WO2024041811A1 - VERFAHREN ZUM ERMITTELN EINER STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEITSABHÄNGIGEN MESSGRÖßE - Google Patents

VERFAHREN ZUM ERMITTELN EINER STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEITSABHÄNGIGEN MESSGRÖßE Download PDF

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WO2024041811A1
WO2024041811A1 PCT/EP2023/069822 EP2023069822W WO2024041811A1 WO 2024041811 A1 WO2024041811 A1 WO 2024041811A1 EP 2023069822 W EP2023069822 W EP 2023069822W WO 2024041811 A1 WO2024041811 A1 WO 2024041811A1
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WO
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process line
magnetic
criterion
specific
medium
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/069822
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English (en)
French (fr)
Inventor
Simon MARIAGER
Simon TRIEBENBACHER
Markus RÜFENACHT
Tulio PAIVA GALVAO
Michael Burger
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.)
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Application filed by Endress+Hauser Flowtec Ag filed Critical Endress+Hauser Flowtec Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/58—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/006—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus characterised by the use of a particular material, e.g. anti-corrosive material

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a flow velocity-dependent measurement variable, a magnetic-inductive flow measuring device and a magnetic-inductive flow measuring probe.
  • Magnetic-inductive flow measuring devices are used to determine the flow rate and volume flow of a flowing medium in a pipeline.
  • a magnetic inductive flowmeter has a magnetic field generating device for generating a magnetic field.
  • a main axis of the magnetic field runs essentially perpendicular to the flow direction of the flowing medium. Saddle or cylindrical coils are usually used for this.
  • additional pole pieces are shaped and attached relative to the flow direction so 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 pipe cross section.
  • a magnetic-inductive flowmeter has a measuring tube, on the outer surface of which the magnetic field-generating device is arranged.
  • a pair of measuring electrodes attached to the lateral surface of the measuring tube detects an electrical measuring voltage or potential difference perpendicular to the flow direction and the magnetic field, which arises when a conductive medium flows in the flow direction 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 measurement voltage.
  • magnetic-inductive flow measuring probes In contrast to a magnetic-inductive flow measuring device, which comprises 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 flow measuring probes with their usually circular cylindrical housing are inserted into a side 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 mentioned at the beginning on the lateral surface of the measuring tube are omitted and are replaced by a device for generating a magnetic field which is arranged inside the housing and in the immediate vicinity of the measuring electrodes and which is designed in such a way that an axis of symmetry of the magnetic field lines of the generated magnetic field Front surface or the surface between the measuring electrodes is vertical cuts.
  • Magnetic-inductive flow measuring devices are often used in process and automation technology for fluids with an electrical conductivity of around 5 S/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 names PROMAG or MAGPHANT.
  • the invention is based on the object of resolving the problem.
  • the object is achieved by the method according to claim 1, the method according to claim 2, the magnetic-inductive flow measuring device according to claim 14 and the magnetic-inductive flow measuring probe according to claim 15.
  • the process line-specific criterion is related to an influence of a condition of the process line, in particular of the process line section, on an electrical potential distribution, in particular in the flow direction of the medium, in the process line section; and - Determining the flow velocity-dependent measured variable, whereby the process line-specific criterion, in particular a criterion-specific variable assigned to the process line-specific criterion, is included in the determination of the flow velocity-dependent measured variable.
  • the advantage of the design is that by taking into account the process line and its influence on the electrical potential distribution in the flowing medium when determining the flow velocity-dependent measurement variable, the measuring point-dependent measurement errors are reduced and magnetic-inductive flowmeters can therefore be implemented more compactly without having to accept any loss in measurement accuracy . It has been shown that the measuring point-dependent measurement error can be corrected by taking the process line-specific criterion into account. The customer or the installer only has to specify (e.g. during commissioning) the process line-specific criterion valid at the measuring point in the magnetic-inductive flowmeter or select it from a predetermined list in the control of the magnetic-inductive flowmeter. A correction variable, i.e.
  • a correction factor and/or a correction offset is assigned to the selected process line-specific criterion, or the criterion-specific variable is a correction factor and/or a correction offset, which takes into account the process line-related electrical potential distribution and its influence on the measurement.
  • the process line-specific criterion is a feature of the process line that influences the electrical potential distribution in the longitudinal direction of the flowing medium.
  • the electrical potential distribution results from the local course of the electrical potential in a longitudinal section through the process line and the magnetic-inductive flowmeter.
  • process line-specific criterion is related to an influence of a condition of the process line, in particular of the process line section, on an electrical potential distribution, in particular in the flow direction of the medium, in the process line section;
  • the advantage of the design is that by taking into account the process line and its influence on the electrical potential distribution in the flowing medium when determining the flow velocity-dependent measurement variable, the possible uses for magnetic-inductive flow measuring probes are significantly increased. This means that magnetic-inductive flow measuring probes can be used simultaneously in metallic process lines and plastic process lines without having to undergo recalibration. It is also advantageous that a single adjustment, for example in a metallic process line, is sufficient. Even if the magnetic-inductive flow measuring probe is subsequently used in a plastic process line.
  • criterion-specific variable is or is determined by means of a, in particular numerical, simulation method, with the process line-specific criterion being included in the simulation method.
  • the said disturbances result in an asymmetrical flow profile and the assumption that a completely rotationally symmetrical flow profile is present, which is usually assumed when configuring the magnetic-inductive flowmeter, is no longer valid.
  • the present invention must be distinguished from the cited prior art, since the present solution does not take into account the influences of the process line on the flow profile in the measuring tube, but rather the influence on the electrical potential distribution present in the medium and in particular its local course in the flow direction.
  • the numerical simulation method is not only suitable for simulating the electrical potential distribution in the medium for a given process line-specific criterion, but also for determining the criterion-specific variable with which the measurement error can be corrected by the user.
  • the criterion-specific variable can be stored in a memory of the magnetic-inductive flow measuring device or the magnetic-inductive flow measuring probe or can be made available via a wired or loose connection to an external computing system - where it is determined.
  • the simulation method includes a calculation using the finite element method.
  • the finite element method is a numerical simulation method and is commonly used in strength and deformation studies of solids. According to the invention, it is not the flow profile of the flowing medium that is simulated using the finite element method, but rather the process line, the individual components of the magnetic-inductive flow measuring device or the magnetic-inductive flow measuring probe or the magnetic field distribution generated thereby, the medium itself and the distribution of the electrical potential in the medium.
  • the, in particular numerical, simulation method includes determining the electrical potential distribution, in particular in the flow direction of the medium, in the process line, in particular in the process line section, and/or in the magnetic-inductive flow measuring device, wherein a deviation of the determined potential distribution from one The specified potential distribution is included in the determination of the criterion-specific variable.
  • the electrical potential present in the medium is determined in at least one longitudinal section through the process line and/or the magnetic-inductive flowmeter. This results in an electrical potential distribution which takes into account the particular electrical properties of the process line and/or the magnetic-inductive flowmeter.
  • the determination is carried out for a reference system and for different measuring points, each of which differs in the process line-specific criterion. For example, if the measuring point has an electrically conductive process line, the electrical potential in the process line section adjacent to the magnetic-inductive flowmeter is set to zero.
  • the contact surface of the process line with the medium has an infinitely high resistance or a very high resistance (several orders of magnitude larger) relative to the electrical resistance of a metallic pipe.
  • the reference system can be the adjustment measuring point present during the adjustment of the magnetic-inductive flow measuring device or the magnetic-inductive flow measuring probe. The deviation between the potential distributions of the reference system and the measuring point is included in the final criterion-specific quantity.
  • the simulation method includes determining a weight function at least in a measuring electrode cross section, whereby a deviation of the determined weight function from a predetermined weight function is included in the determination of the criterion-specific size, wherein the measuring electrode cross section intersects the at least one measuring electrode.
  • the weight function in the measuring electrode cross section can be determined in the simulation process, which provides information about the induced voltage present and measurable at the measuring electrodes.
  • the local potential distribution in the measuring electrode cross section is summed or integrated. The individual electrical potentials depend on the potential distribution in the direction of flow.
  • the weight function is also determined for a reference system and for the corresponding measuring points. A deviation between the two weight functions is included in the criterion-specific size.
  • the process line is electrically conductive
  • the process line is electrically insulating
  • the process line is electrically insulating and a ground ring is arranged between the process line and the magnetic-inductive flowmeter;
  • the process line is electrically insulating and no ground ring is arranged between the process line and the magnetic-inductive flowmeter;
  • the process line has an electrically insulating process line liner
  • the process line has an inner diameter of the process line that deviates from the inner diameter of the measuring tube.
  • a criterion can also include two or more characteristics of the process management.
  • the process line-specific criterion includes which material the process line section of the process line, in particular a process line body of the process line, comprises.
  • the material of the process line walls usually includes metal, glass, cement, plastic, ceramic, enamel and/or GRP.
  • the process line-specific criterion includes an inner diameter of the process line.
  • the magneto-inductive flowmeter has an electrical device potential, wherein the process line-specific criterion includes whether the magneto-inductive flowmeter or the magneto-inductive flow measuring probe is operated in an unearthed mode, the unearthed mode meaning the operation of the magnetically inductive flowmeter. inductive flow measuring device or the magnetic-inductive flow measuring probe with galvanic isolation of the medium from the device potential.
  • Correct potential equalization is a prerequisite for stable, reliable flow measurement. Insufficient or incorrect potential equalization can lead to device failure and pose a safety risk.
  • the basic rule is that the medium, the sensor and the transmitter must be at the same electrical potential.
  • a necessary potential equalization connection can be made using a grounding cable with a minimum cross-section of 6 mm 2 .
  • the potential equalization takes place via the measuring tube of the magnetic-inductive flowmeter. If the process line is properly grounded on both sides, the medium is on the same electrical potential as the process line, since the process line wall in contact with the medium is electrically conductive. The medium is thus set to earth potential.
  • the process line includes a plastic pipeline or an electrically insulating lining that comes into contact with the medium, the potential equalization takes place via a ground terminal and ground disks.
  • the medium potential may deviate from the potential of the measuring device.
  • the "ungrounded mode" enables galvanic isolation of the measuring system from the potential of the device. In this way, harmful compensating currents caused by potential differences between the medium and the device can be minimized.
  • the voltage differences between the medium potential and the device potential should be as small as possible and should usually be in the mV range. If there is a plastic pipeline and the sensor and the transmitter are properly grounded, a potential difference can occur between the medium and the protective earth, i.e. compensating currents through the medium cannot be ruled out. Potential equalization between the potential of the medium and the protective earth via the reference electrode is minimized in unearthed mode.
  • One embodiment provides that a calibration factor K is included in the determination of the flow velocity-dependent measurement variable, with the calibration factor K being determined using an adjustment method.
  • the criterion-specific size is determined by a distance of the magnetic field generating device from the process line, in particular from the process line section, or a length of the measuring tube.
  • the criterion-specific size is determined by a distribution-specific size, in particular a half-width, of the magnetic field.
  • the magnetic field generated by the magnetic field generating device increasingly overlaps with the process line section adjacent to the magnetic-inductive flowmeter. This leads to the charges in the flowing medium already being separated in the process line.
  • the disadvantage of this is that the electrical properties present in the process line are not known and this leads to an incorrect offset in the flow velocity-dependent measured variable.
  • the distribution-specific size of the magnetic field generated by the magnetic field generating device can be determined using a simulation method or must be measured at the factory when adjusting the magnetic-inductive flowmeter or the magnetic-inductive flow measuring probe. The measurement can be done using commercially available magnetic field sensors.
  • the finite element method is also suitable as a simulation method.
  • One embodiment provides that the criterion-specific size is independent of a maximum magnetic field strength of the generated magnetic field.
  • the criterion-specific size does not correlate with the maximum magnetic field strength of the magnetic field generated, but rather depends strongly on the distribution, in particular the half-width of the magnetic field.
  • the manufacturer provides the criterion-specific size to the user
  • the user independently describes his process line-specific criterion and sends it to the manufacturer to determine the criterion-specific variable. This can be done informally as a voice message, text or with the help of a software program that is set up to guide the user in such a way that all necessary information is provided. Once all information has been received, the manufacturer calculates the criterion-specific size and then makes it available to the user. The criterion-specific variable can be transferred directly from the manufacturer to the magnetic-inductive flowmeter or the magnetic-inductive flow measuring probe or transmitted to the user, who then enters the criterion-specific variable into the corresponding measuring device.
  • the magneto-inductive flowmeter according to the invention is characterized in that the magneto-inductive flowmeter is set up to carry out the method according to the invention.
  • the magneto-inductive flow measuring probe according to the invention is characterized in that the magneto-inductive flow measuring probe is set up to carry out the method according to the invention.
  • the basic idea is to take the electrical charge distribution in the medium resulting from the process line into account when determining the flow velocity-dependent measurement variable.
  • the necessary correction variable i.e. the criterion-specific variable
  • the necessary correction variable is preferably determined using a simulation method. Simulation methods in which the geometry of the process line and the resulting flow profile of the flowing medium are simulated are state of the art. In the present invention, the electrical properties of the process line essentially go into determining the correction variable. Using the correction variable determined using simulation methods, measuring point-dependent measurement errors can be minimized.
  • Fig. 1 an embodiment of the magnetic-inductive flow measuring device according to the invention
  • Fig. 2 a perspective view of a partially sectioned embodiment of a magnetic-inductive flow measuring probe according to the invention
  • Fig. 3 a perspective view of a magnetic-inductive flowmeter installed in a process line
  • Fig. 4 the relationship between the measurement error depending on the measuring tube length for different magnetic field distributions.
  • Fig. 5 an embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 6 a menu structure for operating the magnetic-inductive flowmeter or the magnetic-inductive flow measuring probe.
  • FIG. 1 shows a cross section of an embodiment of the magnetic-inductive flow measuring device 1 according to the invention, in particular of the measuring sensor.
  • the structure and measuring principle of a magnetic-inductive flowmeter 1 are basically known.
  • 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 includes these.
  • a magnetic field generating 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 magnetic field generating device 5 usually comprises a saddle coil or at least one (cylinder) coil 6i.
  • a coil core 14i usually extends through a receptacle 15 of the coil 6i.
  • the recording 15 is to be understood as the volume which is limited by the coil wire forming the coil 6i.
  • the receptacle 15 of the coil 6i can thus be formed by a coil holder or by the imaginary enclosed volume. The latter occurs when the coil wire of the coil 6i is wound directly around the coil core 14i.
  • the coil core 14i is formed from a magnetically conductive, in particular soft magnetic material.
  • the device 5 for generating the magnetic field comprises a pole piece 21i, which is arranged at one end of the coil core 14i.
  • the pole piece 21i can be a separate component or monolithically connected to the coil core 14i. In the embodiment shown in FIG.
  • two diametrically arranged coils 6a, 6b each have a coil core 14a, 14b and a pole piece 21a, 21b.
  • the two coil cores 14a, 14b are connected to one another via a field return 22.
  • the field return 22 connects the opposite sides of the coil cores 14a, 14b to one another.
  • the coil 6 is connected to an operating circuit 7, which operates the coil 6 with an operating signal.
  • the operating signal can be a voltage with a time-varying course and is characterized by operating signal parameters, with at least one of the operating signal parameters being controllable.
  • the magnetic field created by the magnetic field generating device 5 is generated by a direct current of alternating polarity clocked by means of an operating circuit 7. This ensures a stable zero point and makes the measurement insensitive to influences caused by electrochemical interference.
  • the two coils 6a, 6b can be connected separately to the operating circuit 7 or connected in series or parallel to one another.
  • a device 8 for tapping the induced measuring voltage is arranged on the measuring tube 2.
  • the device 8 for tapping the induced measuring voltage is formed by two measuring electrodes 17, 18 arranged opposite one another to form a galvanic contact with the medium.
  • magnetic-inductive flow measuring devices are known which have measuring electrodes arranged on the outer wall of the support tube 3, which do not are in contact with the medium.
  • the measuring electrodes 17, 18 are arranged diametrically and form an electrode axis or are intersected by a transverse axis which runs perpendicular to the magnetic field lines and the longitudinal axis of the measuring tube 2.
  • devices 8 for tapping the induced measuring voltage are also known, which have more than two measuring electrodes.
  • the flow velocity-dependent measurement variable can be determined based on the measured voltage.
  • the flow rate-dependent measurement variable includes the flow rate, the volume flow and/or the mass flow of the medium.
  • a measuring circuit 23 is set up to detect the induced measuring voltage applied to the measuring electrodes 17, 18 and an evaluation circuit 24 is designed to determine the flow velocity-dependent measured variable.
  • the evaluation circuit 24 can be part of the measuring transducer.
  • 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 fill 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 fill 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, serves 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 and evaluation circuit 24 can be part of a single electronic circuit or form individual circuits.
  • the magnetic-inductive flowmeter 1 is set up to carry out the method according to the invention.
  • the evaluation circuit 24 is set up to incorporate a criterion-specific variable selected directly or indirectly by the operator from a list into the determination of the flow velocity-dependent measurement variable. In this way, the measured induced measuring voltage or the measured electrical potentials can be corrected using the criterion-specific variable.
  • the evaluation circuit 24 points to carrying out the invention Method includes a microprocessor, logical switching components and/or electronic components.
  • a flow measuring probe 101 comprises a generally circular cylindrical housing 102 with a predetermined outer diameter. This is adapted to the diameter of a bore which is located in a wall of a pipeline, not shown in FIG. 1, 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 is immersed practically perpendicular to the flow direction of the medium, which is indicated by the wavy arrows 118.
  • a front end 1 16 of the housing 102 that projects into the medium is sealed in a fluid-tight manner with a front body 1 15 made of insulating material.
  • a magnetic field 109 can be generated which extends through the end section and into the medium.
  • a coil core 1 1 which is at least partially made of a soft magnetic material and is arranged in the housing 102, ends at or near the end section 1 16.
  • the coil core 111, the pole piece 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 which form 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 voltage induced due to Faraday's law of induction can be tapped at the measuring electrodes 103, 104 by means of a measuring and/or evaluation unit. This is maximum if the flow measuring probe 101 is installed in the pipeline in such a way that a plane spanned by a straight line intersecting the two measuring electrodes 103, 104 and a longitudinal axis of the flow measuring probe runs perpendicular to the flow direction 118 or longitudinal axis of the pipeline.
  • An operating circuit 107 is electrically connected to the coil arrangement 106, in particular to the coil 113, and is set up to impress a clocked operating signal onto the coil 113 in order to thus generate a clocked magnetic field 109.
  • the magnetic-inductive flow measuring probe 101 is set up to carry out the method according to the invention.
  • the measuring and/or evaluation unit is set up to incorporate a criterion-specific variable selected directly or indirectly by the operator from a list into the determination of the flow velocity-dependent measured variable. So can For example, the measured induced measuring voltage or the measured electrical potentials are corrected using the criterion-specific variable.
  • Fig. 3 shows a perspective view of a magnetic-inductive flowmeter 302 installed in a process line 300.
  • the process line section 301 includes the area of the process line 300 that is in close proximity to the connecting devices (e.g. flange) of the magnetic-inductive flowmeter 302.
  • the process line section in contact with the medium 301 usually also includes a process line connection device (e.g. flange).
  • a process line connection device e.g. flange
  • Fig. 4 shows the relationship between the measurement error (Y-axis) as a function of the length of the measuring tube (X-axis) for magnetic field distributions with different half-widths. From Fig. 4 it can be seen how the increase in the measurement error is related to the reduction in the length of the measuring tube. Very short measuring tubes (length less than 2DN) in particular have extreme measurement errors. If the magnetic field distribution of the magnetic-inductive flowmeter has a half-width of 1.18 times the length of the measuring tube - i.e. the magnetic field strength in the process line section is greater than half of the maximum magnetic field strength in places - the measurement error increases sharply as the length of the measuring tube decreases, so that it is 7% for a length of 1 DN (see A).
  • the measurement error is also reduced by approximately half (see B). If, when designing the magnetic-inductive flowmeter, the magnet system is dimensioned and constructed in such a way that the magnetic field distribution in the longitudinal direction has a half-width of only approx. % of the length of the measuring tube, then even with a measuring tube length of 1 DN there is still a measurement error of 1 to 2%. The consequence of this is that it is not sufficient to design the magnetic field generating device in such a way that the magnetic field distribution of the generated magnetic field is as narrow as possible.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the method according to the invention for determining a flow velocity-dependent measurement variable of a flowable medium in a process line by means of a magnetic-inductive flow measuring device or a magnetic-inductive flow measuring probe.
  • the method includes method steps 501 and 502.
  • a first method step 501 at least one process line-specific criterion is determined or selected. This is done by the operator on the corresponding measuring device on site or by the manufacturer remotely.
  • the process line-specific criterion describes the influence of a condition of the process line, in particular of the process line section which is in the immediate vicinity of the magnetic-inductive flow measuring device or the magnetic-inductive flow measuring probe, on the electrical potential distribution, in particular in the flow direction of the medium in a longitudinal section, in the process line section.
  • a criterion-specific variable assigned to the process line-specific criterion is determined or specified.
  • the criterion-specific size can be stored in a memory in the measuring device, for example in the form of a list, or transmitted remotely by the manufacturer.
  • the determined criterion-specific variable is then used in a second process step to determine the flow velocity-dependent measurement variable.
  • the criterion-specific variable corrects the measured measuring voltage or potentials at the measuring electrodes, which are subject to errors.
  • the criterion-specific variable (correction variable) is or is determined using a, in particular numerical, simulation method.
  • the process line-specific criterion is reproduced as accurately as possible at the measuring point.
  • the finite element method is suitable for this, with which the process line, the magnetic-inductive flowmeter or the magnetic-inductive flow measuring probe and the medium are simulated.
  • the defined framework conditions then result in an electrical potential distribution, in particular in the flow direction of the medium, in the process line, in particular in the process line section, and/or in the magnetic-inductive flowmeter. If the potential distribution for a reference system and a measuring point is known, a deviation of the determined potential distribution from a specified potential distribution can be determined. The deviation is included in the determination of the criterion-specific variable, which is used to correct the measured variables.
  • a weight function is determined, which is a measure of the sum or the integral of all electrical potentials in the measuring electrode cross section.
  • the weight function is determined for a reference system and a measuring point where the process line-specific criterion is present. A deviation of the determined weight function of the measuring point from a predetermined weight function of the reference system is included in the determination of the criterion-specific variable.
  • the inner diameter of the process line of the measuring point, the shortest distance between the magnetic field generating device and the process line, the length of the measuring tube can be included in the criterion-specific size or a distribution-specific size of the generated magnetic field (e.g. the half-width). These are usually determined or specified by the manufacturer; but they can also be entered by the operator.
  • FIG. 6 shows an example of a menu structure through which the operator selects the process line-specific criterion.
  • the operator accesses a list of process line-specific criteria (II to VII), from which he can select one process line-specific criterion or a plurality of process line-specific criteria.
  • the list contains, for example:
  • the process line is electrically insulating and a ground ring is arranged between the process line and the magnetic-inductive flowmeter (IV);
  • the process line is electrically insulating and no ground ring is arranged between the process line and the magnetic-inductive flowmeter (V);
  • the process line has an electrically insulating process line liner (VIII);
  • the process line has an inner diameter of the process line that deviates from the inner diameter of the measuring tube (IX).

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums in einer Prozessleitung (300) mittels eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes (1) oder einer magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde (101), wobei die Prozessleitung (300) einen mediumsberührenden Prozessleitungsabschnitt (301) aufweist, welcher an einer Stirnseite des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes (1) angrenzt, umfassend die Verfahrensschritte: - Bestimmen mindestens eines Prozessleitung-spezifischen Kriteriums, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium mit einem Einfluss einer Beschaffenheit der Prozessleitung (300), insbesondere des Prozessleitungsabschnittes (301), auf die elektrische Potenzialverteilung im Prozessleitungsabschnitt (301) zusammenhängt; und - Ermitteln der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium, insbesondere eine dem Prozessleitung-spezifischen Kriterium zugeordnete kriteriumsspezifische Größe, in die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eingeht. Weiterhin umfasst die Erfindung ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (1) und eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde (101).

Description

Verfahren zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße, ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät und eine magnetisch-induktive 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 magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes auf. Eine Hauptachse des Magnetfeldes verläuft dabei im Wesentlichen senkrecht zur Flussrichtung des fließenden Mediums. Dafür werden üblicherweise Sattel- oder Zylinderspulen verwendet. Um ein überwiegend homogenes Magnetfeld zu realisieren, werden zusätzlich Polschuhe so geformt und relativ zur Strömungsrichtung 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 dessen äußeren Mantelfläche die magnetfelderzeugende Vorrichtung angeordnet ist. Ein an die Mantelfläche des Messrohres angebrachtes Messelektrodenpaar greift eine senkrecht zur Flussrichtung und zum Magnetfeld anliegende elektrische Messspannung bzw. Potenzialdifferenz 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 Durchflussmessvorrichtungen finden vielfach Anwendung in der Prozess- und Automatisierungstechnik für Fluide ab einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 5 S/cm. Entsprechende Durchflussmessvorrichtungen werden von der Anmelderin in unterschiedlichsten Ausführungsformen für verschiedene Anwendungsbereiche beispielsweise unter der Bezeichnung PROMAG oder MAGPHANT vertrieben.
Es liegen Bestrebungen vor magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte kompakter zu machen und die Erstreckung des Messrohres in Längsrichtung möglichst auf eine minimal mögliche Länge zu verringern. Damit geht jedoch ein Messfehler beim gemessenen Durchfluss einher, welcher von Messstelle zu Messstelle unterschiedlich sein kann (1 bis 5 Prozent). Dieser Messstellen-abhängige Messfehler tritt auch bei magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde dem Problem Abhilfe zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 , das Verfahren nach Anspruch 2, das Magnetisch-induktive Durchflussmessgerät nach Anspruch 14 und die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach Anspruch 15.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums in einer Prozessleitung mittels eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes, wobei die Prozessleitung einen mediumsberührenden Prozessleitungsabschnitt aufweist, welcher an einer Stirnseite des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes angrenzt, wobei das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät ein Messrohr zum Führen des Mediums, eine magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines das Messrohr durchdringenden Magnetfeldes und mindestens eine Messelektrode zum Ermitteln einer induzierten Messspannung im Medium umfasst, umfassend die Verfahrensschritte:
- Bestimmen mindestens eines Prozessleitung-spezifischen Kriteriums, wobei das Prozessleitungs-spezifische Kriterium mit einem Einfluss einer Beschaffenheit der Prozessleitung, insbesondere des Prozessleitungsabschnittes, auf eine elektrische Potenzialverteilung, insbesondere in Fließrichtung des Mediums, im Prozessleitungsabschnitt zusammenhängt; und - Ermitteln der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium, insbesondere eine dem Prozessleitung-spezifischen Kriterium zugeordnete kriteriumsspezifische Größe, in die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eingeht.
Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist, dass durch Berücksichtigung der Prozessleitung und dessen Einfluss auf die elektrische Potenzialverteilung im fließenden Medium bei der Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße der Messstellenabhängige Messfehler reduziert und magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte somit kompakter realisiert werden können, ohne Einbüßen bei der Messgenauigkeit hinnehmen zu müssen. Es hat sich herausgestellt, dass durch die Berücksichtigung des Prozessleitung-spezifischen Kriteriums der Messstellen-abhängige Messfehler korrigierbar ist. Der Kunde bzw. der Installateur muss nur (z.B. bei der Inbetriebnahme) im magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät das an der vorliegende Messtelle gültige Prozessleitung-spezifische Kriterium angeben bzw. aus einer vorgegebenen Liste in der Steuerung des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes auswählen. Dem ausgewählten Prozessleitung-spezifischen Kriterium ist eine Korrekturgröße, d.h. ein Korrekturfaktor und/oder ein Korrekturoffset zugeordnet bzw. die kriteriumsspezifische Größe ist ein Korrekturfaktor und/oder ein Korrekturoffset, welche die Prozessleitungsbedingte elektrische Potenzialverteilung und dessen Einfluss auf die Messung berücksichtigt.
Aus dem Stand der Technik ist der Einsatz von elektrisch leitfähigen Erdungsscheiben bekannt, welche stirnseitig zwischen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät und Prozessleitung eingesetzt werden. Diese dienen dazu ein kontrolliertes elektrisches Potenzial im fließenden Medium einzustellen und vermeiden eine Verschiebung des Nullpunktes der induzierten Messspannung im Medium. Diese Lösung ist jedoch gerade bei großen Nennweiten und bei Sonderanwendungen in denen es zu Korrosion kommen kann sehr kostspielig. Ein Vorteil der vorliegenden Lösung ist somit ein Erdungsscheibenfreier Einsatz des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes.
Bei dem Prozessleitung-spezifischen Kriterium handelt es sich um ein Merkmal der Prozessleitung, welches Einfluss auf die elektrische Potenzialverteilung in Längsrichtung des fließenden Medium nimmt. Die elektrische Potenzialverteilung ergibt sich aus dem örtlichen Verlauf des elektrischen Potenzials in einem Längsschnitt durch die Prozessleitung und dem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums in einer Prozessleitung mittels einer magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde, wobei die Prozessleitung einen mediumsberührenden Prozessleitungsabschnitt aufweist, in welchem eine Öffnung angeordnet ist, wobei die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde in der Öffnung angeordnet ist, wobei die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde ein mediumsberührendes Gehäuse, eine magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines das Gehäuse durchdringenden Magnetfeldes und mindestens eine Messelektrode zum Ermitteln einer induzierten Messspannung im Medium umfasst, umfassend die Verfahrensschritte:
- Bestimmen mindestens eines Prozessleitung-spezifischen Kriteriums, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium mit einem Einfluss einer Beschaffenheit der Prozessleitung, insbesondere des Prozessleitungsabschnittes, auf eine elektrische Potenzialverteilung, insbesondere in Fließrichtung des Mediums, im Prozessleitungsabschnitt zusammenhängt; und
- Ermitteln der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium, insbesondere eine dem Prozessleitung-spezifische Kriterium zugeordnete kriteriumsspezifische Größe, in die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eingeht.
Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist, dass durch Berücksichtigung der Prozessleitung und dessen Einfluss auf die elektrische Potenzialverteilung im fließenden Medium bei der Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße sich die Einsatzmöglichkeiten für magnetisch-induktive Durchflussmesssonde erheblich erhöhen. So lassen sich magnetisch-induktive Durchflussmesssonden gleichzeitig in metallische Prozessleitungen und Kunststoff-Prozessleitungen eingesetzt werden, ohne dabei eine Rekalibration durchlaufen zu müssen. Weiterhin vorteilhaft ist, dass eine einzige Justierung bspw. in einer metallischen Prozessleitung ausreichend ist. Auch wenn die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde im nachhinein in einer Kunststoff- Prozessleitung eingesetzt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die kriteriumsspezifische Größe mittels eines, insbesondere numerischen, Simulationsverfahrens ermittelt ist bzw. wird, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium in das Simulationsverfahren eingeht.
Der Einsatz von numerischen Simulationsverfahren zum Erstellen von Strömungssimulationen ist bereits bekannt und wird bereits fürs Auslegen von magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes und magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde eingesetzt. Dafür werden üblicherweise die Navier-Stokes- Gleichungen, Euler-Gleichungen, Stokes-Gleichungen oder die Potenzialgleichungen eingesetzt. Mit numerischen Simulationsverfahren erspart man sich die Experimente mit fließenden Medium und die experimentelle Erprobung einer Vielzahl an potentiellen Messstellen. Aus der US 11 ,199,436 B2 ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bekannt, in welchem mittels Finite-Elemente-Methode und Computational Flow Dynamics (CFD) bestimmte Korrekturfaktoren hinterlegt sind zum Korrigieren von Messfehlern, die durch einlauf- und/oder auslaufseitig angeordnete Störungen (Krümmer, Ventil etc.) verursacht sind. Durch die besagten Störungen kommt es zu einem asymmetrischen Strömungsprofil und die üblicherweise beim Konfigurieren des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes angenommene Annahme, dass ein vollständig rotationssymmetrische ausgebildetes Strömungsprofil vorliegt, ist nicht mehr gegeben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch von dem zitierten Stand derTechnik zu unterscheiden, da bei der vorliegenden Lösung nicht die Einflüsse der Prozessleitung auf das Strömungsprofil im Messrohr berücksichtigt wird, sondern der Einfluss auf die im Medium vorliegende elektrische Potenzialverteilung und insbesondere deren örtlicher Verlauf in Fließrichtung.
Das numerische Simulationsverfahren eignet sich nicht nur zur Simulation der elektrischen Potenzialverteilung im Medium für ein gegebenes Prozessleitungspezifisches Kriterium, sondern auch zur Ermittlung der kriteriumsspezifische Größe, mit welcher der Messfehler anwenderseitig korrigierbar ist.
Die kriteriumsspezifische Größe kann in einem Speicher des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes bzw. der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde hinterlegt sein oder über eine drahtgebundene oder -lose Verbindung mit einem externen Rechensystem - wo dieser bestimmt wird - bereitgestellt werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Simulationsverfahren eine Berechnung mittels der Finite-Elemente-Methode umfasst.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass keine Strömungssimulation in die Ermittlung der kriteriumsspezifischen Größe eingeht. Die Finite-Elemente-Methode ist ein numerisches Simulationsverfahren und wird üblicherweise in Festigkeits- und Verformungsuntersuchungen von Festkörpern eingesetzt. Erfindungsgemäß wird nicht das Strömungsprofil des fließenden Mediums mittel der Finite-Elemente-Methode simuliert, sondern die Prozessleitung, die einzelnen Komponenten des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes bzw. der magnetischinduktiven Durchflussmesssonde bzw. die dadurch erzeugte Mangetfelderverteilung, das Medium selbst und die Verteilung des elektrischen Potenzials im Medium.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das, insbesondere numerische, Simulationsverfahren das Ermitteln der elektrischen Potenzialverteilung, insbesondere in Fließrichtung des Mediums, in der Prozessleitung, insbesondere im Prozessleitungsabschnitt, und/oder im magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät umfasst, wobei eine Abweichung der ermittelten Potenzialverteilung von einer vorgegebenen Potenzialverteilung in die Ermittlung der kriteriumsspezifischen Größe eingeht.
Mittels des Simulationsverfahren wird das im Medium vorliegende elektrische Potenzial in mindestens einem Längsschnitt durch die Prozessleitung und/oder dem magnetischinduktiven Durchflussmessgerät ermittelt. Daraus ergibt sich eine elektrische Potenzialverteilung, welche die insbesondere elektrischen Eigenschaften der Prozessleitung und/oder des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes berücksichtigt. Die Ermittlung erfolgt für ein Referenzsystem und für unterschiedliche Messstellen, die sich jeweils in den Prozessleitung-spezifischen Kriterium unterscheiden. Weist die Messstelle z.B. eine elektrisch leitfähige Prozessleitung auf, so wird das elektrische Potenzial im zum magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät angrenzenden Prozessleitungsabschnitt auf null gesetzt. Ist die Prozessleitung elektrisch isolierend oder weist sie eine elektrisch isolierende Beschichtung auf, so erhält die Kontaktfläche der Prozessleitung zum Medium eine unendlich hohen Widerstand bzw. einen relativ zum elektrischen Widerstand eines metallischen Rohres sehr hohen Widerstand (mehrere Größenordnungen größer). Bei dem Referenzsystem kann es sich um die bei der Justierung des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes bzw. der magnetischinduktiven Durchflussmesssonde vorliegende Justier-Messstelle handeln. Die Abweichung zwischen den Potenzialverteilungen des Referenzsystems und der Messstelle geht in die finale kriteriumsspezifische Größe ein.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Simulationsverfahren das Ermitteln einer Gewichtsfunktion zumindest in einem Messelektrodenquerschnitt umfasst, wobei eine Abweichung der ermittelten Gewichtsfunktion von einer vorgegebenen Gewichtsfunktion in die Ermittlung der kriteriumsspezifischen Größe eingeht, wobei der Messelektrodenquerschnitt die mindestens eine Messelektrode schneidet.
Alternativ oder zusätzlich kann im Simulationsverfahren die Gewichtsfunktion im Messelektrodenquerschnitt ermittelt werden, die Auskunft über die an den Messelektroden vorliegende und messbare induzierte Spannung gibt. Bei der Ermittlung der Gewichtsfunktion wird über die örtliche Potenzialverteilung im Messelektrodenquerschnitt summiert oder integriert. Die einzelnen elektrischen Potenziale hängen dabei von der Potenzialverteilung in Fließrichtung ab. Die Gewichtsfunktion wird ebenfalls für ein Referenzsystem und für die entsprechenden Messstellen ermittelt. Eine Abweichung der beiden Gewichtsfunktionen geht in die kriteriumsspezifische Größe ein.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Prozessleitung-spezifische Kriterium mindestens einem Kriterium aus der folgenden Liste entspricht:
- die Prozessleitung ist elektrisch leitend;
- die Prozessleitung ist elektrisch isolierend;
- die Prozessleitung ist elektrisch isolierend und ein Erdungsring ist zwischen Prozessleitung und magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät angeordnet;
- die Prozessleitung ist elektrisch isolierend und kein Erdungsring ist zwischen Prozessleitung und magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät angeordnet;
- ein elektrisch isolierender Belag befindet sich in der Prozessleitung, insbesondere im Prozessleitungsabschnitt;
- Führen eines belagsbildende Stoffe aufweisenden Mediums;
- die Prozessleitung weist einen elektrisch isolierenden Prozessleitungsliner auf;
- die Prozessleitung weist einen von einem Messrohrinnendurchmesser abweichenden Prozessleitungsinnendurchmesser auf.
Die angegebenen Kriterien sind dabei nicht zwingendermaßen wie oben formuliert im Messgerät hinterlegt, sondern sinngemäß. Aus der Auflistung ist ersichtlich, dass hier die elektrischen Eigenschaften des in Kontakt mit dem Medium stehenden Teils der Prozessleitung eine wesentliche Rolle spielt. Wie in der Liste abgebildet kann ein Kriterium auch zwei oder mehrere Merkmale der Prozessleitung umfassen. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Prozessleitung-spezifische Kriterium umfasst, welches Material der Prozessleitungsabschnitt der Prozessleitung, insbesondere ein Prozessleitungskörper der Prozessleitung, umfasst.
Das Material der Prozessleitungswandungen umfasst üblicherweise Metall, Glas, Zement, Kunststoff, Keramik, Email und/oder GFK.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Prozessleitung-spezifische Kriterium einen Innendurchmesser der Prozessleitung umfasst.
Auch wenn es für Rohre und Prozessleitungen Normen bzgl. ihrer Nennweiten gibt, kann es trotzdem immer wieder zu Abweichungen von der Norm kommen. So stimmt häufig der Innendurchmesser der Prozessleitung nicht mit dem Innendurchmesser des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes überein und es kommt zu einem Versatz am Übergang zwischen Prozessleitung und magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät. Dieser Versatz kann zur Folge haben, dass es zu einer Verschiebung der elektrischen Potenzialverteilung kommt, was in einer Verschiebung des Kalibrierfaktors resultiert bzw. zu einem Offset der Messwerte Nullpunktsverschiebung führt. Ist der Versatz bekannt, so kann eine dem Versatz zugeordnete kriteriumsspezifische Größe verwendet werden, um die Nullpunktsverschiebung zu korrigieren.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät ein elektrisches Gerätepotenzial aufweist, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium umfasst, ob das magnetischinduktive Durchflussmessgerät oder die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde in einem erdfreien Modus betrieben wird, wobei der erdfreie Modus das Betreiben des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes oder der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde bei galvanischer Trennung des Mediums vom Gerätepotenzial umfasst.
Ein korrekter Potenzialausgleich ist Voraussetzung für eine stabile, zuverlässige Durchflussmessung. Ein ungenügender oder fehlerhafter Potenzialausgleich kann zu Geräteausfall führen und ein Sicherheitsrisiko darstellen. Um eine einwandfreie Messung zu gewährleisten, ist zu beachten dass grundsätzlich gilt, dass das Medium, der Messaufnehmer und der Messumformer auf demselben elektrischen Potenzial liegen müssen. Eine erforderliche Potenzialausgleichsverbindungen kann durch ein Erdungskabel mit dem Mindestquerschnitt von 6 mm2 hergestellt werden.
Bei einer metallischen, geerdeten Prozessleitung ohne Auskleidung erfolgt der Potenzialausgleich über das Messrohr des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes. Ist die Prozessleitung beidseitig fachgerecht geerdet, so ist das Medium auf demselben elektrischen Potenzial wie die Prozessleitung, da die im Kontakt mit dem Medium stehende Prozessleitungswandung elektrisch leitfähig ist. Das Medium wird somit auf Erdpotenzial gesetzt.
Umfasst die Prozessleitung eine Kunststoffrohrleitung oder eine mediumsberührende elektrisch isolierende Auskleidung, so erfolgt der Potenzialausgleich über Erdungsklemme und Erdungsscheiben.
Im Falle eines erdfreien Modus kann das Messstoffpotenzial vom Potenzial des Messgerätes abweichen. Der "erdfreie Modus" ermöglicht eine galvanische Trennung des Messystems vom Potenzial des Geräts. So können schädliche Ausgleichsströme, hervorgerufen durch Potenzialunterschiede zwischen dem Messstoff und dem Gerät, minimiert werden. Dabei sollten die Spannungsdifferenzen zwischen Messstoffpotenzial und Gerätepotenzial möglichst gering sein und üblicherweise im mV-Bereich liegen. Liegt eine Kunststoffrohrleitung vor und sind der Messaufnehmer und der Messumformer fachgerecht geerdet so kann eine Potenzialdifferenz zwischen dem Medium und der Schutzerde auftreten, d.h. Ausgleichsströme durch das Medium können nicht ausgeschlossen werden. Ein Potenzialausgleich zwischen dem Potenzial des Mediums und der Schutzerde über die Referenzelektrode wird im erdfreien Modus minimiert.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Kalibrationsfaktor K in die Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eingeht, wobei der Kalibrationsfaktor K mittels eines Justierverfahrens ermittelt ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die kriteriumsspezifische Größe durch einen Abstand der magnetfelderzeugenden Vorrichtung zur Prozessleitung, insbesondere zum Prozessleitungsabschnitt, oder einer Länge des Messrohres bestimmt ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die kriteriumsspezifische Größe durch eine verteilungsspezifische Größe, insbesondere einer Halbwertsbreite, des Magnetfeldes bestimmt ist.
Mit der Reduzierung der Messrohrlänge kommt es immer mehr zu einem Überlappen des mittels der magnetfelderzeugenden Vorrichtung erzeugten Magnetfeldes mit dem an dem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät angrenzenden Prozessleitungsabschnitt. Dies führt dazu, dass es bereits in der Prozessleitung zum Auftrennen der Ladungen im fließenden Medium kommt. Nachteilig daran ist, dass die in der Prozessleitung vorliegenden elektrischen Eigenschaften nicht bekannt sind und es somit zu einem fehlerhaften Offset in der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße führt.
Die verteilungsspezifische Größe des mittels der magnetfelderzeugenden Vorrichtung erzeugten Magnetfeldes kann mittels eines Simulationsverfahren bestimmt oder werkseitig beim Justieren des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes bzw. der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde ausgemessen sein. Das Ausmessen kann mittels handelsüblicher Magnetfeldsensoren erfolgen. Als Simulationsverfahren eignet sich ebenfalls die Finite-Elemente-Methode.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die kriteriumsspezifischen Größe unabhängig von einer maximalen Magnetfeldstärke des erzeugten Magnetfeldes ist.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die kriteriumsspezifische Größe nicht mit der maximalen Magnetfeldstärke des erzeugten Magnetfeldes korreliert, sondern stark von der Verteilung, insbesondere der Halbwertsbreite des Magnetfeldes abhängt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das erfindungsgemäße Verfahren die Verfahrensschritte umfasst:
- Anwenderseitiges Angeben des Prozessleitung-spezifischen Kriteriums;
- Herstellerseitiges Berechnen der kriteriumsspezifischen Größe in Abhängigkeit des angegebenen Prozessleitung-spezifischen Kriteriums;
- Herstellerseitiges Bereitstellen der kriteriumsspezifischen Größe beim Anwender;
- Optional: Auswahl des Prozessleitung-spezifischen Kriteriums am magnetischinduktiven Durchflussmessgerät oder an der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde durch den Anwender.
Alternativ zu dem herkömmlichen Hinterlegen von vorgefertigten Listen mit Kriterien und entsprechend zugeordneten kriteriumsspezifischen Größen bzw. Korrekturgrößen ist es vorteilhaft, wenn für die Ermittlung der kriteriumsspezifischen Größe der Anwender sein Prozessleitung-spezifisches Kriterium selbstständig beschreibt und dem Hersteller zukommen lässt. Dies kann formlos als Sprachnachricht, Text oder mit Hilfe eines Software-Programms erfolgen, welches dazu eingerichtet ist, den Anwender entsprechend derart anzuleiten, dass alle notwendigen Informationen bereitgestellt sind. Mit Eingang aller Informationen wird dann herstellerseitiges die kriteriumsspezifischen Größe berechnet und dann dem Anwender zurVerfügung gestellt. Die kriteriumsspezifischen Größe kann direkt vom Hersteller auf das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät bzw. die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde übertragen oder an den Anwender übermittelt werden, der die kriteriumsspezifische Größe dann ins entsprechende Messgerät eingibt. Dies hat zum Vorteil, dass nicht alle möglichen Messstellen simuliert werden müssen, sondern dies bedarfsspezifisch erfolgt. Weiterhin hat dies zum Vorteil, dass somit die Messstelle bzw. die konkret vorliegende Prozessleitung detaillierter in die Simulation eingehen kann und die kriteriumsspezifischen Größe genauer bestimmt werden kann. Das erfindungsgemäße magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ist dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Die erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmesssonde ist dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Die Grundidee ist die sich aus der Prozessleitung ergebende elektrische Ladungsverteilung im Medium bei der Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße zu berücksichtigen. Die dafür notwendige Korrekturgröße (d.h. die kriteriumsspezifische Größe) wird vorzugsweise mit einem Simulationsverfahren bestimmt. Simulationsverfahren in denen die Geometrie der Prozessleitung und das sich daraus ergebende Strömungsprofil des fließenden Mediums simuliert werden, sind Stand der Technik. In der vorliegenden Erfindung gehen im Wesentlichen die elektrischen Eigenschaften der Prozessleitung in die Bestimmung der Korrekturgröße ein. Anhand der mittels Simulationsverfahren ermittelten Korrekturgröße lassen sich Messstellenabhängige Messfehler minimieren.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes;
Fig. 2: eine perspektivische Ansicht auf eine teilweise geschnittene Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchfluss-messsonde;
Fig. 3: eine perspektivische Ansicht auf ein in einer Prozessleitung installiertes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät;
Fig. 4: den Zusammenhang des Messfehlers in Abhängigkeit der Messrohrlänge für unterschiedliche Magnetfeldverteilungen; und
Fig. 5: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 6: eine Menüstruktur zum Bedienen des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes oder der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 1 , insbesondere des Messaufnehmers. 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 magnetfelderzeugende 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 magnetfelderzeugende Vorrichtung 5 umfasst üblicherweise eine Sattelspule oder mindestens eine (Zylinder-)Spule 6i. Durch eine Aufnahme 15 der Spule 6i erstreckt sich üblicherweise ein Spulenkern 14i. Als Aufnahme 15 ist das Volumen zu verstehen, welches durch den die Spule 6i bildenden Spulendraht begrenzt wird. Die Aufnahme 15 der Spule 6i kann somit durch eine Spulenhalterung oder durch das gedachte eingeschlossene Volumen gebildet sein. Letzteres tritt ein, wenn der Spulendraht der Spule 6i direkt um den Spulenkern 14i gewickelt ist. Der Spulenkern 14i ist aus einem magnetisch leitenden, insbesondere weichmagnetischen Werkstoff gebildet. Die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes umfasst einen Polschuh 21 i, der an einem Ende des Spulenkerns 14i angeordnet ist. Der Polschuh 21 i kann separates Bauteil sein oder monolithisch mit dem Spulenkern 14i verbunden sein. In der abgebildeten Ausgestaltung der Fig. 1 weisen zwei diametral angeordnete Spulen 6a, 6b jeweils einen Spulenkern 14a, 14b und einen Polschuh 21a, 21 b auf. Die zwei Spulenkerne 14a, 14b sind über eine Feldrückführung 22 miteinander verbunden. Die Feldrückführung 22 verbindet die jeweils voneinander abgewandten Seiten der Spulenkerne 14a, 14b miteinander. Es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit genau einer Spule 6 mit genau einem Spulenkern 14 und ohne Feldrückführung bekannt. Die Spule 6 ist mit einer Betriebsschaltung 7 verbunden, welche die Spule 6 mit einem Betriebssignal betreibt. Das Betriebssignal kann eine Spannung mit einem zeitlich veränderlichen Verlauf sein und ist durch Betriebssignalparameter charakterisiert, wobei mindestens einer der Betriebssignalparameter regelbar ist. Das durch die magnetfelderzeugende Vorrichtung 5 aufgebaute Magnetfeld wird durch einen mittels einer Betriebsschaltung 7 getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch elektrochemische Störungen. Die zwei Spulen 6a, 6b können separat mit der Betriebsschaltung 7 verbunden oder in Reihe bzw. parallel zueinander geschaltet sein.
Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr 2 eine durchflussabhängige Potenzialverteilung, 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 aufweisen, 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 Messelektroden 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 23 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. Die Auswerteschaltung 24 kann Teil des Messumformers 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 Potenzial im Medium einzustellen. In der Regel wird die Referenzelektrode 20 zum Verbinden des fließenden Mediums mit einem Erdpotenzial eingesetzt.
Die Betriebsschaltung 7, Reglerschaltung 10, Messschaltung 23 und Auswerteschaltung 24 können Teil einer einzelnen Elektronikschaltung sein, oder einzelne Schaltungen bilden.
Das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät 1 ist dazu eingerichtet das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Dafür ist die Auswerteschaltung 24 dazu eingerichtet, eine durch den Bediener aus einer Liste direkt oder indirekt ausgewählte kriteriumsspezifische Größe in die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängige Messgröße einfließen zu lassen. So kann die gemessene induzierte Messspannung bzw. die gemessenen elektrischen Potentiale mittels der kriteriumsspezifischen Größe korrigiert werden. Die Auswertschaltung 24 weist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen Mikroprozessor, logische Schaltkomponenten und/oder elektronische Komponenten auf.
Anhand der perspektivischen und teilweise geschnittenen Darstellung der
Fig. 2 wird zunächst das der Erfindung zugrunde liegende Messprinzip erläutert. Eine Durchflussmesssonde 101 umfasst ein im allgemeinen kreiszylindrisches, einen vorgegebenen Außendurchmesser autweisendes Gehäuse 102. Dieses ist an den Durchmesser einer Bohrung angepasst, die sich in einer Wand einer in Fig. 1 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 1 16 des Gehäuses 102 ist mit einem Frontkörper 1 15 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 1 1 1 endet an oder in der Nähe des Endabschnittes 1 16. Ein Feldrückführungskörper 1 14, der die Spulenanordnung 106 und den Spulenkern 1 1 1 umschließt, ist dazu eingerichtet das aus dem Endabschnitt hindurchreichende Magnetfeld 109 in das Gehäuse 102 zurückzuführen. Der Spulenkern 1 11 , 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 1 15 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 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 1 18 bzw. Längsachse der Rohrleitung verläuft. Eine Betriebsschaltung 107 ist mit der Spulenanordnung 106, insbesondere mit der Spule 1 13 elektrisch verbunden und dazu eingerichtet ein getaktetes Betriebssignal auf die Spule 113 aufzuprägen, um somit ein getaktetes Magnetfeld 109 zu erzeugen.
Die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde 101 ist dazu eingerichtet das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Dafür ist die Mess- und/oder Auswerteeinheit dazu eingerichtet, eine durch den Bediener aus einer Liste direkt oder indirekt ausgewählte kriteriumsspezifische Größe in die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängige Messgröße einfließen zu lassen. So kann beispielsweise die gemessene induzierte Messspannung bzw. die gemessenen elektrischen Potentiale mittels der kriteriumsspezifischen Größe korrigiert werden.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht auf ein in einer Prozessleitung 300 installiertes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 302. Der Prozessleitungsabschnitt 301 umfasst den in unmittelbarerer Nähe zu den Anschlussvorrichtungen (z.B. Flansch) des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 302 angrenzenden Bereich der Prozessleitung 300. Der mediumsberührende Prozessleitungsabschnitt 301 umfasst in der Regel ebenfalls eine Prozessleitungsanschlussvorrichtung (z.B. Flansch). Gerade bei kompakten magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten 302 erstreckt sich das erzeugte Magnetfeld in den Prozessleitungsabschnitt 301 hinein. Der Prozessleitungsabschnitt 301 endet somit da, wo das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät 302 beginnt und das überlappende Magnetfeld so gering ist, dass es nicht zu einer Auftrennung der elektrischen Ladungen im Medium kommt.
Fig. 4 zeigt den Zusammenhang des Messfehlers (Y-Achse) in Abhängigkeit der Länge des Messrohres (X-Achse) für Magnetfeldverteilungen mit unterschiedlicher Halbwertsbreite. Aus der Fig. 4 ist ersichtlich, wie die Zunahme des Messfehlers mit der Reduzierung der Länge des Messrohres zusammenhängt. Gerade sehr kurze Messrohre (Länge geringer als 2DN) weisen extreme Messfehler auf. Weist die Magnetfeldverteilung des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes ein Halbwertsbreite von 1 ,18 mal der Länge des Messrohres auf - d.h. die Magnetfeldstärke im Prozessleitungsabschnitt ist stellenweise größer als die Hälfte der maximalen Magnetfeldstärke - so nimmt der Messfehler mit sinkender Länge des Messrohres stark zu, so dass er bei einer Länge von 1 DN bei 7 % liegt (siehe A). Reduziert man Halbwertsbreite des erzeugten Magnetfeldes um ca. die Hälfte, so reduziert sich auch der Messfehler um ca. die Hälfte (siehe B). Wird beim Auslegen des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes das Magnetsystem so dimensioniert und konstruiert, dass die Magnetfeldverteilung in Längsrichtung eine Halbwertsbreite von nur ca. % der Länge des Messrohres aufweist, dann liegt selbst dann bei einer Länge des Messrohres von 1 DN immer noch ein Messfehler von 1 bis 2 % vor. Daraus ergibt sich als Konsequenz, dass es nicht ausreicht, die magnetfelderzeugende Vorrichtung so auszulegen, dass die Magnetfeldverteilung des erzeugten Magnetfeldes möglichst schmal ist.
Fig. 5 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums in einer Prozessleitung mittels eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes oder einer magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte 501 und 502. In einem ersten Verfahrensschritt 501 wird mindestens ein Prozessleitung-spezifischen Kriterium bestimmt bzw. ausgewählt. Dies erfolgt durch den Bediener am entsprechenden Messgerät vor Ort oder durch den Hersteller aus der Ferne. Das Prozessleitungspezifische Kriterium beschreibt dabei den Einfluss einer Beschaffenheit der Prozessleitung, insbesondere des Prozessleitungsabschnittes welcher in unmittelbarer Nähe zum magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät oder zur magnetisch-induktive Durchflussmesssonde steht, auf die elektrische Potenzialverteilung, insbesondere in Fließrichtung des Mediums in einem Längsschnitt, im Prozessleitungsabschnitt.
Ist das mindestens eine Prozessleitung-spezifische Kriterium ausgewählt, wird ein dem Prozessleitung-spezifischen Kriterium zugeordnete kriteriumsspezifische Größe bestimmt bzw. festgelegt. Die kriteriumsspezifische Größe kann im Messgerät in einem Speicher bspw. in Form einer Liste hinterlegt oder durch den Hersteller aus der Ferne übermittelt sein. Die ermittelte kriteriumsspezifische Größe wird dann in einem zweiten Verfahrensschritt für das Ermitteln der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eingesetzt. Die kriteriumsspezifische Größe korrigiert dabei die gemessene, mit einem Fehler behaftete Messspannung bzw. Potentiale an den Messelektroden.
Die kriteriumsspezifische Größe (Korrekturgröße) ist bzw. wird mittels eines, insbesondere numerischen, Simulationsverfahrens ermittelt. Dabei wird beim Simulationsverfahren das Prozessleitung-spezifische Kriterium möglichst messstellengetreu nachgebildet. Dabei eignet sich die Finite-Elemente-Methode mit welcher die Prozessleitung, das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät bzw. die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde und das Medium simuliert wird. Aus den festgelegten Rahmenbedingungen ergibt sich dann eine elektrische Potenzialverteilung, insbesondere in Fließrichtung des Mediums, in der Prozessleitung, insbesondere im Prozessleitungsabschnitt, und/oder im magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät. Ist die Potenzialverteilung für ein Referenzsystem und eine Messstelle bekannt, lässt sich eine Abweichung der ermittelten Potenzialverteilung von einer vorgegebenen Potenzialverteilung bestimmen. Die Abweichung geht in die Ermittlung der kriteriumsspezifischen Größe ein, welche zur Korrektur der gemessenen Größen eingesetzt wird.
Alternativ wird zumindest in einem Messelektrodenquerschnitt, welcher die mindestens zwei Messelektroden schneidet, eine Gewichtsfunktion bestimmt, die ein Maß für die Summe oder das Integral aller elektrischen Potentiale im Messelektrodenquerschnitt ist. Die Gewichtsfunktion wird für ein Referenzsystem und eine Messstelle bei dem das Prozessleitungs-spezifische Kriterium vorliegt bestimmt. Eine Abweichung der ermittelten Gewichtsfunktion der Messstelle von einer vorgegebenen Gewichtsfunktion des Referenzsystems geht in die Ermittlung der kriteriumsspezifischen Größe ein. Weiterhin kann der Innendurchmesser der Prozessleitung der Messstelle, der kürzesten, Abstand der magnetfelderzeugenden Vorrichtung zur Prozessleitung, die Länge des Messrohres in die kriteriumsspezifische Größe oder eine verteilungsspezifische Größe des erzeugten Magnetfeldes (z.B. die Halbwertsbreite) eingehen. Diese werden in der Regel herstellerseitig ermittelt bzw. festgelegt; sie können aber auch durch den Bediener eingegeben werden.
Fig. 6 zeigt beispielhaft eine Menüstruktur, über die der Bediener das Prozessleitungspezifische Kriterium auswählt. Unter einem Menüpunkt (I) gelangt der Bediener in eine Auflistung von Prozessleitung-spezifischen Kriterien (II bis VII), aus denen er sieh ein Prozessleitung-spezifisches Kriterium oder eine Mehrzahl an Prozessleitung-spezifischen Kriterien auswählen kann.
In der Liste sind bspw. hinterlegt:
- die Prozessleitung ist elektrisch leitend (II);
- die Prozessleitung ist elektrisch isolierend (III);
- die Prozessleitung ist elektrisch isolierend und ein Erdungsring ist zwischen Prozessleitung und magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät angeordnet (IV);
- die Prozessleitung ist elektrisch isolierend und kein Erdungsring ist zwischen Prozessleitung und magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät angeordnet (V);
- ein elektrisch isolierender Belag befindet sich in der Prozessleitung (VI);
- Führen eines belagsbildende Stoffe aufweisenden Mediums (VII);
- die Prozessleitung weist einen elektrisch isolierenden Prozessleitungsliner auf (VIII);
- die Prozessleitung weist einen von einem Messrohrinnendurchmesser abweichenden Prozessleitungsinnendurchmesser auf (IX).
Alternativ kann dem Bediener die Möglichkeit gegeben werden ein Material der Prozessleitung anzugeben oder aus einer vorgegebenen Liste auszuwählen. Die zuvor genannten Eingaben können auch herstellerseitig erfolgen. B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 1
Messrohr 2
Trägerrohr 3
Liner 4 magnetfelderzeugende Vorrichtung 5
Spule 6
Betriebsschaltung 7
Vorrichtung zum Abgreifen einer induzierten Messspannung 8
Reglerschaltung 10
Spulenkern 14
Aufnahme der Spule 15
Messelektrode 17
Messelektrode 18
Füllstandsüberwachungselektrode 19
Referenzelektrode 20
Polschuh 21
Feldrückführung 22
Messschaltung 23
Auswerteschaltung 24
Spulenanordnung 25 magnetisch-induktive Durchflussmesssonde 101
Gehäuse 102
Messelektrode 103
Messelektrode 104 magnetfelderzeugende Vorrichtung 105
Spulenanordnung 106
Betriebsschaltung 107
Feldführungsanordnung 108
Magnetfeld 109
Feldführungskörper 110
Spulenkern 1 11
Polschuh 1 12
Spule 113
Feldrückführungskörper 1 14
Frontkörper 115
Endabschnitt 116
Strömungsrichtung des Mediums 1 18
Reglerschaltung 120

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums in einer Prozessleitung (300) mittels eines magnetischinduktiven Durchflussmessgerätes (1), wobei die Prozessleitung (300) einen mediumsberührenden Prozessleitungsabschnitt (301) aufweist, welcher an einer Stirnseite des magnetischinduktiven Durchflussmessgerätes (1) angrenzt, wobei das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät (1) ein Messrohr (2) zum Führen des Mediums, eine magnetfelderzeugende Vorrichtung (5) zum Erzeugen eines das Messrohr (2) durchdringenden Magnetfeldes und mindestens eine Messelektrode (17, 104) zum Ermitteln einer induzierten Messspannung im Medium umfasst, umfassend die Verfahrensschritte:
- Bestimmen mindestens eines Prozessleitung-spezifischen Kriteriums, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium mit einem Einfluss einer Beschaffenheit der Prozessleitung (300), insbesondere des Prozessleitungsabschnittes (301), auf die elektrische Potenzialverteilung, insbesondere in Fließrichtung des Mediums, im Prozessleitungsabschnitt (301) zusammenhängt; und
- Ermitteln der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium, insbesondere eine dem Prozessleitung-spezifischen Kriterium zugeordnete kriteriumsspezifische Größe, in die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eingeht.
2. Verfahren zum Ermitteln einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums in einer Prozessleitung (300) mittels einer magnetischinduktiven Durchflussmesssonde (101), wobei die Prozessleitung (300) einen mediumsberührenden Prozessleitungsabschnitt (301) mit einer Öffnung aufweist, wobei die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde (101) in der Öffnung angeordnet ist, wobei die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde (101) ein mediumsberührendes Gehäuse (102), eine magnetfelderzeugende Vorrichtung (5, 105) zum Erzeugen eines das Gehäuse durchdringenden Magnetfeldes und mindestens eine Messelektrode (17, 104) zum Ermitteln einer induzierten Messspannung im Medium umfasst, umfassend die Verfahrensschritte:
- Bestimmen mindestens eines Prozessleitung-spezifischen Kriteriums, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium mit einem Einfluss einer Beschaffenheit der Prozessleitung (300), insbesondere des Prozessleitungsabschnittes (301), auf die elektrische Potenzialverteilung, insbesondere in Fließrichtung des Mediums, im Prozessleitungsabschnitt (301) zusammenhängt; und
- Ermitteln der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium, insbesondere eine dem Prozessleitung-spezifische Kriterium zugeordnete kriteriumsspezifische Größe, in die Ermittlung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eingeht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die kriteriumsspezifische Größe mittels eines, insbesondere numerischen, Simulationsverfahrens ermittelt ist bzw. wird, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium in das Simulationsverfahren eingeht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Simulationsverfahren eine Berechnung mittels der Finite-Elemente- Methode umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Simulationsverfahren das Ermitteln einer elektrischen Potenzialverteilung, insbesondere in Fließrichtung des Mediums, in der Prozessleitung (300), insbesondere im Prozessleitungsabschnitt (301), und/oder im magnetischinduktiven Durchflussmessgerät umfasst, wobei eine Abweichung der ermittelten Potenzialverteilung von einer vorgegebenen Potenzialverteilung in die Ermittlung der kriteriumsspezifischen Größe eingeht.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Simulationsverfahren das Ermitteln einer Gewichtsfunktion zumindest in einem Messelektrodenquerschnitt umfasst, wobei eine Abweichung der ermittelten Gewichtsfunktion von einer vorgegebenen Gewichtsfunktion in die Ermittlung der kriteriumsspezifischen Größe eingeht, wobei der Messelektrodenquerschnitt die mindestens eine Messelektrode (17, 104) schneidet.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium einem Kriterium aus der folgenden Liste entspricht:
- die Prozessleitung (300) ist elektrisch leitend;
- die Prozessleitung (300) ist elektrisch isolierend;
- die Prozessleitung (300) ist elektrisch isolierend und ein Erdungsring ist zwischen Prozessleitung (300) und magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät angeordnet;
- die Prozessleitung (300) ist elektrisch isolierend und kein Erdungsring ist zwischen Prozessleitung (300) und magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät angeordnet;
- ein elektrisch isolierender Belag befindet sich in der Prozessleitung (300), insbesondere im Prozessleitungsabschnitt;
- Führen eines belagsbildende Stoffe aufweisenden Mediums;
- die Prozessleitung (300) weist einen elektrisch isolierenden Prozessleitungsliner auf;
- die Prozessleitung (300) weist einen von einem Messrohrinnendurchmesser abweichenden Prozessleitungsinnendurchmesser auf.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium umfasst, welches Material der Prozessleitungsabschnitt (301) der Prozessleitung (300), insbesondere ein Prozessleitungskörper der Prozessleitung (300), umfasst.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium einen Innendurchmesser der Prozessleitung (300) umfasst.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät (1) ein elektrisches Gerätepotenzial aufweist, wobei das Prozessleitung-spezifische Kriterium umfasst, ob das magnetischinduktive Durchflussmessgerät (1) oder die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde (101) in einem erdfreien Modus betrieben wird, wobei der erdfreie Modus das Betreiben des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes oder der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde (101 ) bei galvanischer Trennung des Mediums vom Gerätepotenzial umfasst.
1 1 . Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die kriteriumsspezifische Größe durch einen Abstand der magnetfelderzeugenden Vorrichtung (5) zur Prozessleitung (300), insbesondere zum Prozessleitungsabschnitt (301), oder einer Länge des Messrohres (2) bestimmt ist.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die kriteriumsspezifische Größe durch eine verteilungspezifische Größe, insbesondere einer Halbwertsbreite, des erzeugten Magnetfeldes bestimmt ist.
13. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die kriteriumsspezifischen Größe unabhängig von einer maximalen Magnetfeldstärke des erzeugten Magnetfeldes ist.
14. Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (1), dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät (1) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
15. Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde (101), dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde (101) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 13 auszuführen.
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