WO2008074738A1

WO2008074738A1 - Magnetisch-induktives gerät zum messen des volumen- oder massestroms eines mediums in einer rohrleitung

Info

Publication number: WO2008074738A1
Application number: PCT/EP2007/063953
Authority: WO
Inventors: Arno Lang; Jörg Roth
Original assignee: Endress+Hauser Flowtec Ag
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2008-06-26
Also published as: DE102006060440A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums (11) in einer Rohrleitung, mit einem Messrohr (2), das von dem Medium (11) in Richtung der Längsachse (3) des Messrohres (2) durchströmt wird, mit einem Magnetsystem (6, 7), das ein das Messrohr (2) durchsetzendes, im wesentlichen quer zur Längsachse (3) des Messrohres (2) verlaufendes Magnetfeld (B) erzeugt, mit zumindest zwei mit dem Medium (11) koppelnden Messelektroden (4, 5), die in einem im wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld (B) liegenden Bereich des Messrohres (2) angeordnet sind, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (8), die anhand der in die Messelektroden (4, 5) induzierten Messspannung Information über den Volumen- oder Massestrom des Mediums (11) in dem Messrohr (2) liefert. Erfindungsgemäß sind an der Innenfläche (24) des Messrohres (2) Drallgeber (21) vorgesehen, die so ausgestaltet sind, dass der Weg des Mediums (11) durch das Messrohr (2) größer ist als die Längenausdehnung (L) des Messrohres (2).

Description

Beschreibung

Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums in einer

Rohrleitung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums in einer Rohrleitung, mit einem Messrohr, das von dem Medium in Richtung der Längsachse des Messrohres durchströmt wird, mit einem Magnetsystem, das ein das Messrohr durchsetzendes, im wesentlichen quer zur Längsachse des Messrohres verlaufendes Magnetfeld erzeugt, mit zumindest zwei mit dem Medium koppelnden Messelektroden, die in einem im wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld liegenden Bereich des Messrohres angeordnet sind, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der in die Messelektroden induzierten Messspannung Information über den Volumen- oder Massestrom des Mediums in dem Messrohr liefert.

[0002] Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte nutzen für die volumetrische Strömungsmessung das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus: Senk-recht zu einem Magnetfeld bewegte Ladungsträger des Mediums induzieren in gleichfalls im wesentlichen senkrecht zur Durchflussrichtung des Mediums und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes angeordnete Messelektroden eine Messspannung. Die in die Messelektroden induzierte Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums; sie ist also proportional zum Volumenstrom. Ist die Dichte des Mediums bekannt, lässt sich der Massestrom in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr bestimmen. Die Messspannung wird üblicherweise über ein Messelektrodenpaar abgegriffen, das bezüglich der Koordinate entlang der Messrohrachse in dem Bereich maximaler Magnetfeldstärke angeordnet ist und wo folglich die maximale Messspannung zu erwarten ist. Die Messelektroden sind üblicherweise galvanisch mit dem Medium gekoppelt; es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit kapazitiv koppelnden Messelektroden bekannt geworden.

[0003] Das Messrohr kann entweder aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Edelstahl, gefertigt sein, oder es besteht aus einem elektrisch isolierenden Material. Ist das Messrohr aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, so muss es in dem mit dem Medium in Kontakt kommenden Bereich mit einem Liner aus einem elektrisch isolierenden Material ausgekleidet sein. Der Liner besteht üblicherweise aus einem thermoplastischen, einem duroplastischen oder einem elastomeren Kunststoff. Es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit einer keramischen Auskleidung bekannt geworden.

[0004] Die Messelektroden sind neben dem Magnetsystem die zentralen

Komponenten eines magnetisch-induktiven Durchflusssensors. Bei der Ausgestaltung und Anordnung der Messelektroden ist darauf zu achten, dass sie sich möglichst einfach in dem Messrohr montieren lassen und dass nachfolgend im Messbetrieb keine Dichtigkeitsprobleme auftreten; darüber hinaus sollen sich die Messelektroden durch eine empfindliche und gleichzeitig störungsarme Messsignalerfassung auszeichnen. Das Magnetsystem ist so ausgestaltet, dass es -angesteuert durch die Regel-/Auswerteeinheit- ein alternierendes und ein im Bereich des Messrohres in hohem Maße homogenes Magnetfeld erzeugt. Die infolge des strömenden Mediums induzierte Spannung wird jeweils während der Phasen gemessen, in denen das Magnetfeld nach einem Umschaltvorgang einen im wesentlichen konstanten Wert annimmt.

[0005] Die Reproduzierbarkeit der Messungen und somit die Messgenauigkeit können durch kurzzeitig auftretende Schwankungen im Volumendurchfluss verschlechtert werden. Derartige Schwankungen im Volumenstrom können auf Druckänderungen und eine daraus resultierende Wirbelbildung im Bereich des Einlaufs oder des Auslaufs zurückzuführen sein.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Durchflussmessgerät vorzuschlagen, das so ausgestaltet ist, dass das Medium im Bereich der Messwerterfassung ein in hohem Maße stationäres Strömungsprofil aufweist.

[0007] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass an der Innenfläche des Messrohres Drallgeber vorgesehen sind, die so ausgestaltet sind, dass der Weg, den das Medium durch das Messrohr nimmt, größer ist als die Länge des Messrohres. Erfindungsgemäß wird der Weg, den das Medium durch das Messrohr nimmt, quasi künstlich verlängert. Bevorzugt sind die Drallgeber so angeordnet und/oder ausgestaltet, dass sie das strömende Medium auf einem gekrümmten Weg durch das Messrohr führen, wobei der Weg, auf dem das Medium durch das Messrohr strömt, größer ist als die Längenausdehnung des Messrohres.

[0008] Bevorzugt handelt es sich bei den Drallgebern um Einbuchtungen oder Stege an oder auf der Innenfläche des Messrohrs. Die Einbuchtungen oder Stege verlaufen in Richtung der Längsachse des Messrohres, sind aber um einen bestimmten Winkel zur Längsachse des Messrohres geneigt. Die Einbuchtungen oder Stege sind so ausgebildet, dass das ursprünglich in Richtung der Längsachse strömende Medium durch die Einbuchtungen oder Stege umgelenkt wird und dem verlängerten, durch die Einbuchtungen oder Stege vorgegebenen Weg folgt. Der Ablenkwinkel für das strömende Medium, der durch die Einbuchtungen oder Stege vorgegeben ist, beträgt beispielsweise 45^°.

[0009] Allgemein ist vorgesehen, dass die Drallgeber bzw. die Einbuchtungen unter einem flachen Einlauf- bzw. Auslaufwinkel gegen die Strömungsrichtung des Mediums geneigt sind. Insbesondere sind die Einbuchtungen oder Stege im Bereich des Einlaufs und des Auslaufs des Messrohres in hohem Maße symmetrisch zueinander ausgestaltet.

[0010] Weiterhin sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen

Durchflussmessgeräts vor, dass die Drallgeber bzw. die Einbuchtungen so dimensioniert sind, dass sie dem Medium einen näherungsweise wirbelfreien Drall verleihen. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Messelektroden ein gleichförmiges, zumindest näherungsweise homogen vorbeiströmendes Medium 'sehen'. Hierdurch wird das Rauschen an den Messelektroden reduziert und somit die Messgenauigkeit erhöht.

[0011] Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts sieht vor, das Messrohr in seinem mittleren Bereich, in dem die Messwerterfassung erfolgt, eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die Querschnittsfläche in den beiden Endbereichen, dem Einlaufbereich und dem Auslaufbereich, des Messrohrs. Die Einbuchtungen und/oder Stege, die vornehmlich im Ein- und Auslauf-bereich des Messrohres zu finden sind, sind hier so angeordnet und/oder ausgestaltet, dass die Druckänderung infolge der Querschnittsveränderung der durchströmten Flache im mittleren Bereich des Messrohrs näherungsweise Null ist bzw. dass sie minimal ist. Im mittleren Bereich strömt das Medium im wesentlichen wieder parallel zur Längsachse des Messrohres.

[0012] Der Vorteil einer Querschnittverjüngung bzw. -Verringerung im mittleren Bereich des Messrohres ist darin zu sehen, dass bei gleicher Auslegung des Magnetsystems im Bereich der Messwerterfassung durch die Messelektroden ein stärkeres Magnetfeld herrscht. Infolge des erhöhten Magnetfeldes ist die in die Messelektroden induzierte Spannung vergrößert. Somit steht für die Messung des Durchflusses ein entsprechend stärkeres Messsignal an den Messelektroden zur Verfügung. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung lässt sich somit die Messgenauigkeit des Durchflussmessgeräts erheblich erhöhen.

[0013] Weiterhin ist bei dem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät vorgesehen, dass der Durchmesser des Messrohres in den beiden Endbereichen einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und dass der Innenquerschnitt in dem mittleren Bereich, in dem das Magnetsystem und die Messelektroden angeordnet sind, einen rechteckförmigen oder einen ovalen Querschnitt aufweist. Selbstverständlich kann der Querschnitt auch weiterhin rund sein. Bevorzugt sind die Drallgeber so angeordnet, dass am Eingang des Einlaufs und am Ausgang des Auslaufs die Strömungsrichtung des Mediums jeweils zumindest näherungsweise parallel zur Längsachse des Messrohres verläuft. Somit erfolgt die Umlenkung des Mediums im Einlaufbereich betragsmäßig gleich zu der Umlenkung im Auslaufbereich des Messrohres, allerdings ist die Richtung der Ablenkung im Auslaufbereich entegegengesetzt zu der Richtung der Ablenkung im Einlaufbereich.

[0014] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Drallgeber an der Innenfläche des Einlaufbereichs und des Auslaufsbereichs vorgesehen; der mittlere Bereich ist frei von Drallgebern.

[0015] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

[0016] Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts,

[0017] Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine erste Ausgestaltung des Messrohres des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts,

[0018] Fig. 3: eine perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung des inneren Messrohres aus Fig. 2,

[0019] Fig. 4: eine Draufsicht gemäß der Kennzeichnung A in Fig. 2 und

[0020] Fig. 5: eine vergrößerte Darstellung des mit B gekennzeichneten Teilbereichs aus Fig. 4.

[0021] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Das Messrohr 2 wird von dem Medium 11 in Richtung der Längsachse 3 des Messrohres 2 durchströmt. Durch die an der Innenfläche 24 des Messrohres 2 angeordneten Drallgeber 21 wird der Weg, den das Medium 11 durch das Messrohr nimmt, quasi künstlich verlängert. Spezielle Ausgestaltungen der Innenfläche 24 des Messrohres 2 bzw. der Drallgeber 21 sind in den Figuren Fig. 2 bis Fig. 5 dargestellt.

[0022] Das Medium 11 ist zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähig. Für den Fall, dass das Messrohr 2 aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist, muss das Messrohr 2 an seiner Innenfläche 24 mit einem elektrisch nicht-leitfähigen Liner 17 ausgekleidet sein; der Liner 17 besteht bevorzugt aus einem Material, das in hohem Maße chemisch und/oder mechanisch beständig ist.

[0023] Das senkrecht zur Hauptströmungsrichtung S des Mediums 11 ausgerichtete alternierende Magnetfeld B wird über ein Magnetsystem, z.B. über zwei diametral angeordnete Spulenanordnungen 6, 7 bzw. über zwei diametral angeordnete Elektromagnete, erzeugt. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung wird bevorzugt ein als zumindest ein Steckmodul ausgestaltetes Magnetsystem eingesetzt, wie es in der zeitgleich mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten Deutschen Patentanmeldung im Detail beschrieben ist. Das in der parallel eingereichten Patentanmeldung offenbarte Steckmodul in ein- oder mehrteiliger Ausgestaltung ist hervorragend in Zusammenhang mit dem Messrohr mit Drallgebern einsetzbar.

[0024] Unter dem Einfluss der Magnetfeldes B wandern in dem Medium 11 befindliche Ladungsträger je nach Polarität zu den beiden entgegengesetzt gepolten Messelektroden 4, 5 ab. Die sich an den Messelektroden 4, 5 aufbauende Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres 2 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 11 , d. h. sie ist ein Maß für den Volumenstrom des Mediums 11 in dem Messrohr 2. Das Messrohr 2 ist übrigens über Flansche 22, wie sie in Fig. 2 zu sehen sind, mit einer in den Zeichnungen nicht explizit dargestellten Rohrleitung verbunden, die von dem Medium 11 durchströmt wird.

[0025] Bei den beiden Messelektroden 4, 5 handelt es sich bevorzugt um Messelektroden, deren mit dem Medium 11 in Kontakt kommender Endbereich aufgeweitet ist. Neben diesen linsenförmigen von innen zu montierenden Messelektroden können selbstverständlich auch von außen zu montierende Stiftelektroden verwendet werden.

[0026] Über elektrische Verbindungsleitungen 12, 13 sind die Messelektroden 4, 5 mit der Regel-Auswerteeinheit 8 verbunden. Die Verbindung zwischen den Spulenanordnungen 6, 7 des Magnetsystems und der Regel-/Auswerteeinheit 8 erfolgt über die elektrischen Verbindungsleitungen 14, 15. Die Regel-/Auswerteeinheit 8 ist über die Verbindungsleitung 16 mit einer Eingabe-/Ausgabeeinheit 9 verbunden. Der Auswerte-/Regeleinheit 8 ist die Speichereinheit 10 zugeordnet.

[0027] In Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres zu sehen, wie es bevorzugt in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät einsetzbar ist. Die dem Medium 11 zugewandte Innenfläche 24 des Messrohres 2 lässt sich in drei Abschnitte unterteilen: den Einlaufbereich 18, den mittleren Bereich 20 und den Auslaufbereich 19. Im gezeigten Fall hat der mittlere Bereich 20 eine ovale Querschnittsfläche. Das Magnetsystem 6, 7, das in der Fig. 2 nicht gesondert dargestellt ist, ist so plaziert, dass es ein Magnetfeld B erzeugt, dessen Magnetfeldlinien senkrecht zu dem abgeplatteten Bereich des Messrohres 2 verlaufen. Aufgrund des reduzierten Durchmessers im mittleren Bereich 20 des Messrohres 2 lässt sich das Magnetfeld B bei gleich ausgelegtem Magnetsystem 6, 7 entsprechend erhöhen. An den Messelektroden 4, 5, die bevorzugt senkrecht zu dem Magnetfeld B in der Wandung des Messrohres 2 angeordnet sind, kann folglich eine erhöhte induzierte Messspannung abgegriffen werden.

[0028] Problematisch bei einer Querschnittsverjüngung im mittleren Bereich des Messrohres 2 ist der mit dem verkleinerten Querschnitt einhergehende Druckverlust im Auslaufbereich 19 des Messrohres 2. Um diesem Druckverlust auszugleichen, sind insbesondere im Auslaufbereich 19 des Messrohres 2 Drallgeber 21 an der Innenfläche 24 des Messrohres 2 angeordnet. Im dargestellten Fall handelt es sich bei den Drallgebern 21 um Einbuchtungen mit halbkreisförmigem Querschnitt, die so angeordnet und/oder ausgestaltet sind, dass die Umlenkung bzw. die Ablenkung des strömenden Mediums 11 aus seiner ursprünglichen Strömungsrichtung S zumindest näherungsweise wirbelfrei erfolgt. Die Umlenkung im Einlaufbereich 18 ist prinzipiell nicht notwendig, bietet sich jedoch aus Symmetriegründen an.

[0029] Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Ablenk- oder Umlenkwinkel α im Einlaufbereich 18 und im Auslaufbereich betragsgleich aber entgegengesetzt orientiert. Bevorzugt liegt die Umlenkung bzw. die Ablenkung bei jeweils 45^°. Je nach Ausgestaltung der Drallgeber 21 sind aber auch andere Umlenkwinkel α realisierbar. Zu beachten ist, dass der Weg des Mediums 11 durch das Messrohr 2 - künstlich verlängert - um so größer wird, je größer der Umlenk- bzw. Ablenkwinkel α ist.

[0030] In Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung des inneren Messrohres 2 dargstellt, wie er bereits im Zusammenhang mit der Fig. 2 detailliert beschrieben wurde. Bevorzugt erfolgt der Übergang zwischen dem verkleinerten mittleren Bereich 20 und dem größeren Ein- oder Auslaufbereich kontinuierlich oder stufenförmig in der Form eines Trichters. Im wesentlichen hat der Ein- und der Auslauf die trichterförmige Ausgestaltung eines Grammophons.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht gemäß der Kennzeichnung A in Fig. 2 und in Fig. 5 ist eine vergrößerte Darstellung des mit B gekennzeichneten Teilbereichs aus Fig. 4 zu sehen. [0031] Bezugszeichenliste

1. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät

2. Messrohr

3. Längsachse des Messrohres

4. Messelektrode

5. Messelektrode

6. Spulenanordnung / Magnetsystem

7. Spulenanordnung / Magnetsystem

8. Regel-/Auswerteeinheit

9. Eingabe-/Ausgabeeinheit

10. Speichereinheit

11. Medium

12. Verbindungsleitung

13. Verbindungsleitung

14. Verbindungsleitung

15. Verbindungsleitung

16. Verbindungsleitung

17. Liner

18. Einlaufbereich

19. Auslaufbereich

20. Mittlerer Bereich

21. Drallgeber

22. Flansch

23. Bohrung

24. Innenfläche

Claims

Ansprüche

1. 1. Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums (11) in einer Rohrleitung, mit einem Messrohr (2), das von dem Medium (11) in Richtung der Längsachse (3) des Messrohres (2) durchströmt wird, mit einem Magnetsystem (6, 7), das ein das Messrohr (2) durchsetzendes, im wesentlichen quer zur Längsachse (3) des Messrohres (2) verlaufendes Magnetfeld (B) erzeugt, mit zumindest zwei mit dem Medium (11) koppelnden Messelektroden (4, 5), die in einem im wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld (B) liegenden Bereich des Messrohres (2) angeordnet sind, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (8), die anhand der in die Messelektroden (4, 5) induzierten Messspannung Information über den Volumen- oder Massestrom des Mediums (11) in dem Messrohr (2) liefert, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenfläche (24) des Messrohres (2) Drallgeber (21) vorgesehen sind, die so ausgestaltet sind, dass der Weg des Mediums (11) durch das Messrohr (2) gegenüber der Längenausdehnung (L) des Messrohres (2) verlängert ist.

2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Drallgebern (21) um Einbuchtungen oder Stege auf der Innenfläche (24) des Messrohrs (2) handelt.

3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallgeber (21) bzw. die Einbuchtungen unter einem flachen Einlaufbzw. Auslaufwinkel (α) gegen die Strömungsrichtung des Mediums (11) geneigt sind.

4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallgeber (21) bzw. die Einbuchtungen so dimensioniert sind, dass sie dem Medium (11) einen näherungsweise wirbelfreien Drall verleihen.

5. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (2) in einem mittleren Bereich (20) einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser in den beiden Endbereichen (18, 19), dem Einlaufbereich (18) und dem Auslaufbereich (19), des Messrohrs (2).

6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser in den beiden Endbereichen (18, 19) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und dass der Durchmesser in dem mittleren Bereich (20) einen runden, einen rechteckförmigen oder einen ovalen Querschnitt aufweist.

7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallgeber (21) an der Innenfläche (24) des Einlaufbereichs (18) und des Auslaufsbereichs (19) vorgesehen sind.