DE3528243A1 - Magnetisch-induktiver durchflussmesser fuer kleine stroemungsquerschnitte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetisch-induktiven Durch­ flußmesser entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Magnetisch-induktive Durchflußmesser herkömmlicher Art, wie sie in ihrem Grundaufbau beispielsweise aus der DE-OS 24 54 469 bekannt sind, arbeiten in der Weise, daß auf der Außenseite am Strömungskanal an gegenüber­ liegenden Seiten starke Elektromagnete angeordnet sind, deren magnetisches Feld die Querschnittsebene des Strö­ mungskanals durchsetzt. Um 90 Grad versetzt hierzu sind im Inneren des Strömungskanals Meßelektroden angeordnet, die entweder als Kontaktelektroden ausgebildet sind, d. h. auf der Innenseite der Isolierabdeckung liegen und mit dem zu messenden Medium in Berührung stehen, oder aber, wie in der DE-AS 24 54 469 gezeigt, als kapa­ zitiv wirkende Meßelektroden ausgebildet sind, die in die Isolierabdeckung der Kanalinnenwandung eingebettet sind.

Durchflußmesser dieser Bauart zeigen bei größeren Rohrdurchmessern, beispielsweise ab Nennweiten von 200 mm erhebliche Probleme sowohl hinsichtlich der Anordnung und Auslegung der am Strömungskanal anzu­ bringenden Elektromagneten zur Erzeugung des magnetischen Feldes als auch hinsichtlich der elektrisch-isolierenden Auskleidung der Kanalinnenwandung. Aber auch für die Messung von geringen Durchflußmengen mit Durchmessern für den Strömungskanal von weniger als 20 mm ergeben sich ebenfalls erhebliche konstruktive, herstellungstech­ nische und meßtechnische Probleme hinsichtlich Aufbau und Anordnung der einzelnen Elemente. Ein besonderes Problem stellt hierbei die Herstellung des Strömungskanals im Bereich der Meßstelle dar, da dieser bisher nur in sehr aufwendigen Verfahren mit Hilfe von Räumnadeln hergestellt werden konnte, weil gerade Strömungskanäle in dieser Größenordnung einen rechteckigen oder quadra­ tischen Querschnitt aufweisen müssen, um überhaupt zu definierten Zuordnungen von Feldlinien zu Stromrichtungen zu kommen.

Bei der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Bau­ form für einen magnetisch-induktiven Durchflußmesser werden insbesondere die konstruktiven und meßtechnischen Probleme für große Strömungsquerschnitte dadurch behoben, daß jeweils eine Meßelektrode mit einem Magneten als Baueinheit zu einem Durchflußsensor zusammengefaßt wird und daß dann zwei Durchflußsensoren, die jeweils über ein eigenes Magnetfeld verfügen, in einer Querschnitts­ ebene des Strömungskanals gegenüberliegend angeordnet und mit einer entsprechenden Meßumformerschaltung so verschaltet sind, daß die beiden von den Elektromagne­ ten erzeugten Magnetfelder innerhalb der zu messenden Strömung wie ein quer zur Strömungsrichtung und quer zur Stromflußrichtung verlaufendes magnetisches Gleich­ feld wirken.

Ausgehend von dieser Grundidee, jeder der beiden erfor­ derlichen Meßelektroden ein "eigenes Magnetfeld" zuzu­ ordnen und somit Meßelektrode und Magnet als Durchfluß­ sensor zu einer Baueinheit zusammenzufassen, liegt nun die Aufgabe der Erfindung darin, einen magnetisch-induk­ tiven Durchflußmesser der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, der auch für kleine Kanalquerschnitte zu vertretbaren Kosten herstellbar ist und einwandfreie Messungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Mitteln des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß nunmehr die bisher übliche aufwendige Herstellung des Meßkanals entfallen kann, da der Meßkanal im wesentlichen durch die rinnenförmigen Ausnehmungen der mit ihren Stirnseiten gegeneinander gesetzten Tragkörper der beiden Durchfluß­ sensoren gebildet wird. Im einfachsten Fall wird der Querschnitt des Meßkanals insgesamt durch die beiden rinnenförmigen Ausnehmungen bei stirnseitig aneinander­ liegenden Tragkörpern der Durchflußsensoren gebildet. Damit kann ein Meßkanal mit geringem Querschnitt in einfacher Weise mit Hilfe eines Form- oder Scheiben­ fräsers maßgenau hergestellt werden. Die Querschnitts­ kontur der Rinne kann hierbei kreisbogenförmig, aber auch eckig sein, beispielsweise rechteckig, so daß der Gesamtquerschnitt des aus beiden rinnenförmigen Ausneh­ mungen gebildeten Meßkanals dann quadratisch ist. Aber auch trapezförmige Querschnittsformen sind möglich. Das erfindungsgemäße System ist auch dann anwendbar, wenn die beiden Tragkörper nicht dicht aneinander­ liegen, so daß ein Teil der Wandungen des Meßkanals durch ein Gehäuse gebildet wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 2 gekennzeichnet. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, den Strömungskanal als festes Bauteil auszubilden, da die Zu- und Ableitungen zum Meßkanal fest mit dem Gehäuse verbindbar sind. Die Durchflußsensoren können dann in die andere Bohrung eingeschoben werden, so daß diese Bauteile im Falle einer Störung einfach auswechselbar sind.

Die durch den Anspruch 3 gekennzeichnete Ausgestaltung hat den Vorteil, daß eine optimale Ausrichtung des Ver­ laufs der Feldlinien im Bereich der rinnenförmigen Aus­ nehmung erzielt werden kann, so daß sich beispielsweise bei einer rinnenförmigen Ausnehmung mit rechteckigem Querschnitt ein praktisch geradliniger Feldlinienverlauf senkrecht zur Ausrichtung der Meßelektrode und sich damit praktisch ein homogenes Magnetfeld im Meßkanal ergibt.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 5 wird eine Bauform angegeben, die auch noch eine magnetisch-induktive Durch­ flußmessung bei sehr kleinen Querschnitten für den Meß­ kanal, beispielsweise in der Größenordnung von nur 1 mm² erlaubt. Bei dieser Anordnung wird nur einer der Durchflußsensoren mit einer rechteckigen Ausnehmung von entsprechender Breitenabmessung vorgesehen, der mit einem Elektromagneten versehen ist, dessen Polflächen vom Inneren des Tragkörpers her jeweils gegen die Seiten­ wandungen der rinnenförmigen Ausnehmung gerichtet sind. Der andere Tragkörper weist demgegenüber keinen Magneten auf und dient lediglich als Abdeckung der rinnenförmigen Ausnehmung zur Bildung des Strömungskanals und als Träger für die zugehörige Meßelektrode. Die beiden Tragkörper liegen dann wiederum mit ihren Stirnflächen dicht aneinander. Da die Polflächen vom Inneren des Tragkörpers her unmittelbar an den Seitenwandungen des Meßkanals liegen, ergibt sich somit eine eindeutige Ausrichtung des Magnetfeldes.

Eine bevorzugte konstruktive Ausgestaltung für derartige Durchflußmesser mit extrem kleinen Strömungsquerschnitten ist in Anspruch 6 angegeben. Bei dieser Ausführungsform wird die rinnenförmige Ausnehmung in dem einen Tragkörper als verhältnismäßig tiefer Schlitz ausgebildet, in den ein entsprechend bemessener stegförmiger Vorsprung am anderen Tragkörper einschiebbar ist. Hierdurch ist es möglich, innerhalb bestimmter Bereiche mit nur zwei Bauelementen Strömungsquerschnitte unterschiedlicher Größe dadurch einzustellen, daß der stegförmige Vorsprung nur soweit in die rinnenförmige Ausnehmung eingeschoben wird, bis der gewünschte freie Strömungsquerschnitt erreicht wird. Der jeweils verbleibende Spalt zwischen den beiden Stirnflächen der Tragkörper kann dann durch dichtende Zwischenlagen, die zugleich die Einsteckweite begrenzen, abgedichtet werden, so daß die zu messende Flüssigkeitsmenge ausschließlich durch den Meßkanal strömt.

Die in Anspruch 7 angegebene Ausgestaltung gilt insbesondere für Durchflußmesser, bei denen durch die Zuordnung von rinnenförmiger Ausnehmung einerseits und stegförmigem Vorsprung andererseits der Kanalquerschnitt einstellbar ist. Durch die axiale Verschiebbarkeit des Elektromag­ neten innerhalb des einen Tragkörpers kann die Ausrichtung des Magnetfeldes, aber auch die Stärke des das zu messende Medium durchsetzenden Magnetfeldes genau justiert werden.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung ist auch in den Merkmalen des Anspruchs 8 angegeben. Dadurch, daß die Verbindungs­ leitung von der Meßelektrode zur Meßumformerschaltung durch eine neutrale Phase des Magneten hindurchgeführt wird, kann eine Störung aufgrund des pulsierenden oder wechselnden Magnetfeldes auf das Meßergebnis ausgeschlos­ sen werden.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen magnetisch induktiven Durchflußmesser in größerem Maßstab,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine andere Aus­ führungsform für etwas größere Kanalquer­ schnitte.

Fig. 4 einen Querschnitt für eine Ausführungsform mit Kleinstquerschnitten in stark ver­ größerter Darstellung.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform weist ein Gehäuse 1 auf, das mit zwei sich in einer Ebene kreuzenden Bohrungen 2 und 3 (Fig. 2) versehen ist. An die Bohrung 2 ist an beiden Enden an der Außenseite eine Anschlußarmatur 4 für den Anschluß einer Zu- und einer Ableitung für das strömende Medium vorgesehen.

Die Bohrung 3 weist einen wesentlich größeren Durchmesser auf und dient der Aufnahme von zwei Durchflußsensoren 5. Diese Durchflußsensoren weisen einen zylindrischen Tragkörper 6 aus einem elektrisch nicht leitenden Material auf, der an einer Stirnseite 7 mit einer rinnenförmigen Ausnehmung 8 versehen ist. Die beiden Tragkörper 5 werden nun in die Bohrung 3 von beiden Seiten in das Gehäuse eingeschoben, so daß sie mit ihren Stirnflächen 7 dicht aneinanderliegen und die rinnenförmigen Ausnehmungen 8 zusammen einen Meßkanal mit quadratischem Querschnitt bilden, der sich nach beiden Seiten hin an die Durch­ gangsbohrung 2 anschließt.

Der zylindrische Tragkörper weist nun im Bereich der rinnenförmigen Ausnehmung 8 eine massive Bodenplatte 9 auf, in die zwei im wesentlichen rechteckige Taschen 10 auf der Innenseite eingearbeitet sind. In den zwischen den beiden Taschen 10 verbleibenden Mittelsteg 11 ist nun eine Meßelektrode 12 eingedrückt, deren Kopfteil 13 den Boden der rinnenförmigen Ausnehmung 8 bildet und deren anderes Ende über eine Verbindungsleitung 14, die axial herausgeführt ist, mit der hier nicht näher dargestellten Meßumformerschaltung verbunden ist. Die Meßelektrode 12 ist formschlüssig und flüssigkeits­ dicht im Steg 11 verankert.

In den Innenraum des Tragkörpers 6 ist das C-förmig gebogene Eisenjoch 15 eines Elektromagneten in der Weise eingesetzt, daß die Polschuhe 16 in den Taschen 10 ge­ halten sind, so daß die Polflächen 17 der Polschuhe 16 von innen her gegen die Seitenwandungen 18 der rinnen­ förmigen Ausnehmung gerichtet sind. Um den Steg 19 des Eisenjochs ist die Spule 20 gewickelt, die im vorliegen­ den Fall geteilt ist, um die Durchführung der Verbindungs­ leitung 14, die als abgeschirmte Leitung ausgebildet ist, zu ermöglichen.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, liegen die beiden Durchflußsensoren 5 mit ihren Stirnflächen 7 dicht an­ einander und sind durch entsprechende Preßstücke 21 im Gehäuse gehalten. Der Spalt zwischen dem Tragkörper 6 und der Innenwandung der Bohrung 3 ist über entsprechen­ de Dichtungen, beispielsweise ein O-Ring 22 druck- und flüssigkeitsdicht abgedichtet.

Wird die Spule 20 nunmehr an eine Stromquelle angeschlossen, wobei die Spulen beider Durchflußsensoren 5 so geschaltet sind, daß die sich stirnseitig gegenüberliegenden Pole beider Durchflußsensoren jeweils gleichnamig sind, so ergibt sich aufgrund der geometrischen Zuordnung der Polflächen 17 zum Strömungskanal praktisch über den ganzen Kanalquerschnitt ein homogener Feldlinienverlauf, wie er in Fig. 1 angedeutet ist.

Aus Fig. 1 ist ferner ersichtlich, daß mit einer Basis­ größe für einen derartigen Durchflußsensor nach Art eines Baukastensystems mit nur wenigen Einzelteilen Durchflußmeßgeräte für praktisch jeden beliebigen Kanal­ querschnitt innerhalb eines Größenbereichs hergestellt werden können. So lassen sich mit einer Magnetgröße und einer Größe für den Tragkörper nur durch unter­ schiedliche Ausfräsung der rinnenförmigen Ausnehmung 8 und entsprechend schmale bemessene, den Rinnenboden bildende Meßelektroden 13 auch kleinere Kanalquerschnitte als die dargestellte Kanalquerschnittform herstellen. Alle übrigen Teile wie Gehäuse, Magneten etc. können unverändert bleiben. Lediglich die Bohrung für den Strö­ mungskanal 2 muß in ihrer Größe entsprechend angepaßt werden oder aber es werden entsprechend dimensionierte Einsatzrohre zur Verminderung des Strömungsquerschnittes eingesetzt. Das Gehäuse 1 wird aus einem korrosionsbe­ ständigen Metall hergestellt, beispielsweise aus V2A, während die Tragkörper 6 aus einem elektrisch nicht leitenden und ebenfalls korrosionsbeständigen Material hergestellt sind, beispielsweise PTFE.

In Fig. 3 ist in einem Schnitt entsprechend dem Schnitt gemäß Fig. 1 eine etwas andere Ausführungsform darge­ stellt, die es erlaubt, statt eines Meßkanals mit eckigem Querschnitt einen Meßkanal mit rundem Querschnitt vorzu­ sehen. Bei dieser Ausführungsform ist das Gehäuse 1′ mit einer Bohrung 2′ versehen, die wiederum als Strö­ mungskanal dient. Die quer hierzu verlaufenden Bohrungen 3′ zur Aufnahme der Durchflußsensoren 5 (hier ist nur ein Durchflußsensor dargestellt) sind hier nicht als durchgehende Bohrungen, sondern als Sacklöcher ausgebil­ det, deren Boden 23 durch die Bohrung 2′ angeschnitten wird, so daß hier ein Schlitz entsteht. Die Bohrungen 3′ sind somit durch zwei Reststege 25 des Gehäuses ge­ trennt.

Dementsprechend ist die rinnenförmige Ausnehmung 8′ im Tragkörper 6 der Durchflußsensoren im Querschnitt als Teil eines Kreises ausgeführt, so daß die Wandungen des Meßkanals 2′ teilweise durch die entsprechenden Begrenzungen 26 der Stege 25 und durch die Fläche der rinnenförmigen Ausnehmungen 8′ gebildet werden. Im Bodenbereich der rinnenförmigen Ausnehmungen 8′ ist wieder das Kopfteil 13 einer im Tragkörper 6 dicht ein­ gepreßten Meßelektrode 5 angeordnet.

Die Polflächen 17′ der Polschuhe 16 des zugehörigen mit einer Wicklung 20 versehenen Magneten 15 sind nun so ausgerichtet, daß sie in etwa parallel zu dem zuge­ hörigen Wandungsteil der rinnenförmigen Ausnehmung 8′ verlaufen, so daß sich der in Fig. 3 angedeutete Feld­ linienverlauf ergibt. Bei den hier in Frage stehenden Abmessungen des Strömungsquerschnittes ist für die Quali­ tät des Meßergebnisses die aus der Geometrie der Polschuhe sich ergebende Inhomogenität des Feldlinienverlaufs vernachlässigbar gering, da aufgrund der doppelseitigen Anordnung der Magneten hier eine entsprechende Beein­ flussung durch den gegenüberliegenden Magnetpol erreicht wird, so daß sich der dargestellte verzerrte Feldlinien­ verlauf ergibt und in dem für die Erzeugung der Meß­ spannung entscheidenden Bereich praktisch ein homogenes Gleichfeld vorhanden ist.

Die in Fig. 4 in stark vergrößertem Maßstab dargestellte Ausführungsform für kleinste Kanalquerschnitte unter­ scheidet sich von der anhand von Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform lediglich dadurch, daß nur ein Trag­ körper 6 in die Bohrung 3 eingeschoben ist, der als "vollständiger" Durchflußsensor ausgebildet ist, d. h. mit einem Magneten 15 versehen ist. Die rinnenartige Ausnehmung 8 ist hierbei im wesentlichen schlitzförmig ausgebildet, so daß der gegenüberliegende Tragkörper 6′, der mit einem stegförmigen Vorsprung 27 versehen ist, teleskopartig in die Ausnehmung 8 eingeschoben werden kann. Der stegartige Vorsprung 27 überragt hierbei die Stirnfläche 7′ des Tragkörpers 6′. Die in die Ausneh­ mung 8 hineinragende Stirnfläche des stegförmigen Vor­ sprungs 27 ist hierbei wiederum durch den Kopfteil 13 der Meßelektrode 12 teilweise abgedeckt, wobei der Kopf­ teil 13 so angeordnet ist, daß er diametral gegenüber dem zugehörigen Kopfteil in der Bodenfläche der Ausneh­ mung 8 liegt. Der freie Durchflußquerschnitt des durch die Ausnehmung 8 gebildeten Meßkanals kann nun dadurch verändert werden, daß der Tragkörper 6′ mit seinem Steg 27 entsprechend der gewünschten Querschnittsfläche mehr oder weniger tief in die rinnenartige Ausnehmung 8 ein­ geschoben wird. Das Maß kann hierbei durch entsprechende Distanzstücke im Bereich des Preßstücks 21′ oder aber vorteilhaft durch eingelegte Dichtungsstücke 28 fixiert werden, die den Zwischenraum zwischen der Stirnfläche 7 des Durchflußsensors 5 und der Stirnfläche 7′ des Durchflußsensors 5′ ausfüllen und zugleich in Bezug auf das Gehäuse 1 abdichten.

Zur genauen Justierung des Magnetfeldes ist bei dieser Ausführungsform der Elektromagnet 15 verschieb- und einstellbar im Tragkörper 6 des Durchflußsensors 5 an­ geordnet, so daß die genaue Ausrichtung der Polflächen 17 in Bezug auf den Meßkanal entsprechend der Einstellung des Kanalquerschnitts vorgenommen werden kann. Die Mittel zur Einstellung des Elektromagneten sind hier nicht näher dargestellt und können beispielsweise durch eine mit dem Steg 19 des Magnetjochs verbundene Schraube aus nichtmagnetischem Material gebildet werden, die in eine entsprechende Gewindebohrung des Steges 11 ein­ schraubbar ist, so daß die gewünschte Verschiebung des Magneten in Bezug auf den Meßkanal vorgenommen werden kann.

Claims (8)

1. Magnetisch-induktiver Durchflußmesser mit wenigstens einem Elektromagneten zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, das ein in einem Meßkanal strömendes elektrisch-leitfähiges Medium in einer Quer­ schnittsebene durchsetzt, wobei der Elektromagnet mit seinen Polschuhen dem strömenden Medium zugekehrt ist, und bei dem in der Querschnittsebene zwei einander gegen­ überliegende Meßelektroden angeordnet sind, die zusammen mit dem Medium den Stromkreis eines Teils einer einen Differenzverstärker aufweisenden Meßumformerschaltung bilden, wobei jeweils nur eine Meßelektrode mittig zwischen den beiden Polschuhen eines jeden Elektromagneten ange­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Polschuhe (16) des Elektromagneten (15) und die Meßelektrode (12) zumindest in ihrem dem zu messenden Medium zugekehrten Bereich in einem Tragkörper (6) aus elektrisch nicht leitendem Material eingebettet sind und einen Durchflußsensor bilden, daß wenigstens die dem strömenden Medium zugekehrte Stirnseite (7) des Tragkörpers (6), der mit einem Elektromagneten ver­ sehen ist, eine rinnenförmige Ausnehmung (8) aufweist, die parallel zwischen den Polschuhen (16) des Elektro­ magneten verläuft und in deren Grund die Meßelektrode liegt und daß die beiden Tragkörper (6) diametral gegen­ überliegend angeordnet sind und daß die rinnenförmigen Ausnehmungen (8) beider Tragkörper (6) zumindest einen wesentlichen Teil des Wandungsumfangs des Meßkanals bilden.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1) mit zwei sich in einer Ebene kreuzenden Bohrungen (2, 3), wobei in der ersten Bohrung (3) die beiden Tragkörper (6) abgedichtet eingesetzt sind und die zweite Bohrung (2) mit einer Zu- und Ableitung für das zu messende Medium verbunden ist.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Polflächen (17) der Polschuhe (16) vom Inneren des Tragkörpers (6) her jeweils gegen die Seitenwandungen der rinnenförmigen Ausnehmung (8) ge­ richtet sind.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die rinnenförmige Ausnehmung (8) einen in etwa rechteckigen Querschnitt aufweist.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tragkörper (6) keinen Magneten aufweist und nur mit einer Meßelektrode (12) versehen ist, die der Meßelektrode (12) in der rinnen­ förmigen Ausnehmung (8) des gegenüberliegenden Trag­ körpers (6) mit Magnet (15) zugeordnet ist.

6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (6′) ohne Magnet an seiner Stirnseite (7′) einen stegförmigen Vorsprung (27) aufweist, dessen Breite und Länge so bemessen ist, daß er teleskopartig in die rinnenförmige Ausnehmung (8) des gegenüberliegen­ den Tragkörpers (6) einschiebbar ist und daß die Meß­ elektrode (12) auf der Stirnfläche des Vorsprungs (27) angeordnet ist.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Elektromag­ net (15) zur Justierung des Feldes axial verschieb- und einstellbar in seinem Tragkörper (6) gehalten ist.

8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Verbindungs­ leitung (14) zwischen der Meßelektrode (12) und der Meßumformerschaltung im Bereich des zugeordneten Mag­ neten (15) mittig zwischen den beiden Schenkeln durch eine magnetisch neutrale Zone geführt ist.