EP3729006A1 - Magnetisch-induktives durchflussmessgerät - Google Patents

Magnetisch-induktives durchflussmessgerät

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EP3729006A1
EP3729006A1 EP18819074.8A EP18819074A EP3729006A1 EP 3729006 A1 EP3729006 A1 EP 3729006A1 EP 18819074 A EP18819074 A EP 18819074A EP 3729006 A1 EP3729006 A1 EP 3729006A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring tube
coil
measuring
flowmeter
degrees
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18819074.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Simon TRIEBENBACHER
Raphael Hess
Oliver Graf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP3729006A1 publication Critical patent/EP3729006A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/58—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters
    • G01F1/584—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters constructions of electrodes, accessories therefor
    • G—PHYSICS
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a magnetic-inductive flowmeter for measuring the
  • volume flow or the flow rate of a flowing through a measuring tube medium
  • Magnetic-inductive flowmeters are based on the measurement of an electrical voltage induced in a conductive medium by a magnetic field which is linearly dependent on the applied magnetic field and the volume flow of the medium through the measuring tube.
  • the magnetic field is usually generated by means of a magnet system with at least one coil.
  • a magnet system with at least one coil.
  • DE102015122664A1 shows a magneto-inductive
  • Flowmeter in which by means of two coils, a magnetic field is generated perpendicular to a Meßrohrachse, wherein coil axes are perpendicular to the Meßrohrachse.
  • the magnetic field outside of the measuring tube and outside of the coils is conducted by means of a field guide between the two coils, wherein a magnetic connection between the coil core of a coil and field guide and between the measuring tube and coil core is made in each case by means of a pole piece. Since each connection in each case means an interruption of the magnetic flux, thus a performance of the flowmeter is reduced.
  • concentrating the generation of the magnetic field on the area of the coils makes it necessary to use many turns of a coil wire in a narrow space. This leads to a poorer heat dissipation and a waste of precious raw materials, since many turns in a narrow space only through many layers of turns too
  • the object of the invention is therefore to propose a magnetic-inductive flow meter, which at least mitigates at least one of the disadvantages mentioned.
  • Volume flow or the flow rate of a medium flowing through a measuring tube comprises:
  • the measuring tube with a measuring tube axis and a measuring tube wall
  • a magnetic system for generating a magnetic field which magnetic field perpendicular to
  • Measuring tube axis stands, wherein the magnet system is mounted on an outer side of the measuring tube; At least one pair of measuring electrodes, which measuring electrodes are capacitively or galvanically coupled to the medium located in the measuring tube, wherein the measuring electrodes are adapted to tap a voltage induced in the medium by the magnetic field, wherein a first measuring electrode of the pair of measuring electrodes on a first side of the measuring tube and a second measuring electrode of the pair of measuring electrodes is arranged on a second side of the measuring tube;
  • the magnet system comprising: a coil system having at least one coil with a coil core; two pole shoes, which are arranged on opposite sides of the measuring tube, wherein the pole pieces configured to transfer the magnetic field generated by the coil system into the measuring tube and to receive the magnetic field penetrating the measuring tube and the
  • the coil system comprises a device for field feedback, which device for field feedback is adapted to conduct the magnetic field outside the measuring tube between the pole shoes, characterized in that a tangential portion of the magnetic field in the coil with respect to the measuring tube axis at least 80% and in particular at least 90% of the total magnetic field, wherein the device for field feedback has at least one return part, which runs through at least one coil and respectively forms the coil core of the corresponding at least one coil.
  • a measuring tube can be described by means of a cylindrically symmetrical coordinate system comprising a radial coordinate, an axial coordinate and a tangential coordinate.
  • the tangential component of the magnetic field thus relates to the portion of the magnetic field which is aligned along the tangential coordinate.
  • the return part comprises at least one layer of electrical steel which meets the requirements of the standard DIN EN 10106 edition 2007-1 1, or wherein the electrical sheet is particularly grain-oriented and meets the requirements of the standard DIN EN 10107 edition 2005-10, wherein the Grain orientation is parallel to the magnetic flux in the feedback part.
  • a grain orientation of a magnetically conductive material provides for a non-isotropic magnetic conductivity, with a magnetic resistance of the material along the
  • Com orientation is minimal.
  • Magnet system can be reduced.
  • the coil has at most 15 turn layers and in particular at most 10 turn layers and preferably at most 5 turn layers.
  • an extension of the coil along its longitudinal axis with respect to the measuring tube axis an arc angle a of at least 2 degrees, and in particular at least 5 degrees and preferably at least 10 degrees. A larger extent contributes to the avoidance of turns.
  • At least one coil with an associated return part is arranged on the first side and the second side of the measuring tube.
  • a two-sided arrangement of coils and associated return parts contributes to a uniform magnetic flux in the pole pieces, resulting in a spatially homogeneous distribution of the magnetic field in the region of the measuring electrodes.
  • the measuring tube has two end regions, a middle region and two intermediate regions along the measuring tube axis, wherein an intermediate region is in each case arranged between an end region and the middle region, the measuring tube each having a flange and a collar in its end regions, which flanges are arranged for this purpose are to be connected to a pipeline, wherein the at least one measuring electrode pair is arranged in the central region.
  • the pole shoes and / or return parts and / or coils are each arranged symmetrically with respect to a transverse and / or longitudinal section of the measuring tube.
  • a spatial distribution of the magnetic field in the region of the measuring electrodes can be made more homogeneous.
  • the pole shoes in the central region with respect to the Meßrohrachse an arc angle 3M of at least 40 degrees and in particular at least 80 degrees and preferably at least 120 degrees, the pole pieces are separated by two gaps, each gap has a bow angle g of at least 5 degrees and more preferably at least 10 degrees and preferably at least 15 degrees.
  • the distribution of the magnetic field in the measuring tube can be adjusted.
  • Minimum expansion of the gap between the pole pieces helps to prevent a magnetic short circuit, which would hinder a magnetic flux in the measuring tube.
  • the return part is arranged in the middle region and has in particular at least one passage for a Meßelektrodentitle ist and / or for casting, wherein the return part passes through at least one coil, and preferably by two coils, wherein the at least two coils with respect to the corresponding measuring electrode on
  • the pole shoes in the intermediate areas each include one
  • Arc angle ßz which arc angle ßz by at least 30 degrees and in particular at least 40 degrees and preferably at least 50 degrees smaller than the arc angle 3M, the field feedback on the first page and / or second page at least two
  • Return parts has, which return parts the pole pieces in each one
  • the magnet system has a shielding device, which is adapted to minimize magnetic interference of the flanges or collars, wherein the shielding device has at least one shielding band which surrounds the measuring tube circumferentially at least partially, wherein the shielding band between a flange and the central region or is arranged on a side facing the center region of the collar, wherein the shielding band is made of a magnetically conductive material, wherein the shielding band is made, for example, in one piece or from a plurality of subbands.
  • the shielding device has two shielding bands, which are each assigned to a flange.
  • the return part has at least 5 and in particular at least 10 and preferably at least 15 layers of electrical steel.
  • the measuring tube has an inner diameter of at least 0.35 meters and in particular at least 1 meter and preferably at least 1.5 meters.
  • the invention Especially with measuring tubes with large pipe diameters, the invention contributes to great advantages in terms of performance of the flowmeter.
  • Fig. 1 outlines a typical magnetic inductive flowmeter according to the prior art
  • Fig. 2 outlines a magnetic-inductive flowmeter according to the invention
  • Fig. 3 a) to c) show schematic side views of alternative embodiments of a magnetic-inductive flowmeter according to the invention.
  • the flowmeter comprises a measuring tube 10, measuring electrodes 30, and a magnet system with two coils 21.1 arranged on opposite sides of the measuring tube, each having a coil core 21.2, wherein in each case one pole piece 22 is adapted to conduct the magnetic field between the measuring tube and coil and to stamp out its spatial distribution in the measuring tube.
  • the magnetic flux outside the measuring tube between the measuring tube facing away from the sides of the coil is accomplished by means of a field feedback.
  • the magnetic flux is affected at the transitions between field feedback and coils, as well as coil and pole piece.
  • several winding layers of coil wire necessary, which is disadvantageous for a consumption of coil wire and also problematic in terms of possible overheating of the coil.
  • FIG. 2 outlines a schematic structure of an exemplary magnetic-inductive flow measuring device 1 according to the invention in a simplified cross-sectional drawing Center area 10.1 of the measuring tube.
  • the flowmeter 1 has a measuring tube 10, a
  • Magnetic system 20 a pair of measuring electrodes 30 disposed in the measuring tube, and an electronic measuring / operating circuit 40, which is adapted to operate the measuring electrodes 30 and the magnet system 20 and to provide flow measurements.
  • electrical connections are shown between the measuring electrodes and the electronic measuring / operating circuit 40 and only between a coil and the electronic measuring / operating circuit 40.
  • the magnet system 20 comprises a coil system 21 and two pole pieces 22 which are set up to conduct the magnetic field generated by the coil system between coil system 21 and measuring tube 10 and to stamp out the spatial distribution of the magnetic field in the measuring tube.
  • the coil system comprises four coils 21.1, each with one
  • Spool core 21.2 and a field feedback 21.3 with two return parts 21.4, which are arranged on opposite sides of the measuring tube and extend through two coils 21.1 and thus form the coil cores 21.2 of the associated coils.
  • the pole shoes each have a thin metal sheet, and lie differently than in Fig. 2 shown on the
  • the field feedback 21.3 is magnetically coupled in four contact areas K with the pole shoes 22, wherein the return parts 21.4 rest differently than in Fig. 2 on the pole shoes.
  • the different representation is due to the recognizability of the individual components of the magnetic-inductive flowmeter. The decor of the
  • Return parts 21.4 as coil cores 21.2 makes it possible to align the coils in a tangential direction to the measuring tube.
  • an expansion of the coils along a coil axis can be increased and a number of winding layers can be reduced, resulting in a
  • the expansion of the coil along its longitudinal axis has, with respect to the measuring tube axis 10.6, an arc angle a of at least 2 degrees, and in particular at least 5 degrees and preferably at least 10 degrees.
  • an arc angle a of at least 2 degrees, and in particular at least 5 degrees and preferably at least 10 degrees.
  • the pole shoes in the middle region 10.1 close with respect to the measuring tube axis 10.6
  • Arc angle 3M of at least 40 degrees and in particular at least 80 degrees, and preferably at least 120 degrees, wherein the pole pieces are separated by two gaps, each gap includes a bow angle g of at least 5 degrees and in particular at least 10 degrees and preferably at least 15 degrees.
  • the gaps are designed to avoid a magnetic short between the pole pieces.
  • the return parts may have a lead-through for measuring electrode contacts (not shown).
  • a magnetic-inductive flowmeter according to the invention is not limited to four coils and two feedback parts.
  • a flow meter according to the invention can have n1 coils and n2 feedback parts, where n1 and n2 are natural numbers and n2 ⁇ n1 +1.
  • FIG. 3 a) to c) show schematic side views of alternative exemplary embodiments of a magnet system of a magnetic-inductive flowmeter according to the invention, wherein FIG. 3 a) has a measuring tube 10 with a magnet system 20 arranged thereon in a central region of the measuring tube 10. 1, the magnet system on the side shown a coil system 21 with two pole pieces and a return part 21.4 of a field feedback 21.3 has.
  • the field feedback part has a passage for a measuring electrode contacting 21.41 in a central area.
  • the measuring tube has in end regions 10.3 in each case a flange 10.5 and a collar 10.4, wherein the flanges are adapted to
  • Fig. 3 b shows a symmetrical with respect to a Meßrohrquerroughs magnet system, wherein the coil system shown in Fig. 3a) is made double and is arranged symmetrically with respect to the cross section.
  • the electrical connection of the measuring electrodes 30 to the electronic measuring / operating circuit can be configured without a feedthrough 21.41 as shown in FIG. 3a).
  • the flow of the magnetic field in the return parts is thus not hindered.
  • only one coil 21.1 per return part 21.4 can be set up.
  • Fig. 3 c shows another way to set up a magnetic system according to the invention, wherein the pole pieces in the intermediate regions 10.2 a smaller arc angle.
  • the magnet system has a shielding device 23 comprising two shielding bands 23.1 on which sides of the collars or flanges are arranged on the coil system 21.
  • the shielding bands have a magnetically conductive material and thereby reduce the propagation of the interference to the measuring electrodes.
  • the magnet system preferably has at least one further coil and at least one further return part on the side of the measuring tube opposite the side shown, which are advantageously arranged symmetrically to a longitudinal section of the measuring tube to the coils shown and return parts.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (1) umfassend: Ein Messrohr (10) mit einer Messrohrachse (11) und einer Messrohrwand (12); Ein Magnetsystem (20) zum Erzeugen eines Magnetfelds, welches Magnetfeld senkrecht zur Messrohrachse steht; Zumindest ein Paar Messelektroden (30) zum Abgreifeneinerim Medium durch das Magnetfeld induzierte elektrischen Spannung, Eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (40) zum Betreiben des Magnetsystems und der Messelektroden, wobei das Magnetsystem (20) folgendes aufweist: ein Spulensystem (21) mit mindestens einer Spule (21.1) mit einem Spulenkern (21.2); zwei Polschuhe (22); wobei das Spulensystem (21) eine Vorrichtung zur Feldrückführung (21.3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tangentialanteil des Magnetfelds in der Spule bezüglich der Messrohrachse mindestens 90% des Gesamtmagnetfelds beträgt, wobei die Vorrichtung zur Feldrückführung (21.3) mindestens einen Rückführungsteil (21.4) aufweist, welcher jeweils durch mindestens eine Spule verläuft und jeweils den Spulenkern (21.2) der entsprechendenmindestens einen Spule (21.1) ausbildet.

Description

Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zur Messung des
Volumendurchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit eines durch ein Messrohr strömenden Mediums.
Magnetisch-induktive Durchflussmessgerät basieren auf der Messung einer in einem elektrisch leitfähigen Medium durch ein Magnetfeld induzierte elektrische Spannung, welche linear abhängig zum angelegten Magnetfeld und zum Volumendurchfluss des Mediums durch das Messrohr ist.
Das Magnetfeld wird üblicherweise mittels eines Magnetsystems mit mindestens einer Spule erzeugt. So zeigt beispielsweise die DE102015122664A1 ein magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät, bei welchem mittels zweier Spulen ein Magnetfeld senkrecht zu einer Messrohrachse erzeugt wird, wobei Spulenachsen senkrecht zur Messrohrachse stehen. Das Magnetfeld außerhalb des Messrohrs und außerhalb der Spulen wird mittels einer Feldführung zwischen den beiden Spulen geleitet, wobei eine magnetische Anbindung zwischen Spulenkern einer Spule und Feldführung sowie zwischen Messrohr und Spulenkern jeweils mittels eines Polschuhs hergestellt ist. Da jede Anbindung jeweils eine Unterbrechung des magnetischen Flusses bedeutet, wird somit eine Leistungsfähigkeit des Durchflussmessgeräts gemindert. Darüber hinaus führt die Konzentration der Erzeugung des Magnetfelds auf den Bereich der Spulen dazu, dass viele Windungen eines Spulendrahts in einem engen Raumbereich eingesetzt werden müssen. Dies führt zu einer schlechteren Wärmeabgabe und zu einer Verschwendung von kostbaren Rohstoffen, da viele Windungen in einem engen Raumbereich nur durch viele Windungsschichten zu
bewerkstelligen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät vorzuschlagen, welches zumindest einen der genannten Nachteile zumindest abmildert.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 1.
Ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zur Messung des
Volumendurchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit eines durch ein Messrohr strömenden Mediums umfasst:
Das Messrohr mit einer Messrohrachse und einer Messrohrwand;
Ein Magnetsystem zum Erzeugen eines Magnetfelds, welches Magnetfeld senkrecht zur
Messrohrachse steht, wobei das Magnetsystem auf einer Außenseite des Messrohrs angebracht ist; Zumindest ein Paar Messelektroden, welche Messelektroden mit dem im Messrohr befindlichen Medium kapazitiv oder galvanisch gekoppelt sind, wobei die Messelektroden dazu eingerichtet sind, eine im Medium durch das Magnetfeld induzierte elektrische Spannung abzugreifen, wobei eine erste Messelektrode des Messelektrodenpaars auf einer ersten Seite des Messrohrs und eine zweite Messelektrode des Messelektrodenpaars einer zweiten Seite des Messrohr angeordnet ist;
Eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben des Magnetsystems und der
Messelektroden sowie zum Bereitstellen von Durchflussmesswerten, wobei das Magnetsystem folgendes aufweist: ein Spulensystem mit mindestens einer Spule mit einem Spulenkern; zwei Polschuhe, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Messohrs angeordnet sind, wobei die Polschuhe dazu eingerichtet, das von dem Spulensystem erzeugte Magnetfeld in das Messrohr überzuführen sowie das das Messrohr durchdringende Magnetfeld aufzunehmen und zum
Spulensystem zu leiten; wobei das Spulensystem eine Vorrichtung zur Feldrückführung aufweist, welche Vorrichtung zur Feldrückführung dazu eingerichtet ist, dass Magnetfeld außerhalb des Messrohrs zwischen den Polschuhen zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tangentialanteil des Magnetfelds in der Spule bezüglich der Messrohrachse mindestens 80% und insbesondere mindestens 90% des Gesamtmagnetfelds beträgt, wobei die Vorrichtung zur Feldrückführung mindestens einen Rückführungsteil aufweist, welcher jeweils durch mindestens eine Spule verläuft und jeweils den Spulenkern der entsprechenden mindestens einen Spule ausbildet.
Ein Messrohr lässt sich mittels eines zylindersymmetrischen Koordinatensystems umfassend eine radiale Koordinate, eine axiale Koordinate und eine tangentiale Koordinate beschreiben. Der Tangentialanteil des Magnetfelds bezieht sich also auf den Anteil des Magnetfelds, welcher entlang der Tangentialkoordinate ausgerichtet ist. Durch eine tangentiale Orientierung der mindestens einen Spule am Messrohr und das Durchführen der Feldrückführung durch die Spule wird also bei jedem Polschuh ein Übergang zwischen einer Feldführung und einem Spulenkern durch Vereinheitlichung der Feldrückführung mit mindestens einem Spulenkern eine Anbindung zweier Bauteile eingespart und somit ein magnetischer Widerstand des Magnetsystems vermindert. Ein Mindestanteil von 80% des Tangentialanteils am Gesamtmagnetfeld lässt Spielraum für eine leichte axiale oder radiale Orientierung der Spule entlang des zugehörigen Rückführungsteils. Die Polschuhe sind jeweils bevorzugt aus mindestens einem nichtkornorientierten Metallblech gefertigt und liegen auf dem Messrohr auf.
In einer Ausgestaltung weist das Rückführungsteil mindestens eine Lage Elektroblech auf, welches die Anforderungen der Norm DIN EN 10106 Ausgabe 2007-1 1 erfüllt, oder wobei das Elektroblech insbesondere kornorientiert ist und die Anforderungen der Norm DIN EN 10107 Ausgabe 2005-10 erfüllt, wobei die Kornorientierung parallel zum magnetischen Fluss im Rückführungsteil ist.
Eine Kornorientierung eines magnetisch leitfähigen Materials sorgt für eine nichtisotrope magnetische Leitfähigkeit, wobei ein magnetischer Widerstand des Materials entlang der
Komorientierung minimal ist. Durch Ausrichten der Kornorientierung entlang des magnetischen Flusses des Magnetfelds in der Rückführung kann also der magnetische Widerstand des
Magnetsystems verringert werden.
In einer Ausgestaltung weist die Spule höchstens 15 Windungslagen und insbesondere höchstens 10 Windungslagen und bevorzugt höchstens 5 Windungslagen auf.
Auf diese Weise kann der Einsatz von zur Wicklung der Spule verwendete Rohstoffen wie beispielsweise Kupfer oder Silber minimiert werden. Außerdem verringert sich die Gefahr einer Überhitzung der Spulen, welche bei hohen Spulenströmen und vielen Windungsschichten gegeben ist.
In einer Ausgestaltung weist eine Ausdehnung der Spule entlang ihrer Längsachse bezüglich der Messrohrachse einen Bogenwinkel a von mindestens 2 Grad, und insbesondere mindestens 5 Grad und bevorzugt mindestens 10 Grad auf. Eine größere Ausdehnung trägt zur Vermeidung von Windungslagen bei.
In einer Ausgestaltung ist auf der ersten Seite und der zweiten Seite des Messrohrs jeweils mindestens eine Spule mit einem zugehörigen Rückführungsteil angeordnet.
Eine zweiseitige Anordnung von Spulen und zugehörigen Rückführungsteilen trägt zu einer gleichförmigen des magnetischen Flusses in den Polschuhen bei, was zu einer räumlich homogenen Verteilung des Magnetfelds im Bereich der Messelektroden führt.
In einer Ausgestaltung weist das Messrohr entlang der Messrohrachse zwei Endbereiche, einen Mittenbereich und zwei Zwischenbereiche auf, wobei jeweils ein Zwischenbereich zwischen einem Endbereich und dem Mittenbereich angeordnet ist, wobei das Messrohr in seinen Endbereichen jeweils einen Flansch und einen Kragen aufweist, welche Flansche dazu eingerichtet sind an eine Rohrleitung angeschlossen zu werden, wobei das mindestens eine Messelektrodenpaar im Mittenbereich angeordnet ist. In einer Ausgestaltung sind die Polschuhe und/oder Rückführungsteile und/oder Spulen jeweils symmetrisch bezüglich eines Quer- und/oder Längsschnitts des Messrohrs angeordnet.
Durch Erhöhung eines Symmetriegrades des Magnetsystems kann eine räumliche Verteilung des Magnetfelds im Bereich der Messelektroden homogener ausgestaltet werden.
In einer Ausgestaltung schließen die Polschuhe im Mittenbereich bezüglich der Messrohrachse einen Bogenwinkel 3M von mindestens 40 Grad und insbesondere mindestens 80 Grad und bevorzugt mindestens 120 Grad ein, wobei die Polschuhe durch zwei Lücken voneinander getrennt sind, wobei jede Lücke einen Bogenwinkel g von mindestens 5 Grad und insbesondere mindestens 10 Grad und bevorzugt mindestens 15 Grad einschließt.
Dadurch kann die Verteilung des Magnetfelds im Messrohr angepasst werden. Die
Mindestausdehnung der Lücke zwischen den Polschuhen trägt zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses bei, welcher einen magnetischen Fluss im Messrohr behindern würde.
In einer Ausgestaltung ist das Rückführteil im Mittenbereich angeordnet ist und weist insbesondere mindestens eine Durchführung für eine Messelektrodenkontaktierung und/oder zum Vergießen auf, wobei das Rückführteil durch mindestens eine Spule, und bevorzugt durch zwei Spulen verläuft, wobei die mindestens zwei Spulen bezüglich der entsprechenden Messelektrode auf
gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.
In einer Ausgestaltung schließen die Polschuhe in den Zwischenbereichen jeweils einen
Bogenwinkel ßz ein, welcher Bogenwinkel ßz um mindestens 30 Grad und insbesondere mindestens 40 Grad und bevorzugt mindestens 50 Grad kleiner ist als der Bogenwinkel 3M, wobei die Feldrückführung auf der ersten Seite und/oder zweiten Seite mindestens zwei
Rückführungsteile aufweist, welche Rückführungsteile die Polschuhe in jeweils einem
Zwischenbereich magnetisch verbinden.
In einer Ausgestaltung weist das Magnetsystem eine Abschirmvorrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, magnetische Störeinflüsse der Flansche bzw. Kragen zu minimieren, wobei die Abschirmvorrichtung mindestens ein Abschirmband aufweist, welches das Messrohr umfänglich zumindest teilweise umfasst, wobei das Abschirmband zwischen einem Flansch und dem Mittenbereich oder auf einer dem Mittenbereich zugewandten Seite des Kragens angeordnet ist, wobei das Abschirmband aus einem magnetisch leitfähigen Material gefertigt ist, wobei das Abschirmband beispielsweise einstückig oder aus mehreren Teilbändern gefertigt ist. Dies trägt zu einer Erhöhung einer möglichen Schaltfrequenz des Magnetsystems sowie zu längeren Messzeiten bei, da von durch in den Flanschen und Krägen induzierten Strömen verursachte magnetische Störeinflüsse im Messelektrodenbereich schneller unter eine kritische Grenze fallen.
In einer Ausgestaltung weist die Abschirmvorrichtung zwei Abschirmbänder aufweist, welche jeweils einem Flansch zugeordnet sind.
In einer Ausgestaltung weist das Rückführungsteil mindestens 5 und insbesondere mindestens 10 und bevorzugt mindestens 15 Lagen Elektroblech auf.
Dadurch kann die magnetische Leitfähigkeit des Rückführungsteils verbessert werden.
In einer Ausgestaltung weist das Messrohr einen Innendurchmesser von mindestens 0.35 Metern und insbesondere mindestens 1 Meter und bevorzugt mindestens 1.5 Metern auf.
Insbesondere bei Messrohren mit großen Rohrdurchmessern trägt die Erfindung zu großen Vorteilen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des Durchflussmessgerät bei.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Fig. 1 skizziert ein typisches magnetisch-induktives Durchflussmessgerät gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 skizziert ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät;
Fig. 3 a) bis c) zeigen schematische Seitenansichten alternativer Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktives Durchflussmessgeräts.
Fig. 1 skizziert einen Querschnitt durch ein bekanntes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, wobei das Durchflussmessgerät ein Messrohr 10, Messelektroden 30, und ein Magnetsystem mit zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Messrohrs angeordneten Spulen 21.1 , welche jeweils einen Spulenkern 21.2 aufweisen, wobei jeweils ein Polschuh 22 dazu eingerichtet ist, das magnetische Feld zwischen Messrohr und Spule zu leiten und dessen räumliche Verteilung im Messrohr auszuprägen. Der magnetische Fluss außerhalb des Messrohrs zwischen dem Messrohr abgewandten Seiten der Spulen ist mittels einer Feldrückführung bewerkstelligt. Der magnetische Fluss wird an den Übergängen zwischen Feldrückführung und Spulen, sowie Spule und Polschuh beeinträchtigt. Darüber hinaus sind, um die Spule räumlich kompakt auszugestalten, mehrere Windungsschichten Spulendraht notwendig, was jedoch nachteilhaft für einen Verbrauch von Spulendraht und auch problematisch hinsichtlich möglicher Überhitzung der Spule ist.
Fig. 2 skizziert anhand einer vereinfachten Querschnittszeichnung einen schematischen Aufbau eines beispielhaften erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts 1 in einem Mittenbereich 10.1 des Messrohrs. Das Durchflussmessgerät 1 weist ein Messrohr 10, ein
Magnetsystem 20, ein im Messrohr angeordnetes Paar Messelektroden 30, und eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung 40 auf, welche dazu eingerichtet ist, die Messelektroden 30 und das Magnetsystem 20 zu betreiben sowie Durchflussmesswerte bereitzustellen. Aus zeichnerischen Gründen sind elektrische Verbindungen zwischen den Messelektroden und der elektronischen Mess-/E3etriebsschaltung 40 und nur zwischen einer Spule und der elektronischen Mess- /Betriebsschaltung 40 gezeigt. Das Magnetsystem 20 umfasst ein Spulensystem 21 und zwei Polschuhe 22, welche dazu eingerichtet sind, das durch das Spulensystem erzeugte Magnetfeld zwischen Spulensystem 21 und Messrohr 10 zu leiten und die räumliche Verteilung des Magnetfelds im Messrohr auszuprägen. Das Spulensystem umfasst vier Spulen 21.1 mit jeweils einem
Spulenkern 21.2, und eine Feldrückführung 21.3 mit zwei Rückführungsteilen 21.4, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Messrohrs angeordnet sind und durch jeweils zwei Spulen 21.1 verlaufen und somit die Spulenkerne 21.2 der zugehörigen Spulen ausbilden. Die Polschuhe weisen dabei jeweils ein dünnes Metallblech auf, und liegen anders als in Fig. 2 dargestellt auf dem
Messrohr 10 auf. Die Feldrückführung 21.3 ist dabei in vier Kontaktbereichen K mit den Polschuhen 22 magnetisch gekoppelt, wobei die Rückführungsteile 21.4 anders als in Fig. 2 dargestellt auf den Polschuhen aufliegen. Die abweichende Darstellung ist dabei der Erkennbarkeit der einzelnen Bauteile des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts geschuldet. Die Einrichtung der
Rückführungsteile 21.4 als Spulenkerne 21.2 ermöglicht es, die Spulen in tangentialer Richtung zum Messrohr auszurichten. Damit kann eine Ausdehnung der Spulen entlang einer Spulenachse vergrößert und eine Anzahl von Windungsschichten verringert werden, was zu einer
Materialersparnis beiträgt und ein übermäßiges Erwärmen der Spule im Messbetrieb zumindest abmildert. Die Ausdehnung der Spule entlang ihrer Längsachse weist bezüglich der Messrohrachse 10.6 einen Bogenwinkel a von mindestens 2 Grad, und insbesondere mindestens 5 Grad und bevorzugt mindestens 10 Grad auf. Zusätzlich entfällt aufgrund der erfindungsgemäßen
Konstruktion der Übergang zwischen einem Spulenkern und einem Rückführungsteil, da die Rückführungsteile die Funktion mindestens eines Spulenkerns übernehmen, wodurch der magnetische Widerstand des Spulensystems vermindert wird.
Für eine vorteilhafte räumliche Ausgestaltung des Magnetfelds im Bereich der Messelektroden 20 schließen die Polschuhe im Mittenbereich 10.1 bezüglich der Messrohrachse 10.6 einen
Bogenwinkel 3M von mindestens 40 Grad und insbesondere mindestens 80 Grad und bevorzugt mindestens 120 Grad ein, wobei die Polschuhe durch zwei Lücken voneinander getrennt sind, wobei jede Lücke einen Bogenwinkel g von mindestens 5 Grad und insbesondere mindestens 10 Grad und bevorzugt mindestens 15 Grad einschließt. Die Lücken sind dazu eingerichtet, einen magnetischen Kurzschluss zwischen den Polschuhen zu vermeiden. Die Rückführungsteile können eine Durchführung für Messelektrodenkontaktierungen aufweisen (nicht gezeigt).
Ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ist nicht auf vier Spulen und zwei Rückführungsteile eingeschränkt. Ein erfindungsgemäßes Durchflussmessgerät kann n1 Spulen und n2 Rückführungsteile aufweisen, wobei n1 und n2 natürliche Zahlen sind und n2 < n1 +1 gilt.
Figs. 3 a) bis c) zeigen schematische Seitenansichten alternativer beispielhafter Ausgestaltungen eines Magnetsystems eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktives Durchflussmessgeräts, wobei Fig. 3a) ein Messrohr 10 mit einem daran in einem Mittenbereich des Messrohrs 10.1 angeordneten Magnetsystem 20 aufweist, wobei das Magnetsystem auf der gezeigten Seite ein Spulensystem 21 mit zwei Polschuhen und einem Rückführungsteil 21.4 einer Feldrückführung 21.3 aufweist. Das Feldrückführungsteil weist in einem Zentralbereich eine Durchführung für eine Messelektrodenkontaktierung 21.41 auf. Das Messrohr weist in Endbereichen 10.3 jeweils einen Flansch 10.5 und einen Kragen 10.4 auf, wobei die Flansche dazu eingerichtet sind, das
Durchflussmessgerät in einem Rohrleitungssystem anzuordnen, wobei die Krägen dazu eingerichtet sind, um einen Mantel um das Messrohr ausrichten zu können, wobei der Mantel Schirmbleche aufweisen kann, um das Magnetsystem vor externen Feldern abzuschirmen.
Fig. 3 b) zeigt ein bezüglich eines Messrohrquerschnitts symmetrisches Magnetsystem, wobei das in Fig. 3 a) gezeigte Spulensystem doppelt ausgeführt ist und symmetrisch bezüglich des Querschnitts angeordnet ist. Dadurch lässt sich die elektrische Verbindung der Messelektroden 30 zur elektronischen Mess-/Betriebsschaltung ohne eine Durchführung 21.41 wie in Fig. 3a) gezeigt ausgestalten. Der Fluss des Magnetfelds in den Rückführungsteilen wird somit nicht behindert. Alternativ kann beispielsweise auch nur eine Spule 21.1 pro Rückführungsteil 21.4 eingerichtet sein.
Fig. 3 c) zeigt eine weitere Möglichkeit ein erfindungsgemäßes Magnetsystem einzurichten, wobei die Polschuhe in den Zwischenbereichen 10.2 einen kleineren Bogenwinkel bzgl. der
Messrohrachse einschließen.
Für die in Figs. 3a) bis 3c) gezeigten Ausgestaltungen der Magnetsysteme gilt weiter Folgendes:
Das durch das Spulensystem erzeugte Magnetfeld verursacht in den Flanschen 10.5 und in den Krägen 10.4 elektrische Ströme, welche wiederum das Magnetfeld im Bereich der Messelektroden stören und die Messleistung des Durchflussmessgeräts mindern. Um diese Störeinflüsse zu mindern weist das Magnetsystem eine Abschirmvorrichtung 23 umfassend zwei Abschirmbänder 23.1 auf welche auf dem Spulensystem 21 zugewandten Seiten der Krägen bzw. Flansche angeordnet sind. Die Abschirmbänder weisen ein magnetisch leitfähiges Material auf und vermindern dadurch die Ausbreitung der Störeinflüsse zu den Messelektroden. Das Magnetsystem weist auf der der gezeigten Seite gegenüberliegenden Seite des Messrohrs bevorzugt mindestens eine weitere Spule und mindestens ein weiteres Rückführungsteil auf, welche vorteilhafterweise symmetrisch zu einem Längsschnitt des Messrohrs zu den gezeigten Spulen sowie Rückführteilen angeordnet sind.
Bezugszeichenliste
1 magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
10 Messrohr
10.1 Mittenbereich
10.2 Zwischenbereich
10.3 Endbereich
10.4 Kragen
10.5 Flansch
1 1 Messrohrachse
12 Messrohrwand
20 Magnetsystem
21 Spulensystem
21 .1 Spule
21 .2 Spulenkern
21 .3 Feldrückführung
21 .4 Rückführungsteil
21 .41 Durchführung für Messelektrodenkontaktierung 22 Polschuh
23 Abschirmvorrichtung
23.1 Abschirm band
30 Messelektroden
31 erste Messelektrode
32 zweite Messelektrode
40 elektronische Mess-/Betriebsschaltung

Claims

Patentansprüche
1. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (1 ) zur Messung des Volumendurchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit eines durch ein Messrohr (10) strömenden Mediums umfassend:
Das Messrohr (10) mit einer Messrohrachse (1 1 ) und einer Messrohrwand (12);
Ein Magnetsystem (20) zum Erzeugen eines Magnetfelds, welches Magnetfeld senkrecht zur Messrohrachse steht, wobei das Magnetsystem auf einer Außenseite des Messrohrs angebracht ist;
Zumindest ein Paar Messelektroden (30), welche Messelektroden mit dem im Messrohr befindlichen Medium kapazitiv oder galvanisch gekoppelt sind, wobei die Messelektroden dazu eingerichtet sind, eine im Medium durch das Magnetfeld induzierte elektrische Spannung abzugreifen, wobei eine erste Messelektrode (31 ) des Messelektrodenpaars auf einer ersten Seite des Messrohrs und eine zweite Messelektrode (32) des Messelektrodenpaars einer zweiten Seite des Messrohr angeordnet ist;
Eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (40) zum Betreiben des Magnetsystems und der Messelektroden, wobei das Magnetsystem (20) folgendes aufweist: ein Spulensystem (21 ) mit mindestens einer Spule (21.1 ) mit einem Spulenkern (21.2); zwei Polschuhe (22), welche auf gegenüberliegenden Seiten des Messohrs angeordnet sind, wobei die Polschuhe dazu eingerichtet, das von dem Spulensystem erzeugte Magnetfeld in das Messrohr überzuführen sowie das das Messrohr durchdringende Magnetfeld aufzunehmen und zum
Spulensystem zu leiten; wobei das Spulensystem (21 ) eine Vorrichtung zur Feldrückführung (21.3) aufweist, welche
Vorrichtung zur Feldrückführung dazu eingerichtet ist, dass Magnetfeld außerhalb des Messrohrs zwischen den Polschuhen zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tangentialanteil des Magnetfelds in der Spule bezüglich der Messrohrachse mindestens 90% des Gesamtmagnetfelds beträgt, wobei die Vorrichtung zur Feldrückführung (21.3) mindestens einen Rückführungsteil (21.4) aufweist, welcher jeweils durch mindestens eine Spule verläuft und jeweils den Spulenkern (21.2) der entsprechenden mindestens einen Spule (21.1 ) ausbildet.
2. Durchflussmessgerät (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das Rückführungsteil (21.4) mindestens eine Lage Elektroblech aufweist, welches die Anforderungen der Norm DIN EN 10106 Ausgabe 2007-11 erfüllt, oder wobei das Elektroblech insbesondere kornorientiert ist und die Anforderungen der Norm DIN EN 10107 Ausgabe 2005-10 erfüllt, wobei die Kornorientierung parallel zum magnetischen Fluss im Rückführungsteil ausgerichtet ist.
3. Durchflussmessgerät (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spule (21.1 ) höchstens 15 Windungslagen und insbesondere höchstens 10
Windungslagen und bevorzugt höchstens 5 Windungslagen aufweist.
4. Durchflussmessgerät (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei eine Ausdehnung der Spule entlang ihrer Längsachse bezüglich der Messrohrachse einen Bogenwinkel a von mindestens 2 Grad, und insbesondere mindestens 5 Grad und bevorzugt mindestens 10 Grad aufweist.
5. Durchflussmessgerät (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite des Messrohrs jeweils mindestens eine Spule mit einem zugehörigen Rückführungsteil angeordnet ist.
6. Durchflussmessgerät (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Messrohr (10) entlang der Messrohrachse (1 1 ) zwei Endbereiche (10.3), einen
Mittenbereich (10.1 ) und zwei Zwischenbereiche (10.2) aufweist, wobei jeweils ein Zwischenbereich zwischen einem Endbereich und dem Mittenbereich angeordnet ist, wobei das Messrohr in seinen Endbereichen jeweils einen Flansch (10.5) und einen Kragen (10.4) aufweist, welche Flansche dazu eingerichtet sind an eine Rohrleitung angeschlossen zu werden, wobei das mindestens eine Messelektrodenpaar im Mittenbereich angeordnet ist.
7. Durchflussmessgerät (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Polschuhe (22) und/oder Rückführungsteile (21.4) und/oder Spulen (21.1 ) jeweils symmetrisch bezüglich eines Quer- und/oder Längsschnitts des Messrohrs angeordnet sind.
8. Durchflussmessgerät (1 ) nach Anspruch 7, wobei die Polschuhe (22) im Mittenbereich (10.1 ) bezüglich der Messrohrachse einen Bogenwinkel 3M von mindestens 40 Grad und insbesondere mindestens 80 Grad und bevorzugt mindestens 120 Grad einschließen, wobei die Polschuhe durch zwei Lücken voneinander getrennt sind, wobei jede Lücke einen Bogenwinkel g von mindestens 5 Grad und insbesondere mindestens 10 Grad und bevorzugt mindestens 15 Grad einschließt.
9. Durchflussmessgerät (1 ) nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Rückführteil (21.4) im Mittenbereich (10.1 ) angeordnet ist und insbesondere mindestens eine Durchführung (21.41 ), insbesondere für eine Messelektrodenkontaktierung aufweist, wobei das Rückführteil durch mindestens eine Spule, und bevorzugt durch zwei Spulen verläuft, wobei insbesondere die mindestens zwei Spulen bezüglich der entsprechenden Messelektrode auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.
10. Durchflussmessgerät (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Polschuhe (22) in den Zwischenbereichen (10.2) jeweils einen Bogenwinkel ßz einschließen, welcher Bogenwinkel ßz um mindestens 30 Grad und insbesondere mindestens 40 Grad und bevorzugt mindestens 50 Grad kleiner ist als der Bogenwinkel 3M, wobei die Feldrückführung (21.3) auf der ersten Seite und/oder zweiten Seite mindestens zwei Rückführungsteile (21.4) aufweist, welche Rückführungsteile die Polschuhe in jeweils einem Zwischenbereich magnetisch verbinden.
1 1 . Durchflussmessgerät (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Magnetsystem (20) eine Abschirmvorrichtung (23) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, magnetische Störeinflüsse der Flansche (10.5) bzw. Kragen (10.4) zu minimieren, wobei die Abschirmvorrichtung mindestens ein Abschirmband (23.1 ) aufweist, welches das Messrohr umfänglich zumindest teilweise umfasst, wobei das Abschirmband zwischen einem Flansch und dem Mittenbereich oder auf einer dem Mittenbereich zugewandten Seite des Kragens angeordnet ist, wobei das Abschirmband aus einem magnetisch leitfähigen Material gefertigt ist, wobei das Abschirmband beispielsweise einstückig oder aus mehreren Teilbändern gefertigt ist.
12. Durchflussmessgerät (1 ) nach Anspruch 11 , wobei die Abschirmvorrichtung (23) zwei Abschirmbänder (23.1 ) aufweist, welche jeweils einem Flansch zugeordnet sind.
13. Durchflussmessgerät (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche 2 bis 12, wobei das Rückführungsteil (21.4) mindestens 5 und insbesondere mindestens 10 und bevorzugt mindestens 15 Lagen Elektroblech aufweist.
14. Durchflussmessgerät (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Messrohr einen Innendurchmesser von mindestens 0.35 Metern und insbesondere mindestens 1 Meter und bevorzugt mindestens 1.5 Metern aufweist.
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