DE3704413A1 - Elektromagnetischer durchflussmesser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Durchflußmesser.

Elektromagnetische Durchflußmesser wie sie beispielsweise in den US-PS 36 95 104, 38 24 856, 37 83 687 und 39 65 738 beschrieben sind, dienen speziell zur Messung volumetrischer Strömungsgeschwindigkeiten von strömenden Medien, die schwer handhabbar sind. Dabei handelt es sich beispielsweise um korrosive Säuren, Abwässer und Schlämme. Da ein solches Meßinstrument keine Strömungshindernisse aufweist, neigt es nicht zu Verstopfungen oder Verschmutzungen.

In einem elektromagnetischen Durchflußmesser wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, dessen Flußlinien wechselweise senkrecht auf der Längsachse des Strömungsrohres bzw. Spulenkörpers, durch das bzw. durch den das zu messende strömende Medium geleitet wird, sowie auf der Querachse stehen, längs denen die Meßelektroden an sich diametral gegenüberliegenden Stellen in Bezug auf den Spulenkörper angeordnet sind. Die Funktion eines derartigen Meßinstrumentes beruht auf dem Faraday-Induktionsgesetz, wonach die in einem sich rechtwinklig durch ein Magnetfeld bewegenden Leiter induzierte Spannung proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit des Leiters ist. Das zu messende strömende Medium bildet im Effekt eine sich durch das Magnetfeld bewegende Folge von Strömungsmediumleitern. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, um so größer ist der Augenblickswert der an den Elektroden erzeugten Spannung.

In den US-PSen 40 19 366 und 40 98 118 sind Meßinstrumente beschrieben, die an Stelle von direkt mit dem zu messenden strömenden Medium in Kontakt stehenden kleinflächigen Meßelektroden in Isolationsmaterial eingekapselte Elektrodenanordnungen verwenden. Jede Elektrodenanordnung wird dabei durch eine Meßelektrode mit einer großen Fläche gebildet, hinter der sich eine gesteuerte Schirmelektrode noch größerer Fläche befindet, wobei die Meßelektroden durch eine Isolationsschicht vom strömenden Medium isoliert sind. Jede Meßelektrode bildet eine Platte eines Kondensators, dessen Dielektrikum die isolierende Schicht und dessen andere Platte das strömende Medium ist, wobei die Elektroden zur Erfassung der im strömenden Medium induzierten Spannung als Kapazitätssensor wirken.

Ein Kondensatorelektrodensensor dieser Art ist nicht mit Verschlämmungs- und galvanischen Rauschproblemen behaftet und leckt auch nicht. Ein weiterer Vorteil eines derartigen kapazitiven Sensors gegenüber Kontaktelektroden in einem elektromagnetischen Durchflußmesser ist darin zu sehen, daß der Leitfähigkeitsbereich des zu messenden strömenden Mediums bis hinunter zu 0,1 µS/cm oder weniger reichen kann und daß an Stelle spezieller Materialien, die den nachteiligen Effekten von korrodierenden oder reibenden strömenden Medien an den Elektroden widerstehen, gewöhnliche Metalle für die Elektroden verwendet werden können.

In einer schwebenden Patentanmeldung der Anmelderin (Aktenzeichen der US-Patentanmeldung 6 25 205) ist ein elektromagnetischer Durchflußmesser beschrieben, welcher einen aus einer metallisierbaren Keramik gebildeten Spulenkörper aufweist, durch den das zu messende strömende Medium geleitet wird. Die Außenfläche dieses Spulenkörpers ist in ihrem zentralen Bereich metallisiert um ein Paar von kapazitiven Meßelektroden an sich diametral gegenüberliegenden Stellen zu realisieren, wobei im Spulenkörper ein elektromagnetisches Feld ausgebildet wird, wodurch zur Erzeugung eines Signals an den Meßelektroden, das eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit ist, eine elektromotorische Kraft (EMK) erzeugt wird, wenn das strömende Medium das Feld schneidet. Über jeder Meßelektrode liegt ein vom Spulenkörper weg weisender Keramikblock, dessen Außenfläche metallisiert ist, um eine die Meßelektrode bedeckende Schirmelektrode zu bilden.

In der vorgenannten Patentanmeldung ist der Keramik-Spulenkörper aus Aluminiumoxid hergestellt. Dieses Material besitzt eine konsistente Dielektrizitätskonstante und einen hohen spezifischen Widerstand in einem großen, in Durchflußmessern zu erwartenden Temperaturbereich. Aluminiumoxid besitzt weiterhin eine ausgezeichnete Abrieb- und Korrosionsfestigkeit und kann daher für zu messende korrodierende strömende Medium verwendet werden. Jede Elektrode bildet eine Platte eines Kondensators, dessen Dielektrikum die Keramik ist, auf die sie aufgebracht ist, und dessen andere Platte das zu messende strömende Medium ist. Daher wird das Strömungssignal mittels eines Paars von im Körper des Aluminiumoxid-Spulenkörpers angeordneten Kondensatoren gemessen. Je kleiner die Kapazitätswerte dieser Kondensatoren sind, um so höher ist die resultierende elektrische Impedanz.

Da Aluminiumoxid eine Dielektrizitätskonstante von 9 besitzt, ist die Kapazität der beiden Plattenkondensatoren vergleichsweise klein. Die resultierende hohe Impedanz führt zu Problemen bei der Erfassung des im strömenden Medium induzierten und durch die Elektroden aufgenommenen Strömungssignals. Es wird daher erforderlich, relativ komplizierte und aufwendige Vorverstärker- und Verstärkerstufen zu verwenden. Da der durch die Vorverstärker bedingte Rauschbetrag eine Funktion ihrer Quelleneingangsimpedanz ist, ist der Rauschpegel in dem vorstehend erläuterten Durchflußmesser relativ hoch und führt zu Schwierigkeiten bei der Unterscheidung zwischen dem Strömungssignal und dem Rauschen, wodurch genaue Strömungsgeschwindigkeitsmessungen schwierig werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Durchflußmesser mit gegenüber Aluminiumoxid weit höherer Dielektrizitätskonstante anzugeben, wobei für einen zugehörigen Vorverstärker eine kleine Quellenimpedanz realisierbar und ein im wesentlichen rauschfreies Ausgangssignal erzeugbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht der Kern der Erfindung darin, daß das Strömungssignal durch ein Paar von Plattenkondensatoren mit hohem Kapazitätswert zur Realisierung einer relativ kleinen Quellenimpedanz gemessen wird.

Bei einem elektromagnetischen Durchflußmesser ist ein von dem zu messenden strömenden Medium durchfließbarer Spulenkörper aus einer metallisierbaren Keramik mit einer Dielektrizitätskonstante von wenigstens 25 vorgesehen. Die Außenfläche dieses Spulenkörpers ist in ihrem zentralen Bereich metallisiert, um ein Paar von kapazitiven Meßelektroden an sich diametral gegenüberliegenden Stellen zu bilden, wobei ein elektromagnetisches Feld im Spulenkörper gebildet wird, wodurch zur Erzeugung eines Signals an den Meßelektroden, das eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit ist, eine EMK induziert wird, wenn das strömende Medium das Feld schneidet. Über jeder Meßelektrode liegt ein vom Spulenkörper weg weisender Keramikblock, dessen Außenfläche zur Bildung einer die jeweilige Meßelektrode bedeckenden Schirmelektrode metallisiert ist.

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

Fig. 1 einen Schnitt eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Durchflußmessers;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Strömungsmessers ohne Block für eine Schirmelektrode, wodurch eine Meßelektrode freigelegt wird;

Fig. 3 eine ebene Ansicht des die Schirmelektrode tragenden Blocks;

Fig. 4 einen Schnitt des Blocks gemäß Fig. 3 in einer Ebene IV-IV;

Fig. 5 eine Innenansicht des Schirmblocks nach Fig. 3; und

Fig. 6 eine Seitenansicht des Schirmblocks.

Ein erfindungsgemäßer elektromagnetischer Durchflußmesser besitzt einen zylindrischen Meß-Spulenkörper 2 mit Endflanschen vergrößerten Durchmessers. Dieser Spulenkörper ist aus metallisierbarer Keramik mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, guten elektrischen Isolationseigenschaften und ausreichender Festigkeit für die beabsichtigte Verwendung hergestellt.

Die Dielektrizitätskonstante eines keramischen Materials wird durch das Verhältnis der Kapazität eines Kondensators mit diesem Material als Dielektrikum zum gleichen Kondensator mit Vakuum als Dielektrikum bestimmt. Die Dielektrizitätskonstante von Aluminiumoxid ist 9. Wie bereits ausgeführt, ergibt sich bei Verwendung von Aluminiumoxid als Keramik für den Meß-Spulenkörper gemäß der oben genannten Patentanmeldung eine hohe Impedanz des Plattenkondensators mit den damit verbundenen Schwierigkeiten.

In einem erfindungsgemäßen Durchflußmesser wird eine metallisierbare Keramik verwendet, deren Materialeigenschaften den Anforderungen des Meßinstrumentes genügen und deren Dielektrizitätskonstante wenigstens 25 beträgt. Diese Dielektrizitätskonstante ist daher weit höher als diejenige vom Aluminiumoxid. Aufgrund dessen ist die Elektrodenimpedanz weit kleiner.

Ein bevorzugtes keramisches Material ist Titandioxid (TiO₂), dessen Dielektrizitätskonstante in einem Bereich von 140 bis 160 liegt und daher erfindungsgemäß zu Plattenkondensatoren mit weit höherem Kapazitätswert im Vergleich zur Verwendung von Aluminiumoxid für den keramischen Spulenkörper führt.

Als Keramik für den Spulenkörper ist auch teilstabilisiertes Zirkonoxid (ZrO₃) verwendbar. In nicht stabilisierter Form ist dieses Material zur Herstellung piezoelektrischer Kristalle und keramischer Glasuren verwendbar. Bei Stabilisierung mit CaO ist es als hitzebeständige Ofenauskleidung verwendbar. In teilstabilisierter Form (PSZ) besitzt Zirkonoxid eine Dielektrizitätskonstante von etwa 25.

Auf die Außenfläche des Spulenkörpers 2 ist in dessen zentralem Bereich an sich diametral gegenüberliegenden Stellen beispielsweise durch Abscheidung im Vakuum, ein Paar von nicht magnetischen Meßelektroden 4 und 6 aufmetallisiert. Diese Meßelektroden 4 und 6, welche an die Krümmung des Spulenkörpers angepaßt sind und Rechteckform besitzen sind in Bezug auf eine Elektrodenachse X, welche senkrecht auf einer Längsströmungsachse Z des Spulenkörpers steht, symmetrisch angeordnet. Auf der Außenfläche des Spulenkörpers ist an sich diametral gegenüberliegenden Stellen ein Paar von elektromagnetischen Feldwicklungen 20 und 22 montiert, die in Bezug auf eine Wicklungsachse Y, die wechselweise senkrecht auf den Achsen X und Z steht, symmetrisch angeordnet sind.

Weiterhin sind auf die Außenfläche des Spulenkörpers 2 in dem Bereich, welcher die Meßelektroden 4 und 6 umgibt, symmetrisch angeordnete Schirmbereiche 8 und 10 aufmetallisiert, die durch sich diametral gegenüberliegende Spalten 9 und 11 voneinander getrennt sind.

Die Meßelektroden 4 und 6 sind durch vom Spulenkörper wegweisende Blöcke 16 und 18 bedeckt, die jeweils eine konkave Innenfläche zur Anpassung an die Krümmung des Spulenkörpers besitzen und aus dem gleichen metallisierbaren keramischen Material wie der Spulenkörper hergestellt sind. Die Oberfläche der Blöcke 16 und 18 ist zur Bildung von Schirmelektroden 12 und 14 metallisiert. Die Ränder dieser Schirmelektroden 12 und 14 sind mit den Schirmbereichen 8 und 10 verlötet.

Auf den Außenflächen der Blöcke 16 und 18 sind Impedanzwandler 28 und 30 gehaltert. Diese sind durch Leistungen 24 und 26 mit den Meßelektroden 4 und 6 verbunden, wobei die Leitungen durch eine Öffnung im Zentrum der Schirmelektroden 12 und 14 sowie durch die keramischen Blöcke verlaufen.

Die Impedanzwandler bzw. Vorverstärker 28 und 30, welche vorzugsweise als Hybrid-Schaltkreise ausgebildet sind, befinden sich in durch Schirmmetallkappen 32 und 34 gebildeten Gehäusen, deren Ränder mit den entsprechenden Bereichen in den aufmetallisierten Schirmelektroden 12 und 14 auf den Blöcken 16 und 18 verlötet sind.

Im erfindungsgemäßen elektromagnetischen Durchflußmesser sind die Meßelektroden beinahe vollständig durch die Schirmelektroden auf dem Äußeren des Spulenkörpers bedeckt. Da die Elektroden aufmetallisiert sind, haben sie eine vernachlässigbare Dicke im Bereich von kleiner 10µ. Daher beeinflussen die Elektroden die Funktion der elektromagnetischen Feldwicklungen nicht. Erfindungsgemäß wird es möglich, die Streukapazität der Meßelektroden auf weniger als 0,5% der Elektrodenkopplungskapazität zu reduzieren.

Gegenüber einer Verbindung der Elemente der Schirmelektroden durch Zusammenpressen ist das Löten zur Realisierung dieser Verbindung bevorzugt. Durch Montieren der Vorverstärker bzw. Impedanzwandler in Schirmkappen auf den die Meßelektroden bedeckenden Blöcken werden Mikrophoneffekte vermieden, die sonst bei einer Kabelverbindung zu diesen Verstärkern auftreten würden.

Da der Spulenkörper aus Keramik mit einer hohen Dielektrizitätskonstante hergestellt und die durch die Plattenkondensatoren gebildete Quellimpedanz klein ist, sind die zur Weiterleitung des Strömungssignals von den Elektroden verwendeten elektronischen Verstärkerschaltungen weit weniger kompliziert und aufwendig, als dies bei einer hohen Quellimpedanz der Fall ist.

Da der von den Vorverstärkern herrührende Betrag des Rauschens eine Funktion von deren Eingangsimpedanz (im wesentlichen Kapazität zwischen Elektroden und strömendem Medium) ist, wird durch die kleine Eingangsquellimpedanz ein weit geringeres Rauschen erzeugt. Das endgültige Ausgangssignal des Durchflußmessers ist daher relativ rauschfrei, wobei das die Strömungsgeschwindigkeiten repräsentierende Signal sauber und störungsfrei ist und die Meßgenauigkeit nicht beeinträchtigt.

Darüber hinaus wird die kapazitive Belastung wesentlich reduziert, wodurch eine mögliche Fehlerquelle minimal gehalten wird. Aufgrund seiner kleinen Quellimpedanz ist der Durchflußmesser elektrostatisch weniger empfindlich und besitzt daher eine bessere Null-Stabilität. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung handelt es sich also um einen kompakten und im wesentlichen rauschfreien elektromagnetischen Durchflußmesser mit dem Strömungsgeschwindigkeiten effizient und genau meßbar sind.

Von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind im Rahmen der Erfindungen Abwandlungen möglich. So können die Elektroden anstelle der Aufmetallisierung auf die Außenfläche des keramischen Spulenkörpers auch als Metallfolien ausgebildet sein, welche um die Außenfläche des Spulenkörpers gewickelt und mit diesem fest verbunden werden. Weiterhin können sie als metallische Schicht auf einem Kunststoffilm ausgebildet sein, der auf der Außenfläche des Spulenkörpers befestigt wird, wobei sich in diesem Falle zwischen der Elektrodenebene und der Außenfläche kleine Räume ergeben. Die Metallelektroden können auch in den Spulenkörper eingebettet werden. Bei allen diesen abgewandelten Elektroden-Ausführungsformen befindet sich zwischen den Elektroden und dem strömenden Medium eine dielektrische keramische Schicht zur Bildung einer Kapazität.

Claims (8)

1. Elektromagnetischer Durchflußmesser, gekennzeichnet durch einen vom zu messenden strömenden Medium durchfließbaren Spulenkörper (2) aus keramischem Material mit einer Dielektrizitätskonstante von wenigstens 25, ein Paar von Meßelektroden (4, 6), die an sich gegenüberliegenden Stellen auf einer zur Strömungsachse des Spulenkörpers (2) senkrechten Achse benachbart zu oder auf der Außenfläche des Spulenkörpers (2) angeordnet sind, ein Paar von auf dem Spulenkörper äußeren an sich gegenüberliegenden Stellen auf einer sowohl zur Elektrodenachse als auch zur Strömungsachse senkrechten Wicklungsachse angeordneten elektromagnetischen Wicklungen (20, 22) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes im Spulenkörper (2), das durch das strömende Medium zur Erzeugung einer EMK in diesem durchsetzt wird, um ein Strömungssignal an den Meßelektroden (4, 6) zu erzeugen, das eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit ist, wobei jede Elektrode (4, 6) eine Platte eines Kondensators bildet, dessen Dielektrikum das keramische Material und dessen andere Platte das strömende Medium ist, wodurch das Strömungssignal durch zwei Plattenkondensatoren hoher Kapazität und kleiner Quellimpedanz gemessen wird, und eine an die Elektroden (4, 6) angekoppelte Verstärkeranordnung (28, 30), bei der die Quellimpedanz die Eingangsimpedanz ist, um ein praktisch rauschfreies Ausgangssignal zu erzeugen.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material metallisiert ist und daß die Elektroden (4, 6) auf die Außenfläche des Spulenkörpers (2) aufmetallisiert sind.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch jeweils einen Block (16, 18) aus metallisierbarer Keramik des gleichen Materials wie die Keramik des Spulenkörpers (2), der jeweils über einer Meßelektrode (4, 6) liegt und vom Spulenkörper (2) wegragt, wobei die Außenfläche des jeweiligen Blocks (16, 18) zur Bildung jeweils einer die jeweilige Meßelektrode (4, 6) bedeckenden Schirmelektrode (12, 14) metallisiert ist.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbereich des Spulenkörpers (2), welcher die Meßelektroden (4, 6) umgibt, zur Bildung eines Paars von symmetrischen Schirmbereichen (8, 10) metallisiert ist.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmbereiche (8, 10) mit einem Paar von sich diametral gegenüberliegenden Spalten (9, 11) versehen sind.

6. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der aufmetallisierten Schirmelektroden (12, 14) mit dem jeweils zugehörigen aufmetallisierten Schirmbereich (8, 10) verlötet sind.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik Titandioxid ist.

8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik teilstabilisiertes Zirkonoxid ist.