DE4390337C2

DE4390337C2 - Elektromagnetischer Strömungsmesser

Info

Publication number: DE4390337C2
Application number: DE4390337A
Authority: DE
Inventors: Lawrence B Marsh
Original assignee: Marsh McBirney Inc
Current assignee: McCrometer Inc
Priority date: 1992-01-24
Filing date: 1993-01-07
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2013-01-08
Also published as: WO1993015379A1; EP0634002A1; JP3188462B2; JPH07505948A; AU3429893A; US5263374A; DE4390337T1; EP0634002B1; EP0634002A4

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Strömungs messer zum Messen der Geschwindigkeit einer Flüssigkeits strömung in einer Leitung, bei dem eine elektromagnetische Einrichtung, die vollständig außerhalb der Leitung liegt, ein Magnetfeld erzeugt, das nahe dem Innenumfang der Lei tungswand stärker und nahe der Mitte der Leitung schwächer ist.

Kurze Beschreibung des Standes der Technik

Elektromagnetische Strömungsmesser sind im patentierten Stand der Technik wohlbekannt, wie z. B. durch die bisherigen Patente für Broding, US-2,583,724, für De Boisblanc, US- 2,691,303 und für Handel, US-4,137,766, deutlich gemacht.

Strömungsmesser vom Koaxialtyp sind im Buch "The Theory of Electromagnetic Flow Measurement", 1962 von J. A. Shercliff diskutiert. Shercliff weist darauf hin, daß ein koaxialer, elektromagnetischer Strömungsmesser ein Meßgerät ist, das auf Strömungsprofile vollständig unempfindlich sei. Shercliff diskutiert zwei Arten der Realisierung eines sol chen Meßgeräts: (1) durch die Verwendung eines zentralen, einen Strom erzeugenden Teils, wodurch ein Magnetfeld er zeugt wird, das nahe der Mitte des Rohrs am stärksten und nahe dem Rohrumfang am schwächsten ist (d. h. gerade ent gegengesetzt zu dem was erforderlich ist) und (2) durch Hindurchleiten eines Stroms durch das Fluid selbst (das Fluid müßte ein leitendes Material sein), um dadurch ein Magnetfeld hervorzurufen, das in der Mitte Null und nahe der Außenwand stärker ist (richtige magnetische Form zum Erzie len eines Meßgeräts, das gegenüber Änderungen des Geschwin digkeitsprofils unempfindlich ist).

Die Patente für Kasai, US-4,809,559, und für Bourg, US- 3,589,186, repräsentieren Versuche zum Minimieren der Aus wirkung von Profiländerungen bei Strömungsmessern mit Trans versalfeld unter Verwendung von Elektroden mit großem Winkel und/oder durch geformte Magnetfelder.

Während praktisch alle Strömungsmesser moderner industriel ler Anwendungen vom Transversalfeldtyp sind, bestand ein kleiner Anteil von Arbeiten auf den Bereichen sowohl elek tromagnetischer Strömungsmesser mit Axialfeld als auch elek tromagnetischer Strömungsmesser mit Radialfeld. Beispiele für elektromagnetische Strömungsmesser mit Radialfeld sind in den vorstehend genannten Patenten US-2,691,303 und US-2,583,724 und in "A Magnetic Flowmeter with Concentric Electrodes" von Eastman et al. Instrumentation Technology, Juni 1970, Seiten 52-54 ist ein Strömungsmesser mit Axial feld beschrieben.

In "Principle of Electromagnetic Flowmeter Without External Magnet", Letters to the Editor, 1956, von Alexander Kolin ist ein Meßgerät diskutiert, bei dem ein Feld dadurch er zeugt wird, daß ein Strom durch ein sich bewegendes flüssi ges Metall geleitet wird, wobei die Meßelektroden aus einem Umfangsring (oder der Rohrwand selbst) und einer Mittelelek trode bestehen. Das Magnetfeld wird durch einen Strom er richtet, der im sich bewegenden flüssigen Metall fließt. Kolin schlägt vor, daß als Alternative zu einer Mittelelek trode eine Elektrode in einem Bereich außerhalb des Magnet felds angeordnet werden könnte. Es sind keine Einzelheiten zu einer solchen Konstruktion angegeben.

Bei jedem dieser Strömungsmesser besteht ein Hauptnachteil. Der Strömungsmesser vom Transversalfeldtyp gewichtet nicht jedes sich bewegende Wasserteilchen in korrekter Weise, und demgemäß unterliegen derartige Strömungsmesser Genauigkeits änderungen abhängig von Änderungen der Strömungsprofile. Die von Shercliff und von Kolin beschriebenen koaxialen Meßgerä te sind zur Verwendung nur mit flüssigen Metallen oder mit einem Mittelteil aufgebaut, das sowohl das axiale, konzen trische Feld erzeugt und auch als Mittelelektrode dient, wo bei ein solches Feld in der Rohrmitte stärker und am Rohr rand schwächer ist, was entgegengesetzt zu dem ist, was er wünscht ist.

Ein bekannter elektromagnetischen Strömungsmesser (DE-GM 19 44 979) weist ein Paar von diametral einander gegenüberliegend angeordneten Elektromagne ten auf, die außerhalb einer Leitung angeordnet sind. Jeder dieser Elektroma gnete umfaßt eine Spule, die auf einem U-förmigen Magnetkern mit an der Lei tung anliegenden Polstücken angeordnet ist. Das von den Elektromagneten er zeugte Magnetfeld tritt im Bereich der Polstücke im wesentlichen radial in die Leitung ein und weist am Rand der Leitung einen stärkeren und benachbart zur Leitungsmitte einen schwächeren Bereich auf.

Erste und zweite, mit einer Meßschaltung verbundene Elektroden sind jedem Elektromagneten zugeordnet, wobei die eine Elektrode zwischen den Polstücken und die andere außerhalb davon angeordnet ist. Die Elektroden liegen dabei in einer durch die beiden einander gegenüberliegenden Elektromagnete festgeleg ten Ebene.

Ein weiterer bekannter Strömungsmesser (DE 29 50 084 A1) weist ein Paar er ster Elektroden auf, die im Bereich eines in üblicher Weise erzeugten Magnet feldes angeordnet sind. Jede dieser Elektroden ist mit einer Meßschaltung ver bunden. Ein zweites und drittes Paar zusätzlicher Elektroden ist strömungsmä ßig vor und hinter dem Bereich des Magnetfeldes angeordnet und zwar dort, wo das Magnetfeld bereits so schwach ist, daß es keinen wesentlichen Einfluß auf das strömende Fluid ausübt.

Ferner ist es aus der DE 26 22 943 A1 bekannt, zur Erzeugung eines transversa len Magnetfeldes bei einem elektromagnetischen Strömungsmesser Wicklungs anordnungen aus leitenden Streifen zu bilden, die in einem Abstand zu einem nicht leitenden, die Fluidströmung führenden Rohr innen an einem Eisenrohr angeordnet sind, das das Fluidströmung führende Rohr konzentrisch umgibt.

Bei einem anderen bekannten elektromagnetischen Strömungsmesser. (DE 1911 556 A) sind neben einander diametral gegenüberliegenden Wicklungsanordnun gen weitere Wicklungsanordnungen vorgesehen, um ein transversales Magnet feld zu formen. Die magnetischen Achsen der Wicklungsanordnungen sind dabei radial zu einer das Fluid führenden Leitung angeordnet.

Ein bekanntes induktives Durchflußmeßgerät (DE-OS 19 23 071) umfaßt ein Paar von diametral zu einander angeordneten torodialen elektromagnetischen Wicklungen, die auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind, der konzentrisch zu einem ein Fluid führendem Rohr liegt und dieses teilweise umgreift. Die Wicklungen sind dabei gegensinnig gewickelt. Im Zentralbereich jeder der Wicklungen ist eine Elektrode zwischen der Wicklung und dem Rohr vorgese hen.

Ein anderer bekannter elektromagnetischen Strömungsmesser (DE 79 23 803 U1) weist eine zylindrische Wicklung auf, die auf einem radial zu einer Leitung lie genden Kern angeordnet ist. Erste Elektroden sind auf beiden Seiten des Ma gnetfeldes im Bereich der Wicklung angeordnet, während zweite Elektroden in einem Abstand von der durch die Wicklung festgelegten Meßebene stromauf- und stromabwärts angeordnet sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen weiteren elek tromagnetischen Strömungsmesser bereitzustellen, mit dem insbesondere die Strömung eines Fluids in einer Leitung unabhängig vom Strömungsprofil genau gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Strömungsmesser nach An spruch 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Andere Vorteile der Erfindung werden aus einem Studium der folgenden Beschreibung, gesehen im Licht der beigefügten Zeichnung, deutlich, in der:

Fig. 1-3 schematisch einen bekannten elektromagnetischen Strömungsmesser vom Transversalfeldtyp veranschaulichen;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausfüh rungsbeispiels der Erfindung mit Toroidwicklungen zum Erzeu gen des Magnetfelds ist;

Fig. 5 und 6 schematische Querschnittsdarstellungen zum Er läutern der Funktion des Strömungsmessers von Fig. 4 sind;

Fig. 7 ein detailliertes Schaltbild ist, das eine Einrich tung zum Summieren von Signalen veranschaulicht, die an den 3 innerhalb des Magnetfelds angeordneten Elektroden auftreten, und Fig. 8 eine Modifizierung der Schaltung von Fig. 7 ver anschaulicht;

Fig. 9 und 10 eine Querschnitt- bzw. perspektivische Ansicht 5 sind, die ein nicht bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Er findung mit einer zentral angebrachten Bezugselektrode ver anschaulichen;

Fig. 11 und 12 eine Modifizierung des Strömungsmesser von Fig. 4 veranschaulichen, und die Fig. 13 und 14 die Funktion des Geräts von Fig. 11 veranschaulichen;

Fig. 15 ein Schaltbild ist, das eine Folgeschalteinrichtung zum Betätigen des Strömungsmesser von Fig. 11 ist;

Fig. 16 eine perspektivische Ansicht einer Modifizierung des Ausführungsbeispiels von Fig. 11 ist;

Fig. 17 eine Querschnittsansicht ist, die ein anderes Aus führungsbeispiel der Erfindung schematisch veranschaulicht;

Fig. 18 und 19 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Käfigankerwicklungen zum Erzeugen des Magnetfelds inner halb der Leitung veranschaulichen;

Fig. 20 eine schematische Ansicht ist, die die Art der An bringung einer Feldformungswicklung beim Gerät der Fig. 18 und 19 veranschaulicht;

Fig. 21-23 die Formung des Feldes durch die Feldformungs einrichtung veranschaulichen;

Fig. 24 und 25 ein Quer- bzw. Längsschnitt sind, die eine erfindungsgemäße Strömungsmeßvorrichtung vom Typ für eine teilweise gefüllte Leitung oder für einen offenen Kanal ver anschaulichen; und

Fig. 26 eine schematische Veranschaulichung einer bogenför migen Elektrode ist, die aus mehreren elektrisch miteinander verbundenen Punktelektroden gebildet ist.

Detaillierte Beschreibung

Gemäß spezieller Bezugnahme auf die Fig. 1-3 ist es im Stand der Technik bekannt, einen elektromagnetischen Strö mungsmesser 2 mit einer Leitung 4 zu schaffen, durch die ein leitendes Fluid - wie Wasser, Abwasser oder dergleichen - strömt, dessen Geschwindigkeit zu messen ist. Um ein Magnet feld 6 zu errichten, das sich quer durch die Leitung 4 er streckt, ist ein Paar koaxial angeordneter Spulen 8 und 10 in vertikal beabstandeter, einander diametral entgegenste hender Beziehung anschließend an die Außenfläche der Leitung angeordnet. In einander bezüglich des Horizontaldurchmessers der Leitung diametral entgegengesetzter Beziehung ist ein Paar Ausgangselektroden 12 und 14 angeordnet, die sich durch entsprechende Öffnungen hindurch erstrecken, die im Behält nis vorhanden sind, um an ihren benachbarten Enden das durch die Leitung strömende Fluid zu kontaktieren. Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, erstreckt sich dann, wenn der Strömungs pfad 6 sich vertikal erstreckt und der leitende Fluidstrom 16 sich horizontal erstreckt, die elektromotorische Kraft 16 gemäß der Fleming-Linkshandregel horizontal rechtwinklig zwischen den Elektroden und 14, welche Kraft vom Meßgerät 18 als Funktion der Geschwindigkeit gemessen wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4-6 ist festzustellen, daß gemäß der Erfindung ein Paar Toroidwicklungen 20-22 außer halb der Leitung 24a einander diametral entgegengesetzten Positionen angeordnet ist, wobei die Windungen der Wicklun gen rechteckig sind und so angeordnet sind, daß sich ihre gegenüberliegenden langen Seiten t₁, t₂ sowie t₃, t₄ jeweils in Längsrichtung der Leitung erstrecken, wobei sich die Ma gnetachsen β (Fig. 5) der Toroidwicklungen in Umfangsrich tung in derselben Richtung bezogen auf die Leitung erstrec ken. Wie in Fig. 4 dargestellt, werden die Toroidwicklungen 20 und 22 jeweils von Spulentreibern 21 bzw. 23 vom Wechsel feldtyp erregt, wie Treibern mit Rechteckwellen oder einem gepulsten Gleichfeld, um Linien der Magnetflüsse 26 und 28 (Fig. 5) zu erzeugen, die sich im wesentlichen konzentrisch zur Längsachse der Leitung erstrecken, wobei die Magnet felder im wesentlichen kuchenstückförmig (kreissektorförmig) sind und anschließen an den Innenumfang der Leitung stärker und in der Mitte der Leitung schwächer sind (aufgrund der Nähe der Wick lungen zum Innenumfang der Leitung). So wird eine Flußverteilung über den Leitungsquerschnitt erzielt, die im wesentlicher Null in der Mitte der Leitung ist, und mit dem Abstand entlang des Radius zunimmt, wie in Fig. 21 dargestellt. Vier in Umfangsrichtung beabstandete Elektroden E₁, E₂, E₃ und E₄ legen eine dem Magnetfeld zugeordnete erste Elektrodenein richtung fest, wobei die Elektroden E₁ und E₂ jeweils radial zwischen den Spulen 20 bzw. 22 und der Mitte der Leitung angeordnet sind und die Elektroden E₃ und E₄ den Räumen zwischen den Toroidwicklungen zugeordnet sind. Gemäß aner kannten elektrischen Gesetzen stehen den kuchenstückförmigen Magnetfeldern mit den Flüssen 26 und 28 entsprechende ku chenstückförmige Felder 30 und 32 entgegen, die sich in entgegengesetzter Richtung direkt um die Längs-Mittelachse der Leitung 24 erstrecken. Diese Magnetfelder erzeugen dann, wenn sie mit einem durch die Leitung strömenden leitenden Fluid wechselwirken, Spannungsvektoren, die sich radial nach außen bzw. innen erstrecken, wie in Fig. 6 dargestellt. Wie in Fig. 7 gezeigt, werden die an den Elektroden E₁ und E₃ auftretenden Signale dem negativen bzw. positiven Eingang eines Operationsverstärkers 36 zugeführt, und die Eingangs signale der Elektroden E₂ und E₄ werden dem negativen und positiven Eingang eines Operationsverstärkers 38 zugeführt, wobei die Ausgangssignale der Operationsverstärker einer Summiervorrichtung 40 zugeführt werden. So ist das Meßgerät 42 in Reihe zwischen den Ausgang der Summiervorrichtung 40 und eine Bezugselektrode E₀ geschaltet, die angrenzend an den Innenumfang der Wand der Leitung 24 in in Längsrichtung beabstandeter Beziehung zu den Elektroden E₁-E₄ positio niert ist, wobei die Bezugselektrode E₀ außerhalb jedes deutlichen Einflusses des von den Toroidwicklungen 20 und 22 erzeugten Magnetfelds liegt. So gewährt der auf dem Meßgerät 42 ablesbare Wert eine Anzeige der Geschwindigkeit des durch die Leitung 24 strömenden Fluids. Wie in Fig. 8 dargestellt, können die Eingangssignale der vier Elektroden E₁-E₄ innerhalb des Magnetfelds sowie der Bezugselektrode E₀ außerhalb des Magnetfelds als Eingangssignale für die Dif ferenzverstärker 46 bzw., 48 kombiniert werden, die als Eingangssignale für eine Summiereinrichtung 50 dienen.

Bei einem bevorzugten Aufbau werden die strömungshindernden Elektroden im mittleren Teil der Leitung durch die Strömung nicht störende Elektroden angrenzend an den Innenumfang der Leitung 24 ersetzt. Die Elektrode E₀ - die eine Bezugs- oder "Schein"-Elektrode darstellt - kann entweder stromaufwärts bezüglich der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung oder, wie dies durch das Bezugszeichen E₀' dargestellt ist, stromab wärts bezüglich der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung liegen. Auch ist es möglich, gleichzeitig beide Bezugselektroden E₀ und E₀' an die Summiereinrichtung anzuschließen, um die Ge schwindigkeit der Fluidströmung genau anzuzeigen.

Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, sind Übergangsbereiche 60, 62, 64 und 66 zwischen den Seiten der kuchenstückförmigen Magnetbereiche 26, 28, 30 bzw. 32 festgelegt, welche Über gangsbereiche durch die plötzliche Richtungsänderung des Magnetflusses hervorgerufen werden. Die Operations- oder Pufferverstärker 36 und 38 sowie 46 und 48 könnten auch Ver stärkungsänderungseinrichtungen sein, um Magnetfeldänderun gen zu kombinieren. Da sich die Spannungsvektoren V₁ und V₂ radial nach außen erstrecken und sich die Spannungsvektoren V₃ und V₄ radial nach innen erstrecken, werden sie jeweils an Anschlüsse der Operationsverstärker 36 und 38 mit umge kehrter Polarität gegeben.

Wie vorstehend dargelegt, sind die Bereiche des Magnetfelds angrenzend an den Innenumfang der Leitung 24 (und demgemäß angrenzend an die Felderzeugungseinrichtungen 20 und 22) stärker als die Bereiche angrenzend an die Mitte der Lei tung, wodurch ein größerer Fluß geschaffen wird, wo der Querschnitt der Leitung größer ist, so daß die richtige Flußverteilung erzielt wird.

Eine zweite, jedoch weniger bevorzugte Konfiguration besteht aus einer ersten Meßelektrode, die innerhalb des Magnetfelds liegt und angrenzend an den Innenumfang der Leitung ange bracht ist, und einer zweiten, mittleren Elektrode, die auf der Leitungsachse angebracht ist (in allen Zeichnungen, die eine "Scheinelektrode" aufweisen, kann diese Scheinelektrode durch die mittlere Elektrode ersetzt werden, die im wesent lichen dieselbe Ergebnisse liefert, obgleich sie eine die Strömung störende Konfiguration aufweist. Derartige Konfigu rationen sind nur in glatt strömenden Fluiden von Nutzen, in denen sich keine Teilchen ansammeln können). Gemäß den Fig. 9 und 10 ist die Bezugselektrode 70 mittig innerhalb der Leitung 24' diametral zwischen den Felderzeugungsspulen 20' bzw. 22' angebracht.

Wie zuvor ausgeführt, sind die Übergangsbereiche 60, 62, 64 und 66 von Fig. 5 zwischen den einander gegenüberstehenden Magnetfeldsektoren von Interesse. Während das Magnetfeld zwischen den Sektoren die Richtung ändert, schaltet es die Richtung nicht plötzlich um, sondern in praxisbezogenem Sinn gesehen existiert ein Bereich, innerhalb dem die Magnetfeld linien im wesentlichen nicht auf dieselbe Weise wie die mei sten anderen Bereiche zum Ausgangssignal beitragen, in deren ein besser vorhersagbares, konzentrisches Magnetfeld vorhan den ist. Ein Verfahren zum Kompensieren dieses Übergangs bereichs wäre es, die Winkelerstreckung der Elektroden zu verringern, wodurch ein kleiner Sektor des Rohrs ohne Mes sung verbleiben würde. Alternativ weist, wie dies im Ausfüh rungsbeispiel der Fig. 11 und 12 vorgeschlagen ist, die Ma gnetfeld-Erzeugungseinrichtung ein zweites Paar Toroidwick lungen 30 und 82 auf, die in Umfangsrichtung bezogen auf die ersten Wicklungen 20' und 22' beabstandet sind, zusammen mit Übergangs-Toroidwicklungen 84, 86, 88 und 90, die zwischen dem ersten bzw. zweiten Wicklungspaar angeordnet sind. Alle Toroidwicklungen sind so angeordnet, daß sich ihre Magnet achsen in Umfangsrichtung in derselben Richtung bezogen auf die Fluidleitung 94 erstrecken. Wie in Fig. 15 dargestellt, werden die Übergangs-Toroidwicklungen 84, 86, 88 und 90 dauernd in einer Richtung durch eine Treibereinrichtung 91 erregt, während der erste Satz Toroidspulen 20' und 22' ab wechselnd bezogen auf den zweiten Satz Toroidwicklungen 80 und 82 erregt wird, und zwar aufgrund des Betriebs von Pa ketschaltern 51 und 52 mit einem Pol und zwei Stellungen. So erstrecken sich dann, wenn die Spulen 20' und 22' erregt werden, die Flußmuster 100 und 102 konzentrisch in derselben Richtung wie die Übergangsflußpfade 104, 106, 108 und 110 (Fig. 13). Die den nicht erregten Spulen 80 und 82 zugeord neten Flußpfade 112 und 114 erstrecken sich konzentrisch in der entgegengesetzten Richtung (d. h. in der in Fig. 13 dar gestellten Uhrzeigerrichtung). Wenn die Paketschalter 51 und 52 in die andere Stellung umgeschaltet werden, erstrecken sich die Flußmuster der Abschnitte 112 und 114 (Fig. 14) in derselben Richtung wie die Übergangsfelder 104, 106, 108 und 110 (d. h. in Gegenuhrzeigerrichtung). Die den nun nicht mehr erregten Wicklungen 20' und 22' zugeordneten Felder 100 und 102 erstrecken sich in der entgegengesetzten (d. h. der Uhrzeiger-) Richtung. Wie in Fig. 11 dargestellt, erstrecken sich die Elektroden E₁', E₂', E₃' und E₄' an ihren benach barten Kanten innerhalb der zugeordneten Übergangszonen. Aufeinanderfolgende Elektroden könnten verlängert werden und es könnte dafür gesorgt werden, daß sich ihre benachbarten Kanten dadurch überlappen, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist, daß abwechselnde Paare von Elektroden E₁", E₂" sowie E₃", E₄" leicht jeweils in Längsrichtung der Leitung 124 versetzt werden.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 11-16 gewährt den Vor teil, daß die Spannungssignale die vollen 360° der gesamten Strömungsfläche abdecken, ohne daß eine Beeinflussung durch die Übergangsbereiche besteht. Selbstverständlich könnten kleinere Bereiche des Strömungsrohrs ohne Gesamtüberdeckung gemessen werden, jedoch wäre die Genauigkeit einer solchen Vorrichtung verringert.

Bei den zuvor beschriebenen Konfigurationen repräsentiert das Ausgangssignal die momentane Gesamtströmung durch die Leitung, ohne daß die Signale analysiert werden, um festzu stellen, ob eine Asymmetrie in der Strömung bestand oder, wenn dies der Fall ist, in welchem Sektor. Wenn es erwünscht sein sollte, zu ermitteln, in welchem Sektor eine solche Asymmetrie besteht, könnte die in Fig. 17 dargestellte Kon figuration verwendet werden. Bei dieser Konfiguration werden kleinere, bogenförmige Sektoren 140 erregt, und die diesen zugeordneten Elektroden 142 werden sequentiell abgetastet, bis die vollen 360° erregt sind und das Signal abgetastet wurde. Diese abgetasteten Signale können für anschließende Analyse in einer elektronischen Schaltung abgespeichert wer den. Mit einer solchen Schaltung kann nicht nur die momen tane Gesamtströmungsgeschwindigkeit gemessen werden, sondern es können auch die Beiträge von jedem Sektor zu Konstruk tionszwecken analysiert werden.

Als eine Alternative zur Toroidwicklungseinrichtung, die zuvor zum Erzeugen der konzentrisch angeordneten Magnetfel der offenbart wurde, ist es auch möglich, Käfigankerwicklun gen zu verwenden, wie in den Fig. 18 und 19 dargestellt. So sind Käfigankerwicklungen 150 und 152 in einander diametral entgegengesetzter Beziehung bezogen auf die Leitung 154 an geordnet, und ein zweiter Satz Wicklungen 156 und 158 ist in den Räumen zwischen dem ersten Paar Felderzeuger angeordnet. Die zwei Paare von Käfigankerwicklungen werden abwechselnd erregt, wie oben erörtert, wobei sich die abwechselnd inner halb der Leitung erzeugten konzentrischen Magnetfelder in derselben Richtung erstrecken, wie in Fig. 19 dargestellt. Formgebungswicklungen können vorhanden sein, wie in Fig. 20 dargestellt, um dadurch einen Ausgleich der Ansprechkurven zu erzeugen, wie in den Fig. 21-23 dargestellt. In Fig. 20 ist der Magnetfelderzeuger eine Mehrzahl von Käfiganker- Magnetfelderzeugern 157, 159, die auf solche Weise voneinan der beabstandet sind und eine solche Polarität und eine solche Erzeugung der relativen Magnetfeldstärke aufweisen, daß das Feld stärker linearisiert ist, als es bei nur einer Spule auftreten würde.

Wie zuvor festgestellt, ist die Form des gewünschten Magnet felds eine solche, daß das Magnetfeld in der Rohrmitte nahe Null ist und seine Stärke zum Innenumfang linear ansteigt wie in Fig. 21. Um ein solches Feld zu erzielen, ist es oft erforderlich, Hilfswicklungen zu verwenden, wie die in Figur dargestellten für die Käfigankerkonfiguration. Da das Feld der Hauptwicklung eine Form wie in Fig. 22 erzeugt, er zeugt die Verwendung von Hilfsausgleichsspulen die Form von Fig. 23, die die gewünchte Form besser annähert. Ein zusätz liches Formen des Magnetfeldes, wie ein Verändern der Anzahl von Windungen entlang dem Außenumfang, ist oft erwünscht, um eine Kompensation betreffend der Tatsache zu schaffen, daß die Elektroden diejenigen Strömungssignale etwas stärker ge wichten, die nahe einer Elektrode erzeugt werden als dieje nigen, die in größerem Abstand erzeugt werden, wobei es sich um eine Tatsache handelt, die vom Fachmann leicht erkannt wird.

Gemäß den Fig. 24 und 25 kann das Instrument zum Messen der Strömung eines Fluids in einer teilweise gefüllten Leitung 160 oder einem offenen Kanal konstruiert sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das erste Paar felderzeugender Toroidwicklungen 162 und 164 diametral entgegengesetzt in bezug auf einen Horizontaldurchmesser der Leitung 160 ange ordnet, wobei die Wicklungen an die Außenfläche der Leitung angrenzen. Die vier Elektroden E₁-E₄ sind angrenzend an die Innenfläche der Leitung angeordnet. Die Bezugs- oder Scheinelektroden E₀ und/oder E₀' sind entweder stromaufwärts und/oder stromabwärts bezüglich des Magnetfelds angeordnet, das von den Felderzeugungseinrichtungen 162 und 164 erzeugt wird, wodurch das Vorsehen irgendeiner mittleren Elektrode innerhalb der Leitung vermieden ist.

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 26 sind mehrere einzelne Punktelektroden 200 in bogenförmiger Konfiguration angeord net, und sie sind miteiander über Pufferverstärker 202 ver bunden, von denen jeder über eine Steuerung für einstellbare Verstärkung verfügt.

Claims

1. Elektromagnetischer Strömungsmesser zum Messen der Strömung eines Fluids in einer Leitung, mit:

a) einer Leitung (24) zum Aufnehmen der Fluidströmung;
b) einer außerhalb der Leitung angeordneten Einrichtung zur Erzeu gung eines Magnetfeldes innerhalb der Leitung,
- 1. die mindestens ein erstes, außerhalb der Leitung angebrachtes Paar diametral angeordneter Wicklungseinrichtungen (20, 22; 150, 152) und
- 2. eine Einrichtung zum Erregen der Wicklungseinrichtungen zum Er zeugen von Magnetfeldern innerhalb der Leitung umfaßt;

wobei sich die Magnetfelder in derselben Richtung konzentrisch zur Längsachse der Leitung erstrecken, im wesentlichen kreissektorförmig sind, einen stärkeren ersten Teil benachbart zu den Innenumfangsflächen der Leitung und einen schwächeren Teil benachbart zur Mitte der Leitung aufweisen.

a) einer ersten Elektrodeneinrichtung (E₁, E₂, E₃, E₄), die von der Lei tung innerhalb des stärkeren ersten Teils des Magnetfelds gehalten wird und die mindestens zwei Elektroden aufweist, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet benachbart zur Innenumfangsfläche der Lei tung angeordnet sind, wobei die eine Elektrode radial zwischen einer Wicklungseinrichtung und der Längs-Mittellinie der Leitung und die an dere radial zwischen einem Umfangsbereich zwischen dem Paar von Wick lungseinrichtungen und der Längs-Mittellinie der Leitung angeordnet ist;
b) einer zweiten Elektrodeneinrichtung (E₀, 70), die von der Leitung au ßerhalb des stärkeren ersten Teils des Magnetfelds gehalten wird, wobei die erste und zweite Elektrodeneinrichtung so angeordnet sind, daß sie das Fluid in der Leitung elektrisch kontaktieren; und
c) einer Signalerfassungseinrichtung (42), die zwischen die erste und die zweite Elektrodeneinrichtung geschaltet ist, um ein Signal zu erzeu gen, das eine Funktion der Geschwindigkeit der Fluidströmung ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites Paar Wicklungseinrichtungen (80, 82; 156, 158), die in in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Beziehung um die Leitung (24) jeweils zwi schen dem ersten Paar Wicklungseinrichtungen (20', 22; 150, 152) ange ordnet sind, wobei das erste und zweite Paar Wicklungseinrichtungen Magnetachsen aufweisen, die sich in derselben Richtung konzentrisch zur Leitung erstrecken, wobei zwei Elektroden (E₃', E₄') der ersten Elektro deneinrichtung radial jeweils zwischen dem zweiten Paar Wicklungsein richtungen (80, 28; 156, 158) und der Mitte der Leitung angeordnet sind, und mit Einrichtungen zum jeweiligen abwechselnden Erregen des ersten bzw. zweiten Paars Wicklungseinrichtungen (20, 22'; 150, 152 bzw. 80, 82; 156, 158).

3. Gerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch vier in Umfangsrich tung voneinander beabstandete Übergangswicklungseinrichtungen (84, 86, 88, 90), die konzentrisch zur Leitung jeweils zwischen dem ersten bzw. zweiten Paar Wicklungseinrichtungen angeordnet sind, und mit einer Ein richtung (91) zum kontinuierlichen Erregen der Übergangswicklungsein richtungen.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Elek troden (E₁', E₂', E₃', E₄') der ersten Elektrodeneinrichtung jeweils eine solche Abmessung in Umfangsrichtung der Leitung aufweisen, daß sie sich an jedem Ende über die ihnen zugeordnete Wicklungseinrichtung hinaus erstrecken.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß abwechseln de Paare der Elektroden (E₁", E₂", E₃", E₄") in Längsrichtung relativ zur Leitung beabstandet sind, wobei die Umfangsabmessungen der Elektro den dergestalt sind, daß sich die benachbarten Enden aufeinanderfolgen der Elektroden überlappen.

6. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wick lungseinrichtung mehrere Sektoren (140) aufweist, die jeweils einer zuge hörigen Elektrode (142) zugeordnet sind.

7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wicklungseinrichtung ein Paar diametral angeordneter Toroidwicklungen (20, 22) aufweist, deren Magnetachsen β sich in derselben Richtung kon zentrisch zur Leitung erstrecken.

8. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnet feld-Erzeugungseinrichtung mindestens ein erstes Paar in Umfangsrich tung beabstandeter Käfigankerwicklungen (150, 152) aufweist, die in dia metral entgegengesetzter Beziehung außerhalb der Leitung angeordnet sind, und eine Einrichtung zum Erregen der Käfigankerwicklungen auf weist, um innerhalb der Leitung ein Paar Magnetfelder zu erzeugen, die sich in derselben Richtung konzentrisch zur Längsachse der Leitung er stecken.

9. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (160) horizontal liegt und bei dem das erste Paar Wicklungseinrichtungen und die zugeordneten Elektroden horizontal diametral in Bezug auf die Leitung beabstandet sind, um dadurch eine Messung der Geschwindigkeit der Fluidströmung in teilweise gefüllten Leitungen und in offenen Kanälen zu gewähren.

10. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrodeneinrichtung mindestens eine Elektrode (70) aufweist, die mit tig innerhalb der Leitung angebracht ist.

11. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrodeneinrichtung bogenförmige Elektroden aufweist.

12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die bogen förmige Elektrode mehrere in einem Bogenmuster angeordnete Elektro denabschnitte (200) und eine Einrichtung (204) aufweist, die die Ab schnitte elektrisch miteinander verbindet.

13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbin dungseinrichtung mehrere Pufferverstärker aufweist.

14. Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Pufferverstärker eine Einrichtung zum Einstellen einer verän derlichen Verstärkung aufweisen.

15. Gerät nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Formungs- Wicklungseinrichtung (159) zum Formen mindestens eines der Magnetfel der.

16. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Toroid wicklungen jeweils rechteckigen Querschnitt aufweisen, mit Windungen mit längeren gegenüberliegenden Seiten (t₁, t₂, t₃, t₄) in Längsrichtung der Leitung.