DE202005021832U1

DE202005021832U1 - Magnetisch induktiver Durchflussmesser mit galvanischen Messelektroden

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Publication number: DE202005021832U1
Application number: DE202005021832U
Authority: DE
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2015-06-25
Also published as: DE102005029324A1; US7404335B2; US20070039398A1

Abstract

Magnetisch-induktiver Durchflussmesser mit einem Messrohr (1), das von einem fließfähigen Medium (3) durchströmt ist, mit einer außen am Messrohr (1) angeordneten Magneteinheit (4a, 4b), die ein im Wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung des fließfähigen Mediums (3) ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt, wobei mindestens zwei einander gegenüberliegend in die Wandung des Messrohres (1) elektrisch isoliert eingesetzte Messelektroden (5a, 5b) zur Erfassung der durch das fließfähige Medium (3) im Magnetfeld induzierten Messspannung vorgesehen sind, die je über zumindest eine Stirnfläche (9) in Kontakt mit dem fließfähigen Medium (3) kommen, so dass die Messelektroden (5a, 5b) nach Art von galvanischen Elektroden arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass jede Messelektrode (5) geteilt aufgebaut ist und aus einem Kopfabschnitt (8) aus einem edlen, korrosionsarmen Material sowie einem Schaftabschnitt (7) aus einem unedlen, elektrisch leitfähigen Material besteht, wobei die Messelektrode (5) ausschließlich über den Kopfabschnitt (8) das fließfähige Medium (3) kontaktiert d. h. mit diesem in galvanischer Berührung steht, und...

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit einem Messrohr, das von einem fließfähigen Medium durchströmt ist, sowie mit einer außen am Messrohr angeordneten Magneteinheit, die ein im Wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung des fließfähigen Mediums ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt, wobei mindestens zwei einander gegenüberliegend in die Wandung des Messrohres elektrisch isoliert eingesetzte Messelektroden zur Erfassung der durch das fließfähige Medium im Magnetfeld induzierten Messspannung vorgesehen sind, die je über zumindest eine Stirnfläche in Kontakt mit dem fließfähigen Medium kommen, so dass die Messelektroden nach Art von galvanischen Elektroden arbeiten.
Das Einsatzgebiet eines solchen magnetisch-induktiven Durchflussmessers erstreckt sich auf die Ermittlung von Volumen- oder Masseströmen eines fließfähigen Mediums, wie Flüssigkeiten, Breie, Pasten und dergleichen. Das fließfähige Medium muss dabei eine bestimmte elektrische Mindestleitfähigkeit aufweisen, damit das Messverfahren funktioniert. Durchflussmesser der hier interessierenden Art zeichnen sich durch recht genaue Messergebnisse aus, wobei im Rohrleitungssystem durch die Messung kein Druckverlust verursacht wird. Außerdem haben magnetisch-induktive Durchflussmesser keine beweglichen oder in das Messrohr hineinragenden Bauteile, welche dadurch besonders verschleißbehaftet wären. Die hier interessierenden Durchflussmesser werden vornehmlich in der chemischen Industrie, der Pharmazie sowie der Kosmetikindustrie und auch in der kommunalen Wasser- und Abwasserwirtschaft sowie der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt.
Die Grundlage des Messverfahrens bildet das Faraday'sche Induktionsgesetz. Dieses Naturgesetz besagt, dass in einem sich in einem Magnetfeld bewegten Leiter eine Spannung induziert wird. Bei der messtechnischen Ausnutzung dieses Naturgesetzes durchfließt das elektrisch leitfähige Medium ein Messrohr, in dem senkrecht zur Fließrichtung ein Magnetfeld erzeugt wird. Die im Medium hierdurch induzierte Spannung wird von einer Elektrodenanordnung abgegriffen. Als Elektrodenanordnung werden meist zwei gegenüberliegend im Messrohr eingesetzte Messelektroden verwendet. Da die so gewonnene Messspannung proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit des strömenden Mediums ist, kann hieraus der Volumenstrom des Mediums bestimmt werden. Unter Beachtung der Dichte des strömenden Mediums lässt sich auch dessen Massestrom ermitteln.
Aus der DE 101 28 607 A1 geht eine gattungsgemäße galvanische – also messstoffberührende – Messelektrode hervor, welche einen U-förmigen Längsschnitt aufweist und durch die Wandung eines Messrohres hindurchgeführt ist, um an der in das Messrohr hineinragenden Seite mit dem vorbeiströmenden Messstoff in Berührung zu kommen. Über diese galvanische Verbindung kann dann auf induktiv-magnetischem Wege der vorstehend erläuterte durchflussabhängige Effekt gemessen werden, der sodann in einen Durchflusswert umwandelbar ist.
Derartige Messelektroden bestehen aufgrund der notwendigen hohen Leitfähigkeit zumeist aus Materialien, die andererseits chemisch abrasiven Einflüssen des Messstoffes nicht dauerhaft standhalten können. Infolge Zerstörung der Elektroden durch mechanische oder chemische Abnutzung besteht die Gefahr eines Ausfalls des Durchflussmessgeräts, so dass der Messstoff weitere Schäden in Anlagen und Umwelt anrichten kann. Darüber hinaus besteht natürlich bei explosiven Stoffen akute Explosionsgefahr, falls diese durch marode Elektroden oder Elektronenöffnungen durch die Wandung des Messrohres austreten können. Um diese Probleme zu beheben wird bei diesem Stand der Technik vorgeschlagen, die Messelektrode aus einer äußeren Mantelelektrode mit einer darin isoliert angeordneten zweiten Sicherungselektrode auszubilden. Die Messelektrode selbst ist als ein dickwandiger Hohlkörper ausgebildet und im Inneren ist eine zweite, von der Messelektrode isolierte Sicherungselektrode platziert.
Führt nun der abrasive Angriff auf die Messelektrode mit der Zeit zu einem tatsächlichen Abtragen von Elektrodenmaterial, so wird in dem Augenblick, in dem die genannte hohlkörperförmige äußere Mantelelektrode durcherodiert ist, der Messstoff die innere Sicherungselektrode aktivieren, was unmittelbar über eine entsprechende Auswerteelektronik ermittelbar ist.
Diese technische Lösung stellt somit eine Sicherheitsfunktion bereit. Dies ändert jedoch nichts daran, dass die Elektrode selbst aus einem möglichst widerstandsfähigen Material gefertigt werden muss, um eine möglichst lange Standzeit bei Einsatz in Verbindung mit abrasiven oder chemisch-aggressiven Messstoffen zu erzielen. So wird gewöhnlich die gesamte Messelektrode aus Platin oder einem anderen geeigneten Edelmetall gefertigt.
Nachteile hierbei sind die recht hohen Materialkosten sowie die geringe mechanische Festigkeit des Materials.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser zu schaffen, dessen Messelektroden einerseits eines geringeren Materialaufwandes bedürfen und sich andererseits auch stabil in ein Messrohr einbauen lassen.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem magnetisch-induktiven Durchflussmesser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass jede Messelektrode geteilt aufgebaut ist und aus einem Kopfabschnitt aus einem edlen, korrosionsarmen Material sowie einem Schaftabschnitt aus einem unedlen, elektrisch leitfähigen Material besteht, wobei die Messelektrode über den Kopfabschnitt das fließfähige Medium kontaktiert und über den Schaftabschnitt die mechanische Befestigung im Messrohr und/oder die elektrische Verbindung nach Außen herstellt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass die Messelektrode entsprechend der ihr geforderten technischen Funktionalität modular gestaltet ist. Da lediglich der Kopfabschnitt mit dem fließfähigen Medium in Berührung kommt, braucht allein dieser Abschnitt der Messelektrode aus dem kostenintensiven edlen Material angefertigt zu werden. Dagegen besteht die Funktion des Elektrodenschaftes vorzugsweise darin, die mechanische Befestigung der gesamten Messelektrode im Messrohr herzustellen. In elektrischer Hinsicht braucht der Schaftabschnitt lediglich das elektrische Signal nach außen weiterleiten. Aus diesen Forderungen ergibt sich die Erkenntnis, den Elektrodenschaft aus einem gänzlich anderen Material auszubilden. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Niro-Stahl, welches sich durch eine hohe mechanische Stabilität, eine elektrische Leitfähigkeit sowie einen günstigen Materialpreis auszeichnet. Da die Stabilität von Niro-Stahl höher ist als die mechanische Stabilität derjenigen edlen Materialien, aus welchen gewöhnlich eine Messelektrode besteht, lässt sich die erfindungsgemäße Messelektrode auch besonders stabil in ein Messrohr einbauen.
Vorzugsweise wird als edles Material des Kopfabschnittes der Messelektrode ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung mit den Hauptbestandteilen Platin, Gold oder Tantal verwendet. Als ein für den Schaftabschnitt geeignetes unedles Material kommt vorzugsweise ein Metall oder eine Metalllegierung mit dem Hauptbestanteil Eisen, Zink oder Kupfer in Frage. Besonders vorzugsweise eignet sich zur Herstellung des Schaftabschnittes jedoch ein Niro-Stahl.
Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist der Kopfabschnitt der Messelektrode im Wesentlichen pilzartig geformt. Die konkave Oberfläche des Kopfabschnitts bildet einen zuverlässigen Kontakt zu dem fließfähigen Medium, wogegen über den Stielbereich des pilzartigen Kopfabschnitts die mechanische Verbindung an den hieran sich anschließenden Schaftabschnitt hergestellt wird.
Der Kopfabschnitt der Messelektrode kann auf verschiedene Weise am Schaftabschnitt befestigt sein. Vorzugsweise wird an dieser Stelle eine Schraubverbindung verwendet. Hierfür ist im Stielbereich des Kopfabschnitts oder am korrespondierenden Ende des Schaftabschnittes ein Außengewinde anzuformen, welches in eine korrespondierende Gewindegrundbohrung seitens des Schaftabschnitts bzw. des Kopfabschnitts zum Eingriff kommt. Durch die form- und kraftschlüssige Eigenschaft einer solchen Schraubverbindung lässt sich eine besonders stabile Befestigung erzielen. Darüber hinaus ist der Kopfabschnitt nach Erreichen der Verschleißgrenze aufgrund der Lösbarkeit dieser Verbindung austauschbar; der Schaftabschnitt kann dagegen weiter verwendet werden. Somit erweist sich diese Verbindungsart besonders montage- und reparaturfreundlich. Die Verbindung zwischen Kopfabschnitt und Messelektrode kann jedoch auch unlösbar hergestellt werden, beispielsweise in Form einer Lötverbindung, also stoffschlüssig. Es ist jedoch auch denkbar, die Verbindungsstelle in Form einer Einpressverbindung, also rein kraftschlüssig herzustellen. Die kraftschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch ein Ineinanderstecken des Stielbereichs am pilzförmigen Kopfabschnitt in eine korrespondierende Grundbohrung in der Stirnfläche des Schaftabschnittes erfolgen, wobei ein nach radial innen gerichtetes Quetschen des Schaftabschnitts im Bereich der Grundbohrung zum Verpressen beider Bauteile führt. Natürlich ist es auch möglich, einige der vorstehend angegebenen bevorzugten Verbindungsarten miteinander zu kombinieren. So ist es denkbar, eine lösbare Schraubverbindung mit Hilfe eines Klebstoffs vor einem selbsttätigen Lösen zu sichern.
Zur elektrischen Verbindung nach außen kann das distale Ende des vorzugsweise zylindrischen Schaftabschnitts der Messelektrode über eine Signalleitung an den Signaleingang einer Steuereinheit geführt werden. Die Signalleitung wird vorzugsweise durch Löten am Ende des Schaftabschnitts befestigt. Es ist jedoch auch denkbar, das Ende des zylindrischen Schaftabschnitts mit einer Schraubklemme zu versehen und damit montagefreundlicher zur Befestigung der Signalleitung hieran zu gestalten.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messelektrode kann diese auch mit Mitteln zur elektrischen Abschirmung gegenüber der Umgebung ausgestattet werden. Derartige Mittel zur elektrischen Abschirmung werden insbesondere in Umgebungen mit elektromagnetischen Streufeldern benötigt, um ein Verfälschen des über die Messelektrode abgegriffenen Spannungspotentials zu vermeiden. Varianten derartiger Mittel zur elektrischen Abschirmung können dem allgemeinen Stand der Technik bei Messelektroden entnommen werden und auf die erfindungsgemäße Lösung appliziert werden.
Die erfindungsgemäße Messelektrode ist über ihren Schaftabschnitt in einer korrespondierenden Ausnehmung in der Wandung des Messrohres befestigt. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Kopfabschnitt der Messelektrode zumindest teilweise in einer korrespondierenden Ausnehmung seitens des Messrohres angeordnet ist, welche durch einen Absatz größeren Durchmessers im Durchbruch des Messrohres ausgebildet werden kann. Hierdurch erfährt die erfindungsgemäße Messelektrode insgesamt einen besseren Halt im Messrohr und ragt nur geringfügig in den Innenraum des Messrohres hinein, was der Strömungsdynamik zu Gute kommt.
Gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass zwischen der Messelektrode und dem metallischen Messrohr eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist, die aus einem elektrisch isolierenden Keramik- oder Kunststoffwerkstoff besteht. Die Isolationsschicht ist erforderlich, damit die Messelektrode keinen elektrischen Kontakt zu dem gewöhnlich geerdeten metallischen Messrohr bekommt. Hierbei kann die Innenoberfläche des metallischen Messrohres insgesamt mit einer die elektrische Isolationsschicht fortführenden elektrischen Isolationsauskleidung versehen werden, welche vorzugsweise aus demselben Material besteht, wie die elektrische Isolationssicht um die Messelektrode.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers im Längsschnitt, und
2 eine Detailansicht in Explosivdarstellung einer bei dem Durchflussmesser gemäß 1 verwendeten Messelektrode.
Nach 1 besitzt ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser ein Messrohr 1, welches in Fließrichtung 2 von einem fließfähigen Medium 3 durchströmt ist. Außen am Messrohr 1 ist eine Magneteinheit 4a und 4b angeordnet. Die Magneteinheit 4a, 4b erzeugt ein im Wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung 2 des zu messenden leitfähigen Mediums 3 ausgerichtetes Magnetfeld. Die Magneteinheit 4a, 4b wirkt mit elektrischen gegenüber dem Messrohr 1 isoliert hierin eingesetzten Messelektroden 5a und 5b zusammen. Die Messelektroden 5a und 5b greifen die durch Induktion im leitfähigen Medium 3 erzeugte Messspannung galvanisch ab, woraus eine nachgeschaltete Steuereinheit 6 den Volumenstrom des fließfähigen Mediums 3 durch das Messrohr 1 ermittelt.
Ein Kopfabschnitt 8 der Messelektrode 5 kommt teilweise in einer korrespondierenden Ausnehmung 11 seitens des Messrohres 1 zum Eingriff. An der Kontaktstelle zwischen der Messelektrode 5 und dem metallischen Messrohr 1 ist eine elektrische Isolationsschicht 12 vorgesehen, welche hier aus Kunststoff besteht. Die Innenoberfläche des metallischen Messrohres 1 ist ebenfalls mit einer aus Kunststoff bestehenden elektrischen Isolationsauskleidung 13 versehen, welche die elektrische Isolationsschicht 12 fortführt.
Gemäß 2 ist jede Messelektrode 5 geteilt aufgebaut und besteht aus einem Schaftabschnitt 7 aus einem unedlen, elektrisch leitfähigen Material, hier aus Niro-Stahl, sowie einem Kopfanschnitt 8 aus einem edlen, korrosionsarmen Material, hier Platin.
Der Kopfabschnitt 8 der Messelektrode 5 ist im Wesentlichen pilzartig geformt und steht über eine konkav gewölbte Stirnfläche 9 mit dem – weiter nicht gezeigten – fließfähigen Medium in Kontakt. Die Befestigung des Kopfabschnittes 8 stirnseitig am Schaftabschnitt 7 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel stoffschlüssig über eine Lötverbindung und somit unlösbar. Zur elektrischen Verbindung nach außen weist das distale Ende des zylindrischen Schaftabschnitts 7 der Messelektrode 5 eine Signalleitung 10 auf, welche ebenfalls durch Löten hieran befestigt ist.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, den Kopfabschnitt der Messelektrode 5 aus einem anderen edlen, korrosionsarmen Material auszubilden. Die Materialart hängt natürlich von der Korrosivität des fließfähigen Mediums 3 ab. Analog hierzu gilt, dass als Material für den Schaftabschnitt auch ein anderes Metall verwendet werden kann, solange dieses eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist und die Anforderungen an eine hinreichende mechanische Stabilität erfüllt. Schließlich kann auch die Verbindungsstelle zwischen Kopfabschnitt und Schaftabschnitt der erfindungsgemäßen Messelektrode lösbar oder unlösbar gestaltet werden, solange eine zuverlässige mechanische und elektrische Verbindung sichergestellt ist, welche die speziellen Anforderungen des Einsatzzwecks erfüllt.

1: Messrohr
2: Fließrichtung
3: fließfähiges Medium
4: Magneteinheit
5: Messelektrode
6: Steuereinheit
7: Schaftabschnitt
8: Kopfabschnitt
9: Stirnfläche
10: Signalleitung
11: Ausnehmung
12: Isolationsschicht
13: Isolationsauskleidung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10128607 A1 [0004]

Claims

Magnetisch-induktiver Durchflussmesser mit einem Messrohr (1), das von einem fließfähigen Medium (3) durchströmt ist, mit einer außen am Messrohr (1) angeordneten Magneteinheit (4a, 4b), die ein im Wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung des fließfähigen Mediums (3) ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt, wobei mindestens zwei einander gegenüberliegend in die Wandung des Messrohres (1) elektrisch isoliert eingesetzte Messelektroden (5a, 5b) zur Erfassung der durch das fließfähige Medium (3) im Magnetfeld induzierten Messspannung vorgesehen sind, die je über zumindest eine Stirnfläche (9) in Kontakt mit dem fließfähigen Medium (3) kommen, so dass die Messelektroden (5a, 5b) nach Art von galvanischen Elektroden arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass jede Messelektrode (5) geteilt aufgebaut ist und aus einem Kopfabschnitt (8) aus einem edlen, korrosionsarmen Material sowie einem Schaftabschnitt (7) aus einem unedlen, elektrisch leitfähigen Material besteht, wobei die Messelektrode (5) ausschließlich über den Kopfabschnitt (8) das fließfähige Medium (3) kontaktiert d. h. mit diesem in galvanischer Berührung steht, und über den Schaftabschnitt (7) lediglich die mechanische Befestigung im Messrohr (1) und/oder die elektrische Verbindung nach Außen herstellt.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das edle Material des Kopfabschnitts (8) ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung mit dem Hauptbestandteil Platin, Gold oder Tantal ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das unedle Material des Schaftabschnitts (7) ein Metall oder eine Metalllegierung mit dem Hauptbestandteil Eisen, Zink oder Kupfer ist, vorzugsweise ein Niro-Stahl.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfabschnitt (8) der Messelektrode (5) im wesentlichen pilzartig geformt ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfabschnitt (8) der Messelektrode (5) am Schaftabschnitt (7) über eine Schraubverbindung form- und kraftschlüssig lösbar befestigt ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfabschnitt (8) der Messelektrode (5) am Schaftabschnitt (7) über eine Lötverbindung stoffschlüssig unlösbar befestigt ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfabschnitt (8) der Messelektrode (5) am Schaftabschnitt (7) über eine Einpressverbindung kraftschlüssig unlösbar befestigt ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Verbindung nach Außen das distale Ende des zylindrischen Schaftabschnitts (7) der Messelektrode (5) über eine Signalleitung (10) an den Signaleingang einer Steuereinheit (6) geht.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (5) mit Mitteln zur elektrischen Abschirmung gegenüber der Umgebung ausgestattet ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfabschnitt (8) der Messelektrode (5) zumindest teilweise in einer korrespondierenden Ausnehmung (11) seitens des Messrohres (1) angeordnet ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Messelektrode (5) und dem metallischen Messrohrs (1) eine elektrische Isolationsschicht (12) angeordnet ist, die aus einem elektrisch isolierenden Keramik- oder Kunststoffwerkstoff besteht.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche des metallischen Messrohres (1) mit einer die elektrische Isolationsschicht (12) fortführenden elektrischen Isolationsauskleidung (13) versehen ist.