EP2130003A1 - Verfahren zur messung der fliessgeschwindigkeit eines mediums unter anlegen eines magnetfelds an das durchsetzte messvolumen - Google Patents

Verfahren zur messung der fliessgeschwindigkeit eines mediums unter anlegen eines magnetfelds an das durchsetzte messvolumen

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EP2130003A1
EP2130003A1 EP08717433A EP08717433A EP2130003A1 EP 2130003 A1 EP2130003 A1 EP 2130003A1 EP 08717433 A EP08717433 A EP 08717433A EP 08717433 A EP08717433 A EP 08717433A EP 2130003 A1 EP2130003 A1 EP 2130003A1
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EP
European Patent Office
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signal
flow velocity
measuring
decoupling
magnetic field
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Withdrawn
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EP08717433A
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Inventor
Gerd Stange
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Original Assignee
Zylum Beteiligungs GmbH and Co Patente II KG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • 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
    • G01F1/60—Circuits therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the flow rate of a medium while applying a magnetic field to the traversed measurement volume.
  • the invention relates to such a method which also allows the use of temporally constant magnetic fields.
  • the measured values are independent of density, viscosity and - within certain limits - also of the flow profile and of the conductivity of the medium, provided that it exceeds a minimum value of about 1 ⁇ S / cm.
  • sensors working according to this principle can dispense with any constrictions or dead spaces in the measuring volume. They are therefore suitable for the measurement of contaminated, laden with solids liquid streams. With a suitable choice of the electrically insulating inner wall lining and the type of signal extraction, they can also be used for aggressive and corrosive fluids.
  • the galvanic signal extraction is used, in which small-diameter metallic electrodes (i.a., a few millimeters) provided with passages through the inner wall of the pipe are in direct (galvanic) contact with the medium. They must be provided with reliable seals against the pipe wall.
  • This type of extraction is characterized by robust and simple construction, but is susceptible to chemical attack, deposits and abrasion on the electrodes and the seals. The control of high operating temperatures requires careful coordination with regard to the thermal expansion coefficients of the electrode material and the wall material.
  • Measuring method for flow sensors can only be convincingly designed according to the magnetic-inductive principle, if it can be based solely on the use of permanent magnets.
  • DE 102 21 677 A1 proposes replacing the time-varying magnetic field by a permanent magnetic field and the previously fixed coupling capacitances with coupling capacitances that can be controlled in a predefinable time cycle, which in turn allow capacitive signal decoupling in the same time interval.
  • Measurement setup on the basis of permanent magnetic field and FET as a signal extraction at constant flow rate is a superposition of a time constant level value with a time-varying, weak fluctuation around the level value.
  • Such signals are basically known from the very first MIDs that used permanent magnets and galvanic decoupling. These fluctuations can also be metrologically suppressed or mathematically eliminated in a number of known ways.
  • the flow rate e.g. by the roughness of the pipe inner wall or the like.
  • the largest vortices are characterized by a typical length scale L [m] of the size L * 0.1 D.
  • the energy needed to maintain the vortices is taken from the flow by driving the largest vortices through them. Continuous transmission along the energy cascade from large to smaller and smaller swirls ultimately dissipates this energy on the so-called Kolmogorov scale, i. converted into heat.
  • the mean dissipation rate ⁇ does not depend on the microstructure of the medium, ie on its molecular properties, such as its toughness. Rather, it is determined solely by the flow itself, ie by the flow geometry (also obstacles, surface condition, etc.) and by the mean flow velocity. - -
  • the first signal component is a measure of the mean flow velocity and is used in conventional magnetic-inductive flow sensors.
  • the second signal component is due primarily to turbulence phenomena that are ubiquitous in flows. This applies in particular to the signal extraction by means of FETs, while with galvanic decoupling even more
  • the second component is caused solely by the flow and stochastic events triggered by it. It follows, for example, that although the instantaneous values are e.g. speed are subject to large stochastic fluctuations, but their statistical averages are stable. If the geometry is fixed, they only depend on the flow.
  • this second i. F. separated as stochastic signal portion of the total signal and recorded as a time-dependent signal.
  • the separation can be either subsequently, i. after the recording of the total signal over a defined time window, carried out by common filtering procedures in a process computer or from the outset by equipment measures in the signal acquisition.
  • a simple example of such measures is the installation of a capacitor in the circuit with galvanic decoupling. It suppresses all direct current components and only lets pass the stochastic signal.
  • FIG. 1 is a perspective schematic view of an exemplary suitable for carrying out the method according to the invention measuring tube with a pair Auskoppelelektroden, the permanent magnet and the evaluation; - -
  • FIG. 2 shows an overview of the time profiles of the stochastic signal measured during galvanic decoupling (a), its time derivative (b), the absolute value of the derivative (c) and the time average values (d) calculated therefrom on a measuring tube according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows the signal of the same volume flow through the measuring tube which is recorded simultaneously with the measured values in FIG. 2 and results from signal extraction via field-effect transistors for comparison.
  • a smooth, made of electrically insulating material measuring tube 1 is shown, which has neither constrictions nor dead spaces. It is penetrated by a time-constant magnetic field of induction B. This field in turn starts from the poles 4, 4 ', which are parts of a magnetic circuit (not shown here) excited by a permanent magnet.
  • the coupling-out electrodes 2, 2 ' can be metallic electrodes which are in galvanic contact with the measuring medium. In this case, they are expediently embedded in the pipe inner wall so that they form a smooth surface with the inner wall without elevations and depressions.
  • the useful signal is finally fed to the evaluation unit 3, which has the task of determining the mean flow velocity from the stochastic signal component in accordance with certain algorithms.
  • An example of individual possible steps of such an algorithm and the evaluation results obtained therefrom are presented on the basis of a practically performed measurement, as shown in FIG.
  • a closed water circuit equipped with a controllable pump for receiving the measuring tube penetrated by the magnetic field with the basic structure shown in FIG. 1 is used as the test object, the flow being varied by controlling the pump.
  • a controllable pump for receiving the measuring tube penetrated by the magnetic field with the basic structure shown in FIG. 1 is used as the test object, the flow being varied by controlling the pump.
  • another measuring device for detecting the mean flow velocity in the circuit which works with signal extraction via field-effect transistors.
  • the series of measurements is carried out at different flow velocities, whereby, starting from the value zero, a maximum value is first set by sudden change, then gradually reduced values to zero and finally a renewed jump to the maximum value with subsequent return to zero.
  • Partial image a in Fig. 2 shows the tapped between two galvanic electrodes induced total signal, which is supplied to a signal amplifier with extremely high input resistance. Due to the large measuring time constant, the stochastically fluctuating signal component is initially not visible.
  • a rectification of the signal from field b is performed in field c.
  • the averaging over the signal from sub-image c finally leads to the course shown in sub-image d, which is clearly a measure of the average flow velocity and has an apparently similar time behavior.
  • FIG. 3 again shows the course of the mean flow velocity measured by means of another type of signal extraction for comparison. It is easy to see that the stochastic signal component in the decoupling with FETs is not only present, but even more significant than in galvanic decoupling.
  • Magnetic field induced stochastic signal over defined time intervals as a useful signal.
  • Measuring principle is an intrinsically averaging technique.
  • averaging done The interaction between the flowing medium and magnetic field leads to an induced electric field, the amount and direction in each point of the space through the the prevailing spatial velocity and field components. Between every two electrodes immersed in this field at different points, a path integral is thus measured via the electric field strength, which is nothing else than the electrical voltage between these points. This voltage is a measure of the magnetic flux weighted averages of the flow velocity.
  • the spatial integral is also to be understood as a temporal integral because processes proceeding chronologically one after the other are imaged by the media flow into a spatial structure.
  • the voltage measured between two points spaced apart in the main direction of flow therefore essentially represents the time integral of the electric field strength induced at the upstream point, which in turn is a measure of the local turbulence.
  • Frequency scale u / L that also the frequency spectrum of the stochastic signal component can be used for the evaluation.
  • integration of the stochastic signal should naturally also include the integration of the absolute value of the stochastic signal.
  • a very important advantage of the method according to the invention is the comparatively low demands on the quality of the magnetic field.
  • the requirement of its homogeneity, as it exists in conventional systems, can be completely dispensed with. This has the immediate consequence that the symmetry of the magnetic circuit with respect to the measuring - -
  • tube axis can be omitted. This paves the way for cost-effective solutions for the magnetic circuit.
  • the invention has no similarity with the method used in flow meters known as vortex or vortex meters.
  • vortex or vortex meters There, the number of alternately formed on both sides of the edges of a midst of the flow path located disturbing vortex, which form a so-called. Karman vortex street, measured per unit time. This number is in a known linear relationship to the media speed. Each vortex is detected by the pressure exerted by him.
  • the method according to the invention is based on the use of stochastic signals and their statistical laws.

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Abstract

Verfahren zur Messung der mittleren Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums unter Anlegen eines Magnetfelds an das durchsetzte Messvolumen und Auskopplung eines im Messvolumen induzierten elektrischen Signals, wobei der fluktuierende Anteil des elektrischen Signals, der auf stochastische Schwankungen der Fließgeschwindigkeit infolge turbulenter Bewegung zurückgeht, als zeitabhängiges Nutzsignal erfasst wird, und durch gewichtete Integration des Nutzsignals die mittlere Fließgeschwindigkeit über vorgegebene Zeitintervalle ermittelt wird.

Description

VERFAHREN ZUR MESSUNG DER FLIEßGESCHWINDIGKEIT EINES
MEDIUMS UNTER ANLEGEN EINES MAGNETFELDS AN DAS
DURCHSETZTE MESSVOLUMEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines Mediums unter Anlegen eines Magnetfelds an das durchsetzte Messvolumen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein solches Verfahren, das auch den Einsatz zeitlich konstanter Magnetfelder erlaubt.
Das Prinzip der magnetisch-induktiven Strömungs- bzw. Durchflussmesstech- nik hat sich in der Praxis hervorragend bewährt. Es hat gegenüber anderen
Messprinzipien viele Vorteile; beispielsweise sind die Messwerte unabhängig von Dichte, Viskosität und - innerhalb gewisser Grenzen — auch vom Strömungsprofil und von der Leitfähigkeit des Mediums, sofern diese einen Mindestwert von ca. 1 μS/cm überschreitet. Außerdem können nach diesem Prin- zip arbeitende Sensoren auf jegliche Einschnürungen oder Toträume im Messvolumen verzichten. Sie sind daher auch für die Messung verschmutzter, mit Feststoffen beladener Flüssigkeits ströme geeignet. Bei passender Wahl der elektrisch isolierenden Innenwandauskleidung und der Art der Signalauskopplung lassen sie sich auch für aggressive und korrosive Fluide einsetzen.
Meist wird die galvanischen Signalauskopplung verwendet, bei der mit Durchführungen durch die Rohrinnenwand versehene, scheibchen- oder kalottenför- mige metallische Elektroden geringen Durchmessers (i. a. wenige Millimeter) direkt mit dem Medium in (galvanischem) Kontakt stehen. Sie müssen mit zuverlässigen Abdichtungen gegenüber der Rohrwand versehen sein. Diese Art der Auskopplung zeichnet sich durch robusten und einfachen Aufbau aus, ist jedoch anfällig gegenüber chemischem Angriff, Ablagerungen und Abrasion an den Elektroden und den Abdichtungen. Die Beherrschung hoher Betriebstemperaturen setzt eine sorgfältige Abstimmung hinsichtlich der thermischen Aus- dehnungskoeffizienten des Elektrodenmaterials und des Wandmaterials voraus.
Diese Nachteile lassen sich durch die kapazitive Signalauskopplung umgehen. Die Elektroden sind dabei ohne Kontakt zum Medium, das seinerseits nur mit der Rohrinnenwand in Berührung kommt. Die konstruktive Aufgabe wird so - -
auf die Wahl eines hinreichend widerstandsfähigen Innenwandmaterials reduziert.
Die geschilderten Vorteile magnetisch-induktiver Durchflusssensoren - ge- meinsam mit den beiden durch die Art der Signalauskopplung bestimmten
Betriebsarten - sind verantwortlich für die große Anwendungsbreite des magnetisch-induktiven Messprinzips. Diesen Vorteilen steht jedoch der Nachteil eines beträchtlichen Energieaufwands zur Erzeugung des magnetischen Feldes gegenüber. Beide Betriebsarten verlangen zeitlich veränderliche magnetische Felder, um entweder - wie im Falle der galvanischen Signalauskopplung - störende elektrochemische Potentiale zu eliminieren oder — wie im Falle der kapazitiven Signalauskopplung mit fest vorgegebenen Koppelkapazitäten - aus prinzipiellen physikalischen Gründen überhaupt eine Signalauskopplung zu erreichen. Diese Felder können nur mit einem Elektromagneten erzeugt wer- den. Bei den heute bekannten magnetisch-induktiven Durchfluss- und Strömungssensoren wird daher der Energiebedarf für die Magnetfelderzeugung fast immer aus dem elektrischen Energienetz gedeckt.
Dies steht allerdings im Widerspruch zum gegenwärtigen Trend für zukünftige Entwicklung in der Sensorik, der gekennzeichnet ist durch ein großes Interesse an so genannten „energieautarken" Systemen, die ihren Energiebedarf aus einer netzunabhängigen Energiequelle (Batterie, Akku, Solarzellen, etc.) decken und dabei eine Lebensdauer von mindestens fünf Jahren erreichen sollen.
Es liegt daher auf der Hand, dass ein im Sinne der Energieautarkie geeignetes
Messverfahren für Durchflusssensoren nur dann überzeugend nach dem magnetisch-induktiven Prinzip ausgestaltet sein kann, wenn es sich allein auf die Verwendung von Permanentmagneten gründen lässt.
Für Strömungs- und Durchflusssensoren mit kapazitiver Signalauskopplung existieren bereits entsprechende Lösungsvorschläge.
So wird z.B. in der DE 102 21 677 Al vorgeschlagen, das zeitlich veränderliche magnetische Feld durch ein Permanentmagnetfeld und die vormals festen Koppelkapazitäten durch in einem vorgebbaren Zeittakt steuerbare Koppelkapazitäten zu ersetzen, die ihrerseits eine kapazitive Signalauskopplung in demselben Zeittakt erlauben. - -
Eine Alternative wird in der DE 10 2005 043 718 Al beschrieben, in der die Signalauskopplung über steuerbare Halbleiter - vorzugsweise Feldeffekttransistoren (FET) - vorgesehen ist, auf deren mit einer Isolierschicht versehene Gates die induzierte Spannung unmittelbar wirkt, indem diese mit dem Messmedium in Kontakt stehen. Dieses praktisch stromlose Messverfahren vermeidet das ansonsten erforderliche Aufladen eines Kondensators, um dessen Beladung als ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit auszuwerten. Es kann aber gleichwohl ebenfalls als ein kapazitives Verfahren aufgefasst werden, bei dem die zu messende Spannung an der Gate-Elektrode eben gerade diese Beladung simuliert. Der Vorteil liegt darin, dass selbst kleine Änderungen der Fließgeschwindigkeit in einem Permanentmagnetfeld ein leicht messbares Signal nach sich ziehen.
Es verwundert somit auf den ersten Blick nicht, dass die Messsignale eines
Messaufbaus auf der Basis von Permanentmagnetfeld und FET als Signalauskopplung bei konstanter Fließgeschwindigkeit eine Überlagerung aus einem zeitlich konstanten Niveauwert mit einer zeitlich veränderlichen, schwachen Fluktuation um den Niveauwert sind. Derartige Signale sind im Grunde be- kannt von den allerersten MIDs, bei denen Permanentmagneten und galvanische Auskopplung zum Einsatz kamen. Diese Fluktuationen lassen sich auch auf etliche bekannte Arten messtechnisch unterdrücken oder rechnerisch eliminieren.
Beim zweiten Nachdenken mag der Fachmann aber erkennen, dass die physikalischen Ursachen für die Fluktuationen in den beiden Auskopplungsarten wesentlich unterschiedlich sein können. Beispielsweise spielen zufällige Schwankungen der lokalen Ladungsverteilung für das Signal am FET, der letztlich ein räumlich gemitteltes elektrisches Feld wahrnimmt, keine große Rolle, während dies erheblichen Einfluss auf idealerweise punktförmige galvanische Elektroden haben wird. Auch andere materielle Effekte, insbesondere Verunreinigungen, sind bei der FET-Auskopplung längst nicht so wichtig wie bei einem galvanischen Abgriff.
Die einzig sichere gemeinsame Ursache der Signalschwankungen in beiden
Fällen liegt in der Störung der Fluidbewegung durch Turbulenz. Denn selbst bei an sich laminarer Strömung des Fluids treten geringfügige Schwankungen - -
der Fließgeschwindigkeit auf, z.B. durch die Rauheit der Rohrinnenwand oder dergleichen.
Es soll hiernach kurz auf einige Ergebnisse der Turbulenzforschung zurückge- griffen werden (s. z.B. J. G. M. Eggeis: „Direct and l^arge Eddj Simulation of Turbulent Flow in a Cylindrical Pipe Geometry", Dissertation Universität Delft 1994, Delft University Press, ISBN 90-6275-940-8).
Danach ist bekannt, dass Turbulenzphänomene sich über ganze Kaskaden mit- einander durch Energieübertragung verkoppelter Wirbel erstrecken, die in ihrer
Größe abnehmen von den durch die Strömungsgeometrie bestimmten größten Abmessungen bis hin zu den kleinsten Abmessungen, die im Bereich der intermolekularen Abstände liegen.
Bei Rohren mit dem Innendurchmesser D sind die größten Wirbel charakterisiert durch eine typische Längenskala L [m] von der Größe L * 0.1 D. Die zur Aufrechterhaltung der Wirbel nötige Energie wird der Strömung entnommen, indem durch sie die größten Wirbel angetrieben werden. Durch fortgesetzte Übertragung entlang der Energiekaskade von großen zu immer kleineren Wir- beln wird diese Energie schließlich auf der sog. Kolmogorov-Skala dissipiert, d.h. in Wärme umgewandelt.
Neben dieser Längenskala gibt es eine typische Geschwindigkeitsskala, die als u [m/s] bezeichnet wird. Sie charakterisiert die Schwankungsgeschwindigkeit. Im Gefolge tritt auch eine typische Zeitskala auf, die durch den Quotienten L/u
[s] gegeben ist. Sie kann interpretiert werden als die typische Lebensdauer eines Wirbels. Ihr Kehrwert u/L [l /s] beschreibt eine typische Frequenz skala. Daraus folgt eine typische Energie (pro Masseneinheit) von u2 [m2/s] und eine typische (mittlere) Energiedissipationsrate (pro Masseneinheit), die durch den Quotienten aus Energie und Lebensdauer ε = u2/(L/u) = u3/L gegeben ist.
Interessanterweise hängt die mittlere Dissipationsrate ε nicht von der Mikrostruktur des Mediums, d.h. von seinen molekularen Eigenschaften — wie z.B. seiner Zähigkeit - ab. Sie ist vielmehr allein bestimmt durch die Strömung selbst, d.h. durch die Strömungsgeometrie (auch Hindernisse, Oberflächenbeschaffenheit etc.) und durch die mittlere Fließgeschwindigkeit. - -
Diese Aussage ist von fundamentaler Bedeutung für die Turbulenztheorie: Sie besagt, dass Turbulenz eine Eigenschaft des Medienflusses ist, nicht jedoch des Mediums.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit nach dem magnetisch-induktiven Prinzip anzugeben, das einerseits den Einsatz eines zeitlich konstanten Magnetfeldes erlaubt und zugleich mit jeder beliebigen Art der Signalauskopplung, insbesondere galvanisch und/oder kapazitiv, durchgeführt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Es sei darauf hingewiesen, dass im Folgenden ausschließlich von Permanentmagnetfeldern die Rede ist. Dies sollte jedoch in keinerlei Hinsicht als Einschränkung verstanden werden. Die nachfolgende Beschreibung bleibt gültig auch bei Verwendung von Wechselfeldern, insbesondere mit definiertem Zeit- verhalten. Dies stellt vor dem Hintergrund erwünschter Energieautarkie lediglich keine bevorzugte Ausgestaltung dar.
Jede technische Strömung eines mit einer elektrischen Mindestleitfähigkeit ausgestatteten Mediums durch ein von einem Magnetfeld durchsetztes VoIu- men führt zur Ausbildung eines induzierten elektrischen Feldes innerhalb dieses Volumens, das aus zwei einander additiv überlagerten Signalanteilen besteht.
Der erste Signalanteil ist ein Maß für die mittlere Fließgeschwindigkeit und wird bei herkömmlichen magnetisch-induktiven Durchfluss- bzw. Strömungssensoren genutzt.
Der zweite Signalanteil ist vorrangig auf Turbulenzphänomene zurückzuführen, die in Strömungen allgegenwärtig sind. Dies gilt besonders bei der Signalaus- kopplung mittels FETs, während bei galvanischer Auskopplung noch weitere
Signalursachen in Betracht kommen. - -
Während der erste Signalanteil nicht zu trennen ist von langsam veränderlichen, nicht strömungsverursachten Signalen, wie sie beispielsweise als elektrochemische Störsignale auftreten, ist der zweite Anteil allein durch die Strömung und durch sie ausgelöste stochastische Vorgänge verursacht. Daraus folgt etwa, dass zwar die Augenblickswerte z.B. der Geschwindigkeit großen stochasti- schen Schwankungen unterliegen, ihre statistischen Mittelwerte jedoch stabil sind. Bei fest vorgegebener Geometrie hängen sie nur von der Strömung ab.
Erfindungsgemäß wird deshalb dieser zweite, i. F. als stochastisch bezeichnete Signalanteil vom Gesamtsignal separiert und als zeitabhängiges Signal aufgezeichnet. Die Separation kann dabei entweder nachträglich, d.h. nach der Aufzeichnung des Gesamtsignals über ein definiertes Zeitfenster, durch gängige Filterprozeduren in einem Prozessrechner erfolgen oder von vornherein durch apparative Maßnahmen bei der Signalerfassung. Ein einfaches Beispiel für sol- che Maßnahmen ist der Einbau eines Kondensators in den Stromkreis bei galvanischer Auskopplung. Er unterdrückt alle Gleichstromanteile und lässt nur das stochastische Signal passieren.
Man findet nun durch direkte Vergleichsmessungen, dass Amplituden- und Frequenzspektrum in charakteristischer Weise von der mittleren Fließgeschwindigkeit in der Weise abhängen, dass die höchsten auftretenden Amplituden und die höchsten auftretenden Frequenzen monoton mit der mittleren Fließgeschwindigkeit zunehmen. Dies trifft auch auf abgeleitete Werte, wie beispielsweise die jeweiligen Mittelwerte zu.
Dabei zeigen die Mittelwerte über das stochastische Signal eine erstaunliche Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere gegenüber der Temperatur des Mediums.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen und zeitlichen Verläufen exemplarisch aufgenommener Messwerte näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht eines für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft geeigneten Messrohres mit einem Paar Auskoppelelektroden, dem Permanentmagneten und der Auswerteeinheit; - -
Fig. 2 eine Übersicht über an einem Messrohr nach Fig. 1 gemessene zeitliche Verläufe des stochastischen Signals bei galvanischer Auskopplung (a), seiner zeitlichen Ableitung (b), des Absolutbetrages der Ableitung (c) und den daraus errechneten zeitlichen Mittelwerten (d);
Fig. 3 das gleichzeitig zu den Messwerten in Fig. 2 aufgezeichnete Signal desselben Volumenstroms durch das Messrohr, das sich bei Signalauskopplung über Feldeffekttransistoren ergibt zum Vergleich.
In Fig. 1 ist ein glattes, aus elektrisch isolierendem Material hergestelltes Messrohr 1 dargestellt, das weder Verengungen noch Toträume aufweist. Es wird von einem zeitlich konstanten Magnetfeld der Induktion B durchdrungen. Dieses Feld geht seinerseits von den Polen 4, 4' aus, die Teile eines hier nicht gezeigten, durch einen Permanentmagneten erregten magnetischen Kreises sind.
Es sind mindestens 2 Elektroden 2, 2' zur Auskopplung des Nutzsignals vorhanden, das grundsätzlich aus der Überlagerung eines ersten, nur von der mitt- leren Fließgeschwindigkeit abhängigen Anteils Uav und eines zweiten, nur von den stochastischen Geschwindigkeitsschwankungen abhängigen Anteils Ustoch besteht. Die Auskopplungselektroden 2, 2' können metallische Elektroden sein, die in galvanischem Kontakt mit dem Messmedium stehen. In diesem Falle sind sie zweckmäßig so in die Rohrinnenwandung eingebettet, dass sie eine glatte Fläche mit der Innenwand ohne Erhebungen und Vertiefungen bilden.
Es kann sich jedoch auch um kapazitive Elektroden handeln, die ganz in das Innenrohr so eingelagert sind, dass sie nicht mit dem Messmedium in Kontakt stehen. Die Vorteile galvanischer Elektroden liegen in ihrer einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit, ihrer Robustheit und den langjährigen Erfahrungen im Einsatz konventioneller Durchfluss- oder Strömungssensoren. Grundsätzlich werden an die Messanordnung genau dieselben Anforderungen gestellt wie sie von konventionellen magnetisch-induktiven Sensoren bekannt sind. - -
Das Nutzsignal wird schließlich der Auswerteeinheit 3 zugeführt, die die Aufgabe hat, aus dem stochastischen Signalanteil die mittlere Fließgeschwindigkeit nach Maßgabe bestimmter Algorithmen zu ermitteln. Ein Beispiel für einzelne mögliche Schritte eines solchen Algorithmus und die daraus gewonnenen Aus- Wertungsergebnisse wird anhand einer praktisch durchgeführten Messung vorgestellt, wie sie in Fig. 2 gezeigt wird.
Zur Durchführung der Messung wird ein mit einer steuerbaren Pumpe ausgestatteter, geschlossener Wasserkreis zur Aufnahme des vom magnetischen Feld durchsetzten Messrohres mit dem in Fig. 1 gezeigten Prinzipaufbau als Testobjekt verwendet, wobei durch Steuerung der Pumpe der Durchfluss variiert wird. Zu Vergleichszwecken ist in dem Kreis ein weiteres Messgerät zur Erfassung der mittleren Fließgeschwindigkeit vorhanden, das mit einer Signalauskopplung über Feldeffekttransistoren arbeitet.
Die Messreihe wird bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten durchgeführt, wobei, ausgehend vom Wert Null, durch sprungartige Veränderung zunächst ein Maximalwert, danach schrittweise bis auf Null verringerte Werte und schließlich ein erneuter Sprung auf den Maximalwert mit anschließender Rück- kehr auf Null eingestellt wird.
Teilbild a in Fig. 2 zeigt das zwischen zwei galvanischen Elektroden abgegriffene induzierte Gesamtsignal, welches einem Signalverstärker mit extrem hohem Eingangswiderstand zugeführt wird. Wegen der großen Messzeitkon- stante ist der stochastisch schwankende Signalanteil zunächst nicht sichtbar.
Nach Differentiation dieses Signals sind die konstanten Signalanteile entfernt und das verbleibende stochastische Signal ist gut erkennbar wie in Teilbild b dargestellt. Deutlich sieht man bereits jetzt eine Abhängigkeit der Amplitude des differenzierten Signals von der mittleren Fließgeschwindigkeit (vgl. Teil- bild a).
Zur weiteren Verarbeitung der Amplitudeninformation wird in Teilbild c eine Gleichrichtung des Signals aus Teilbild b vorgenommen. Die Mittelwertbildung über das Signal aus Teilbild c führt schließlich zu dem in Teilbild d dargestellten Verlauf, der eindeutig ein Maß für die mittlere Fließgeschwindigkeit ist und ein offensichtlich gleichartiges Zeitverhalten aufweist. - -
Fig. 3 gibt zum Vergleich erneut den Verlauf der mittleren Fließgeschwindigkeit gemessen mittels einer anderen Art der Signalauskopplung wieder. Dabei ist gut zu erkennen, dass der stochastische Signalanteil bei der Auskopplung mit FETs nicht nur vorhanden, sondern sogar noch signifikanter als bei der galvanischen Auskopplung ausgeprägt ist.
Auch bei vielfacher Wiederholung der Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen konnten die geschilderten Zusammenhänge immer wieder stabil reproduziert werden.
Zusammenfassend — und zugleich ein wenig verallgemeinernd — besteht der durch die Teilbilder a bis d skizzierte Algorithmus zur Messung der mittleren Fließgeschwindigkeit des Mediums aus den folgenden Teilschritten:
a) Erfassen des von Geschwindigkeitsschwankungen des Fluids im
Magnetfeld induzierten stochastischen Signals über definierte Zeitintervalle als Nutzsignal. b) Separieren des Nutzsignals von etwaig vorhandenen zeitlich konstanten (bzw. im Verhältnis zur Länge der gewählten Intervalle langsam veränderlichen) Signalanteilen. c) Gleichrichtung und anschließende Mittelwertbildung des Nutzsignals. d) Interpretation der gebildeten Mittelwerte als Maß für die mittlere Fließgeschwindigkeit des Mediums.
Es dürfte dem Fachmann klar sein, dass das klassische magnetisch-induktive
Messprinzip eine intrinsisch mittelnde Technik ist. Tatsächlich wird schon durch die Art der Signalaufnahme, wie sie der bisherigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens zugrunde liegt, eine Mittelwertbildung vorgenommen: Die Wechselwirkung zwischen strömendem Medium und Magnetfeld führt zu einem induzierten elektrischen Feld, das nach Betrag und Richtung in jedem Punkt des Raumes durch die dort herrschenden räumlichen Geschwin- digkeits- und Feldkomponenten bestimmt ist. Zwischen je zwei in dieses Feld an verschiedenen Punkten eintauchenden Elektroden wird also ein Wegintegral über die elektrische Feldstärke gemessen, das nichts anderes als die elektrische Spannung zwischen diesen Punkten ist. Diese Spannung ist ein Maß für die mit dem Magnetfeldeinfluss gewichteten Mittelwerte der Strömungsgeschwindigkeit. - -
Sind die Elektroden überdies auf Abstand in Hauptfließrichtung untergebracht, wird sofort klar, dass das räumliche Integral auch als zeitliches Integral aufzufassen ist, weil zeitlich nacheinander an einem Ort ablaufende Vorgänge durch den Medienfluss in eine räumliche Struktur abgebildet werden. Die zwischen zwei auf Abstand in Hauptfließrichtung liegenden Punkten gemessene Spannung stellt daher im Wesentlichen das Zeitintegral der an dem stromaufwärts gelegenen Punkt induzierten elektrischen Feldstärke dar, die ihrerseits ein Maß für das lokale Turbulenzgeschehen ist.
Durch eine Mehrzahl von Elektroden, die sowohl in Hauptfließrichtung, als auch quer dazu auf Abstand untergebracht sind, lassen sich räumliche und zeitliche Integrationswirkungen vorteilhaft kombinieren.
Man kann insofern auch bei dem stochastischen Signal nicht erwarten, ohne zeitliche Mittelung, oder allgemeiner: Integration über die Zeit, zu Aussagen über das mittlere Fließverhalten des Mediums zu gelangen. Die vorstehend beschriebene Auswertung durch unmittelbare Berechnung von Mittelwerten aus Messwerten deutet zwar einen gutmütigen, grundsätzlich linearen Zusam- menhang mit der Fließgeschwindigkeit an, aber es kann auch hier nicht davon ausgegangen werden, dass dies unter allen Randbedingungen so bleibt. Insbesondere beim Messen sehr turbulenter Strömungen kann es von Vorteil sein, andere Arten der Mittelwertbildung, insbesondere solche mit Gewichtungsfak- toren in Betracht zu ziehen. Beispielsweise folgt etwa aus dem im Stand der Technik genannten Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsskala u und
Frequenzskala u/L, dass auch das Frequenzspektrum des stochastischen Signalanteils zur Auswertung genutzt werden kann.
Von daher soll die Lehre zum technischen Handeln, die die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet, allgemein die Ermittelung von
Werten empfehlen, die sich aus der gewichteten Integration des stochastischen Signals über vorgegebene Zeitintervalle ergeben. Die einfachste Art der Gewichtung — Gewicht konstant — führt auf die oben dargestellten Ergebnisse. Doch auch die Fouriertransformation, z.B. zur Ermittlung der dem Betrage nach größten Fourierkomponente bzw. jener, die die höchste auftretende Frequenz im Signal anzeigt, ist nichts anderes als gewichtete Integration über Zeitintervalle, nämlich die Skalarproduktbildung mit harmonischen Funktionen. - -
Zur Vereinfachung des Sprachgebrauchs soll der Begriff „Integration des sto- chastischen Signals" natürlich auch die Integration des Absolutbetrages des stochastischen Signals umfassen.
Es kann gewiss dem Fachmann überlassen werden, sich nach günstigen Zeitintegralen über das stochastische Signal in Anbetracht seines konkreten Messproblems umzutun. Die Leistung der vorliegenden Beschreibung sollte darin gesehen werden, ihm die Sinnhaftigkeit einer Auswertung stochastischer MID- Signale überhaupt vor Augen zu führen, die bis heute im Stand der Technik nur als zu entfernende Störgrößen angesehen worden sind.
Abschließend soll noch auf einmal auf die wesentlichen apparativen Vorteile der Erfindung verwiesen werden:
Die mögliche Verwendung eines konstanten magnetischen Feldes reduziert den
Energiebedarf durch Nutzung von Permanentmagneten und erlaubt überdies den problemlosen Einbau metallisch leitender Teile in die Messanordnung, da in ihnen im Gegensatz zu herkömmlichen magnetisch-induktiven Systemen keine störenden Wirbelstromeffekte auftreten.
Ebenfalls vorteilhaft für die Gestaltung des Messrohres ist die völlige Freiheit in der Wahl der Auskopplungsmethode. Da nach der Erfindung nur der stochastische Signalanteil zur Auswertung genutzt wird, ist sowohl die galvanische, als auch die kapazitive Auskopplung möglich. Bei der galvanischen Aus- kopplung kann man es so sehen, dass sich hier nicht — wie sonst üblich — die
Magnetfeldrichtung im Verhältnis zur Strömungsrichtung ändert, sondern schlichtweg umgekehrt die instantane Fluidbewegung gegenüber dem konstanten Magnetfeld variiert, wobei man das konstante Signal ignoriert. Allerdings ist der Konstantstrom natürlich unvermeidlich vorhanden und führt nach wie vor auf die bekannten Alterungsprobleme der Elektroden. Allgemein erscheint die Signalauskopplung über FET-Gates besonders vorteilhaft.
Ein sehr wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die vergleichsweise geringen Ansprüche an die Qualität des magnetischen Feldes. Insbesondere kann auf die Forderung seiner Homogenität, wie sie bei herkömmlichen Systemen besteht, ganz verzichtet werden. Das hat unmittelbar zur Folge, dass die Symmetrie des magnetischen Kreises in Bezug auf die Mess- - -
rohrachse entfallen kann. Damit ist der Weg zu kostengünstigen Lösungen für den magnetischen Kreis bereitet.
Zu guter Letzt soll noch betont werden, dass die Erfindung keinerlei Ähnlich- keit mit dem Verfahren hat, das bei den als Wirbel- oder Vortexzähler bekannten Durchflussmessgeräten eingesetzt wird. Dort wird die Anzahl der abwechselnd beidseitig an den Kanten eines inmitten des Strömungswegs befindlichen Störkörpers entstehenden Wirbel, die eine sog. Karmansche Wirbelstraße bilden, pro Zeiteinheit gemessen. Diese Anzahl steht in einer bekannten linearen Beziehung zur Mediengeschwindigkeit. Jeder Wirbel wird dabei durch die von ihm ausgehende Druckwirkung erfasst. Während hier also das makroskopisch beschreibbare Verhalten einzelner Wirbel genutzt wird, beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf der Nutzung stochastischer Signale und ihrer statistischen Gesetzmäßigkeiten.

Claims

- -Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung der mittleren Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums unter Anlegen eines Magnetfelds an das durch- setzte Messvolumen und Auskopplung eines im Messvolumen induzierten elektrischen Signals, dadurch gekennzeichnet, dass
der fluktuierende Anteil des elektrischen Signals, der auf stochastische Schwankungen der Fließgeschwindigkeit infolge turbulenter Bewegung zurückgeht, als zeitabhängiges Nutzsignal erfasst wird, und durch ge- wichtete Integration des Nutzsignals die mittlere, insbesondere räumlich gemittelte Fließgeschwindigkeit über vorgegebene Zeitintervalle ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gewich- tete Integration mit einer konstanten Gewichtsfunktion erfolgt, so dass als Integrale Mittelwerte gebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gewich- tete Integration mit harmonischen Funktionen als Gewichtsfunktionen erfolgt, so dass als Integrale Fourierkomponenten gebildet werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nutzsignal vor der gewichteten Integration gleichge- richtet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplung des Nutzsignals über die Beeinflussung der Leitfähigkeit eines Halbleiters erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplung des Nutzsignals über die Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine galvanische Auskopplung des Nutzsignals an - -
einer Mehrzahl in Hauptfließrichtung beabstandeter Stellen des Messvolumens erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Messvolumen von einem Permanentmagnetfeld durchsetzt wird.
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