EP2844960A1 - Messvorrichtung zur messung der fliessgeschwindigkeit eines mediums - Google Patents

Messvorrichtung zur messung der fliessgeschwindigkeit eines mediums

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Publication number
EP2844960A1
EP2844960A1 EP13719549.1A EP13719549A EP2844960A1 EP 2844960 A1 EP2844960 A1 EP 2844960A1 EP 13719549 A EP13719549 A EP 13719549A EP 2844960 A1 EP2844960 A1 EP 2844960A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrodes
measuring device
period
switch
flow rate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13719549.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcus Wolff
Henry BRUHNS
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.)
Zylum Beteiligungs GmbH and Co Patente II KG
Original Assignee
Zylum Beteiligungs GmbH and Co Patente II KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from PCT/EP2012/057939 external-priority patent/WO2013164011A1/de
Application filed by Zylum Beteiligungs GmbH and Co Patente II KG filed Critical Zylum Beteiligungs GmbH and Co Patente II KG
Priority to EP13719549.1A priority Critical patent/EP2844960A1/de
Publication of EP2844960A1 publication Critical patent/EP2844960A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • G01F1/588—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters combined constructions of electrodes, coils or magnetic circuits, accessories therefor
    • 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 present invention relates to a measuring device for measuring the
  • Flow rate of an electrically conductive medium in a volume penetrated by a magnetic field comprising means for generating the magnetic field, at least two electrodes and an evaluation unit which evaluates a signal of the electrodes and calculates the flow rate.
  • the invention also relates to a method for measuring the
  • Magnetic-inductive flowmeters typically have a measuring tube through which the electrically conductive medium flows
  • the at least two electrodes are typically disposed on opposite sides of the measuring tube and measure a voltage which, in the ideal case, is proportional to the flow velocity of the charge carriers, i. H. to the flow rate of the electrically conductive medium.
  • Such methods require only a very low electrical conductivity, so z. B. also the
  • Flow rate of tap water can be determined.
  • the decoupling of the signal to be measured can be done either galvanic or capacitive.
  • a galvanic decoupling the electrodes are in electrical contact with the medium.
  • the electrodes are in electrical contact with the medium.
  • the electrodes are formed as large-area plates of a capacitor and are located on the outside of the tube, so are not in contact with the medium.
  • the measuring devices of this type typically used today use electromagnetic alternating fields generated by electromagnets to generate the required magnetic field. This leads to the induction of interference voltages at the electrodes. These must be specifically suppressed by filters. For a simple and energy-efficient operation, it would thus be desirable to replace the electromagnets operated with alternating voltage by permanent magnets with a static magnetic field. When using permanent magnets, however, additional measurement errors are observed, which represent a drift of the induced voltage measured at the electrodes. This drift is a random DC voltage value that varies over time and is superimposed on the actual, induced measured value. This measurement error can be caused by electrostatic or electrochemical charges. Such measurement errors can not be excluded by statistical methods.
  • the object is achieved in that the at least two electrodes of the measuring device are connected to a switch which is designed to short-circuit the electrodes.
  • the object is achieved by a method of the type mentioned, in which the electrodes are short-circuited during a first period, in particular a period between 0.3 and 1 seconds, the short circuit during a second period, in particular one Period between 1 and 3 seconds, is opened, a useful signal is read from the electrodes and the flow rate is calculated based on the read-out useful signal.
  • the said electrostatic and electrochemical charges occur at the electrodes of the measuring device, in particular near their surfaces.
  • the charges but degraded (neutralized) by the switch shorts the electrodes and enforces a potential equalization in this way. If you then cancel this short circuit again, it can be assumed that a resulting immediately after this switching operation
  • electrochemical and electrostatic processes cause no measurement error, since they act more slowly and slowly rebuild after opening the short circuit. It does not matter whether the signal extraction works according to the galvanic or capacitive principle.
  • the evaluation of the signal measured after opening the short circuit can be carried out using the methods known from the prior art.
  • the switch is a
  • electronic switch In contrast to mechanical switches (eg relays), electronic switches are characterized by lower energy consumption, longer service life, short switching times and low leakage currents.
  • the switches to be used according to the invention are always either in the open or in the closed train position, with a very short change-over phase due to technical reasons only. In other embodiments of the invention, however, provision can also be made for a targeted transition to take place between the locked closed state.
  • the means for generating the magnetic field is a permanent magnet.
  • the switch comprises at least one
  • MOSFET preferably a MOSFET, in particular a MOSFET in a CMOS IC.
  • MOSFETs are characterized by short switching times and low
  • the switch in the open state has a resistance of at least 10 GOhm, in particular at least 100 GOhm. Since the measurement of the signal in the open state of the switch, but the switch is still connected to the electrodes, the signal of the electrodes should not be falsified or weakened by too low a resistance of the open switch.
  • the measuring device has a drive unit for the switch, wherein the drive unit comprises at least one timer.
  • the switch automatically, z. B. at regular intervals, closed and opened.
  • the timer can itself specify predetermined time intervals between closing and opening the switch.
  • the time given by the switch could also depend on variable values, e.g. B.
  • the timer could be shorter at high measured flow rates
  • the control unit can also specify when the evaluation of signals from the electrodes takes place.
  • the timer can also specify a periodic sequence of switch activation and signal evaluation.
  • control unit is designed such that the switch for the duration of a first period, in particular a period between 0.3 and 1 seconds, is closed and for the duration of a second period, in particular a period between 1 and 3 seconds, is opened, further wherein the evaluation unit is designed such that the signal of the electrodes is evaluated immediately after the second period.
  • the electrodes are short-circuited for each 50 to 100 ms, in particular approximately 80 ms, and then for 10 to 50 ms,
  • the electrodes can be short-circuited again and the described process can be repeated periodically. In this way, the induced voltage can be measured time-discretely.
  • the continuous storage of many discrete measured values enables a mathematical post-treatment to suppress statistical measurement errors (eg digital filtering or mean value calculation).
  • first period depends on the time required for the electrostatic and electrochemical charges to be sufficiently degraded. This can depend on several factors, eg. Example of the geometry of the measuring device, the nature of the flowing medium, the flow rate of the medium and the material and the surface of the electrodes. Accordingly, in other embodiments of the invention also significantly shorter or longer periods may be provided. In particular, first time periods between 100 and 300 milliseconds or first time periods between 1 and 10 seconds would be conceivable.
  • the duration of the second period should be chosen so that the
  • Settling time of the measuring circuit is essentially comprises. Since very different capacitances of the measuring circuit and thus very different settling times are also conceivable here, depending on the configuration of the measuring circuit, different values are also possible for the duration of the second period in different embodiments of the invention, in particular periods between 100 milliseconds and 1 second or periods between 3 and 10 seconds. According to one embodiment of the invention, it is provided that a zero-point signal is read out immediately at the beginning of the second time period and the flow rate is calculated based on the zero-point signal and the useful signal, in particular based on the difference between the zero-point signal and the useful signal. By difference between zero and
  • the useful signal can also be deducted from any drift voltage remaining despite the short-circuiting of the electrodes, which is not due to the flow of the medium.
  • Evaluation unit has a filter circuit for suppressing high-frequency noise.
  • a filter circuit for suppressing high-frequency noise.
  • Such a filter circuit can, for. B. be designed as a simple low-pass filter, since in most applications thereof
  • Evaluation unit is designed to calculate the flow rate by means of a calibration table.
  • the flow rate calculation formulas known in the art may be used. These formulas take z. B. on that a linear
  • Electrode voltage tapped and stored in a table The
  • Calibration table can be stored in the evaluation unit and the
  • Flow rate can be calculated from the table.
  • the evaluation unit first stores only the signals of the electrodes and a subsequent calibration takes place, d. H. the flow rates for recorded voltage values of the electrodes are only calculated later.
  • the evaluation unit has a microcontroller.
  • the evaluation unit has a microcontroller.
  • MicroController controls a mounted on the measuring device display so that the current flow rate or the total volume of the flowed through medium can be read.
  • the measuring device also has an interface with which the detected values can be transmitted to a computer or via the calibration data from the
  • Measuring device can be stored.
  • the electrodes of the measuring device advantageously have surfaces with high quality, so that electrical deposits are minimized and a detachment of the deposits is simplified.
  • Fig. la is a schematic representation of an inventive
  • Fig. Lb is a schematic representation of an inventive
  • Measuring device in which the signal extraction takes place according to the capacitive principle
  • Fig. 2 is a greatly simplified diagram of the voltage waveform to the
  • Electrodes of a measuring device according to the invention are Electrodes of a measuring device according to the invention.
  • Fig. 3 is a perspective view of an inventive
  • FIG. 4a is a side view of the measuring device of FIG. 3; FIG.
  • Figures 4b, 4c are cross-sectional views of those shown in Figures 3 and 4a
  • Fig. La a simplified representation of a measuring device according to the present invention with galvanic signal extraction is shown.
  • Measuring device 10a in this case has two electrodes 12a, 12b which are in contact with the medium flowing through a pipe 11. Not shown is a magnet which generates a magnetic field (directed into the plane of the drawing). When the medium is flowing, this results in the charge separation and the attachment of positive particles 13a and negative particles 13b on the surfaces of the electrodes 12a, 12b.
  • the electrodes 12a, 12b are connected via leads 14a, 14b to a switch 16 and a differential amplifier 20.
  • the switch 16 is connected in parallel with the inputs of the differential amplifier 20.
  • the switch 16 is switched by a drive unit 18, wherein the
  • Drive unit 18 has a timer (not shown) and also a
  • Evaluation unit 19 controls.
  • the evaluation unit 19 has an analog / digital converter (not shown) and a memory unit.
  • FIG. 1b shows an exemplary embodiment of a measuring device 10b with capacitive signal extraction.
  • the electrodes 12a, 12b are thus arranged outside the tube 11.
  • the interconnection of the remaining elements corresponds to the interconnection of the elements in the measuring device 10a with galvanic signal extraction.
  • Fig. 2 is the diagram (here only very simplified sketched) of a
  • Voltage profile at the electrodes of a measuring device shown.
  • the switch is closed so that the electrodes and the inputs of the differential amplifier are short-circuited.
  • the switch is open for a second period of time 22.
  • a first voltage is applied to the electrodes. This first voltage can be measured as a zero point signal and used to calculate a corrected signal.
  • a transient takes place whose course depends, inter alia, on the capacitance of the measuring circuit. Typically, this leads to an increase in the voltage, with the voltage increase gradually leveling off.
  • a measurement of the useful signal takes place during a third, very short time period 23, thus represented in the diagram as the time.
  • the measurement could be for a period of 1 ps.
  • the switch is closed again for a first period of time and a new cycle begins.
  • Fig. 3 shows a perspective view of a device according to the invention
  • the measuring device 10 has openings 30a, 30b for the inlet or outlet of the medium.
  • the measuring device 10 also has a metallic, cylindrical casing 31.
  • the casing 31 has as few recesses and openings as possible in order to suppress interference signals as much as possible.
  • Placed on the casing 31 is a housing 32 for the evaluation unit and the drive unit.
  • the evaluation unit and the drive unit can, for. B. be realized on the microcontroller.
  • the housing 32 has an opening for a USB socket 34, so that a microcontroller of the measuring device 10 can be connected to a computer.
  • Measuring device also has a display 33, on which the current
  • the measuring device shown in Fig. 3 has no connection for an external power supply, but is powered by an integrated battery. Thus, interference can be prevented by fluctuations of an external power supply.
  • FIG. 4 a shows a side view of the measuring device shown in FIG. 3.
  • FIG. 4b shows a cross section through the measuring device from FIG. 4a and FIG. 3.
  • the cross section shows magnets 40a, 40b which are arranged on opposite sides of a bushing 45.
  • the magnets 40a, 40b are thereby brought into position by screws 42 fastened to the housing holders 41a, 41b.
  • the screws 42 are accessible and the brackets can be loosened and removed.
  • the magnets 41a and 41b become accessible and can be exchanged.
  • the openings 30a, 30b have larger diameters than the passage 45.
  • an increased flow rate is achieved in the passage 45.
  • the implementation has the same or a larger diameter than the openings.
  • Fig. 4C shows a cross-sectional view through the plane in which the electrodes 12a, 12b are arranged.
  • the electrodes are attached to base bodies 15a, 15b.
  • the base body 15a, 15b are, when the sheath 31 is removed, accessible from the outside, so that the electrodes 12a, 12b can optionally be replaced with the base bodies 15a, 15b.
  • the microcontroller on which the drive unit and the evaluation unit are located.
  • the microcontroller should be arranged in the housing 32.
  • the switch 16 and an amplifier 20 are in the housing 32.
  • the switch 16 is arranged directly on the electrodes 12a, 12b in order to achieve the lowest possible short circuit resistance.
  • the leads 14a, 14b from the electrodes 12a, 12b to the switch 16 and amplifier 20 are thus different according to this embodiment long. In other embodiments, it may be provided that the
  • Supply lines are formed symmetrically.
  • the supply lines 14a, 14b are shown only shortened in Fig. 4C.
  • reinforced wires or strands are used for the leads, so that a low short-circuit resistance is achieved.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums in einem von einem Magnetfeld durchsetzten Volumen, aufweisend - ein Mittel zur Erzeugung des Magnetfelds, - zumindest zwei Elektroden und - eine Auswertungseinheit, die ein Signal der Elektroden auswertet und die Fließgeschwindigkeit berechnet, wobei die zumindest zwei Elektroden mit einem Schalter verbunden sind, der dazu ausgebildet ist, die Elektroden kurzzuschließen.

Description

Messvorrichtung zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines Med
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung der
Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums in einem von einem Magnetfeld durchsetzten Volumen, aufweisend ein Mittel zur Erzeugung des Magnetfelds, zumindest zwei Elektroden und eine Auswertungseinheit, die ein Signal der Elektroden auswertet und die Fließgeschwindigkeit berechnet.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Messung der
Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums in einem von einem Magnetfeld durchsetzten Volumen.
Derartige Verfahren und Messvorrichtungen zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines Mediums sind unter dem Begriff „Magnetisch induktive Durchflussmessung" schon seit längerem bekannt. Magnetisch induktive Durchflussmesser weisen dabei typischerweise ein Messrohr auf, durch das das elektrisch leitfähige Medium hindurchfließt. Das Magnetfeld wird typischerweise über Spulen oder
Permanentmagneten erzeugt. Gemäß dem Faradayschen Gesetz kommt es dabei zu einer Trennung der bewegten Ladungen im Magnetfeld. Die zumindest zwei Elektroden sind typischerweise an gegenüberliegenden Seiten des Messrohrs angeordnet und messen eine Spannung, die im Idealfall proportional ist zu der Strömungsgeschwindigkeit der Ladungsträger, d . h. zu der Fließgeschwindigkeit des elektrisch leitfähigen Mediums. Derartige Verfahren setzen dabei nur eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit voraus, sodass z. B. auch die
Fließgeschwindigkeit von Leitungswasser bestimmt werden kann.
Die Auskopplung des zu messenden Signals kann entweder galvanisch oder kapazitiv erfolgen. Bei einer galvanischen Auskopplung stehen die Elektroden in elektrischem Kontakt mit dem Medium. Hierbei ist also eine gewisse
Mindestleitfähigkeit des Mediums erforderlich. Außerdem müssen die Elektroden aufgru nd ihres ständigen Kontakts mit dem Medium ausreichend
korrosionsbeständig sein. Bei kapazitiver Signalauskopplung sind die Elektroden als großflächige Platten eines Kondensators ausgebildet und befinden sich auf der Außenseite des Rohres, sind also nicht mit dem Medium in Kontakt. Die heutzutage typischerweise verwendeten derartigen Messvorrichtungen setzen zur Erzeugung des erforderlichen Magnetfeldes durch Elektromagneten generierte elektromagnetische Wechselfelder ein. Hierdurch kommt es zur Induktion von Störspannungen an den Elektroden. Diese müssen durch Filter gezielt unterdrückt werden. Für einen einfachen und energieeffizienten Betrieb wäre es somit wünschenswert, die mit Wechselspannu ng betriebenen Elektromagneten durch Permanentmagneten mit einem statischen Magnetfeld zu ersetzen. Bei der Verwendung von Permanentmagneten beobachtet man allerdings zusätzliche Messfehler, die sich als Drift der an den Elektroden gemessenen induzierten Spannung darstellen. Dieser Drift ist ein über die Zeit variierender, zufälliger Gleichspannungswert, der dem eigentlichen, induzierten Messwert überlagert ist. Ursache für diesen Messfehler können elektrostatische oder elektrochemische Ladungen sein. Derartige Messfehler können mit statistischen Methoden nicht herausgerechnet werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem die Messung der Fließgeschwindigkeit des Mediums nicht durch derartige Messfehler verfälscht wird .
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die zumindest zwei Elektroden der Messvorrichtung mit einem Schalter verbunden sind, der dazu ausgebildet ist, die Elektroden kurzzuschließen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Elektroden während eines ersten Zeitraumes, insbesondere eines Zeitraumes zwischen 0,3 und 1 Sekunden, kurzgeschlossen werden, der Kurzschluss während eines zweiten Zeitraumes, insbesondere eines Zeitraumes zwischen 1 und 3 Sekunden, geöffnet wird, ein Nutzsignal von den Elektroden ausgelesen wird und die Fließgeschwindigkeit basierend auf dem ausgelesenen Nutzsignal berechnet wird .
Dem neuen Verfahren und der neuen Messvorrichtung liegt die folgende
Erkenntnis zugrunde: die genannten elektrostatischen und elektrochemischen Ladungen treten an den Elektroden der Messvorrichtung auf, insbesondere nahe deren Oberflächen. Durch den erfindungsgemäßen Schalter können die Ladungen aber abgebaut (neutralisiert) werden, indem der Schalter die Elektroden kurzschließt und auf diese Weise einen Potentialausgleich erzwingt. Wenn man diesen Kurzschluss sodann wieder aufhebt, kann davon ausgegangen werden, dass eine sich unmittelbar nach diesem Schaltvorgang ergebende
Potentialdifferenz zwischen den Elektroden auf magnetische Induktion
zurückführen lässt und somit ein Maß für den Durchfluss darstellt. Die
elektrochemischen und elektrostatischen Vorgänge bewirken hierbei keinen Messfehler, da sie langsamer wirken und sich nach Öffnen des Kurzschlusses erst langsam wieder aufbauen. Es spielt dabei keine Rolle, ob die Signalauskopplung nach dem galvanischen oder kapazitiven Prinzip funktioniert. Die Auswertung des nach Öffnen des Kurzschlusses gemessenen Signals kann dabei mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen.
Es ist somit auf kostengünstige Weise möglich, eine Messvorrichtung mit erhöhter Genauigkeit bereitzustellen. Die oben genannte Aufgabe ist damit vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Schalter ein
elektronischer Schalter. Elektronische Schalter zeichnen sich im Gegensatz zu mechanischen Schaltern (z. B. Relais) durch einen geringeren Energiebedarf, hohe Lebensdauer, kurze Schaltzeiten und geringe Leckströme aus.
Typischerweise sind die erfindungsgemäß zu verwendende Schalter immer entweder im geöffneten oder im geschlossenen Zugestand, mit einer nur technisch bedingten sehr kurzen Umschaltphase. In anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann aber auch vorgesehen sein, dass gezielt ein kontinuierlicher Übergang zwischen gesperrtem geschlossenem Zustand stattfindet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Mittel zur Erzeugung des Magnetfelds ein Permanentmagnet. Wie oben bereits ausgeführt, kann somit (durch die
Vermeidung von Elektromagneten) die Induktion von Störspannungen an den Elektroden verhindert oder zumindest reduziert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Schalter zumindest einen
Transistor, vorzugsweise einen MOSFET, insbesondere einen MOSFET in einem CMOS-IC. MOSFETs zeichnen sich durch kurze Schaltzeiten und geringe
Schaltwiderstände aus. Zudem können sie besonders kostengünstig hergestellt werden. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schalter in geöffnetem Zustand einen Widerstand von zumindest 10 GOhm, insbesondere zumindest 100 GOhm, aufweist. Da die Messung des Signals in geöffnetem Zustand des Schalters erfolgt, der Schalter aber immer noch mit den Elektroden verbunden ist, soll das Signal der Elektroden nicht durch einen zu niedrigen Widerstand des geöffneten Schalters verfälscht bzw. abgeschwächt werden.
Anderenfalls wäre eine höhere Verstärkung des Signals der Elektroden
erforderlich, die allerdings auch eine erhöhte Verstärkung von Störsignalen mit sich bringt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messvorrichtung eine Ansteuereinheit für den Schalter aufweist, wobei die Ansteuereinheit zumindest einen Timer umfasst. Durch die Ansteuereinheit kann der Schalter automatisch, z. B. in regelmäßigen Abständen, geschlossen und geöffnet werden. Der Timer kann dabei selbst vorgegebene Zeitabstände zwischen Schließen und Öffnen des Schalters vorgeben. In anderen Ausgestaltungen könnte die von dem Schalter vorgegebene Zeit auch von veränderlichen Werten abhängen, z. B.
könnte der Timer bei hohen gemessenen Fließgeschwindigkeiten kürzere
Zeitabstände vorgeben als bei niedrigen gemessenen Fließgeschwindigkeiten. Die Ansteuereinheit kann zudem vorgeben, wann die Auswertung von Signalen von den Elektroden erfolgt. Schließlich kann durch den Timer auch ein periodischer Ablauf von Schalteransteuerung und Signalauswertung vorgegeben werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ansteuereinheit derart ausgebildet ist, dass der Schalter für die Dauer eines ersten Zeitraumes, insbesondere eines Zeitraumes zwischen 0,3 und 1 Sekunden, geschlossen ist und für die Dauer eines zweiten Zeitraumes, insbesondere eines Zeitraumes zwischen 1 und 3 Sekunden, geöffnet ist, wobei ferner die Auswertungseinheit derart ausgebildet ist, dass das Signal der Elektroden unmittelbar nach dem zweiten Zeitraum ausgewertet wird.
In einer Variante der Erfindung werden die Elektroden für jeweils 50 bis 100 ms, insbesondere ca. 80 ms, kurzgeschlossen und dann für 10 bis 50 ms,
insbesondere ca. 20 ms, für eine Messung geöffnet. Diese Parameter ermöglichen einen besonders guten Kompromiss zwischen einer hohen Auflösung und einer kurzen Reaktionszeit/Messzeit. Dieser Ausgestaltung liegen die folgenden Überlegungen zugrunde: durch den Kurzschluss der Elektroden für die Dauer eines ersten Zeitraumes wird ein Potentialausgleich der Elektroden erzwungen und die elektrostatischen und elektrochemischen Ladungen werden abgebaut. Zur Ermittlung der induzierten Spannung wird dieser Kurzschluss dann aufgehoben. Die Auswertung des Signals der Elektroden erfolgt gemäß dieser Ausgestaltung allerdings nicht unmittelbar nach Aufheben des Kurzschlusses, sondern erst nach Ablauf einer Einschwingzeit, die im Wesentlichen von der Kapazität des Messkreises bestimmt wird . Nach Ablauf dieses zweiten Zeitraumes, währenddessen der Schalter geöffnet ist, wird die an den Elektroden anstehende Spannung, z. B. mit einem Analog- /Digitalwandler, konvertiert und ausgewertet, insbesondere auch zur weiteren Verarbeitung gespeichert. Unmittelbar nach dem Speichervorgang können die Elektroden wieder kurzgeschlossen und der geschilderte Vorgang periodisch wiederholt werden. Auf diese Weise kann die induzierte Spannu ng zeitdiskret gemessen werden. Die kontinuierliche Speicherung vieler diskreter Messwerte ermöglicht dabei eine mathematische Nachbehandlung zur Unterdrückung von statistischen Messfehlern (z. B. digitale Filterung oder Mittelwertberechnung).
Die Wahl der Dauer des ersten Zeitraumes hängt von der Zeit ab, die erforderlich ist, bis die elektrostatischen und elektrochemischen Ladungen genügend abgebaut sind . Dies kann von verschiedenen Faktoren abhängen, z. B. von der Geometrie der Messvorrichtung, der Art des durchfließenden Mediums, der Fließgeschwindigkeit des Mediums und dem Material und der Oberfläche der Elektroden. Demgemäß können in anderen Ausgestaltungen der Erfindung auch wesentlich kürzere oder längere Zeiträume vorgesehen sein. Insbesondere wären auch erste Zeiträume zwischen 100 und 300 Millisekunden oder erste Zeiträume zwischen 1 und 10 Sekunden denkbar.
Die Dauer des zweiten Zeitraumes sollte so gewählt werden, dass die
Einschwingzeit des Messkreises im Wesentlichen umfasst wird. Da auch hier, je nach Ausgestaltu ng des Messkreises, sehr unterschiedliche Kapazitäten des Messkreises und somit sehr unterschiedliche Einschwingzeiten denkbar sind, kommen in verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung auch für die Dauer des zweiten Zeitraumes unterschiedliche Werte in Frage, insbesondere Zeiträume zwischen 100 Millisekunden und 1 Sekunde oder Zeiträume zwischen 3 und 10 Sekunden. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass unmittelbar zu Beginn des zweiten Zeitraumes ein Nullpunktsignal ausgelesen wird und die Berechnung der Fließgeschwindigkeit basierend auf dem Nullpunktsignal und dem Nutzsignal, insbesondere basierend auf der Differenz zwischen Nullpunktsignal und Nutzsignal, erfolgt. Durch Differenzbildung zwischen Nullpunkt- und
Nutzsignal kann auch eine eventuell trotz des Kurzschlusses der Elektroden verbleibende Driftspannung, die nicht auf den Fluss des Mediums zurückzuführen ist, herausgerechnet werden. In weiteren Ausgestaltungen wäre es auch denkbar, dass vor der Messung des Nutzsignals mehr als ein Signal zur Bestimmung des Nullpunkts oder zur anderweitigen Eichung aufgenommen und zur Berechnung der Fließgeschwindigkeit verwendet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Auswertungseinheit eine Filterschaltung zum Unterdrücken von hochfrequenten Störsignalen aufweist. Eine derartige Filterschaltung kann z. B. als einfacher Tiefpassfilter ausgestaltet sein, da in den meisten Anwendungen davon
auszugehen ist, dass die Fließgeschwindigkeit des Mediums nur langsam* variiert. Es sind aber auch aufwändigere Filter, z. B. aktive Filter oder statistische
Filtermethoden, denkbar.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass mit einer geeigneten Messschaltung (getriggerte Sample- and Hold-Schaltung) nur der Anteil der induzierten Spannung gemessen wird und von der Elektrodenkinetik abhängige Spannungen nicht berücksichtigt werden. Vorteilhafterweise könnten somit elektrochemisch verursachte Offsetspannungen aus dem Messsignal eliminiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Auswertungseinheit dazu ausgebildet ist, die Fließgeschwindigkeit mittels einer Kalibrationstabelle zu berechnen. Wie oben bereits ausgeführt, können bei der Messvorrichtung und dem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Formeln zur Berechnung der Fließgeschwindigkeit verwendet werden. Diese Formeln nehmen z. B. an, dass ein linearer
Zusammenhang zwischen an den Elektroden gemessener Spannung und der Fließgeschwindigkeit des Mediums besteht. In der Praxis hat sich allerdings gezeigt, dass häufig Nichtlinearitäten auftreten, die von der jeweiligen Ausgestaltung und möglicherweise sogar von Gegebenheiten beim Einbau der Messvorrichtung, z. B. in ein Rohr, abhängen. Vorteilhafterweise wird daher eine Kalibrierung vorgenommen, d . h. die Messvorrichtung wird mit einem Medium mit bekannter Fließgeschwindigkeit durchflössen und die dabei entstehende
Elektrodenspannung abgegriffen und in einer Tabelle abgelegt. Die
Kalibrationstabelle kann in der Auswertungseinheit abgelegt und die
Fließgeschwindigkeit anhand der Tabelle berechnet werden. Alternativ ist auch denkbar, dass die Auswertungseinheit zuerst nur die Signale der Elektroden speichert und eine nachträgliche Eichung erfolgt, d. h. die Fließgeschwindigkeiten für aufgezeichnete Spannungswerte der Elektroden erst nachträglich berechnet werden.
Um die oben beschriebenen Funktionalitäten auf der Auswertungseinheit zu ermöglichen, kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Auswertungseinheit einen MikroController aufweist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass der
MikroController ein an der Messvorrichtung angebrachtes Display steuert, sodass die aktuelle Fließgeschwindigkeit oder das Gesamtvolumen des durchgeflossenen Mediums abgelesen werden können. Vorteilhafterweise weist die Messvorrichtung zudem eine Schnittstelle auf, mit der die erfassten Werte an einen Computer übertragen werden können bzw. über die Kalibrierungsdaten aus der
Messvorrichtung abgelegt werden können.
Die Elektroden der Messvorrichtung weisen vorteilhafterweise Oberflächen mit hoher Güte auf, so dass elektrische Anlagerungen minimiert werden und eine Ablösung der Anlagerungen vereinfacht wird.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen :
Fig . la eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Messvorrichtung, bei der die Signalauskopplung nach dem galvanischen Prinzip stattfindet; Fig. lb eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Messvorrichtung, bei der die Signalauskopplung nach dem kapazitiven Prinzip stattfindet;
Fig. 2 ein stark vereinfachtes Schaubild des Spannungsverlaufs an den
Elektroden einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
Fig. 3 eine perspektivische Abbildung einer erfindungsgemäßen
Messvorrichtung;
Fig. 4a eine Seitenansicht der Messvorrichtung aus Fig. 3;
Fig. 4b, 4c Querschnittsansichten der in Fig. 3 und 4a gezeigten
Messvorrichtung.
In Fig. la ist eine vereinfachte Darstellung einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit galvanischer Signalauskopplung gezeigt. Die
Messvorrichtung 10a weist dabei zwei Elektroden 12a, 12b auf, die mit dem durch ein Rohr 11 fließenden Medium in Kontakt sind. Nicht gezeigt ist ein Magnet, der ein (in die Zeichnungsebene hinein gerichtetes) Magnetfeld erzeugt. Bei fließendem Medium kommt es hierdurch zur Ladungstrennung und zur Anlagerung von positiven Teilchen 13a bzw. negativen Teilchen 13b an den Oberflächen der Elektroden 12a, 12b. Die Elektroden 12a, 12b sind über Zuleitungen 14a, 14b mit einem Schalter 16 sowie einem Differenzverstärker 20 verbunden. Der Schalter 16 ist zu den Eingängen des Differenzverstärkers 20 parallelgeschaltet. Der
Differenzverstärker weist vorteilhafterweise eine sehr geringe
Temperaturabhängigkeit und einen geringen Offset-Drift auf.
Der Schalter 16 wird geschaltet durch eine Ansteuereinheit 18, wobei die
Ansteuereinheit 18 einen (nicht gezeigten) Timer aufweist und auch eine
Auswertungseinheit 19 ansteuert. Die Auswertungseinheit 19 weist einen (nicht gezeigten) Analog/Digital-Wandler und eine Speichereinheit auf.
Fig. lb zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 10b mit kapazitiver Signalauskopplung. Die Elektroden 12a, 12b sind also außerhalb des Rohres 11 angeordnet. Die Verschaltung der übrigen Elemente entspricht der Verschaltung der Elemente in der Messvorrichtung 10a mit galvanischer Signalauskopplung.
In Fig . 2 ist das (hier nur stark vereinfacht skizzierte) Schaubild eines
Spannungsverlaufes an den Elektroden einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung gezeigt. Während eines ersten Zeitraumes 21 ist der Schalter geschlossen, sodass die Elektroden und die Eingänge des Differenzverstärkers kurzgeschlossen sind . Nach dem ersten Zeitraum ist der Schalter für einen zweiten Zeitraum 22 geöffnet. Unmittelbar nach Öffnen des Schalters liegt eine erste Spannung an den Elektroden an. Diese erste Spannung kann als Nullpunktsignal gemessen werden und zur Berechnung eines korrigierten Signals verwendet werden. Während des zweiten Zeitraumes 22 findet ein Einschwingen statt, dessen Verlauf unter Anderem von der Kapazität des Messschaltkreises abhängt. Typischerweise kommt es dabei zu einem Anstieg der Spannung, wobei der Spannungsanstieg allmählich abflacht. Nach Ablauf des zweiten Zeitraumes findet während eines dritten, sehr kurzen und somit in dem Schaubild als Zeitpunkt dargestellten Zeitraumes 23 eine Messung des Nutzsignals statt. Zum Beispiel könnte die Messung während eines Zeitraums von 1 ps erfolgen. Nach der Messung des Nutzsignals wird der Schalter wieder für einen ersten Zeitraum geschlossen und es beginnt ein neuer Zyklus.
Je nach Ausgestaltung der Messvorrichtung, insbesondere der Elektroden und des Messschaltkreises, können sich auch ganz andere Spannungsverläufe ergeben.
Fig . 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Messvorrichtung 10. Die Messvorrichtung 10 weist dabei Öffnungen 30a, 30b zum Ein- bzw. Austritt des Mediums auf. Die Messvorrichtung 10 hat zudem eine metallische, zylinderförmige Ummantelung 31. Die Ummantelung 31 weist dabei möglichst wenige Aussparungen und Öffnungen aus, um Störsignale möglichst zu unterdrücken. Auf die Ummantelung 31 aufgesetzt ist ein Gehäuse 32 für die Auswertungseinheit und die Ansteuereinheit. Die Auswertungseinheit und die Ansteuereinheit können z. B. auf dem MikroController realisiert sein. Das Gehäuse 32 weist eine Öffnung für eine USB-Buchse 34 auf, sodass ein MikroController der Messvorrichtung 10 mit einem Computer verbunden werden kann. Die
Messvorrichtung hat zudem ein Display 33, auf dem die aktuelle
Fließgeschwindigkeit und das gesamte durchgeflossene Volumen des Mediums abgelesen werden können. Die in Fig. 3 gezeigte Messvorrichtung weist keinen Anschluss für eine externe Stromversorgung auf, sondern wird über eine integrierte Batterie versorgt. Somit lassen sich Störeinflüsse durch Schwankungen einer externen Stromversorgung verhindern.
Fig. 4a zeigt eine Seitenansicht auf die in Fig. 3 gezeigte Messvorrichtung.
Fig. 4b zeigt einen Querschnitt durch die Messvorrichtung aus Fig. 4a und Fig. 3. Der Querschnitt zeigt dabei Magneten 40a, 40b, die auf gegenüberliegenden Seiten einer Durchführung 45 angeordnet sind. Die Magneten 40a, 40b werden dabei durch mit Schrauben 42 am Gehäuse befestigten Halterungen 41a, 41b in ihrer Position geholten. Wenn die zylinderförmige Ummantelung 31 abgenommen wird, sind die Schrauben 42 zugänglich und die Halterungen können gelöst und entfernt werden. Somit werden die Magneten 41a und 41b zugänglich und können ausgetauscht werden.
Wie aus der Querschnittansicht in Fig. 4B ersichtlich ist, haben die Öffnungen 30a, 30b größere Durchmesser als die Durchführung 45. Somit wird in der Durchführung 45 eine erhöhte Fließgeschwindigkeit erreicht. Es ist aber in anderen Ausgestaltungen auch denkbar, dass die Durchführung den gleichen oder einen größeren Durchmesser als die Öffnungen aufweist.
Fig. 4C zeigt eine Querschnittsansicht durch die Ebene, in der die Elektroden 12a, 12b angeordnet sind. Die Elektroden sind dabei an Basiskörpern 15a, 15b befestigt. Die Basiskörper 15a, 15b sind dabei, wenn die Ummantelung 31 abgenommen ist, von außen zugänglich, so dass die Elektroden 12a, 12b ggf. mit den Basiskörpern 15a, 15b ausgetauscht werden können.
In Fig. 4C nicht gezeigt ist der MikroController, auf dem sich die Ansteuereinheit und die Auswertungseinheit befinden. Der MikroController soll dabei in dem Gehäuse 32 angeordnet werden. Ebenso befinden sich der Schalter 16 und ein Verstärker 20 im Gehäuse 32. In anderen Ausführungsbeispielen kann aber auch vorgesehen sein, dass der Schalter 16 unmittelbar an den Elektroden 12a, 12b angeordnet ist, um einen möglichst geringen Kurzschlusswiderstand erzielen zu können. Die Zuleitungen 14a, 14b von den Elektroden 12a, 12b zum Schalter 16 und Verstärker 20 sind somit gemäß diesem Ausführungsbeispiel unterschiedlich lang. In anderen Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass die
Zuleitungen symmetrisch ausgebildet sind.
Die Zuleitungen 14a, 14b sind in Fig. 4C nur verkürzt dargestellt.
Vorteilhafterweise kommen für die Zuleitungen verstärkte Drähte oder Litzen zum Einsatz, so dass ein geringer Kurzschlusswiderstand erreicht wird.

Claims

Ansprüche
1. Messvorrichtung zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums in einem von einem Magnetfeld durchsetzten
Volumen, aufweisend
- ein Mittel zur Erzeugung des Magnetfelds,
- zumindest zwei Elektroden und
- eine Auswertungseinheit, die ein Signal der Elektroden auswertet und die Fließgeschwindigkeit berechnet,
dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Elektroden mit einem Schalter verbunden sind, der dazu ausgebildet ist, die Elektroden kurzzuschließen.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Schalter ein elektronischer Schalter ist.
3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung des Magnetfelds ein Permanentmagnet ist.
4. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schalter zumindest einen Transistor,
vorzugsweise einen MOSFET, insbesondere einen MOSFET in einem CMOS- IC, umfasst.
5. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schalter im geöffneten Zustand einen Widerstand von zumindest 10 GOhm, insbesondere zumindest 100 GOhm aufweist.
6. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schalter im eingeschalteten Zustand einen Widerstand von höchstens 1 Ohm, vorzugsweise höchstens 0, 1 Ohm und besonders bevorzugt höchstens 10 mOhm aufweist.
7. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung eine Ansteuereinheit für den Schalter aufweist, wobei die Ansteuereinheit zumindest einen Timer umfasst.
8. Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ansteuereinheit derart ausgebildet ist, dass der Schalter für die Dauer eines ersten Zeitraums, insbesondere eines Zeitraums zwischen 0,3 und 1 Sekunden, geschlossen ist und für die Dauer eines zweiten Zeitraums, insbesondere eines Zeitraums zwischen 1 und 3 Sekunden, geöffnet ist, wobei ferner die Auswertungseinheit derart ausgebildet ist, dass das Signal der Elektroden unmittelbar nach dem zweiten Zeitrau m ausgewertet wird.
9. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit eine Filterschaltung zum Unterdrücken von hochfrequenten Störsignalen aufweist.
10. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit dazu ausgebildet ist, die Fließgeschwindigkeit mittels einer Kalibrationstabelle zu berechnen.
11. Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines elektrisch
leitfähigen Mediums in einem von einem Magnetfeld durchsetzten Volumen mit zumindest zwei Elektroden, mit den Schritten :
Kurzschließen der Elektroden während eines ersten Zeitraums, insbesondere eines Zeitraums zwischen 0,3 u nd 1 Sekunden, Öffnen des Kurzschlusses während eines zweiten Zeitraums, insbesondere eines Zeitraums zwischen 1 und 3 Sekunden,
Auslesen eines Nutzsignals von den Elektroden und Berechnen der Fließgeschwindigkeit basierend auf dem
ausgelesenen Nutzsignal .
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslesen des Nutzsignals unmittelbar nach dem zweiten Zeitraum erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
unmittelbar zu Beginn des zweiten Zeitraums ein Nullpunktsignal ausgelesen wird und die Berechnung der Fließgeschwindigkeit basierend auf dem Nullpunktsignal und dem Nutzsignal, insbesondere basierend auf der Differenz zwischen Nullpunktsignal und Nutzsignal, erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte periodisch durchgeführt werden.
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