WO2014195338A1 - Vorrichtung und verfahren zur magnetisch-induktiven durchflussmessung - Google Patents

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WO2014195338A1
WO2014195338A1 PCT/EP2014/061534 EP2014061534W WO2014195338A1 WO 2014195338 A1 WO2014195338 A1 WO 2014195338A1 EP 2014061534 W EP2014061534 W EP 2014061534W WO 2014195338 A1 WO2014195338 A1 WO 2014195338A1
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WO
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measuring
electrodes
switch
measuring device
electrically conductive
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PCT/EP2014/061534
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Marcus Wolff
Henry BUHNS
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Zylum Beteiligungsgesellschaft Mbh & Co. Patente Ii Kg
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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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    • G01F1/58—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters
    • G01F1/60—Circuits therefor

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring a flow rate of an electrically conductive medium in a volume penetrated by a magnetic field according to claim 1 and a corresponding method according to claim 12.
  • the measuring principle of magnetic-inductive flow measuring devices is based on the law of electromagnetic induction (Faraday's law).
  • the flowing liquid in a tube forms a moving electrical conductor (which requires a, at least low, conductivity of the liquid).
  • an electrical voltage can be measured via two electrodes, which are arranged perpendicular to the magnetic field, the magnitude of which is proportional to the flow rate of the liquid.
  • a measuring voltage is superimposed with interference voltages.
  • a portion of the interference voltages is due to electromagnetic radiation from the environment. This proportion can by means of suitable shielding of the
  • Measuring arrangement can be reduced.
  • Another interference voltage component is generated by electrochemical processes at the interface between the measuring electrodes and the liquid.
  • At the boundary layer of the electrodes to the liquid there are redox reactions in which electrons are exchanged between electrodes and liquid.
  • Even if both electrodes are made of the same material and thus carry out identical reactions, in practice they are not in chemical equilibrium. Therefore, there are different electrical potentials and thus a voltage between the
  • Electrodes Causes are, for example, the unequal number of atoms at the boundary layers (for example due to differences in chemical purity or due to geometric differences), inhomogeneous contamination of the liquid or deposits on the electrodes.
  • the amount of voltage changes continuously.
  • Reason for these changes for example, diffusion, convection, dissociation, ionization and friction.
  • a DC voltage varies continuous as the charge distribution within the fluid changes due to flow and turbulence. At the same time occurs as a result of
  • Electrode pair is applied, it comes to electrolysis and thus to an externally imposed exchange of electrons, which is superimposed on the electrochemical stress. These effects lead to an (indeterminate) tripping sliding stress, which is superimposed as an offset on the actual measurement signal.
  • the object is achieved by a measuring device for measuring a flow velocity of an electrically conductive medium in a volume penetrated by a magnetic field
  • At least one electrical resistance at least two electrodes, wherein the at least two electrodes are electrically (permanently) connected via the at least one electrical resistance, and
  • an evaluation unit for evaluating a measurement signal of the electrodes measured parallel to the at least one resistor and calculating the flow rate.
  • a core idea of the invention is that between the electrodes a (permanent) electrical connection is realized via a resistor. As a result, a charge compensation can take place continuously, so that on the one hand a comparatively high measuring speed is made possible and on the other hand interference voltages, in particular electrochemical interference voltages, are reduced.
  • the medium is preferably guided in a corresponding conduit, in particular a tube.
  • a pipe in particular such a pipe, may be part of the measuring device.
  • the at least two electrodes are in direct contact with the flowing medium.
  • the measuring device comprises at least one permanent magnet for generating the magnetic field. This can further improve the measurement accuracy.
  • the (at least one) resistor preferably has a value of 10 to 200 kOhm, preferably 40 to 60 kOhm, more preferably 50 kOhm. With such a resistance, a particularly good compromise is achieved between a comparatively high measuring speed and a comparatively high measuring accuracy.
  • a switch for providing a second electrical connection (in addition to the electrical resistance) for shorting the at least two electrodes, wherein the second electrical connection is additionally and parallel to the first electrical connection (of the at least one electrical resistance).
  • the switch preferably has a resistance of at least 10 G ohms in the open state, more preferably at least 100 G ohms.
  • the switch in the closed state have a resistance of at most 1 ohm, preferably at most 0, 1 ohms and more preferably at most 10 mOhm.
  • the evaluation unit of the measuring device comprises a timer for controlling the open and short circuit times of the switch.
  • the timer is configured to short-circuit the switch for a first time period and then open for measurement for a second time period.
  • the first short-circuiting period may be 70 to 200 ms, preferably 60 to 100 ms, more preferably 80 ms.
  • the second period may preferably be 1 to 40 ms, more preferably 10 to 30 ms, still more preferably 20 ms.
  • the measuring device may have a receiving device which records the time profile of the measuring signal.
  • the determination of the flow rate by the evaluation unit may be based on the fact that the time profiles of the flow-induced voltage and electrochemical interference voltage differ.
  • the evaluation unit may comprise a suitable measuring circuit, preferably a triggered measuring circuit
  • a medium conducting pipe for example, a pipe
  • the pipe By grounding the pipe (the pipe) is deliberately prevented that the pipe (pipe) acts as an antenna. Radiation induced noise can be reduced (due to adequate shielding of the entire measurement system).
  • the measuring device comprises a battery for providing an operating voltage.
  • a (interference voltage-charged) supply voltage may possibly be completely eliminated. This further improves the measuring accuracy.
  • the operating voltage is used to supply in particular the measuring electronics or evaluation.
  • the electrodes may be at least partially and / or at least partially made of an inert material, preferably gold or platinum, or be coated with an inert material, preferably gold or platinum.
  • the electrodes can be made at least in sections and / or proportionally from an electrically conductive polymer.
  • the electrodes can be made at least in sections and / or at least partially from an electrically conductive ceramic.
  • the electrodes can be made at least in sections and / or at least partially from carbon nanotubes.
  • Inert electrode materials (such as gold or platinum) are also low in electrochemical reaction. Their use therefore further reduces the electrochemical offset. The smallest possible electrode potential / redox potential (standard potential) is preferred.
  • Electrically conductive polymers and ceramics have similar advantages. Due to their structure, carbon nanotubes are also able to form porous, electrically conductive and mechanically stable networks. Overall, the electrochemical stability and thus the measurement accuracy are further improved.
  • the object is achieved by a measuring method for measuring a flow rate of an electrically conductive medium in a volume penetrated by a magnetic field, in particular using the measuring device of the type described above, comprising the steps: Generating a magnetic field,
  • the at least two electrodes are in direct contact with the electrically conductive medium.
  • the magnetic field is preferably generated by permanent magnets.
  • the at least two electrodes may additionally and in parallel with the permanent resistance connection be connected to a switch which is designed to short-circuit the electrodes.
  • the switch may have a resistance of at least 10 GOhm in the opened state.
  • the switch can preferably have a resistance of at most 1 ohm, preferably at most 0, 1 ohm, particularly preferably at most 10 ohm, in the switched-on state.
  • the open and short circuit times of the switch can be controlled.
  • the switch is shorted for a first period of time and then opened for measurement for a second time period.
  • the first period is 40 to 200 ms, preferably 60 to 100 ms, more preferably 80 ms.
  • the second period is preferably 1 to 40 ms, more preferably 10 to 30 ms, still more preferably 20 ms.
  • the time course of the measuring signal is recorded in a preferred embodiment.
  • the determination of the flow rate can be based on the fact that the time profiles of the flow-induced voltage and the electrochemical control voltage differ.
  • a medium conducting pipe (eg pipe) may be grounded.
  • a battery may be provided for providing an operating voltage (for supplying the measuring electrode or the evaluation electrode).
  • the electrodes may be made at least in sections and / or proportionally from a grounded material, preferably gold or platinum, or with this be coated and / or be made of an electrically conductive polymer and / or made of an electrically conductive ceramic and / or be made of carbon nanotubes.
  • Figure 1 is a schematic representation of a measuring device for measuring a flow rate of an electrically conductive medium
  • Figure 2 is a signal-time diagram.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an embodiment of the measuring device for measuring the flow rate.
  • a pipe 10 flows an electrically conductive medium whose flow direction is indicated by the arrow 11. Furthermore, located within the measuring tube 10, a first electrode 12 and a second electrode 13, which are opposite. An imaginary connecting line between the electrodes is perpendicular to the flow direction according to the arrow 11. Furthermore, located within the measuring tube, a first magnet 14 and a second magnet 15. An imaginary line connecting the magnets 14, 15 is parallel to the flow direction according to the arrow 11. Die Pipe 10 is connected to a ground 16 and thus grounded.
  • the electrodes 12, 13 are connected to one another via a resistor 17. Furthermore, the electrodes 12, 13 can be connected via a switch 18 which can be connected in parallel to the resistor 17.
  • Reference numeral 19 denotes an amplifier which amplifies a measurement signal of the electrodes 12, 13.
  • the measuring signal of the electrodes 12, 13 (the measuring voltage of the electrodes 12, 13) is measured in parallel with the resistor 17. Furthermore, the inputs of the amplifier 19 are connected in parallel to the switch 18.
  • the electrodes 12, 13 are in contact with the medium flowing in the pipeline 10. With flowing medium, this leads to the charge separation and deposition of positive particles or negative particles on the surfaces of the electrodes 12, 13.
  • the electrodes 12, 13 are via leads 20, 21 with the resistor 17, the switch 18 and the inputs of the amplifier 19 connected.
  • the switch 18 may be switched by a drive unit (not shown) and a timer.
  • the drive unit can also drive an evaluation unit (also not shown).
  • Figure 2 shows a typical course of a magnetically induced useful signal, an electro-chemical interference signal and the sum of the two signals.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung einer Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums in einem von einem Magnetfeld durchsetzten Volumen, umfassend eine Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes, mindestens einen elektrischen Widerstand, zumindest zwei Elektroden, wobei die zumindest zwei Elektroden über den mindestens einen elektrischen Widerstand elektrisch verbunden sind und eine Auswertungseinheit zur Auswertung eines parallel zu dem mindestens einen Widerstand gemessenen Messsignals der Elektroden und Berechnung der Fließgeschwindigkeit.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur magnetisch-induktiven Durchflussmessung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums in einem von einem Magnetfeld durchsetzten Volumen nach Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Verfahren nach Anspruch 12.
Das Messprinzip von magnetisch-induktiven Durchfluss-Messvorrichtungen beruht auf dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion (Faraday'sches Gesetz). Die strömende Flüssigkeit in einem Rohr bildet dabei einen bewegten elektrischen Leiter (was eine, zumindest geringe, Leitfähigkeit der Flüssigkeit voraussetzt). Wenn die Flüssigkeit durch ein Magnetfeld fließt, kann über zwei Elektroden, die senkrecht zum Magnetfeld angeordnet sind, eine elektrische Spannung gemessen werden, deren Betrag proportional zur Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist.
Grundsätzlich ist eine Messspannung mit Störspannungen überlagert. Ein Anteil der Störspannungen ist auf elektromagnetische Strahlung aus der Umgebung zurückzuführen. Dieser Anteil kann mittels geeigneter Abschirmung der
Messanordnung verringert werden. Ein weiterer Störspannungsanteil wird von elektrochemischen Vorgängen an der Grenzschicht zwischen den Messelektroden und der Flüssigkeit erzeugt. An der Grenzschicht der Elektroden zur Flüssigkeit kommt es zu Redox-Reaktionen, bei denen Elektronen zwischen Elektroden und Flüssigkeit ausgetauscht werden. Auch wenn beide Elektroden aus demselben Werkstoff bestehen und damit identische Reaktionen ablaufen, befinden sie sich in der Praxis nicht im chemischen Gleichgewicht. Daher kommt es zu unterschiedlichen elektrischen Potentialen und damit zu einer Spannung zwischen den
Elektroden. Ursachen sind beispielsweise die ungleiche Anzahl der Atome an den Grenzschichten (beispielsweise durch Unterschiede bezüglich der chemischen Reinheit oder aufgrund geometrischer Unterschiede), inhomogene Verunreinigungen der Flüssigkeit oder Anlagerungen an den Elektroden. Der Betrag der Spannung ändert sich kontinuierlich. Grund für diese Änderungen können beispielsweise Diffusion, Konvektion, Dissoziation, Ionisation und Reibung sein. Sobald die Flüssigkeit in Bewegung kommt, variiert eine Gleichspannung kontinuierlich, da sich die Ladungsverteilung innerhalb der Flüssigkeit infolge von Strömungen und Turbulenzen verändert. Gleichzeitig tritt als Folge der
magnetischen Induktion eine Spannung an den Elektroden auf. Diese Spannung ist üblicherweise das eigentliche Messsignal. Wenn eine Spannung an ein
Elektrodenpaar angelegt wird, kommt es zur Elektrolyse und damit zu einem von außen aufgezwungenen Austausch von Elektronen, der der elektrochemischen Spannung überlagert ist. Diese Effekte führen zu einer (unbestimmt) triftenden Gleitspannung, die als Offset dem eigentlichen Messsignal überlagert ist.
Aus der US 6,463,807 Bl ist ein Verfahren zur magnetisch-induktiven Durchflussmessung bekannt, wobei ein Magnetfeld durch einen Permanent-Magneten bereitgestellt wird. Ein Schalter ist vorgesehen, um Elektroden, die in Kontakt mit dem zu messenden Medium stehen, periodisch kurzuschließen.
Eine Eliminierung der Offset-Spannung ist möglich, indem die Elektroden zum Ladungsausgleich kurzgeschlossen werden. Das magnetisch-induzierte Nutzsignal wird üblicherweise gemessen, wenn der Kurzschluss aufgehoben wird. Unmittelbar nach Unterbrechung des Kurzschlusses stellt sich aber auch das elektrochemische Störsignal wieder ein. Im Ergebnis bedeutet dies eine verringerte Genauigkeit der Messung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, wobei ein zufriedenstellender Kompromiss erreicht werden soll zwischen einer vergleichsweise hohen Messgeschwindigkeit einerseits und einer vergleichsweise guten Reduktion von Störspannungen (insbesondere elektrochemischen Störspannungen) andererseits.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß Anspruch 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Messvorrichtung zur Messung einer Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums in einem von einem Magnetfeld durchsetzten Volumen, umfassend
- eine Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds,
- mindestens einen elektrischen Widerstand, - zumindest zwei Elektroden, wobei die zumindest zwei Elektroden über den mindestens einen elektrischen Widerstand elektrisch (permanent) verbunden sind, und
- eine Auswertungseinheit zur Auswertung eines parallel zu dem mindestens einen Widerstand gemessenen Messsignals der Elektroden und Berechnung der Fließgeschwindigkeit.
Ein Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass zwischen den Elektroden eine (permanente) elektrische Verbindung über einen Widerstand realisiert wird. Dadurch kann kontinuierlich ein Ladungsausgleich stattfinden, so dass einerseits eine vergleichsweise hohe Messgeschwindigkeit ermöglicht wird und andererseits Störspannungen, insbesondere elektrochemische Störspannungen, reduziert sind.
Das Medium wird vorzugsweise in einer entsprechenden Leitung geführt, insbesondere einem Rohr. Eine derartige Leitung, insbesondere ein derartiges Rohr, kann Bestandteil der Messvorrichtung sein.
In einer konkreten Ausführungsform sind die zumindest zwei Elektroden in direktem Kontakt mit dem fließenden Medium.
Vorzugsweise umfasst die Messvorrichtung mindestens einen Permanentmagneten zur Erzeugung des Magnetfelds. Dadurch lässt sich die Messgenauigkeit weiter verbessern.
Der (mindestens eine) Widerstand weist vorzugsweise einen Wert von 10 bis 200 kOhm, vorzugsweise 40 bis 60 kOhm, weiter vorzugsweise 50 kOhm auf. Bei einem derartigen Widerstand wird ein besonders guter Kompromiss zwischen einer vergleichsweise hohen Messgeschwindigkeit und einer vergleichsweise hohen Messgenauigkeit erreicht.
In einer konkreten Ausführungsform ist ein Schalter vorgesehen zur Bereitstellung einer zweiten elektrischen Verbindung (neben dem elektrischen Widerstand) zum Kurzschluss der zumindest zwei Elektroden, wobei die zweite elektrische Verbindung zusätzlich und parallel zur ersten elektrischen Verbindung (des mindestens einen elektrischen Widerstands) ausgebildet ist. Der Schalter weist vorzugsweise im geöffneten Zustand einen Widerstand von mindestens 10 GOhm, weiter vorzugsweise mindestens 100 GOhm auf. Außerdem kann der Schalter im geschlossenen Zustand einen Widerstand von höchstens 1 Ohm, vorzugsweise höchstens 0, 1 Ohm und weiter vorzugsweise höchstens 10 mOhm aufweisen. Durch eine Kombination des Schalters mit dem (mindestens einen) elektrischen Widerstand wird eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht.
In einer konkreten Ausführungsform umfasst die Auswerteeinheit der Messvorrichtung einen Timer zur Steuerung von Offen- und Kurzschlusszeiten des Schalters. Vorzugsweise ist der Timer derart ausgebildet, dass er den Schalter für einen ersten Zeitraum kurzschließt und dann für einen zweiten Zeitraum zum Messen öffnet. Der erste Zeitraum zum Kurzschließen kann 70 bis 200 ms, vorzugsweise 60 bis 100 ms, weiter vorzugsweise 80 ms umfassen. Der zweite Zeitraum kann vorzugsweise 1 bis 40 ms, weiter vorzugsweise 10 bis 30 ms, noch weiter vorzugsweise 20 ms umfassen. Dadurch wird ein besonders guter Kom- promiss erreicht, der einerseits eine hohe Messgeschwindigkeit gestattet und andererseits insbesondere die elektrischen Störspannungen in hohem Maße reduziert.
Die Messvorrichtung kann gemäß einer konkreten Ausführungsform eine Aufnahmeeinrichtung aufweisen, die den zeitlichen Verlauf des Messsignals aufzeichnet. Die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit durch die Auswerteeinheit kann darauf basieren, dass sich die zeitlichen Verläufe der vom Durchfluss induzierten Spannung und elektrochemischen Störspannung unterscheiden. Die Auswerteeinheit kann eine geeignete Messschaltung umfassen, bevorzugt eine getriggerte
Sample- and Hold-Schaltung, die vorzugsweise selektiv den Anteil der vom
Durchfluss induzierten Spannung erfasst. Nachdem der Kurzschluss zwischen den Elektroden durch Öffnen des Schalters wieder aufgehoben wurde, dauert es einige Zeit, bis sich die magnetisch induzierte Nutzspannung und die elektrochemische Störspannung wieder vollständig eingestellt haben. Die Zeit für die elektrochemischen Vorgänge ist dabei im Wesentlichen von der Reaktionskinetik an den Elektroden abhängig. Insbesondere wenn signifikante Unterschiede im dynamischen Verhalten zwischen beiden Vorgängen vorliegen (beispielsweise, wenn sich eine Spannung schneller abbaut als die andere), kann mithilfe einer geeigneten Messschaltung (beispielsweise einer getriggerten Sample-and-Hold-Schaltung) nur der Anteil der induzierten Spannung gemessen werden. Dadurch wird die Messgenauigkeit weiter verbessert. Eine das Medium leitende Leitung (beispielsweise ein Rohr) kann geerdet werden. Durch eine Erdung der Leitung (des Rohrs) wird bewusst verhindert, dass die Leitung (Rohrleitung) als Antenne wirkt. Durch Strahlung hervorgerufene Störspannungen können (aufgrund ausreichender Abschirmung des gesamten Messsystems) reduziert werden.
Vorzugsweise umfasst die Messvorrichtung eine Batterie zur Bereitstellung einer Betriebsspannung. Durch eine derartige Batterie kann eine (störspannungsbehaf- tete) Versorgungsspannung ggf. vollständig entfallen. Dadurch wird die Messgenauigkeit weiter verbessert. Die Betriebsspannung dient der Versorgung insbesondere der Messelektronik bzw. Auswerteeinheit.
Die Elektroden können zumindest abschnittsweise und/oder zumindest anteilig aus einem inerten Material, vorzugsweise Gold oder Platin, gefertigt sein oder mit einem inerten Material, vorzugsweise Gold oder Platin, beschichtet sein. Die Elektroden können zumindest abschnittsweise und/oder anteilig aus einem elektrisch leitenden Polymer gefertigt sein. Weiterhin können die Elektroden zumindest abschnittsweise und/oder zumindest anteilig aus einer elektrisch leitenden Keramik gefertigt sein. Weiterhin können die Elektroden zumindest abschnittsweise und/oder zumindest anteilig aus Kohlenstoffnanoröhren gefertigt sein. Inerte Elektrodenmaterialien (wie Gold oder Platin) sind auch elektrochemisch reaktionsarm. Ihre Verwendung reduziert daher weiter den elektrochemischen Offset. Bevorzugt ist ein möglichst kleines Elektrodenpotential/Redoxpotential (Standardpotential). Elektrisch leitende Polymere und Keramiken weisen ähnliche Vorteile auf. Auch Kohlenstoffnanoröhren sind aufgrund ihrer Struktur in der Lage, poröse, elektrisch leitfähige und mechanisch stabile Netzwerke zu bilden. Insgesamt werden die elektrochemische Stabilität und dadurch die Messgenauigkeit weiter verbessert.
Alternativ wird die oben genannte Aufgabe durch ein Messverfahren nach Anspruch 12 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Messverfahren zur Messung einer Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums in einem von einem Magnetfeld durchsetzten Volumen, insbesondere unter Verwendung der Messvorrichtung der weiter oben beschriebenen Art, gelöst, umfassend die Schritte: - Erzeugen eines Magnetfeldes,
- Bereitstellung von mindestens zwei Elektroden, die permanent über mindestens einen Widerstand elektrisch verbunden werden,
- Messung eines Messsignals parallel zu dem mindestens einen elektrischen Widerstand,
- Auswertung des gemessenen Messsignals zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit.
Vorzugsweise sind die zumindest zwei Elektroden im direkten Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Medium. Das Magnetfeld wird vorzugsweise von Permanentmagneten erzeugt. Die zumindest zwei Elektroden können zusätzlich und parallel zur permanenten Widerstandsverbindung mit einem Schalter verbunden sein, der dazu ausgebildet ist, die Elektroden kurzzuschließen. Der Schalter kann im geöffneten Zustand einen Widerstand von zumindest 10 GOhm aufweisen. Weiterhin kann der Schalter vorzugsweise im eingeschalteten Zustand einen Widerstand von höchstens 1 Ohm, vorzugsweise höchstens 0, 1 Ohm, besonders bevorzugt höchstens 10 mOhm aufweisen.
Die Offen- und Kurzschlusszeiten des Schalters können gesteuert werden. Vorzugsweise wird der Schalter für einen ersten Zeitraum kurzgeschlossen und dann für einen zweiten Zeitraum zum Messen geöffnet. Weiter vorzugsweise ist der erste Zeitraum 40 bis 200 ms, vorzugsweise 60 bis 100 ms, weiter vorzugsweise 80 ms. Der zweite Zeitraum ist vorzugsweise 1 bis 40 ms, weiter vorzugsweise 10 bis 30 ms, noch weiter vorzugsweise 20 ms.
Der zeitliche Verlauf des Messsignals wird in einer bevorzugten Ausführungsform aufgezeichnet. Die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit kann darauf basieren, dass sich die zeitliche Verläufe der vom Durchfluss induzierten Spannung und der elektrochemischen Steuerspannung unterscheiden.
Eine das Medium leitende Leitung (beispielsweise Rohr) kann geerdet sein.
Eine Batterie kann zur Bereitstellung einer Betriebsspannung (zur Versorgung des Messelektrode bzw. der Auswerteelektrode) vorgesehen sein.
Die Elektroden können zumindest abschnittsweise und/oder anteilig aus einem geerdeten Material, bevorzugt Gold oder Platin, gefertigt sein oder mit diesem beschichtet sein und/oder aus einem elektrisch leitendem Polymer gefertigt sein und/oder aus einer elektrisch leitenden Keramik gefertigt sein und/oder aus Kohlenstoffnanoröhren gefertigt sein.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das anhand der folgenden Figuren näher erläutert wird.
Hierbei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung zur Messung einer Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums;
Figur 2 ein Signal-Zeit-Diagramm.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der Messvorrichtung zur Messung der Fließgeschwindigkeit.
Innerhalb einer Rohrleitung 10 fließt ein elektrisch leitfähiges Medium, dessen Durchflussrichtung mit dem Pfeil 11 angezeigt ist. Weiterhin befinden sich innerhalb des Messrohrs 10 eine erste Elektrode 12 sowie eine zweite Elektrode 13, die sich gegenüberliegen. Eine gedachte Verbindungslinie zwischen den Elektroden ist senkrecht zur Durchflussrichtung gemäß dem Pfeil 11. Weiterhin befinden sich innerhalb des Messrohrs ein erster Magnet 14 sowie ein zweiter Magnet 15. Eine gedachte Verbindungslinie zwischen den Magneten 14, 15 ist parallel zur Durchflussrichtung gemäß dem Pfeil 11. Die Rohrleitung 10 ist mit einer Erde 16 verbunden und somit geerdet. Die Elektroden 12, 13 sind über einen Widerstand 17 miteinander verbunden. Weiterhin können die Elektroden 12, 13 über einen Schalter 18, der parallel zum Widerstand 17 geschaltet werden kann, verbunden werden. Mit dem Bezugszeichen 19 ist ein Verstärker gekennzeichnet, der ein Messsignal der Elektroden 12, 13 verstärkt.
Die Messung des Messsignals der Elektroden 12, 13 (der Messspannung der Elektroden 12, 13) erfolgt parallel zum Widerstand 17. Weiterhin sind die Eingänge des Verstärkers 19 zu dem Schalter 18 parallel geschaltet.
Die Elektroden 12, 13 sind mit dem innerhalb des in der Rohrleitung 10 fließenden Mediums in Kontakt. Bei fließendem Medium kommt es hierdurch zur Ladungstrennung und Anlagerung von positiven Teilchen bzw. negativen Teilchen an den Oberflächen der Elektroden 12, 13. Die Elektroden 12, 13 sind über Zuleitungen 20, 21 mit dem Widerstand 17, dem Schalter 18 sowie den Eingängen des Verstärkers 19 verbunden.
Der Schalter 18 kann durch eine (nicht gezeigt) Ansteuereinheit und einen Timer geschaltet werden. Die Ansteuereinheit kann auch eine (ebenfalls nicht gezeigte) Auswertungseinheit ansteuern.
Figur 2 zeigt einen typischen Verlauf eines magnetisch induzierten Nutzsignals, eines elektro-chemischen Störsignals sowie die Summe der beiden Signale.
Wie erkennbar ist, dauert es einige Zeit, bis sich die magnetisch induzierte Nutzspannung und die elektrochemische Steuerspannung wieder vollständig eingestellt haben, nachdem der Kurzschluss zwischen den Elektroden (zum Zeitpunkt t=0) durch Öffnen des Schalters wieder aufgehoben wurde. Die Zeit für die elektrochemischen Vorgänge ist dabei im Wesentlichen von der Reaktionskinetik an den Elektroden abhängig. Wenn nun signifikante Unterschiede im dynamischen Verhalten zwischen beiden Vorgängen vorliegen (beispielsweise eine Spannung baut sich später auf als die andere), kann mit einer (optional vorgesehenen) geeigneten Messschaltung (beispielsweise einer getriggerten Sample-and-Hold- Schaltung) nur der Anteil der induzierten Spannung gemessen werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination nochmals insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden. Änderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig. Bezugszeichenliste
Rohrleitung
Pfeil
erste Elektrode
zweite Elektrode
erster Magnet
zweiter Magnet
Erde
Widerstand
Schalter
Verstärker
erste Zuleitung
zweite Zuleitung

Claims

Vorrichtung und Verfahren zur magnetisch-induktiven Durchflussmessung Ansprüche
1. Messvorrichtung zur Messung einer Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums in einem von einem Magnetfeld durchsetzten
Volumen, umfassend
eine Einrichtung (14, 15) zur Erzeugung des Magnetfeldes, mindestens einen elektrischen Widerstand (17),
zumindest zwei Elektroden (12, 13), wobei die zumindest zwei
Elektroden (12, 13) über den mindestens einen elektrischen
Widerstand (17) elektrisch verbunden sind und
eine Auswertungseinheit zur Auswertung eines parallel zu dem mindestens einen Widerstand (17) gemessenen Messsignals der
Elektroden (12, 13) und Berechnung der Fließgeschwindigkeit.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen Permanentmagneten (14, 15) zur Erzeugung des Magnetfeldes.
3. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (17) einen Wert von 10 bis 200 kOhm, vorzugsweise 40 bis 60 kOhm, weiter vorzugsweise (ca.) 50 kOhm aufweist.
4. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schalter (18) zur Bereitstellung einer zweiten elektrischen Verbindung zum Kurzschluss der zumindest zwei Elektroden (12, 13), wobei die zweite elektrische Verbindung zusätzlich und parallel zur ersten elektrischen Verbindung des mindestens einen elektrischen Widerstandes (17) ausgebildet ist,
vorzugsweise wobei der Schalter (18) im geöffneten Zustand einen Widerstand von zumindest 10 GOhm, vorzugweise zumindest 100 GOhm aufweist und/oder
vorzugsweise wobei der Schalter im eingeschalteten Zustand einen Widerstand von höchstens 1 Ohm, vorzugsweise höchstens 0, 1 Ohm und besonders bevorzugt höchstens 10 mOhm aufweist.
5. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit einen Timer umfasst zur Steuerung von Offen- und Kurzschlusszeiten des
Schalters,
vorzugsweise wobei der Timer derart ausgebildet ist, dass er den Schalter (18) für einen ersten Zeitraum kurzschließt und dann für einen zweiten Zeitraum zum Messen öffnet,
weiter vorzugsweise wobei der erste Zeitraum zum Kurzschließen 40 bis 200 ms, vorzugsweise 60 bis 100 ms, weiter vorzugsweise (ca.) 80 ms umfasst und der zweite Zeitraum vorzugsweise 1 bis 40 ms, weiter vorzugsweise 10 bis 30 ms, noch weiter vorzugsweise (ca.) 20 ms umfasst.
6. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit eine Aufnahmeeinrichtung aufweist, die den zeitlichen Verlauf des Messsignals aufzeichnet.
7. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit durch die Auswerteeinheit darauf basiert, dass sich die zeitlichen Verläufe der vom Durchfluss induzierten Spannung und der elektrochemischen Störspannung unterscheiden.
8. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit eine geeignete Messschaltung umfasst, bevorzugt eine getriggerte Sample-and- Hold-Schaltung, die vorzugsweise selektiv den Anteil der vom Durchfluss induzierten Spannung erfasst.
9. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Medium leitende Leitung (Rohr) geerdet ist.
10. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Batterie zur Bereitstellung einer Betriebsspannung .
11. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (12, 13) zumindest abschnittsweise und/oder zumindest anteilig aus einem inerten Material, bevorzugt Gold oder Platin, gefertigt sind oder mit diesem beschichtet sind und/oder
aus einem elektrisch leitenden Polymer gefertigt sind und/oder
aus einer elektrisch leitenden Keramik gefertigt sind und/oder
aus Kohlenstoffnanoröhren gefertigt sind.
12. Messverfahren zur Messung einer Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums in einem von einem Magnetfeld durchsetzten Volumen, insbesondere unter Verwendung der Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte:
Erzeugung eines Magnetfeldes,
Bereitstellung von mindestens zwei Elektroden (12, 13), die permanent über mindestens einen Widerstand (17) elektrisch verbunden werden,
Messung eines Messsignals parallel zu dem mindestens einen elektrischen Widerstand (17) und
Auswertung des gemessenen Messsignals zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit.
13. Messverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
zumindest zwei Elektroden (12, 13) in direktem Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Medium sind.
14. Messverfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld von einem oder mehreren Permanentmagneten (14, 15) erzeugt wird.
15. Messverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Elektroden (12, 13) zusätzlich und parallel zur permanenten Widerstandsverbindung mit einem Schalter verbunden sind, der dazu ausgebildet ist, die Elektroden (12, 13) kurzzuschließen,
vorzugsweise wobei der Schalter im geöffneten Zustand einen Widerstand von zumindest 10 GOhm, vorzugweise zumindest 100 GOhm aufweist und/oder
vorzugsweise wobei der Schalter im eingeschalteten Zustand einen Widerstand von höchstens 1 Ohm, vorzugsweise höchstens 0,1 Ohm und besonders bevorzugt höchstens 10 mOhm aufweist.
16. Messverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Offen- und Kurzschlusszeiten des Schalters (18) gesteuert werden,
wobei vorzugsweise der Schalter (18) für einen ersten Zeitraum kurzgeschlossen wird und dann für einen zweiten Zeitraum zum Messen geöffnet wird,
wobei weiter vorzugsweise der erste Zeitraum 40 bis 200 ms, vorzugsweise 60 bis 100 ms, weiter vorzugsweise (ca.) 80 ms umfasst und der zweite Zeitraum vorzugsweise 1 bis 40 ms, weiter vorzugsweise 10 bis 30 ms, noch weiter vorzugsweise (ca .) 20 ms umfasst.
17. Messverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, insbesondere nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Messsignals aufgezeichnet wird.
18. Messverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, insbesondere nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit darauf basiert, dass sich die zeitlichen Verläufe der vom Durchfluss induzierten Spannung und der elektrochemischen Störspannung unterscheiden.
19. Messverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Medium leitende Leitung (Rohr) geerdet wird .
20. Messverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie zur Bereitstellung einer Betriebsspannung vorgesehen wird.
21. Messverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (12, 13) zumindest abschnittsweise und/oder anteilig aus einem inerten Material, bevorzugt Gold oder Platin, gefertigt sind oder mit diesem beschichtet sind und/oder
aus einem elektrisch leitenden Polymer gefertigt sind und/oder
aus einer elektrisch leitenden Keramik gefertigt sind und/oder
aus Kohlenstoffnanoröhren gefertigt sind .
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