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Magnetisch-induktive Meßsonde
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Die Erfindung betrifft eine Magnetisch-induktive Meßsonde zum Mes
sen der Strömungsgeschwindigkeit elektrisch leitfähiger, strömen der Medien mit
einem metallischen Kern mit einer auf diesen aufgewickelten, an eine Spannungsquelle
anschließbaren Wicklung zum Er zeugen eines durch das strömende Medium durchtretenden
elektromagnetischen Feldes, mit zwei im Bereich dieses Feldes unter gegen seitigem
Abstand in das strömende Medium eintauchenden Elektroden und mit einer an diese
angeschlossenen elektronischen Meßeinrichtung Auf vielen Gebieten der Technik besteht
die Aufgabe, die Geschwindigkeit von in Rohren oder offenen Kanälen strömenden Flüssigkei
ten zu messen. Flüssigkeiten haben im allgemeinen immer eine gen wisse elektrische
Leitfähigkeit. Dies gilt insbesondere L0- Abwässer, basische und saure Laugen und
einen großen Teil anderer Flüs sigkeiten, wie sie in der chemischen Industrie von
einer Anlage oder einem Ort zu einer anderen strömen. Zum Messen der Strömuiigs
geschwindigkeit von solchen eine elektrische Leitfähigkeit aufwei senden Flüssigkeiten
sind nach einem magnetisch-induktiven Prinzip arbeitende Vorrichtungen bekannt.
Im allgeseir-en enthalten diese zwei Elektromagnete, die auf zwei sich gegenüberliegenden
Seiten des die Flüssigkeit führenden Rohres9 Kanales oder dergleichen engeordnet
werden und ein den gesamten Querschnitt des Rohres les oder dergleichen durchdringendes
magnetisches Feld erzeugen In diesem magnetischen Feld verhält sich die Flüssigkeit
wie ein sich bewegender elektrischer Leiter. Damit wird in ihr eine elektrische
Spannung induziert. Zum Angreifen dieser Spannung enthalt die bekannte Vorrichtung
zwei in die Flüssigkeit eintauchende
Elektroden. Im allgemeinen
liegen sie in einer Ebene, die senkrecht zu der die Elektromagnte enthaltenden Ebene
liegt. Die mit den Elektroden abgreifbare Spannung ist proportional zu der magnetischen
Induktion, zur Geschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit und zum Durchmesser des
Rohres9 Kanales oder dergleichen bzw., zum Abstand der Elektroden0 Die magnetische
Induktion und der Durchmesser bzw. der Elektrodenabstand sind konstante Größen.
Damit ist die Spannung proportional zur Strömungsgeschwindigkeit, und diese läßt
sich meßtechnisch erfassen.
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Die bekannten Vorrichtungen der eben genannten Art beruhen auf dem
Prinzip,daß die strömende Flüssigkeit auf ihrem gesamten Qurschnitt vom magnetischen
Feld geschnitten werden soll. Falls die Flüssigkeit über ihrem Querschnitt veränderliche
Strömungsgeschwindigkeit aufweisen sollte, erhält man dann einen guten Durchschnittswert.
Außerdem ergibt sich aus konstruktiven GrUnden ein großer Elektrodenabstand und
damit eine hohe Spannung. In der Pra-; xis haben die bekannten Vorrichtungen dieser
Art die Form eines Rohrstückes mit zum Beispiel zwei Flanschen, das in die Rohrleitung
mit der zu messenden Flüssigkeit eingesetzt wird. Der Einbau einer solchen Vorrichtung
in eine Rohrleitung ist daher sehr aufwendig. Die Durchströmung der Rohrleitung
Ew. der Betrieb einer gesamten Anlage muß für die Zeit der Montage, einer Reparatur
und dergleichen stillgesetzt werden. Weiteres kommt hinzu. Die durch das Rohrstück
durchgeführten und in dessen Inneres ragenden Elektroden müssen elektrisch isoliert
eingebaut werden. Ebenso muß das Rohrstück auf seiner gesamten Innenwand eine elektrisch
isolierend de Auskleidung aufweisen. Anderenfalls wurde es die in der strömenden
Flüssigkeit induzierte Spannung kurzschließen. Zum Erzielen ausreichend hoher Feldstärken
benötigt man bei großen Rohrdurchmessern große Elektromagnete. Große Rohrdurchmesser
bringen auch Schwierigkeiten bezüglich der Homogenität des magnetischen Feldes und
bezüglich der Abschirmung äußerer Störfelder. Hier ist weiter zu beachten, daß das
Rohrstück aus unmagnetischem Metall, das heißt teurem Edelstahl hergestellt werden
muß Bei großen Durchmessern verursacht dies größere Kosten.
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Aus obigem folgt, daß die bekannten Vorrichtungen insbesondere bei
großen
Durchmessern oder Nennweiten hohen Aufwand er£ordernO Die Kosten für ihre Herstellung,
ihre Montage und die sich durch Betriebsstillegung einstellenden Folgekosten liegen
außergewöhnlich hoch. Der vermeintliche Vorteil, mit großen Durchmessern hohe Ge
nauigkeiten zu erzielen, wird weiter dadurch aufgehoben, daß die Vorrichtungen im
allgemeinen sehr störanfällig sind Zu beachten ist weiter, daß bei den bekannten
Vorrichtungen bei großen Durch messern oder Nennweiten der Rohre auch die Elektromagnete
sehr groß sind, um über dem großen Querschnitt der Rohre eine ausreichend hohe magnetische
Feldstärke zu erzielen Dies verlangt wieder hohe elektrische Eingangsleistungen
und bedingt damit hohe laufende Betriebskosten. Um diese nicht zu weit ansteigen
zu lassen, arbeitet man in der Praxis bei großen Nennweiten mit kleineren spezifischen
Feldstärken als bei niedrigen Nennweiten. Dies führt wieder zu niedrigeren Nutzsignalen
und einem schlechteren Nutz-Störsignalverhältnis. Dies führt wieder zu einem höheren
Aufwand bei der elektronischen Aufbereitung und Verstärkung des Nutzsignales zum
Erzeugen des endgültigen Meßsignales Nun gibt es einen Vorschlag (US-Patent von
Fisber & Porter aus den 30er Jahren), wonach man sich insbesondere bei großen
Nennweiten, etwa größer 1 m, mit der Messung von ein oder mehreren Teilströmen an
der Rohrwand begnügt, was durch eine oder mehrere am Rohrumfang angebrachte, verhältnismäßig
kleine Meßsonden geschehen kann. Nachteil des dort vorgeschlagenen Verfahrens ist
jedoch, daß zur Erreichung des beabsichtigten Verlaufs des Magnetfeldes ein größerer
Bereich um die Meßsonde frei von magnetisch leitfähigen Teilen sein muß. Das bedeutet9
daß sich die Verwendung in Stahlrohrleitungen verbietet, es sei denn, man schweißt
größere Rohrteile aus Edelstahl einO Unabhängig davon können aber auch der Rohrleitung
benachbarte Eisenteile den Magnetfeldverlauf und damit den Meßwert verfälschen.
Offensichtlich sind es diese grundlegenden Nachteile9 die den Eingang dieses Vorschlages
in die Praxis verhindert haben Hiervon ausgehend stellt sich für vorliegende Erfindung
die Aufgabe, eine Meßsonde zu schaffen, die in mechanisch-konstruktiver Hinsicht
kleiner und deshalb einfacher einzubauen ist und zusätzlich
in
magnetisch-elektrischer Hinsicht die Meßgenauigkeit der bekannten Vorrichtungen
noch übertrifft. Die Lösung für diese Auf-j gabe ergibt sich nach der Erfindung
mit einer Meßsonde der eingangs genannten Gattung dadurch, daß der metallische Kern
bei dieser rotationssymmetrisch mit einem Mittelschenkel aufgebaut ist und die beiden
Elektroden sich gegenüberliegend auf dessen beiden Seiten angeordnet sind. Die Erfindung
geht damit bewußt von dem bisher angewendeten Prinzip ab, den gesamten Querschnitt
des strömenden Mediums mit dem magnetischen Feld zu durchdringen. Es wird nur ein
kleines rotationssymmetrisches und in sich geschlossenes
magnetisches
Feld ausgebildet. Wie bisher schneidet dieses das strömende Medium, jedoch nicht
mehr auf dessen gesamtem Quert schnitt. Die Praxis hat gezeigt, daß hierdurch kein
prinzipieller Meßfehler entsteht. Offensichtlich liegt dies daran daß das strom
mende Medium über seinem gesamten Querschnitt gleiche Geschwindigkeit aufweist und
eine Mittelwertbildung durch Erfassen des gesamten Querschnittes nicht erforderlich
ist0 Falls das strömende Medium in den erfindungsgemäß vom magnetischen Feld erfaßten
Randbereichen einer Rohrleitung, eines Kanales oder dergleichen eine andere, vermutlich
eine kleinere Strömungsgesolat¢indigkeit aufweisen sollte, läßt sich dies durch
eine entsprechende Eichung korrim gieren. Der entscheidende meßtechnische Vorteil
der erfindungsgemäßen Sonde liegt jedoch darin, daß das von ihr erzeugte magnetit
sche Feld in sich geschlossen und damit äußeren Störfelder:n nicht oder fast gar
nicht ausgesetzt ist. Damit bleiben die Meßwerte konstant und die Messung insgesamt
wird wesentlich genauer Diese Vorteile stellen sich insbesondere bei einer zweckmäßigen
Ausführungsform ein, bei der der metallische Kern als Topfkern mit einem den Mittelschenkel
umgebenden und mit diesem eine Wicklungskammer einschließenden magnetischen Mantel
ausgebildet ist.
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Bei dieser Ausbildung des metallischen Kernes treten die Feldlinien
rotationssymmetrisch aus der gesamten Stirnseite des Mittel schenkels aus und treten
nach Durchdringung des strömenden Mediums in den magnetischen Mantel ein. Das heißt
daß das magnetische Feld durch den magnetischen Mantel allseitig magnetisch abgeschirmt
ist. Diejenigen Komponenten des magnetischen Feldes die quer zur Strömungsrichtung
des Mediums verlaufen, gehen am stärksten in die Bildung der von den Elektroden
abgegriffenen Spannung ein. Die in anderer Richtung verlaufenden Feldlinien gehen
in geringerem Maße in die Spannungsbildung ein oder heben sich auf.
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Die beiden Elektroden sind auf sich gegenüberliegenden Seiten des
Mittelschenkels zwischen diesem und dem magnetischen Mantel angeordnet. Die an ihnen
abgreifbare Spannung ist proportional C Feldstärke, der Strömungsgeschwindigkeit
und ihrem Abstand.
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Zur zusätzlichen elektrischen Abschirmung ist eine wei-cere aus führungsform
vorgesehen, bei der ein Abschirm-Topf aus einem unmagnetischen,
elektrisch
leitenden und korrosionsfesten Metall auf dem magnetischen Topfkern aufliegt. Dieser
Abschirm-Topf taucht mit seiner Stirnseite in das strömende Medium ein. Damit bildet
er auch eine Bezugs- oder Masseelektrode. Äußere elektrische Störfelder werden aufgefangen
und nach Masse bzw. Erde abgeleitet. Dadurch wird der gesamte in die Messung eingehende
Raum innerhalb des magnetischen Mantels elektrisch von der Umwelt entkoppelt. Zusammenfassend
läßt sich damit feststellen, daß das erfindungsgemäß erzeugte rotationssymmetrische
magnetische Feld gegenüber äußeren magnetischen und elektrischen Störfeldern abgeschirmt
ist.
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Konstruktiv ist in einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen,
daß die offene Seite des magnetischen Topfkernes durch eine Platte aus unmagnetischem,
elektrisch nicht leitendem und korrosionsfestem Material verschlossen ist und die
Elektroden auf deren Außenseite angeordnet sind. Im allgemeinen besteht diese Platte
aus einem Kunststoff. Diese Platte dichtet den Innenraum des Topfkernes nach außen
ab. Da sie aus einem korrosionsfesten Material besteht, können die auf ihr angeordneten
Elektroden und damit der gesamte Topfkern in das strömende Medium eingetaucht werden.
Im einzelnen ist noch vorgesehen, daß der ebenfalls aus einem korrosionsfesten Material
bestehende Abschirm-Topf einen nach innen abgebogenen, sich auf den Rand dieser
Platte auflegenden und diese gegen die Stirnseite des Mantels des magnetischen Topfkernes
drückenden Rand aufweist. Damit wird die Platte mit einfachen konstruktiven Mitteln
gehalten und gleichzeitig erreicht1, daß der Topfkern auf seiner gesamten Außenfläche
korrosionsfest beschichtet ist.
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In einer weiteren zwekmäßigen Arusführungsform ist vorgesehen, daq
die Wicklungskammer an ihrem offenen Ende durch eine aus elektrisch leitendem Material
bestehende Platte verschlossen ist. Da-| mit wird die in dieser Wicklungskammer
befindliche Wicklung auch an der offenen Seite des Topfkernes elektrisch abgeschirmt.
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Dabei ist zweckmäßig, wenn diese elektrisch leitende Abschirmplat
te und die die Elektroden haltende Platte, die beide im offenen Ende des Topfkernes
angeordnet sind, in einem Abstand voneinander
liegen und zwischen
sich eine Elektrodenkammer einschließen. Dadurch werden die Wicklung und die Elektroden
kapazitiv entkoppelt.
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Gleichzeitig wird mit der Elektrodenkammer ein freier Raum geschaffen,
in den die Anschlüsse zu den Elektroden, Lötverbindungen und dergleichen gelegt
werden können.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Mittelschenkel
des Topfkernes hohl,und die Zuleitungen zu den Elektroden sind durch diesen durchgeführt.
Dadurch werden induktive Störspannungen ausgeschaltet, da die im magnetischen Feld
liegende Induktionsschleife, die aus den über das strömende Medium verbundenen Elektroden
und deren Zuleitungen besteht, sehr klein und vollständig symmetrisch ist.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung sind der Boden des magnetischen
Topfkernes und der Boden des Abschirm-Topfes in einem Abstand voneinander angeordnet
und schließen zwischen sich eine Anschlußkammer zum Anschließen der Zuleitungen
ein. Damit erfolgt auch an diesem anderen Ende der Wicklung eine kapazitive Entkopplung,und
gleichzeitig wird eine freier Raum geschaffen, in dem die Zuleitungen zu den Elektroden
an ein nach außen führendes Kabel angeschlossen werden können.
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Die erfindungsgemäße Meßsonde ist eine kompakte zylinderfönnige Vorrichtung.
Zu ihrer Montage in einer Rohrleitung wird aus die ser ein kreisförmiger Wandabschnitt
herausgeschnitten, und die Meßsonde wird eingeschraubt oder angeflanschte Hierzu
ist in ein0.r' Ausführungsform vorgesehen, daß der Abschirm-Topf ein AußengewtP.-''
zum Einschrauben in ein Rohr oder einen Ro5zbstutzen aufweist. In einer anderen
Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Ab schirmstutzen aufweist.
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Schließlich ist gemäß der Erfindung noch vorgesehen, daß sämtliche
freien Räume im magnetischen Topfkern und im Abschirm-Topf mit ei nem magnetisch
und elektrisch inerten Gießharz ausgegossen siabi.
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Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen f.i1:
die
Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist: Fig. 1 eine schematische
Darstellung, im Schnitt, der Meßsonde und Fig. 2 eine Aufsicht, teilweise im Schnitt,
auf eine praktische Ausführungsform einer einschraubbaren Meßsonde.
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Fig. 1 zeigt den magnetischen Topfkern 12 mit dem Mantel 14 und dem
Boden 16. Der Abschirm-Topf 18 mit dem Mantel 20 und dem Boden 22 umschließt den
magnetischen Topfkern 12. Der Abschirm-Topf 18 besteht aus einem unmagnetischen
korrosionsbeständigen Metall, zum Beispiel einem Edelstahl. Das in Fig. 1 unten
liegende Ende des Mantels 20 weist einen radial nach innen abgebogenen Rand 24 auf.
Zum magnetischen Topfkern 12 gehört noch der hohl ausgebilde-; te Mittelschenkel
26. Er wird von der Wicklungskammer 28 mit der Wicklung 30 umschlossen. Die Zuleitungen
zur Wicklung 30 sind nicht dargestellt. An der in Fig. 1 unten liegenden Stirnseite
der Wicklung 30 liegt die Abschirmplatte 32 aus einem elektrisch leitenden Material
an. Weiter unten in Fig. 1 befindet sich die Halteplatte 34. Sie besteht aus einem
elektrisch nicht leitenden korrosionsbeständigen Material, zum Beispiel Kunststoff.
Sie liegt; an der Stirnseite des Mantels 14 an und wird durch den Rand 24 an diesen
angedrückt und gehalten. Die Platte 34 trägt weiter die Elektroden 36. Zwischen
der Abschrimplatte 32 und der Halteplatte 34 befindet sich die Elektrodenkammer
38. Die Zuleitungen 40 zu den Elektroden 36 treten durch diese Elektrodenkammer
38 durch und dann in den hohlen Mittelschenkel 26 ein. In der oberhalb des Mittelschenkels
26 befindlichen Anschlußkammer 42 sind die Zuleitungen 40 mit einem nachvaußen führenden
Kabel, das nicht dargestellt ist, verbunden. Die eben beschriebene Darstellung in
Fig, 1 dient zur Veranschaulichung des magnetisch-induktiven Wirkungsprinzips der
erfindungsgemäßen Meßsonde.
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In Fig. 2 dagegen wird eine praktische Ausführungsform gezeigt.
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Dargestellt ist eine Ausführungsform mit einem Gewinde 44. Mit diesem
Gewinde wird die Meßsonde in ein Rohr eingeschraubt und ge halten. Fig. 2 zeigt
auch das Gießharz 46, mit dem Hohlräume ausgegossen sind.
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Nicht dargestellt ist diejenige Ausfu1uun'gsform, mit der die Meß
sonde an ein Rohr angeflanscht wird. Von der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform
unterscheidet sich diese im wesentlichen dadurchp daß das Gewinde 44 durch einen
Flansch ersetzt ist.
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Eingangs wurde ausgeführt, daß sich mit einer einzigen an einer Stelle
des Umfanges eines Rohres angebrachten Meßsonde eine aus reichende Meßgenauigkeit
erreichen läßt. Falls diese Genauigkeit im Einzelfall nicht ausreichen sollte, können
auch mehr als eine Meßsonde über dem Umfang des Rohres verteilt angeordnet werden
Auch in diesem Fall ergeben sichVorteile gegenüber dem Stand der Technik. Das Anbringen
von zwei oder mehr erfindungsgemäßen Meß sonden ist immer noch einfacher als das
Heraustrennen eines Stern kes aus einer bestehenden Rohrleitung und das Einsetzen
einer Meß evorrichtung bekannter Bauart. Auch eine Wartung, Reparatur oder Reinigung
der Elektroden ist bei der erfindungsgemäßen Meßsonde einfacher als beim Stand der
Technik. Unter Umständen läßt sich eine erfindungsgemäße Meßsonde ohne Unterbrechen
des Betriebes aus einer Rohrleitung herausnehmen, und die dann frei werdende Öfi
nung läßt sich für die Zeit der Wartung und dergleichen mit sande ren Mitteln verschließen.
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