EP1743141A1 - Vorrichtung zum messen des durchflusses eines messmediums - Google Patents

Vorrichtung zum messen des durchflusses eines messmediums

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EP1743141A1
EP1743141A1 EP05749155A EP05749155A EP1743141A1 EP 1743141 A1 EP1743141 A1 EP 1743141A1 EP 05749155 A EP05749155 A EP 05749155A EP 05749155 A EP05749155 A EP 05749155A EP 1743141 A1 EP1743141 A1 EP 1743141A1
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EP
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measuring
magnetic field
flow
measuring tube
medium
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EP05749155A
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Inventor
Thomas Bier
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Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/58—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters
    • G01F1/588—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters combined constructions of electrodes, coils or magnetic circuits, accessories therefor
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    • G01F1/58—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters
    • G01F1/586—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters constructions of coils, magnetic circuits, accessories therefor

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the flow of a measuring medium which flows through a measuring tube in the direction of the longitudinal axis of the measuring tube.
  • Magnetic-inductive flowmeters use the principle of electrodynamic induction for volumetric flow measurement: Charge carriers of the medium which are moved perpendicular to a magnetic field induce a voltage in measuring electrodes arranged essentially perpendicular to the direction of flow of the measuring medium and perpendicular to the magnetic field.
  • the measuring electrodes are either galvanically or capacitively coupled to the medium. This voltage induced in the measuring electrodes is proportional to the flow velocity of the medium averaged over the cross section of the tube; it is therefore proportional to the volume flow.
  • Flowmeters of this type are usually integrated in a process plant.
  • the flow of a measuring medium through a process plant often does not occur naturally, e.g. due to a slope, but it is generated by a pump.
  • Pumps are usually driven by an electric motor.
  • the rotor of an electric motor also rotates in a time-varying magnetic field. The device according to the invention makes use of this fact.
  • the invention has for its object to propose an inexpensive device for the combined operation of a magnetic-inductive flow measuring arrangement and an electric motor.
  • the object is achieved by means of a magnet arrangement which generates an alternating magnetic field at two locations, the magnetic field at the first location passing through the measuring tube transversely to the longitudinal axis of the measuring tube, the measuring tube being assigned at least one measuring electrode into which one of the flow rate of the Measuring medium-dependent measuring current is induced, the magnetic field at the second location being designed in such a way that it drives an electric motor, with at least one measuring device (7) which detects at least one variable for controlling the magnet arrangement (2) which is necessary for operating the electric motor ( 10) and the flow measuring arrangement (11) is required, and the control evaluation unit supplies information about the volume flow of the measuring medium in the measuring tube based on the measuring voltage induced in the measuring electrode.
  • a common device is thus provided for the provision of two magnetic fields at at least two different locations used to generate magnetic fields.
  • the magnet arrangement is two symmetrically arranged, elongated, magnetic cores, to which at least one current coil is assigned.
  • Each magnetic core preferably has two pole pieces, of which one pole piece is assigned to the electric motor and one pole piece is assigned to the flow measuring arrangement.
  • the electric motor is a drive for operating a pump. It is considered particularly favorable if the pump is a drain pump in a washing machine or a flow pump in a heating or cooling system.
  • a shaded-pole motor is used in connection with the device according to the invention as an electric motor.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention provides a magnetic field sensor which detects the magnetic field in the immediate vicinity of the flow measuring arrangement during a measurement phase; The measured values supplied by the magnetic field sensor are taken into account by the control / evaluation unit when determining the volume flow of the measuring medium through the measuring tube.
  • An alternative embodiment of the device according to the invention in which the fluctuations in the magnetic field of the magnetisctf-inductive flow measuring arrangement are measured indirectly, proposes a current meter which determines the coil current flowing through at least one of the coils and which measures the measured fluctuations of the Coil current is taken into account when determining the volume flow of the measuring medium through the measuring tube.
  • FIG. 1 shows a combination of an electric motor 10 and a flow measuring arrangement 11, the magnetic fields ⁇ H, ⁇ S; ⁇ M are generated via the same magnet arrangement 2 and the same coil arrangement 1.
  • This magnetic field ⁇ l as shown on the left side of FIG. 1, is used to operate an electric motor 10, and, as can be seen on the right side of FIG. 1, the magnetic field contemplatl is used for a magnetically inductive flow measuring arrangement 5 to operate.
  • the electric motor 10 is a shaded-pole motor.
  • the magnetic field ⁇ l is generated using the Short-circuit rings 3 divided into two alternating fields ⁇ H, ⁇ S.
  • the two alternating magnetic fields ⁇ H, ⁇ S are phase-shifted relative to each other in time. Together they form a rotating stator field in which the rotor 4 is driven.
  • the electric motor 10 designed as a shaded-pole motor reference is made to the corresponding specialist literature.
  • the magnetic field ,l also guided by the magnet arrangement 2, is geometrically guided through the measuring tube 5 in such a way that the magnetic field lines of the magnetic field ⁇ M run inside the measuring tube 5 in the same way as for operating the electromagnetic flowmeter arrangement 11 is necessary.
  • Two electrodes E1, E2 are attached in the measuring tube 5.
  • a voltage induced due to the measuring medium flowing through the measuring tube (not shown separately in FIG. 1) can be measured between these electrodes E1, E2, which voltage is proportional to the induction B and the measuring speed v of the measuring medium.
  • Corresponding magnetic-inductive Naturalflußmeßan-arrangements are well known from the prior art.
  • Induction B can be determined directly by measuring the magnetic field with a magnetic field sensor 6; moreover, it is possible to determine induction B indirectly by measuring coil current i and coil voltage u.
  • This combination of electric motor 10 and flow measuring arrangement 11 can be used wherever the accuracy of the flow measurement is not of the greatest importance, or where the flow is primarily to be monitored.
  • a washing machine in which a drain pump and a flow measuring arrangement 11 are used.
  • Another example is the cycle of water cooling or water heating.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen des Durch-flusses eines Messmediums, das ein Messrohr (5) in Richtung der Längsachse (13) des Messrohrs (5) durchströmt, mit einer Magnetanordnung (2), die ein alternierendes Magnetfeld (Phi1, (Phi2) an zwei Orten erzeugt, wobei das Magnetfeld (PhiM) am ersten Ort das Messrohr (5) quer zur Längsachse (13) des Messrohrs (5) durchsetzt, wobei dem Messrohr (5) zumindest eine Messelektrode (El; E2) zugeordnet ist, in die ein vom Durchfluss des Messmediums abhängiger Messstrom (i) induziert wird, wobei das Magnetfeld (PhiH; (PhiS) am zweiten Ort so ausgebildet ist, dass es einen Elektromotor (10) antreibt, und mit zumindest einer Regel-/Auswerteeinheit (7), die die Magnetanordnung (2) so ansteuert, dass jeweils ein für das Betreiben des Elektromotors (10) und der Durchflussmessanordnung (11) geeignetes Magnetfeld (B) geschaltet ist, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (9) anhand der in die Messelektrode (E1; E2) induzierten Messspannung (Und) Information über den Volumenstrom des Messmediums in dem Messrohr (5) liefert.

Description

Beschreibung Vorrichtung zum Messen des Durchflusses eines Messmediums
[001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Durchflusses eines Messmediums, das ein Messrohr in Richtung der Längsachse des Messrohrs durchströmt.
[002] Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte nutzen für die volumetrische Strömungsmessung das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus: Senkrecht zu einem Magnetfeld bewegte Ladungsträger des Mediums induzieren in im wesentlichen senkrecht zur Durchflussrichtung des Mess-mediums und senkrecht zu dem Magnetfeld angeordnete Messelektroden eine Spannung. Die Messelektroden sind mit dem Medium entweder galvanisch oder kapazitiv gekoppelt. Diese in die Messelektroden induzierte Spannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Rohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums; sie ist also proportional zum Nolumenstrom.
[003] Üblicherweise sind derartige Durchflussmessgeräte in eine Prozessanlage integriert. Der Durchfluss eines Messmediums durch eine Prozessanlage entsteht häufig nicht natürlich, z.B. aufgrund eines Gefälles, sondern er wird von einer Pumpe erzeugt. Pumpen werden üblicherweise von einem Elektro-motor angetrieben. Ebenso wie zum Betrieb einer magnetisch-induktiven Durchflussmessanordnung ein veränderliches Magnetfeld notwendig ist, so dreht auch der Rotor eines Elektromotors in einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld. Diesen Umstand macht sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zu nutze.
[004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung zum kombinierten Betreiben eines magnetisch-induktiven Durchflussmessan-ordnung und eines Elektromotors vorzuschlagen.
[005] Die Aufgabe wird mittels einer Magnetanordnung gelöst, die ein alternierendes Magnetfeld an zwei Orten erzeugt, wobei das Magnetfeld am ersten Ort das Messrohr quer zur Längsachse des Messrohrs durchsetzt, wobei dem Messrohr zumindest eine Messelektrode zugeordnet ist, in die ein vom Durchfluss des Messmediums abhängiger Messstrom induziert wird, wobei das Magnetfeld am zweiten Ort so ausgebildet ist, dass es einen Elektromotor antreibt, mit zumindest einer Messeinrichtung (7), die zumindest eine Größe zur Ansteuerung der Magnetanordnung (2) erfasst, die für das Betreiben des Elektromotors (10) und der Durchflussmessanordnung (11) erforderlich ist, und wobei die RegelJAuswerteeinheit anhand der in die Messelektrode induzierten Messspannung Information über den Volumenstrom des Messmediums in dem Messrohr liefert. Erfϊndungsgemäß wird also für die Bereitstellung von zwei Magnetfeldern an zumindest zwei unterschied-üchen Orten eine gemeinsame Vorrichtung zur Magnetfelderzeugung eingesetzt.
[006] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei der Magnetanordnung um zwei symmetrisch angeordnete, längliche, magnetische Kerne, denen zumindest eine Stromspule zugeordnet ist. Bevorzugt weist jeder magnetische Kern zwei Polschuhe auf, von denen jeweils ein Polschuh dem Elektromotor und ein Polschuh der Durchflussmess-anordnung zugeordnet ist.
[007] Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass es sich bei dem Elektromotor um einen Antrieb zum Betreiben einer Pumpe handelt. Als besonders günstig wird angesehen, wenn es sich bei der Pumpe um eine Laugenpumpe in einer Waschmaschine oder um eine Durchlaufpumpe in einem Heizoder Kühlsystem handelt.
[008] Vorteilhafterweise kommt im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Elektromotor ein Spaltpolmotor zum Einsatz.
[009] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht einen Magnetfeldsensor vor, der das Magnetfeld in unmittelbarer Nähe der Durchflussmessanordnung während einer Messphase detektiert; die von dem Magnetfeldsensor gelieferten Messwerte werden von der Regel-/Auswerte-einheit bei der Bestimmung des Volumenstroms des Messmediums durch das Messrohr berücksichtigt.
[010] Eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Schwankungen des Magnetfeldes der magnetisctf-induktiven Durchfluss-mess- anordnung indirekt gemessen werden, schlägt einen Strommesser vor, der den durch zumindest eine der Spulen fließenden Spulenstrom ermittelt und der die gemessenen Schwankungen des Spulenstroms bei der Bestimmung des Volumenstroms des Messmediums durch das Messrohr berücksichtigt.
[011] Die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird anhand der in Fig. 1 gezeigten vorteilhaften Ausgestaltung beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Kombination von einem Elektromotor 10 und einer Durchflussmessanordnung 11, deren Magnetfelder ΦH, ΦS; ΦM über dieselbe Magnetanordnung 2 und dieselbe Spulenanordnung 1 erzeugt werden.
[012] Durch die Spulenanordnung 1, die von einem zeitlich veränderlichen Strom i durchflössen wird, wird in der Magnetanordnung 2 ein zeitlich veränderliches Magnetfeld Φl erzeugt. Dieses Magnetfeld Φl wird, wie auf der linken Seite der Fig. 1 gezeigt, dazu benutzt, um einen Elektromotor 10 zu betreiben, und, wie auf der rechten Seite der Fig. 1 zu sehen, wird das Magnetfeld Φl dazu verwendet, eine magnetischinduktive Durchflussmessanordnung 5 zu betreiben. Bei dem Elektromotor 10 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Spaltpolmotor. Zur Erzeugung eines umlaufenden Ständerfeldes für den Spaltpolmotor, wird das Magnetfeld Φl mit Hilfe der Kurzschlussringe 3 in zwei räumlich versetzte Wechselfelder ΦH, ΦS aufgeteilt. Die beiden alter-nierenden Magnetfelder ΦH, ΦS sind relativ zueinander zeitlich phasenver-schoben. Zusammen bilden sie ein umlaufendes Ständerfeld, in dem der Rotor 4 angetrieben wird. Hinsichtlich der Arbeitsweise des als Spaltpolmotor ausgebildeten Elektromotors 10 sei auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen.
[013] Auf der rechten Seite wird das Magnetfeld Φl, ebenfalls geführt von der Magnetanordnung 2, geometrisch so durch das Messrohr 5 geführt, dass im Innern des Messrohrs 5 die Magnetfeldlinien des Magnetfeldes ΦM so verlaufen, wie dies zum Betreiben der magnetisch-induktiven Durchflussmess-anordnung 11 nötig ist.
[014] In dem Messrohr 5 sind zwei Elektroden El, E2 angebracht. Zwischen diesen Elektroden El, E2 ist eine infolge des durch das Messrohr strömenden Messmediums (in der Fig. 1 nicht gesondert dargestellt) induzierte Spannung messbar, die proportional zur Induktion B und zur Fhessgeschwindigkeit v des Messmediums ist. Entsprechende magnetisch-induktiven Durchflußmeßan-ordnungen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
[015] Zur Berechnung des Durchflusses Q des Messmediums durch das Messrohr 5 sind der Durchmesser des Messrohres 5, die in die Elektroden El, E2 induzierte Spannung und die Größe der Induktion B nötig. Der Betrieb des Elektromotors kann zur Folge haben, dass die Induktion B Schwankungen aufweist. Der momentane Wert der Induktion B wird deshalb - wie eine Weiterbildung der erfmdungsgemäßen Vorrichtung vorschlägt - durch eine Messeiήrichtung 8 erfasst; der gemessene oder bestimmte Wert wird dann dem Durchflussrechner 9 zugeführt. Die Induktion B kann direkt durch das Messen des Magnetfeldes mit einem Magnetfeld-Sensor 6 bestimmt werden; darüber hinaus ist es möglich, die Induktion B indirekt durch die Messung des Spulenstromes i und der Spulenspannung u zu ermitteln.
[016] Diese Kombination aus Elektromotor 10 und Durchflussmessanordnung 11 kann überall dort eingesetzt werden, wo die Genauigkeit der Durchfluss-messung nicht höchste Wichtigkeit hat, bzw. wo primär eine Überwachung des Durchflusses geschehen soll. Als praktisches Beispiel ist z.B. eine Waschmaschine genannt, bei der eine Laugenpumpe und eine Durchfluss-messanordnung 11 verwendet werden. Ein weiteres Beispiel ist der Kreislauf einer Wasser-Kühlung oder einer Wasser-Heizung.

Claims

Ansprüche
[001] 1. Vorrichtung zum Messen des Durchflusses eines Messmediums, das ein Messrohr (5) in Richtung der Längsachse (13) des Messrohrs (5) durchströmt, mit einer Magnetanordnung (2), die ein alternierendes Magnetfeld (Φl, Φ2) an zwei Orten erzeugt, wobei das Magnetfeld (ΦM) am ersten Ort das Messrohr (5) quer zur Längsachse (13) des Messrohrs (5) durchsetzt, wobei dem Messrohr (5) zumindest eine Messelektrode (El; E2) zugeordnet ist, in die ein vom Durchfluss des Messmediums abhängiger Messstrom (i) induziert wird, wobei das Magnetfeld (ΦH; ΦS) am zweiten Ort so ausgebildet ist, dass es einen Elektromotor (10) antreibt, mit zumindest einer Messeinrichtung (7), die zumindest eine Größe zur Ansteuerung der Magnetanordnung (2) erfasst, die für das Betreiben des Elektromotors (10) und der Durchflussmessanordnung (11) erforderlich ist, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (9) anhand der in die Messelektrode (El; E2) induzierten Messspannung (Uind) Information über den Volumenstrom (Q) des Messmediums in dem Messrohr (5) liefert.
[002] 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Magnetanordnung (2) um zwei symmetrisch angeordnete, längliche, magnetische Kerne handelt, denen zumindest eine Stromspule (1) zugeordnet ist.
[003] 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jeder magnetische Kern (2) zwei Polschuhe (14, 15) aufweist, von denen jeweils ein Polschuh (14) dem Elektromotor (10) und ein Polschuh (15) der Durchflussmessanordnung (11) zugeordnet ist.
[004] 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, wobei es sich bei dem Elektromotor (10) um einen Antrieb zum Betreiben einer Pumpe handelt.
[005] 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei es sich bei der Pumpe um eine Laugenpumpe in einer Waschmaschine oder um eine Durchlaufpumpe in einem Heiz- oder Kühlsystem handelt.
[006] 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 4, wobei es sich bei dem Elektromotor (10) um einen Spaltpolmotor handelt.
[007] 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei ein Magnetfeldsensor (6) vorgesehen ist, wobei der Magnetfeldsensor (6) das Magnetfeld (B) in unmittelbarer Nähe der Durchflussmessanordnung (11) während einer Messphase detektiert und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (9) die Messwerte des Magnetfeldes (B) bei der Bestimmung des Volumenstroms des Messmediums durch das Messrohr (5) berücksichtigt.
[008] 8. Vorrichtung nach Ansprach 1, 2 oder 3, wobei ein Strommesser vorgesehen ist, der den durch zumindest eine der Spulen der Magnetanordnung (2) fließenden Spulenstrom (i) ermittelt und der die gemessenen Schwankungen des Spulenstroms (i) bei der Bestimmung des Volumenstroms des Messmediums durch das Messrohr (5) berücksichtigt.
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