DE4427936C2 - Magnetisch-induktiver Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetisch-induktiven Durchflußmesser für teilgefüllte Rohrleitungen und of­ fene Gerinne der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Magnetisch-induktive Durchflußmesser weisen eine Magnetspule auf, die quer zur Strömung einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit ein Magnetfeld erzeugt. An Meß­ elektroden, die entlang einer quer zur Strömungsrich­ tung und quer zu der Richtung des Magnetfeldes verlau­ fenden Achse angeordnet sind, entsteht eine elektrische Spannung, deren Höhe abhängig von der magnetischen Induktion und proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Da die magnetische Induktion des Magnetfeldes be­ kannt ist, läßt sich aus der an den Meßelektroden er­ zeugten Spannung die Strömungsgeschwindigkeit der Flüs­ sigkeit ermitteln.

Mit einem Füllstandsmeßgerät wird an der gleichen Stel­ le der Füllstand der Flüssigkeit gemessen. Aus der be­ kannten Breite des Kanals und des Füllstandes ergibt sich der Strömungsquerschnitt und aus dem Strömungs­ querschnitt und der Strömungsgeschwindigkeit errechnet sich der Durchfluß.

Ein derartiger Durchflußmesser ist in DE 30 18 260 be­ schrieben. Er besteht aus einer Magnetspule, die unter­ halb des Rinnenkörpers angeordnet ist und an ihrer dem Rinnenkörper abgewandten Seite Rückschlußbleche auf­ weist, die von den Seitenwänden weit abstehend nach oben ragen und im Bereich der Oberkanten der Seitenwände enden, wo sie jeweils einen Polschuh aufweisen. Das durch die Magnetspule erzeugte Magnetfeld hat im mittleren Bodenbereich der Rinne und an den oberen Rändern der Rinnenwände eine hohe Dichte, was zu feh­ lerhaften Strömungsmessungen führen kann. Die Magnet­ spule ist in ihrem Durchmesser an die Kanalbreite ange­ paßt. Die große Magnetspule und die seitlich weit ausho­ lenden Rückschlußbleche erfordern einen großen Einbau­ raum für den Durchflußmesser.

Einen Durchflußmesser für ein geschlossenes Rohr be­ schreibt JP 4-128 613 A. Sowohl über- als auch unterhalb des Rohres ist einander paarweise gegenüberstehend je­ weils eine Magnetspule vorgesehen, die der Kanalwand zugewandt mit einer Polplatte versehen ist. Zwischen den Polplatten der beiden Magnetspulen wird das Magnetfeld vertikal und mit annähernd parallelen Feldlinien im Rohrquerschnitt aufgespannt.

Bekannte magnetisch-induktive Durchflußmesser können die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in einem Kanal, insbesondere einem offenen Kanal oder Gerinne mit großen Abmessungen, nur lokal messen. Sie erfassen die Geschwindigkeit der Flüssigkeit nur in einem klei­ nen Flächenelement, bezogen auf den Gesamtströmungs­ querschnitt. Nachteilig an dieser Messung ist die Tat­ sache, daß Änderungen des Strömungsprofils, d. h. Änderungen der Geschwindigkeitsverteilung über den ge­ samten Strömungsquerschnitt, bei der Messung nicht be­ rücksichtigt werden. Ablagerungen, die das Strömungs­ profil erheblich verändern können, bewirken daher große Ungenauigkeiten der Messung. Das Strömungsprofil ist außerdem abhängig vom Strömungszustand der Flüssigkeit, wobei die Strömungszustände "strömend" und "schießend" unterschieden werden. Bei Messung nach dem magnetisch- induktiven Verfahren in Kanälen mit magnetisch leitfä­ higem Kanalwerkstoff wird das Meßergebnis zusätzlich verfälscht.

Bei nachträglichern Einbau eines magnetisch-induktiven Durchflußmessers in einen Kanal müssen die Magnetspule, die Meßelektroden, und ihre Verkabelung individuell an die Bedingungen des Kanals angepaßt und getrennt von­ einander montiert werden, was einen hohen Aufwand bei der Montage bedeutet. Die Magnetspule steht von dem Ka­ nalboden ab und behindert dadurch die Kanalreinigung durch Kanalreinigungsmaschinen.

Um eine befriedigende Genauigkeit des Meßergebnisses zu erreichen, sind wegen der nur lokalen Messung sehr lan­ ge Vor- und Nachlaufstrecken zur Beruhigung des Flusses der Flüssigkeit vorzusehen.

Die Meßelektroden können erst dann eine Spannung mes­ sen, wenn der Flüssigkeitsstand ein Niveau erreicht hat, bei dem beide Elektroden von der Flüssigkeit be­ deckt sind. Bei einem gekrümmten Kanalboden, insbeson­ dere in Durchflußmessern zum Einsatz in teilgefüllten Rohrleitungen, befinden sich die Meßelektroden in ge­ wisser Höhe an den seitlichen Kanalwänden, so daß sie bei geringen Flüssigkeitspegeln kein Meßsignal liefern. Legt man, um dies zu vermeiden, die beiden Meßelektro­ den nahe zusammen, so ist die an den Meßelektroden an­ liegende Spannung sehr klein und dadurch der Meßfehler groß. Bei einer auf den Kanalboden aufgesetzten Meßein­ richtung kann bei einem sehr niedrigen Füllstand die Flüssigkeit vorbeiströmen, ohne daß die Meßelektroden von der Flüssigkeit bedeckt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mag­ netisch-induktiven Durchflußmesser zu schaffen, der die mittlere Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit genau, zuverlässig und einfach ermittelt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgeinäßen Durchflußmesser ist die Magnetspule an ihrer dem Kanal zugewandten Vorderseite mit einer Polplatte bedeckt, die das von der Magnetspule erzeugte konzentrierte Magnetfeld aufweitet und es über eine große Breite des Kanals gleichmäßig verteilt. Die an den Meßelektroden meßbare Spannung entspricht der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit über im wesentlichen den gesamten Kanal­ querschnitt. Schwankungen des Strömungsprofils durch Ablagerungen, Änderungen des Strömungszustandes der Flüssigkeit und das Qußrschnittsprofil des Kanals gehen nicht fehlerhaft in die Messung mit ein und können da­ her die Genauigkeit der Messung nicht verschlechtern. Störungen im Kanal, z. B. Verstopfungen können leicht ermittelt werden, da der gesamte Kanalquerschnitt kon­ trolliert werden kann. Wegen der über eine große Quer­ schnittsfläche integrierenden Messung der Strömungsge­ schwindigkeit ist bei gleicher Meßgenauigkeit eine dreimal kürzere Ein- und Auslaufstrecke ausreichend. Bereits ohne Korrektur und Linearisierunü der Messungen ist der Meßfehler sehr gering.

Die Seitenwände des Kanals sind mit einem oder mehreren Rückschlußblechen versehen, die einen zur Rückseite der Magnetspule führenden Rückschluß bilden. Durch das Rückschlußblech wird das Magnetfeld seitlich hochgezogen, auf die Quer­ schnittsfläche des Kanals verteilt und auf diese be­ schränkt. Das Magnetfeld ist daher im Bereich des durchflossenen Querschnitts des Kanals sehr stark und die von der strömenden Flüssigkeit erzeugte Spannung entsprechend groß, was wiederum die Meßgenauigkeit er­ höht. Das Rückschlußblech liegt an den seitlichen Kanal­ wänden an und erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Kanalhöhe.

Die Rückseite der Magnetspule 1 kann mit einer sie bedeckenden Koppelplatte versehen sein, die auch auf der Rückseite der Magnetspule das Magnetfeld verbreitert und den magnetischen Fluß mit geringem Widerstand zu dem Rückschlußblech überträgt, wodurch die magnetischen Verluste klein gehalten wer­ den.

Der magnetisch-induktive Durchflußmesser kann ein­ schließlich Magnetspule, Polplatte und Koppelplatte in einem separat montierbaren Gehäuse untergebracht sein, das eine standardisierbare Magneteinheit bildet. An diese Magneteinheit wird das Rückschlußblech von außen angesetzt, wobei die magnetische Koppelung zwischen Magnetspule und Rückschlußblech über die Koppelplatte durch den Gehäuseboden hindurch erfolgt. In dieser Aus­ gestaltung muß bei einer nachträglichen Montage eines Durchflußmessers nur noch das Rückschlußblech den Ka­ nalabmessungen und -bedingungen angepaßt werden. Die Meßeinheit selbst ist standardisierbar und kann in vie­ len verschiedenen Kanalformen und -größen eingesetzt werden, wodurch die Herstellung und die Montage des Durchflußmessers einfacher und preiswerter ist.

Die Meßeinheit ist ein wasserdichtes, robustes Modul, das in eine entsprechende Aussparung des Kanals einge­ setzt werden kann. Die Aussparung ist vorzugsweise so gestaltet, daß das Rückschlußblech bündig in die Kanal­ wände eingelassen ist und daß die Gehäuseoberseite bün­ dig mit dem angrenzenden Kanalboden, bzw. dem Vor- und Nachlaufboden abschließt. Dadurch werden Turbulenzen und Veränderungen der Strömung verhindert und die Mes­ sung verbessert. Da keine Teile hervorstehen, ist auch der Einsatz von Kanalreinigungsmaschinen problemlos möglich.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun­ gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den magnetisch-induktiven Durchflußmesser als Schnitt entlang der Linie I-I in Fig. 2

Fig. 2 den magnetisch-induktiven Durchflußmesser, ein­ schließlich eines Ultraschallsensors zur Flüs­ sigkeitspegelmessung, und

Fig. 3 den Durchflußmesser eingebaut in einem Kanal mit kreisrundem Querschnitt.

Der in Fig. 1 gezeigte Kanal 10 weist in seinem unteren Bereich eine Meßeinheit 9 auf, die auf den Rückschluß­ boden 19 eines U-förmiges Rückschlußblechs 12 gesetzt ist. Die Meßeinheit 9 besteht aus einem Gehäuse, das aus einer oberen Deckplatte 11, einem Gehäuseboden 20, Gehäuseseitenteilen 21 und weiteren Gehäuseteilen 22 besteht. Alle Gehäuseteile 11, 20 bis 22 bestehen aus einem nicht-magnetischen und nicht-leitfähigen Werk­ stoff, vorzugsweise PVC, und sind wasserdicht mitein­ ander verbunden.

Unterhalb der Deckplatte 11 in der Mitte der Meßeinheit 9 und des Kanals 10 ist eine Magnetspule 14 angeordnet, deren Achse senkrecht ausgerichtet ist. Die Oberseite der Magnetspule 14 ist fast vollständig mit einer Pol­ platte 15 bedeckt. Die Polplatte 15 kann in anderen Ausgestaltungen die Magnetspule 14 auch nur teilweise bedeckend ausgebildet sein. Die Magnetspule 14 umgibt in ihrer Mitte einen senkrecht verlaufenden Magnetkern 16, über den die Polplatte 15 mit einer Koppelplatte 17 verbunden ist. Die Koppelplatte 17 deckt die Magnetspu­ le 14 nach unten hin ab und ragt über deren Außenum­ fangsrand hinaus, wobei die Koppelplatte 17 in anderen Ausgestaltungen auch kleiner ausgebildet sein kann. Die Polplatte 15, der Magnetkern 16 und die Koppelplatte 17 werden mit einer Schraube 25 zusammengehalten.

Die Seitenwände 13 des Kanals 10 sind durch das in die Seitenwände 13 eingelassene Rückschlußblech 12 bedeckt (Fig. 2). Es setzt sich zusammen aus den Rück­ schlußschenkeln 18a, 18b und dem Rückschlußboden 19. Das Rückschlußblech 12, die Koppelplatte 17, der Mag­ netkern 16 und die Polplatte 15 bestehen aus weichma­ gnetischem Material, wie z. B. Eisen und bilden zusammen einen das Magnetfeld im Kanal 10 aufspannenden magneti­ schen Kreis.

In der Deckplatte 11 ist seitlich der Magnetspule 14 jeweils eine Meßelektrode 23a, 23b befestigt. Wird an die Magnetspule 14 eine Spannung angelegt, erzeugt sie in ihrem Magnetkern 16 ein stark gebündeltes Magnet­ feld, dessen Verlauf durch die Polplatte 15 aufgeweitet wird. Die Unterseite des Magnetkerns 16 ist über die Koppelplatte 17 und den Rückschlußboden 19 mit den Rückschlußschenkeln 18a, 18b magnetisch gekoppelt. Zwischen den Rückschlußschenkeln 18a, 18b und der Pol­ platte 15 wird ein starkes Magnetfeld aufgespannt, das den gesamten Kanalquerschnitt ausfüllt, wobei die Feld­ linien 26 des Magnetfeldes immer senkrecht auf den Oberflächen der Rückschlußschenkel 18a, 18b und der Pol­ platte 15 stehen.

Die Meßelektroden 23a, 23b sind seitlich der Magnetspule 14 im Randbereich des Kanals 10 in die Deckplatte 11 eingelassen. Die Meßelektroden 23a, 23b und ihre Zulei­ tungen 24a, 24b sollten elektrisch abgeschirmt sein, damit das Meßergebnis durch die starken Magnetfelder und andere Störungen nicht verschlechtert wird. Die Meßelektroden 23a, 23b sind als Kegel geformt und daher selbstreinigend.

Eine durch den Kanal 10 fließende elektrisch leitfähige Flüssigkeit erzeugt senkrecht zur Flußrichtung und zum Magnetfeld eine Spannung, die an den Meßelektroden 23a, 23b gemessen wird. Die gemessene Spannung ist weit­ gehend proportional zu der über den gesamten Quer­ schnitt integrierten Strömungsgeschwindigkeit.

In Fig. 2 ist ein Kanal 10 dargestellt, in den die mag­ netisch-induktive Meßeinheit 9 nachträglich installiert wurde. Die Meßeinheit 9 ist nicht bündig mit dem Kanal­ boden 29 eingebaut, sondern auf ihm befestigt. Um im Bereich der Meßeinheit 9 ein möglichst konstantes Strömungsprofil zu erhalten, ist der Kanal in Fluß­ richtung der Flüssigkeit gesehen vor der Meßeinheit 9 mit einem Vorlaufboden 30 und im Bereich hinter der Meßeinheit 9 mit einem Nachlaufboden 31 versehen. Der an seinem vorderen Ende mit einer Rampe 32 versehene Vorlaufboden 30 bringt die durch den Kanal 10 fließen­ de Flüssigkeit auf das Niveau der Deckplatte 11 der Meßeinheit 9 und ist so lang, daß die Flüssigkeit bis zum Erreichen der Meßeinheit 9 ein konstantes Strö­ mungsprofil aufweist. Der Nachlaufboden 31 erfüllt den gleichen Zweck, indem er den Ort des Herableitens der Flüssigkeit auf das Niveau des Kanalbodens 29 so weit von der Meßeinheit 9 entfernt, daß keine Störung der Messung mehr auftritt. Die Deckplatte 11 der Meßeinheit 9, der Vorlaufboden 30 und der Nachlaufboden 31 schlie­ ßen bündig und fugenfrei aneinander an, so daß an den Übergangsstellen 37 keine die Strömung der Flüssigkeit verändernden Turbulenzen auftreten.

Oberhalb des Kanals ist über den Meßelektroden 23a, 23b ein Flüssigkeitspegelmeßgerät 34 angebracht, das an der Meßstelle die Höhe des Flüssigkeitspegels über der Deckplatte 11 ermittelt. Die Durchflußmenge der Flüs­ sigkeit läßt sich nun aus dem Produkt der mit der Meß­ einheit 9 gemessenen Strömungsgeschwindigkeit, der Breite des Kanals und dem mit dem Flüssigkeitspegelmeß­ gerät 34 gemessenen Flüssigkeitspegel ermitteln. Das Flüssigkeitspegelmeßgerät 34 ist vorzugsweise als Ul­ traschallpegelmeßgerät ausgebildet. Der Meßkopf 35 wird durch einen Rahmen 36 über der Kanalmitte gehalten.

Fig. 3 zeigt einen Kanal 40 mit kreisrunder Quer­ schnittsform der Kanalwand 43. Die Meßeinheit 9 ist am Kanalboden befestigt und an ihren Seiten mit Füllele­ menten 41 versehen, deren Oberseiten parallel und auf dem Niveau der Deckplatte 11 seitlich an die Meßeinheit 9 angrenzen. Ein kreisbogenförmiges Rückschlußblech 42 ist der Kanalwand 43 angepaßt und liegt an ihr an. Sei­ ne beiden Schenkel sind symmetrisch in bezug auf die Meßeinheit 9 und in ihrer Höhe dem maximalen Pegelstand der Flüssigkeit angepaßt. Sie erstrecken sich hier etwa bis zur halben Höhe des Kanals 40, können aber auch höher oder durchgehend einen Kreis bildend ausgebildet sein.

Die Deckplatte 11 der Meßeinheit 9 bildet mit den Füll­ elementen 41 eine Ebene, die Voraussetzung dafür ist, daß auch bei niedrigen Flüssigkeitspegeln die Strö­ mungsgeschwindigkeit gemessen werden kann, da beide Elektroden 23a, 23b auch bei niedrigem Flüssigkeitspegel noch von der Flüssigkeit bedeckt sind. Der Meßkopf 35 des Flüssigkeitspegelmeßgeräts 34 mißt durch eine Öff­ nung in der Kanalwand 43 den Flüssigkeitspegel im Be­ reich der Meßeinheit 9.

Claims (7)

1. Magnetisch-induktiver Durchflußmesser für in einem Kanal (10) fließende elektrisch leitfähige Flüssig­ keiten mit
einer Magnetspule (14), die im Boden des Kanals (10) angeordnet ein quer zur Flußrichtung der Flüssigkeit verlaufendes Magnetfeld erzeugt,
mindestens einem im Seitenbereich des Kanals (10) angeordneten Rückschlußblech (12), das einen zu der Rückseite der Magnetspule (14) führenden magneti­ schen Rückschluß bildet, und
mindestens zwei Meßelektroden (23a, 23b), an denen die Flüssigkeit eine der Durchflußgeschwindigkeit der Flüssigkeit entsprechende Spannung erzeugt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetspule (14) an ihrer dem Kanal (10) zugewandten Vorderseite mit einer Polplatte (15) bedeckt ist, die das Magnetfeld in Richtung der Ka­ nalbreite verteilt, und
daß das Rückschlußblech (12) an den seitlichen Ka­ nalwänden anliegt.

2. Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite der Magnetspule (14) mit einer die Magnetspule (14) nach unten hin abdeckenden Koppelplatte (17) versehen ist.

3. Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (14) und die Polplatte (15) in einem Gehäuse angeordnet sind, das in einer Deckplatte (11) die Meßelektroden (23a, 23b) trägt und in der Nähe des der Deckplatte (11) abgewandten Gehäusebodens (20) die magnetische Koppelplatte (17) enthält, die den Magnetfluß durch den Gehäuseboden (20) hindurch zu dem Rückschluß­ blech (12) überträgt.

4. Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspu­ le (14) einen Magnetkern (16) enthält, dessen eines Ende mit der Polplatte (15) und dessen anderes Ende mit der Koppelplatte (17) in Berührung steht.

5. Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rück­ schlußblech (12) am Gehäuseboden (20) vollflächig anliegt.

6. Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß­ elektroden (23a, 23b) im Randbereich der Deckplatte (11) seitlich neben der Polplatte (15) angeordnet sind.

7. Magnetisch-induktiver Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ häuse in den Kanal (10) eingesetzt ist und die Deck­ platte (11) bündig mit dem Boden des Kanals (10) ab­ schließt.