DE10049781A1 - Verfahren zur magnetisch-induktiven Messung der Fließgeschwindigkeit flüssiger Medien mit Permanentmagneten - Google Patents
Verfahren zur magnetisch-induktiven Messung der Fließgeschwindigkeit flüssiger Medien mit PermanentmagnetenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit v flüssiger Medien mit einer Mindestleitfähigkeit durch Auswertung der induzierten elektrischen Spannung U¶0¶, die sich orthogonal zu den Richtungen der Strömungsgeschwindigkeit v und der Induktion B eines magnetischen Feldes einstellt, wobei ein vom Meßmedium in axialer Richtung durchströmtes, elektrisch isolierendes Meßrohr 2, 2' mit in die Rohrwand eingebetteten Elektroden 5, 5' zur kapazitiven Auskopplung der induzierten Spannung und an seiner Innenwand angeordneten Elektroden 4, 4' zur gezielten Ladungsbeeinflussung der wirksamen Kapazitäten und ein Permanentmagnet vorhanden sind, dessen magnetisches Feld das Meßrohr in einer zu seiner Achse orthogonalen Richtung durchdringt. DOLLAR A Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst in einer zeitlichen Entladepahse Te ein definierter Ausgangszustand des Meßsystems hergestellt, indem die inneren Kapazitäten Ci zwischen der Rohrinnenwand und den in die Rohrwand 2, 2' eingebetteten Elektroden 5, 5',sowie deren externen Kapazitäten Ce zwischen den eingebetteten Elektroden und der äußeren metallischen Ummantelung 3 vollständig entladen werden, wobei es sich als entscheidender Vorteil erweist, daß auf alle Einzelkapazitäten getrennt zugegriffen werden kann. Insbesondere ermöglichen die inneren Elektroden 4, 4' den Zugriff auf die inneren Kapazitäten Ci. In der sich zeitlich anschließenden Ladephase Tl laden sich die Kapazitäten nach Maßgabe der im ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit v flüssiger Me
dien mit einer Mindestleitfähigkeit durch Auswertung der induzierten elektrischen Spannung
U0, die sich orthogonal zu den Richtungen der Strömungsgeschwindigkeit v und der Induktion
B eines magnetischen Feldes einstellt, wobei ein vom Meßmedium in axialer Richtung durch
strömtes, elektrisch isolierendes Meßrohr mit in die Rohrwand eingebetteten Elektroden zur
kapazitiven Auskopplung der induzierten Spannung und an seiner Innenwand angeordneten
Elektroden zur gezielten Ladungsbeeinflussung der wirksamen Kapazitäten und ein Perma
nentmagnet vorhanden sind, dessen magnetisches Feld das Meßrohr in einer zu seiner Achse
orthogonalen Richtung durchdringt.
In der industriellen Durchflußmeßtechnik findet das Prinzip der magnetisch induktiven
Durchflußmessung breite Anwendung. In der Praxis zeigt sich, daß die geringen induzierten
Spannungen von Störspannungen überlagert werden, die sich in den heute verfügbaren Syste
men nur durch Verwendung zeitlich veränderlicher Magnetfelder und durch geeignete Diffe
renzbildung der Meßsignale eliminieren lassen. Diese erfordern jedoch einen beträchtlichen
elektrischen Leistungsaufwand, so daß sich von Netzanschlüssen unabhängige Anwendungen,
für die ein großer Bedarf besteht, nicht oder nur für kurze Betriebsdauern realisieren lassen.
Die Forderung nach geringstmöglichem Leistungsbedarf legt die Verwendung von Perma
nentmagneten zur Erzeugung des Magnetfeldes nahe. Ein solcher Ansatz wurde in der
DE 198 31 491 A1 vorgeschlagen. Es wurde jedoch gefunden, daß die dort vorgesehene Anord
nung mit dem dort vorgesehenen Verfahren bei galvanischer Auskopplung der induzierten
Spannung problemlos einsetzbar ist, während die kapazitive Auskopplung Kunstgriffe erfor
dert, um die während des Meßvorganges auftretenden Veränderungen im Ladezustand der
beteiligten Kapazitäten in einen definierten Ausgangszustand zurückzuführen, bevor eine er
neute Messung erfolgt. Wie die praktische Erfahrung lehrt, ist jedoch gerade die kapazitive
Auskopplung mit entscheidenden Vorteilen verbunden (Helmut Brockhaus, "Magnetisch
induktive Durchflußmessung mit kapazitiven Verfahren", Zeitschrift tm - Technisches Messen
64 (1997) 5, Oldenbourg Verlag, München), die sich u. a. in der Reduktion des Rauschens um
fast eine Größenordnung gegenüber den Werten bei galvanischer Kopplung und in der weitge
henden Unempfindlichkeit gegenüber Ablagerungen im Inneren des Meßrohres zeigen.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur
Bestimmung der Fließgeschwindigkeit flüssiger Medien nach dem magnetisch induktiven Ver
fahren zu schaffen, das den Betrieb mit einem zeitkonstanten Magnetfeld bei gleichzeitiger
Unterdrückung störender elektrochemischer Potentiale und kapazitiver Auskopplung der Meß
signale erlaubt, indem es einen definierten Zugriff auf sämtliche beteiligten Kapazitäten und
damit die periodische Herstellung eines definierten Ausgangszustandes zuläßt, bevor eine
Messung durchgeführt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungen sind in
den Unteransprüchen aufgeführt.
Erfindungsgemäß sind zur Messung der Fließgeschwindigkeit des Strömungsmediums ein
Permanentmagnet zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes mit zeitkonstanter Induktion
B, sowie ein elektrisch isolierendes Meßrohr vorhanden, das von den magnetischen Feldlinien
orthogonal zur Rohrachse durchdrungen wird, wobei in dessen Rohrwand ein Paar von einan
der gegenüberliegenden Elektroden so isoliert eingebettet und mit elektrischen Anschlüssen
nach außen versehen ist, daß die durch Wechselwirkung des Magnetfeldes der Induktion B mit
dem mit der Geschwindigkeit v strömenden Medium im Inneren des Meßrohres entstehende
magnetisch induzierte Spannung U0 durch diese Elektroden optimal kapazitiv ausgekoppelt
und außerhalb des Rohres verfügbar wird. Erfindungsgemäß ist an der Innenwand des Meß
rohres ebenfalls ein Paar von einander gegenüberliegenden Elektroden angeordnet, die aus
schließlich der gezielten Ladungssteuerung der beteiligten Kapazitäten dienen und die über
elektrische Anschlüsse durch die Rohrwand nach außen geführt sind, wobei die Achsen des
inneren Elektrodenpaares mit jenen des äußeren Elektrodenpaares übereinstimmen. Schließlich
ist nach der Erfindung das Meßrohr außen von einer metallisch leitenden rohrförmigen Ab
schirmung umgeben, durch die sowohl die Anschlüsse der inneren Elektroden, als auch die
Anschlüsse der äußeren Elektroden isoliert nach außen geführt werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst in einer zeitlichen Entladephase Te
ein definierter Ausgangszustand des Meßsystems hergestellt, indem die inneren Kapazitäten Ci
zwischen der Rohrinnenwand und den in die Rohrwand eingebetteten Elektroden, sowie die
externen Kapazitäten Ce zwischen den eingebetteten Elektroden und der äußeren metallischen
Ummantelung vollständig entladen werden, wobei es sich als entscheidender Vorteil erweist,
daß auf alle Einzelkapazitäten getrennt zugegriffen werden kann. Insbesondere ermöglichen die
inneren Elektroden den Zugriff auf die inneren Kapazitäten Ci. In der sich zeitlich anschließen
den Ladephase Tl laden sich die Kapazitäten nach Maßgabe der im Inneren des Rohres vorlie
genden, zur Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Meßspannung U0 und der Größe der
beteiligten Kapazitäten auf. In der nun zeitlich folgenden Meßphase Tm wird die Spannung an
mindestens einer der äußeren Elektroden einer Meß- und Auswerteschaltung zugeführt. Be
sonders hervorzuheben ist, daß die inneren Elektroden nach dem erfindungsgemäßen Verfah
ren an dem Zustandekommen der Spannung an den äußeren Elektroden nicht beteiligt sind. Sie
dienen vielmehr allein der oben beschriebenen Herstellung eines definierten Entladezustandes.
Aus diesem Grunde sind Verschmutzungen, Gasblasen und Beläge an ihnen für den Meßvor
gang ohne Bedeutung, so daß alle Vorteile der kapazitiven Auskopplung wahrgenommen wer
den können.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiter vor, daß die Phasen der Entladung Te, der
Ladung Tl und der Messung Tm periodisch wiederkehrend in dieser Reihenfolge durchlaufen
werden.
Dabei wird in einer bevorzugten Verfahrensvariante die äußere metallische Ummantelung
dauerhaft auf Erdpotential gelegt, so daß während der Entladephase alle Elektroden durch ent
sprechende Schaltmaßnahmen periodisch dieses definierte Potential annehmen können. Dieses
Vorgehen gewährleistet einerseits den sicheren Einbau der Meßeinrichtung in die i. a. auf Erd
potential befindliche Umgebung und andererseits die zuverlässige Schirmung gegenüber von
außen eintreffenden Störungen. Auf diese Weise lassen sich auch elektrostatische Aufladungen
des Meßsystems und elektrochemisch störende Potentiale periodisch abbauen.
Der elektrische Leistungsbedarf eines nach der erfindungsgemäßen Lehre aufgebauten Sy
stems ist äußert gering, da lediglich einerseits die periodischen Umschaltungen zu versorgen
sind, die mit modernen elektronischen Bauelementen praktisch leistungslos erfolgen können,
und andererseits die elektronische Signalauswertung, die mit einem sehr geringen Leistungs
aufwand zu realisieren ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich die wäh
rend der Ladephase zur Verfügung stehende Meßspannung generatorisch zur Aufladung einer
Batterie verwenden. Damit eröffnen sich Möglichkeiten batteriebetriebener Durchflußmesser
mit langen eingriffsfreien Betriebszeiten ohne Einbußen an Empfindlichkeit, weil die Stärke
des Magnetfeldes unverändert bleibt. Die mit modernen Magnetwerkstoffen (SmCo, NdFe)
erreichbaren Induktionen liegen mindestens bei denjenigen hochbelasteter Elektromagnete und
damit deutlich über den Werten heute praktisch eingesetzter Geräte.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen in
Fig. 1 erläutert, die einen Querschnitt durch das Meßrohr 2, 2' und die zugehörige elektri
sche Ersatzschaltung für den Fall einer auf Erdpotential liegenden Ummantelung 3 zeigt. Das
isolierende, zylindrische Meßrohr 2, durch dessen Inneres 1 das Meßmedium mit der Ge
schwindigkeit v in axialer Richtung strömt, wird in Querrichtung von dem vom Permanentma
gneten herrührenden Magnetfeld mit der Induktion B durchsetzt. An seiner inneren Wandung
sind die Elektroden 4, 4' angeordnet, während die äußeren, zur kapazitiven Auskopplung ver
wendeten Elektroden 5, 5' in das Innere der Meßrohrwand eingebettet sind, die hier aus den
beiden Teilen 2, 2' besteht. Durch die äußere, zugleich als Abschirmung dienende, metallisch
leitende, äußere Ummantelung 3 werden die Anschlüsse 8, 8' der inneren Elektroden und die
Anschlüsse 6, 6' der äußeren Elektroden über isolierende Durchführungen 7, 7' nach außen
geführt. Das elektrische Ersatzschaltbild zeigt die durch Wechselwirkung der Strömungsge
schwindigkeit v mit der Induktion B entstehende Meßspannung U0, den Innenwiderstand des
Meßmediums Ri und die inneren Kapazitäten Ci, die dem Raum zwischen dem Meßmedium an
der Rohrinnenwand und den äußeren Elektroden 5, 5' zuzuordnen sind, und die externen Ka
pazitäten, die dem Raum zwischen den äußeren Elektroden 5, 5' und der abschirmenden Um
mantelung 3 zuzuordnen sind. Die Anschlußpunkte 6 und/oder 6' werden während der Meß
phase Tm mit einer hier nicht gezeigten elektronischen Meß- und Auswerteschaltung verbun
den. Zur vollständigen Entladung des Systems von Kapazitäten bei gleichzeitiger Erdung wer
den die Anschlußpunkte 6, 6', 8, 8' mit Erdpotential verbunden, d. h. bei geerdetem Gehäuse
mit diesem.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der
Verwendung zweier identischer Meßsysteme, die in Strömungsrichtung auf Abstand zueinan
der angeordnet sind, die jedoch in zueinander entgegengesetzter Richtung vom Magnetfeld
gleicher Induktion B durchsetzt werden. Durch Differenzbildung der Signale beider Systeme
lassen sich gleichpolige Störsignale beliebiger Herkunft eliminieren. Ein für diese Verfahrens
variante geeignetes Magnetsystem läßt sich vorteilhaft herstellen, indem ein für beide Systeme
gemeinsamer magnetischer Kreis mit zwei Spalten versehen ist, die gegensinnige magntische
Flußrichtungen aufweisen.
Claims (8)
1. Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit flüssiger Medien mit einer Mindestleitfä
higkeit durch Auswertung der induzierten elektrischen Spannung, die durch Wechselwirkung
der Fließgeschwindigkeit v mit einem zu dieser orthogonalen Magnetfeld der Induktion B ent
steht, dadurch gekennzeichnet,
daß das Magnetfeld mit der Induktion B statisch ist und von einem Permanentmagneten so erzeugt wird, daß seine Feldlinien das Innere (1) eines elektrisch isolierenden zylindrischen Meßrohres (2, 2'), das vom Meßmedium in axialer Richtung mit der Geschwindigkeit v durchströmt wird, in zur Achse orthogonaler Richtung durchdringen,
daß - ausgehend von einem Gleichgewichtszustand zwischen der im Inneren des Meßrohres durch Wechselwirkung von v und B induzierten elektrischen Spannung U0 und den Ladun gen auf den beteiligten Kapazitäten Ci, Ce - die Spannung U0 über dieses System von Ka pazitäten Ci, Ce nach außen gekoppelt wird, wobei Ci die innere Kapazität zwischen dem leitfähigen Meßmedium und in die Meßrohrwand (2, 2') isolierend eingebetteten Elektro den (5, 5') und Ce die äußere Kapazität zwischen diesen Elektroden (5, 5') und der äuße ren, metallisch leitenden Abschirmung (3) des Meßrohres darstellt und die sich dabei ein stellende Spannung an mindestens einer der äußeren Kapazitäten Ce während einer zeitlich begrenzten Meßphase mit der Zeitdauer Tm abgegriffen und als Maß für die induzierte Spannung U0 und damit für die Auswertung der Fließgeschwindigkeit v verwendet wird, wodurch sich der Ladungszustand des Systems von Kapazitäten Ci, Ce verändert,
daß nach Abschluß der Meßphase Tm während einer sich zeitlich anschließenden Entlade phase Te ein definierter Ausgangszustand durch Entladung aller Einzelkapazitäten Ci, Ce wieder hergestellt wird, wobei der Zugriff auf die inneren Kapazitäten Ci über die im Inne ren des Meßrohres angebrachten Elektroden (4, 4') bzw. deren nach außen geführte An schlüsse (8, 8') und der Zugriff auf die äußeren Kapazitäten Ce über die Elektroden (5, 5') bzw. deren über Durchführungen (7, 7') nach außen geführte Anschlüsse (6, 6') erfolgt,
daß nach Abschluß dieser Entladephase Te das System der Kapazitäten sich in einer Lade phase Tl nach Maßgabe der induzierten Spannung U0 und der Größe der beteiligten Ka pazitäten Ci, Ce erneut auf einen definierten Gleichgewichtszustand auflädt und
daß nach Abschluß dieser Ladephase Tl sich eine neue Meßphase Tm anschließt und sich diese Abfolge von Entlade-, Lade- und Meßphasen periodisch fortsetzt.
daß das Magnetfeld mit der Induktion B statisch ist und von einem Permanentmagneten so erzeugt wird, daß seine Feldlinien das Innere (1) eines elektrisch isolierenden zylindrischen Meßrohres (2, 2'), das vom Meßmedium in axialer Richtung mit der Geschwindigkeit v durchströmt wird, in zur Achse orthogonaler Richtung durchdringen,
daß - ausgehend von einem Gleichgewichtszustand zwischen der im Inneren des Meßrohres durch Wechselwirkung von v und B induzierten elektrischen Spannung U0 und den Ladun gen auf den beteiligten Kapazitäten Ci, Ce - die Spannung U0 über dieses System von Ka pazitäten Ci, Ce nach außen gekoppelt wird, wobei Ci die innere Kapazität zwischen dem leitfähigen Meßmedium und in die Meßrohrwand (2, 2') isolierend eingebetteten Elektro den (5, 5') und Ce die äußere Kapazität zwischen diesen Elektroden (5, 5') und der äuße ren, metallisch leitenden Abschirmung (3) des Meßrohres darstellt und die sich dabei ein stellende Spannung an mindestens einer der äußeren Kapazitäten Ce während einer zeitlich begrenzten Meßphase mit der Zeitdauer Tm abgegriffen und als Maß für die induzierte Spannung U0 und damit für die Auswertung der Fließgeschwindigkeit v verwendet wird, wodurch sich der Ladungszustand des Systems von Kapazitäten Ci, Ce verändert,
daß nach Abschluß der Meßphase Tm während einer sich zeitlich anschließenden Entlade phase Te ein definierter Ausgangszustand durch Entladung aller Einzelkapazitäten Ci, Ce wieder hergestellt wird, wobei der Zugriff auf die inneren Kapazitäten Ci über die im Inne ren des Meßrohres angebrachten Elektroden (4, 4') bzw. deren nach außen geführte An schlüsse (8, 8') und der Zugriff auf die äußeren Kapazitäten Ce über die Elektroden (5, 5') bzw. deren über Durchführungen (7, 7') nach außen geführte Anschlüsse (6, 6') erfolgt,
daß nach Abschluß dieser Entladephase Te das System der Kapazitäten sich in einer Lade phase Tl nach Maßgabe der induzierten Spannung U0 und der Größe der beteiligten Ka pazitäten Ci, Ce erneut auf einen definierten Gleichgewichtszustand auflädt und
daß nach Abschluß dieser Ladephase Tl sich eine neue Meßphase Tm anschließt und sich diese Abfolge von Entlade-, Lade- und Meßphasen periodisch fortsetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisch leitende Ab
schirmung (3) des Meßrohres (2, 2') sich auf Erdpotential befindet.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
während der Entladephase Te anstelle der vollständigen Entladung der Kapazitäten Ci, Ce
ein definierter Ausgangszustand gewählt wird, in dem die Kapazitäten Ci, Ce durch An
schluß an externe Spannungsquellen auf definierte Spannungen aufgeladen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen aufeinander
folgender Entladephasen alternierende Polarität aufweisen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
durch den Systemaufbau bedingten Kapazitäten Ci, Ce durch Zuschalten externer Kapazi
täten verändert werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich
ein zweites Meßsystem in axialem Abstand zum ersten Meßsystem im Meßrohr befindet,
das mit dem ersten identisch ist, wobei jedoch beide Meßsysteme bei gleicher Höhe der
Induktion B in einander entgegengesetzter Richtung der Feldlinien vom Magnetfeld durch
setzt werden, so daß durch Subtraktion der in beiden Systemen auf identische Weise abge
griffenen Meßspannungen eine Elimination von Störungen erfolgt, die gleichpolig auf beide
Systeme einwirken, und durch deren Addition die Erfassung gegenpoliger Effekte, wie z. B.
elektrochemischer Potentiale, möglich wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß be
sondere Formierungsphasen Tf zwischen die Entlade- (Te) und Ladephasen (Tl) geschaltet
werden, indem durch Kurzschließen der Elektroden (4, 4') oder durch Anschließen an eine
externe Spannungsquelle der Aufbau elektrochemischer Spannungen unterbunden wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Elektroden 4, 4' an eine Batterieladeschaltung angeschlossen werden, um aus der Strö
mung gewonnenen Energie zum Betrieb des Meßsystems zu speichern.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE2000149781 DE10049781A1 (de) | 2000-10-09 | 2000-10-09 | Verfahren zur magnetisch-induktiven Messung der Fließgeschwindigkeit flüssiger Medien mit Permanentmagneten |
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