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Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät. Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses von leitfähigen Medien in einer Rohrleitung werden bereits in vielfältiger Weise eingesetzt. Dabei wird durch ein Magnetsystem ein Magnetfeld im Medium, welches die Rohrleitung durchströmt erzeugt und die dabei entstehende elektrische Spannung abgegriffen und zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses verwendet. Die entstehende elektrische Spannung ist im Idealfall dabei proportional zum angelegten Magnetfeld und zur Durchflussgeschwindigkeit des strömenden Mediums. Daher ist es von großer Wichtigkeit ein möglichst starkes Magnetfeld zu erzeugen, um eine ausreichend gute Messgenauigkeit zu erhalten. Der Stand der Technik verwendet dabei Magnetsysteme mit einem Spulensystem mit mindestens einer Spule welche an einem Messrohr angeordnet ist, wobei die Spule einen ferromagnetischen Spulenkern aufweist, wobei der Spulenkern eine Erhöhung der Magnetfeldstärke bewirkt. Ferromagnetische Materialien sind aus makroskopischen Körnern aufgebaut sind, welche ihrerseits Weissche Bezirke aufweisen. Innerhalb dieser Weisschen Bezirke ist die Orientierung der Elementarmagnete gleich. Die makroskopische magnetische Wirkung der Weisschen Bezirke ist dabei gerade dann maximal, wenn die Ausrichtung der Weisschen Bezirke mit der Richtung der längsten Ausdehnung der Körner übereinstimmt. Häufig kommen als Spulenkern Metallstangen oder gerollte Metallbleche zum Einsatz. Diese Metallstangen weisen produktionsbedingt völlig zufällig verteilte Ausrichtungen der Körner auf, was für die magnetische Wirkung nachteilig ist. Im Falle gerollter Metallbleche ist die Situation noch schlechter. Hier wird durch das Ziehen beziehungsweise Walzen der Bleche eine Ausrichtung der Körner erreicht. Jedoch ist diese Ausrichtung nach Aufrollen und Einbau in das Spulensystem senkrecht zum durch das Spulensystem erzeugte magnetische Feld und verursacht hiermit eine Abschwächung des magnetischen Felds im Vergleich zu einem Spulenkern mit völlig zufällig verteilter Ausrichtung der Körner, welcher aus einer Metallstange gefertigt wurde.
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Die
DE102014105837A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen des Durchflusses eines Fluids durch ein Messrohr, wobei die Vorrichtung eine Magnetanordnung und Messelektroden aufweist, wobei die Messelektroden mit einer Regel-/Auswerteeinheit jeweils mit einem Innenleiter und einem Schirmleiter verbunden sind, welcher Schirmleiter auf Masse liegt.
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Die
US20020033054A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Durchflussmessers, wobei ein Liner an einem vorgefertigten offenporigen Stützkörper gefertigt wird.
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Die
US20120068805A1 beschreibt einen Magnetkern für eine elektromagnetische Vorrichtung, welcher Magnetkern aus einer Vielzahl ineinandergreifender Metallbleche gefertigt ist.
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Die
US4785273A beschreibt einen Breitbandtransformator.
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Die
GB2407214A beschreibt eine variierbare Induktivität.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät vorzuschlagen, in welchem der Spulenkern eine erhöhte Sättigungsmagnetisierung aufweist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird umgesetzt durch ein Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses von Medien in einer Rohrleitung, umfassend:
- Ein Messrohr mit einem Magnetsystem, welches am Messrohr angeordnet ist, wobei das Magnetsystem ein Spulensystem mit mindestens einer Spule mit mindestens einem Spulenkern aufweist,
- wobei der Spulenkern aus einem Werkstoff mit Kornorientierung hergestellt ist, wobei die Kornorientierung die magnetische Leitfähigkeit µk des Spulenkerns gegenüber der magnetischen Leitfähigkeit µnk eines Spulenkerns gleichen Grundmaterials ohne Kornorientierung erhöht,
- wobei der Spulenkern durch ein Zug-Verfahren hergestellt ist.
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Hierbei wird beispielsweise eine Stange aus einem Spulenkernmaterial durch eine Öffnung mit geringfügig kleineren Abmessungen als der Stangenquerschnitt gezogen. Die Verkleinerung des Stangenquerschnitts und die damit verbundene Streckung führen zu einer Ausrichtung der Körner des Stangenmaterials, so dass die magnetische Leitfähigkeit erhöht ist. Eine mehrfache Durchführung dieses Ziehens führt zu einer weiter verstärkten Ausrichtung der Körner. Dieses Zug-Verfahren ist bereits ein gängiges Verfahren bei der Herstellung von Metallstangen. Im Anschluss daran findet üblicherweise ein Rekristallisationsglühen der Metallstangen statt, wobei eine Neuorientierung der Körner geschieht, so dass die Ausrichtungen der einzelnen Körner wieder statistisch verteilt sind. Ersetzt man das Rekristallisationsglühen durch ein Spannungsarmglühen bei tieferen Temperaturen, bleibt die die Kornorientierung erhalten, wobei die Sprödigkeit und damit die Empfindlichkeit des Kernmaterials gegenüber mechanischen Einwirkungen zurück geht.
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Die Orientierungsrichtung der Körner ist dabei in Richtung des durch das Magnetsystem erzeugten Magnetfelds, wobei die für die Ausrichtung der Körner relevante Bezugsgröße die Richtung der größten Länge eines Korns ist. Sind die Ausrichtungen der einzelnen Körner im Spulenkern nicht statistisch verteilt, sondern besitzen sie eine Vorzugsrichtung, so liegt eine Orientierung nach dieser Vorzugsrichtung vor, womit der Spulenkern kornorientiert ist. Vollständige Kornorientierung liegt genau dann vor, wenn die Ausrichtungen aller Körner in Richtung der Vorzugsrichtung sind. Der Umstand der Kornorientierung bietet Vorteile bei der Herstellung von Magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten. Einerseits lassen sich höhere magnetische Feldstärken im durch die Rohrleitung strömenden Medium erreichen. Damit erhöht sich die im Medium induzierte elektrische Spannung, was sich positiv auf das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis von Messwerten auswirkt. Es eröffnet sich hierbei die Wahlmöglichkeit zwischen genaueren Messungen mit verbessertem Signal-zu-Rauschen-Verhältnis oder Reduktion des Aufwands für Signalverarbeitung bei gleichbleibendem Signal-zu-Rauschen-Verhältnis im Vergleich zu einem Spulenkern ohne Kornorientierung. Andererseits lassen sich kompaktere und damit günstigere Magnetsysteme bei gleichbleibender magnetischer Feldstärke im Medium und somit gleichbleibendem Signal-zu-Rauschen-Verhältnis herstellen.
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In einer Ausgestaltung des Magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts ist der Spulenkern stangenförmig, wobei die Längsachse des Spulenkerns parallel zur Vorzugsrichtung der Kornorientierung des Spulenkerns ist, wobei die Längsachse an der durch das Spulensystem erzeugten Magnetfeldverteilung ausgerichtet ist. Ein stangenförmiger Spulenkern kann aus einer Stange geschnitten sein und somit dazu beitragen, die Herstellungskosten zu senken.
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In einer Ausgestaltung des Magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts ist der Querschnitt des Spulenkerns senkrecht zur Längsachse kreisförmig oder oval oder rechteckig.
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In einer Ausgestaltung des Magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts ist der Spulenkern aus einem ferromagnetischen Material wie beispielsweise Eisen oder Nickel oder Kobalt hergestellt, wobei das Spulenkernmaterial auch eine Legierung wie beispielsweise Stahl sein kann. Ein Material mit vergleichsweise hoher magnetischer Leitfähigkeit ist dabei bei Durchflussmessgeräten mit hoher Messgenauigkeit bevorzugt, ein günstig herstellbares Material wie Stahl eignet sich besonders für weitere Kompaktifizierung bestehender Messsysteme.
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In einer Ausgestaltung des Magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts ist die magnetische Leitfähigkeit µk eines kornorientierten Spulenkerns gegenüber der magnetischen Leitfähigkeit µnk eines nicht kornorientierten Spulenkerns mindestens um einen Faktor 1.01 und bevorzugt um mindestens einen Faktor 1.05 und insbesondere mindestens um einen Faktor 1 erhöht.
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In einer Ausgestaltung des Magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts ist die Querschnittsfläche des Spulenkerns größer als 5mm2 und bevorzugt größer als 20mm2 und insbesondere größer als 50mm2 und kleiner als 1000mm2 und bevorzugt kleiner als 500mm2 und insbesondere kleiner als 200mm2.
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In einer Ausgestaltung des Magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts ist der Spulenkern massiv. Im Vergleich zu gerollten Spulenkernen ist das Magnetfeld bei Austritt aus dem Spulenkernkörper gleichmäßiger. Damit ergibt sich im Medium ein homogeneres Magnetfeld.
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In einer Ausgestaltung des Magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts weist der Spulenkern eine Bohrung entlang der Längsachse auf, wobei der Durchmesser der Bohrung mindestens 5% und bevorzugt mindestens 20% und insbesondere mindestens 40% und höchstens 90% und bevorzugt höchstens 70% und insbesondere höchstens 60% des kleinsten Außendurchmessers des Spulenkerns ist. Auf diese Weise lassen sich besonders leichte Spulenkerne herstellen. Insbesondere bei teuren Spulenkernmaterialien lässt sich dadurch viel Material sparen und damit die Kosten senken.
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In einer Ausgestaltung des Magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts ist der Spulenkern durch ein Gussverfahren hergestellt. Durch Anlegen eines Magnetfelds lässt sich eine Orientierung der Körner erreichen, welche bei Abkühlen des Gusses unterhalb einer bestimmten Temperatur festgehalten wird. Durch ein anschließendes Zug-Verfahren lässt sich diese Orientierung weiter verstärken.
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Es wird also durch die vorliegende Erfindung der Einsatz eines kornorientierten Spulenkerns in einem Magnetsystem eines Magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts vorgeschlagen.
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand von beispielhaften Grafiken erläutert.
- 1 zeigt einen skizzierten Querschnitt durch ein Magnetsystem eines Magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts; und 2a zeigt einen skizzierten Querschnitt durch einen nicht kornorientierten Spulenkern; und 2b zeigt einen skizzierten Querschnitt durch einen kornorientierten Spulenkern.
- 1 zeigt einen Querschnitt durch das Magnetsystem 1, wobei das Magnetsystem ein Spulensystem 20 und einen Spulenkern 11, 12 aufweist. Das Spulensystem erzeugt bei fließendem elektrischem Strom ein Magnetfeld, dessen Feldlinien 30 innerhalb des Spulensystems im Spulenkern konzentriert sind.
- 2a zeigt einen Querschnitt durch einen nicht kornorientierten Spulenkern 11, wobei die stark vereinfacht gezeichneten Körner 13 eine repräsentative Auswahl sämtlicher Körner im Spulenkern 11 darstellen. Naturgemäß finden sich keine oder nur kleine Lücken zwischen den einzelnen Korngrenzen. Im nicht kornorientierten Spulenkern 11 zeigt sich eine statistische Verteilung der Ausrichtungen der einzelnen Körner.
- 2b zeigt einen Querschnitt durch einen kornorientierten Spulenkern 12, wobei die stark vereinfacht gezeichneten Körner 13 eine repräsentative Auswahl sämtlicher Körner im Spulenkern 12 darstellen. Naturgemäß finden sich keine oder nur kleine Lücken zwischen den einzelnen Korngrenzen. Im kornorientierten Spulenkern 12 zeigt sich eine Orientierung der Ausrichtung der einzelnen Körner 13 entlang der Orientierung 14 des Magnetfelds. Dadurch wird eine bessere magnetische Leitfähigkeit des kornorientierten Spulenkerns 12 gegenüber der magnetischen Leitfähigkeit des nicht kornorientierten Spulenkerns 11 erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetsystem
- 11
- nicht kornorientierter Spulenkern
- 12
- kornorientierter Spulenkern
- 13
- Korn
- 14
- Orientierung des Magnetfelds
- 20
- Spulensystem
- 30
- Feldlinien
