DE3247003C2 - Elektromagnetischer Durchflußmesser - Google Patents

Abstract

Bei einem elektromagnetischen Durchflußmesser, insbesondere Wärmemengenmesser, bei dem zum Messen des Durchflusses eines Fluids durch ein Rohr (1) ein Magnetfeld quer zur Strömungsrichtung des Fluids das Rohr durchsetzt und eine ein Maß für den Durchfluß darstellende Spannung an zwei sich quer zur Strömungs- und Magnetfeldrichtung gegenüberstehenden, die Rohrwand durchsetzenden Elektroden (3) abnehmbar ist, ist zur Verringerung des Einflusses einer Ablagerung an der Innenseite des Rohres auf den elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden jede Elektrode (3) durch eine zum Inneren des Rohres (1) hin offene, die Elektrode mit Abstand umgebende, radial nach außen ragende Kammer (2) umgeben.

Description

(1941), S. 383—419 zeigt einen Durchflußmesser, bei dem Durchbräche in der Wandung außen von einer porösen' Wand abgedeckt sind. Die poröse Wand ist wiederum durch eine radial nach außen ragende Kammer aus isolierendem Material abgedeckt, die mit einem elektrisch leitenden Salz (Zinksulfat} gefüllt ist. Den Boden der Haube durchsetzt eine Elektrode (aus Zink), die im Inneren der Kammer in dem elektrisch leitenden Salz eingebettet ist. Im Prinzip bildet daher das Salz eine Fortsetzung der Elektrode bis in den Durchbruch der Rohrwand. Wenn dann das in dem Rohr strömende Fluid Verunreinigungen oder Zusätze enthält, die sich auf der Innenseite des Rohrs ablagern, kann sich hier ebenfalls der Widerstand zwischen den Elektroden erheblich ändern und dadurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigen.

Der Druckschrift Proceedings of the Physical Society, Vol.42, S.466—478 (1930) ist ein elektromagnetischer Durchflußmesser zu entnehmen, bei dem die eine Elektrode isoliert durch die Rohrwand hindurchgeführt ist und auf der Innenseite des Rohres endet und die andere Elektrode durch ein ein Loch in der Rohrwand bis etwa zur Rohrmitte durchsetzendes Kapillarrohr ins Rohrinnere hindurchgeführt ist Das Durchführungsloch für das Kapillarrohr ist von einem Messingrohr umgeben, in das ein weiteres Messingrohr geschraubt ist Das radial äußere Ende des inneren Messingrohres ist durch ein isolierendes Material abgeschlossen, durch das die Elektrode hindurchgeführt ist

Das Durchführungsloch für das gleichzeitig der Isolierung der Elektrode dienende Kapillarrohr ist praktisch durch das Kapillarrohr abgeschlossen. Da man in der Praxis, um den größten Wert der elektrischen Spannung zu erhalten, die freien Enden der Elektroden möglichst am äußeren Rand der Strömung anordnen wird, ergeben sich auch hier die gleichen Schwierigkeiten wie bei den vorstehend geschilderten bekannten Durchflußmessern aufgrund von Ablagerungen auf der Innenseite des Rohres.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmesser der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei dem der Einfluß von durch Ablagerungen hervorgerufenen Widerstandsänderungen zwischen den freiliegenden (aktiven) Teilen der Elektroden auf das Meßergebnis verringert ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jede Elektrode durch die die Elektrode mit Abstand umgebende Kammer hindurchgeführt ist und der von der Elektrode isoliert durchsetzte Boden der Kammer wenigstens innen isolierendes Material aufweist, wobei das Fluid den Kammerraum um die Elektrode herum füllt

Wenn hierbei eine leitfähige Ablagerung von Bestandteilen des Fluids auf der Innenseite des Rohres und der Kammern auftritt, ist der Gesamtwiderstand der Ablagerungsschicht zwischen den freien Elektrodenenden gegenüber den bekannten Fällen um wenigstens den Betrag desjenigen Teils der Ablagerungsschicht größer, der die Innenseiten der Kammern oder die Außenseite der Elektrodenisolation bedeckt. Je nach radialer Länge der Kammern läßt sich der Gesamtwiderstand der Ablagerungsschicht daher erheblich vergrößern, so daß sein Einfluß auf das Meßergebnis vernachlässigbar ist.

Günstig ist es ferner, wenn die Elektroden als dünne langgestreckte Stabelektroden ausgebildet sind und ihr radialer Abstand von der sie umgebenden Kammerwand etwa ihrem Durchmesser entspricht. Dies ergibt zum einen eine geringere Gesamtoberfläche der Elektroden, auf der sich eine Ablagerung bilden kann, so daß der Widerstand zwischen den gegebenenfalls freiliegenden oder freigehaltenen Elektrodenenden entsprechend größer ist Zum anderen wird durch den verhältnismäßig großen Abstand zwischen den Elektroden und den diesen zugekehrten Innenseiten der Kammern auch über längere Zeit hinweg verhindert daß sich die Ablagerungen gegenseitig berühren, insbesondere bei einer ίο Verbiegung der Elektroden, wodurch der Widerstand verringert würde. Dennoch ist der Abstand hinreichend klein, um zu vermeiden, daß der Fluidstrom zu einem so erheblichen Teil in die Kammern strömen würde, daß dadurch das Meßergebnis verfälscht würde. Die Elektroden können an ihrem freien Ende etwa punktförmig sein. Gegenüber einer großflächigen Elektrode bewirkt dann eine allmähliche Verunreinigung der Elektrodenoberfläche nur eine verhältnismäßig kleine Veränderung der Meßspannung.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Elektroden an ihrem freien Ende als sich in Strömungsrichtung erstreckende Platte auszubilden. Dies ergibt eine Vergrößerung der aktiven Elektrodenfläche und ein kleineren Innenwiderstand einer zwischen den Elektroden liegend gedachten Ersatzspannungsquelle, wobei der Einfluß des Widerstands einer Ablagerung an der Rohrwand verringert wird.

Sodann können die Elektroden so weit in die Fluidströmung ragen, daß der Abstand der Elektroden kleiner als der Innendurchmesser des Rohres ist. Hierbei wird die Möglichkeit einer leitenden Ablagerung zwischen dem gegebenenfalls plattenförmigen Elektrodenende und der Rohrwand herabgesetzt. Gleichzeitig wird die Abhängigkeit der Meßspannung von elektrischen Strömen veringert, die in einer Ablagerung auf der Innenseite der Rohrwand fließen, weil sich an der Grenzfläche zwischen Fluid und Ablagerung unterschiedliche Potentiale ausbilden.

Vorzugsweise bestehen die Kammern aus elektrisch isolierendem Material, um den elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden zu vergrößern. Sie können aber auch aus Metall bestehen und eine elektrisch isolierende Auskleidung aufweisen, wobei dann die Elektrode isolierend durch die Kammerwandung hidurchgeführt ist.

Das Rohr kann ebenfalls aus Metall oder aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen. Vorzugsweise ist es mit einem elektrisch isolierenden Rohrstück, das im Bereich der Kammerführung durchbrochen ist, ausgekleidet, wobei die Elektroden die Durchbrüche des Rohrstückes mit Abstand durchsetzen. Dies trägt ebenfalls zur Erhöhung des elektrischen Widerstands bei.

Hierbei kann sich der Innenquerschnitt des inneren Rohrstücks zur Meßstrecke hin verjüngen. Dies ergibt im Meßbereich zwischen den Elektroden eine höhere Fluidströmungsgeschwindigkeit mit einer entsprechend höheren Meßspannung, wobei die höhere Strömungsgeschwindigkeit gleichzeitig dafür sorgt, daß die Ausbildung von Ablagerungen auf der Innenseite des Rohres bzw. der Außenseite der Elektrode erschwert wird.

Ferner kann jede Kammer auf der Innenseite ihrer die Elektrode umgebenden Wand an der in das Rohr mündenden Kammeröffnung eine sich wenigstens teilweise in die Kammer erstreckende Ringelektrode aufweisen. Diese Ringelektrode nimmt ein Potential an, das etwa dem der von ihr umgebenen Meßelektrode entspricht, und verhindert dadurch einen Stromabfluß aus

einem Weg, in dem die Ringelektrode liegt.

Ferner kann dafür gesorgt sein, daß jede Ringelektrode jeweils mit dem Ausgang eines Verstärkers mit hohem Eingangswiderstand, niedrigem Ausgangswiderstand und einer Spannungsverstärkung von 1 oder weniger verbunden ist. Auf diese Weise erhält die Ringelektrode ein definiertes Potential, das etwa dem der Meßelektrode entspricht. Gleichzeitig ist sichergestellt, daß die Meßstrecke nicht durch den der Meßstrecke entnommenen Meßstrom und einen durch eine Ablagerung an der Rohrwand fließenden Strom belastet wird, so daß die Meßspannung im wesentlichen unabhängig von einer derartigen Belastung ist.

Die Zeichnung stellt schematisch Teile bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Durchflußmessers dar, und zwar

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines ersten Ausführungsbeispiels, und

Fig.2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines zweiten Ausführungsbeispiels mit zugehörigen Schaltungsteilen.

Nach F i g. 1 ist ein zylindrisches Rohr 1 aus Metall, durch das ein Fluid strömt, hier warmes Wasser einer Warmwasserheizung, dessen Durchfluß gemessen werden soll, um den Wärmeverbrauch zu ermitteln, ist mit radial nach außen ragenden zylindrischen Kammern 2 aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise Kunststoff, versehen. Diese Kammern 2 sind zum Inneren des Rohres 1 offen. Die Stirnwände der Kammern 2 sind von stabförmigen dünnen Elektroden 3 konzentrisch durchsetzt Die Elektroden 3 haben einen radialen Abstand von der Umfangswand der Kammern 2, der wenigstens etwa dem Durchmesser der Elektroden 3 entspricht

Das Rohr 1 ist mit einem Rohrstück 4 aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise Kunststoff, ausgekleidet Das Rohrstück 4 hat im Bereich der Kammeröffnungen 5 kreisförmige Durchbrüche 6, die ebenfalls von den Elektroden 3 koaxial durchsetzt sind und deren Seitenwände einen Abstand von den Elektroden 3 aufweisen. Der Innenquerschnitt des Rohrstücks 4 verringert sich in Richtung zu der zwischen den Elektroden 3 liegenden Meßstrecke nach Art eines Venturi-Rohres. Das Fluid hat daher im Bereich der Meßstrecke eine höhere Strömungsgeschwindigkeit.

Während die in die Fluidströmung ragenden freien etwa punktförmigen Enden der Elektroden 3 nicht isoliert (blank) sind, ist der Schaft der Elektroden 3 innerhalb der Kammern 2 und der Durchbrüche 6 mit einem elektrisch isolierenden Überzug 7, z. B. aus Lack oder Kunststoff, versehen.

Senkrecht zu den Elektroden 3 und der Strömungsrichtung ist das Rohr 1 von einem nicht dargestellten Magnetfeld durchsetzt, so daß an den Elektroden 3 eine elektrische Spannung, wie bei einem magnetohydrodynamischen Generator, abgegriffen werden kann, die von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids sowie von der Stärke des Magnetfeldes abhängig ist Bei konstanter Magnetfeldstärke ist die Spannung zwischen den Elektroden 3 ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Durchfluß des Fluids und damit ein Maß für die den Rohrquerschnitt durchsetzende Wärmemenge.

Wenn das Fluid elektrisch leitende Verunreinigungen oder Zusätze aufweist, die sich an der Innenseite des Rohrstücks 4 ablagern, nimmt der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden 3 über die Rohrwand ab. da durch diese Ablagerung ein elektrischer Strom von der einen zur anderen Elektrode 3 fließen kann. Gleichzeitig wird aber das über die Elektroden abgenommene Meßsignal durch die Ablagerungen beeinträchtigt. Der Ableitungsstrom über die Rohrwand fällt deshalb umso mehr ins Gewicht. Der elektrische Widerstand der Ablagerungsschicht ist jedoch um so größer, je langer der Weg des Stromes durch diese Ablagerungsschicht ist. Ohne die Kammern 2 und bei unmittelbar an den Elektroden 3 anliegenden Durchbrüchen wäre der Weg von Elektrode zu Elektrode an der Innenseite des Rohr-Stücks 4 entlang am kürzesten. Im vorliegenden Fall müßte der Strom jedoch vom einen Ende der einen Elektrode 3 an der Außenseite der einen Elektrodenisolation, den Innenseiten der einen Kammer 2. des einen Durchbruchs 6, des Rohrstücks 4, des anderen Durchbruchs 6 und der anderen Kammer 2 und an der Außenseite der anderen Elektrodenisolation entlang zum freien Ende der anderen Elektrode 3 durch eine gegebenenfalls vorhandene Ablagerungsschicht hindurchfließen. Dieser Weg ist nicht nur erheblich länger, sondern hat stellenweise auch einen weit geringeren Querschnitt, so daß auch der Widerstand einer eventuell vorhandenen Ablagerungsschicht erheblich größer als in dem zuerst geschilderten Fall ist. Die Meßspannung wird daher durch eine Ablagerung nur unwesentlich beeinflußt.

Das Rohr 1 und die Kammer 2 können auch einteilig aus Kunststoff oder Metall hergestellt sein. Wenn die Kammern 2 aus Metall bestehen, sind ihre Innenseiten mit einem isolierenden Überzug versehen. Sodann kann das Rohrstück 4 weggelassen werden. Dies verlängert den Weg zwischen den freien Enden der Elektroden 3 an der Innenseite des Rohres 1 entlang.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig.2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 nur insofern als das Rohrstück 4 weggelassen ist und jede Kammeröffnung 5 mit einer die jeweilige Meßelektrode 3 konzentrisch mit Abstand umgebenden Ringelektrode 3 versehen ist. Die Ringelektrode 8 kann sich jedoch auch über die gesamte Umfangswand der Kammer erstrecken, wie es durch die gestrichelten Linien angedeutet ist Die Ringelektrode 8 ist mit einem Anschluß 9 versehen, der nut dem Ausgang eines Verstärkers 10 verbunden ist Der Eingang des Verstärkers 10 ist an dem aus der Kammer 2 herausgeführten Ende der Meßelektrode 3 angeschlossen. Der Verstärker hat eine Spannungs-Verstärkung V < 1 und einen hohen Eingangs- sowie einen niedrigen Ausgangswiderstand. Jede Ringelektrode 8 liegt daher auf einem definierten Potential, das stets kleiner oder gleich dem Potential der zugehörigen Meßelektrode 3 und zu diesem proportional ist Ein Strom, der von der einen zur anderen Meßelektrode 3, gegebenenfalls durch eine Ablagerung, an der Rohr- und Kammerwand entlangfließen will, muß daher erst die Potentiale der Ringelektroden überwinden. Dies entspricht einer Erhöhung des Ableitwiderstands zwischen den Meßelektroden und damit einer Verringerung des Innenwiderstands der Meßstrecke, so daß die Meßspannung in höherem Maße unabhängig von durch Ablagerungen bewirkten Ableitwiderstandsänderungen und von Belastungsänderungen an den Verstärkerausgängen ist

Die Ringelektroden 8 müssen jedoch nicht mit dem Meßstromkreis verbunden sein. Vielmehr können sie galvanisch getrennt vom Meßstromkreis und den Meßelektroden 3 angeordnet sein, ohne die Anschlüsse 9 zu belegen oder vorzusehen, so daß auch die Verstärker 10 entfallen können. Dennoch hat sich gezeigt daß die Ringelektroden 8 etwa das gleiche Potential wie die Meßelektroden 3 annehmen, möglicherweise über das Fluid. Im Ergebnis stellt sich daher ebenfalls wegen der

durch die Ringelektroden 8 bewirkten Potentialschwelle ein hoher Ableitwiderstand zwischen den Meßelektroden 3 mit entsprechend geringerem Innenwiderstand der Meßstrecke ein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

10

15

30

40

45

JO

55

«0

«5

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetischer Durchflußmesser, insbesondere Wärmemengenmesser, bei dem zum Messen des Durchflusses eines Fluids durch ein Rohr ein Magnetfeld das Rohr quer zur Strömungsrichtung des Fluids durchsetzt und eine ein Maß für den Durchfluß darstellende Spannung an zwei sich quer zur Strömungs- und Magnetfeldrichtung gegenüberstehenden, die Rohrwand isoliert durchsetzenden Elektroden abnehmbar ist, wobei jeder Elektrode eine mit dem Fluidstrom in Verbindung stehende Kammer mit einer sich quer zum Rohr erstreckenden Umfangswand zugeordnet in und die Umfangswand der Kammer wenigstens innen und/oder die Oberfläche der Elektrode bis in die Nähe ihres Endes isolierendes Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (3) durch die die Elektrode (3) mit Abstand umgebende Kammer (2) hindurchgeführt ist und der von der Elektrode (3) isoliert durchsetzte Boden der Kammer (2) wenigstens innen isolierendes Material aufweist, wobei das Fluid den Kammerraum um die Elektrode (3) herum füllt.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3) als dünne langgestreckte Stabelektroden ausgebildet sind und ihr radialer Abstand von der sie umgebenden Kammerwand etwa ihrem Durchmesser entspricht.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3) an ihrem freien Ende etwa punktförmig sind.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3) an ihrem freien Ende als sich in Stromungsrichtung erstreckende Platte ausgebildet sind.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Elektroden kleiner als der Innendurchmesser des Rohres (1) ist.

6. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (2) aus elektrisch isolierendem Material bestehen.

7. Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit einem elektrisch isolierenden Rohrstück, das im Bereich der Kammeröffnungen durchbrochen ist, ausgekleidet ist, wobei die Elektroden die Durchbrüche des Rohrstücks mit Abstand durchsetzen.

8. Durchflußmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Innenquerschnitt des inneren Rohrstücks zur Meßstrecke hin verjüngt.

9. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kammer (2) auf der Innenseite ihrer Jie Elektrode (3) umgebenden Umfangswand an der in das Rohr (1) mündenden Kammeröffnung (5) eine sich wenigstens teilweise in die Kammer (2) erstreckende Ringelektrode (8) aufweist.

10. Durchflußmesser nach Anspruchs), dadurch gekennzeichnet, daß jede Ringelektrode (8) jeweils mit dem Ausgang eines Verstärkers (10) mit hohem Eingangswiderstand, niedrigem Ausgangswiderstand und einer Spannungsverstärkung von 1 oder weniger verbunden ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Durchflußmesser, insbesondere Wärmemengenmesser, bei dem zum Messen des Durchflusses eines Fluids durch ein Rohr ein Magnetfeld quer zur Strömungsrichtung des Fluids das Rohr durchsetzt und eine ein Maß für den Durchfluß darstellende Spannung an zwei sich quer zur Strömungs- und Magnetfeldrichtung gegenüberstehenden, die Rohrwand isoliert durchsetzenden Elektroden abnehmbar ist, wobei jeder Elektrode eine mit dem Fluidstrom in Verbindung stehende Kammer mit einer sich quer zum Rohr erstreckenden Umfangswand zugeordnet ist und die Umfangswand der Kammer wenigstens innen und/oder die Oberfläche der Elektrode bis in die Nähe ihres Endes isolierendes

is Material aufweist

Bei einem bekannten Durchflußmesser dieser Art (DE-AS 19 51 919) ist das Rohr, dessen Wand von den Elektroden isoliert durchsetzt ist, mit einem elektrisch isolierenden Rohrstück ausgekleidet, das die Kammern bildende Durchbrüche koaxial zu den Elektroden aufweist Den Boden dieser Durchbrüche bildet die Wand des aus Metall bestehenden äußeren Rohres. Zwischen der Isolation der Elektroden und der Innenseite der Durchbrüche besteht daher eine metallische Verbindung durch il-as äußere Rohr.

Der Widerstand zwischen den Elektroden wird daher (abgesehen von dem elektrischen Widerstand der Flüssigkeit) praktisch nur durch die Isolation der Elektroden bestimmt. Wenn daher Ablagerungen aus Verunreinigungen oder Zusätzen des Fluids am Boden der Kammern, also auf der Innenseite des Rohres im Bereich der Durchbrüche, auftreten, ändert sich der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden erheblich in Abhängigkeit vom Widerstand dieser Ablagerungen, wobei sich dieser Widerstand im Laufe der Zeit mit zunehmender Dicke der Ablagerung weiter ändert. Die Folge ist eine erhebliche Verfälschung des Meßergebnisses. Auch Ablagerungen auf der Innenseite des Rohrstücks und den Innenseiten der Durchbrüche beeinflussen das Meßergebnis.

Bei einem anderen bekannten Durchflußmesser (US-PS 35 30 713) sind die Elektroden durch eine isolierende Durchführung in der Rohrwand hindurchgeführt und das Rohr mit einer isolierenden Auskleidung versehen, die ebenfalls von den Elektroden durchsetzt wird. Die blanken Enden der Elektroden ragen in das Innere des Rohres. Der Widerstand zwischen den Elektroden wird daher hauptsächlich durch das Fluid bestimmt, das sich zwischen den freien Enden der Elektroden befindet.

Wenn das Fluid Verunreinigungen oder Zusätze enthält, die sich auf der Oberfläche der Elektroden ablagern, kann sich dadurch der Widerstand zwischen den Elektroden verändern. Derartige Ablagerungen können jedoch durch regelmäßiges Herausnehmen und Reinigen der Elektroden oder durch Anlegen einer entsprechenden Spannung zwischen den Elektroden und dem Rohr beseitigt werden.

Außerdem können aber auch Ablagerungen auf der Innenseite der Rohrwand den Widerstand zwischen den Elektroden verändern und dadurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigen. Dies kann zum Beispiel bei Fernheizungen der Fall sein, bei denen dem Wärmeträger, z. B. Wasser, häufig Additive zur Verhinderung unter anderem einer Korrosion zugesetzt werden. Diese Additive können sich auf der Innenseite der Rohrwand ablagern und den Widerstand zwischen den Elektroden verringern.

Die Druckschrift Helvetia Physica Acta No. 5/6