DE69015526T2

DE69015526T2 - Elektromagnetischer Durchflussmesser.

Info

Publication number: DE69015526T2
Application number: DE69015526T
Authority: DE
Inventors: Ichiro Wada
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-12
Filing date: 1990-09-11
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2010-09-12
Also published as: US5125276A; KR910006696A; JPH0399229A; DE69015526D1; EP0418033B1; EP0418033A1; KR930007156B1; JP2557531B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Durchflußmesser, der für die Messung eines exzentrischen Durchflusses bzw. einer exzentrischen Strömung geeignet ist.
Wie der Fachmann weiß, ist die Messung eines exzentrischen Durchflusses (oder "drifted fluid" - Driftströmung) durch einen elektromagnetischen Durchflußmesser schwierig. Die exzentrische Strömung ist als ein Fluid mit gestörtem Strömungsprofil definiert. Eine exzentrische Strömung in einem elektromagnetischen Durchflußmesser bildet sich aus, wenn ein stromauf vor dem Durchflußmesser liegender gerader Rohrabschnitt keine ausreichende Länge aufweist, wenn eine feste Substanz oder Rost ungleichförmig an der Wand des stromaufliegenden Rohrabschnitts vor dem Durchflußmesser haftet, oder wenn eine feste Substanz auf der Unterseite des stromaufliegenden Rohrabschnitts ausfällt oder ein zu messendes Fluid eine Aufschwemmung fester Substanzen ist, die zum Ausfallen oder zum Aufschwimmen neigen.
Um die Durchflußrate einer exzentrischen Strömung genau zu messen, wurde ein elektromagnetischer Durchflußmesser entwickelt, der über eine Funktion zur Erzeugung eines funktional verteilten Magnetfeldes verfügt. Das funktional verteilte Magnetfeld ist als ein Magnetfeld definiert, das eine Verteilung der magnetischen Flußdichte aufweist, die näherungsweise dem reziproken Wert eines Gewichtungskoeffizienten W entspricht, welcher faktisch durch ein Meßrohr 1 nach der Fig. 1 gegeben ist. Entsprechend der Fig. 1 ist ein Winkel 2ΦB ein Bereichswinkel, der durch zwei Linien definiert ist, die einen Bereich für den Gewichtungskoeffizienten W = 2,0 in Bezug auf die Rohrmitte einschließen. Ein Winkel 2ΦR ist ein Winkel, der durch Linien definiert wird, die einen Bereich für den Gewichtungskoeffizienten W = 1,2 einschließen.
Herkömmliche elektromagnetische Durchflußmesser, die jeweils über eine Funktion zur Generierung eines funktional verteilten Magnetfelds verfügen, sind in den Fig. 2A und 2B und den Fig. 3A und 3B dargestellt.
Wie die Fig. 2A und 2B zeigen, ist ein Paar von im wesentlichen T-förmigen Jochen 2 unter Einhaltung kleiner Spalte mit der Oberfläche einer Außenwand eines Meßrohres 1-verbunden. Spulen 3 sind um die beiden in radialer Richtung vom Meßrohr wegweisenden Jochabschnitte 2a angeordnet. Ein Außengehäuse 4 mit Endflanschen 4a ist um das Meßrohr 1 angebracht. Eine Elektrode 6 ist durch die Wand des Meßrohres 1 geführt. Ein Signal von der Elektrode 6 wird außerhalb des Gehäuses 4 mittels einer Signalleitung 8 abgegriffen. Die Spulen 3 werden über eine Leitung 7 gespeist.
Wie die Fig. 3A und 3B zeigen, ist ein Paar von Sattelspulen 3 mit Erregerwicklungen unmittelbar auf der Außenseite eines Meßrohres 1 angebracht. Der übrige Aufbau des elektromagnetischen Durchflußmessers der Fig. 3A und 3B entspricht den Fig. 2A und 2B. Die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 2A und 2B bezeichnen die gleichen Teile in den Fig. 3A und 3B, so daß eine detaillierte Beschreibung derselben entfällt.
Um in jedem der oben beschriebenen herkömmlichen Durchflußmesser ein funktional verteiltes Magnetfeld zu erhalten, wird ein Winkel Φ in den Fig. 2A und 3A auf einen festgelegten Wert gesetzt. Genauer gesagt, der Winkel Φ liegt bei etwa 40º (bei einer Variation entsprechend der Form der Spulen und der Anordnung der Erzeuger für den magnetischen Fluß), wenn eine Länge L der Spulen entsprechend der Hälfte des Innendurchmessers des Meßrohres, d.h. L = (1/2)D, vorausgesetzt wird. für eine Länge L gleich unendlich wird der Winkel Φ auf etwa 30º gesetzt. Beträgt die Länge L weniger als die Hälfte des Innendurchmessers des Meßrohres, d.h. L < (1/2)D, so liegt der Winkel Φ normalerweise über 40º.
Wie oben beschrieben, ist der Winkel Φ relativ groß. Die Spalte zwischen den einander gegenüberliegenden Jochen 2 bzw. den einander gegenüberliegenden Spulen 3 sind vergleichsweise groß, wobei der magnetische Fluß in entgegengesetzten Richtungen über diese Spalte fließt. Damit liegt ein unsymmetrisches magnetisches Feld in den Spalten vor. Aus diesem Grund treten fluktuationen des von den Elektroden 6 erhaltenen Meßsignals auf.
Ein Zusammenhang zwischen der funktionalen Verteilung des Magnetfeldes und dem gemessenen Signal wird nachstehend auf Basis umfangreicher Untersuchungen seitens des Erfinders beschrieben.
In einem elektromagnetischen Durchflußmesser mit einer relativ kurzen Erstreckung des magnetischen Feldes in Strömungsrichtung ist der Zusammenhang zwischen einem Elektrodenpaar 6 und einer dazwischen erzeugten elektromagnetischen Kraft durch die nachstehende Gleichung (1) gegeben:
wobei D den inneren Durchmesser des Meßrohres 1 bezeichnet, R = r/a ist, Θ der Winkel für die Polarkoordinatentransformation ist, Bx die magnetische Flußdichte an einem Punkt P in x-Richtung angibt, By die magnetische Flußdichte am Punkt P in y-Richtung angibt, Wx eine Gewichtungsfunktion entsprechend der Stärke einer am Punkt P in x-Richtung zwischen den Elektroden erzeugten elektromagnetischen Kraft ist, Wy eine Gewichtungsfunktion entsprechend der Stärke einer am Punkt P in y-Richtung zwischen den Elektroden erzeugten elektromagnetischen Kraft ist, und Vz die Strömungsgeschwindigkeit im Meßrohr 1 in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene ist. Die Werte Wx und Wy werden durch die Gleichungen (2) bzw. (3) angegeben:
Wx = (R²sin2Θ)/(1 - 2R²cos2Θ + R&sup4;) ... (2)
Wy = (1 - R²cos2Θ)/(1 - 2R²cos2Θ + R&sup4;) ... (3)
Da in Fig. 5 ein Abstand 2h bei den Elektroden des elektromagnetischen Durchflußmessers herkömmlichen Typs mit funktional verteiltem Magnetfeld groß ist, werden, wie dies die Fig. 5, 6 und 7 zeigen, in der Nähe der Elektroden 6 magnetische Flüsse parallel zur Linie y-y mit entgegengesetzten magnetischen Richtungen in Bezug auf die Linie y-y, die durch Verbindung der Elektroden 6 erhalten wird, generiert. Die Verteilung der magnetischen flußdichten Bx und By im Bereich der Elektroden ist daher kompliziert. Wie aus Gleichung (1) hervorgeht, sind die magnetischen Flußdichten Bx und By mit den Gewichtungsfunktionen Wx und Wy verknüpft, um die Größen Bx Wy und By Wx zu erhalten, welche einen Einfluß auf die elektromotorische Kraft E ausüben. Aus diesem Grund wird bei Vorliegen einer exzentrischen Strömung in der Nähe der Elektroden ein fluktuierendes Meßsignal erhalten.
Durchflußmesser gemäß der Definition nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sind z.B. aus der DE-A-3225226 bekannt.
In einem elektromagnetischen Durchflußmesser ohne Funktion zur Generierung eines funktional verteilten Magnetfeldes tritt, wenn ein zu messendes Fluid exzentrisch strömt, zusätzlich zu den Fluktuationen des Meßsignals ein genereller Meßfehler der Durchflußrate auf.
Die vorliegende Erfindung erfolgte in Anbetracht der obigen Situation und hat die Aufgabe, die Bereitstellung eines elektromagnetischen Durchflußmessers mit einem besseren Verhalten als ein herkömmlicher Durchflußmesser zu vereinfachen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines elektromagnetischen Durchflußmessers mit einer geringen Fluktuation eines Meßsignals.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Vereinfachung der Bereitstellung eines kompakten elektromagnetischen Durchflußmessers mit einer geringen Fluktuation eines Meßsignals.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Vereinfachung der Bereitstellung eines elektromagnetischen Durchflußmessers mit einer kurzen Anstiegszeit des magnetischen Flusses.
Zur Lösung der obigen Aufgaben der vorliegenden Erfindung wird ein elektromagnetischer Durchflußmesser bereitgestellt, um ein magnetisches feld an ein zu messendes Fluid anzulegen, und um eine durch das magnetische Feld im Fluid induzierte elektromotorische Kraft mittels Elektroden abzugreifen, welcher folgendes umfaßt:
ein Meßrohr (11), durch das das zu messende Fluid strömt;
Magnetfeldgenerierungseinheiten (13, 14) für das Anlegen des Magnetfelds an das im Meßrohr zu messende Fluid, wobei jede dieser Magnetfeldgenerierungseinheiten eine Vielzahl von Spulen besitzt; und
Elektroden (12), die auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Längsachse des Meßrohres angeordnet sind, um die durch das Magnetfeld im Fluid induzierte elektromotorische Kraft abzugreifen;
dadurch gekennzeichnet, daß:
eine n-te Spule der Vielzahl von Spulen eine Windungszahl Tn entsprechend der folgenden Gleichung aufweist:
wobei T eine Gesamtwindungszahl einer Erregerspule bezeichnet, Φn ein durch eine Verbindungslinie der Elektroden und eine radial von der Achse zum äußersten Ende der n-ten Spule am Außenumfang des Rohres verlaufende Linie bestimmter Winkel ist, und Φn-1 ein durch eine Verbindungslinie der Elektroden und eine radial von der Achse zum äußersten Ende der n-1-ten Spule am Außenumfangs des Rohres verlaufende Linie bestimmter Winkel ist.
Die Vielzahl der Spulen enthält z.B. Spulen mit Polstücken und Sattelspulen.
Der elektrontagnetische Durchflußmesser in der oben beschriebenen Anordnung ist im wesentlichen frei von einem Einfluß einer exzentrischen Strömung und kann ein Meßsignal mit einer geringen Fluktuationsamplitude liefern.
Die Erfindung wird anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren verständlich; es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung der Gewichtungsfunktion;
Fig. 2A bis 7 Darstellungen zur Erläuterung eines herkömmlichen elektromagnetischen Durchflußmessers;
Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9A und 9B Darstellungen zur Erläuterung einer Anordnung eines elektromagnetischen Durchflußmessers entsprechend einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 10 eine Darstellung des äußeren Aufbaus eines elektromagnetischen Durchflußmessers für Wasserleitungen;
Fig. 11 bis 14B Darstellungen von Modifikationen des in den Fig. 9A und 9B gezeigten elektromagnetischen Durchflußmessers;
Fig. 15 eine Schnittdarstellung eines Aufbaus eines elektromagnetischen Durchflußmessers entsprechend der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 16A und 16B Darstellungen eines Aufbaus eines elektromagnetischen Durchflußmessers entsprechend der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 17 eine Schnittdarstellung einer Modifikation des Aufbaus eines Außengehäuses 15; und
Fig. 18, 19A, 19B und 19C Modifikationen des elektromagnetischen Durchflußmessers entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen.
Für ein bestmögliches Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nachstehend das Erfindungsprinzip beschrieben.
Wenn exzentrische Strömungen in Bereichen mit Gewichtungsfunktionen von 0,5 und 2,0 bei gleicher magnetischer Flußdichte vorliegen, so ist der Einfluß der exzentrischen Strömung im Bereich mit der Gewichtungsfunktion von 2,0 auf die Meßwerte etwa viermal so groß wie derjenige der exzentrischen Strömung, die durch den Bereich mit der Gewichtungsfunktion 0,5 fließt. Der Bereich mit der Gewichtungsfunktion 2,0 liegt nahe bei den Elektroden. Zur Verringerung des Einflusses der exzentrischen Strömungen ist es sehr effektiv, ein Magnetfeld im Meßrohr nahezu wie ein funktional verteiltes Magnetfeld auszubilden (d.h., die Stärke des Magnetfeldes entspricht dem reziproken Wert der Gewichtungsfunktion), um ein Magnetfeld in der Nähe der Elektroden zu schwächen.
Wie in der Fig. 8 gezeigt, heben sich bei einer Verringerung eines Abstandes 2h zwischen den Erregerspulen 3 die entgegengesetzt gerichteten magnetischen Flüsse gegenseitig auf, so daß der magnetische Fluß zwischen den Spulen nahezu Null ist. Wie in der Fig. 8 gezeigt, ist nahezu der gesamte magnetische Fluß senkrecht zu einer Verbindungslinie der Elektroden 6 ausgerichtet. Im Ergebnis wird By = 0 erhalten, so daß Gleichung (1) zu Gleichung (1a) wird:
Wenn ein funktionales Magnetfeld durch eine Erregerspule oder dergleichen erhalten werden soll, gilt der Zusammenhang Bx = (1/Wy). Die Gleichung (1a) kann damit in die nachstehende Gleichung (1b) vereinfacht werden:
Im Idealfall wird die elektromotorische Kraft E auf Basis der Gleichung (1b) erhalten. Selbst wenn jedoch Gleichung (1b) nicht absolut erfüllt ist, können die Einflüsse exzentrischer Strömungen auf die Meßwerte reduziert werden, wenn der Wert Wy Bx in der Nähe der Elektroden kleiner ist als Wy und/oder der Wert Wy Bx entfernt von den Elektroden größer ist als Wy.
Ein Erregerteil eines elektromagnetischen Durchflußmessers gemäß der vorliegenden Erfindung ist möglichst so aufgebaut, daß ein magnetischer Fluß entsprechend Gleichung (1a) erhalten wird.
Ein elektromagnetischer Durchflußmesser in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Idealerweise kann, wie durch die doppelt strichpunktierte Linie DD in der Fig. 9A angedeutet, durch die Anordnung von Erregerspulen (Sinusverteilungsspulen) mit einer Dicke entsprechend einem Sinusverlauf derart, daß die Endabschnitte der Spulen in die Nähe der Elektroden 12 zu liegen kommen, ein funktional verteiltes Magnetfeld erhalten werden. Gleichzeitig kann der Abstand 2h zwischen den Spulen fast Null betragen, so daß die Gleichung (1a) erfüllt ist.
Mit dieser Technik wird jedoch die maximale Dicke einer jeden Erregerspule vergrößert. Aus diesem Grund erhöht sich die Größe des Außengehäuses, wie dies durch die zweifach strichpunktierte Linie EE angedeutet ist. Eine solche Erregerspule kann daher nicht in einem elektromagnetischen Durchflußmesser vom sogenannten "Wafer"-Typ (einflanschbare Bauform) verwendet werden, der nach Fig. 10 zwischen die miteinander verschraubten Rohre eingesetzt wird.
Um dieses Problem zu lösen, wird die erste Ausführungsform mit einem Aufbau entsprechend den Fig. 9A und 9B bereitgestellt.
Der Aufbau des in den Fig. 9A und 9B gezeigten elektromagnetischen Durchflußmessers wird nachstehend beschrieben.
Ein Paar einander gegenüberliegender Elektroden 12 ist an der Außenseite eines Meßrohres 11 angebracht, das vom zu messenden Fluid durchströmt wird. Die Elektroden 12 stehen senkrecht zur Strömungsrichtung und zur Richtung des magnetischen Flusses und sind auf einer Linie y-y angeordnet, die durch die Achse des Meßrohres 11 geht. Die Elektroden 12 stehen in unmittelbarem Kontakt mit dem Fluid. Wenn das Meßrohr 11 aus leitfähigem Material besteht, sind die Elektroden 12 z.B. durch eine Zwischenlage aus nichtleitendem Material vom Meßrohr 11 isoliert.
Ein Paar Erregerteile enthält ein Paar Erregerspulen 13 in Sattelform und ein Paar Spulen 14 mit Polstücken. Die Spulen 13 und 14 wirken zusammen, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das im wesentlichen demjenigen der Sinusverteilungsspule entspricht, das durch die zweifach strichpunktierte Linie DD angedeutet ist.
Jede Spule 14 mit einem Polstück umfaßt ein Joch 14 aus einem magnetischen Werkstoff, ein T-förmiges Polstück 14a aus einem magnetischen Werkstoff, und eine um das Polstück l4a gewickelte Spule 14b. Die Spulen 14 sind einander gegenüberliegend in einer Richtung senkrecht zur Linie y-y, die sich durch Verbindung der Elektroden 12 ergibt, auf der Außenseite des Meßrohres 11 angeordnet. Gleichzeitig liegt das Polstück 14a auf einer Linie x-x, die durch die Achse des Meßrohres geht.
Die Sattelspulen 13 sind so angeordnet, daß sie die Spulen 14 umschließen und einander gegenüberliegend auf der Außenseite des Meßrohres 11 sitzen. Die Enden der sattelförmigen Erregerspulen 13 liegen nahe bei den Elektroden 12.
Ein Außengehäuse 15 ist als Schutz für das Meßrohr 11, die Elektroden 12 und die Spulen 13 und 14 vorgesehen. Das Außengehäuse 15 besteht aus einem magnetischen Werkstoff oder ähnlichem. Die Innenseite des Außengehäuses 15 steht in unmittelbarem Kontakt mit den Polstücken 14a, wobei das Außengehäuse 15 als magnetischer Pfad für die Spulen 14 dient.
Eine Gesamtwindungszahl der Spulen 13 und 14 wird auf Basis der Stärke der angestrebten elektromotorischen Kraft E und der Höhe des Erregerstromes bestimmt. Wenn eine Gesamtwindungszahl der Spulen zu 2T gegeben ist, so sind die Gesamtwindungszahlen der oberen Spulen 13 und 14 sowie der unteren Spulen 13 und 14 jeweils T.
Die Windungszahl einer jeden Spule 13 bzw. 14 ist gleich der Hälfte der Sinusverteilungsspule mit einer Windungszahl von T. Genauer gesagt, die Gesamtwindungszahl einer jeden Spule 13 oder 14 ist durch die Gleichungen (4) bis (6) gegeben, durch die die Gesamtwindungszahl T in n (n ganzzahlig) Teile aufgeteilt wird: Windungszahl
Genauer gesagt, der Durchmesser des Meßrohres 11 ist zu 75 mm gegeben, die Gesamtwindungszahl 2T = 1440 (Windungen), Φm1 = 0º, Φn1 = 40º und Φn2 = 90º. Diese Winkel wurden durch eine Contputersimulation und anhand von Versuchen ermittelt. Anhand der Gleichungen (4) und (5) ergibt sich: Windungszahl
Das bedeutet, die Spule 13 hat 168 Windungen, und die Spule 14 hat 552 Windungen.
In der Anordnung nach den Fig. 9A und 9B wirken zwei Spulen 13 und 14 zusammen, um eine im wesentlichen gleiche Funktion wie die Sinusverteilungsspule zu erzielen. Gleichzeitig ist der Abstand 2h zwischen den Enden der Spulen 13 klein. Daher ist der magnetische Fluß in der Nähe der Elektroden 12 in der y-y-Richtung reduziert, und die Fluktuation des Meßsignals kann verringert werden.
In einem elektromagnetischen Durchflußmesser, der einen geringen Erregerstrom erfordert und Spulen mit jeweils großer Windungszahl verwendet, ist die Sattelspule 13 vorzugsweise flach ausgeführt, wie dies die Fig. 11 zeigt, und erstreckt sich über den gesamten Bereich von 40º.
Die Herstellung der spulen 13 in der Anordnung nach Fig. 11 ist schwierig. Um dieses Problem zu lösen, kann, wie in der Fig. 12 gezeigt, eine Spule 13 kompakt ausgeführt sein und dicht bei der Elektrode 12 angeordnet werden, um den Abstand 2h zu verringern. In diesem Fall wird die Windungszahl T&sub1; der Spule 13 vorzugsweise leicht reduziert, d.h. um etwa 10% gegenüber dem rechnerischen Wert. Die Anordnung nach Fig. 12 zeichnet sich durch hervorragendes Betriebsverhalten und sonstige Merkmale aus.
In einem elektromagnetischen Durchflußmesser, der einen hohen Erregerstrom erfordert und Spulen mit jeweils geringer Windungszahl verwendet, kann eine plattenförmige bzw. Flachspule mit einer oder einer Vielzahl von Windungen als Spule 13 eingesetzt werden. Die Fig. 13A zeigt eine Flachspule mit einer Windung, und Fig. 14A zeigt eine Flachspule mit zwei Windungen. Die Fig. 13B zeigt eine eben ausgeführte Flachspule 13. Die Fig. 13C und 14B zeigen äquivalente Schaltungen der Anordnungen zur Generierung des Magnetfelds nach den Fig. 13A bzw. 14A.
Wenn die in den Fig. 13A bis 14B gezeigten Anordnungen eingesetzt werden, kann ein magnetischer Fluß entlang der Linie y-y eliminiert oder stark herabgesetzt und die Fluktuation des Meßsignals minimiert werden.
Die Flachspule 13 kann aus einem supraleitenden Werkstoff hergestellt werden. Wenn ein Wicklungsabschnitt 14b der Spule mit einem Polstück eine geringe Windungszahl aufweist, kann dieser als eine dicke Flachspule oder als supraleitende Spule ausgeführt werden.
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug auf die Fig. 15 beschrieben.
Die zweite Ausführungsform stellt beispielhaft einen elektromagnetischen Durchflußmesser mit mehreren Elektrodenpaaren dar. Wie die Fig. 15 zeigt, sind mehrere Elektrodenpaare 12a und 12b an einem Meßrohr 11 angebracht. Erregerspulen 13 in Sattelform und Spulen 14 mit Polstücken mit einer im wesentlichen äquivalenten Funktion wie die Sinusverteilungsspule, wie dies durch die zweifach strichpunktierte Linie in der Fig. 15 angedeutet ist, sind an der Außenseite des Meßrohres 11 angebracht. Die Erregerspulen 13 in Sattelform sind in der Nähe der Elektroden 12a und 12b angebracht. Die Windungszahlen der Spulen 13 und 14 werden auf Basis der Gleichungen (4) und (5) berechnet.
Tn dieser Ausführungsform bewirkt die Kombination der spulen 13 und 14 außerdem eine im wesentlichen der Sinusverteilungsspule äquivalente Funktion. Zusätzlich ist die Sattelspule 13 in der Nähe der Elektroden angebracht. Damit ist der Durchflußmesser durch die Sinusverteilungsspule im wesentlichen, frei von einem Einfluß einer exzentrischen Strömung und liefert ein Meßsignal mit einer geringen Fluktuationsamplitude, da die Ränder nahe bei den Elektroden liegen.
Die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug auf die Fig. 16A und 16B beschrieben. Diese Ausführungsform stellt beispielhaft einen elektromagnetischen Durchflußmesser dar, bei dem eine Sinusverteilungsspule in vier Abschnitte unterteilt ist. Jeder Erregerteil umfaßt drei Sattelspulen 13A, 13B und 13C und eine Spule 14 mit einem Polstück. Die Windungszahlen der Erregerspulen 13a, 13b, 13c und 14 werden auf Basis der Gleichungen (4) bis (6) bestimmt.
Es ist möglich, die Positionen der Spulen leicht gegenüber den rechnerisch erhaltenen Positionen zu versetzen. In diesent Fall werden z.B. die Windungszahl und/oder der Erregerstrom anhand von Versuchen etc. korrigiert.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen spezifischen Ausführungsfornten beschränkt. Bei den obigen Ausführungsformen ist das Außengehäuse 15 zylindrisch. Es kann jedoch auch ein Gehäuse in Form eines rechteckigen Parallelepipeds Verwendung finden.
In den obigen Ausführungsformen umfaßt jeder Erregerteil eine Kombination aus einer Spule mit einem Polstück und einer sattelspule (oder Sattelspulen). Der Erregerteil kann aber auch nur aus Sattelspulen gebildet werden, und der Aufbau der Spulen des Erregerteils kann willkürlich festgelegt werden.
In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen besteht das Außengehäuse 15 aus einem magnetischen Werkstoff, wobei die Innenseite in direktem Kontakt mit den äußeren Endflächen der Poistücke 14a steht, und wobei das Außengehäuse l5 zur Schließung des magnetischen Pfades für die Spule 14 dient. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Das Außengehäuse 15 kann aus einem nichtmagnetischen Material bestehen, wobei ein Spalt zwischen dem Außengehäuse 15 und dem Meßrohr 11 zur Schließung des magnetischen Pfades dienen kann. Weiter kann, wie in der Fig. 17 gezeigt, ein Kern 15A innerhalb des Außengehäuses 15 angeordnet sein.
Das Außengehäuse 15 wird vorzugweise mit direktem Kontakt zur rückwärtigen Endfläche des Polstücks 14a ausgeführt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Wie in der Fig. 17 gezeigt, kann aus bauartbedingten Gründen o.a. ein Spalt zwischen dem Außengehäuse 15 und dem Polstück 14a vorgesehen werden. In diesem Fall muß gegenüber der Bauform mit in unntittelbarent Kontakt ntit den Polstücken stehendem Außengehäuse der Erregerstrom um etwa 20% erhöht werden, um eine bestimmte magnetische Flußdichte zu erzielen. Allerdings ist hierbei keine hohe mechanische Präzision des Außengehäuses erforderlich, wodurch der Aufbau des elektromagnetischen Durchflußmessers vereinfacht und die Herstellung erleichtert wird.
Wenn das Außengehäuse 15 aus einem nichtmagnetischen Material besteht, hat das Außengehäuse selbst eine Wirkung wie eine Luftstrecke. Aus diesem Grund muß in jeder Spule ein höherer Erregerstrom fließen als bei einem magnetischen Außengehäuse. Bei Verwendung dieser Ausführung kann jedoch die Anstiegszeit des magnetischen Flusses verkürzt werden, so daß ein elektromagnetischer Durchflußmesser für schnelle Messungen erhalten werden kann. Wenn die Anstiegszeit des magnetischen Flusses verkürzt werden kann, so kann eine Durchflußrate unabhängig von durch die Elektroden 12 erzeugten elektrochemischen Störungen gemessen werden.
Wenn ein lamellierter Kern innerhalb des Außengehäuses 15 angeordnet ist, so kann der lamellierte Kern in unmittelbarem Kontakt mit der Innenfläche des Außengehäuses stehen oder einen bestimmten Abstand zu dieser einhalten. Zusätzlich kann ein Spalt zwischen der Innenseite des lamellierten Kerns und der Rückseite des Polstückes 14a gebildet werden, oder diese Komponenten können in unmittelbaren Kontakt miteinander gebracht werden. Ein magnetisches Pulver kann anstelle des lamellierten Kerns mittels eines Harzes in einen viereckigen Hohlkern eingebracht werden. Wenn der lamellierte Kern bzw. der Pulverkern selbst als ein Außengehäuse dient, kann das Außengehäuse 15 entfallen.
Das Polstück 14a kann als lamellierter Kern oder als Pulverkern ausgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen elektromagnetischen Durchflußmesser des Typs beschränkt, bei dem die Elektroden mit dem Fluid, dessen Durchflußrate gemessen werden soll, in Kontakt stehen. Sie kann auch auf einen elektromagnetischen Durchflußmesser des in der Fig. 18 gezeigten Typs angewandt werden, dessen Elektroden im Meßrohr liegen und durch eine statistische elektrostatische Kapazität infolge eines Wechselstroms mit dem Fluid in Wechselwirkung stehen.
Wenn der Jochabschnitt 14c der Spule 14 größer ausgeführt wird, so wird die magnetische flußdichte um die Achse des Meßrohres 11 reduziert, wodurch eine genaue Messung der Durchflußrate möglicherweise schwierig wird. In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der magnetische Fluß um die Achse des Meßrohres 11, da der Jochabschnitt 14c relativ klein ist. Darüber hinaus wird eine große Sattelspule in Verbindung mit der Spule 14 verwendet, wodurch sich die Charakteristik des Durchflußmessers verbessert, die bei alleiniger Verwendung der Spule 14 nicht hinreichend wäre.
Bei den elektromagnetischen Durchflußmessern einer jeden der oben beschriebenen Aus führungs formen werden die Erregerteile zur Generierung eines funktionalen Magnetfelds durch eine Vielzahl von Spulen gebildet. Genauer gesagt, durch die Vielzahl von Spulen kann eine im wesentlichen zur Sinusverteilungsspule äquivalente Funktion erzielt werden, wodurch sich ein Einfluß der exzentrischen Strömung auf das gemessene Signal verringert. Die Spulenenden sind in der Nähe der Elektroden 12 angeordnet, um die Fluktuationen des gemessenen Signals zu verringern. Zusätzlich wird in der oben beschriebenen Ausführungsform der Erregerteil durch die Spule 14 mit einem Polstück und durch die Sattelspule 13 gebildet. Im Vergleich zu einer Ausführung mit Sinusverteilungsspule kann die maximale Dicke der Spule verringert werden, so daß ein kompakter elektromagnetischer Durchflußmesser bereitgestellt wird, wobei sich die Herstellung der Spulen einfacher gestaltet.
Aufgrund der Kombination der beiden spulen 13 und 14 können streuverluste des magnetischen Flusses verringert werden. Genauer gesagt, würde nur die Spule 14 verwendet, so würde ein magnetischer Fluß nach Fig. 19A generiert. Würde andererseits nur die Spule 13 verwendet, so würden die in Fig. 19B dargestellten Streuverluste hervorgerufen. Da die Spulen 13 und 14 in Kombination yerwendet werden, gleichen sich die Streufelder in den durch die gestrichelten Linien in der Fig. 19C angedeuteten Bereichen aus, wodurch der gesamte magnetische Streuverlust verringert wird. Im Ergebnis wird die Verlustleistung reduziert, so daß der Generator für den magnetischen Fluß mit einem geringen Strom betrieben werden kann. Wenn der Generator für den magnetischen Fluß mit geringem Strom versorgt wird, steigt das Magnetfeld rasch an, so daß die Frequenz der magnetischen Erregung erhöht werden kann. Je höher die magnetische Erregungsfrequenz ist, desto einfacher können die Signale aus dem sogenannten 1/f- Rauschen ausgefiltert werden. Damit kann der Rauschabstand (S/N-ratio) erhöht werden, wodurch die Charakteristik des elektromagnetischen Durchflußmessers verbessert wird.

Claims

1. Elektromagnetischer Durchflußmesser zum Anlegen eines Magnetfeldes an ein zu mes sendes Fluid, welches Elektroden verwendet, um eine in dem Fluid durch das Magnetfeld induzierte elektromotorische Kraft abzunehmen, welcher folgendes umfaßt:

ein Meßrohr (11), durch welches das zu messende Fluid fließt;

Magnetfeldgeneratoreinheiten (13, 14) zum Anlegen des Magnetfeldes an das zu messende Fluid in dem Meßrohr, wobei jede der Magnetfeldgeneratoreinheiten eine Vielzahl von Spulen aufweist; und

Elektroden (12), welche an diametral gegenüberliegenden Seiten der Längsachse des Meßrohres zur Bestimmung der in dem Fluid durch das Magnetfeld induzierten elektromotorischen Kraft angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, daß

eine n-te Spule der Vielzahl von Spulen eine durch die nachstehende Gleichung bestimmte Wicklungszahl Tn aufweist: wobei T die Gesamtwicklungszahl eines Erregerspulenabschnitts ist, φn ein zwischen einer Verbindungslinie der Elektroden und einer radialen Linie von der Achse, welche die größte Entfernung der n-ten Spule entlang des Außenumfangs vom Rohr begrenzt, eingeschlossene Winkel ist und φn-1 ein zwischen der Verbindungslinie der Elektroden und einer radialen Linie von der Achse, welche die größte Entfernung der n-1-ten Spule entlang des Außenumfangs vom Rohr begrenzt, eingeschlossener Winkel ist.

2. Elektromagnetischer Durchflußmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (14) der Vielzahl von Spulen ein Polstück (14a) besitzt, welches aus einem magnetischem Material und einem Joch besteht.

3. Elektromagnetischer Durchflußmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus der Vielzahl der Spulen eine Sattelspule (13) ist.

4. Elektromagnetischer Durchflußmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (14) aus der Vielzahl der Spulen ein Polstück aus magnetischen Materialien besitzt; eine andere aus der Vielzahl der Spulen ist eine Sattelspule (13)

5. Elektromagnetischer Durchflußmesser gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrachtung in Richtung des Hauptmagnetfeldes die Spule (14) mit dem Polstück in der Mitte angeordnet und von den übrigen Spulen (14) umgeben ist.

6. Elektromagnetischer Durchflußmesser gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrachtung in Richtung des Hauptmagnetfeldes die Spule (14) mit dem Polstück in der Mitte angeordnet und von den übrigen Spulen (13) umgeben und eine äußerste der übrigen Spulen (z.B. 13b) neben den Elektroden (12) angeordnet ist, um den entlang einer das Paar von Elektroden (12) verbindenden Linie wirkenden magnetischen Fluß zu verringern.

7. Elektromagnetischer Durchflußmesser gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußerste der Sattelspulen neben den Elektroden angeordnet ist, um den entlang einer das Paar von Elektroden (12) verbindenden Linie wirkenden magnetischen Fluß zu verringern.