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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder
Massestroms eines Mediums in einer Rohrleitung, mit einem Messrohr,
das von dem Medium in Richtung der Längsachse des Messrohres durchströmt wird,
mit einem Magnetsystem, das ein das Messrohr durchsetzendes, im
wesentlichen quer zur Längsachse
des Messrohres verlaufendes Magnetfeld erzeugt, mit zumindest zwei mit
dem Medium koppelnden Messelektroden, die in einem im wesentlichen
senkrecht zum Magnetfeld liegenden Bereich des Messrohres angeordnet
sind, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der in die
Messelektroden induzierten Messspannung Information über den
Volumen- oder Massestrom des Mediums in dem Messrohr liefert.
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Magnetisch-induktive
Durchflussmessgeräte nutzen
für die
volumetrische Strömungsmessung
das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus: Senkrecht zu einem
Magnetfeld bewegte Ladungsträger des
Mediums induzieren in gleichfalls im wesentlichen senkrecht zur
Durchflussrichtung des Mediums und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes
angeordnete Messelektroden eine Messspannung. Die in die Messelektroden
induzierte Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres
gemittelten Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums; sie ist also proportional zum Volumenstrom. Ist die
Dichte des Mediums bekannt, lässt
sich der Massestrom in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr bestimmen.
Die Messspannung wird üblicherweise über ein
Messelektrodenpaar abgegriffen, das bezüglich der Koordinate entlang
der Messrohrachse in dem Bereich maximaler Magnetfeldstärke angeordnet
ist, also dort, wo die maximale Messspannung zu erwarten ist. Die
Messelektroden sind üblicherweise
galvanisch mit dem Medium gekoppelt; es sind jedoch auch magnetisch- induktive Durchflussmessgeräte mit kapazitiv
koppelnden Messelektroden bekannt geworden.
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Das
Messrohr kann entweder aus einem elektrisch leitfähigen Material,
z. B. Edelstahl, gefertigt sein, oder es besteht aus einem elektrisch
isolierenden Material. Ist das Messrohr aus einem elektrisch leitfähigen Material
gefertigt, so muss es in dem mit dem Medium in Kontakt kommenden
Bereich mit einem Liner aus einem elektrisch isolierenden Material
ausgekleidet sein. Der Liner besteht üblicherweise aus einem thermoplastischen,
einem duroplastischen oder einem elastomeren Kunststoff. Es sind
jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit einer
keramischen Auskleidung bekannt geworden.
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Die
Messelektroden sind neben dem Magnetsystem die wesentlichen Komponenten
eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts. Bei der Ausgestaltung und
Anordnung der Messelektroden ist darauf zu achten, dass sie sich
möglichst
einfach in dem Messrohr montieren lassen und dass nachfolgend im
Messbetrieb keine Dichtigkeitsprobleme auftreten; darüber hinaus
sollen sich die Messelektroden durch eine empfindliche und gleichzeitig
störungsarme
Messsignalerfassung auszeichnen. Bekannt geworden sind Stiftelektroden,
die sich von außen
an das Messrohr montieren lassen, oder Messelektroden mit einem
aufgeweiteten Elektrodenkopf, die von innen an dem Messrohr montiert
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Durchflussmessgerät hoher
Güte vorzuschlagen, das
einfach und kostengünstig
zu fertigen ist.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Regel-/Auswerteeinheit als Steckmodul ausgestaltet ist,
das an dem Messrohr über
einen Steckmechanismus aufsteckbar ist. Bevorzugt ist das Steckmodul als
Flachbaugruppe ausgestaltet.
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Bevorzugt
wird in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät ein Magnetsystem
eingesetzt, das so ausgestaltet und angeordnet ist, dass das resultierende
Magnetfeld in hohem Maße
symmetrisch verläuft.
Ebenso wie bei der steckbaren Regel-/Auswerteeinheit handelt es
sich bevorzugt auch bei dem Magnetsystem um zumindest ein Steckmodul,
das durch Aufstecken auf das Messrohr einfach und präzise in
der gewünschten Position
zu befestigen ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Regel-/Auswerteeinheit
ein A/D-Wandler zugeordnet, wobei der A/D-Wandler so an dem Steckmodul bzw. an
der Flachbaugruppe positioniert ist, dass der A/D-Wandler in einem
Bereich liegt, in dem das von dem Magnetsystem erzeugte Magnetfeld
zumindest näherungsweise
Null ist. Hierdurch wird erreicht, dass die störempfindliche Digitalisierung
der Messsignale weitgehend unbeeinflusst durch das Magnetfeld erfolgen
kann.
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Weiterhin
ist gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen,
dass die beiden Messelektroden, die in den Seitenbereichen des Messrohres
angeordnet sind, über
an der Außenwand
des Messrohres angeordnete Verbindungsleitungen mit der Regel-/Auswerteeinheit
verbunden sind. Die Verbindungsleitungen sind hoch symmetrisch angeordnet,
so dass die Symmetrie des Magnetfeldes möglichst wenig beeinflusst wird.
Um eine korrekte und einfache Positionierung der Verbindungsleitungen
zu erreichen, sind an der Außenwand
des Messrohres geeignete Führungen vorgesehen.
Bevorzugt handelt es sich bei den beiden Verbindungsleitungen um
symmetrisch zum Messrohr angeordnete Stromschienen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass der Steckmechanismus so ausgestaltet ist, dass mit Aufstecken
des Steckmoduls die mechanische Verbindung mit dem Messrohr und
die elektrische Kontaktierung mit den Stromschienen der Messelektroden und/oder
mit den Verbindungsleitungen des Magnetsystems hergestellt ist.
Die mechanische und elektrische Kontaktierung der Regel-/Auswerteeinheit
mit den Stromschienen, die die elektrische Verbindung zu den Messelektroden
sicherstellen, erfolgt bevorzugt über an dem Messrohr vorgesehene
Stempel und an der Regel-/Auswerteeinheit vorgesehenen Cardedge
Stecker. Cardedge Stecker sind in Verbindung mit der elektrischen
Kontaktierung von Leiterplatten bestens bekannt.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es
zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2:
eine perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung des Messrohres,
die bevorzugt in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zur Anwendung
kommt,
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3:
eine schematische Darstellung eines symmetrisch aus zwei Steckmodulen
aufgebauten Magnetsystems mit integrierter Regel-/Auswerteeinheit,
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4:
eine Draufsicht auf das Magnetsystem gemäß der Kennzeichnung A in 3,
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5.
einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts im Bereich
der Fixierung des Magnetsystems und
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6:
einen vergrößerten Ausschnitt
aus 5 in perspektivischer Darstellung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
Das Messrohr 2 wird von dem Medium 11 in Richtung
der Längsachse 3 des
Messrohres 2 durchflossen. Das Messrohr 2 kann
in weitem Rahmen beliebig ausgestaltet sein. Im gezeigten Fall hat
das Messrohr 2 einen kreisförmigen Querschnitt, es kann jedoch
auch die in 2 gezeigte Ausgestaltung aufweisen:
Hier haben die beiden Endbereiche einen kreisförmigen Querschnitt während der
mittlere Bereich einen ovalen bzw. näherungsweise rechteckigen Querschnitt
aufweist.
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Das
Medium 11 ist zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähig. Für den Fall,
dass das Messrohr 2 aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt
ist, muss das Messrohr 2 an seiner Innenfläche mit
einem elektrisch nicht-leitfähigen Liner 17 ausgekleidet
sein; der Liner 17 besteht bevorzugt aus einem Material,
das in hohem Maße
chemisch und/oder mechanisch beständig ist.
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Bevorzugt
besteht das Messrohr 2 jedoch aus einem Kunststoff. In
Verbindung mit der Erfindung kommt bevorzugt ein Glasfaser verstärkter Kunststoff
zum Einsatz. Beispielsweise handelt es sich um Glasfaser verstärktes Polyamid
oder Polypthalamid.
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Das
senkrecht zur Strömungsrichtung
des Mediums 11 ausgerichtete alternierende Magnetfeld B
wird über
ein Magnetsystem, z. B. über
zwei diametral angeordnete Spulenanordnungen 6, 7 bzw. über zwei
Elektromagnete, erzeugt. Unter dem Einfluss der Magnetfeldes B wandern
in dem Medium 11 befindliche Ladungsträger je nach Polarität zu den beiden
entgegengesetzt gepolten Messelektroden 4, 5 ab.
Die sich an den Messelektroden 4, 5 aufbauende
Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres 2 gemittelten
Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums 11, d. h. sie ist ein Maß für den Volumenstrom des Mediums 11 in dem
Messrohr 2.
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Das
Magnetsystem besteht bevorzugt aus zwei Steckmodulen 6, 7,
wie sie in den Figuren 3, 4 und 5 zu
sehen sind. Im Detail sind die entsprechenden Steckmodule 6, 7 in
einer zeitgleich mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten parallelen
Anmeldung der Anmelderin im Detail dargestellt und beschrieben.
Die auf die Steckmodule 6, 7 und das Messrohr 2 gerichtet
Offenbarung der zeitgleich eingereichten Anmeldung ist explizit
dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung zuzurechnen. Die
beiden Steckmodule 6, 7 liegen sind bezüglich des
Messrohres 2 symmetrisch gegenüber und sind bevorzugt spiegelsymmetrisch
ausgestaltet. Im gezeigten Fall ist jedes der beiden Steckmodule 6, 7 U-förmig ausgebildet.
Es weist einen mittleren gebogenen Bereich auf, an den sich zwei
freie Schenkel anschließen.
Die beiden freien Schenkel eines Moduls 6, 7 sind
nach der Montage an dem Messrohr 2 im wesentlichen parallel
zueinander ausgerichtet; im nicht montierten Zustand sind die beiden
Schenkel um jeweils eine spitzen Winkel aus der parallelen Lage
gedreht. Hierdurch wird die Montage an dem Messrohr erleichtert.
Jedes Steckmodul 6, 7 setzt sich zusammen aus
einem Spulenkern, einem Spulenkörper
und einer Spule. Zwecks Minimierung der Wirbelströme besteht
der Spulenkern bevorzugt aus einzelnen gegeneinander isolierten
Spulenblechen.
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Auf
dem Spulenkern ist der Spulenkörper
angeordnet, der die Spule und ggf. das elektrisch leitfähige Messrohr 2 gegen
den Spulenkern elektrisch isoliert. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
ist der aus Kunststoff gefertigte Spulenkörper als ein- oder mehrteiliges
Gebilde auf den Spulenkern aufgesteckt
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Weiterhin
ist an dem Spulenkörper
im Bereich der Schenkel jeweils eine Anschlagkante vorgesehen, über die
die Spule in einer gewünschten Position
symmetrisch zum mittleren Bereich des Moduls 6; 7 fixiert
ist. Über
diese symmetrische Anordnung lässt
sich ein über
den Bereich des Messrohres 2 konstantes Magnetfeld realisieren,
was sich wiederum in einer guten Messperformance des Durchflussmessgeräts 1 niederschlägt. Weiterhin
dient der Spulenkörper 13 zur
elektrischen Isolierung und Führung
der elektrischen Verbindungsleitung 12, 13, 14, 15 und
der elektrischen Anschlüsse 22. Über die
an beiden Modulen 6, 7 vorgesehenen elektrischen
Anschlüsse 21, 22 wird
die Regel-/Auswerteeinheit 8 mit der Spulenahnordung 6, 7 bzw.
mit den Messelektroden 4, 5 verbunden.
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In
den Endbereichen der beiden freien Schenkel sind korrespondierende
Komponenten eines Schnapp- oder Clipsmechanismus' angeordnet. Über den Mechanismus sind die
beiden Module 6, 7 untereinander und mit dem Messrohr 2 verbunden. Der
Mechanismus ist in der 3 und 4 im Detail
zu sehen.
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5 zeigt
einen teilweisen Querschnitt des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts 1 mit
einem einseitig an dem Messrohr 2 montierten Steckmodul 6.
Das Messrohr 2 ist im mittleren verjüngten Bereich 20 im
Querschnitt zu sehen. Der Querschnitt des Messrohrs 2 ist
im gezeigten Fall oval, wobei die beiden Außenflächen des Messrohres 2,
an denen die freien Schenkel der beiden als Steckmodule 6, 7 ausgestalteten
Spulenanordnungen anliegen, im wesentlichen parallel zueinander
ausgerichtet sind. Wie bereits erwähnt, kann sowohl das Messrohr 2 als auch
die Spulenanordnungen 6, 7 jede andere bekannte
Ausgestaltung haben.
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In
den beiden Seitenbereichen des Messrohres 2 sind die beiden
Messelektroden 4, 5 angeordnet. Bei den Messelektroden 4, 5 handelt
es sich im gezeigten Fall um pilzkopfförmige Elektroden, jedoch können in Verbindung
mit der vorliegenden Erfindung alle bekannten Typen von Messelektroden 4, 5 eingesetzt
werden.
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Besonders
vorteilhaft bei der gezeigten Ausgestaltung ist, dass die Verbindungsleitungen 12, 13 von
den Messelektroden 4, 5 zu der Regel-/Auswerteeinheit 8 symmetrisch
an der Außenfläche des Messrohres 2 vorbeigeführt sind.
Bei den Verbindungsleitungen 12, 13 handelt es
sich im gezeigten Fall um Stromschienen, die plan an der Außenfläche des
Messrohres 2 anliegen. Zwecks einfacher und hochgenauer
Positionierung der Verbindungsleitungen 12, 13 sind
an der Außenwand
des Messrohres 2 entsprechende Führungen vorgesehen. In den Endbereichen
der freien Schenkel der Steckmodule 6, 7 sind
die Verbindungsleitungen 12, 13 mit der Regel-/Auswerteeinheit 8 kontaktiert.
Die Regel-/Auswerteeinheit 8 ist im gezeigten Fall als
Flachbaugruppe 8 ausgestaltet und über geeignete Steckkontakte 22, 23 an
dem Messrohr 2 mechanisch und elektrisch adaptierbar.
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An
der Außenwand
des mittleren – hier
eingeschnürten – Bereichs 19 des
Messrohres 2 sind u. a. die elektrischen Anschlüsse 22, 23 für die Spulen der
Elektromagnete und für
die Messelektroden 4, 5 vorgesehen. Direkt am
Messrohr 2 ist auch die Regel-/Auswerteeinheit 8 angeordnet. Über entsprechende
Steckkontakte 22, 23 ist die Regel-/Auswerteeinheit 8 elektrisch
und mechanisch in das Messrohr 2 integriert bzw. mit dem
Messrohr 2 verbunden. Die Steckkontakte 22, 23 und
die empfindlichen Komponenten der Regel-/Auswerteeinheit 8,
insbesondere handelt es sich hier um die Komponente 24, die
die Digitalisierung der von den Messelektroden 4, 5 gelieferten
Messsignale vornimmt, sind so angeordnet, dass sie sich im montierten
Zustand in einem Bereich befinden, in dem das Magnetfeld B zumindest
näherungsweise
gleich Null ist. Insbesondere ist der A/D-Wandler 24 im
feldfreien Bereich, der im mittleren Bereich der beiden symmetrisch
angeordneten Spulen liegt.
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Erfindungsgemäß wird so
eine einfache, preisgünstige,
hochsymmetrische Magnetfelderzeugung und eine störungsarme Messsignalerfassung und
Messsignalverarbeitung erreicht.
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Um
die empfindlichen Komponenten der Flachbaugruppe 8 gegen
Umwelteinflüsse
zu schützen,
sind zwei Abdeckschalen 21 vorgesehen. Diese Abdeckschalen 21 sind
in der 2 im geöffneten Zustand
zu sehen. Die Befestigung der beiden Abdeckschalen 21 aneinander
erfolgt über
einen Clipsmechanismus 25, der an korrespondierenden Stellen der
beiden Abdeckschalen 21 angeordnet ist. Bei den Abdeckschalen 21 kann
es sich ebenso wie bei dem Messrohr 2 um Spritzgussteile
handeln.
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- 1
- Magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät
- 2
- Messrohr
- 3
- Messrohrachse
- 4
- Messelektrode
- 5
- Messelektrode
- 6
- Spulenanordnung/Magnetsystem/Steckmodul
- 7
- Spulenanordnung/Magnetsystem/Steckmodul
- 8
- Regel-/Auswerteeinheit/Steckmodul/Flachbauchgruppe
- 9
- Eingabe-/Ausgabeeinheit
- 10
- Speichereinheit
- 11
- Medium
- 12
- Verbindungsleitung/Stromschienen
- 13
- Verbindungsleitung/Stromschienen
- 14
- Verbindungsleitung
- 15
- Verbindungsleitung
- 16
- Verbindungsleitung
- 17
- Liner
- 18
- Erster
Endbereich
- 19
- Zweiter
Endbereich
- 20
- Mittlerer
Endbereich
- 21
- Abdeckschale
- 22
- Elektrischer
Anschluss
- 23
- Elektrischer
Anschluss
- 24
- A/D-Wandler
- 25
- Clipsmechanismus