. Diese Elektrode ist, gemeinsam mit der Elektrode E1,an
die Auswerteschaltung angeschlossen, Die Auswahl der jeweils wirksamen Elektrode
E2 bis E5 erfolgt durch ein Ultraschallmeßgerät 15, das oberhalb des freien Spiegels
der Flüssigkeit angeordnet ist.
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Dieses Ultraschallmeßgerät mißt die Pegelhöhe und gibt eine entsprechendes
Signal an den Meßwertumformer 16 ab.
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Die Steuerung des Einschaltens der Elektroden E2 bis E5 und die Umrechnung
der Meßspannung in Abhängigkeit von dem jeweiligen Elektroden-Einschaltzustand ist
Gegenstand der DT-OS 25 25 387 und wird hier nicht näher erläutert.
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Von den Elektromågneten 11, 12 und 15, die das Magnetfeld B erzeugen,
ist der Elektromagnet 11 am oberen Ende der rechten Ssitenlsand 14 angeordnet. Von
diesem Magneten ist beispielsweise der Nordpol dem Gerinne zugewandt.
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Dagegen ist von den Magneten 12 und 15 jeweils der Südpol dem Gerinne
zugewandt. Der Magnet 12 ist unter der Bodenwand 17 in der Nähe der linken unteren
Ecke des Gerinnes angeordnet, während der Magnet 13 parallel zur linken Seitenwand,
ebenfalls an der linken unteren Ecke, angeordnet ist. Die vom Magneten 11 ausgehenden
Feldlinien des Feldes B verteilen sich auf die beiden Magnete 12 und 13, wobei der
Anteil der fs'eldlinien, der auf jeden der beiden Magnete 12 und 13 entfällt, von
der Größe des jeweiligen Erregerstromes abhängt.
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Des eine Ende der Erregerwicklung des Magneten 11 ist mit dem Pluspol
18 einer Gleichstromquelle verbunden. Das andere Ende der Erregerwicklung des Magneten
11 ist über eine Leitung 19 an die beiden ersten Enden 20 und 21 der Magnete 12
und 15 angeschlossen. Das zweite Ende der Erregerwicklung des Magneten 15 ist über
eine Leitung 22, in der der Strom i5 fließt, mit dem Anschlußpunkt 23 verbunden.
Das zweite Ende der Erregerwicklung des Magneten 12 ist über die Leitung 24, den
Transitor 25 und den Widerstand 26 ebenfalls mit dem Anschlußpunkt 23 verbunden.
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Durch diese Schaltungsart sind die beiden Elektromagneten 12, 13 zueinander
parallel geschaltet und sie liegen mit dem ersten Elektromagneten 11 in Reihe an
dem Pluspol 18.
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In Reihe mit dem zweiten Elektromagneten 12 liegt ferner der Transistor
25 und der Widerstand 26. Der Erregerstrom des zweiten Magneten 12 ist mit 12 bezeichnet.
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An den Anschlußpunkt 25-ist ein mit einem Transistor 28 in Reihe liegender
Widerstand 27 angeschlossen. Der Emitter des Iransistors 28 liegt schließlich an
der Minusklemme 29 der Stromversorgung. Der zur Minusklemme a9 fließende Ge-
samtstrom
iG setzt sich aus der Summe der beiden Erregerströme i2 und i3 zusammen.
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Die Transitoren 25 und 28 bilden jeweils impedanzen mit veränderbarem
Widerstandswert. Die basis des Transistors 25 ist über einen regelbaren Thermistor
30 mit dem Anschlußpunkt 23 una mit einem negativen Spannungspotential 31 verbunden,
Die basis des Transistors -E8 ist mit aem Ausgang eines Verstärkers 32 verbunaen,
aessen eingang an einem zweiten regelbaren Thermistor 33 angeschlossen ist, der
ebenfalls mit dem negativen Potential 51 verbunden ist. 30 und Bni den Thermistoren/33
handelt es sich um Bauteile mit negativem Wiåerstanas-Temperaturkoeffizienten. Dies
bedeutet, daß der Widerstandswert der Thermistoren 30 und 33 mit zunehmender Temperatur
geringer wird. Der Verlauf der Widerstands/Temperatur-Charakteristik ist nicht-linear
und folgt einer Exponentialkurve.
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Jeder der tlhermistoren 30 una 3) ist thermisch mit einem Heizelement
34 bzw. 35 gekoppelt. Die beiden Heizelemente 34 und 35 sind in Reihe geschaltet
und werden von dem Ausgangsstrom ih aes Meßumformers lb durchtlossen. Außerdem ist
in dem Stromkreis noch ein Strommeßgerät 36 mit einem Meßbereich von 0 bis 20 mA
geschaltet.
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Der Thermistor 30 überbrückt die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors
25 und den Kollektorwiderstand 26, während der Thermistor 33 den Verstärker 32,
die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors 28 und den Kollektorwiderstand 27 überbrückt.
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Der Strom in. der der in den Hpizelementen 54 und 35 fließ,
ist
umso größer, je höher aer Flüssigkeisstang in dem uerinne 10 ist. naher weruen die
Thermistoren )0 unu 33 mit größer werdendem Flüssigkeitsstand stärker erwärmt und
ihre Widerstandswerte verringern sich. Der Transistor 25 wird daher zunehmend niederohmiger
wänrena der Transistor 28 zunehmend hocU1fl1iLr' wird. Dies hat zur Folge, daß das
gegenseitige =,reriältnis der Erregerströme i2 und i3 sich ändert. Auf diese Weise
kann das Magnetfeld B unterschiedlich stark in Richtung auf den zweiten Magneten
12 oder den dritten Magneten 13 abgebogen werden.
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Das Gerät muß bei seiner Herstellung durch entsprechende Einstellung
der Thermistoren 30 und 33 abgeglichen werden.
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Dies heißt, daß die Einstellung dieser Thermistoren so erfolgt, daß
bei unterschiedlichen Pegelhöhen jeweils das Produkt aus Wertigkeit und Feldstärke
für alle Punkte der Querschnittsfläche im wesentlichen konstant ist. Ob dieser Zustand
eingetreten ist, kann dadurch festgestellt werden, daß beispielsweise ein Ableitblech
in das Gerinne eingesetzt wird. das ein ungleichmäßiges Strömungsprofil erzeugt,
ohne jedoch die Strömungsmenge zu verändern. In diesem Fall Spannung muß mit und
ohne Leitblech die/zwischen der Elektrode E1 und der jeweils eingeschalteten Elektrode
E2 bis E konstant bleiben.
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In den Fig. 2 und 3 sind die Wertigkeitsverteilungen bei verschiedenen
Pegelhöhen für verschiedene Elektrodenpaare dargestellt. In Fig. 2 ist die Wertigkeitsverteilung
für den Fall abgebildet, daß die Elektroden E1 und E2 wirksam sind. Die eingezeichneten
Linien stellen jeweils Linien gleicher Wertigkeit dar. Figur 2 zeigt die Wertigkeitsverteilung
für eine Messung zwischen den Elektroden E1 und E4 bei erhöhtem Flüssigkeitsstand.
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Die dargestellte Schaltung ist imstande, den dargestellten unterschiedlichen
Wertigkeitsverteilungen die veldstarkeverteilung selbsttätig in Abhängigkeit von
dem Pegelstand und den jeweils wirksamen Elektroden so vorzunehmen. daß die oben
genannte Bedingung, daß das Produkt aus Wertigkeit und Feldstärke an jedem Punkt
des Querschnitts konstant ist, mit guter Genauigkeit eingehalten werden kann.
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