DE7811639U1

DE7811639U1 - Magnetisch induktiver durchflussmesser

Info

Publication number: DE7811639U1
Application number: DE19787811639
Authority: DE
Original assignee: Fischer and Porter GmbH
Current assignee: Fischer and Porter GmbH
Priority date: 1978-04-18
Filing date: 1978-04-18
Publication date: 1984-09-06

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing.^We'ickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

Dr. H. Liska

8 MÜNCHEN 86, DEN 1 8. Apr/I ^DZB POSTFACH 860820

| MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22 Γ

Fischer & Porter GmbH |

Dransfelder Straße 2 i

3400 Göttingen/Groß Ellershausen Sj

Magnetisch induktiver Durchflußmesser

Die Erfindung betrifft einen magnetisch induktiven Durchflußmesser zur Messung der Stromstärke einsr ein Rohr durchströmenden Flüssigkeit, mit einer Magnetanordnung zur Erzeugung eines das Rohr im wesentlichen in einer Querrichtung (y-Achse) durchsetzenden Magnetfeldes und mit flächenförmigen, im Bereich des Magnetfeldes beidseitig der y-Achse kapazitiv an die Flüssigkeit angekoppelten, an eine Auswerteschaltung angeschlossenen Meßelektrodenanordnungen zur Gewinnung eines der Stromstärke im wesentlichen proportionalen Spannungssignals.

Nach der deutschen Auslegeschrift 1 963 901 ist ein Durchflußmesser dieser Art bekannt, dessen Meßelektrodenanordnungen in galvanischem Kontakt mit der Flüssigkeit stehen. Mit diesen Meßelektrodenanordnungen sollen auch bei nicht rotationssymmetrischen Strömungsprofilen der Flüssigkeit Spannungs-

signale erhalten werden können, die der Stromstärke im wesentlichen proportional sind. Dazu wird das Magnetfeld an die Wertigkeit angepaßt, was aber bekannterweise theoretisch nicht vollständig möglich ist. Hieraus ergeben sich strömungsprofilabhängige Meßfehler. Die Meßeiektrodenanordnungen dieses bekannten Durchflußmessers weisen im wesentlichen rechteckige Meßelektroden auf. Da die Meßelektroden in galvanischem Kontakt mit der Flüssigkeit stehen, können sie leicht verschmutzen, was zur Folge hat, daß Meßfehler auftreten, also das von dem Durchflußmesser abgegebene Spannungssignal nicht mehr proportional der Stromstärke der Flüssigkeit ist.

Desweiteren ist eine Meßanordnung nach der DE-PS 1 548 918 bekannt, die an die Flüssigkeit kapazitiv angekoppelte Elektrodenanordnungen enthält und damit den letztgenannten Nachteil der Elektrodenverschmutzung vermeidet. Es sind jedoch weder Vorkehrungen zur Ausbildung des Magnetfeldes noch zur Gestaltung der Elektrodenform bezüglich einer Eliminierung der vom Strömungsprcfil abhängigen Einflüsse auf den Meßwert getroffen worden.

Es ist auch ein Durchflußmesser bekannt, der eine Vielzahl

/r_ri. punktförmiger Meßelektroden aufweist. Mittels der Auswertete

schaltung werden die von den Elektroden abgegriffenen Potentiale (bzw. Spannungen) bewertet addiert. Die Vielzahl punktförmiger Elektroden führt dabei zu einem erheblichen konstruktiven Aufwand (insbesondere ergeben sich Dichtigkeitsprobleme) und auch zu einem erheblichen Aufwand an elektronischen Mitteln.

Aufgabe der Erfindung ist es gegenüber diesem Stand der Technik, einen Durchflußmesser eingangs genannter Art anzugeben, dessen Meßelektroden nicht verschmutzen können und der mit verhältnismäßig geringem konstruktivem und schaltangstechnischem Aufwand herzustellen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der an sich bekannten theoretisch gut begründeten These aus, daß bei einem in Richtung der y-Achse verlaufenden homogenen Magnetfeld B eine fehlerfreie Messung der Stromstärke der Flüssigkeit auch bei nicht axialsynunetrischem Strömungsprofil möglich ist, wenn man die elektrischen Potentiale.· 0 auf der Oberfläche der Flüssigkeit auf einer geschlossenen Kurve C, deren eingeschlossene Fläche rechtwinklig zur Stromrichtung orientiert ist, mit einem Bewertungsfaktor cos ^ versieht und integriert.

^By * ^Vz ^{= k}/⁰ ter^) coslp d<? (1)

In dieser Formel bedeutet

B = (0,B ,0)

den Vektor des Magnetfeldes mit der einzigen ortsunabhängigen Komponente B in Richtung der y-Achse.

V die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in Richtung der Rohrachse, der z-Achse,

V den Mittelwert von V über den Rohrquerschnitt,

K einen von den übrigen Größen der Gleichung (1) unabhängigen Proportionalitätsfaktor,

0 das elektrische Potential auf der Oberfläche der Flüssigkeit .im Rohr,

R den Radius des Rohrs,

tf den Winkelabstand zwischen der bei der Integration jeweils betrachteten Stelle auf der Flüssigkeitsoberfläche von derjenigen Achse (der x-Achse), die quer zum Rohr verläuft und mit der y-Achse und der z-Achse ein rechtwinkliges Koordinatensystem bildet,

13 C den Integrationsweg»

In den beigefügten Figuren 1 und 2 sind diese Größen veranschaulicht.

i Sofern V nicht von ζ abhängt - zumindest nicht im Einfluß-

\- bereich des Durchflußmessers - ist das Oberflächenpotential 0

Γ in Rohrlängsrichtung konstant. Man kann nun voraussetzen, daß

• kapazitiv gekoppelte Meßelektrodenanordnungen eingangs genannter

F Art keine Rückwirkung auf die Verteilung des elektrischen Po-

ί tentials 0 auf der Oberfläche der Flüssigkeit haben, wenn

. C die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit sehr viel größer

j ist als die Koppelreaktanz der Meßelektroden zur Oberfläche der

j. Flüssigkeit.

"j Mit derart ausgebildeten Meßelektrodenanordnungen kann man

j, ohne erheblichen konstruktiven und schaltungstechnischen Auf-

£ wand und ohne, daß die Meßelektroden verschmutzen können,

j§ der Stromstärke im wesentlichen proportionale Spannungssignale

f erhalten.

J| Das Maß, mit dem die effektive Ankopplungskapazität der Meß-

|i elektrodenanordnungen mit zunehmendem Winkelabstand von der

, ,' x-Achse abnehmen soll, hängt von der Ausbildung des Magnet- $ ' feldes ab und kann im Einzelfall durch Versuchsreihen ermit-

ρ telt werden. Ist das Magnetfeld im oben erörterten Sinne

1. homogen, so ist der Durchflußinesser bevorzugt dadurch ge-

I kennzeichnet, daß die effektive Ankopplungskapazität der

Meßelektrodenanordnungen an die Auswerteschaltung wenigstens annähernd proportional zum Cosinus ihres Winkelabstands von der x-Achse abnimmt, wie sich unmittelbar einsichtig aus Gleichung 1 ergibt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Die Fig. 1 und 2 sind schon erörtert worden. f,

Fig. 3 zeigt schematisch im Querschnitt eine erste Ausführungs- 1

form. H

Fig. 4 zeigt die Ausführungsform nach Fig. 3 scheuatisch in
Seitenansicht.

Fig. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild der Ausführungsform nach \ den Fig. 3 und 4. |

Fig. 6 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform in Seiten- ■ ansicht.

Fig. 7 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform im Querschnitt. :

Fig. 3 zeigt im Querschnitt ein Rohr 2, dessen Innenoberfläche
mit einer Isolierstoffschicht 4 bedeckt ist. In die Isolierstoff- : C · schicht 4 sind beidseitig der y-Achse zwei Meßelektroden- j anordnungen 6 und 8 eingebettet. Innerhalb jeder Meßelektro- ! denanordnung 6, 8 haben die Meßelektroden C_T, gleiche Flächen,
liegen in gleichem Winkelabstand voneinander und in gleichem Abstand von der Oberfläche der das Rohr 2 durchströmenden
Flüssigkeit, über das Rohr 2 isoliert durchsetzende Leitungen
sind die Meßelektroden C_w mit Meßwertbewertungskondensatoren

IS.

C_R1 C_R verbunden. Diese Meßwertbewertungskondensatoren

C₁ C sind innerhalb jeder Meßelektrodenanordnung 6, 8

parellel geschaltet und liegen an den Eingängen 10, 12 einer
Auswerteschaltung U. $

(1*1 Il

Die Meßelektroden C₇₇. erstrecken sich streifenförmig in Längsrichtung des Rohrs mit konstanter Länge und konstanter Breite, wie aus Fig. 4 ersichtlich.

Das Oberflächenpotential der Flüssigkeit unter den Winkeln (O lö ist 0₁ 0 . Die Kapazität der Reihenschaltung

von Meßelektroden C_ und Meßwertbewertungskondensatorer¹

is.

C-., C_ beträgt· jeweils C₁ C . Jedes C . wird nun

B1 Bn 3 J g1 g_n g-L

so gewählt, daß es der folgenden Gleichung genügt:

^Cgi = ^co^i I C_gk i = 1 η (2)

k = 1

Da die Größen C, festliegen, sind aus dieser Gleichung die Größen C₁₃₁ C_n zu berechnen.

3D I till.

Besonders bemerkenswert ist hier, daß die Bildung des Spannungssignals aus der Differenz der Potentiale nur zweier Meßelektrodenanordnungen mit zugehörigen Meßwertbewertungskondensatoren erfolgt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 sind allein zwei flächenhafte Meßelektroden vorgesehen, deren Flächenausdehnung in Richtung der z-Achse von 1 mit zunehmendem Winkelabstand von der x-Achse gemäß der Formel

Mip = I₀ · cos φ (3)

abnimmt. Selbstverständlich enden in der Praxis die Meßelektroden in Abstand von den Stellen ψ = + 90°, damit sie nicht zusammenstößen. Im Falle der Fig. 6 hat die Einbettungs-

ι · HM ι I fit·

schicht der Meßelektroden eine konstante Dielektrizitätskon stante und die Meßelektroden haben ringsum gleichen Abstand von der z-Achse.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 sind die Meßelektroden rechteckig, jedoch nimmt ihr Radialabstand von der z-Achse mit zunehmendem Winkelabstand von der x-Achse entsprechend der Formel

d (ψ) = — (4)

• cos U)

von einem Abstand d aus zu. In der Praxis kann man von einem Abstand d>_Q von etwa 1 mm bis zu ein^m Abstand von 1 cm gehen. Dies hängt aber von den jeweiligen Verhältnissen ab. In einem letzten nicht dargestellten Ausführungsbeii'piel kann man rechtwinklige, entsprechend dem Rohrumfang gekrümmte Elektroden verwenden und eine Kunststoffeinbettungsschicht, deren Dielektrizitätskonstante gemäß der folgenden Formel von (ß abhängig ist:

£ (Ip) = £ . cos ^ (5)

Es ist darauf hinzuweisen, daß die in Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen erörterte cos If-Abhängigkeit nur für homogene Magnetfelder exakt zutrifft. Man kann sie aber auch ohne erhebliche Meßwertfehler auf nicht homogene Magnetfelder anwenden oder in Anpassung an nicht homogene Magnetfelder mit wenigen Versuchen modifizieren.

Claims

1. Magnetisch induktiver Durchflußmesser zur Messung der Stromstärke einer ein Rohr durchströmenden Flüssigkeit, mit einex Magnetanordnung zur Erzeugung eines das Rohr im wesentlichen in einer Querrichtung (y-Achse) durchsetzenden Magnetfeldes und mit flächenförmigen, im Bereich des Magnetfeldes beidseitig der y-Achse kapazitiv an die Flüssigkeit angekoppelten, an eine Auswerteschaltung angeschlossenen Meßelektrodenanordnungen zur Gewinnung eines der Stromstärke im wesentlichen proportionalen Spannungssignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrodenanordnungen (6, 8) nicht in Kontakt mit \ler Flüssigkeit stehen und ihre das Potential (0) der Flüssigkeitsoberfläche an die Auswerteschaltung koppelnde effektive Ankopplungskapazität (C C ) mit zunehmendem Winkelabstand (Lf ) von einer mit der y-Achse una der Rohrachse (z-Achse) ein rechtwinkliges Koordinatensystem bildenden Achse (x-Achse) aus abnimmt.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Ankopplungskapazität (C ,.....C ) der Meßelektrodenanordnungen (6, 8) an die Auswerteschaltung wenigstens annähernd proportional zum Cosinus ihres Winkelabstands (Lf ) von der x-Achse abnimmt.

t i iir<

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meßelektrodenanordnung eine flächenhafte Meßelektrode aufweist, deren Flächenausdehnung (1) in Richtung der ζ-Achse mit zunehmendem Winkelabstand (ψ) von der x-Achse abnimmt (Fig. 6).

4. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede iießelektrodenanordnung eine flächenhafte Meßelektrode aufweist, deren Radialabstand (d) von der z-Achse mit zunehmendem Winkelabstand ( IJ) von der x-Achse zunimmt«

5_# Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meßelektrodenanordnung auf der Seite der Flüssigkeit mit einem Dielektrikum bedeckt ist, dessen effektive Dielektrizitätskonstante mit zunehmendem Winkelabstand (ψ) von der x-Achse abnimmt.

• ·· (Ml Il