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Die Erfindung betrifft einen magnetisch induktiven Durchflussmesser mit einer Messstrecke, die von einer Wand umgeben ist und von einem Medium durchströmt wird, mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung, mit einer Elektrodenanordnung und mit einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Magnetisch induktive Durchflussmesser nutzen das Faraday’sche Induktionsgesetz zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines durchströmenden Fluids. Ein magnetisches Feld wird senkrecht zu der Strömungsrichtung erzeugt. In diesem Magnetfeld entsteht aufgrund von Ladungen, die mit dem Fluid transportiert werden, eine Spannung senkrecht zu dem Magnetfeld und zu der Durchflussrichtung, die mithilfe von Elektroden gemessen werden kann. Die so entlang der Messstrecke ermittelte Messspannung ist proportional zu einer über den Strömungsquerschnitt bestimmten Strömungsgeschwindigkeit.
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Aus der
WO 2006/050744 A1 ist bekannt, dass derartige Durchflussmesser zur Gewährleistung der Messgenauigkeit unabhängig vom jeweils herrschenden Druck des durchströmenden Fluids weitgehend konstante geometrische Abmessungen beibehalten müssen. Diese Druckfestigkeit wird durch ein Messrohr aus Stahl erreicht, durch welches das Fluid strömt. Damit das Messrohr nicht die elektrischen und magnetischen Felder stört, welche das Fluid im Bereich eines Messabschnitts durchsetzen, wird im Messrohr ein Einsatz verwendet, der im Wesentlichen aus einem elektrisch isolierenden Gummi oder Kunststoffmaterial hergestellt ist. Gleichzeitig schützt der Einsatz die Metallwand des Messrohrs gegen Korrosion. Damit sich der rohrförmige Einsatz bei Auftreten eines Druckes, der wesentlich kleiner als der atmosphärische Druck ist, nicht von der Innenwand des Messrohrs löst, wodurch der Strömungsquerschnitt verringert würde, ist das elektrisch isolierende Material des Messrohreinsatzes zumindest in einem Messabschnitt durch ein rohrförmiges Metallgitter verstärkt. Bezüglich weiterer Einzelheiten und Vorteile des bekannten rohrförmigen Einsatzes sowie des damit versehenen magnetisch induktiven Durchflussmessers wird auf die genannte Offenlegungsschrift verwiesen.
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Aufgrund der Erfassung der induzierten Spannung mit Elektroden ist, insbesondere wenn diese das Medium galvanisch kontaktieren, eine gewisse Leitfähigkeit des Mediums erforderlich. Zudem sollte das Medium eine gute Homogenität besitzen, damit die Messstrecke, über welcher die induzierte Spannung mit den beiden Elektroden erfasst wird, keine elektrisch nicht leitende Gasblasen, Feststoffpartikel oder Flüssigkeitstropfen einschließt. In nachteiliger Weise führen derartige Einschlüsse elektrisch nicht leitenden Materials nämlich zu einem verrauschten Signal bei der Erfassung der induzierten Spannung und damit zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit, insbesondere wenn sich die Einschlüsse nahe bei den Messelektroden befinden.
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Aus der
US 2006/0174715 A1 ist ein magnetisch induktiver Durchflussmesser bekannt, bei welchem zur Reduktion von Signalrauschen die in galvanischem Kontakt mit dem Medium stehenden Teile der Elektroden aus einem geeigneten leitfähigen Polymermaterial mit spezieller Abschirmung ausgeführt sind.
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Weiterhin sind verschiedene magnetisch induktive Durchflussmesser bekannt, beispielsweise aus der
US 8120370 B2 , der
US 2010/0011877 A1 oder der
US-PS 4631969 , bei welchen kapazitive Elektroden, die nicht in direktem Kontakt zum durchströmenden Medium stehen, zur Messung der Spannung, die senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Durchflussrichtung entsteht, genutzt werden. Da die kapazitiven Elektroden nicht in direktem Kontakt zum fließenden Medium stehen, wird das Risiko einer Elektrodenkorrosion oder der eventuellen Entstehung eines galvanischen Rauschens an der Elektrodenoberfläche vermieden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetisch induktiven Durchflussmesser der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich durch Diagnosemöglichkeiten auszeichnet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue magnetisch induktive Durchflussmesser der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich potenzielle Fehlerursachen bei der Erfassung der induzierten Spannung mittels galvanisch kontaktierender Elektroden und kapazitiver Elektroden unterschiedlich auswirken. Elektrodenmaterialien, die in direktem Kontakt mit einem elektrisch leitenden Medium stehen, verursachen beispielsweise immer in einem gewissen Maße ein galvanisches Rauschen. Die Stärke des galvanischen Rauschens ist abhängig von dem jeweiligen Elektrodenmaterial und den Eigenschaften des strömenden Mediums, beispielsweise pH-Wert, Temperatur, dem Typ eventuell vorhandener Ionen oder seiner Erosionseigenschaften. Zudem können sich auf den Elektroden Ablagerungen bilden, die eine vom jeweiligen Medium abweichende Leitfähigkeit besitzen. Im Fall einer besseren Leitfähigkeit der Ablagerungen wird sich dies als eine elektrisch leitende Beschichtung eines Abschnitts der Innenwand oder im anderen Fall als eine Verkleinerung des Durchmessers der leitenden Elektrodenoberfläche und damit als eine Abschwächung der Empfindlichkeit des Durchflussmessers äußern. Derartige Effekte führen zu einer Veränderung des Messsignals, die spezifisch ist für die Verwendung von galvanisch kontaktierenden Elektroden.
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Aufgrund ihrer größeren Elektrodenoberfläche sind kapazitive Elektroden unempfindlicher gegenüber den oben beschriebenen Einschlüssen elektrisch nicht leitenden Materials im Medium. Aus demselben Grund sind sie andererseits aber zur Detektion eines derartigen Medienzustands, d. h. einer Mehrphasenströmung, weniger gut geeignet.
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Durch Vergleich einer charakteristischen Kenngröße des mit galvanisch kontaktierenden Elektroden erhaltenen Messsignals mit einer charakteristischen Kenngröße des Messsignals, das mit kapazitiven Elektroden gewonnen ist, kann somit in vorteilhafter und zuverlässiger Weise eine Diagnoseaussage zum Zustand des Mediums oder des Durchflussmessers ermittelt und ausgegeben werden, die so bei Verwendung nur eines einzigen Elektrodentyps nicht erhältlich wäre.
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Zur Erkennung einer Beschädigung der elektrisch isolierenden Innenauskleidung eines Messrohrs, zur Erkennung von Ablagerungen oder Korrosion der Elektroden, einer unvollständigen Befüllung eines Messrohrs oder eines Kurzschlusses zwischen den galvanisch kontaktierenden Elektroden ist ein Vergleich der Amplituden als Kenngrößen der Messsignale besonders geeignet. Zudem kann durch einen derartigen Vergleich eine zu geringe Leitfähigkeit des durchströmenden Mediums festgestellt werden, da kapazitive Elektroden üblicherweise eine deutlich größere Ausdehnung als galvanisch kontaktierende Elektroden besitzen und somit zwischen diesem Typ von Elektroden deutlich leichter ein ausreichend elektrisch leitender Pfad auf der Messstrecke entsteht.
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Zur Detektion von galvanischem Rauschen oder einer Mehrphasenströmung, die aus Materialien unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit besteht, ist der Vergleich von Kenngrößen vorteilhaft geeignet, welche die jeweiligen Frequenzanteile der beiden Messsignale in vorbestimmten Frequenzbereichen repräsentieren. Kapazitive Elektroden sind nämlich aufgrund ihrer elektrischen Isolierung gegenüber dem durchströmenden Medium sowie aufgrund ihrer größeren Ausdehnung unempfindlicher gegenüber den genannten Störungsursachen als galvanisch kontaktierende Elektroden, so dass durch Vergleich der jeweiligen Kenngrößen für die verschiedenen Elektrodentypen eine zuverlässige Diagnoseaussage zu diesen Elektroden- bzw. Medieneigenschaften ermittelt werden kann.
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Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass nach der Detektion eines Fehlers und Bestimmung der jeweiligen Fehlerursache dem Anwender eine Entscheidung ermöglicht wird, ob und welche Wartungsmaßnahmen zur Behebung des Fehlers erforderlich sind.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die erste Elektrodenanordnung, die galvanisch kontaktierende Elektroden aufweist, und die zweite Elektrodenanordnung, welche mit kapazitiven Elektroden realisiert ist, in einem rohrförmigen Einsatz angeordnet, der im Wesentlichen aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, in welches zumindest in einem Messabschnitt ein im Wesentlichen rohrförmiges Metallgitter als mechanische Verstärkung eingebettet ist, wobei das Metallgitter aus mehreren galvanisch voneinander isolierten Gitterteilen besteht. Dann können zumindest zwei der Gitterteile als kapazitive Messelektroden der zweiten Elektrodenanordnung dienen, die in der Mitte eine Öffnung zur Durchführung der galvanisch kontaktierenden Elektroden der ersten Elektrodenanordnung besitzen. Das hat den Vorteil, dass die kapazitiven Elektroden bereits in das elektrisch isolierende Material des rohrförmigen Einsatzes eingebettet sind, bevor dieser in das Messrohr eingefügt wird. Die Montage der kapazitiven Elektroden erfolgt also im selben Arbeitsschritt, in dem auch die mechanische Verstärkung des rohrförmigen Einsatzes montiert wird. Ein gesonderter Montageschritt für die kapazitiven Elektroden ist nicht mehr erforderlich.
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In vorteilhafter Weise kann eine besonders einfache Herstellung des rohrförmigen Einsatzes erreicht werden, wenn die mechanische Verstärkung durch ein im Wesentlichen rohrförmiges Lochblech aus Edelstahl mit einheitlichem Biegeradius ausgeführt ist und die Gitterteile somit Teilabschnitte der Zylindermantelfläche des im Wesentlichen rohrförmigen Metallgitters bilden, die zu ihrer galvanischen Isolierung in Abstand zueinander in das elektrisch isolierende Material eingebettet sind. Dabei wird der Abstand zwischen den Gitterteilen derart bemessen, dass die mechanische Stabilität des rohrförmigen Einsatzes durch das den Abstand überbrückende elektrisch isolierende Material gewährleistet ist.
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Für die Erfassung der Spannung senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Fließrichtung ist eine Ausbildung der kapazitiven Messelektroden besonders günstig, bei welcher diese als zwei bezüglich der Rohrachse symmetrisch zueinander angeordnete Gitterteile ausgeführt sind. Dazu können weitere Gitterteile zur mechanischen Verstärkung und elektromagnetischen Abschirmung in das elektrisch isolierende Material eingebettet sein, die in den um die kapazitiven Messelektroden verbleibenden Freiflächen der Zylindermantelfläche in dem bereits oben erläuterten Mindestabstand zu den kapazitiven Elektroden angeordnet sind.
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Ein derartiger rohrförmiger Einsatz kann in vorteilhafter Weise vollständig außerhalb des Messrohrs mit bereits eingebettetem Metallgitter zur mechanischen Verstärkung und zur Realisierung der kapazitiven Elektroden vorgefertigt werden. Damit wird in vorteilhafter Weise der Herstellungsaufwand des Durchflussmessers gering gehalten. Weiterhin zeichnet sich der rohrförmige Einsatz durch eine dauerhafte Haltbarkeit und geometrische Stabilität aufgrund der mechanischen Verstärkung mit dem Metallgitter aus.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, den Messwert für den Durchfluss des zu messenden Mediums in Abhängigkeit sowohl des ersten Messsignals, welches der mit galvanisch kontaktierenden Elektroden erfassten Spannung entspricht, als auch des zweiten Messsignals, das mit kapazitiven Elektroden gewonnen wird, zu bestimmen. Kapazitive Elektroden sind nämlich unempfindlicher gegenüber den bereits oben beschriebenen Effekten einer Mehrphasenströmung und stellen geringere Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit des zu messenden Mediums, sodass insgesamt eine höhere Genauigkeit und Verfügbarkeit des Durchflussmessers erhalten wird.
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Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen magnetisch induktiven Durchflussmesser mit teilweisem Längsschnitt und
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2 Gitterteile zur mechanischen Verstärkung des elektrisch isolierenden Materials und zur Realisierung kapazitiver Elektroden mit einer Anordnung galvanisch kontaktierender Elektroden.
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Ein magnetisch induktiver Durchflussmesser weist gemäß 1 ein Messrohr 1 auf, das an seinen beiden Enden mit einem Flansch 2 bzw. einem Flansch 3 zum Einbau in eine Rohrleitung versehen ist. Im oberen Teil von 1 ist der Durchflussmesser zur besseren Anschaulichkeit in einem Längsschnitt gezeichnet. Auf den Außenseiten der beiden Befestigungsflansche 2 und 3 liegt jeweils ein flanschartig ausgebildeter Endabschnitt 4 bzw. 5 eines rohrförmigen Einsatzes 6 aus Gummi auf. Der rohrförmige Einsatz 6 ist weitgehend rotationssymmetrisch bezüglich einer Achse 14 und trägt in einem Messabschnitt, in welchem er durch ein im Wesentlichen rohrförmiges Metallgitter 7, 16, 17 mechanisch verstärkt ist, in bekannter Weise zwei Spulen als Magnetfelderzeugungseinrichtung. Davon ist in 1 lediglich eine Spule 9 sichtbar. Mittels einer ersten Elektrodenanordnung, welche zwei das Medium galvanisch kontaktierende Elektroden umfasst, die bezüglich der Messrohrachse 14 einander gegenüberliegen und von welchen in 1 lediglich die Elektrode 8 sichtbar ist, wird die bei Strömung in das Medium induzierte Spannung über eine erste Messstrecke galvanisch kontaktierend erfasst. Zwei kapazitive Elektroden, von welchen lediglich die Elektrode 17 sichtbar ist, sind durch bezüglich der Rohrachse 14 einander gegenüberliegende Gitterteile gebildet. Die kapazitiven Elektroden der zweiten Elektrodenanordnung sind Bestandteile des rohrförmigen Metallgitters 7, 16, 17 und von den Gitterteilen 7, 16 durch das elektrisch isolierende Material derart beabstandet, dass die mechanische Stabilität des rohrförmigen Einsatzes 6 gewährleistet ist. Zwischen der kapazitiven Elektrode 17 und der bezüglich der Rohrachse 14 gegenüberliegenden, in 1 nicht sichtbaren kapazitiven Elektrode wird eine zweite Messstrecke gebildet, die – wie schon die erste Messstrecke – von dem Einsatz 6 als stabile Wand umgeben ist und über welcher die in ein leitfähiges, das Messrohr 1 durchströmendes Medium induzierte Spannung kapazitiv erfasst wird. Umlaufende Nuten 10 und 11 dienen zur Lagesicherung von elektrischen Zuleitungen, die zur Verbindung der kapazitiven Elektroden, der galvanisch kontaktierenden Elektroden und der Spulen mit einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 12 erforderlich sind. Die Zuleitungen, in 1 der Anschaulichkeit wegen nicht dargestellt, sind weiterhin durch ein Verbindungsrohr 13 geführt. Mittels der Zuleitungen werden unter anderem die beiden Messsignale, die mit den beiden Elektrodenanordnungen erfasst werden, zur weiteren Verarbeitung an die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 12 übertragen.
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Zur Montage des Durchflussmessers wird zunächst ein rohrförmiger Einsatz 6 mit zwei Spulen und den elektrischen Zuleitungen bestückt. Einer der beiden Endabschnitte 4 und 5, beispielsweise der Endabschnitt 4, der keine mechanische Verstärkung aufweist, wird zusammengefaltet, sodass er durch den Innenquerschnitt des Messrohrs 1 eingeschoben werden kann. Sobald der bestückte Einsatz 6 vollständig in das Messrohr 1 eingefügt ist, springt der Endabschnitt 4 in seine ursprüngliche Form zurück und der Einsatz 6 wird durch die beiden Endabschnitte 4 und 5, die auf den Außenseiten der Flansche 2 und 3 anliegen, in seiner Position im Messrohr 1 gehalten. Danach werden die galvanisch kontaktierenden Elektroden, von welchen in 1 lediglich die Elektrode 8 sichtbar ist, in den rohrförmigen Einsatz 6 eingesetzt. Die kapazitiven Elektroden müssen nicht mehr montiert werden, da diese bereits in den rohrförmigen Einsatz 6 integriert sind. Die Hohlräume, die zwischen dem bestückten Einsatz 6 und dem Messrohr 1 verbleiben, werden durch eine aushärtbare Vergussmasse 15 aufgefüllt. Sobald diese Vergussmasse ausgehärtet ist, ist der Einsatz 6 im Messrohr 1 stabil fixiert. Zusätzlich wird er durch seine Endabschnitte 4 und 5 in seiner Position gehalten, die bei Einbau des Durchflussmessers in einer Rohrleitung zwischen dem Flansch 2 und dem jeweils gegenüberliegenden Flansch der Rohrleitung bzw. zwischen dem Flansch 3 und einem anderen Flansch der Rohrleitung eingequetscht werden.
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2 zeigt in einer Prinzipdarstellung ein Beispiel eines im Wesentlichen rohrförmigen Metallgitters 20 ... 23, bevor dieses in einem Spritzvorgang in elektrisch isolierendes Material zur mechanischen Verstärkung des Materials eingebettet wird. Im mittleren Bereich ist das Metallgitter 20 ... 23 in zwei Halbschalen unterteilt, welche zusätzlich zu ihrer Funktion einer mechanischen Verstärkung im Messbetrieb als kapazitive Elektroden 20, 21 dienen. In Fließrichtung davor und dahinter sind zwei Gitterteile 22 bzw. 23 angeordnet, die als geschlossene Ringe ausgebildet sind. Abstände 24, 25 und 26 zwischen den Gitterteilen 20 ... 23 sind derart bemessen, dass die mechanische Stabilität des rohrförmigen Einsatzes durch das elektrisch isolierende Material, in welches das im Wesentlichen rohrförmige Metallgitter 20 ... 23 eingebettet wird, in diesen Bereichen bereits die erforderliche Stabilität gewährleistet. Dabei wird deutlich, dass die Herstellungskosten des rohrförmigen Einsatzes, der im Unterschied zum bisher verwendeten einteiligen rohrförmigen Metallgitter nun mit einem mehrteiligen Metallgitter verstärkt ist, weiterhin gering sind. Eine erste Elektrodenanordnung mit galvanisch kontaktierenden Elektroden 27 und 28, die durch in den kapazitiven Elektroden 21 bzw. 20 dafür vorgesehene Öffnungen elektrisch isoliert hindurchgeführt sind, dient im Messbetrieb zur galvanisch kontaktierenden Erfassung einer von der Strömungsrichtung des Mediums abhängigen, induzierten Spannung als ein erstes Messsignal. Mithilfe einer zweiten Elektrodenanordnung, die mit den kapazitiven Elektroden 20 und 21 gebildet ist, wird in Abhängigkeit der induzierten Spannung ein zweites Messsignal über im Wesentlichen dieselbe Messstrecke erfasst. Dies geschieht im Wesentlichen gleichzeitig oder zeitlich in kurzen Abständen alternierend, sodass zu den Zeitpunkten der Messsignalerfassung im Wesentlichen dieselbe Spannung in das Medium induziert wird und die mit den beiden Elektrodenanordnungen erfassten Messsignale im fehlerfreien Fall einander entsprechen. In der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (12 in 1) werden die beiden Messsignale als Eingangsgrößen weiterverarbeitet. Anhand der Messsignale bestimmt die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung zum einen einen Messwert für den Durchfluss und berechnet zum anderen mehrere charakteristische Kenngrößen der Messsignale, die zur Ermittlung einer Diagnoseaussage über den Zustand des Mediums oder des Durchflussmessers vergleichend ausgewertet werden. Die Diagnoseaussagen betreffen beispielsweise das Vorhandensein von Gasblasen in Flüssigkeiten, den Korrosionszustand der Elektroden, die elektrische Leitfähigkeit des Mediums, eine eventuelle Schädigung der elektrisch isolierenden Innenauskleidung des Messrohrs, Ablagerungen auf den Elektroden, äußere magnetische Störfelder, einen Elektrodenkurzschluss und / oder den Befüllungszustand des Messrohrs. Messwert und Diagnoseaussagen werden über eine Kommunikationsschnittstelle, welche in den Figuren nicht gezeigt ist, an eine übergeordnete Leitstation in einer prozesstechnischen Anlage weitergegeben. Wird mittels der Diagnoseaussage ein Fehlerzustand angezeigt, so können eventuell erforderliche Wartungsmaßnahmen eingeleitet werden.
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Abweichend von dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines im Wesentlichen rohrförmigen Metallgitters ist es selbstverständlich auch möglich, die Halbschalen der kapazitiven Elektroden lediglich über einem kleineren Umfangsbereich der Zylindermantelfläche auszubilden. Dann können zur Vermeidung eines zu großen Abstandes zwischen den kapazitiven Elektroden, der sich ungünstig auf die Stabilität des rohrförmigen Einsatzes auswirken würde, die beiden ringförmigen Gitterteile mit zwischen den beiden Elektroden in axialer Richtung verlaufenden Verbindungsstegen versehen werden. Als Ausführungsbeispiel ist ein Durchflussmesser beschrieben, bei welchem die in das strömende Medium induzierte Spannung über im Wesentlichen dieselben Messstrecken mit der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung erfasst wird. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass sich die Messstrecken in einem Durchflussmesser alternativ dazu bezüglich Lage und Ausdehnung voneinander unterscheiden können.
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Als weitere Alternative zum dargestellten Ausführungsbeispiel kann die elektrisch isolierende Innenauskleidung des Messrohrs aus einer Keramik hergestellt sein, auf deren Außenseite die kapazitiven Elektroden angeordnet sind. Galvanisch kontaktierende Messelektroden sowie Bezugspotenzialelektroden können dann als Stiftelektroden ausgeführt und in geeignete Montageöffnungen der keramischen Innenauskleidung eingesetzt sein.
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Die Erfindung ist in vorteilhafter Weise unabhängig von der jeweiligen Form des Einsatzes anwendbar. Dieser kann beispielsweise einen runden, elliptischen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitt im Messabschnitt besitzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/050744 A1 [0003]
- US 2006/0174715 A1 [0005]
- US 8120370 B2 [0006]
- US 2010/0011877 A1 [0006]
- US 4631969 [0006]
