Beschreibung
Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums in einer
Rohrleitung
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums in einer Rohrleitung, mit einem Messrohr, das von dem Medium in Richtung der Längsachse des Messrohres durchströmt wird, mit einem Magnetsystem, das ein das Messrohr durchsetzendes, im wesentlichen quer zur Längsachse des Messrohres verlaufendes Magnetfeld erzeugt, mit zumindest zwei mit dem Medium koppelnden Messelektroden, die in einem im wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld liegenden Bereich des Messrohres angeordnet sind, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der in die Messelektroden induzierten Messspannung Information über den Volumen- oder Massestrom des Mediums in dem Messrohr liefert.
[0002] Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte nutzen für die volumetrische Strömungsmessung das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus: Senk-recht zu einem Magnetfeld bewegte Ladungsträger des Mediums induzieren in gleichfalls im wesentlichen senkrecht zur Durchflussrichtung des Mediums und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes angeordnete Messelektroden eine Messspannung. Die in die Messelektroden induzierte Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums; sie ist also proportional zum Volumenstrom. Ist die Dichte des Mediums bekannt, lässt sich der Massestrom in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr bestimmen. Die Messspannung wird üblicherweise über ein Messelektrodenpaar abgegriffen, das bezüglich der Koordinate entlang der Messrohrachse in dem Bereich maximaler Magnetfeldstärke angeordnet ist, also dort, wo die maximale Messspannung zu erwarten ist. Die Messelektroden sind üblicherweise galvanisch mit dem Medium gekoppelt; es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit kapazitiv koppelnden Messelektroden bekannt geworden.
[0003] Das Messrohr kann entweder aus einem elektrisch leitfähigen Material,
z.B. Edelstahl, gefertigt sein, oder es besteht aus einem elektrisch isolierenden Material. Ist das Messrohr aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, so muss es in dem mit dem Medium in Kontakt kommenden Bereich mit einem Liner aus einem elektrisch isolierenden Material ausgekleidet sein. Der Liner besteht üblicherweise aus einem thermoplastischen, einem duro-plastischen oder einem elastomeren Kunststoff. Es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit einer keramischen Auskleidung bekannt geworden.
[0004] Die Messelektroden sind neben dem Magnetsystem die wesentlichen
Komponenten eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts. Bei der Ausgestaltung und Anordnung der Messelektroden ist darauf zu achten, dass sie sich möglichst einfach in dem Messrohr montieren lassen und dass nachfolgend im Messbetrieb keine Dichtigkeitsprobleme auftreten; darüber hinaus sollen sich die Messelektroden durch eine empfindliche und gleichzeitig störungsarme Messsignalerfassung auszeichnen. Bekannt geworden sind Stiftelektroden, die sich von außen an das Messrohr montieren lassen, oder Messelektroden mit einem aufgeweiteten Elektrodenkopf, die von innen an dem Messrohr montiert werden.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Durchflussmessgerät hoher Güte vorzuschlagen, das einfach und kostengünstig zu fertigen ist.
[0006] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Regel-/Auswerteeinheit als Steckmodul ausgestaltet ist, das an dem Messrohr über einen Steckmechanismus aufsteckbar ist. Bevorzugt ist das Steckmodul als Flachbaugruppe ausgestaltet.
[0007] Bevorzugt wird in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen
Durchflussmess-gerät ein Magnetsystem eingesetzt, das so ausgestaltet und angeordnet ist, dass das resultierende Magnetfeld in hohem Maße symmetrisch verläuft. Ebenso wie bei der steckbaren Regel-/Auswerteeinheit handelt es sich bevorzugt auch bei dem Magnetsystem um zumindest ein Steckmodul, das durch Aufstecken auf das Messrohr einfach und präzise in der gewünschten Position zu befestigen ist.
[0008] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist der Regel-/Auswerteeinheit ein A/D-Wandler zugeordnet, wobei der A/D-Wandler so an dem Steckmodul bzw. an der Flachbaugruppe positioniert ist, dass der A/D-Wandler in einem Bereich liegt, in dem das von dem Magnetsystem erzeugte Magnetfeld zumindest näherungsweise Null ist. Hierdurch wird erreicht, dass die störempfindliche Digitalisierung der Messsignale weitgehend unbeeinflusst durch das Magnetfeld erfolgen kann.
[0009] Weiterhin ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die beiden Messelektroden, die in den Seiten-bereichen des Messrohres angeordnet sind, über an der Außenwand des Messrohres angeordnete Verbindungsleitungen mit der Regel-/Auswerte-einheit verbunden sind. Die Verbindungsleitungen sind hoch symmetrisch angeordnet, so dass die Symmetrie des Magnetfeldes möglichst wenig beeinflusst wird. Um eine korrekte und einfache Positionierung der Verbindungsleitungen zu erreichen, sind an der Außenwand des Messrohres geeignete Führungen vorgesehen. Bevorzugt handelt es sich bei den beiden Verbindungsleitungen um symmetrisch zum Messrohr angeordnete Stromschienen.
[0010] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Steckmechanismus so ausgestaltet ist, dass mit Aufstecken des Steckmoduls die mechanische Verbindung mit dem Messrohr und die elektrische Kontaktierung mit den Stromschienen der Messelektroden und/oder mit den Verbindungsleitungen des Magnetsystems hergestellt ist. Die mechanische und elektrische Kontaktierung der Regel-/Auswerteeinheit mit den Stromschienen, die die elektrische Verbindung zu den Messelektroden sicherstellen, erfolgt bevorzugt über an dem Messrohr vorgesehene Stempel und an der Regel-/Auswerteeinheit vorgesehenen Cardedge Stecker. Cardedge Stecker sind in Verbindung mit der elektrischen Kontaktierung von Leiterplatten bestens bekannt.
[0011] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es
zeigt:
[0012] Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Vorrichtung,
[0013] Fig. 2: eine perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung des Messrohres, die bevorzugt in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt,
[0014] Fig. 3: eine schematische Darstellung eines symmetrisch aus zwei Steck-modulen aufgebauten Magnetsystems mit integrierter Regel-/Auswerteeinheit,
[0015] Fig. 4: eine Draufsicht auf das Magnetsystem gemäß der Kennzeichnung A in Fig. 3,
[0016] Fig. 5. einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts im Bereich der Fixierung des Magnetsystems und
[0017] Fig. 6: einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 5 in perspektivischer Darstellung.
[0018]
[0019] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Das Messrohr 2 wird von dem Medium 11 in Richtung der Längsachse 3 des Messrohres 2 durchflössen. Das Messrohr 2 kann in weitem Rahmen beliebig ausgestaltet sein. Im gezeigten Fall hat das Messrohr 2 einen kreisförmigen Querschnitt, es kann jedoch auch die in Fig. 2 gezeigte Ausgestaltung aufweisen: Hier haben die beiden Endbereiche einen kreisförmigen Querschnitt während der mittlere Bereich einen ovalen bzw. näherungsweise rechteckigen Querschnitt aufweist.
[0020] Das Medium 11 ist zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähig. Für den Fall, dass das Messrohr 2 aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist, muss das Messrohr 2 an seiner Innenfläche mit einem elektrisch nicht-leitfähigen Liner 17 ausgekleidet sein; der Liner 17 besteht bevorzugt aus einem Material, das in hohem Maße chemisch und/oder mechanisch beständig ist.
[0021] Bevorzugt besteht das Messrohr 2 jedoch aus einem Kunststoff. In
Verbindung mit der Erfindung kommt bevorzugt ein Glasfaser verstärkter Kunststoff zum Einsatz. Beispielsweise handelt es sich um Glasfaser verstärktes Polyamid oder Polypthalamid.
[0022] Das senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums 11 ausgerichtete alternierende Magnetfeld B wird über ein Magnetsystem, z.B. über zwei diametral angeordnete Spulenanordnungen 6, 7 bzw. über zwei Elektromagnete, erzeugt. Unter dem Einfluss der Magnetfeldes B wandern in dem Medium 11 befindliche Ladungsträger je nach Polarität zu den beiden entgegengesetzt gepolten Messelektroden 4, 5 ab. Die sich an den Messelektroden 4, 5 aufbauende Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres 2 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 11 , d. h. sie ist ein Maß für den Volumenstrom des Mediums 11 in dem Messrohr 2.
[0023] Das Magnetsystem besteht bevorzugt aus zwei Steckmodulen 6, 7, wie sie in den Figuren Fig. 3, Fig. 4 und Fig. 5 zu sehen sind. Im Detail sind die entsprechenden Steckmodule 6, 7 in einer zeitgleich mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten parallelen Anmeldung der Anmelderin im Detail dargestellt und beschrieben. Die auf die Steckmodule 6, 7 und das Messrohr 2 gerichtet Offenbarung der zeitgleich eingereichten Anmeldung ist explizit dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung zuzurechnen. Die beiden Steckmodule 6, 7 liegen sind bezüglich des Messrohres 2 symmetrisch gegenüber und sind bevorzugt spiegelsymmetrisch ausgestaltet. Im gezeigten Fall ist jedes der beiden Steckmodule 6, 7 U-förmig ausgebildet. Es weist einen mittleren gebogenen Bereich auf, an den sich zwei freie Schenkel anschließen. Die beiden freien Schenkel eines Moduls 6, 7 sind nach der Montage an dem Messrohr 2 im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet; im nicht montierten Zustand sind die beiden Schenkel um jeweils eine spitzen Winkel aus der parallelen Lage gedreht. Hierdurch wird die Montage an dem Messrohr erleichtert. Jedes Steckmodul 6, 7 setzt sich zusammen aus einem Spulenkern, einem Spulenkörper und einer Spule. Zwecks Minimierung der Wirbelströme besteht der Spulenkern bevorzugt aus einzelnen gegeneinander isolierten Spulenblechen.
[0024] Auf dem Spulenkern ist der Spulenkörper angeordnet, der die Spule und ggf. das elektrisch leitfähige Messrohr 2 gegen den Spulenkern elektrisch isoliert. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der aus Kunststoff gefertigte Spulenkörper als ein- oder mehrteiliges Gebilde auf den Spulenkern aufgesteckt
[0025] Weiterhin ist an dem Spulenkörper im Bereich der Schenkel jeweils eine Anschlagkante vorgesehen, über die die Spule in einer gewünschten Position symmetrisch zum mittleren Bereich des Moduls 6; 7 fixiert ist. Über diese symmetrische Anordnung lässt sich ein über den Bereich des Messrohres 2 konstantes Magnetfeld realisieren, was sich wiederum in einer guten Messperformance des Durchflussmessgeräts 1 niederschlägt. Weiterhin dient der Spulenkörper 13 zur elektrischen Isolierung und Führung der elektrischen Verbindungsleitung 12, 13, 14, 15 und der elektrischen Anschlüsse 22. Über die an beiden Modulen 6, 7 vorgesehenen elektrischen Anschlüsse 21 , 22 wird die Regel-/Auswerteeinheit 8 mit der Spulenahnordung 6, 7 bzw. mit den Messelektroden 4, 5 verbunden.
[0026] In den Endbereichen der beiden freien Schenkel sind korrespondierende Komponenten eines Schnapp- oder Clipsmechanismus' angeordnet. Über den Mechanismus sind die beiden Module 6, 7 untereinander und mit dem Messrohr 2 verbunden. Der Mechanismus ist in der Fig. 3 und Fig. 4 im Detail zu sehen.
[0027] Fig. 5 zeigt einen teilweisen Querschnitt des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts 1 mit einem einseitig an dem Messrohr 2 montierten Steckmodul 6. Das Messrohr 2 ist im mittleren verjüngten Bereich 20 im Querschnitt zu sehen. Der Querschnitt des Messrohrs 2 ist im gezeigten Fall oval, wobei die beiden Außenflächen des Messrohres 2, an denen die freien Schenkel der beiden als Steckmodule 6, 7 ausgestalteten Spulenan-ordnungen anliegen, im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Wie bereits erwähnt, kann sowohl das Messrohr 2 als auch die Spulenanordnungen 6, 7 jede andere bekannte Ausgestaltung haben.
[0028] In den beiden Seitenbereichen des Messrohres 2 sind die beiden
Messelektroden 4, 5 angeordnet. Bei den Messelektroden 4, 5 handelt es sich im gezeigten Fall um pilzkopfförmige Elektroden, jedoch können in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung alle bekannten Typen von Messelektroden 4, 5 eingesetzt werden.
[0029] Besonders vorteilhaft bei der gezeigten Ausgestaltung ist, dass die Verbindungsleitungen 12, 13 von den Messelektroden 4, 5 zu der Regel-/Auswerteeinheit 8 symmetrisch an der Außenfläche des Messrohres 2 vorbeigeführt sind. Bei den Verbindungsleitungen 12, 13 handelt es sich im gezeigten Fall um Stromschienen, die plan an der Außenfläche des Messrohres 2 anliegen. Zwecks einfacher und hochgenauer Positionierung der Verbindungsleitungen 12, 13 sind an der Außenwand des Messrohres 2 entsprechende Führungen vorgesehen. In den Endbereichen der freien Schenkel der Steckmodule 6, 7 sind die Verbindungsleitungen 12, 13 mit der Regel-/Auswerteeinheit 8 kontaktiert. Die Regel-/Auswerteeinheit 8 ist im gezeigten Fall als Flachbaugruppe 8 ausgestaltet und über geeignete Steckkontakte 22, 23 an dem Messrohr 2 mechanisch und elektrisch adaptierbar.
[0030] An der Außenwand des mittleren - hier eingeschnürten - Bereichs 19 des Messrohres 2 sind u.a. die elektrischen Anschlüsse 22, 23 für die Spulen der Elektromagnete und für die Messelektroden 4, 5 vorgesehen. Direkt am Messrohr 2 ist auch die Regel-/Auswerteeinheit 8 angeordnet. Über entsprechende Steckkontakte 22, 23 ist die Regel-/Auswerteeinheit 8 elektrisch und mechanisch in das Messrohr 2 integriert bzw. mit dem Messrohr 2 verbunden. Die Steckkontakte 22, 23 und die empfindlichen Komponenten der Regel-/Auswerteeinheit 8, insbesondere handelt es sich hier um die Komponente 24, die die Digitalisierung der von den Messelektroden 4, 5 gelieferten Messsignale vornimmt, sind so angeordnet, dass sie sich im montierten Zustand in einem Bereich befinden, in dem das Magnetfeld B zumindest näherungsweise gleich Null ist. Insbesondere ist der A/D-Wandler 24 im feldfreien Bereich, der im mittleren Bereich der beiden symmetrisch angeordneten Spulen liegt.
[0031] Erfindungsgemäß wird so eine einfache, preisgünstige, hochsymmetrische Magnetfelderzeugung und eine störungsarme Messsignalerfassung und
Messsignalverarbeitung erreicht. [0032] Um die empfindlichen Komponenten der Flachbaugruppe 8 gegen
Umwelteinflüsse zu schützen, sind zwei Abdeckschalen 21 vorgesehen. Diese Abdeckschalen 21 sind in der Fig. 2 im geöffneten Zustand zu sehen. Die Befestigung der beiden Abdeckschalen 21 aneinander erfolgt über einen Clipsmechanismus 25, der an korrespondierenden Stellen der beiden Abdeckschalen 21 angeordnet ist. Bei den Abdeckschalen 21 kann es sich ebenso wie bei dem Messrohr 2 um Spritzgussteile handeln.
Bezugszeichenliste
1. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
2. Messrohr
3. Messrohrachse
4. Messelektrode
5. Messelektrode
6. Spulenanordnung / Magnetsystem/Steckmodul
7. Spulenanordnung / Magnetsystem / Steckmodul
8. Regel-/Auswerteeinheit / Steckmodul / Flachbauchgruppe
9. Eingabe-/Ausgabeeinheit
10. Speichereinheit
11. Medium
12. Verbindungsleitung / Stromschienen
13. Verbindungsleitung / Stromschienen
14. Verbindungsleitung
15. Verbindungsleitung
16. Verbindungsleitung
17. Liner
18. Erster Endbereich
19. Zweiter Endbereich
20. Mittlerer Endbereich
21. Abdeckschale
22. Elektrischer Anschluss
23. Elektrischer Anschluss
24. A/D-Wandler
25. Clipsmechanismus