WO2023099277A1 - Magnetisch-induktive durchflussmessvorrichtung - Google Patents

Magnetisch-induktive durchflussmessvorrichtung Download PDF

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WO2023099277A1
WO2023099277A1 PCT/EP2022/082699 EP2022082699W WO2023099277A1 WO 2023099277 A1 WO2023099277 A1 WO 2023099277A1 EP 2022082699 W EP2022082699 W EP 2022082699W WO 2023099277 A1 WO2023099277 A1 WO 2023099277A1
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WO
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coil
voltage
operating signal
interval
shot
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Application number
PCT/EP2022/082699
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English (en)
French (fr)
Inventor
Florent Tschambser
Tulio PAIVA GALVAO
Jean-Marc Baysang
Beat Grüter
Original Assignee
Endress+Hauser 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+Hauser Flowtec Ag filed Critical Endress+Hauser Flowtec Ag
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/58—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters
    • G01F1/60—Circuits therefor

Definitions

  • the invention relates to a magnetic-inductive flow measuring device, in particular a magnetic-inductive flow measuring device and/or a magnetic-inductive flow measuring probe.
  • Electromagnetic flow measuring devices are used to determine the flow rate and the volume flow of a flowing medium in a pipeline.
  • a magneto-inductive flowmeter has a device for generating a magnetic field, which generates a magnetic field perpendicular to the flow direction of the flowing medium. Single coils are usually used for this.
  • additional pole shoes are formed and attached in such a way that the magnetic field lines run essentially perpendicular to the transverse axis or parallel to the vertical axis of the measuring tube over the entire tube cross-section.
  • a magneto-inductive flowmeter has a measuring tube on which the device for generating the magnetic field is arranged.
  • a pair of measuring electrodes attached to the lateral surface of the measuring tube picks up an electrical measuring voltage or potential difference perpendicular to the direction of flow and to the magnetic field, which arises when a conductive medium flows in the direction of flow with an applied magnetic field. Since the measured voltage depends on the speed of the flowing medium according to Faraday's law of induction, the flow rate and - with the addition of a known pipe cross-section - the volume flow can be determined from the induced measuring voltage.
  • magnetic-inductive flowmeter probes In contrast to a magnetic-inductive flowmeter, which includes a measuring tube for guiding the medium with an attached device for generating a magnetic field penetrating the measuring tube and measuring electrodes, magnetic-inductive flowmeter probes with their usually circular-cylindrical housing are inserted into a lateral opening of a pipeline and fixed in a fluid-tight manner . A special measuring tube is no longer necessary.
  • the measuring electrode arrangement and coil arrangement on the outer surface of the measuring tube mentioned at the beginning is omitted and is replaced by a device for generating a magnetic field, which is arranged inside the housing and in the immediate vicinity of the measuring electrodes, which is designed in such a way that an axis of symmetry of the magnetic field lines of the generated magnetic field corresponds to the Front surface or the surface between the measuring electrodes intersects perpendicularly.
  • a device for generating a magnetic field which is arranged inside the housing and in the immediate vicinity of the measuring electrodes, which is designed in such a way that an axis of symmetry of the magnetic field lines of the generated magnetic field corresponds to the Front surface or the surface between the measuring electrodes intersects perpendicularly.
  • Magnetic-inductive flow meters are widely used in process and automation technology for fluids with an electrical conductivity of around 5 pS/cm.
  • Corresponding flow measuring devices are sold by the applicant in a wide variety of embodiments for different areas of application, for example under the name PROMAG or MAGPH
  • WO 2014/001026 A1 teaches a controller in which an operating signal applied to the coil arrangement is regulated in such a way that a (coil) current flowing through the coil arrangement reaches and maintains a (coil) current setpoint in a specified measurement phase .
  • the (coil) current flowing through the coil arrangement generates a magnetic field with a magnetic induction dependent on the (coil) current.
  • DE 10 2015 116 771 B4 also discloses a method for setting a constant magnetic field strength of a magnetic field in a magneto-inductive flowmeter, in which case a constant target current is specified for a current regulator.
  • EP3211384A2 discloses an electromagnetic flowmeter that has at least two pairs of coils that are arranged on the circumference of the measuring tube.
  • the pairs of coils each have two coils connected in series, which are offset from one another in the direction of flow. Furthermore, a large number of scenarios are disclosed as to how the coil pairs can be supplied with current separately.
  • the object of the invention is to provide a magneto-inductive flow measuring device with a more robust magnetic field.
  • the task is solved by the magneto-inductive flow measuring device according to claim 1.
  • the magnetic-inductive flow measuring device for determining a flow rate-dependent measured variable of a flowable medium, comprising:
  • a device for generating a magnetic field comprising at least a first coil and a second coil;
  • a device for tapping a measuring voltage induced in the flowable medium in particular comprising at least two measuring electrodes, preferably arranged diametrically;
  • an operating circuit which is set up to apply a first operating signal to the first coil and separately a second operating signal to the second coil, the first operating signal and the second operating signal each having a time-varying (coil) voltage curve which is divided into time intervals is divided, the time intervals each having a first time sub-interval in which a first (coil) voltage that is preferably constant over the entire first time sub-interval is applied to the coils, the time intervals of the first operating signal each having at least one measurement interval in which a (Coil) current flows through the first coil, coil currents of different measuring intervals of the first operating signal being variable values;
  • a regulator circuit wherein the regulator circuit is set up to regulate at least the first (coil) voltage of the first operating signal in such a way that a deviation of a control function from a predefined control setpoint, in particular a variable that is proportional to a magnetic flux, is minimal.
  • the separate operation of the two coils has the advantage that it is possible to react to aging of a single coil and at the same time the magnetic field to be generated can be adapted to the current flow profile in the medium. Furthermore, the operating signals can be individually adjusted in order to react to external interference magnets. advantageous embodiment of the invention are the subject of the dependent claims.
  • One embodiment provides that the first operating signal and the second operating signal are synchronized in such a way that the respective time intervals of the two operating signals begin at the same time.
  • time intervals of the first operating signal each have a second time sub-interval in which an in particular constant second (coil) voltage is applied to the first coil over the entire second time sub-interval, the second (coil) voltage being greater than the first (coil) voltage, the duration of the second time sub-interval and the first (coil) voltage each being a variable and controllable variable, the control function being a product of the duration of the second time sub-interval and one of the first (coils -)Voltage dependent function depends.
  • Magneto-inductive flow measuring devices with such a controller circuit have a higher insensitivity to external interference fields.
  • the controller circuit according to the invention is particularly advantageous when used in magneto-inductive flow measuring devices supplied via an electrochemical storage device. As a rule, these are operated with a significantly lower current or a significantly lower (coil) voltage than conventional magnetic-inductive flow measuring devices supplied via a mains power supply. This means that the field-carrying components do not go into magnetic saturation during use.
  • Electromagnetic flow measuring devices with the controller circuit according to the invention also have a significantly lower temperature coefficient of the magnetic field, with the temperature coefficient describing the deviation of the magnetic field per temperature change.
  • the control setpoint determined and provided at the factory or during commissioning can be determined in an adjustment process or by a computer simulation.
  • the control setpoint also includes a quantity that is proportional to the magnetic flux. This means that the setpoint includes the unit of the magnetic flux.
  • the magnetic flux of a coil arrangement depends on the one hand Self-induction L of the coil and a quadratic contribution of the (coil) current currently flowing through the coil arrangement, and on the other hand from the magnetic flux that is generated by eddy currents occurring in the metallic carrier tube and the housing. If an external magnet is attached to the magneto-inductive flow measuring device or brought close to it, this also contributes to the magnetic flux in the measuring tube.
  • the time intervals of the first operating signal and the second operating signal each have a second partial time interval in which an, in particular constant, second (coil) voltage is applied to the first coil over the entire second partial time interval, with the second (coil) voltage is greater than the first (coil) voltage, the duration of the second time sub-interval and the first (coil) voltage each being a variable and controllable variable, the control function being a product of the duration of the second time sub-interval and a function dependent on the first (coil) voltage, the controller circuit being set up to also regulate the first (coil) voltage of the second operating signal in such a way that a deviation of a control function from a predetermined one, in particular one to a magnetic flux proportional size comprehensive control setpoint is minimal, wherein coil currents of different measurement intervals of the second operating signal are variable sizes.
  • One embodiment provides that the duration of the first time sub-interval of the first operating signal and the duration of the first time sub-interval of the second operating signal are the same in the respective time intervals.
  • One embodiment provides that a sum of the duration of the first time sub-interval and the duration of the second time sub-interval of the first operating signal and a sum of the duration of the first time sub-interval and the duration of the second time sub-interval of the second operating signal are the same in the respective time intervals.
  • first (coil) voltage of the first operating signal differs from the first (coil) voltage of the second operating signal.
  • second (coil) voltage of the first operating signal differs from the second (coil) voltage of the second operating signal.
  • One embodiment provides that the control setpoint of the first operating signal differs at least temporarily from the control setpoint of the second operating signal.
  • the regulator circuit is set up to regulate the first (coil) voltage of the first operating signal and the first (coil) voltage of the second operating signal in such a way that a deviation of a control function from a predetermined one, in particular one to one magnetic flux-proportional control setpoint is minimal, wherein the control setpoint depends on a product of the duration of the second partial time interval of the first operating signal and a function dependent on the first (coil) voltage of the first operating signal, the control setpoint also depending on a product of the duration of the second time sub-interval of the second operating signal and a function dependent on the first (coil) voltage of the second operating signal.
  • the regulator circuit is set up to regulate the first (coil) voltage of the second operating signal in such a way that a deviation of the (coil) current during the measurement interval from a factory-specified (coil) current setpoint is minimal .
  • the operating circuit is set up to apply the first operating signal to the second coil for the duration of a diagnostic interval, with a diagnostic circuit being set up to calculate a corrected (coil) To determine current setpoint that replaces the specified coil setpoint.
  • a diagnostic circuit being set up to calculate a corrected (coil) To determine current setpoint that replaces the specified coil setpoint.
  • the device for generating the magnetic field additionally has N further coils, where N > 1 applies, with the operating circuit also being set up to operate the N further coils each with an operating signal, with the operating signals for operating the N further coils each have a (coil) voltage curve that changes over time, which is divided into time intervals, with the time intervals each having a first time sub-interval in which a first (coil) voltage that is preferably constant over the entire first time sub-interval is applied to the N further coils is applied, wherein the time intervals of the operating signals each have a second time sub-interval in which an in particular constant second (coil) voltage is applied to the N further coil over the entire second time sub-interval, the second (coil) voltage being greater than the first (coil) voltage, the duration of the second time sub-interval and the first (coil) voltage each being a variable and controllable variable, the control function being a product of the duration of the second time sub-interval and one of the first (coils -)
  • control function depends on at least three and preferably N+2 products of the duration of the second partial time interval and a function of the respective operating signals that is dependent on the first (coil) voltage.
  • the first operating signal has rest intervals in which essentially no (coil) voltage is applied to the first coil, with a (coil) voltage being applied to the second coil during the rest intervals.
  • a diagnostic circuit is set up to determine the coil that is disturbed by an external magnetic field as a function of a currently regulated (coil) voltage value of the first (coil) voltage and/or a current duration of the second time sub-interval .
  • the position of a device generating an interference magnetic field relative to the magneto-inductive flow measuring device can be determined. If a control function assigned to an individual coil deviates more or earlier from the control setpoint than the control functions of the other coils, then the device generating the interference magnetic field is closer to the corresponding coil than to the remaining coils.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the course of the (coil) voltage and the correspondingly generated magnetic field through the coil arrangement
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the course of the (coil) voltage and the correspondingly generated magnetic field through the coil arrangement
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the course of the (coil) voltage and the correspondingly generated magnetic field through the coil arrangement
  • FIG. 1 shows a cross section of an embodiment of the magneto-inductive flow meter 1 according to the invention.
  • the structure and the measuring principle of a magneto-inductive flow meter 1 are known in principle.
  • a flowable medium which has electrical conductivity is passed through a measuring tube 2 .
  • the measuring tube 2 includes a support tube 3, which is usually made of steel, ceramic, plastic or glass or at least include them.
  • a device 5 for generating a magnetic field is arranged on the carrier tube 3 in such a way that the magnetic field lines are oriented essentially perpendicular to a longitudinal direction defined by a measuring tube axis.
  • the device 5 for generating the magnetic field comprises a coil arrangement made up of at least one saddle coil or at least one coil 6.
  • Magneto-inductive flowmeters usually have two coils 6 arranged diametrically.
  • a coil core 14 usually extends through a receptacle 15 of the coil 6 .
  • the volume delimited by the coil wire forming the coil 6 is to be understood as the receptacle 15 .
  • the receptacle 15 of the coil 6 can thus be formed by a coil holder or by the imaginary enclosed volume. The latter occurs when the coil wire of coil 6 is wound directly around coil core 14 .
  • the coil core 14 is formed from a magnetically conductive, in particular soft-magnetic material.
  • the device 5 for generating the magnetic field usually also includes a pole shoe 21 which is arranged at one end of the coil core 14 .
  • the pole shoe 21 can be a separate component or can be monolithically connected to the coil core 14 .
  • two diametrically arranged coils 6.1, 6.2 each have a coil core 14.1, 14.2 and a pole shoe 21.1, 21.2.
  • the two coil cores 14.1, 14.2 are connected to one another via a field feedback 22.
  • the field return 22 connects the opposite sides of the coil cores 14.1, 14.2 to each other.
  • magnetic-inductive flowmeters with exactly one coil with a coil core or a saddle coil and without field feedback are also known.
  • the device 5 for generating a magnetic field, in particular the coil 6 is connected to an operating circuit 7 which operates the coil 6 with an operating signal 11 .
  • the operating signal 11 can be a (coil) voltage with a voltage profile that varies over time and is characterized by operating signal parameters, with at least one of the operating signal parameters being controllable.
  • the magnetic field built up by the device 5 for generating the magnetic field is generated by a (coil) voltage of alternating polarity clocked by means of an operating circuit 7 . This ensures a stable zero point and makes the measurement insensitive to the influence of electrochemical interference.
  • the two coils 6.1, 6.2 are connected to the operating circuit 7 separately. When a magnetic field is applied, a flow-dependent potential distribution occurs in the measuring tube 2, which can be recorded, for example, in the form of an induced measuring voltage.
  • a device 8 for tapping off the induced measuring voltage is arranged on the measuring tube 2 .
  • the device 8 for tapping the induced measurement voltage is formed by two oppositely arranged measuring electrodes 17, 18 for forming a galvanic contact with the medium.
  • magnetic-inductive flowmeters which have measuring electrodes which are arranged on the outer wall of the support tube 3 and do not come into contact with the medium.
  • the measuring electrodes 17 , 18 are arranged diametrically and form an electrode axis or are intersected by a transverse axis that runs perpendicular to the magnetic field lines and the longitudinal axis of the measuring tube 2 .
  • devices 8 for tapping off the induced measuring voltage are also known, which have more than two measuring electrodes. The flow rate-dependent measurement variable can be determined on the basis of the measured measurement voltage.
  • the flow rate-dependent measured variable includes the flow rate, the volume flow and/or the mass flow of the medium.
  • a measurement circuit 8 is designed to detect the induced measurement voltage present at the measurement electrodes 17, 18, and an evaluation circuit 24 is designed to determine the flow rate-dependent measurement variable.
  • Magnetic-inductive flowmeters with temperature sensors 26 are known. These can be arranged in a lateral opening or integrated in one of the electrodes.
  • the support tube 3 is often formed from an electrically conductive material such as steel.
  • the inner wall is lined with an insulating material, for example a (plastic) liner 4 .
  • a filling level monitoring electrode 19 which is optimally attached to the highest point in the measuring tube 2, serves to detect a partial filling of the measuring tube 1 and is set up to forward this information to the user and/or to take the filling level into account when determining the volume flow.
  • a reference electrode 20, which is usually attached diametrically to the fill level monitoring electrode 19 or at the lowest point of the measuring tube cross section, is used to set a controlled electrical potential in the medium. As a rule, the reference electrode 20 is used to connect the flowing medium to a ground potential.
  • the operating circuit 7, controller circuit 10, measuring circuit 23, diagnostic circuit 13 and evaluation circuit 24 can be part of a single electronic circuit or form individual circuits.
  • At least the regulator circuit 10 has an in particular programmable microprocessor, ie a processor designed as an integrated circuit. This is set up to set the voltages and the duration of the time sub-intervals and to change them in such a way that the specification for the control function is met.
  • the operating circuit 7 is also set up to supply electrical power to the first coil by means of an electrically first operating signal having a variable (coil) voltage and a variable (coil) current
  • 6.1 which is also set up to feed electrical power into the second coil by means of a second electrical operating signal having a variable (coil) voltage and a variable (coil) current
  • the first operating signal and the second operating signal each have a time-varying (coil) voltage curve, which is divided into time intervals (t) each with a first time sub-interval, in which a value over the, in particular entire, first time sub-interval t hold , in particular constant, first (coil) voltage is applied to the coils 6.1, 6.2.
  • a (coil) current flows through the first coil 6.1 at least during individual measurement intervals.
  • the absolute values of the coil currents at different measurement intervals of the first operating signal are variable variables.
  • one of the two operating signals can be designed in such a way that the (coil) current during the measurement intervals always assumes a (coil) current setpoint value that is predetermined, in particular at the factory.
  • the controls of the two coils 6.1, 6.2 can also be different, ie can have different controlled variables and/or manipulated variables.
  • the diagnostic circuit 13 is set up and suitable for determining the coil 6.1, 6.2 that is disturbed by an external magnetic field as a function of a currently adjusted (coil) voltage value of the first (coil) voltage and/or a current duration of the second partial time interval .
  • the operating circuit 7 is set up to apply a first (coil) voltage to the device 5 for generating the magnetic field for a first time sub-interval.
  • the time intervals also each have a second time sub-interval in which a particularly constant second (coil) voltage is applied to the device 5 for generating the magnetic field over the entire second time sub-interval.
  • a second (coil) voltage is also applied for a second time sub-interval )Apply voltage to the coil assembly.
  • the second (coil) voltage is greater than the first (coil) voltage.
  • the first time sub-interval follows the second time sub-interval.
  • the duration of the first sub-time interval is greater than the duration of the second sub-time interval.
  • the duration of the second sub-time interval is an adjustable one Size.
  • the first (coil) voltage FIGS. 2 to 5 show possible configurations of the operating signal.
  • the regulator circuit 10 is set up to regulate one of the operating signal parameters of the operating signal, in particular at least the first (coil) voltage (J h oid) in such a way that a deviation of a control function from a predefined control setpoint, in particular a variable that is proportional to a magnetic flux is minimal.
  • the control function can depend on a product of the duration of the second time sub-interval and a function dependent on the first (coil) voltage.
  • the first (coil) voltage and the duration of the second partial time interval are controlled in such a way that a variable dependent on the first (coil) voltage and the duration of the second partial time interval does not deviate from the control setpoint. If there is a deviation - due to magnetic interference fields or temperature influences - the two control parameters are adjusted until the deviation of the product from the control setpoint is minimal again.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the first operating signal 11.1 and/or second operating signal 11.2 and the corresponding magnetic field generated by the coil.
  • the operating signals are not numbered below, since the basic principle of the operating signals is explained in FIG. 2 and also in FIG. 4 .
  • the operating signal 11 comprises a (coil) voltage with a time-varying profile 12, which is divided into time intervals t. The sign of the applied (coil) voltage changes in successive time intervals t.
  • the operating signal 11 shown in FIG. 2 includes time intervals t, each of which has a first time sub-interval t hold , in which a constant first (coil) voltage U hold is applied to the coil over the entire duration of the first time sub-interval t hold .
  • the recorded measurement voltage induced to determine the flow rate-dependent measurement variable is determined in the first sub-interval t hold , in particular during a measurement interval.
  • a (coil) current flows through the device 5 for generating the magnetic field.
  • This is not regulated to be constant, ie an absolute value of a (coil) current flowing during the measurement interval is a variable variable in different time intervals t.
  • the regulator circuit 10 is set up to regulate the first (coil) voltage U hold of a time interval t such that a deviation of a control function from a predefined control setpoint, in particular a variable that is proportional to a magnetic flux, is minimal.
  • the first (coil) voltage U hold is a time-variable and controllable variable.
  • the rise in the (coil) current is characterized by the duration of a time interval t rise , which can be determined using a measuring circuit.
  • An absolute value of the (coil) current increases within the sub-time interval t rise from a first (coil) current setpoint to a second (coil) current setpoint.
  • the first (coil) voltage U hold is regulated in such a way that a variable dependent on the product of the duration of the sub-time interval t rise and the first (coil) voltage U hold does not deviate from a predetermined second desired value.
  • FIG. 3 shows a time profile of the (coil) current resulting from the operating signal of FIG. After switching the applied (coil) voltage, the current direction of the (coil) current changes.
  • the absolute value of the (coil) current increases with a non-linear behavior within a rise time sub-interval t rise .
  • the (coil) current approaches a maximum (coil) current value I max .
  • I max maximum (coil) current value
  • the operating signal 11 comprises a (coil) voltage with a time-varying profile 12, which is divided into time intervals t.
  • the sign of the applied (coil) voltage changes in successive time intervals t.
  • the operating signal shown in FIG. 4 includes time intervals t, each of which has a first time sub-interval t hold , in which a constant first (coil) voltage U hold is applied to the coil over the entire duration of the first time sub-interval t hold .
  • the recorded measuring voltage induced for the determination of the flow rate-dependent measured variable is determined in the first sub-interval t hold .
  • the time intervals t each have a second sub-interval t shot , in which a second (coil) voltage U shot , which is constant over the entire duration of the second sub-interval t shot , is applied to the coil.
  • the second (coil) voltage U shot is greater than the first (coil) voltage U hold .
  • the first time sub-interval t hold follows the second time sub-interval t shot .
  • the duration of the second sub-interval t shot is shorter than the duration of the first sub-interval t hold .
  • the duration of the second time sub-interval t shot can be changed and regulated over time. Likewise the first (coil) voltage U hold .
  • At least the first (coil) voltage U hold is controlled in such a way that a deviation of a control function from a predefined control setpoint, in particular a variable that is proportional to a magnetic flux, is minimal.
  • the control function depends on a product of the duration of the second partial time interval t shot and a function dependent on the first (coil) voltage U hold .
  • the control setpoint can be specified for the entire voltage curve and thus for all time intervals.
  • time intervals with a positive sign in the voltage profile can have a first control setpoint and time intervals have a second control setpoint with a negative sign, the first control setpoint being different from the second control setpoint.
  • one of the two operating signals can also be based on a constant (coil) current control. This means that, for example, the first voltage is regulated in such a way that, during a measurement interval, the deviation of the (coil) current from a (coil) current setpoint value is minimal, and preferably zero.
  • the first (coil) voltage U hold and the second (coil) voltage U shot can be set so that a ratio between the first (coil) voltage U hold and the second (coil) voltage U shot over the entire Voltage curve 12 is constant or an absolute value of a quotient of the first (coil) voltage U hold and the second (coil) voltage U shot over the voltage curve 12 is constant.
  • the function dependent on the first (coil) voltage U hold is preferably inversely proportional to the duration of the second partial time interval t shot .
  • the second (coil) voltage U shot or an absolute value of the second (coil) voltage U shot can assume a constant value over the entire voltage profile 12 .
  • the duration of the second sub-interval t shot is controlled so that a determined value of a variable dependent on a test variable within the duration of the second sub-interval t shot assumes a target test value.
  • the variable can be, for example, a (coil) current reference value, a sum or an integral of the measured values of the test variable for a specified period of time.
  • the two control parameters are controlled in such a way that a function dependent on the product of the first (coil) voltage U hold and the duration of the second partial time interval t shot does not deviate from a predetermined second control setpoint.
  • the function dependent on the first (coil) voltage U hold is inversely proportional to the duration of the second partial time interval t shot .
  • the test variable can be a measured value of the (coil) current, a time profile of a (coil) current and/or a variable dependent thereon.
  • the controller circuit is set up to change the duration of the second partial time interval t shot in a time interval t N if a coil test current value or a test variable dependent on the coil test current value deviates from a target value in such a way that the deviation occurs in a subsequent time interval t N+M is smaller, where M > 1.
  • the regulator circuit is set up to change the first (coil) voltage U hold in such a way that the deviation from a target value in a subsequent time interval t N+M is smaller, where M > 1.
  • the regulator circuit can be set up to regulate other variables and/or functions.
  • control function in particular the function dependent on the first (coil) voltage U hold , can also depend on In_(U shot +U hold )/(U shot ⁇ U hold )) or be proportional thereto.
  • FIG. 5 shows a time profile of the (coil) current through the device for generating the magnetic field, in particular through the coil arrangement, resulting from the voltage signal of FIG. 4 .
  • the (coil) current changes the direction of flow in the individual time intervals.
  • the second coil voltage which is many times higher than the first (coil) voltage
  • the (coil) current increases rapidly. From the beginning of the first time sub-interval, the (coil) current continues to increase until it reaches the maximum (coil) current value I max . In this time sub-interval, the eddy currents are essentially constant. Thereafter, the (coil) current decreases and converges towards a substantially constant (coil) current value / hoki .
  • a measuring circuit is set up to determine a maximum (coil) current value I max in the first time sub-interval thoid and to regulate the duration of the second time sub-interval t shot and the function dependent on the first (coil) voltage U hold be that a control function does not deviate from a predetermined second setpoint, the control function depending on a product of the duration of the second partial time interval t shot and the first (coil) voltage U hold and the maximum (coil) current value I max function depends.
  • the regulator circuit can be set up to regulate at least one of the operating signal parameters - preferably the first (coil) voltage U hold - in such a way that a quotient of the maximum (coil) current value I max and a value during the first partial time interval t hold determined (coil) current value I hold is constant over the operating signal.
  • control function can depend on a product of the duration of a third time subinterval t lmax and a function dependent on the first (coil) voltage U hold .
  • the third time sub-interval t lmax is limited by a start of the second time sub-interval t shot and a point in time at which the (coil) current assumes the maximum (coil) current value I max .
  • a flow measuring probe 101 comprises a generally circular-cylindrical housing 102 having a predetermined outside diameter. This is adapted to the diameter of a bore which is located in a wall of a pipeline (not shown in FIG. 6) and into which the flow measuring probe 101 is inserted in a fluid-tight manner.
  • a medium to be measured flows in the pipeline, into which the flow measuring probe 101 dips practically perpendicularly to the direction of flow of the medium, which is indicated by the corrugated arrows 118 .
  • a front end 116 of the housing 102 protruding into the medium is sealed in a fluid-tight manner with a front body 115 made of insulating material.
  • a magnetic field 109 that extends through the end section and into the medium can be generated.
  • a coil core 111 which consists at least partially of a soft magnetic material and is arranged in the housing 102, ends at or in the vicinity of the end section 116.
  • a field return body 114 which encloses the coil arrangement 106 and the coil core 111, is set up for the magnetic field 109 passing through from the end section the housing 102 due.
  • the coil core 111 , the pole shoe 112 and the field return body 114 are each field guide bodies 110 which together form a field guide arrangement 105 .
  • a first and a second measuring electrode 103, 104 forming a galvanic contact with the medium to be conveyed form the device for detecting a measuring voltage induced in the medium and are arranged in the front body 115 and, like the outer walls of the housing, touch the medium.
  • An electrical (coil) voltage induced on the basis of Faraday's law of induction can be tapped off at the measuring electrodes 103, 104 by means of a measuring and/or evaluation unit.
  • Regulator circuit 120 is set up to regulate at least one of the operating signal parameters of the operating signal, in particular the first (coil) voltage and preferably also the duration of the second partial time interval, in such a way that a deviation of a control function from a predefined one, in particular one that is proportional to a magnetic flux Size, comprehensive control setpoint is minimal.
  • the function dependent on the first (coil) voltage U hold and the duration of the second partial time interval t shot are regulated in such a way that both are inversely proportional to one another.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a magneto-inductive flow meter according to the invention in the form of a magneto-inductive flow meter.
  • the third coil 6.3 and the fourth coil 6.4 are also attached to the outer circumference of the measuring tube. They are arranged diametrically to each other.
  • the four coils differ neither in the material of the individual coil components nor in the number of coil windings. Alternatively, N + 2 in the number of windings and coils made of different materials can also be used.
  • the four coils shown are all electrically connected to the operating circuit 7 and are operated separately by means of an operating signal.
  • the operating signals for operating the other coils each have a (coil) voltage curve that changes over time, which is divided into time intervals with a first time sub-interval in which a first ( Coil) voltage is applied to the N other coils.
  • the time intervals of the operating signals each have a second time sub-interval in which an, in particular constant, second (coil) voltage is applied to the further coil over the in particular entire second time sub-interval.
  • the control function depends on a product of the duration of the second partial time interval and a function dependent on the first (coil) voltage, in particular the first (coil) voltage.
  • the regulator circuit is also set up to regulate the first (coil) voltage of the /V operating signals in such a way that a deviation of a particular respective control function from a predefined control setpoint, in particular a variable that is proportional to a magnetic flux, is minimal.
  • the control function can depend on at least three and preferably N+2 products—or in this case four products—the duration of the second time subinterval and a function of the respective operating signals dependent on the first (coil) voltage (U ho id ). .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums, umfassend: - eine Vorrichtung (5) zum Erzeugen eines Magnetfeldes und eine Vorrichtung (8) zum Abgreifen einer im fließfähigen Medium induzierten Messspannung; - eine Betriebsschaltung (7, 107), welche dazu eingerichtet ist ein erstes Betriebssignal (11.1) an die erste Spule (6.1) und separat ein zweites Betriebssignal (11.2) an die zweite Spule (6.2) aufzubringen, wobei das erste Betriebssignal (11.1) und das zweite Betriebssignal (11.2) jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-)Spannungsverlauf (12) aufweisen, welcher in Zeitintervalle (t) eingeteilt ist, wobei die Zeitintervalle (t) jeweils ein erstes Zeitteilintervall (t hold ) aufweisen, in welchem eine über das erste Zeitteilintervall (t hold ) erste (Spulen-)Spannung (U hold ) an die Spulen (6.1, 6.2) angelegt ist, wobei Spulenströme unterschiedlicher Messintervalle des ersten Betriebssignales (11.1) veränderliche Größen sind; und - eine Reglerschaltung (10, 120), wobei die Reglerschaltung (10, 120) dazu eingerichtet ist, zumindest die erste (Spulen-)Spannung (U hold ) des ersten Betriebssignales (11.1) so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist.

Description

Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung, insbesondere ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät und/oder eine magnetischinduktive Durchflussmesssonde.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen werden zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit und des Volumendurchflusses eines fließenden Mediums in einer Rohrleitung eingesetzt. Dabei werden inline magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte von magnetisch-induktiven Durchflussmesssonden unterschieden, die in eine seitliche Öffnung einer Rohrleitung eingesetzt werden. Ein magnetischinduktives Durchflussmessgerät weist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes auf, das ein Magnetfeld senkrecht zur Flussrichtung des fließenden Mediums erzeugt. Dafür werden üblicherweise einzelne Spulen verwendet. Um ein überwiegend homogenes Magnetfeld zu realisieren, werden zusätzlich Polschuhe so geformt und angebracht, dass die Magnetfeldlinien über den gesamten Rohrquerschnitt im Wesentlichen senkrecht zur Querachse bzw. parallel zur Vertikalachse des Messrohres verlaufen. Zudem weist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ein Messrohr auf, auf das die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes angeordnet ist. Ein an die Mantelfläche des Messrohres angebrachtes Messelektrodenpaar greift eine senkrecht zur Flussrichtung und zum Magnetfeld anliegende elektrische Messspannung bzw. Potentialdifferenz ab, die entsteht, wenn ein leitfähiges Medium bei angelegtem Magnetfeld in Flussrichtung fließt. Da die abgegriffene Messspannung laut Faraday’schem Induktionsgesetz von der Geschwindigkeit des fließenden Mediums abhängt, kann aus der induzierten Messspannung die Durchflussgeschwindigkeit und - mit Hinzunahme eines bekannten Rohrquerschnitts - der Volumendurchfluss ermittelt werden.
Im Gegensatz zu einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät, welches ein Messrohr zum Führen des Mediums mit angebrachter Vorrichtung zum Erzeugen eines das Messrohr durchdringenden Magnetfeldes und Messelektroden umfasst, werden magnetisch-induktive Durchflussmesssonden mit ihrem üblicherweise kreiszylindrischen Gehäuse in eine seitliche Öffnung einer Rohrleitung eingeführt und fluiddicht fixiert. Ein spezielles Messrohr ist nicht mehr notwendig. Die eingangs erwähnte Messelektrodenanordnung und Spulenanordnung auf der Mantelfläche des Messrohrs entfällt, und wird durch ein im Inneren des Gehäuses und in unmittelbarer Nähe zu den Messelektroden angeordnete Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes ersetzt, welche so ausgestaltet ist, dass eine Symmetrieachse der Magnetfeldlinien des erzeugten Magnetfeldes die Frontfläche bzw. die Fläche zwischen den Messelektroden senkrecht schneidet. Im Stand der Technik gibt es bereits eine Vielzahl an unterschiedlichen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonden. Magnetisch-induktive Durchflussmessvomchtungen finden vielfach Anwendung in der Prozess- und Automatisierungstechnik für Fluide ab einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 5 pS/cm. Entsprechende Durchflussmessvorrichtungen werden von der Anmelderin in unterschiedlichsten Ausführungsformen für verschiedene Anwendungsbereiche beispielsweise unter der Bezeichnung PROMAG oder MAGPHANT vertrieben.
Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren zum Regeln des an die Spulenanordnung aufgeprägten Betriebssignales. Diese haben in der Regel das Ziel, ein Magnetfeld mit einer, über eine gesamte Messphase möglichst konstanten magnetischen Induktion zu erzeugen. So wird beispielsweise in der WO 2014/001026 A1 eine Steuerung gelehrt, bei der ein an die Spulenanordnung aufgebrachtes Betriebssignal derart geregelt wird, dass ein durch die Spulenanordnung fließender (Spulen-)Strom in einer festgelegten Messphase einen (Spulen-)Stromsollwert erreicht und beibehält. Der durch die Spulenanordnung fließende (Spulen-)Strom erzeugt ein Magnetfeld mit einer vom (Spulen-)Strom abhängigen magnetischen Induktion.
DE 10 2015 116 771 B4 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum Einstellen einer konstanten Magnetfeldstärke eines Magnetfelds bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät, dabei wird ein konstanter Sollstrom einem Stromregler vorgegeben.
Dabei wird grundlegend angenommen, dass durch Einrichten eines fixen (Spulen-)Strom- sollwertes auch die magnetische Induktion des erzeugten Magnetfeldes einen Sollwert reproduzierbar annimmt. Vorteilhaft an einer derartigen Regelung ist, dass die Regelung ohne das Messen der magnetischen Induktion auskommt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich - bedingt durch Temperaturänderungen und magnetische Störfelder - die magnetische Induktion nicht alleine durch das Regeln auf einen fixen (Spulen-)Stromsollwert reproduzieren lässt. Das hat zur Folge, dass der für die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße angenommene Wert für die magnetische Induktion von der aktuell vorliegenden magnetischen Induktion im Messrohr abweicht. Abhängig von der Störgröße kann dies bei der Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße zu Abweichungen von bis zu 20% führen.
EP3211384A2 offenbart ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, das mindestens zwei Spulenpaare aufweist, die am Umfang des Messrohres angeordnet sind. Dabei weisen die Spulenpaare jeweils zwei in Reihe geschaltete Spulen auf, die in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Weiterhin werden eine Vielzahl an Szenarien offenbart wie die Spulenpaare separat bestromt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung mit einem robusteren Magnetfeld bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die magnetisch-induktive Durchflussmessvomchtung nach Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums, umfassend:
- eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes, umfassend zumindest eine erste Spule und eine zweite Spule;
- eine Vorrichtung zum Abgreifen einer im fließfähigen Medium induzierten Messspannung, insbesondere umfassend mindestens zwei bevorzugt diametral angeordnete Messelektroden;
- eine Betriebsschaltung, welche dazu eingerichtet ist ein erstes Betriebssignal an die erste Spule und separat ein zweites Betriebssignal an die zweite Spule aufzubringen, wobei das erste Betriebssignal und das zweite Betriebssignal jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-)Spannungsverlauf aufweisen, welcher in Zeitintervalle eingeteilt ist, wobei die Zeitintervalle jeweils ein erstes Zeitteilintervall aufweisen, in welchem eine über das insbesondere gesamte erste Zeitteilintervall bevorzugt konstante erste (Spulen-)Spannung an die Spulen angelegt ist, wobei die Zeitintervalle des ersten Betriebssignales jeweils mindestens ein Messintervall aufweisen, in dem ein (Spulen-)Strom durch die erste Spule fließt, wobei Spulenströme unterschiedlicher Messintervalle des ersten Betriebssignales veränderliche Größen sind; und
- eine Reglerschaltung, wobei die Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, zumindest die erste (Spulen-)Spannung des ersten Betriebssignales so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist.
Das separate Betreiben der beiden Spulen hat den Vorteil, dass somit auf eine Alterung einer einzelnen Spule reagiert werden kann und gleichzeitig das zu erzeugende Magentfeld an das jeweilige vorliegende Strömungsprofil im Medium anpassbar ist. Weiterhin lassen sich die Betriebssignale individuell anpassen um somit auf externe Störmagnete zu reagieren. vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Betriebssignal und das zweite Betriebssignal derart synchronisiert sind, dass die jeweiligen Zeitintervalle der beiden Betriebssignale gleichzeitig beginnen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Zeitintervalle des ersten Betriebssignales jeweils ein zweites Zeitteilintervall aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall eine insbesondere konstante zweite (Spulen-)Spannung an die erste Spule angelegt ist, wobei die zweite (Spulen-)Spannung größer als die erste (Spulen-)Spannung ist, wobei die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und die erste (Spulen-)Spannung jeweils eine veränderliche und regelbare Größe sind, wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung abhängigen Funktion abhängt.
Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen mit einer derartigen Reglerschaltung weisen eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber externer Störfelder auf. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Reglerschaltung im Einsatz in, über einen elektrochemischen Speicher versorgte magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen. Diese werden in der Regel mit einem deutlich geringeren Strom bzw. einer deutlich geringeren (Spulen-)Spannung betrieben, als herkömmliche über ein Stromnetz versorgte magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen. Das führt dazu, dass die feldführenden Bauteile im Einsatz nicht in eine magnetische Sättigung übergehen. Dadurch weisen sie zusätzlich zu einer besonders erhöhten Empfindlichkeit gegenüber externer Störfelder auch eine verlängerte Einschwingzeit bei der Inbetriebnahme auf, wobei die Einschwingzeit die Dauer beschreibt, die nach dem Einschalten der Durchflussmessvorrichtung abgewartet werden muss, bis die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes aufgewärmt ist und in der sich die magnetische Induktion stetig in Richtung Sollwert einpendelt. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen mit der erfindungsgemäßen Reglerschaltung weisen zudem einen deutlich geringeren Temperaturkoeffizienten des Magnetfeldes auf, wobei der Temperaturkoeffizient die Abweichung des Magnetfeldes pro Temperaturänderung beschreibt.
Der werkseitig oder bei der Inbetriebnahme ermittelte und bereitgestellte Regelsollwert kann in einem Justierverfahren oder durch eine Computersimulation bestimmt werden. Der Regelsollwert umfasst weiterhin eine Größe, die mit dem magnetischen Fluss proportional ist. D.h. dass der Sollwert die Einheit einer des magnetischen Flusses umfasst. Der magnetische Fluss einer Spulenanordnung hängt zum Einen von der Selbstinduktion L der Spule und einem quadratischen Beitrag des aktuell durch die Spuleanordnung fließenden (Spulen-)Stromes ab, und zum Anderen von dem magnetischen Fluss, der durch im metallischen Trägerroh und dem Gehäuse auftretende Wirbelströme erzeugt wird. Wird eine externer Magnet an die magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung angebracht bzw. angenähert, so trägt auch dieser zum magnetischen Fluss im Messrohr bei.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Zeitintervalle des ersten Betriebssignales und des zweiten Betriebssignales jeweils ein zweites Zeitteilintervall aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall eine, insbesondere konstante, zweite (Spulen-)Spannung an die erste Spule angelegt ist, wobei die zweite (Spulen-)Spannung größer als die erste (Spulen-)Spannung ist, wobei die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und die erste (Spulen-)Spannung jeweils eine veränderliche und regelbare Größe sind, wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung abhängigen Funktion abhängt, wobei die Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, ebenfalls die erste (Spulen-)Spannung des zweiten Betriebssignales so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist, wobei Spulenströme unterschiedlicher Messintervalle des zweiten Betriebssignales veränderliche Größen sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Dauer des ersten Zeitteilintervalles des ersten Betriebssignales und die Dauer des ersten Zeitteilintervalles des zweiten Betriebssignales in den jeweiligen Zeitintervallen gleich sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Summe aus der Dauer des ersten Zeitteilintervalles und der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles des ersten Betriebssignales und eine Summe aus der Dauer des ersten Zeitteilintervalles und der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles des zweiten Betriebssignales in den jeweiligen Zeitintervallen gleich sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass sich die erste (Spulen-)Spannung des ersten Betriebssignales von der ersten (Spulen-)Spannung des zweiten Betriebssignales unterscheidet. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass sich die zweite (Spulen-)Spannung des ersten Betriebssignales von der zweiten (Spulen-)Spannung des zweiten Betriebssignales unterscheidet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass sich der Regelsollwert des ersten Betriebssignales von dem Regelsollwert des zweiten Betriebssignales zumindest zeitweise unterscheidet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, die erste (Spulen-)Spannung des ersten Betriebssignales und die erste (Spulen-)Spannung des zweiten Betriebssignales so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist, wobei der Regelsollwert von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles des ersten Betriebssignales und eine von der ersten (Spulen-)Spannung des ersten Betriebssignales abhängigen Funktion abhängt, wobei der Regelsollwert ebenfalls von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles des zweiten Betriebssignales und eine von der ersten (Spulen-)Spannung des zweiten Betriebssignales abhängigen Funktion abhängt.
Somit werden die entsprechenden Stellgrößen aller Betriebssignale so geregelt, dass einer für die gesamte Spulenanordnung gültige Regelfunktion nicht vom Regelsollwert abweicht.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, die erste (Spulen-)Spannung des zweiten Betriebssignales so zu regeln, dass eine Abweichung des (Spulen-)Stromes während des Messintervalles von einem insbesondere werkseitig vorgegebenen (Spulen-)Stromsollwert minimal ist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die beiden Betriebssignale unterschiedliche Regelgrößen und/oder Stellgrößen aufweisen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, für eine Dauer eines Diagnoseintervalles das erste Betriebssignal an die zweite Spule anzulegen, wobei eine Diagnoseschaltung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des während des Messintervalles des ersten Betriebssignales fließenden Stromes einen korrigierten (Spulen-)Stromsollwert zu ermitteln, der den vorgegebenen Spulensollwert ersetzt. vorteilhaft an der Ausgestaltung ist, dass somit eine Rekahbration des (Spulen-)Stromsollwert über das erste Betriebssignal und die zweite Spule ermöglicht wird. Der korrigierte (Spulen-)Stromsollwert oder die Abweichung des korrigierten (Spulen-)Stromsollwertes von dem werkseitig vorgegebenen (Spulen-)Stromsollwert kann zu diagnosezwecken verwendet werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes zusätzlich N weitere Spulen aufweist, wobei N > 1 gilt, wobei die Betriebsschaltung ebenfalls dazu eingerichtet ist, die N weiteren Spulen jeweils mit einem Betriebssignal zu betreiben, wobei die Betriebssignale zum Betreiben der N weiteren Spulen jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-)Spannungsverläufe aufweisen, welcher in Zeitintervalle eingeteilt ist, wobei die Zeitintervalle jeweils ein erstes Zeitteilintervall aufweisen, in welchem eine über das insbesondere gesamte erste Zeitteilintervall bevorzugt konstante erste (Spulen-)Spannung an die N weiteren Spulen angelegt ist, wobei die Zeitintervalle der Betriebssignale jeweils ein zweites Zeitteilintervall aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall eine insbesondere konstante zweite (Spulen-)Spannung an die N weiteren Spule angelegt ist, wobei die zweite (Spulen-)Spannung größer als die erste (Spulen-)Spannung ist, wobei die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und die erste (Spulen-)Spannung jeweils eine veränderliche und regelbare Größe sind, wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung abhängigen Funktion abhängt, wobei die Reglerschaltung ebenfalls dazu eingerichtet ist, die erste (Spulen-)Spannung der /V Betriebssignale so zu regeln, dass eine Abweichung einer insbesondere jeweiligen Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist.
Je mehr Spulen vorliegen, desto genauer kann man ein erwünschtes Magnetfeld auflösen. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Regeifunktion von mindestens drei und bevorzugt N + 2 Produkten der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung abhängigen Funktion der jeweiligen Betriebssignale abhängt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Betriebssignal Ruheintervalle aufweist, in denen im Wesentlichen keine (Spulen-)Spannung an die erste Spule angelegt ist, wobei während der Ruheintervalle eine (Spulen-)Spannung an der zweiten Spule angelegt ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Diagnoseschaltung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines aktuell eingeregelten (Spulen-) Spannungswertes der ersten (Spulen-)Spannung und/oder eines aktuellen Dauer des zweiten Zeitteilintervalles die Spule zu bestimmen, die durch ein externes Magnetfeld gestört ist.
Durch das separate Betreiben der Spulen lässt sich die Position einer ein Störmagnetfelderzeugenden Vorrichtung relativ zur magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung bestimmen. Weicht eine einer einzelnen Spule zuordneten Regelfunktion stärker oder früher vom Regelsollwert ab als die Regelfunktionen der weiteren Spulen, so befindet sich die Störmagnetfelderzeugenden Vorrichtung näher zu der entsprechenden Spule als zu den restlichen Spulen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes;
Fig. 2: eine erste Ausgestaltung des Verlaufes der (Spulen-)Spannung und das entsprechend erzeugten Magnetfeld durch die Spulenanordnung;
Fig. 3: eine erste Ausgestaltung des Verlaufes des Stromes, welcher durch die Spulenanordnung fließt;
Fig. 4: eine zweite Ausgestaltung des Verlaufes der (Spulen-)Spannung und das entsprechend erzeugte Magnetfeld durch die Spulenanordnung;
Fig. 5: eine zweite Ausgestaltung des Verlaufes der (Spulen-)Spannung und das entsprechend erzeugte Magnetfeld durch die Spulenanordnung;
Fig. 6: eine perspektivische Ansicht auf eine teilweise geschnittene Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde; und Fig. 7: eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessvorrichtung.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 1. Der Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 1 sind grundsätzlich bekannt. Durch ein Messrohr 2 wird ein fließfähiges Medium geleitet, welches eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Das Messrohr 2 umfasst ein Trägerrohr 3, welches üblicherweise aus Stahl, Keramik, Kunststoff oder Glas gebildet ist oder diese zumindest umfassen. Eine Vorrichtung 5 zum Erzeugen eines Magnetfeldes ist so am Trägerrohr 3 angeordnet, dass sich die Magnetfeldlinien im Wesentlichen senkrecht zu einer durch eine Messrohrachse definierten Längsrichtung orientieren. Die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes umfasst eine Spulenanordnung aus mindestens einer Sattelspule oder mindestens einer Spule 6. Üblicherweise weisen magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte zwei diametral angeordnete Spulen 6 auf. Durch eine Aufnahme 15 der Spule 6 erstreckt sich üblicherweise ein Spulenkern 14. Als Aufnahme 15 ist der durch die die Spule 6 bildende Spulendraht begrenzte Volumen zu verstehen. Die Aufnahme 15 der Spule 6 kann somit durch eine Spulenhalterung oder durch das gedachte eingeschlossene Volumen gebildet sein. Letzteres tritt ein, wenn der Spulendraht der Spule 6 direkt um den Spulenkern 14 gewickelt ist. Der Spulenkern 14 ist aus einem magnetisch leitenden, insbesondere weichmagnetischen Werkstoff gebildet. Die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes umfasst üblicherweise ebenfalls einen Polschuh 21 , der an einem Ende des Spulenkerns 14 angeordnet ist. Der Polschuh 21 kann separates Bauteil sein oder monolithisch mit dem Spulenkern 14 verbunden sein. In der abgebildeten Ausgestaltung der Fig. 1 weisen zwei diametral angeordnete Spulen 6.1 , 6.2 jeweils einen Spulenkern 14.1 , 14.2 und einen Polschuh 21.1 , 21.2 auf. Die zwei Spulenkerne 14.1 , 14.2 sind über eine Feldrückführung 22 miteinander verbunden. Die Feldrückführung 22 verbindet die jeweils voneinander abgewandten Seiten der Spulenkerne 14.1 , 14.2 miteinander. Es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit genau einer Spule mit einem Spulenkern bzw. einer Sattelspule und ohne Feldrückführung bekannt. Die Vorrichtung 5 zum Erzeugen eines Magnetfeldes, insbesondere die Spule 6 ist mit einer Betriebsschaltung 7 verbunden, welche die Spule 6 mit einem Betriebssignal 11 betreibt. Das Betriebssignal 11 kann eine (Spulen-) Spannung mit einem zeitlich veränderlichen Spannungsverlauf sein und ist durch Betriebssignalparameter charakterisiert, wobei mindestens einer der Betriebssignalparameter regelbar ist. Das durch die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes aufgebaute Magnetfeld wird durch einen mittels einer Betriebsschaltung 7 getakteten (Spulen-) Spannung wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch elektrochemische Störungen. Die zwei Spulen 6.1 , 6.2 sind separat mit der Betriebsschaltung 7 verbunden. Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr 2 eine durchflussabhängige Potentialverteilung, welche sich beispielsweise in Form einer induzierten Messspannung erfassen lässt. Eine Vorrichtung 8 zum Abgreifen der induzierten Messspannung ist am Messrohr 2 angeordnet. In der abgebildeten Ausgestaltung ist die Vorrichtung 8 zum Abgreifen der induzierten Messspannung durch zwei gegenüberliegend angeordnete Messelektroden 17, 18 zum Bilden eines galvanischen Kontaktes mit dem Medium gebildet. Es sind jedoch aus magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte bekannt, die an der Außenwandung des Trägerrohres 3 angeordnete Messelektroden aufweise, die nicht mediumsberührend sind. In der Regel sind die Messelektroden 17, 18 diametral angeordnet und bilden eine Elektrodenachse bzw. werden durch eine Querachse geschnitten, die senkrecht zu den Magnetfeldlinien und der Längsachse des Messrohres 2 verläuft. Es sind aber auch Vorrichtungen 8 zum Abgreifen der induzierten Messspannung bekannt, welche mehr als zwei Messelektrode aufweisen. Anhand der gemessenen Messspannung kann die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße bestimmt werden. Die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße umfasst die Durchflussgeschwindigkeit, den Volumendurchfluss und/oder den Massedurchfluss des Mediums. Eine Messschaltung 8 ist dazu eingerichtet, die an den Messelektroden 17, 18 anliegende, induzierte Messspannung zu erfassen und eine Auswerteschaltung 24 ist dazu ausgebildet, die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße zu ermitteln. Es sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Temperatursensoren 26 bekannt. Diese können in einer seitlichen Öffnung angeordnet oder in einer der Elektroden integriert sein.
Das Trägerrohr 3 ist häufig aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, wie z.B. Stahl. Um das Ableiten der an der ersten und zweiten Messelektrode 2, 3 anliegenden Messspannung über das Trägerrohr 3 zu verhindern, wird die Innenwand mit einem isolierenden Material, beispielsweise einem (Kunststoff-) Liner 4 ausgekleidet.
Handelsübliche magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte weisen zusätzlich zu den Messelektroden 17, 18 zwei weitere Elektroden 19, 20 auf. Zum einen dient eine optimalerweise am höchsten Punkt im Messrohr 2 angebrachte Füllstandsüberwachungselektrode 19 dazu, eine Teilbefüllung des Messrohres 1 zu detektieren, und ist dazu eingerichtet diese Information an den Nutzer weiterzuleiten und/oder den Füllstand bei der Ermittlung des Volumendurchflusses zu berücksichtigen. Des Weiteren dient eine Bezugselektrode 20, die üblicherweise diametral zur Füllstandsüberwachungselektrode 19 bzw. am untersten Punkt des Messrohrquerschnittes angebracht ist, dazu, ein kontrolliertes, elektrisches Potential im Medium einzustellen. In der Regel wird die Referenzelektrode 20 zum Verbinden des fließenden Mediums mit einem Erdpotential eingesetzt. Die Betriebsschaltung 7, Reglerschaltung 10, Messschaltung 23, Diagnoseschaltung 13 und Auswerteschaltung 24 können Teil einer einzelnen Elektronikschaltung sein, oder einzelne Schaltungen bilden. Zumindest die Reglerschaltung 10 weist einen insbesondere programmierbaren Mikroprozessor, d.h. einen als integrierter Schaltkreis ausgeführter Prozessor auf. Dieser ist dazu eingerichtet, die Spannungen und die Dauer der Zeitteilintervalle einzustellen und so zu ändern, dass die Vorgabe für die Regelfunktion erfüllt ist. Die Betriebsschaltung 7 ist weiterhin dazu eingerichtet, mittels eines eine veränderliche (Spulen-)Spannung und einen veränderlichen (Spulen-)Strom aufweisenden elektrisch ersten Betriebssignals, elektrische Leistung in die erste Spule
6.1 einzuspeisen und welche ebenfalls dazu eingerichtet ist, mittels eines eine veränderliche (Spulen-)Spannung und einen veränderlichen (Spulen-)Strom aufweisenden elektrisch zweiten Betriebssignals, elektrische Leistung in die zweite Spule
6.2 einzuspeisen. Dabei weisen das erste Betriebssignal und das zweite Betriebssignal jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-) Spannungsverlauf auf, welcher in Zeitintervalle (t) eingeteilt ist mit jeweils einem erstes Zeitteilinterval, in welchem eine über das, insbesondere gesamte, erste Zeitteilintervall thold, insbesondere konstante, erste (Spulen-)Spannung an die Spulen 6.1 , 6.2 angelegt ist. Zumindest während einzelner Messintervalle fließt ein (Spulen-)Strom durch die erste Spule 6.1. Dabei sind die Absolutbeträge der Spulenströme unterschiedlicher Messintervalle des ersten Betriebssignales veränderliche Größen. Alternativ kann eine der beiden Betriebssignale derart ausgebildet sein, dass der (Spulen-)Strom während der Messintervalle immer einen, insbesondere werkseitig, vorgegebenen (Spulen-)Strom sollwert annimmt. D.h. dass auch die Regelungen der beiden Spulen 6.1 , 6.2 unterschiedliche sein können, d.h. unterschiedliche Regelgrößen und/oder Stellgrößen aufweisen können.
Die Diagnoseschaltung 13 ist dazu eingerichtet und geeignet, in Abhängigkeit eines aktuell eingeregelten (Spulen-)Spannungswertes der ersten (Spulen-)Spannung und/oder eines aktuellen Dauer des zweiten Zeitteilintervalles die Spule 6.1 , 6.2 zu bestimmen, die durch ein externes Magnetfeld gestört ist.
Die Betriebsschaltung 7 ist dazu eingerichtet, für ein erstes Zeitteilintervall eine erste (Spulen-)Spannung an die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes anzulegen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Zeitintervalle ebenfalls jeweils ein zweites Zeitteilintervall aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall eine insbesondere konstante zweite (Spulen-)Spannung an die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes angelegt istebenfalls für ein zweites Zeitteilintervall eine zweite (Spulen-)Spannung an die Spulenanordnung anzulegen. Dabei ist die zweite (Spulen-)Spannung größer als die erste (Spulen-) Spannung. Zudem folgt in einem einzelnen Zeitintervall das erste Zeitteilintervall auf das zweite Zeitteilintervall. Die Dauer des ersten Zeitteilintervalles ist größer als die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles. Die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles ist eine regelbare Größe. Ebenso die erste (Spulen-) Spannung. Die Fig. 2 bis Fig. 5 zeigen mögliche Ausgestaltungen der Betriebssignales.
Erfindungsgemäß ist die Reglerschaltung 10 dazu eingerichtet einen der Betriebssignalparametern des Betriebssignales, insbesondere zumindest die erste (Spulen-)Spannung ( Jhoid) so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist. Die Regelfunktion kann von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung abhängigen Funktion abhängen. Dafür wird die erste (Spulen-)Spannung und die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles so geregelt, dass eine von der ersten (Spulen-)Spannung und der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles abhängige Größe nicht vom Regelsollwert abweicht. Kommt es zu einer Abweichung - bedingt durch magnetische Störfelder oder Temperatureinflüsse - so werden die beiden Regelparameter angepasst, bis die Abweichung des Produktes vom Regelsollwert wieder minimal ist.
Die Fig. 2 zeigt eine erste Ausgestaltung des ersten Betriebssignales 11.1 und/oder zweiten Betriebssignales 11.2 und das entsprechend erzeugte Magnetfeld durch die Spule. Im Folgenden wird auf die Nummerierung der Betriebssignale verzichtet, da in Fig. 2 und ebenfalls in Fig. 4 das Grundprinzip der Betriebssignale erläutert wird. Das Betriebssignal 11 umfasst erfindungsgemäß eine (Spulen-)Spannung mit einem zeitlich veränderlichen Verlauf 12, welcher in Zeitintervalle t eingeteilt ist. Das Vorzeichen der angelegten (Spulen-)Spannung ändert sich in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen t. Das in Fig. 2 abgebildete Betriebssignal 11 umfasst Zeitintervalle t, die jeweils ein erstes Zeitteilintervall thold aufweisen, in denen über die gesamte Dauer des ersten Zeitteilintervalles thold eine konstante erste (Spulen-)Spannung Uhold an die Spule angelegt wird. Die erfasste für die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße induzierte Messspannung wird im ersten Zeitteilintervall thold, insbesondere während eines Messintervalles ermittelt. Während des Messintervalles fließt durch die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes ein (Spulen-)Strom . Dieser ist nicht konstant geregelt, d.h. dass ein Absolutbetrages eines während des Messintervalles fließender (Spulen-)Stromes in unterschiedlichen Zeitintervallen t eine veränderliche Größe ist. Gemäß der ersten Ausgestaltung ist die Reglerschaltung 10 dazu eingerichtet, die erste (Spulen-)Spannung Uhold eines Zeitintervalles t so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist. Die erste (Spulen-)Spannung Uhold ist erfindungsgemäß eine zeitlich veränderliche und regelbare Größe. Der Anstieg des (Spulen-)Strom ist durch eine Dauer eines Zeitteilintervalles trise charakterisiert, welche über eine Messschaltung ermittelbar ist. Ein Absolutbetrag des (Spulen-)Stromes wächst innerhalb des Zeitteilintervalles trise von einem ersten (Spulen-)Strom sollwert auf einen zweiten (Spulen-)Strom sollwert an. Die erste (Spulen-) Spannung Uhold ist so geregelt sein, dass eine von dem Produkt der Dauer des Zeitteilintervalles trise und der ersten (Spulen-)Spannung Uhold abhängigen Größe nicht von einem vorgegebenen zweiten Sollwert abweicht.
Die Fig. 3 zeigt einen sich aus dem Betriebssignal der Fig. 2 ergebenden zeitlichen Verlauf des (Spulen-)Stromes. Nach dem Umschalten der angelegten (Spulen-)Spannung ändert sich die Stromrichtung des (Spulen-) Stromes. Innerhalb eines Anstiegs- Zeitteilintervalles trise nimmt der Absolutbetrag des (Spulen-)Stromes mit einem nichtlinearen Verhalten zu. Der (Spulen-)Strom nähert sich einem maximalen (Spulen-)Strom wert Imax an. Wenn der (Spulen-)Strom maximal ist und sich im Wesentlichen nicht mehr ändert beginnt das Messintervall tmess. Nur Messspannungen, die in diesem Zeitintervall ermittelt werden, gehen in die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Größe ein.
Die Fig. 4 zeigt eine zweite Ausgestaltung des ersten Betriebssignales 11.1 , und/oder des zweiten Betriebssignales 11 .2 und das erzeugte Magnetfeld durch die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes. Das Betriebssignal 11 umfasst erfindungsgemäß eine (Spulen-)Spannung mit einem zeitlich veränderlichen Verlauf 12, welcher in Zeitintervalle t eingeteilt ist. Das Vorzeichen der angelegten (Spulen-)Spannung ändert sich in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen t. Das in Fig. 4 abgebildete Betriebssignal umfasst Zeitintervalle t, die jeweils ein erstes Zeitteilintervall thold aufweisen, in denen über die gesamte Dauer des ersten Zeitteilintervalles thold eine konstante erste (Spulen-)Spannung Uhold an die Spule angelegt wird. Die erfasste für die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße induzierte Messspannung wird im ersten Zeitteilintervall thold ermittelt. Zudem weisen die Zeitintervalle t jeweils ein zweites Zeitteilintervall tshot auf, in denen eine, insbesondere über die gesamte Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot konstante zweite (Spulen-)Spannung Ushot an die Spule angelegt ist. Dabei ist die zweite (Spulen-)Spannung Ushot größer als die erste (Spulen-)Spannung Uhold. Im Spannungsverlauf folgt das erste Zeitteilintervall thold auf das zweite Zeitteilintervall tshot. Zudem ist die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot kleiner als die Dauer des ersten Zeitteilintervalles thold. Die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot ist zeitlich veränderlich und regelbar. Ebenso die erste (Spulen-)Spannung Uhold. Zumindest die erste (Spulen-)Spannung Uhold ist so geregeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist. Die Regelfunktion hängt dabei von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot und eine von der ersten (Spulen-)Spannung Uhold abhängigen Funktion ab. Der Regelsollwert kann für den gesamten Spannungsverlauf und somit für alle Zeitintervalle vorgegeben sein. Alternativ können Zeitintervalle mit einem positiven Vorzeichen im Spannungsverlauf einen ersten Regelsollwert aufweisen und Zeitintervalle mit einem negativen Vorzeichen einen zweiten Regelsollwert aufweisen, wobei sich der erste Regelsollwert vom zweiten Regelsollwert unterscheidet. Alternativ kann auch eines der beiden Betriebssignale auf einer Konstant-(Spulen-)Strom -Regelung beruhen. Das heißt, dass z.B. die erste Spannung so geregelt wird, dass während eines Messintervalles die Abweichung des (Spulen-)Strom es von einem (Spulen-)Strom sollwertes minimal, und bevorzugt Null ist.
Die erste (Spulen-)Spannung Uhold und die zweite (Spulen-)Spannung Ushot können so festgelegt sein, dass ein Verhältnis zwischen der ersten (Spulen-)Spannung Uhold und der zweiten (Spulen-)Spannung Ushot über den gesamten Spannungsverlauf 12 konstant ist bzw. ein Absolutbetrag eines Quotientes aus der ersten (Spulen-)Spannung Uhold und der zweiten (Spulen-)Spannung Ushot über den Spannungsverlauf 12 konstant ist. Das heißt, dass durch Regelung der ersten (Spulen-)Spannung Uhold automatisch auch die zweite (Spulen-)Spannung Ushot proportional zu Änderung angepasst wird. In dem Fall ist vorzugsweise die von der ersten (Spulen-)Spannung Uhold abhängige Funktion umgekehrt proportional zu der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot. Alternativ kann die zweite (Spulen-)Spannung Ushot, bzw. ein Absolutbetrag der zweiten (Spulen-)Spannung Ushot über den gesamten Spannungsverlauf 12 einen konstanten Wert annehmen.
Zusätzlich zur Regelung der ersten (Spulen-)Spannung Uhold wird die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot so geregelt ist, dass ein ermittelter Wert einer von einer Prüfgröße abhängigen Größe innerhalb der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot einen Prüfsollwert annimmt. Ein Beispiel für eine derartige Umsetzung wird in der WO 2014/001026 A1 offenbart. Dabei kann es sich bei der Größe beispielsweise um einen (Spulen-)Strom sollwert, eine Summe oder eine Integral der Messwerte der Prüfgröße für einen vorgegebenen Zeitabschnitt handeln. Dabei werden die beiden Regelparameter so geregelt, dass eine von dem Produkt der ersten (Spulen-)Spannung Uhold und der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot abhängigen Funktion nicht von einem vorgegebenen zweiten Regelsollwert abweicht. Die von der ersten (Spulen-)Spannung Uhold abhängige Funktion ist umgekehrt proportional zur Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot. Bei der Prüfgröße kann es sich um einen Messwert des (Spulen-)Stromes, einen zeitlichen Verlauf eines (Spulen-)Stromes und/oder einer davon abhängigen Größe handeln.
Die Reglerschaltung ist dazu eingerichtet, bei einer Abweichung eines Spulenprüfstromwertes oder einer von dem Spulenprüfstromwert abhängigen Prüfgröße von einem Sollwert in einem Zeitintervall tN, die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot so zu ändern, dass die Abweichung in einem zeitlich darauffolgenden Zeitintervall tN+M kleiner ist, wobei M > 1 ist. Gleichzeitig ist die Reglerschaltung dazu eingerichtet, bei einer Abweichung des Ist-Wertes von einem Sollwert in einem Zeitintervall tN, die erste (Spulen-)Spannung Uhold so zu ändern, dass die Abweichung von einem Sollwert in einem zeitlich darauffolgenden Zeitintervall tN+M kleiner ist, wobei M > 1. Dabei ist jedoch mindestens eine der obig gelisteten Bedingungen zu erfüllen. Die Reglerschaltung kann dazu eingerichtet sein, weitere Größen und/oder Funktionen zu regeln.
Die Regelfunktion, insbesondere die von der ersten (Spulen-)Spannung Uhold abhängige Funktion kann ebenfalls von In _(Ushot + Uhold)/(Ushot - Uhold)) abhängen, bzw. proportional dazu sein.
Die Fig. 5 zeigt einen sich aus dem Spannungssignal der Fig. 4 ergebenden zeitlichen Verlauf des (Spulen-)Stromes durch die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes, insbesondere durch die Spulenanordnung. Der (Spulen-)Strom ändert in den einzelnen Zeitintervallen die Fließrichtung. Durch das Anlegen der zweiten Spulenspannung, die um ein Vielfaches höher ist als die erste (Spulen-)Spannung, nimmt der (Spulen-)Strom rapide zu. Ab Beginn des ersten Zeitteilintervalles nimmt der (Spulen-)Strom noch solange zu, bis er den maximalen (Spulen-)Strom wert Imax erreicht. In diesem Zeitteilintervall sind die Wirbelströme im Wesentlichen konstant. Danach sinkt der (Spulen-)Strom ab und konvergiert gegen einen im Wesentlichen konstanten (Spulen-)Strom wert /hoki.
Gemäß einerweiteren Ausgestaltung ist eine Messschaltung dazu eingerichtet im ersten Zeitteilintervall thoid einen maximalen (Spulen-)Strom wert Imax zu ermitteln und die die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot und die von der erste (Spulen-)Spannung Uhold abhängige Funktion so geregelt werden, dass eine Regelfunktion nicht von einem vorgegebenen zweiten Sollwert abweicht, wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot und der von der erste (Spulen-)Spannung Uhold und dem maximalen (Spulen-)Strom wert Imax abhängigen Funktion abhängt.
Alternativ kann die Reglerschaltung dazu eingerichtet sein, mindestens einen der Betriebssignalparameter - vorzugsweise die erste (Spulen-)Spannung Uhold - so zu regeln, dass ein von einem Quotienten des maximalen (Spulen-)Strom wertes Imax und eines während des ersten Zeitteilintervalles thold ermittelten (Spulen-)Strom wertes Ihold über das Betriebssignal konstant ist.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer eines dritten Zeitteilintervalles tlmax und eine von der ersten (Spulen-)Spannung Uhold abhängigen Funktion abhängen. Dabei ist das dritte Zeitteilintervall tlmax durch einen Beginn des zweiten Zeitteilintervalles tshot und einem Zeitpunkt in dem der (Spulen-)Strom den maximalen (Spulen-)Strom wert Imax annimmt begrenzt ist.
Bei den in Fig. 2 bis Fig. 5 abgebildeten Verläufen handelt es sich um stark vereinfachte Schemata. Nach dem zweiten Zeitteilintervall kommt es in der Regel zu einem Einschwingen des Magnetfeldes. Anhand der perspektivischen und teilweise geschnittenen Darstellung der
Fig. 6 wird zunächst das der Erfindung zugrunde liegende Messprinzip erläutert. Eine Durchflussmesssonde 101 umfasst ein im allgemeinen kreiszylindrisches, einen vorgegebenen Außendurchmesser aufweisendes Gehäuse 102. Dieses ist an den Durchmesser einer Bohrung angepasst, die sich in einer Wand einer in Fig. 6 nicht dargestellten Rohrleitung befindet und in die die Durchflussmesssonde 101 fluiddicht eingesteckt ist. In der Rohrleitung strömt ein zu messendes Medium, in das die Durchflussmesssonde 101 praktisch senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums eintaucht, die durch die gewellten Pfeile 118 angedeutet ist. Ein in das Medium ragendes Frontende 116 des Gehäuses 102 ist mit einem Frontkörper 115 aus Isoliermaterial fluiddicht verschlossen. Mittels einer im Gehäuse 102 angeordneten Spulenanordnung
106 lässt sich ein durch den Endabschnitt hindurch, in das Medium hineinreichendes Magnetfeld 109 erzeugen. Ein mindestens teilweise aus einem weichmagnetischen Material bestehender, im Gehäuse 102 angeordneter Spulenkern 111 endet an oder in der Nähe des Endabschnittes 116. Ein Feldrückführungskörper 114, der die Spulenanordnung 106 und den Spulenkern 111 umschließt, ist dazu eingerichtet das aus dem Endabschnitt hindurchreichende Magnetfeld 109 in das Gehäuse 102 zurückzuführen. Der Spulenkern 111 , der Polschuh 112 und der Feldrückführungskörper 114 sind jeweils Feldführungskörper 110, welche zusammen eine Feldführungsanordnung 105 bilden. Eine erste und eine zweite einen galvanischen Kontakt mit dem zu führenden Medium bildende Messelektrode 103, 104 bilden die Vorrichtung zum Erfassen einer im Medium induzierten Messspannung und sind in dem Frontkörper 115 angeordnet und berühren ebenso wie die Außenwände des Gehäuses das Medium. An den Messelektroden 103, 104 lässt sich eine aufgrund des Faraday'schen Induktionsgesetzes induzierte elektrische (Spulen-)Spannung mittels einer Mess- und/oder Auswerteeinheit abgreifen. Diese ist maximal, wenn die Durchflussmesssonde 101 so in die Rohrleitung eingebaut ist, dass eine durch eine die beiden Messelektroden 103, 104 schneidende Gerade und eine Längsachse der Durchflussmesssonde aufgespannte Ebene senkrecht zu der Strömungsrichtung 118 bzw. Längsachse der Rohrleitung verläuft. Eine Betriebsschaltung
107 ist mit der Spulenanordnung 106, insbesondere mit der Spule 113 elektrisch verbunden und dazu eingerichtet ein getaktetes Betriebssignal auf die Spule 113 aufzuprägen, um somit ein getaktetes Magnetfeld 109 zu erzeugen. Die Reglerschaltung 120 ist dazu eingerichtet, mindestens einen der Betriebssignalparameter des Betriebssignales, insbesondere die erste (Spulen-) Spannung und bevorzugt auch die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe, umfassenden Regelsollwert minimal ist. Dafür wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung die von der ersten (Spulen-)Spannung Uhold abhängige Funktion und die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot so geregelt, dass sich beide umgekehrt proportional zueinander verhalten. Die Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen magnetischinduktiven Durchflussmessvorrichtung in Form eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes. Das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät weist neben der ersten Spule 6.1 und der diametral dazu angeordneten zweiten Spule 6.2 N weitere Spulen auf. Dabei gilt für die abgebildete Ausgestaltung, dass N = 2 ist. Die dritte Spule 6.3 und die vierte Spule 6.4 sind ebenfalls am äußeren Umfang des Messrohres angebracht. Sie sind diametral zueiander angeordnet. Die vier Spulen unterscheiden sich weder in dem Material der einzelnen Spulenkomponenten, noch in der Spulenwicklungszahl. Alternativ können auch N + 2 in der Wicklungszahl und materialtechnisch unterschiedliche Spulen eingesetzt werden. Die vier abgebildeten Spulen sind alle mit Betriebsschaltung 7 elektrisch verbunden und werden separat mittels eines Betriebssignales betrieben. Die Betriebssignale zum Betreiben der /V weiteren Spulen weisen jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-)Spannungsverläufe aufw, welcher in Zeitintervalle eingeteilt ist mit einem ersten Zeitteilintervall, in welchem eine über das, insbesondere gesamte, erste Zeitteilintervall, insbesondere konstante, erste (Spulen-)Spannung an die N weiteren Spulen angelegt ist. Weiterhin weisen die Zeitintervalle der Betriebssignale jeweils ein zweites Zeitteilintervall auf, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall eine, insbesondere konstante, zweite (Spulen-)Spannung an die /V weiteren Spule angelegt ist. Für die Regelung gilt, dass die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung abhängigen Funktion, insbesondere der ersten (Spulen-)Spannung abhängt. Die Reglerschaltung ist ebenfalls dazu eingerichtet, die erste (Spulen-)Spannung der /V Betriebssignale so zu regeln, dass eine Abweichung einer insbesondere jeweiligen Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist. Alternativ kann die Regelfunktion von mindestens drei und bevorzugt N + 2 Produkten - bzw. in dem Fall von den vier Produkten - der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (Uhoid) abhängigen Funktion der jeweiligen Betriebssignale abhängen.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums, umfassend:
- eine Vorrichtung (5) zum Erzeugen eines Magnetfeldes, umfassend zumindest eine erste Spule (6.1) und eine zweite Spule (6.2);
- eine Vorrichtung (8) zum Abgreifen einer im fließfähigen Medium induzierten Messspannung, insbesondere umfassend mindestens zwei bevorzugt diametral angeordnete Messelektroden (17, 18);
- eine Betriebsschaltung (7), welche dazu eingerichtet ist, mittels eines eine veränderliche (Spulen-)Spannung und einen veränderlichen (Spulen-)Strom aufweisenden elektrisch ersten Betriebssignals (11.1), elektrische Leistung in die erste Spule (6.1) einzuspeisen und welche ebenfalls dazu eingerichtet ist, mittels eines eine veränderliche (Spulen-)Spannung und einen veränderlichen (Spulen-)Strom aufweisenden elektrisch zweiten Betriebssignals (11.2), elektrische Leistung in die zweite Spule (6.2) einzuspeisen, wobei das erste Betriebssignal (11.1) und das zweite Betriebssignal (11 .2) jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-)Spannungsverlauf (12) aufweisen, welcher in Zeitintervalle (t) eingeteilt ist, wobei die Zeitintervalle (t) jeweils ein erstes Zeitteilintervall (thoW) aufweisen, in welchem eine über das, insbesondere gesamte, erste Zeitteilintervall (thold), insbesondere konstante, erste (Spulen-)Spannung (Uhold) an die Spulen (6.1 , 6.2) angelegt ist, wobei die Zeitintervalle (t) des ersten Betriebssignales (11 .1) jeweils mindestens ein Messintervall (26) aufweisen, in dem ein (Spulen-)Strom durch die erste Spule (6.1) fließt, wobei Spulenströme unterschiedlicher Messintervalle des ersten Betriebssignales (11.1) veränderliche Größen sind; und
- eine Reglerschaltung (10, 120), wobei die Reglerschaltung (10, 120) dazu eingerichtet ist, zumindest die erste (Spulen-)Spannung (Uhoid) des ersten Betriebssignales (11.1) so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden, Regelsollwert minimal ist.
2. Magnetisch-induktive Durchflussmessvornchtung nach Anspruch 1 , wobei das erste Betriebssignal (11.1) und das zweite Betriebssignal (11 .2) derart synchronisiert sind, dass die jeweiligen Zeitintervalle der beiden Betriebssignale (11.1 , 11 .2) gleichzeitig beginnen.
3. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitintervalle (t) des ersten Betriebssignales (11 .1) jeweils ein zweites Zeitteilintervall tshot) aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte, zweite Zeitteilintervall tshot) eine, insbesondere konstante, zweite (Spulen-)Spannung (Ushot) an die erste Spule (6.1) angelegt ist, wobei die zweite (Spulen-)Spannung (Ushot) größer als die erste (Spulen-)Spannung (Uhold) ist, wobei die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot) und die erste (Spulen-)Spannung (Uhoid) jeweils eine veränderliche und regelbare Größe sind, wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (tshot) und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (Uhold) abhängigen Funktion abhängt.
4. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zeitintervalle (t) des ersten Betriebssignales (11.1) und des zweiten Betriebssignales (12.1) jeweils ein zweites Zeitteilintervall (tshot) aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall tshot) eine insbesondere konstante zweite (Spulen-)Spannung (Ushot) an die erste Spule (6.1) angelegt ist, wobei die zweite (Spulen-)Spannung (Ushot) größer als die erste (Spulen-)Spannung (Uhold) ist, wobei die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot) und die erste (Spulen-)Spannung (Uhoid) jeweils eine veränderliche und regelbare Größe sind, wobei die Regelfunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (tshot) und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (Uhold) abhängigen Funktion abhängt, wobei die Reglerschaltung dazu eingerichtet ist, ebenfalls die erste (Spulen-)Spannung (Uhoid) des zweiten Betriebssignales (11.2) so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist, wobei Spulenströme unterschiedlicher Messintervalle des zweiten Betriebssignales (11.2) veränderliche Größen sind.
5. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dauer des ersten Zeitteilintervalles (tftoW) des ersten Betriebssignales
(11.1) und die Dauer des ersten Zeitteilintervalles (thold) des zweiten Betriebssignales
(11 .2) in den jeweiligen Zeitintervallen (t) gleich sind.
6. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Summe aus der Dauer des ersten Zeitteilintervalles (thoW) und der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (tshot) des ersten Betriebssignales (11.1) und eine Summe aus der Dauer des ersten Zeitteilintervalles (thold) und der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (tshot) des zweiten Betriebssignales (11.2) in den jeweiligen Zeitintervallen (t) gleich sind.
7. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die erste (Spulen-)Spannung (Uhoid) des ersten Betriebssignales (11.1) von der ersten (Spulen-)Spannung (Uhold) des zweiten Betriebssignales (11 .2) unterscheidet.
8. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei sich die zweite (Spulen-)Spannung (Ushot) des ersten Betnebssignales
(11.1) von der zweiten (Spulen-)Spannung (Ushot) des zweiten Betriebssignales (11.2) unterscheidet.
9. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei sich der Regelsollwert des ersten Betriebssignales (11.1) von dem Regelsollwert des zweiten Betriebssignales (11 .2) zumindest zeitweise unterscheidet.
10. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die Reglerschaltung (10) dazu eingerichtet ist, die erste (Spulen-)Spannung (yftoW) des ersten Betriebssignales (11.1) und die erste (Spulen-)Spannung (Uhoid des zweiten Betriebssignales (11 .2) so zu regeln, dass eine Abweichung einer Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist, wobei der Regelsollwert von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (tshot) des ersten Betriebssignales (11.1) und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (Uhoid des ersten Betriebssignales (11.2) abhängigen Funktion abhängt, wobei der Regelsollwert ebenfalls von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (tshot) des zweiten Betriebssignales (11 .2) und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (Uhoid des zweiten Betriebssignales (11.2) abhängigen Funktion abhängt.
11. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Reglerschaltung (10) dazu eingerichtet ist, die erste (Spulen-)Spannung (Uhold) des zweiten Betriebssignales (11 .2) so zu regeln, dass eine Abweichung des (Spulen-)Stromes während des Messintervalles von einem insbesondere werkseitig vorgegebenen (Spulen-)Stromsollwert minimal ist.
12. Magnetisch-induktive Durchflussmessvomchtung nach Anspruch 11 , wobei die Betriebsschaltung (7) dazu eingerichtet ist, für eine Dauer eines Diagnoseintervalles das erste Betriebssignal (11.1) an die zweite Spule (6.2) anzulegen, wobei eine Diagnoseschaltung (13) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des während des Messintervalles (tmess) des ersten Betriebssignales (11.1) fließenden Stromes einen korrigierten (Spulen-)Stromsollwert zu ermitteln, der den vorgegebenen Spulensollwert ersetzt.
13. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (5) zum Erzeugen des Magnetfeldes zusätzlich N weitere Spulen aufweist, wobei N > 1 gilt, wobei die Betriebsschaltung (7) ebenfalls dazu eingerichtet ist, die N weiteren Spulen jeweils mit einem Betriebssignal zu betreiben, wobei die Betriebssignale zum Betreiben der N weiteren Spulen jeweils einen, sich zeitlich veränderlichen (Spulen-)Spannungsverläufe aufweisen, welcher in Zeitintervalle (t) eingeteilt ist, wobei die Zeitintervalle (t) jeweils ein erstes Zeitteilintervall (thoW) aufweisen, in welchem eine über das insbesondere gesamte erste Zeitteilintervall (thold) bevorzugt konstante erste (Spulen-)Spannung (Uhoid) an die N weiteren Spulen angelegt ist, wobei die Zeitintervalle (t) der Betriebssignale jeweils ein zweites Zeitteilintervall (tshot) aufweisen, in welchem über das insbesondere gesamte zweite Zeitteilintervall (tshot) eine insbesondere konstante zweite (Spulen-) Spannung (Ushot) an die N weiteren Spule angelegt ist, wobei die zweite (Spulen-)Spannung (Ushot) größer als die erste (Spulen-)Spannung (Uhold) ist, wobei die Dauer des zweiten Zeitteilintervalles tshot) und die erste (Spulen-)Spannung (Uhoid) jeweils eine veränderliche und regelbare Größe sind, wobei die Regeifunktion von einem Produkt der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (tshot) und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (Uhold) abhängigen Funktion abhängt, wobei die Reglerschaltung ebenfalls dazu eingerichtet ist, die erste (Spulen-)Spannung (Uhoid der N Betriebssignale so zu regeln, dass eine Abweichung einer insbesondere jeweiligen Regelfunktion von einem vorgegebenen, insbesondere eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Größe umfassenden Regelsollwert minimal ist.
14. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Regelfunktion von mindestens drei und bevorzugt N + 2 Produkten der Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (tshot) und eine von der ersten (Spulen-)Spannung (Uhold) abhängigen Funktion der jeweiligen Betriebssignale abhängt.
15. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Betriebssignal (11.1) Ruheintervalle aufweist, in denen im Wesentlichen keine (Spulen-)Spannung an die erste Spule (6.1) angelegt ist, wobei während der Ruheintervalle eine (Spulen-)Spannung an der zweiten Spule (6.2) angelegt ist.
16. Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Diagnoseschaltung (13) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines aktuell eingeregelten (Spulen-)Spannungswertes der ersten (Spulen-)Spannung (Uhold) und/oder eines aktuellen Dauer des zweiten Zeitteilintervalles (tshot) die Spule (6.1 , 6.2) zu bestimmen, die durch ein externes Magnetfeld gestört ist.
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