-
Induktiver Strömungsmesser
-
Die Erfindung betrifft einen induktiven Strömungsmesser mit einer
in eine Flüssigkeit eintauchenden Sonde, die in einem Gehäuse einen Elektromagneten
enthält und zwei mit gegenseitigem Abstand außen angeordnete Elektroden aufweist.
-
Es ist bekannt, die Fließgeschwindigkeit und damit den Durchfluß leitfähiger
Flüssigkeiten in geschlossenen gefüllten Rohrleitungen mit Hilfe magnetisch-induktiver
Durchflußmesser (MID) zu messen. Diese Durchflußmesser weisen einen Elektromagneten
auf, der in dem Rohr oder Kanal ein Magnetfeld erzeugt. Durch die Bewegung der in
der Flüssigkeit enthaltenen Leiterelemente in Querrichtung zum Magnetfeld, entsteht
ein elektrisches Feld, dessen Feldstärke bzw. elektrische Spannung gemessen werden
kann und ein Maß für die Strömungs-
geschwindigkeit und somit auch
für die momentane Durchflußmenge darstellt.
-
Bekannt ist ferner eine magnetisch-induktive Meßsonde (DE-OS 30 37
913), die in einem in die Flüssigkeit eintauchenden Gehäuse einen Elektromagneten
enthält. Das Gehäuse besteht aus nicht-magnetischem Material und ermöglicht somit
den freien Durchtritt des von dem Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes durch die
Gehäusewand. An der Stirnseite des Gehäuses sind zwei Elektroden mit gegenseitigem
Abstand angeordnet. Von diesen Elektroden führen Leitungen durch das Gehäuse hindurch
zu einem Meßgerät.
-
Bei der erwähnten bekannten Sonde hat das Gehäuse zylindrische Form.
Wenn ein derartiger zylindrischer Körper oder ein anderer runder Körper von sphärischer
oder elliptischer Bauform von Flüssigkeit umströmt wird, ist der Abreißpunkt, an
dem die laminare Strömung sich von dem Gehäuse ablöst, im hohen Maße abhängig von
der Viskosität und der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit. Der Abreißpunkt
der Strömung am Sondenkörper ist derjenige Punkt, an der die Strömung von laminarer
in turbulente Strömung übergeht. Zwar sind die Elektroden an dem Gehäuse normalerweise
in einem Bereich angeordnet, an dem eine im wesentlichen laminare Strömung herrscht,
jedoch gehen in das Meßergebnis die Strömungswerte im gesamten Bereich des räumlichen
Magnetfeldes ein, das von dem Elektromagneten erzeugt wird. Dieses Magnetfeld erstreckt
sich in den Bereich des Ablösepunktes hinein. Wenn
nun der Ablösepunkt
mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit wandert, ergeben sich geschwindigkeitsabhängige
Meßfehler, also Linearitätsfehler.
-
Meßfehler ergeben sich ferner, wenn die Viskosität (Reynoldszahl)
der Flüssigkeit von derjenigen, auf die das Gerät geeicht ist, abweicht.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Strömungsmesser
der eingangs genannten Art zu schaffen, der mit einem weiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten
und Viskositäten ein genaues bzw. weitgehend lineares meßergebnis liefert.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß an dem
Gehäuse in Strömungsrichtung hinter jeder Elektrode ein Vorsprung mit mindestens
einer Abreißkante für die Strömung angeordnet ist.
-
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß der Abreißpunkt der Strömung
bei einer Abreißkante stets gleich bleibt und weitgehend unabhängig von der Viskosität
und der Strömungsgeschwindigkeit ist. Zwar werden durch die Abreißkante im verstärkten
Maße Turbulenzen erzeugt, jedoch sind diese Turbulenzen stets gleich, so daß sie
das Meßergebnis nicht beeinflussen, wenn das Gerät zuvor geeicht worden ist.
-
Während bei einem runden Körper, der in eine Strömung eintaucht, der
Abreißpunkt der Strömung in Abhängigkeit von Strömungsgeschwindigkeit und Viskosität
veränderlich ist, ergibt sich bei einer Abreißkante ein gleichbleibender Abreißpunkt,
so daß man
über einen großen Meßbereich eine gute Linearität der
Messung erhält. Nach der Erfindung wird die Strömung also absichtlich gestört, wodurch
erreicht wird, daß der Abreißpunkt stets gleich bleibt.
-
Damit der induktive Strömungsmesser in beiden Strömungsrichtungen
wirksam ist, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen,
daß in Strömungsrichtung vor und hinter jeder Elektrode ein Vorsprung mit mindestens
einer Abreißkante angeordnet ist. Die jeweils strömungsabwärts angeordneten Vorsprünge
sorgen für gleichbleibende Abreißpunkte der Strömung am Gehäuse. Die stromaufwärts
angeordneten Vorsprünge bewirken zwar ebenfalls die Entstehung von Turbulenzen,
jedoch sind auch die hierdurch verursachten Turbulenzen gleichbleibend, so daß sie
keine geschwindigkeitsabhängige Veränderung des Meßergebnisses bewirken.
-
Vorzugsweise hat das Gehäuse mindestens auf einem Teil seiner Länge
im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und die Vorsprünge bestehen aus von der
Oberfläche abstehenden längslaufenden Turbulenzstäben. Hierdurch wird einerseits
erreicht, daß die Strömung durch das Gehäuse möglichst wenig gestört wird, andererseits
werden aber durch die Turbulenzstäbe die gewünschten definierten Strömungsabrisse
erzielt.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse
mindestens auf einem Teil seiner Länge konisch ausgebildet und die ilöhe der L'urbulenzsLäbe
vergrößcrt
sich mit zunehmender Verringerung des Querschnittsdurchmessers des Gehäuses, wobei
jedoch der Durchmesser des die Turbulenzstäbe umschließenden Kreises nicht größer
ist als der Gehäusedurchmesser an der größten Stelle des konischen Teils. Ein derartiges
Gehäuse kann in eine Bohrung des zu durchströmenden Rohres eingesetzt werden, die
nicht größer sein muß als der Gehäusedurchmesser an der größten Stelle des konischen
Teils. Hierdurch wird eine gute Befestigung und Abdichtung des Gehäuses an dem Rohr
ermöglicht und eine günstige Gehäuseform erzielt.
-
Zweckmäßigerweise sind die Elektroden achsparallel zu dem Gehäuse
an dessen Seitenwand verlaufende Stäbe.
-
Wenn das Gehäuse mindestens teilweise konisch ausgebildet ist, stehen
die Elektroden nur mit ihren Endbereichen über die Mantelfläche des Gehäuses vor
und verlaufen im übrigen im Innern der Gehäusewand. Hierdurch erhält man an dem
Gehäuse lange Dichtungsstrecken für die Elektrodenstäbe, so daß eine gute und sichere
Abdichtung möglich ist. Die Enden der Elektrodenstäbe befinden sich an einander
gegenüberliegenden Seiten der Gehäusewand, so daß die Elektroden einen großen gegenseitigen
Abstand haben, was zur Erzielung einer hohen Meßspannung wünschenswert ist.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die
Sonde an einem Rohrstück befestigt ist und daß die Elektroden etwa 0,12 x D. in
das Innere des Rohrstücks eintauchen, wobei D der Innendurchmesser des Rohrstückes
ist. Es hat sich herausgestellt, daß
diese Anordnung der Elektroden
zu zuverlässigen Ergebnissen führt. Die Strömungsverteilung im Rohrquerschnitt ist
keineswegs gleichmäßig. In dem genannten Abstand von der Rohrwand ist jedoch ein
Wert festzustellen, der bei allen Strömungsgeschwindigkeiten und Viskositäten der
mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Rohrquerschnitt entspricht.
-
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Rohr, in das die magnetisch-induktive
Sonde hineinragt, Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Sonde, Fig.
3 einen Längsschnitt durch das Gehäuse der Sonde, Fig. 4 eine Ansicht des Gehäuses
von unten und Fig. 5 einen Steckring für den Einbau in eine Rohrleitung und zur
Anbringung von zwei induktiven Strömungsmessern.
-
Die Sonde 10 ist gemäß Fig. 1 radial durch eine Öffnung in ein Rohr
11 eingeschoben, wobei das Gehäuse 12 mit einem konischen >Abschnitt 13 in das
Rohrinnere hineinragt, während ein zylindrischer Abschnitt 14 des Gehäuses aus dem
Rohr 11 herausragt. Im Bereich des zylindrischen Abschnitts 14 ist das Gehäuse 12,
das aus Kunststoff besteht, mit einem Massering 15 aus Metall umgeben. Dieser Massering
steht ebenfalls mit der Meßflüssigkeit in Verbindung und liefert das elektrische
Referenzpotential. Am rückwärtigen Ende des zylindrischen Abschnitts 14 befindet
sich ein Flansch 16, der die rückwärtige Öffnung umschließt, durch die Kabel 17
nach außen geführt sind.
-
Das Gehäuse 10 enthält einen Elektromagneten 18 (Fig. 2), der durch
die Gehäusewand hindurch im Innern des Rohres 11 das in Fig. 1 gestrichelt angedeutete
Magnetfeld 19 erzeugt, dessen Feldlinien von dem oberen bis zum unteren Ende des
konischen Abschnitts 13 verlaufen.
-
Das Rohr 11 besteht aus nicht-magnetischem Material und ist mindestens
an seiner Innenseite, die mit der strömenden Flüssigkeit in Berührung kommt, elektrisch
nichtleitend.
-
Im konischen Bereich 13 treten die Elektroden 20 aus dem Gehäuse 12
heraus. Diese Elektroden 20 sind Stäbe mit kreisförmigem Querschnitt, die sich parallel
zur Achse des Gehäuses 12 erstrecken und in das hohle Innere des zylindrischen Bereichs
14 hineinragen. Die unteren Enden der Elektroden 20 stehen nur teilweise mit ihrer
Seitenfläche und ihrer Unterseite aus dem konischen Bereich 13 heraus vor. Die Elektroden
20
bestehen aus Metall. Sie enden mit Abstand über dem unteren
Ende des konischen Bereichs 13.
-
Aus Fig. 2 ist der Elektromagnet 18 zu ersehen, der in einen zylindrischen
Hohlraum des konischen Bereichs 13 des Gehäuses 12 eingesetzt wird. Der Elektromagnet
18 weist einen ferromagnetischen zylindrischen Kern 21 auf, an dessen Enden sich
ferromagnetische Scheiben 22 befinden. Der Kern 21 ist mit Drahtwindungen 23 umwickelt,
durch die ein Strom hindurchgeschickt wird. Das Magnetfeld 19 tritt seitlich aus
den Scheiben 22 aus. Die Seitenränder der Scheiben 22 bilden auf diese Weise ringförmige
Magnetpole. Dadurch wird erreicht, daß sich das Magnetfeld 19 bevorzugt seitlich
um den Elektromagneten 18 herum ausbildet und nicht an den Stirnseiten des Elektromagneten.
Der Elektromagnet 18 wird in dem zylindrischen Raum 24 im Innern des konischen Abschnitts
13 (Fig. 3) untergebracht.
-
über die Länge des konischen Abschnitts 13 erstrecken sich die Turbulenzstäbe
25, die dem Gehäuse 12 einstückig angeformt sind. Die Turbulenzstäbe 25 sind radial
abstehende Rippen, die in gleichmäßigen Winkelabständen über den Umfang des konischen
Abschnitts 13 verteilt sind. Die Ebene, in der die Elektroden 20 angeordnet sind,
ist eine Querschnittsebene des Rohres 11. Die beiden auf der Anströmseite, d.h.
von den Elektroden 20 aus gesehen stromaufwärts, angeordneten Turbulenzstäbe 25,
befinden sich an Stellen, die in Umfangsrichtung des Gehäuses, um 450 in Bezug auf
die Ebene der Elektroden 20 vcr,cLzt sind, so daß der UmfanCjswinkel,der von den
Turbulenzstäben 25 eingeschlossen wird, 90° butragt. Auf der
Abströmseite,
also stromabwärts von der Ebene der Elektroden 20, sind die Turbulenzstäbe 26 angeordnet,
die ebenfalls umfangsmäßig um jeweils 45" in Bezug auf die Ebene der Elektroden
20 versetzt sind, und die zwischen sich ebenfalls einen Umfangswinkel von 900 einschließen.
-
Bei der Darstellung gemäß Fig. 2 hat der (gedachte) Umfangskreis,
der die Turbulenzstäbe 26 umschließt, an allen Stellen der Höhe des konischen Teils
13 denselben Durchmesser. Bei der Ausführungsform von Fig. 3 verjüngt sich jedoch
der Umfangskreis, der die Turbulenzstäbe 25 und 26 einschließt, nach unten hin.
In beiden Fällen nimmt die radiale Weite der Turbulenzstäbe 25, 26 von oben nach
unten hin zu. Der Durchmesser eines die Turbulenzstäbe 25, 26 umschließenden Kreises
ist an keiner Stelle größer als der Durchmesser des zylindrischen Abschnitts 14.
-
Wenn die Strömung der in dem Rohr fließenden Flüssigkeit aus Richtung
des Pfeiles 27 gemäß Fig. 4 auf das Gehäuse 13 auftrifft, bewirken die stromabwärts
angeordneten Turbulenzstäbe 26 auf beiden Seiten einen definierten Strömungsabriß
hinter den Elektroden 20. Die stromaufwärts angeordneten Turbulenzstäbe 25 sind
hierbei eigentlich überhaupt nicht erforderlich. Diese Turbulenzstäbe 25 haben den
Zweck, bei einer Strömung in Gegenrichtung definierte Abrißkanten der Strömung zu
schaffen.
-
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die stromaufwärts angeordneten
Turbulenzstäbe 25 das Meßergebnis nicht nachteilig beeinflusssen, obwohl sie Turbulenzen
im Bereich der Elektroden 20 hervorrufen können. Da alle
vier Turbulenzstäbe
25 und 26 gleichbleibende Abrißpunkte der Strömung schaffen, ergibt sich in einem
großen Geschwindigkeitsbereich der Strömung eine gute Linearität und Viskositätunabhängigkeit
der an den Elektroden 20 abgegriffenen Meßspannung.
-
Das freie schmale Ende des konischen Bereichs 30 des Gehäuses 12 ist
als Kugelkappe 28 ausgebildet, um zu verhindern, daß die Strömung bei bestimmten
Druck- und Geschwindigkeitsverhältnissen an dieser Fläche abreißt.
-
Es ist auch dadurch ein definierter Strömungsabriß zu erzeugen, daß
man anstelle eines konischen oder zylindrischen Grundkörpers mit Turbulenzstäben
einen Grundkörper mit vieleckigem (z.B. achteckigen) Querschnitt verwendet, wobei
die Strömung an den ablaufseitigen scharfen Kanten abreißt.
-
In Fig. 5 ist ein Rohrstück 30 dargestellt, das in eine Rohrleitung
eingesetzt werden kann und zur Anbringung von zwei (nicht dargestellten) Sonden
10 dient. Das Rohrstück 30 besteht aus einem dickwandigen Mantel aus Kunststoff.
Durch die Wand des Mantels erstrecken sich achsparallele Bohrungen 32. Das Rohr
30 kann zwischen zwei Flansche einer Rohrleitung eingesetzt und mit Hilfe von Zugstangen,
die durch die Bohrungen 32 hindurchgesteckt werden, an den Flanschen befestigt werden.
Das Rohr 30 weist zwei nach entgegengesetzten Richtungen radial abstehende Stutzen
33 auf, in die jeweils eine Sonde 10 eingesetzt werden kann. Von dem
Boden
eines jeden Stutzens 33 führt eine Öffnung in das Rohrinnere hinein. Durch diese
Öffnung kann der konische Abschnitt 13 der betreffenden Sonde hindurchgesteckt werden,
während der zylindrische Abschnitt 14 im Innern des Stutzens 33 verbleibt. Wenn
gemäß Fig. 5 zwei oder noch mehr Sonden vorgesehen werden, können diese Sonden gemeinsam
an einen einzigen Meßumformer angeschlossen werden, um einen Mittelwert zwischen
den Meßspannungen der einzelnen Sonden zu bilden.