EP1882163A1 - Magnetisch-induktiver durchflussmesser sowie messrohr für einen solchen durchflussmesser - Google Patents

Magnetisch-induktiver durchflussmesser sowie messrohr für einen solchen durchflussmesser

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EP1882163A1
EP1882163A1 EP06755005A EP06755005A EP1882163A1 EP 1882163 A1 EP1882163 A1 EP 1882163A1 EP 06755005 A EP06755005 A EP 06755005A EP 06755005 A EP06755005 A EP 06755005A EP 1882163 A1 EP1882163 A1 EP 1882163A1
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EP
European Patent Office
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measuring tube
measuring
tube
conductive material
magnetically conductive
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06755005A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Zingg
Simon Stingelin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP1882163A1 publication Critical patent/EP1882163A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • 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
    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01F1/586—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 measuring tube for a magnetic-inductive flow meter and a magnetic-inductive flow meter with such a measuring tube.
  • flow meter For measuring electrically conductive fluids flow meter are often used with a magnetic-inductive sensor.
  • the flow rate of electrically conductive fluids in particular liquids, can be measured with magnetic-inductive flow meters and can be mapped into corresponding measured values flowing in a pipeline.
  • the measuring principle of electromagnetic flowmeters is known to be based on the fact that an electrical voltage that is induced due to charge separations in a traversed by a magnetic field partial volume of the flowing fluid, tapped by least two measuring electrodes and in a meter electronics of the flow meter to a corresponding measurement , for example, a volume flow measured value, is further processed.
  • a inserted in the course of the fluid pipe used measuring tube to avoid short-circuiting the voltage induced in the fluid at least on his the fluid Contacting inside is formed substantially electrically non-conductive.
  • a corresponding flange or the like is provided for insertion of the measuring tube in the course of the fluid-carrying pipe end of the measuring tube in each case a corresponding flange or the like is provided for insertion of the measuring tube in the course of the fluid-carrying pipe end of the measuring tube in each case a corresponding flange or the like is provided.
  • Industrially used sensors of the type described in this case usually each have a measuring tube, which by means of a metallic support tube and an applied on this inside, consisting of electrically insulating material layer - the so-called liner - is formed.
  • a measuring tube constructed in this way, among other things, ensures a mechanically very stable and robust construction of the measuring sensor and, to that extent, also of the flow meter as a whole.
  • a material for the liner for example, hard rubber, polyfluoroethylene, polyurethane or other chemically and / or mechanically resistant plastics are used, while carrier tubes of the type described, in order to avoid impairment of the magnetic field, esp.
  • carrier tubes of the type described in order to avoid impairment of the magnetic field, esp.
  • a possible short-circuiting thereof via the measuring tube conventionally are made of a non-ferromagnetic, especially paramagnetic, material, such as stainless steel or the like.
  • Magnetic system generates, which contains a coil assembly with mostly two field coils, corresponding coil cores and / or pole pieces for the field coils and possibly the coil cores outside the measuring tube connecting magnetic-conductive guide plates.
  • magnetic field systems with a single field coil are also known.
  • the magnetic field system is usually, as also indicated in Fig. 1, arranged directly measuring tube and supported by this.
  • an excitation current I supplied by a corresponding measuring device electronics is allowed to flow in the coil arrangement.
  • This is usually a clocked bi-polar rectangular AC in modern sensors.
  • US-B 67 63 729, US-A 60 31 740, US-A 44 10 926 or EP-A 1 460 394 are examples of the generation of such exciter current serving circuit arrangements and corresponding switching and / or control methods described for it.
  • Such a circuit arrangement usually comprises a power supply driving the coil current and a bridge circuit designed as an H or T circuit for the modulation of the exciter current.
  • the voltage generated in Ruid according to Faraday's law of induction becomes between at least two galvanic, that is wetted by the liquid, or tapped between at least two capacitive, ie, for example, arranged within the tube wall of the measuring tube, measuring electrodes as a measuring voltage.
  • the measuring electrodes are arranged diametrically opposite one another so that their common diameter is perpendicular to the direction of the magnetic field and thus perpendicular to the diameter on which the coil arrangements lie; however, the measuring electrodes may also be arranged on the measuring tube in a non-diametrically opposite manner, cf. esp. the
  • the tapped by means of the measuring electrodes measuring voltage is amplified and processed by means of an evaluation circuit to a measurement signal that can be registered, displayed or in turn further processed.
  • Corresponding measuring electronics are likewise known to the person skilled in the art, for example from EP-A 814 324, EP-A 521 169 or WO-A 01/90702.
  • a significant disadvantage of such sensor with metallic support tube is to watch that on the one hand considerable technical effort is required to form the magnetic field in sufficient for the required measurement accuracy measures and lead.
  • the concomitant use of relatively expensive non-ferromagnetic metals for the support tubes such as e.g.
  • Another disadvantage of conventional magnetic field systems is also to be seen in the fact that the magnetic field, as shown schematically in FIG. 1, is formed very inhomogeneous within the measuring tube lumen and thus the measuring voltage can to a considerable extent also be dependent on the flow profile of the fluid in the measuring tube.
  • An object of the invention is therefore to improve magnetic-inductive sensor to the effect that on the one hand cost-effective manufacture of the same can be done and that on the other hand, the expression of the magnetic field required for the measurement can be optimized in a simple and inexpensive, yet very efficient way can.
  • the invention consists in a serving an electrically conductive fluid measuring tube of a magnetic-inductive flow meter, and wherein the measuring tube at least partially, esp. Usually, consists of a magnetically conductive material having a relative permeability, ⁇ which is substantially greater than one, in particular greater than 10.
  • the invention consists in a magnetic-inductive flow meter for a fluid flowing in a conduit, comprising such a measuring tube.
  • the metallic components of the measuring tube and / or the entire measuring tube consist predominantly of magnetically conductive material.
  • the magnetically conductive material has a relative permeability, ⁇ , which is substantially greater than 10, in particular greater than 20, is.
  • the magnetically conductive material has a relative permeability ⁇ "which is less than 1000, esp. Less than 400, is.
  • the magnetically conductive material has a relative permeability, ⁇ , which is in a range between 20 and 400.
  • At least one central tube segment of the measuring tube esp. Along a self-contained circumference of the measuring tube, made of the magnetically conductive material.
  • the magnetically conductive material is distributed over an entire length of the measuring tube and / or over an entire circumference of the measuring tube, in particular uniformly.
  • the measuring tube consists at least proportionally of ferromagnetic metal.
  • the measuring tube is at least partially made of soft magnetic metal.
  • the measuring tube consists at least partially of hard magnetic metal.
  • the magnetically conductive material has a layer thickness which is much smaller than an inner diameter of the measuring tube.
  • the measuring tube is at least on its fluid-contacting inside substantially electrically non-conductive.
  • the measuring tube is formed by means of a serving as the outer tube wall and / or as an outer sheath, esp. Metallic and / or electrically conductive carrier tube, which lined inside with at least one layer of electrically insulating material is.
  • the support tube has a wall thickness which is much smaller than an inner diameter of the support tube.
  • the inner diameter and the wall thickness of the support tube are dimensioned such that a ratio of the wall thickness of the support tube to its inner diameter is less than 0.5, esp. Less than 0.2, is.
  • such a magnetically conductive material is used that the ratio of the wall thickness of the support tube to its inner diameter multiplied by the relative permeability, ⁇ , of the magnetically conductive material gives a value which is less than 5, esp. Less than 3, is and / or is greater than one, in particular greater than 1.2, is.
  • the carrier tube is at least partially, in particular predominantly or continuously, made of the magnetically conductive material.
  • this further comprises a measuring and operating circuit, fed by the measuring and operating circuit magnetic field system, at least temporarily by means of at least one of the measuring tube or in the vicinity arranged field coil a lumen of Measuring tube passing through, in particular clocked, magnetic field generated, and at least two measuring electrodes for picking up electrical potentials and / or electrical voltages, which are induced in flowing through the measuring tube and penetrated by the magnetic field fluid.
  • the measuring and operating circuit is furthermore connected at least temporarily to at least one of the measuring electrodes.
  • the measuring electrodes are spaced apart from the at least one field coil on the measuring tube and / or within its tube wall.
  • the at least two measuring electrodes are arranged on the measuring tube in such a way that an electrode axis which connects them imaginarily intersects the magnetic field passing through the lumen of the measuring tube, at least at times, substantially perpendicularly.
  • the magnetically conductive material is at least in the region of a central tube segment of the measuring tube, in particular along a closed perimeter of the measuring tube, so distributed and the at least one field coil and the measuring electrodes are arranged on the measuring tube, that the at least temporarily generated during operation magnetic field both in the field coil and in the region of the measuring electrodes, esp.
  • the magnetically conductive material is distributed at least in the region of a central tube segment of the measuring tube, in particular along a closed circumference of the measuring tube, and the at least one field coil and the measuring electrodes are arranged on the measuring tube in such a way that the magnetic field generated at least intermittently the lumen of the measuring tube is formed at least in the region of the central tube segment such that it is oriented at least predominantly perpendicular to the imaginary electrode axis, at least in the region of the tube wall even at a perpendicular distance from the imaginary electrode axis of more than a quarter of an inner diameter of the measuring tube.
  • this further comprises at least one outside the measuring tube extending magnetic feedback for guiding the magnetic field outside the measuring tube.
  • a development of this embodiment of the invention is a, esp. Measured in the range of the measuring electrodes, mean distance between the magnetic return and the measuring tube chosen so that a distance-diameter ratio of the average distance to an outer diameter of the support tube is smaller than one, in particular less than 0.5, is.
  • a basic idea of the invention is to improve the efficiency of the
  • Magnetic field system to be achieved in that magnetic-inductive sensors, instead of the usually used for magnetic or only to a small extent conductive measuring tubes ( ⁇ ⁇ 1), equipped with magnetically highly conductive material measuring tubes ( ⁇ »1).
  • the invention is also based on the surprising finding that the use of magnetically highly conductive material for the measuring tube within the Meßrohrlumens at least in the vicinity of the measuring electrodes both a significant gain and a considerable homogenization and extent a homogenization of the magnetic field can be effected ,
  • An advantage of the invention is that this improvement of the magnetic field system can be achieved even by means of measuring tubes of the type described, which in Compared to conventional sensors are much cheaper to manufacture.
  • Fig. 1 shows the propagation of the magnetic field in a conventional magnetic inductive sensor
  • Fig. 2 shows schematically partly in a cross section and partly in the form of a block diagram an electromagnetic flowmeter with a measuring tube
  • FIG. 3 shows the propagation of the magnetic field within a cross-section of a magnetic inductive sensor according to the invention spanned by an electrode axis and a field coil axis
  • Fig. 4a, b, c shows within the cross section of Fig. 3 for various magnetic-inductive sensor detected L2 standards of the magnetic Russ Notice B and of their acting in the direction of the electrode axis or in the direction of the field coil axis components in each case depending on a relative permeability of the measuring tube material,
  • FIG. 5 shows, within the cross section of FIG. 3, curves of the magnetic Russet density B along the respective electrode axis as a function of a distance from the center of the electrode axis, for various magnetically inductive sensors.
  • FIG. 7 shows, within the cross-section of FIG. 3, total deviations of the amount of soot density, determined for various magnetic-inductive sensors, from the mean value of the soot density B measured there as a function of a relative permeability of the measuring tube material, FIG.
  • Fig. 8, 9 show for various magnetic-inductive sensor according to FIG. 2 or 3 determined dependencies of optimum relative permeability for the measuring tube material as a function of different geometrical design variables for the sensor, and
  • Fig. 10,11 show for various magnetic-inductive sensor
  • a flow meter is shown schematically, with the at least one physical measurement of an electrically conductive and flowing fluid 11, for example, a volumetric flow, is to be determined.
  • the flowmeter comprises a magnetic-inductive sensor 1 and a measuring and operating circuit 8 coupled thereto for driving the same and for generating, in particular digital, measured values which represent at least one parameter describing the fluid.
  • the measuring and operating circuit 8 implemented, for example, also using a microcomputer 10, can also communicate with a higher-level process control computer 9 via a corresponding data transmission system 16.
  • To the sensor 1 includes a in the course of the fluid 11 leading - but not shown here - tube inserted measuring tube 2 with a pipe wall surrounded, at least temporarily flowed through by the measured fluid 11 Meßrohrlumen.
  • corresponding connecting elements e.g. Flanges, provided.
  • At least part of the measuring tube lumen is at least temporarily interspersed by a magnetic field.
  • the magnetic field which is kept substantially constant at least intermittently, in particular also cyclically, runs at least in sections perpendicular to a longitudinal axis z of the measuring tube coinciding with the flow direction of the fluid 11, whereby in the fluid one with the at least one measured variable of the fluid, for example the flow velocity and / or the volume flow, corresponding measurement voltage U is induced.
  • On its fluid contacting inside the measuring tube is substantially electrically non-conductive, so that a short-circuiting of the induced by the magnetic field measuring voltage U across the measuring tube 2 is avoided.
  • the sensor 1 further comprises a powered by the measuring and operating circuit 10 magnetic field system by at least one of the measuring tube 2 or in the vicinity of which arranged field coil generates a, at least temporarily, a lumen of the measuring tube 2 passing through, esp. Clocked, magnetic field.
  • the magnetic field system comprises first field coil 6 and a second field coil 7, in particular electrically connected in series or parallel to the first field coil 6.
  • the field coils 6, 7 are arranged opposite one another on the measuring tube 2, specifically in accordance with FIG advantageous embodiment of the invention so that the two field coils virtually connecting coil axis y coincides with a diameter of the measuring tube 2, which is substantially perpendicular to the longitudinal axis z of the measuring tube. 2 runs.
  • the tube wall and the measuring tube lumen with the fluid 11 passing through the magnetic field now arises when a corresponding exciting current is allowed to flow in the field coils 6, 7, for example a pulsed DC or AC current.
  • Each of the field coils 6, 7, as usual in such magnetic field systems be wound around a magnetically conductive core, which in turn can cooperate with a corresponding pole shoes, cf. eg the
  • the field coils can also, as shown schematically in FIG. 1, be coreless air-core coils.
  • a magnetic return 17 which is laid outside the measuring tube 2 and serves to guide the magnetic field outside the measuring tube within the smallest possible volume.
  • the field coils 6, 7, as is also customary in the case of such measuring sensors, can be magnetically coupled to one another by means of such magnetic feedbacks 17 laid outside the measuring tube.
  • the magnetic field system is further advantageously designed in such a way, esp.
  • the senor For picking up electrical potentials and / or electrical voltages which are induced in the fluid flowing through the measuring tube 2 and interspersed by the magnetic field, the sensor further comprises at least two measuring electrodes, at least temporarily in the operation of the flow meter with the measuring and Operating circuit 8 are connected, wherein a arranged on an inner side of the tube wall of the measuring tube 2 first measuring electrode 4 the tapping of a dependent of the at least one measured variable first potential and a measuring tube equally arranged second measuring electrode 5 tapping a likewise dependent on the at least one measured second Serve potentials.
  • the measuring electrodes 4, 5 are arranged at a distance from the at least one field coil on the measuring tube and / or within the tube wall and that according to an advantageous embodiment of the invention so that the two measuring electrodes 4, 5 imaginary connecting electrode axis x substantially perpendicular to the coil axis y and / or the measuring tube longitudinal axis z runs. Under the influence of the magnetic field B free charge carriers located in the flowing fluid migrate depending on the polarity in the direction of one or the other measuring electrode 4, 5 from.
  • the measuring voltage U built up between the measuring electrodes 4, 5 is substantially proportional to the flow velocity of the fluid averaged over the cross section A of the measuring tube 2 shown in FIG. 1 and thus also a measure of its volume flow.
  • the measuring electrodes 4, 5 are practically on a second diameter of the measuring tube 2, which is both substantially perpendicular to the Meßrohrlssensachse z and substantially perpendicular to the coil axis y.
  • the measuring electrodes 4, 5 may be formed, for example, as shown schematically in FIG. 1, as galvanic, that is, the liquid contacting electrodes.
  • capacitive electrodes for example electrodes arranged within the tube wall of the measuring tube 2, may also be used as measuring electrodes 4, 5.
  • the magnetic field system is designed such that the magnetic field also has at least one cvSymmtrie with respect to the electrode axis x.
  • Field coils 6, 7 are finally electrically connected via corresponding connecting lines 4, 5, 6, 7 with the measuring and operating circuit 8 controlling the operation of the flowmeter.
  • measuring tube at least partially, in particular predominantly, to produce from a magnetically conductive material having a relative permeability ⁇ r , which is substantially greater than one.
  • region of the measuring tube also consists of the magnetically conductive material in which the measuring electrodes are held.
  • the flux density B of at least the stationary magnetic field at a relative permeability ⁇ r of greater than 10 is more surprising Way can assume disproportionately high values.
  • This can be easily verified for concrete measuring tubes and magnetic field systems, inter alia, based on the so-called L 2 standard of the soot density B.
  • the L 2 -Norm IIBII L2 of the soot density B practically indicates how much magnetic field is contained in this cross-section A of the measuring tube or how high the magnetic energy of the magnetic field is, and can be calculated based on the formula [0059]
  • the stationary magnetic field can be improved not only in terms of soot density B, but also in that it is the same in field coil axis y direction compared to conventional sensors Design, at least within the aforementioned cross-section A, experiences a much more uniform and straighter alignment, symbolized by the in Fig. 3. Within the Meßrohrlumens almost parallel field lines. This Among other things, it manifests itself in the fact that the magnetic field is coupled into the measuring tube lumen, at least within the mentioned cross-section A, both in the area of the field coils and in the region of the measuring electrodes, in particular with essentially the same direction and / or essentially the same magnetic soot density B. , In other words, bypasses of the magnetic field past the flow region relevant to the measurement can be avoided or at least very effectively minimized.
  • Possible courses of the L 2 -Norm IIB y ll L2 of actually required for measuring at least the volume flow magnetic field components B y and the L 2 - IIB X II L2 standard, for example, for the measurement of volume flow rather unwanted magnetic field components B x are in each case depending on the selected relative permeability ⁇ r in FIGS. 4b and 4c shown by way of example.
  • Clearly visible are the initially positive and very steep, finally opening into a maximum value increase in the direction of the coil axis acting magnetic field components B y at the same time very steeply sloping course of acting in the direction of the electrode axis magnetic field components B x .
  • the magnetic field can be improved by the use of magnetically highly conductive material for the measuring tube also in terms of its homogeneity to a considerable extent. This shows, for example, that a Deviation of the amount IBI of the soot density B within the measuring tube lumen, but at least within the cross section A, from the mean measured there
  • the total deviation s at least qualitatively may have the dependency on the relative permeability ⁇ r shown by way of example in FIG. 6.
  • the stationary magnetic field is designed such that the instantaneous total deviation s of the averaged over the cross section A Russ Why B of the current average B of the Russ Why B in selbigem cross-section A or their variance is less than 0.005 and / or that the corresponding relative deviation
  • the magnetic field can be formed such that it also intersects perpendicular to the imaginary electrode axis x parallel secant of the cross-section A perpendicular, of the imaginary electrode axis x a quarter-length of an inner diameter of Measuring tube D is spaced.
  • the magnetically conductive material is distributed at least over a region of a central tube segment of the measuring tube 2, in which the electrodes and the at least one field coil are arranged.
  • the magnetically conductive material according to a further embodiment of the invention at least along a closed perimeter of the measuring tube 2 and / or over an entire length of the measuring tube 2, esb. Evenly distributed.
  • the magnetically conductive material may also be distributed over the entire measuring tube 2, be it largely homogeneous or substantially heterogeneous.
  • the magnetically conductive material as a substantially continuous layer in the measuring tube to apply.
  • the magnetically conductive material preferably has a layer thickness d which is much smaller than an inner diameter D of the measuring tube.
  • the inner diameter D of the measuring tube 2 and the layer thickness d of the magnetically conductive material are dimensioned such that a ratio of the layer thickness of the magnetically conductive material to the inner diameter D of the measuring tube is less than 0.2, in particular less than 0.1, is.
  • the latter can also be constructed in layers of a plurality of such alternately, especially coaxially, superimposed layers of magnetically conductive material and electrically nonmagnetic material ,
  • at least one layer, in particular but a plurality of layers spaced apart radially from one another, of the magnetically conductive material is an electrically substantially non-conductive material and / or at least one layer, but in particular a plurality of layers spaced radially apart from one another to embed electrically substantially non-conductive material in magnetically conductive material.
  • the measuring tube 2 as quite customary with sensors of the type described, by means of a serving as an outer tube wall and / or as an outer sheath, esp. Metallic and / or magnetically conductive, carrier tube 21 formed inside with at least one layer 22 of electrically insulating material, such as Ceramics, hard rubber, polyfluoroethylene, polyurethane or the like, the so-called liner, lined; in the case of measuring tubes made entirely of a comparatively non-conductive plastic or of a ceramic, in particular of alumina ceramic, such an additional electrically non-conductive layer is by contrast not absolutely necessary.
  • the support tube consists at least partially of the magnetically conductive material, in particular a magnetically conductive metal.
  • such a magnetically conductive material is used for the support tube 21 and its wall thickness d ⁇ and inner diameter D x are dimensioned so that the aforementioned diameter to wall thickness ratio w multiplied by the relative permeability ⁇ , the magnetic conductive material gives a value d ⁇ / D ⁇ • ⁇ r , which is less than 5, esp. Less than 3, is.
  • such a magnetically conductive material is used for the support tube and its wall thickness d ⁇ and inner diameter D x are dimensioned such that this by means of the diameter-wall thickness ratio w and the relative permeability ⁇ , the magnetically conductive Material formed wall thickness form factor d ⁇ / D ⁇ • ⁇ r for the support tube and as far as the entire measuring tube assumes a value that is greater than one, esp. Greater than 1.2, is.
  • Further studies have also shown that in addition to the wall thickness d ⁇ and the inner diameter D x of the magnetically conductive support tube and the geometry and / or the spatial arrangement of the magnetic field outside the measuring tube serving magnetic return 17 considerable influence on the course of Magnetic field within Meßrohrlumen, esp.
  • such a magnetically conductive material is used for the support tube and its wall thickness d x and inner diameter D x are dimensioned such that the aforementioned distance to diameter ratio w r multiplied by the relative permeability ⁇ r of the magnetically conductive Material gives a value ⁇ r • h, / (d x + D x ), which is smaller than 100, esp. Less than 60, is.
  • a magnetically conductive material for the support tube and its wall thickness d ⁇ and inner diameter D x to be dimensioned so that this formed by the distance-diameter ratio w r and the relative permeability ⁇ r of the magnetically conductive material feedback form factor U 1 • h / (d x + D x ) assumes a value for the support tube and so far for the entire measuring tube, which is greater than one.
  • the optimum for a specific configuration of the measuring tube and the magnetic field system in terms of a maximum measuring voltage U relative permeability ⁇ , used for the measuring tube magnetically conductive material can for practically relevant diameter to wall thickness ratio w and / or practically relevant distance Diameter ratio w r can be read directly from the empirically determined characteristic curves shown in FIGS. 7 and 8.
  • FIGS. 1 Ia, b, c and 12a, b, c shown gradients of the means as well as the L 2 norms, in each case depending on the aforementioned ratios w and a both for the soot density B and their individual components B x and B y numerically determined that by using magnetically highly conductive material for the measuring tube at least for relative permeabilities ⁇ ⁇ in the range between 10 and 50 in addition to reducing the force acting in the direction of the electrode axis x portion of the magnetic field and an increase in the magnetic energy at least within Cross-section A and insofar as an increase in the efficiency of the magnetic field system can be achieved.
  • magnetically conductive material for the realization of the invention structural steel, cast iron or a, for example by dispersion, doped with magnetically conductive particles composite material and / or plastic;
  • magnetically conductive materials can serve as a material for the measuring tube, for example, such materials as have been conventionally used for the coil cores and / or the magnetic feedback or are.
  • the measuring tube esp.
  • the aforementioned carrier tube at least partially made of ferromagnetic metal.
  • the measuring tube, esp. also the aforementioned carrier tube, at least partially made of soft magnetic metal and / or at least partially made of hard magnetic metal.
  • the senor according to the invention is characterized by a variety of degrees of freedom that it the expert, esp. Even after a specification of external and / or internal installation dimensions (nominal diameter, installation length, side clearance etc.), by selecting a suitably suitable material for the measuring tube, an optimization of the magnetic field and thus, for example, an improvement in the sensitivity of the measuring voltage U to the measured from the Ruid To achieve parameters as well as their robustness against any disturbances in the fluid.

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Abstract

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das Messrohr (2) für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser zumindest anteilig aus einem magnetisch leitfähigen Material herzustellen, dessen relative Permeabilität, µr, wesentlich größer als eins ist. Das Messrohr besteht zumindest anteilig aus ferromagnetischem Metall.

Description

Beschreibung
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser sowie Messrohr für einen solchen Durchflussmesser
[0001] Die Erfindung betrifft ein Messrohr für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser sowie ein magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit einem solchen Messrohr.
[0002] Zur Messung von elektrisch leitfähigen Fluids werden oftmals Durchflussmesser mit einem magnetisch-induktiven Messaufnehmer eingesetzt. Bekanntlich lässt sich mit magnetisch-induktiven Durchflussmessern im besonderen auch der Volumen- Durchfluss von elektrisch leitenden Fluids, insb. Flüssigkeiten, messen und in entsprechende Messwerte abbilden, das in einer Rohrleitung strömt. Das Messprinzip von magnetisch-induktiven Durchflussmessern beruht bekanntlich darauf, dass eine elektrische Spannung, die aufgrund von Ladungstrennungen in einem von einem Magnetfeld durchquerten Teilvolumen des strömenden Fluids induziert wird, mittels wenigstes zweier Messelektroden abgegriffen und in einer Messgerät-Elektronik des Durchflussmessers zu einem entsprechenden Messwert, beispielsweise einem VoIu- mendurchfluss-Messwert, weiterverarbeitet wird. Gleichermaßen bekannt sind dem Fachmann auch der Aufbau der einzelnen Komponenten sowie die Wirkungsweise von magnetisch-induktiven Durchflussmessern, beispielsweise auch aus der [0003] DE-A 43 26 991, der EP-A 1 460 394, der EP-A 1 275 940, der [0004] EP-A 12 73 892, der EP-A 1 273 891, der EP-A 814 324, der EP-A 770 855, der
EP-A 521 169, der US-B 67 63 729, der US-B 66 58 720, der [0005] US-B 66 34 238, der US-B 65 95 069, der US-A 60 31 740, der [0006] US-A 56 64 315, der US-A 56 46 353, der US-A 55 40 103, der [0007] US-A 54 87 310, der US-A 52 10496, der US-A 47 04 908, der [0008] US-A 44 10 926, der US-A 2002/0117009 oder der WO-A 01/90702. [0009] Zum Führen des zu messenden Fluids weisen Messaufnehmer der beschriebenen Art, wie auch in Fig. schematisiert dargestellt, ein in den Verlauf der Fluid führenden Rohrleitung eingesetztes Messrohr auf, das zur Vermeidung des Kurzschliessens der im Fluid induzierten Spannung zumindest auf seiner das Fluid berührenden Innenseite im Wesentlichen elektrisch nicht-leitend ausgebildet ist. Zum Einsetzen des Messrohrs in den Verlauf der Fluid führenden Rohrleitung ist endseits des Messrohrs jeweils ein entsprechender Flansch oder dergleichen vorgesehen. Industriell eingesetzte Messaufnehmer der beschriebenen Art weisen dabei zumeist jeweils ein Messrohr auf, das mittels eines metallischen Trägerrohrs und einer auf dieses innen aufgetragenen, aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Schicht - dem sogenannten Liner - gebildet ist. Die Verwendung eines derart aufgebauten Messrohrs gewährleistet u.a. einen mechanisch sehr stabilen und robusten Aufbau des Messaufnehmers und insoweit auch des Durchflussmessers insgesamt. Als Material für den Liner werden z.B. Hartgummi, Polyfluorethylen, Polyurethan oder andere chemisch und/oder mechanisch beständige Kunststoffe verwendet, während Trägerrohre der beschriebenen Art, um eine Beeinträchtigung des Magnetfelds, insb. auch ein allfälliges Kurzschliessen desselben über das Messrohr, zu vermeiden, herkömmlicherweise aus einem nicht-ferromagnetischen, insb. paramagnetischen, Material, wie z.B. Edelstahl oder dergleichen, hergestellt sind. Durch eine entsprechende Auslegung des Trägerrohrs ist somit eine Anpassung der Festigkeit des Messrohrs an die im jeweiligen Einsatzfall vorliegenden mechanischen Beanspruchungen realisierbar, während mittels des Liners eine Anpassung des Messrohr an die für den jeweiligen Einsatzfall geltenden chemischen, insb. hygienischen, Anforderungen realisierbar ist. Üblicherweise werden dabei Materialien eingesetzt, die jeweils eine nominelle, also wirksame oder mittlere relative Permeabilität μr aufweisen, die wesentlich kleiner als 10, insb. kleiner als 5, ist. Bekanntlich gibt die relative Permeabilität μ dabei an, um wieviel die magnetische Russdichte (= magnetische Induktion) im Vergleich zur magnetischen Russdichte in Luft oder Vakuum, deren Permeabilität μo (Induktionskonstante) bekanntlich gleich 1,256 • 106 Vs-Am 1 ist, erhöht wird, wenn das betreffende Material in selbiges Magnetfeld eingebracht wird, d.h. es gilt für die Permeabilität μ des verwendeten Materials die Beziehung μ =μ. • μo.
[0010] Das für die Messung erforderlich Magnetfeld wird von einem entsprechenden
Magnetfeld-System erzeugt, das eine Spulenanordnung mit zumeist zwei Feldspulen, entsprechende Spulenkerne und/oder Polschuhe für die Feldspulen und ggf. die Spulenkerne ausserhalb des Messrohrs verbindende magnetisch-leitfähige Führungsbleche enthält. Allerdings sind auch Magnetfeld-Systeme mit einer einzigen Feldspule bekannt. Das Magnetfeld-System ist üblicherweise, wie auch in Fig. 1 angedeutet, direkt Messrohr angeordnet und von diesem gehaltert.
[0011] Zum Erzeugen des Magnetfelds wird ein von einer entsprechenden Messgerät- Elektronik gelieferter Erregerstrom I in der Spulenanordnung fliessen gelassen. Dieser ist bei modernen Messaufnehmern üblicherweise ein getakteter bi-polarer Rechteck- Wechselstrom. In der US-B 67 63 729, der US-A 60 31 740, der US-A 44 10 926 oder der EP-A 1 460 394 sind Beispiele für der Erzeugung eines solchen Erregerstroms dienende Schaltungsanordnungen sowie entsprechende Schalt- und/oder Regelverfahren dafür beschrieben. Eine solche Schaltungsanordnung umfasst üblicherweise eine den Spulenstrom treibende Energieversorgung sowie eine als H- oder T-Schaltung ausgeführte Brückenschaltung für die Modulation des Erreger Stroms.
[0012] Die im Ruid gemäß dem Faraday'schen Induktionsgesetz generierte Spannung wird zwischen mindestens zwei galvanischen, also von der Flüssigkeit benetzten, oder zwischen mindestens zwei kapazitiven, also z.B. innerhalb der Rohrwand des Messrohrs angeordneten, Messelektroden als Messspannung abgegriffen. Im häufigsten Fall sind die Messelektroden diametral einander gegenüberliegend so angeordnet, dass ihr gemeinsamer Durchmesser senkrecht zur Richtung des Magnetfelds und somit senkrecht zum Durchmesser ist, auf dem die Spulenanordnungen liegen; gleichwohl können die Messelektroden aber auch einander nicht-diametral gegenüberliegend am Messrohr angeordnet sein, vgl. hierzu insb. die
[0013] US-A 56 46 353. Die mittels der Messelektroden abgegriffene Messspannung wird verstärkt und mittels einer Auswerteschaltung zu einem Messsignal aufbereitet, das registriert, angezeigt oder seinerseits weiterverarbeitet werden kann. Entsprechende Mess-Elektroniken sind dem Fachmann ebenfalls bekannt, beispielsweise aus der EP- A 814 324, der EP-A 521 169 oder der WO-A 01/90702.
[0014] Wie bereits angedeutet, kommt bei Messaufnehmern der beschriebenen Art der Führung des Magnetfelds innerhalb und ausserhalb des Messrohrs eine besondere Bedeutung zu. Üblicherweise angewendete Maßnahmen zur Beeinflussung des Magnetfelds sind neben der Verwendung nicht-ferromagnetischer Messrohre beispielsweise, wie u.a. auch in der
[0015] US-B 65 95 069 beschrieben, durch die Verwendung von geeignet geformten und möglichst nah zum Fluid hin angeordneten Polschuhen für die Feldspulen und/oder die Verwendung magnetisch leitfähiger, insb. ferromagnetischer, Materialien für die Rückführung des Magnetfelds ausserhalb des Messrohrs gegeben.
[0016] Ein erheblicher Nachteil solcher Messaufnehmer mit metallischem Trägerohr ist darin zusehen, dass einerseits erhebliche technische Aufwendung erforderlich sind, um dass Magnetfeld in für die geforderte Messgenauigkeiten ausreichendem Maße zu Formen und zu Führen. Andererseits stellt die damit einhergehende Verwendung vergleichsweise teurer nicht-ferromagnetischer Metalle für die Trägerrohre, wie z.B. paramagnetischer Edelstahle, einen weiteren erheblichen Kostenfaktor bei der Herstellung von Messaufnehmern der beschriebenen Art dar. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Magnetfeldsysteme ist ferner darin zu sehen, dass das Magnetfeld, wie auch in Fig. 1 schematisert dargestellt, innerhalb des Messrohrslumens sehr inhomogen ausgebildet ist und somit die Messspannung in erheblichem Maße auch vom Strömungsprofil des Fluids im Messrohr abhängig sein kann.
[0017] Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, magnetisch-induktive Messaufnehmer dahingehend zu verbessern, dass einerseits ein kostengünstigeres Fertigen derselben erfolgen kann und dass anderseits die Ausprägung des für die Messung erforderlichen Magnetfelds auf einfache und kostengünstige, gleichwohl aber sehr effiziente Weise optimiert werden kann. [0018] Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung in einem dem Führen eines elektrisch leitfähigen Fluids dienenden Messrohr eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers, und wobei das Messrohr zumindest anteilig, insb. überwiegend, aus einem magnetisch leitfähigen Material besteht, das eine relative Permeabilität, μ aufweist, die wesentlich größer als eins, insb. größer als 10, ist.
[0019] Femer besteht die Erfindung in einem magnetisch-induktiven Durchflussmesser für ein in einer Leitung strömendes Fluid, der ein solches Messrohr umfasst.
[0020] Nach einer ersten Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung bestehen die metallischen Komponenten des Messrohrs und/oder das gesamte Messrohr in überwiegendem Maße aus magnetisch leitfähigem Material.
[0021] Nach einer zweiten Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung weist dessen magnetisch leitfähiges Material eine relative Permeabilität, μ, auf, die wesentlich größer als 10, insb. größer als 20, ist.
[0022] Nach einer dritten Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung weist dessen magnetisch leitfähiges Material eine relative Permeabilität, μ« auf, die kleiner als 1000, insb. kleiner als 400, ist.
[0023] Nach einer vierten Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung weist dessen magnetisch leitfähiges Material eine relative Permeabilität, μ, auf, die in einem Bereich zwischen 20 und 400 liegt.
[0024] Nach einer fünften Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung besteht zumindest ein zentrales Rohrsegment des Messrohrs, insb. entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Messrohrs, aus dem magnetisch leitfähigen Material.
[0025] Nach einer sechsten Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung ist das magnetisch leitfähige Material im Wesentlichen über eine gesamte Länge des Messrohrs und/oder über einen gesamten Umfang des Messrohrs, insb. gleichmäßig, verteilt.
[0026] Nach einer siebenten Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung besteht das Messrohr zumindest anteilig aus ferromagnetischem Metall.
[0027] Nach einer achten Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung besteht das Messrohr zumindest anteilig aus weichmagnetischem Metall besteht.
[0028] Nach einer neunten Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung besteht das Messrohr zumindest anteilig aus hartmagnetischem Metall.
[0029] Nach einer zehnten Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung weist das magnetisch leitfähige Material eine Schichtdicke auf, die viel kleiner ist als ein Innen- Durchmesser des Messrohrs.
[0030] Nach einer elften Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung sind der Innen-
Durchmesser des Messrohrs und die Schichtdicke des magnetisch leitfähigen Materials so bemessen, dass ein Verhältnis von Schichtdicke des magnetisch leitfähigen Materials zu Innen-Durchmesser des Messrohrs kleiner als 0.2, insb. kleiner 0.1, ist. [0031] Nach einer zwölften Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung ist das Messrohr zumindest auf seiner Fluid berührenden Innenseite im Wesentlichen elektrisch nichtleitend ausgebildet.
[0032] Nach einer dreizehnten Ausgestaltung des Messrohrs der Erfindung ist das Messrohr mittels eines als äussere Rohrwand und/oder als äussere Umhüllung dienenden, insb. metallischen und/oder elektrisch leitfähigen, Trägerrohrs gebildet, das innen mit wenigstens einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material ausgekleidet ist. Nach einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung weist das Trägerrohr eine Wandstärke auf, die viel kleiner ist als ein Innen-Durchmesser des Trägerrohrs. Im besonderen sind dabei der Innen-Durchmesser und die Wandstärke des Trägerrohrs so bemessen, dass ein Verhältnis der Wandstärke des Trägerrohrs zu dessen Innen- Durchmesser kleiner als 0.5, insb. kleiner 0.2, ist. Nach einer anderen Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung ist dabei ein solches magnetisch leitfähiges Material verwendet, dass das Verhältnis der Wandstärke des Trägerrohrs zu dessen Innen-Durchmesser multipliziert mit der relativen Permeabilität, ^, des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert ergibt, der kleiner als 5, insb. kleiner als 3, ist und/ oder der größer als eins, insb. größer als 1.2, ist. Ein weiterer Aspekt dieser Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Trägerrohr zumindest anteilig, insb. überwiegend oder durchgängig, aus dem magnetisch leitfähigen Material hergestellt ist.
[0033] Nach einer ersten Ausgestaltung des Durchflussmessers der Erfindung umfasst dieser weiters eine Mess- und Betriebsschaltung, ein von der Mess- und Betriebsschaltung gespeistes Magnetfeld-System, das mittels wenigstens einer am Messrohr oder in dessen Nähe angeordneten Feldspule ein zumindest zeitweise ein Lumen des Messrohrs durchsetzendes, insb. getaktetes, Magnetfeld erzeugt, und wenigstens zwei Messelektroden zum Abgreifen von elektrischen Potentialen und/oder elektrischen Spannungen, die im durch das Messrohr strömenden und vom Magnetfeld durchsetzten Fluid induziert sind. Zum Erzeugen von Messwerten, die wenigstens einen das zu messende Fluid beschreibenden Parameter repräsentieren, ist die Mess- und Betriebsschaltung ferner zumindest zeitweise mit wenigstens einer der Messelektroden verbunden. Nach einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung sind die Messelektroden von der wenigstens einen Feldspule beabstandet am Messrohr und/ oder innerhalb von dessen Rohrwand angeordnet. Insbesondere sind die wenigstens zwei Messelektroden dabei so am Messrohr angeordnet, dass eine diese imaginär verbindende Elektrodenachse das zumindest zeitweise das Lumen des Messrohrs durchsetzenden Magnetfeld im wesentlich senkrecht schneidet. Ferner ist das magnetisch leitfähige Material zumindest im Bereich eines zentralen Rohrsegments des Messrohrs, insb. entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Messrohrs, so verteilt und sind die wenigstens eine Feldspule sowie die Messelektroden so am Messrohr angeordnet, dass das im Betrieb zumindest zeitweise erzeugte Magnetfeld sowohl im Bereich der Feldspulen als auch im Bereich der Messelektroden, insb. mit im Wesentlichen derselben Richtung und/oder im Wesentlichen gleicher magnetischer Russdichte, in das Lumen des Messrohrs eingekoppelt ist. Weiterführend ist dabei das magnetisch leitfähige Material zumindest im Bereich eines zentralen Rohrsegments des Messrohrs, insb. entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Messrohrs, so verteilt und sind die wenigstens eine Feldspule sowie die Messelektroden so am Messrohr angeordnet, dass das zumindest zeitweise erzeugte Magnetfeld innerhalb des Lumens des Messrohrs zumindest im Bereich des zentralen Rohrsegments dergestalt ausgebildet ist, dass es zumindest im Bereich der Rohrwand auch in einem senkrechten Abstand von der gedachten Elektrodenachse von mehr als einer Viertellänge eines Innen-Durchmessers des Messrohrs zumindest überwiegend senkrecht zur gedachten Elektrodenachse ausgerichtet ist.
[0034] Nach einer zweiten Ausgestaltung des Durchflussmessers der Erfindung umfasst dieser weiters wenigstens eine ausserhalb des Messrohrs verlaufende magnetische Rückführung zum Führen des Magnetfelds ausserhalb des Messrohrs. Nach einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung ist dabei ein, insb. im Bereich der Messelektroden gemessener, mittlerer Abstand zwischen der magnetische Rückführung und dem Messrohr so gewählt, dass ein Abstand-Durchmesser- Verhältnis des mittleren Abstands zu einem Aussen-Durchmesser des Trägerrohrs kleiner als eins, insb. kleiner als 0.5, ist. Ferner kann es bei dieser Ausgestaltung der Erfindung von Vorteil sein, ein solches magnetisch leitfähiges Material zu verwenden, dass das Verhältnis des mittleren Abstands zum Aussen-Durchmesser des Trägerrohrs multipliziert mit der relativen Permeabilität, μr, des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert ergibt, der kleiner als 100, insb. kleiner als 60, ist.
[0035] Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, Verbesserung der Effizienz des
Magnetfeld-Systems dadurch zu erreichen, dass magnetisch-induktive Messaufnehmer, anstelle der dafür üblicherweise verwendeten magnetisch nicht oder nur in sehr geringem Maße leitfähigen Messrohre (^ ^ 1), mit aus magnetisch hochleitfähigem Material bestehenden Messrohren (^ » 1) ausgestattet werden.
[0036] Die Erfindung beruht dabei auch auf der überraschenden Erkenntnis, dass durch die Verwendung von magnetisch hochleitfähigem Material für das Messrohr innerhalb des Messrohrlumens zumindest im Nahbereich der Messelektroden sowohl eine erhebliche Verstärkung als auch eine erhebliche Vergleichmäßigung und insoweit eine Homogenisierung des Magnetfelds bewirkt werden kann.
[0037] Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass diese Verbesserung des Magnetfeld- Systems sogar mittels Messrohren der beschriebenen Art erzielt werden kann, die im Vergleich zu herkömmlichen Messaufnehmern weitaus kostengünstiger zu fertigen sind.
[0038] Einzelheiten der Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen werden nun anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser sowie anhand von für verschiedene Konfigurationen des erfindungsgemäßen Messaufnehmers experimentell ermittelte Magnetfelddaten näher erläutert:
[0039] Fig. 1 zeigt die Ausbreitung des Magnetfelds in einem herkömmlichen magnetischinduktiven Messaufnehmer,
[0040] Fig. 2 zeigt schematisch teilweise in einem Querschnitt und teilweise in der Form eines Blockschaltbilds einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit einem Messrohr,
[0041] Fig. 3 zeigt die Ausbreitung des Magnetfelds innerhalb eines durch eine Elektrodenachse und eine Feldspulenachse aufgespannten Querschnitts eines magnetischinduktiven Messaufnehmer gemäß der Erfindung,
[0042] Fig. 4a, b, c zeigt innerhalb des Querschnitts von Fig. 3 für verschiedene magnetisch-induktive Messaufnehmer ermittelte L2-Normen der magnetischen Russdichte B sowie von deren in Richtung der Elektrodenachse oder in Richtung der Feldspulenachse wirkenden Komponenten jeweils in Abhängigkeit von einer relativen Permeabilität des Messrohrmaterials,
[0043] Fig. 5 zeigt innerhalb des Querschnitts von Fig. 3 für verschiedene magnetischinduktive Messaufnehmer ermittelte Verläufe von Beträgen der magnetischen Russdichte B entlang der jeweiligen Elektrodenachse in Abhängigkeit eines Abstandes vom Mittelpunkt der Elektrodenachse,
[0044] Fig. 7 zeigt innerhalb des Querschnitts von Fig. 3 für verschiedene magnetischinduktive Messaufnehmer ermittelte totale Abweichungen des Betrags der Russdichte vom dort gemessenen Mittelwert der Russdichte B in Abhängigkeit von einer relativen Permeabilität des Messrohrmaterials,
[0045] Fig. 8, 9 zeigen für verschiedene magnetisch-induktive Messaufnehmer gemäß den Fig. 2 oder 3 ermittelte Abhängigkeiten einer optimalen relativen Permeabilität für das Messrohrmaterial in Abhängigkeit von verschieden geometrischen Bemessungsgrößen für den Messaufnehmer, und
[0046] Fig. 10,11 zeigen für verschiedene magnetisch-induktive Messaufnehmer
[0047] 12a, b, c gemäß den Fig. 2 oder 3 ermittelte Abhängigkeiten des
[0048] 13a, b, c Magnetfelds innerhalb des Querschnitts von Fig. 3 anhand von das Magnetfeld daselbst charakterisierenden Messgrößen in Abhängigkeit von der relativen Permeabilität des Messrohrmaterials sowie verschiedener geometrischen Bemessungsgrößen für den Messaufnehmer. [0049] In Fig. 2 und 3 ist schematisch ein Durchflussmesser dargestellt, mit dem wenigstens eine physikalische Messgröße eines elektrisch leitenden und strömenden Fluids 11, beispielsweise ein Volumendurchfluss, zu ermitteln ist. Der Durchflussmesser umfasst einen magnetisch-induktiven Messaufnehmer 1 und eine mit diesem gekoppelte Mess- und Betriebsschaltung 8 zum Ansteuern desselben und zum Erzeugen von, insb. digitalen, Messwerten, die wenigstens einen das Fluid beschreibenden Parameter repräsentieren. Zur Weitergabe berechneter Messwerte kann die beispielsweise unter Verwendung auch eines Mikrocomputers 10 realisierte Mess- und Betriebsschaltung 8 ferner über ein entsprechendes Datenübertragungssystem 16 mit einem übergeordneten Prozessleitrechner 9 kommunizieren.
[0050] Zum Messaufnehmer 1 gehört ein in den Verlauf einer das Fluid 11 führenden - hier jedoch nicht dargestellten - Rohrleitung eingesetztes Messrohr 2 mit einem von einer Rohrwand umgebenen, zumindest zeitweise vom zu messenden Fluid 11 durchströmten Messrohrlumen. Zum Verbinden des Messrohrs 2 mit der Rohrleitung ist sind an dessen Enden entsprechende Verbindungselemente, z.B. Flansche, vorgesehen.
[0051] Im Betrieb des Durchflussmessers ist ferner zumindest ein Teil des Messrohrlumens zumindest zeitweise von einem Magnetfeld durchsetzt. Das Magnetfeld, das zumindest zeitweise, insb. auch taktweise wiederkehrend, im Wesentlichen konstant gehalten ist, verläuft zumindest abschnittsweise senkrecht zu einer mit der Strömungsrichtung des Fluids 11 koinzidierenden Längsachse z des Messrohrs, wodurch im Fluid eine mit der wenigstens einen Messgröße des Fluids, beispielsweise der Strömungsgeschwindigkeit und/oder dem Volumendurchfluss, korrespondierenden Messspannung U induziert wird. Auf seiner Fluid berührenden Innenseite ist das Messrohr im Wesentlichen elektrisch nicht-leitend ausgebildet, damit ein Kurzschliessen der mittels des Magnetfelds induzierte Messspannung U über das Messrohr 2 vermieden wird.
[0052] Zum Erzeugen dieses für die Messung des wenigstens einen Parameters benötigten Magnetfelds mit einer dafür ausreichend hohen Russdichte B weist der Messaufnehmer 1 ferner ein von der Mess- und Betriebsschaltung 10 gespeistes Magnetfeld-System auf, das mittels wenigstens einer am Messrohr 2 oder in dessen Nähe angeordneten Feldspule ein zumindest zeitweise ein Lumen des Messrohrs 2 durchsetzendes, insb. getaktetes, Magnetfeld erzeugt. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Magnetfeld-System erste Feldspule 6 und eine, insb. zur ersten Feldspule 6 elektrisch in Serie oder auch parallel geschaltete, zweite Feldspule 7. Die Feldspulen 6, 7 sind einander gegenüberliegend am Messrohr 2 angeordnet, und zwar gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung so, dass eine die beiden Feldspulen virtuell verbindende Spulenachse y mit einem Durchmesser des Messrohrs 2 koinzidiert, der im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse z des Messrohrs 2 verläuft. Das Rohrwand und Messrohrlumen mit darin befindlichem Fluid 11 durchsetzende Magnetfeld entsteht nunmehr, wenn in den Feldspulen 6, 7 ein entsprechender Erregerstrom fliessen gelassen wird, beispielsweise ein getakteter Gleichoder Wechselstrom. Jede der Feldspulen 6, 7 kann, wie bei derartigen Magnetfeld- Systemen üblich, um einen magnetisch leitfähigen Kern gewickelt sein, wobei dieser wiederum mit einem entsprechenden Polschuhen zusammenwirken kann, vgl. z.B. die
[0053] US-A 55 40 103; die Feldspulen können aber auch, wie in Fig. 1 auch schematisiert dargestellt, kernlose Luftspulen sein. Zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften des Magnetfeld-Systems kann ferner eine ausserhalb des Messrohrs 2 verlegte magnetische Rückführung 17 vorgesehen sein, die dazu dient das Magnetfeld ausserhalb des Messrohrs innerhalb eines möglichst kleinen Volumens zu führen. Beispielsweise können die Feldspulen 6, 7, wie bei derartigen Messaufnehmern auch üblich, mittels solcher ausserhalb des Messrohrs verlegten magnetischen Rückführungen 17 miteinander magnetisch gekoppelt sein. Das Magnetfeld-System ist in vorteilhafter Weise ferner so ausgeführt, insb. sind die beiden Feldspulen 6, 7 so dimensioniert und zueinander ausgerichtet, dass das damit erzeugte Magnetfeld innerhalb des Messrohrs 2 zumindest bezüglich der Spulenachse y weitgehend symmetrisch, insb. zumindest C2-rotationssymmetrisch (C2-Symmetrie = 180°-Rotationssysmmetrie), ausgebildet ist.
[0054] Zum Abgreifen von elektrischen Potentialen und/oder elektrischen Spannungen, die im durch das Messrohr 2 strömenden und vom Magnetfeld durchsetzten Fluid induziert sind, weist der Messaufnehmer ferner wenigstens zwei Messelektroden auf, die im Betrieb des Durchflussmessers zumindest zeitweise mit der Mess- und Betriebsschaltung 8 verbunden sind, wobei eine an einer Innenseite der Rohrwand des Messrohrs 2 angeordnete erste Messelektrode 4 dem Abgriff eines von der wenigstens einen Messgröße abhängigen ersten Potentials und eine gleichermaßen am Messrohr angeordnete zweite Messelektrode 5 dem Abgriff eines ebenfalls von der wenigstens einen Messgröße abhängigen zweiten Potentials dienen. Die Messelektroden 4, 5 sind dabei von der wenigstens einen Feldspule beabstandet am Messrohr und/oder innerhalb von dessen Rohrwand angeordnet und zwar gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung so, dass eine die beiden Messelektroden 4, 5 imaginär verbindende Elektrodenachse x im Wesentlichen senkrecht zur Spulenachse y und/oder zur Messrohrlängsachse z verläuft. Unter dem Einfluss der Magnetfeldes B wandern im strömenden Fluid befindliche freie Ladungsträger je nach Polarität in Richtung der einen oder der anderen Messelektrode 4, 5 ab. Die zwischen den Messelektroden 4, 5 aufgebaute Messspannung U ist dabei im Wesentlichen proportional zu der über den in Fig. 1 gezeigten Querschnitt A des Messrohres 2 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Fluids und somit auch ein Maß für dessen Volumenstrom. [0055] Im hier gezeigten Ausfiihrungsbeispiel liegen die Messelektroden 4, 5 dabei praktisch auf einem zweiten Durchmesser des Messrohrs 2, der sowohl im Wesentlichen senkrecht auf der Messrohrlängsachse z als auch im Wesentlichen senkrecht auf der Spulenachse steht y. Die Messelektroden 4, 5 können beispielsweise, wie auch in der Fig. 1 schematisch dargestellt, als galvanische, also die Flüssigkeit berührende Elektroden ausgebildet sein. Alternativ oder in Ergänzung dazu können aber auch kapazitive, also z.B. innerhalb der Rohrwand des Messrohrs 2 angeordnete, Elektroden als Messelektroden 4, 5 verwendet werden. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn das Magnetfeld-System so ausgebildet ist, dass das Magnetfeld auch bezüglich der Elektrodenachse x zumindest eine cvSymmtrie aufweist. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Magnetfeld zudem so ausgebildet, dass es innerhalb des Messrohrlumens zumindest zeitweise bezüglich der vorgenannten gedachten Bezugsachsen x, y, z im Wesentlichen symmetrisch ist, und zwar in der Weise, dass es im Wesentlichen jeweils zumindest eine c2-Symmetrie (= 180°-Rotationssysmmetrie) aufweist.
[0056] Die Messelektroden 4, 5 wie auch die wenigstens eine Feldspule 6 bzw. die
Feldspulen 6, 7 sind schließlich über entsprechende Verbindungsleitungen 4, 5, 6, 7 mit der den Betrieb des Durchflussaufnehmers steuernden Mess- und Betriebsschaltung 8 elektrisch verbunden.
[0057] Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass Messrohr zumindest anteilig, insb. überwiegend, aus einem magnetisch leitfähigem Material herzustellen, das eine relative Permeabilität μr aufweist, die wesentlich größer als eins ist. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht dabei auch jener Bereich des das Messrohrs aus dem magnetisch leitfähigem Material, in dem die Messelektroden gehaltert sind.
[0058] Untersuchungen haben nämlich überraschenderweise gezeigt, dass bei Verwendung von magnetisch, insb. hoch, leitfähigem Material für das Messrohr 2 zumindest im Bereich eines zentralen, durch die gedachte Feldspulenachse y und die gedachte Elektrodenachse x geschnittenes Rohrsegments des Messrohrs 2 erhebliche Verbesserungen zumindest des stationären, also für die Messung des wenigstens einen Parameters ausreichend konstant gehaltenen Magnetfelds im Messrohrlumen erzielt werden können, insb. hinsichtlich seiner Flussdichte B und/oder seiner Verteilung und Ausrichtung im Messrohrlumen. So konnte beispielsweise für einen durch die Feldspulenachse y und die Elektrodenachse x aufgespannten, praktisch dem in Fig. 2 gezeigten Querschnitt A entsprechenden Querschnitt des Messrohrs 2 ermittelt werden, dass die Flussdichte B zumindest des stationären Magnetfelds bei einer relativen Permeabilität μr von größer als 10 überraschender Weise überproportional hohe Werte annehmen kann. Dies lässt sich für konkrete Messrohre und Magnetfeldsysteme u.a. anhand der so genannten L2-Norm der Russdichte B ohne weiteres verifizieren. Die L2 -Norm IIBIIL2 der Russdichte B gibt praktisch an, wie viel Magnetfeld in diesem Querschnitt A des Messrohrs enthalten ist bzw. wie hoch die magnetische Energie des Magnetfeldes ist, und kann basierend auf der Formel [0059]
B , -|W ^B B, dxd\
(1)
[0060] berechnet werden. Ein möglicher Verlauf der L2-Norm IIBIIL2 der Russdichte B in Abhängigkeit von der gewählten relativen Permeabilität μ^ ist in Fig. 4a exemplarisch dargestellt. Einhergehend mit dieser auf der Verwendung von magnetisch hoch- leitfähigem Material basierenden Verbesserung des Magnetfelds im gesamten Messrohrlumen lässt sich zudem eine erhebliche Erhöhung zumindest im Betrag IBI der Russdichte B feststellen, sei es im Bereich des vorgenannten Rohrsegments, insb. innerhalb des vorgenannten Querschnitts A des Messrohrs oder, wie in Fig. 5. exemplarisch dargestellt, zumindest entlang der Elektrodenachse x und in deren unmittelbaren Nähe. Infolge dieser Überhöhung der Russdichte B, kann im Vergleich zu herkömmlichen magnetisch-induktiven Durchflussaufnehmern mit vergleichbarem Aufbau eine gleichermaßen erhebliche Erhöhung der Messspannung U beobachtet werden.
[0061] Des weiteren hat sich gezeigt, dass sich in Abhängigkeit von der tatsächlichen Dimensionierung des Messrohrs und des Magnetfeldsystems einschließlich allfälliger Rückführungen für das Messrohr eine optimale relative Permeabilität μ finden lässt, bei der bei stationärem Magnetfeld die Russdichte B und insoweit auch deren L2-Norm I IBIIL2 maximal ist, vgl. hierzu auch Fig. 4a. In entsprechender Weise weist der Messaufnehmer eine maximale Empfindlichkeit auf, bei der das strömende, vom Magnetfeld durchsetzte Ruid eine maximale Messspannung U zwischen den beiden Messelektroden bewirkt. Weitere Untersuchungen hierzu führten zu der Erkenntnis, dass die optimale relative Permeabilität μ^ je nach Dimensionierung des Messaufnehmers etwa im Bereich zwischen 10 und 1000, insb. im Bereich zwischen 20 und 400, liegt.
[0062] Es ist ferner festgestellt worden, dass durch die Verwendung von magnetisch leitfähigem Material für das Messrohr das stationäre Magnetfeld nicht nur hinsichtlich seiner Russdichte B verbessert werden kann, sondern auch dahingehend, dass es in Richtung der Feldspulenachse y im Vergleich zu herkömmlichen Messaufnehmern gleicher Bauart, zumindest innerhalb des vorgenannten Querschnitts A, eine deutlich gleichmäßigere und geradere Ausrichtung erfährt, symbolisiert durch die in Fig 3. innerhalb des Messrohrlumens nahezu parallel verlaufenden Feldlinien. Dies ma- nifestiert sich u.a. auch darin, dass das Magnetfeld zumindest innerhalb des erwähnten Querschnitts A praktisch sowohl im Bereich der Feldspulen als auch im Bereich der Messelektroden, insb. mit im Wesentlichen derselben Richtung und/oder im Wesentlichen gleicher magnetischer Russdichte B, in das Messrohrlumen eingekoppelt ist. Anders gesagt, können Nebenschlüsse des Magnetfelds vorbei an dem für die Messung relevanten Strömungsbereich vermieden oder zumindest sehr wirksam minimiert werden.
[0063] Im besonderen konnte dabei festgestellt werden, dass durch geeignete Wahl und Verteilung des magnetisch hochleitfähigen Materials, abgestimmt auf die für das Messrohr tatsächlich gewählte Nennweite und/oder Wandstärke, zumindest im Bereich des zentralen Rohrsegments des Messrohrs, insb. innerhalb des vorgenannten Querschnitts A, zumindest die in Richtung der Spulenachse y wirkenden Anteile By des Magnetfelds erhöht werden kann, während gleichzeitig eine Verringerung der in Richtung der Elektrodenachse x wirkenden Anteile Bx des Magnetfelds erzielbar ist.
[0064] Vorgenannte Effekte können wiederum sehr anschaulich anhand der jeweiligen L2 - Norm HBXIIL2 und IIByllL2 der einzelnen Komponenten Bx und By der Russdichte B verifiziert werden, mathematisch ausgedrückt durch:
[0065]
(2)
[0066]
. (3)
[0067] Mögliche Verläufe der L2-Norm IIByllL2 der für die Messung zumindest des Volumendurchflusses eigentlich erforderlichen Magnetfeld-Komponenten By sowie der L2 - Norm IIBXIIL2 der beispielsweise für die Messung des Volumendurchflusses eher unerwünschten Magnetfeld-Komponenten Bx sind jeweils in Abhängigkeit von der gewählten relative Permeabilität μr in den Fign. 4b und 4c exemplarisch dargestellt. Deutlich erkennbar sind der anfänglich positiv und sehr steil verlaufende, schließlich in einen Maximalwert mündende Anstieg der in Richtung der Spulenachse wirkenden Magnetfeld-Komponenten By bei gleichzeitig sehr steil abfallendem Verlauf der in Richtung der Elektrodenachse wirkenden Magnetfeld-Komponenten Bx.
[0068] Darüber hinaus kann das Magnetfeld durch die Verwendung magnetisch hoch leitfähigen Materials für das Messrohr auch hinsichtlich seiner Homogenität in erheblichem Maße verbessert werden. Dies zeigt sich beispielsweise darin, dass eine Abweichung des Betrags IBI der Russdichte B innerhalb des Messrohrlumens, zumindest aber innerhalb des Querschnitts A, vom dort gemessenen Mittelwert
B der Russdichte B, also praktisch eine Varianz des Betrags IBI der Russdichte B, um so kleiner wird, je größer die relative Permeabilität μ^ für das magnetisch leitfähige Material und insoweit auch für das Messrohr selbst gewählt worden ist. Die Mittelwert
B der Russdichte B wie auch eine entsprechende totale Abweichung s kann für den Querschnitt A beispielsweise basierend auf folgenden mathematischen Beziehungen leicht ermittelt werden: [0069]
(4) [0070]
B = - flB dx dy
A A
, (5)
[0071] wobei die totale Abweichung s zumindest qualitativ die in Fig. 6 beispielhaft gezeigten Abhängigkeit von der relative Permeabilität μr aufweisen kann.
[0072] Sehr anschaulich kann diese Vergleichmäßigung und insoweit auch die Homogenisierung des Magnetfelds anhand einer relativen Abweichung
der Russdichte B im Querschnitt A von ihrem dortigen Mittelwert
B aufgezeigt werden, wobei sich die relative Abweichung ? anhand folgender mathematischen Beziehung berechnen lässt: [0073]
. (6)
[0074] Im besonderen kann durch eine geeignete Verteilung des magnetisch leitfähigen Materials über das Messrohr ohne weiteres erreicht werden, dass das stationäre Magnetfeld dergestalt ausgebildet ist, dass die momentane totale Abweichung s der über den Querschnitt A gemittelten Russdichte B von dem momentan Mittelwert B der Russdichte B in selbigem Querschnitt A oder auch deren Varianz kleiner als 0,005 und/oder dass die entsprechende relative Abweichung
der Russdichte B vom Mittelwert
B kleiner als 1%, insb. kleiner als 20%e, im Querschnitt A ist. Zudem kann durch die Verwendung des magnetisch hoch leitfähigen Materials für das Messrohr das Magnetfeld so ausgebildet werden, dass es auch noch eine zur gedachten Elektrodenachse x parallel verlaufende Sekante des Querschnitts A senkrecht schneidet, die von der gedachten Elektrodenachse x eine Viertellänge eines Innen-Durchmessers des Messrohrs D beabstandet ist.
[0075] Im Ergebnis führt das vorbeschriebene Gleichrichten des Magnetfelds und/oder
Vergleichmäßigen des Betrags IBI der Russdichte, insoweit also die Homogenisierung des Magnetfelds, u.a. auch dazu, dass die Messspannung U im Vergleich zu herkömmlichen magnetisch-induktiven Messaufnehmern mit ähnlichem Aufbau weniger empfindlich auf allfällige Störungen der Ruidströmung, beispielsweise durch mitgeführte Fremdstoffe, eingeperlte Gase und/oder Veränderungen im Strömungsprofil, reagiert und insoweit sehr robust ist. Gleichermaßen kann so eine Verbesserung der für die Messung der wenigstens einen physikalischen Messgröße relevanten Eigenschaften Magnetfelds, insb. eine Erhöhung der Russdichte B im Bereich der Elektroden 4, 5 und der Elektrodenachse x wie auch innerhalb des zentralen Rohrsegments erzielt werden. Infolgedessen weist das Magnetfeldsystem eine höhere Effizienz auf und können die mit der Messspannung U korrespondierenden Messwerte, beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Volumen- durchfluss, präziser ermittelt werden.
[0076] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das magnetisch leitfähige Material zumindest über einen Bereich eines zentralen Rohrsegments des Messrohrs 2 verteilt, in dem auch die Elektroden und die wenigstens eine Feldspule angeordnet sind. Alternativ oder in Ergänzung dazu ist das magnetisch leitfähige Material gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zumindest entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Messrohrs 2 und/oder über eine gesamte Länge des Messrohrs 2, insb. auch gleichmäßig, verteilt. Des weiteren kann das magnetisch leitfähige Material dabei aber auch, sei es nun weitgehend homogen oder im Wesentlichen heterogen, über das gesamte Messrohr 2 verteilt sein.
[0077] Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das magnetisch leitfähige Material als eine im Wesentlichen zusammenhängende Schicht im Messrohr zu applizieren. Vorzugsweise weist das magnetisch leitfähige Material dabei eine Schichtdicke d auf, die viel kleiner ist als ein Innen-Durchmesser D des Messrohrs. Alternativ oder in Ergänzung dazu sind der Innen-Durchmesser D des Messrohrs 2 und die Schichtdicke d des magnetisch leitfähigen Materials so bemessen, dass ein Verhältnis von Schichtdicke des magnetisch leitfähigen Materials zu Innen- Durchmesser D des Messrohrs kleiner als 0.2, insb. kleiner 0.1, ist.
[0078] Zur Vermeidung von erhöhten Wirbelstrom- und/oder erhöhten Ummagnetisie- rungsverlusten im Messrohr 2 kann letzteres darüber hinaus auch schichtweise aus mehreren solcher, einander abwechselnd, insb. koaxial, übereinanderliegenden Schichten aus magnetisch leitfähigem Material und elektrisch magnetisch nicht leitendem Material aufgebaut sein. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen wenigstens eine Schicht, insb. aber mehrere radial voneinander be- abstandete Schichten, des magnetisch leitfähigen Materials in ein elektrisch im Wesentlichen nicht leitendes Material und/oder wenigstens eine Schicht, insb. aber mehrere radial voneinander beabstandete Schichten, elektrisch im Wesentlichen nicht leitenden Materials in magnetisch leitfähiges Material einzubetten. Darüber hinaus können im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Messaufnehmer, falls erforderlich, aber auch weiterführenden Maßnahmen zur Minimierung von Wirbelströmen angewandt werden, beispielsweise die in der EP-A 1 460 394 und/oder der US-A 60 31 740 vorgeschlagen Verfahren zur Regelung des das Magnetfeld-System treibenden Erregerstroms.
[0079] Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Messrohr 2, wie bei Messaufnehmern der beschriebenen Art durchaus üblich, mittels eines als äussere Rohrwand und/oder als äussere Umhüllung dienenden, insb. metallischen und/oder magnetisch leitfähigen, Trägerrohrs 21 gebildet, das innen mit wenigstens einer Schicht 22 aus elektrisch isolierendem Material, wie z.B. Keramik, Hartgummi, Polyfluorethylen, Polyurethan oder dergleichen, dem sogenannten Liner, ausgekleidet ist; bei vollständig aus einem vergleichsweise nicht-leitenden Kunststoff oder aus einer Keramik, insb. aus Aluminiumoxid-Keramik, bestehenden Messrohren ist solch eine zusätzliche elektrisch nichtleitende Schicht demgegenüber nicht zwingend erforderlich. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht das Trägerrohr zumindest anteilig aus dem magnetisch leitfähigen Material, insb. einem magnetisch leitfähigen Metall.
[0080] Das Trägerrohr 21 weist, wie auch in der Fig. 2 und 3 schematisiert dargestellt, eine Wandstärke dτ auf, die zumindest im Vergleich zum Innen-Durchmesser Dx des Trägerrohrs viel kleiner ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass der Innen-Durchmesser Dx und die Wandstärke d des Trägerrohrs so bemessen sind, dass ein Durchmesser- Wandstärke- Verhältnis w = dτ/D T der Wandstärke dτ des Trägerrohrs zu dessen Innen-Durchmesser Dx kleiner als 0.5, insb. kleiner 0.2, ist. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein solches magnetisch leitfähiges Material für das Trägerrohr 21 verwendet und sind dessen Wandstärke dτ und Innen-Durchmesser Dx so bemessen, dass das vorgenannte Durchmesser- Wandstärke- Verhältnis w multipliziert mit der relativen Permeabilität μ, des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert dτ/Dτ • μr ergibt, der kleiner als 5, insb. kleiner als 3, ist. Alternativ oder in Ergänzung dazu, ist ein solches magnetisch leitfähiges Material für das Trägerrohr verwendet und sind dessen Wandstärke dτ und Innen-Durchmesser Dx so bemessen, dass dieser mittels des Durchmesser- Wandstärke- Verhältnisses w und der relativen Permeabilität μ, des magnetisch leitfähigen Materials gebildete Wandstärke-Formfaktor dτ/Dτ • μr für das Trägerrohr und insoweit auch für das gesamte Messrohr einen Wert annimmt, der größer als eins, insb. größer als 1.2, ist. Weiterführende Untersuchungen haben zudem ergeben, dass neben der Wandstärke dτ und dem Innen-Durchmesser Dx des magnetisch leitfähigen Trägerrohrs auch die Geometrie und/oder die räumliche Anordnung der dem Führen des Magnetfelds ausserhalb des Messrohrs dienenden magnetischen Rückführung 17 erheblichen Einfluss auf den Verlauf des Magnetfelds innerhalb Messrohrlumen, insb. aber auf die räumliche Verteilung der Russdichte B und/oder deren Betrag innerhalb des Querschnitts A und/oder Messrohrlumens, nehmen kann. Im besonderen konnte hierzu festgestellt werden, dass beispielsweise für ein Trägerrohr, bei dem die Wandstärke dτ, der Innen-Durchmesser Dx sowie die relative relative Permeabilität μ, vorgegeben sind, im Sinne einer möglichst gleichmäßig über den Querschnitt A verteilten Russdichte B zumindest im Bereich der Messelektroden ein optimaler mittlere Abstand h,. zwischen der magnetischen Rückführung 17 und dem Trägerrohr bestimmbar ist. Umgekehrt wiederum kann für den Fall, dass Wandstärke dτ, Innen-Durchmesser Dx und seitliche Einbaumaße für den Messaufnehmer vorgegeben oder limitiert sind, eine für die betragsmäßig möglichst gleichmäßige Ausprägung des Magnetfelds optimale relativen Permeabilität μr ermittelt werden. Nach einer anderen Ausgestaltung ist daher ferner das Trägerohr und die Rückführung so ausgelegt und so dimensioniert, dass ein Abstand-Durchmesser- Verhältnis wr = h/(dx + Dx) des mittleren Abstands hr zu einem Aussen-Durchmesser (dx + Dx) des Trägerrohrs kleiner als eins, insb. kleiner als 0.5, ist. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein solches magnetisch leitfähiges Material für das Trägerrohr verwendet und sind dessen Wandstärke dx und Innen-Durchmesser Dx so bemessen, dass das vorgenannte Abstand- Durchmesser- Verhältnis wr multipliziert mit der relativen Permeabilität μr des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert μr • h,/(dx + Dx) ergibt, der kleiner als 100, insb. kleiner als 60, ist. Alternativ oder in Ergänzung dazu ist ferner vorgesehen, ein solches magnetisch leitfähiges Material für das Trägerrohr zu verwenden und dessen Wandstärke dτ und Innen-Durchmesser Dx so zu bemessen, dass dieser mittels des Abstand-Durchmesser- Verhältnis wr und der relativen Permeabilität μr des magnetisch leitfähigen Materials gebildete Rückführungs-Formfaktor U1 • h/(dx + Dx) für das Trägerrohr und insoweit auch für das gesamte Messrohr einen Wert annimmt, der größer als eins ist.
[0082] Die für eine konkrete Konfiguration des Messrohrs und des Magnetfeld-Systems im Sinne einer maximalen Messspannung U optimale relative Permeabilität μ, des für das Messrohr verwendeten magnetisch leitfähigen Materials kann für praktisch relevante Durchmesser- Wandstärke- Verhältnis w und/oder praktisch relevante Abstand- Durchmesser- Verhältnis wr aus den in den Fig. 7 und 8 dargestellten, empirisch ermittelten Kennlinienfeldern direkt abgelesen werden.
[0083] Obwohl, wie zuvor am Beispiel des Rückführungs-Formfaktor μr • h/(dx + Dx) aufgezeigt, auch die Dimensionierung der Rückführung durchaus die Ausbreitung des Magnetfelds, insb. die Verteilung der der Russdichte B innerhalb des Querschnitts A, beeinflussen kann, konnte jedoch überraschender Weise festgestellt werden, dass der Innen-Durchmesser und die Wandstärke des Trägerrohrs oder allgemeiner der Innen-Durchmesser D des Messrohrs und die Verteilung, insb. die Schichtdicke, des magnetisch leitfähigen Materials im Messrohr diesbezüglich einen weitaus größeren Einfluss auf die Ausbreitung des Magnetfelds innerhalb des Messrohrlumens und insoweit auch auf die Ausprägung und die Robustheit der Messspannung U nehmen können. So sind in der Fig. 9 Verläufe für die oben totale Abweichung s vom Mittelwert
B und in der Fig. 10 für die relative Abweichung
vom Mittelwert
B gezeigt, die empirisch für verschiedene Durchmesser- Wandstärke- Verhältnisse w und verschiedene Abstand-Durchmeser- Verhältnisse wr im Bereich des Querschnitts A ermitteltet wurden. Dabei sind in den Fign. 9 und 10 für jedes der hier gewählten Durchmesser- Wandstärke- Verhältnisse w (0,0005....0,1876), jeweils dieselben vier verschieden Abstand-Durchmeser- Verhältnisse wr (0,25; 05; 0,75; 1) untersucht und in der Weise zu einem über das jeweilige Durchmesser- Wandstärke- Verhältnis w definiertes und durch den jeweils einheitlich gewählten Linienstil (w = 0,0175 — ; w =
0,0629: -; w=0,1253: — ; w = 0,1876: ; w = 0,25: — ) repräsentiertes
Ensemble zusammengefasst worden. Deutlich erkennbar ist, dass für praktisch relevante Durchmesser- Wandstärke- Verhältnisse w von größer 0,01 einerseits bei hinreichend gross gewählter relativer Permeabilität μ, von größer gleich 10 kaum noch eine Einfluss der Rückführung auf die relative Abweichung ? und insoweit auf die Gestalt des Magnetfelds innerhalb des Querschnitts A feststellbar ist. Anderseits können für besagte Wandstärke- Verhältnisse w von größer 0,01 bei einer hinreichend gross gewählten relativer Permeabilität μ^ von größer gleich 10 nur noch marginale Verbesserungen des Magnetfelds im Sinne einer zumindest betragsgemäßen Gleichverteilung der Russdichte B innerhalb des Querschnitts A erzielt werden.
[0084] Darüber hinaus zeigt sich anhand von in den Fign. 1 Ia, b, c und 12a, b, c dargestellten Verläufen der Mittelwerte wie auch der L2-Normen, die jeweils in Abhängigkeit von den vorgenannten Verhältnisse w und a sowohl für die Russdichte B als auch deren einzelnen Komponenten Bx und By numerisch ermittelt wurden, dass durch die Verwendung von magnetisch hoch leitfähigem Material für das Messrohr zumindest für relative Permeabilitäten μ^ im Bereich zwischen 10 und 50 zusätzlich zur Reduzierung des in Richtung der Elektrodenachse x wirkenden Anteils des Magnetfelds auch eine Erhöhung der magnetischen Energie zumindest innerhalb des Querschnitts A und insoweit auch eine Erhöhung der Effizienz des Magnetfeld-System erzielt werden kann.
[0085] Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, dass als magnetisch leitfähiges Material zur Realisierung der Erfindung Baustahl, Gusseisen oder auch ein, beispielsweise durch Dispersion, mit magnetisch leitfähigen Partikeln dotierter Verbundwerkstoff und/oder Kunststoff verwendet werden kann; selbstverständlich können aber auch andere, im Sinne der Erfindung magnetisch leitfähige Werkstoffe als Material für das Messrohr dienen, beispielsweise auch solche Werkstoffe wie sie herkömmlicherweise für die Spulenkerne und/oder die magnetische Rückführung verwendet worden sind oder werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist dementsprechend vorgesehen, dass das Messrohr, insb. auch das zuvor erwähnte Trägerrohr, zumindest anteilig aus ferromagnetischem Metall hergestellt ist. Dabei kann das Messrohr, insb. auch das zuvor erwähnte Trägerrohr, zumindest anteilig aus weichmagnetischem Metall und/ oder zumindest anteilig aus hartmagnetischem Metall bestehen.
[0086] Wie sich aus den vorangegangenen Erläuterungen unschwer erkennen lässt, zeichnet sich der erfindungsgemäße Messaufnehmer durch eine Vielzahl von Freiheitsgraden aus, die es dem Fachmann, insb. auch noch nach einer Spezifikation von äusseren und/oder inneren Einbaumaßen (Nennweite, Einbaulänge, Seitenabstand etc.), ermöglichen, durch Auswahl eines entsprechend geeigneten Materials für das Messrohr eine Optimierung des Magnetfelds und somit beispielsweise eine Verbesserung der Empfindlichkeit der Messspannung U auf den vom Ruid zu messenden Parameter wie auch deren Robustheit gegenüber allfälligen Störungen im Fluid zu erzielen. In Kenntnis der Erfindung und vor dem Hintergrund des eingangs referierten Standes der Technik besteht für den Fachmann auch keinerlei Schwierigkeit darin, die für die jeweilige Anwendung geeigneten Materialien für das Messrohr zu ermitteln.

Claims

Ansprüche
[0001] 1. Dem Führen eines elektrisch leitfähigen Fluids dienendes Messrohr (2) eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers, wobei das Messrohr (2) zumindest anteilig, insb. überwiegend, aus einem magnetisch leitfähigen Material besteht, das eine relative Permeabilität, μ, aufweist, die wesentlich größer als eins, insb. größer als 10, ist. [0002] 2. Messrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei das magnetisch leitfähige
Material eine relative Permeabilität, μ, aufweist, die wesentlich größer als 10, insb. größer als 20, ist. [0003] 3. Messrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das magnetisch leitfähige Material eine relative Permeabilität, μ, aufweist, die kleiner als 1000, insb. kleiner als 400, ist. [0004] 4. Messrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das magnetisch leitfähige Material eine relative Permeabilität, μ, aufweist, die in einem Bereich zwischen 20 und 400 liegt. [0005] 5. Messrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein zentrales Rohrsegment des Messrohrs, insb. entlang eines in sich geschlossenen
Umfangs des Messrohrs, aus dem magnetisch leitfähigen Material besteht. [0006] 6. Messrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das magnetisch leitfähige Material im wesentlichen über eine gesamte Länge des Messrohrs und/ oder über einen gesamten Umfang des Messrohrs, insb. gleichmäßig, verteilt ist. [0007] 7. Messrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Messrohr zumindest anteilig aus ferromagnetischem Metall besteht. [0008] 8. Messrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Messrohr zumindest anteilig aus weichmagnetischem Metall besteht. [0009] 9. Messrohr nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Messrohr zumindest anteilig aus hartmagnetischem Metall besteht. [0010] 10. Messrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das magnetisch leitfähige Material eine Schichtdicke (d) aufweist, die viel kleiner ist als ein
Innen-Durchmesser (D) des Messrohrs. [0011] 11. Messrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Innen-Durchmesser (D) des Messrohrs und die Schichtdicke (d) des magnetisch leitfähigen Materials so bemessen sind, dass ein Verhältnis von Schichtdicke des magnetisch leitfähigen
Materials zu Innen-Durchmesser des Messrohrs kleiner als 0.2, insb. kleiner 0.1, ist. [0012] 12. Messrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Messrohr (2) zumindest auf seiner Fluid berührenden Innenseite im wesentlichen elektrisch nicht-leitend ausgebildet ist.
[0013] 13. Messrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Messrohr mittels eines als äußere Rohrwand und/oder als äußere Umhüllung dienenden, insb. metallischen und/oder elektrisch leitfähigen, Trägerrohrs gebildet ist, das innen mit wenigstens einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material ausgekleidet ist.
[0014] 14. Messrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Trägerrohr zumindest anteilig, insb. überwiegend, aus dem magnetisch leitfähigen Material besteht.
[0015] 15. Messrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Trägerrohr überwiegend, insb. durchgängig, aus Metall besteht.
[0016] 16. Messrohr nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Trägerrohr eine
Wandstärke (dτ) aufweist, die viel kleiner ist als ein Innen-Durchmesser (Dx) des Trägerrohrs.
[0017] 17. Messrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Innen-Durchmesser (Dx
) und die Wandstärke (dx) des Trägerrohrs so bemessen sind, dass ein Verhältnis (dx / Dx) der Wandstärke (dx) des Trägerrohrs zu dessen Innen-Durchmesser (Dx) kleiner als 0.5, insb. kleiner 0.2, ist.
[0018] 18. Messrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein solches magnetisch leitfähiges Material verwendet ist, dass das Verhältnis (dx / Dx) der Wandstärke (dx) des Trägerrohrs zu dessen Innen-Durchmesser (Dx) multipliziert mit der relativen Permeabilität (μ) des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert (dx / Dx • μr) ergibt, der kleiner als 5, insb. kleiner als 3, ist.
[0019] 19. Messrohr nach Anspruch 17 oder 18, wobei ein solches magnetisch leitfähiges Material verwendet ist, dass das Verhältnis (dx / Dx) der Wandstärke (dx) des Trägerrohrs zu dessen Innen-Durchmesser (Dx) multipliziert mit der relativen Permeabilität (μ) des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert (μr • dx / Dx) ergibt, der größer als eins, insb. größer als 1.2, ist.
[0020] 20. Messrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei dessen aus Metall bestehende Komponenten in überwiegendem Maße aus magnetisch leitfähigem Material bestehen.
[0021] 21. Magnetisch-induktiver Durchflussmesser für ein in einer Leitung strömendes
Fluid, der ein Messrohr gemäß einem der vorherigen Ansprüche umfasst.
[0022] 22. Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach dem vorherigen Anspruch, der weiters umfasst: -eine Mess- und Betriebsschaltung, -ein von der Mess- und Betriebsschaltung gespeistes Magnetfeld-System, das mittels wenigstens einer am Messrohr oder in dessen Nähe angeordneten Feldspule ein zumindest zeitweise ein Lumen des Messrohrs durchsetzendes, insb. getaktetes, Magnetfeld erzeugt, und -wenigstens zwei Messelektroden zum Abgreifen von elektrischen Potentialen und/oder elektrischen Spannungen, die im durch das Messrohr strömenden und vom Magnetfeld durchsetzten Fluid induziert sind, -wobei die Mess- und Betriebsschaltung zum Erzeugen von Messwerten, die wenigstens einen das Fluid beschreibenden Parameter repräsentieren, zumindest zeitweise mit wenigstens einer der Messelektroden verbunden ist.
[0023] 23. Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Messelektroden von der wenigstens einen Feldspule beabstandet am Messrohr und/oder innerhalb von dessen Rohrwand angeordnet sind.
[0024] 24. Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach dem vorherigen Anspruch, wobei das magnetisch leitfähige Material zumindest im Bereich eines zentralen Rohrsegments des Messrohrs, insb. entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Messrohrs, so verteilt und die wenigstens eine Feldspule sowie die Messelektroden so am Messrohr angeordnet sind, dass das im Betrieb zumindest zeitweise erzeugte Magnetfeld sowohl im Bereich der Feldspulen als auch im Bereich der Messelektroden, insb. mit im Wesentlichen derselben Richtung und/ oder im wesentlichen gleicher magnetischer Russdichte, in das Lumen des Messrohrs eingekoppelt ist.
[0025] 25. Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach dem vorherigen Anspruch, wobei die wenigstens zwei Messelektroden so am Messrohr angeordnet sind, dass eine diese imaginär verbindende Elektrodenachse das zumindest zeitweise das Lumen des Messrohrs durchsetzenden Magnetfeld im wesentlich senkrecht schneidet.
[0026] 26. Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach dem vorherigen Anspruch, wobei das magnetisch leitfähige Material zumindest im Bereich eines zentralen Rohrsegments des Messrohrs, insb. entlang eines in sich geschlossenen Umfangs des Messrohrs, so verteilt und die wenigstens eine Feldspule sowie die Messelektroden so am Messrohr angeordnet sind, dass das zumindest zeitweise erzeugte Magnetfeld innerhalb des Lumens des Messrohrs zumindest im Bereich des zentralen Rohrsegments dergestalt ausgebildet ist, dass es zumindest im Bereich der Rohrwand auch in einem senkrechten Abstand von der gedachten Elektrodenachse von mehr als einer Viertellänge eines Innen-Durchmessers (D) des Messrohrs zumindest überwiegend senkrecht zur gedachten Elektrodenachse ausgerichtet ist.
[0027] 27. Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 21 bis
26, der weiters wenigstens eine außerhalb des Messrohrs verlaufende magnetische Rückführung zum Führen des Magnetfelds außerhalb des Messrohrs umfasst.
[0028] 28. Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein, insb. im Bereich der Messelektroden gemessener, mittlerer Abstand (h r) zwischen der magnetische Rückführung und dem Messrohr so gewählt ist, dass ein Abstand-Durchmesser- Verhältnis (h/(dx + Dx)) des mittleren Abstands (hr) zu einem Außen-Durchmesser (dτ + Dx) des Trägerrohrs kleiner als eins, insb. kleiner als 0.5, ist. 29. Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein solches magnetisch leitfähiges Material verwendet ist, dass das Verhältnis (h/(dx + Dx)) des mittleren Abstands (hr) zum Außen-Durchmesser (d T + Dx) des Trägerrohrs multipliziert mit der relativen Permeabilität (μ) des magnetisch leitfähigen Materials einen Wert (μ • h/(dx + Dx)) ergibt, der kleiner als 100, insb. kleiner als 60, ist.
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