DE3006723A1

DE3006723A1 - Elektromagnetischer stroemungsmesser

Info

Publication number: DE3006723A1
Application number: DE19803006723
Authority: DE
Inventors: Roy F. Yardley Pa. Schmoock
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1979-09-12
Filing date: 1980-02-22
Publication date: 1981-04-02
Anticipated expiration: 2000-02-23
Also published as: DE3006723C2; CA1129673A; GB2059066B; AU5860380A; FR2465207B1; DE3006723C3; AU537899B2; JPS5696219A; US4253340A; GB2059066A; FR2465207A1

Description

Elektromagnetischer Strömungsmesser

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Strömungsmesser, der zwischen mit Flanschen versehene Enden eines in Strömungsrichtung vorderen und eines in Strömungsrichtung hinteren Rohres einsetzbar ist, welche ein strömendes Medium leiten, dessen Strömungsgeschwindigkeit zu messen ist, mit einer Überbrückung der mit Flanschen versehenen Enden durch Schrauben, welche zur Bildung einer StrÖmungsmediumdichtung eine Kompressionskraft ausüben .

Magnetische Strömungsmesser, wie sie beispielsweise in den US-PS'en 3 695 104, 3 824 856, 3 783 687 und 3 965 738 beschrieben sind, dienen insbesondere zur Messung der volumentrischen Strömungsgeschwindigkeiten von strömenden Medien, bei denen schwierige Handhabungsprobleme auftreten. Dabei kann es sich beispielsweise um korrosive Säuren, Abwasser und Schlamm handeln. Da das Instrument frei von Strömungshindernissen ist, ist eine Tendenz zum Verstopfen oder Verschmutzen nicht vorhanden. Der Strömungsmesser kann zur Messung von Flüssigkeiten ohne Berücksichtigung einer heterogenen Zusammensetzung verwendet werden.

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Ein weiterer Vorteil einer von Strömungshindernissen freien Konstruktion besteht darin, daß Druckverluste auf Werte gerechnet in äquivalenten Längen einer Rohrleitung gleichen Durchmessers reduziert werden, wodurch die Anforderungen an den Druck aufrechterhaltende Druckquellen in neuen oder vorhandenen hydraulischen Leitungen im Vergleich zu anderen Meßtechniken reduziert werden.

In einem magnetischen Strömungsmesser wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, dessen Flußlinien wechselweise auf der Längsachse des Strömungsrohres, durch das das zu messende Strömungsmedium geleitet wird, und auf der Querachse, längs der die Elektroden in bezug auf das Rohr an sich diametral gegenüberliegenden Stellen angeordnet sind, senkrecht stehen. Die Funktionsprinzipien basieren auf dem Faraday'sehen Induktionsgesetz, nach dem die Spannung, welche in einem unter e.inem rechten Winkel durch ein Magnetfeld bewegten Leiter induziert wird, proportional zur Geschwindigkeit des Leiters ist. Das zu messende strömende Medium stellt im Effekt eine Folge von Strömungsmedium-Leitern dar, welche sich durch das Magnetfeld bewegen. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, um so größer ist der Augenblickswert der an den Elektroden entstehenden Spannung.

Ein typischer kommerziell erhältlicher elektromagnetischer Strömungsmesser ist das von der Anmelderin hergestellte Modell, das unter der Typenbezeichnung 10D1430 in "Instruction Bulletin 10D143OAr1-Revision 4" beschrieben ist. Dieser Strömungsmesser besitzt einen Kohlenstoff-Stahl-Rohrkern mit Flanschen an beiden Enden, welcher als Meßinstrumentkörper dient. Auf entgegengesetzten Seiten der Innenfläche des Meterkörpers sind sattelförmige Magnetspulen angepaßt, wobei der magnetisch permeable Rohrkern einen Rückführungsweg für das durch diese Spulen erzeugte Magnetfeld bildet.

Die Spulen sind bei dieser Form des Meßinstrumentes in einer

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Verbindung auf Epoxid-Basis eingebettet. Eine innere Auskleidung aus Neopren oder einem entsprechenden isolierenden Material ist in das Rohr eingesetzt und gegen die Stirnflächen des Montageflansches herausgedreht. An sich diametral gegenüberliegenden Stellen im zentralen Bereich des Meßinstrumentkörpers sind zwei zylindrische Elektroden vorgesehen, welche vom Rohr isoliert sind, wobei die Stirnflächen der Elektroden mit der Innenfläche des Rohres bündig abschließen und mit dem zu messenden strömenden Medium in Kontakt kommen. An diese Elektroden sind Eichkomponenten und ein Vorverstärker angeschlossen, welche sich in einem Gehäuse außerhalb des Rohres befinden.

Bei der Installation eines magnetischen Standard-Strömungsmessers der oben beschriebenen Art ist dieser zwischen ein in Strömungsrichtung vorderes und ein in Strömungsrichtung hinteres Rohr einer Strömungsleitung eingesetzt, wobei jedes Rohr einen Endflansch besitzt. Die Montageflansche des Meßinstrumentes sind an die Flansche der Leitungsrohre angeschraubt. Es ist dabei natürlich wichtig, daß der Umfang der Schraubenlöcher in den Montageflanschen des Meßinstrumentes genau an den Umfang der Schraubenlöcher in den Rohrflanschen angepaßt ist.

In einem magnetischen Strömungsmesser wirkt auf das Strömungsrohr der gleiche Strömungsmediumdruck wie auf die Leitungsrohre. Das Strömungsrohr muß daher aus einem solchen Material hergestellt sein und eine solche Dicke besitzen, damit es diesen Druck aushalten kann, auch wenn die Stärke des Strömungsrohres nicht an die Meßfunktion angepaßt ist. Dieser Auslegungsfaktor trägt wesentlich zu den Kosten eines Standardmeßinstrumentes bei. Existierende Meßinstrumente der vorbeschriebenen Art, welche aus zusammenzubauenden Komponenten hergestellt sind, besitzen eine beträchtliche Größe und ein beträchtliches Gewicht und sind in der Herstellung teuer.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sehr kompakten und effizienten elektromagnetischen Strömungsmesser anzugeben, welcher mit geringem Aufwand herstellbar und leicht in eine Rohrleitung einbaubar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem elektromagnetischen Strömungsmesser der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

einen mit Endflanschen versehenen, eine Strömungsleitung bildenden nicht-magnetischen Metallkern mit einer so ausreichenden Festigkeit, daß er dem Druck des strömenden Mediums und der Kompressionskraft widerstehen kann, ein isolierendes Futter für den Kern, ein den Kern konzentrisch umgebendes zylindrisches Gehäuse aus ferromagnetisehern Material mit wenigstens zwei einstückig an ihm ausgebildeten Magnetkernen aus dem gleichen Material, welche an sich diametral gegenüberliegenden Stellen auf einer zur Längsachse des Kerns senkrechten und diese schneidenden Achse liegen, wobei das Gehäuse zur Bildung einer Innenkammer zwischen sich und dem Kern mit den Flanschen des Kerns zusammenpassend ausgebildet ist, und ein Paar von Elektroden, welche auf dem Kern an sich diametral gegenüberliegenden Stellen auf einer sowohl zur Strömungsachse als auch zur Kernachse senkrechten Achse vorgesehen sind.

Bei dem vorstehend definierten erfindungsgemäßen elektromagnetischen Strömungsmesser wirkt der zentrale Metallkern hoher mechanischer Festigkeit als Strömungsleitung und stellt weiterhin sicher, daß das Instrument sowohl hohen Kompressionskräften als auch einem hohen Strömungsmediumdruck widerstehen kann.

Das den Metallkern umgebende ferromagnetische Gehäuse dient als einstückige Form zum Ausgießen der zwischen dem Kern und

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dem Gehäuse gebildeten Innenkammer sowie zur Einkapselung der in ihm enthaltenen Komponenten und bildet eine Einrichtung, durch welche die verschiedenen Komponenten des Instrumentes in ihrer Lage gehalten werden. Darüber hinaus dient es als Magnetfluß-Rückführungsweg für die am Instrument vorgesehenen Elektromagneten.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist weiterhin darin zu sehen, daß das Gehäuse als wetterfeste Hülle für das Meßinstrument und als Träger für eine zum Meßinstrument gehörende Wandleranordnung dient.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse geteilt ausgebildet, wodurch der Zusammenbau der das Meßinstrument bildenden Komponenten wesentlich vereinfacht wird.

Das Gehäuse ist dabei insbesondere in Form von komplementären Halbstücken geteilt ausgebildet, welche aneinander befestigte Randflächen aufweisen. Endflächen des Gehäuses sind mit entsprechenden Enden des Kerns zur Bildung der Innenkammer verbunden. Diese Innenkammer ist zur Einkapselung der Elektromagneten und der Elektroden mit einer Gußmasse gefüllt, wobei das Gehäuse für diesen Zweck als Form dient.

Weitere spzielle Merkmale des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Strömungsmessers;

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Fig. 2 einen Längsschnitt des Meßinstrumentaufbaus; und

Fig. 3 einen Aufriß des in eine Strömungsleitung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eingebauten Meßinstrumentes.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Strömungsmesser ohne Flansche mit einem nicht-magnetischen Metallkern 10 hoher Festigkeit, der vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist und Endflansche 10A und 10B aufweist. Der Kern 10 dient nach Einbringung eines Futters 11 als Strömungsmediumleitung für das Meßinstrument und besitzt den gleichen oder einen kleineren Innendurchmesser als der von benachbarten Rohren.

Weiterhin sind am Kern Verstärkungsrippen 1OR vorgesehen, da er nicht nur den· Druck des zu messenen strömenden Mediums sondern auch eine auf ihn wirkende Kompressionskraft aushalten muß. Diese Kraft wird durch Schrauben hervorgerufen, welche die Flansche eines in Strömungsrichtung vorderen und eines in Strömungsrichtung hinteren Rohres überbrücken, zwischen welche der Strömungsmesser eingesetzt ist.

Der Kern 10 umgibt das rohrförmige Futter 11 aus synthetischem Kunststoff mit Endflanschen 11A und 11B, welche über den Endflanschen des Kerns liegen. Das Futter wird vorzugsweise durch Spritzguß aus einem Material, wie beispielsweise Kynar hergestellt. Es besitzt sich diametral gegenüberliegende Buchsen S1 und S2 zur Aufnahme von Metallelektroden des Meßinstruments. Diese Elektroden liegen auf einer Achse X, welche senkrecht auf einer Strömungslängsachse Z steht.

Der mit dem Futter versehene Metallkern 10 ist konzentrisch von einem geteilten zylindrischen Gehäuse umgeben, das durch komplementäre Halbstücke 12u und 121 gebildet wird, deren Längsseiten mit Flanschen 13 und 14 versehen sind. Diese

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Flansche sind miteinander verschweißt, verschraubt oder auf andere Weise miteinander verbunden, um das Gehäuse zu vervollständigen. Das Gehäuse 12u, 121 ist aus gegossenem Stahl oder einem anderen "weichen" ferromagnetischen Material hergestellt.

An den Gehäusestücken sind einstückig zwei Magnetkerne 15 und 16 aus dem gleichen Material, also beispielsweise aus gegossenem Stahl vorgesehen. Diese Kerne liegen sich diametral gegenüber und in einer Achse Y, welche senkrecht auf der Achse Z steht. Weiterhin verläuft die Achse Y unter einem rechten Winkel zur Elektrodenachse X, so daß die Achsen wechselseitig aufeinander senkrecht stehen. Die freien Enden der Kerne 15 und 16 sind fest in kreisförmige Ausnehmungen im Kern 10 eingepaßt, wodurch der Kern exakt in seiner Lage relativ zu den Gehäuseteilen gehalten wird.

Die Kerne 15 und 16 sind von Spulenwicklungen 17 und 18 umgeben. Diese Wicklungen sind lediglich schematisch dargestellt. In der Praxis sind sie jedoch vorgeformt, so daß sie zur Bildung von Elektromagneten über die Kerne geschoben werden können. Die Elektromagneten erzeugen bei Erregung ein elektromagnetisches Feld, dessen Flußlinien rechtwinklig zur Strömungsrichtung des strömenden Mediums verlaufen, so daß das durch den Kern strömende Medium dieses Feld schneidet und eine Spannung erzeugt wird, welche von den Elektroden aufgenommen wird, um ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit ist. Leitungen für die Elektroden und für die Elektromagneten sind durch Bohrungen 19 und 20 im oberen Gehäusestück 12u zu einer zugehörigen Wandleranordnung herausgeführt.

Die anderen Enden des geteilten Gehäuses sind mit ringförmigen Verschlußkappen 21 und 22 versehen, deren Innenumfang an den Außenumfang der Endflansche 10A und 10B des Kerns ange-

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paßt ist, um im Raum zwischen dem Kern und dem Gehäuse eine Innenkammer zu bilden.

Am oberen Gehäusestück 12u ist einstückig aus dem gleichen Material hergestellte äußere Plattform 23 für ein Konvertergehäuse 24 (siehe Fig. 3) vorgesehen. In diesem Gehäuse befinden sich eine elektronische Ansteuerschaltung zur Erregung des Elektromagneten, Schaltungen zur Verarbeitung des von den Elektroden abgenommenen Signals sowie alle anderen normalerweise zu einem elektromagnetischen Strömungsmesser gehörenden Schaltungen, welche primär dazu dienen, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das zu einer entfernt liegenden Station geleitet wird, um die gemessene Strömungsgeschwindigkeit anzuzeigen und aufzuzeichnen und Prozeßregelvorgänge durchzuführen.

Da der mit einem Futter versehene Kern 10 zwischen den Kernen 15 und 16 sitzt und da die Elektroden des Meßinstrumentes in Buchsen S1 und S2 sitzen, während die Wicklungen 17 und von den Magnetkernen zwischen dem Gehäuse und dem Kern gehalten werden, befinden sich alle Teile des Meßinstrumentes nach seinem Zusammenbau in der Innenkammer in ihrer richtigen Lage. Es ist somit möglich, durch die Löcher 19 und 20 im Gehäuse eine fließende Vergußverbindung aus Epoxid oder einem anderen isolierenden Material in die Innenkammer auszubringen, wodurch nach dem Aushärten dieser Verbindung eine geschützte und feuchtigkeitsfreie Vorrichtung entsteht, welche für eine unbeschränkte Dauer zuverlässig und wirksam arbeitet.

Das geteilte Gehäuse wirkt daher nicht nur als mechanische Halterung für die Wandleranordnung, sondern auch als Magnetfluß-Rückführungsweg für die Elektromagneten. Darüber hinaus bildet es eine Einrichtung, welche die verschiedenen"Unterkomponenten, wie Kerne, Leitungen und magnetische Teile in ihrer Lage hält. Das Gehäuse bildet nicht nur eine wetter-

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feste Hülle für das Meßinstrument, sondern dient auch als Form für das Vergießen der Innenkammer.

In der Praxis kann der Strömungsmesser mit Schraubenlöchern H1 , H2, H3 und H4 in quadratischer Anordnung versehen sein, welche gemäß Fig. 3 entsprechende Schrauben B1, B2, usw. aufnehmen, welche den Endflansch eines in Strömungsrichtung vorderen Rohres 25 und eines in Strömungsrichtung hinteren Rohres 26 überbrücken, zwischen denen der Strömungsmesser eingebaut ist. In der Praxis können zwischen den Enden des Strömungsmessers und den Flanschen Dichtungsmanschetten vorgesehen sein.

Um eine gute Stromungsmediumdichtung zu gewährleisten, ist der Strömungsmesser durch das durch die Schrauben ausgeübte Drehmoment einer großen Kompressionskraft unterworfen. Aufgrund der hohen Festigkeit des Metallkerns kann der Strömungsmesser diese Kraft jedoch aushalten. In einem sehr kleinen Strömungsmesser kann es bevorzugt sein, daß die die Flansche überbrückenden Schrauben den Strömungsmesser umgeben und einkapseln und nicht durch Bohrungen im Strömungsmesser verlaufen.

Im Rahmen der Erfindung sind Abweichungen vom vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich. Anstelle von zwei einstückig mit dem Gehäuse ausgebildeten Magnetkernen kann beispielsweise jeder Kern geteilt sein, um ein Paar von Kernabschnitten zu bilden. Anstelle eines Gehäuses mit Endplatten, welche an die Flansche des Kerns angepaßt sind, kann bei bestimmten Meßinstrument-Größen, speziell bei sehr großen Abmessungen mit Schrauben außerhalb des Gehäuses die Anordnung so getroffen werden, daß der zylindrische Teil des Gehäuses direkt mit den Spulenflanschen verbunden ist, um eine Innenkammer zu bilden. Anstelle eines geteilten Gehäuses mit Randflanschen können die Flansche auch durch eine Nahtschweißung ersetzt werden.

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Die im Meßinstrument verwendeten Elektroden können konventionelle bespülte Elektroden mit kleinem Durchmesser oder mit großer Oberfläche sein. Andererseits können auch großflächige isolierte Elektroden mit oder ohne Abschirmung verwendet werden. Anstelle der dargestellten Elektromagnete mit ferromagnetischen Kernen können in bestimmten Ausführungsformen des Meßinstrumentes auch kernlose Elektromagnete verwendet werden.

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Leerseite

Claims

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Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska Ί^ΐ/^'/ϋΗ/ρρ cM

DXEIIH 8000 MÜNCHEN 86, DEN j ' -\ ;,/

POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Fischer & Porter Company

Warminster, Pennsylvania, V.St.A.

Elektromagnetischer Strömungsmesser

Patentansprüche

ii 1. !Elektromagnetischer Strömungsmesser, der zwischen mit Flan- ^-—S sehen versehene Enden eines in Strömungsrichtung vorderen und eines in Strömungsrichtung hinteren Rohres einsetzbar ist, welche ein strömendes Medium leiten, dessen Strömungsgeschwindigkeit zu messen ist, mit einer überbrückung der mit Flanschen versehenen Enden durch Schrauben, welche zur Bildung einer Strömungsmediumdichtung eine Kompressionskraft ausüben, gekennzeichnet durch

einen mit Endflanschen (10A, 10B) versehenen, eine Strömungsleitung bildenden nicht-magnetischen Metallkern (10) mit einer so ausreichenden Festigkeit, daß er dem Druck des strömenden Mediums und der Kompressionskraft widerstehen kann, durch ein isolierendes Futter (11) für den Kern (10), durch ein den Kern (10) konzentrisch umgebendes zylindrisches Gehäuse (12u, 121) aus ferromagnetischem Material mit wenigstens zwei einstückig an ihm ausgebildeten Magnetkernen (15, 16) aus dem gleichen Material, welche an sich diametral gegenüberliegenden Stellen auf einer zur Längsachse des Kerns (10) senkrechten und diese schneidenden Achse liegen, wobei das Gehäuse (12u, 121) zur Bildung einer Innenkammer zwischen

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sich und dem Kern (10) mit den Flanschen (1OA, 10B) des Kerns (10) zusammenpassend ausgebildet ist, durch die Magnetkerne (15, 16) umgebende Wicklungen (17, 18) zur Bildung eines Paars von Elektromagneten und durch ein Paar von Elektroden, welche auf dem Kern (10) an sich diametral gegenüberliegenden Stellen auf einer sowohl zur Strömungsachse als auch zur Kernachse senkrechten Achse vorgesehen sind.
2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Futter (11) in Spritzguß aus Kunststoff hergestellt ist und Endflansche (11A, 11B) aufweist, welche über den Endflanschen (10A, 10B) des Kerns (10) liegen.
3. Strömungsmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Futter (10) Buchsen (SI, S2) zur Aufnahme und Isolierung der Elektroden aufweist.
4. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer zur Einkapselung der Elektroden und der Elektromagneten mit einer Vergußmasse gefüllt ist.
5. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (10) aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.
6. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (10) aus gegossenem rostfreiem Stahl hergestellt ist.
7. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Kerne (15, 16) zur Flußfokussierung, Minimalisierung des magnetischen Widerstandes des Flußweges sowie zur Halterung des Kerns (10) im Gehäuse (12u, 121) in Ausnehmungen im Kern (10) sitzen.

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8. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12u, 121) in Form von
komplementären Halbstücken geteilt ausgebildet ist.
9. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbstücke (12u, 121) aneinander befestigte Randflächen aufweisen.
10. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Halbstück (12u) eine Plattform (23) zur Halterung einer Wandleranordnung (24) vorgesehen ist.
11. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch longitudinal verlaufende Bohrungen (H1, H2, H3, H4) zur Aufnahme der Schrauben (beispielsweise B1, B2)

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Patentanwälte

Dipl.-Inc. H:3&Yico£Atjn,-D:e:l.-:Phys. Dr. K. Fincke

DiPL.-Ing'.T. Ä.'WEiCKM"ANNrDii⁾I"-CHEM. B. HUBER

Dr. Ing. H. Liska

-DXIIIH P 30 06 723.3 Fischer & Porter Company

9. Juni

8000 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820 MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Patentanspruch 12

Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet , daß die mit
Flanschen versehenen Enden der Rohre (25, 26) als
ringförmige Flansche ausgebildet sind, die jeweils eine gleiche Folge von Löchern aufweisen, welche auf einem,
zur Strömungsleitung im Metallkern (10) konzentrischen Kreis liegen, daß die longitudinal verlaufenden Bohrungen (H1 bis H4) in der die Kammer füllenden Vergußmasse in Kammerlängsrichtung verlaufend an Stellen vorgesehen sind, welche von den Stellen der durch die Vergußmasse eingekapselten Elektromagneten (15-18) und Elektroden
verschieden sind, und daß die Bohrungen (H1 bis H4)
zu den Flanschlöchern ausgerichtet sind, um die zur Einklemmung des Strömungsmessers zwischen die Rohrflansche dienenden Schrauben (beispielsweise B1, B2) aufzunehmen.

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