DE69629778T3

DE69629778T3 - Magnetisch induktiver Durchflussmesser

Info

Publication number: DE69629778T3
Application number: DE69629778T
Authority: DE
Inventors: Shingo Koza-gun Komatsu; Tsutomu Koza-gun Goto
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1996-10-22
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2016-10-23
Also published as: EP0770856B2; US5915280A; DE69629778D1; JPH09126845A; EP0770856B1; DE69629778T2; JP3662312B2; EP0770856A2; EP0770856A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Durchflussmesser, um ein Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zu einem zu messenden Fluid zu erzeugen, das durch ein Messrohr strömt, und um eine elektromotorische Kraft zu detektieren, die gemäß einer Durchflussrate des Fluids erzeugt wird, das das Magnetfeld kreuzt, mittels eines Paars von Elektroden, welche sich auf einem Durchmesser des Messrohrs gegenüberliegen, um die Durchflussrate zu messen.
Beschreibung des Standes der Technik
2 ist eine Schnittansicht, die einen herkömmlichen elektromagnetischen Durchflussmesser 50 zeigt, und 3 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem ein elektromagnetischer Durchflussmesser 150 mit vergleichsweise großem Durchmesser zwischen Rohrleitungen 11-1 und 11-2 angebracht ist. In 2 bezeichnet die Bezugsziffer 51 ein nicht magnetisches Messrohr, das aus einer rostfreien Legierung hergestellt ist, durch welches ein zu messendes Fluid strömen kann, das als leitende Flüssigkeit dient; 52a und 52b sind Spulen, welche als Magnetfelderzeugungsmittel dienen, welche sich auf einem Durchmesser des Messrohrs 51 gegenüberliegen, so dass in dem Messrohr 51 ein Magnetfeld erzeugt werden kann, das eine Richtung senkrecht zu einer Richtung hat, in welcher das zu messende Fluid strömt; 53 bezeichnet ein Paar von Elektroden, welche sich auf einem Durchmesser des Messrohrs 51 gegenüberliegen und 54 bezeichnet ein stählernes Gehäuse, das als ein Detektor dient, das durch integrales Bilden einer Öffnung 54-1 erhalten wird zum Unterbringen des Messrohres 51, Räumen 54-2a und 54-2b zum Unterbringen der Spulen 52a und 52b usw. Ferner bezeichnen Bezugsziffern 55a und 55b Klammern, welche einen geschlossenen Magnetkreis bilden, der als Rückkopplungskreis dient, mit einem magnetischen Fluss Φ zwischen den Spulen 52a, 52b und dem Gehäuse 54.
Ein Auskleidungsmaterial 56, wie z.B. Fluorharz wird auf die innere Oberfläche und auf eine endseitige Oberfläche des Messrohres 51 aufgebracht. Ein Flüssigkeitskontaktring 57 ist an einer endseitigen Oberfläche des Auskleidungsmaterials befestigt. Zur parallelen Erzeugung des Magnetfelds in einem gesamten Bereich eines Abschnitts des Messrohres 51 werden die Spulen 52a und 52b positioniert und in äußeren umfangsseitigen Aussparungen 51a und 51b in dem Messrohr über innere Kerne 58a und 58b befestigt und an dem Gehäuse 54 über äußere Kerne 59a und 59b und die Klammern 55a und 55b angebracht.
Die Elektroden 53 sind an dem Messrohr 51 derart angebracht, dass ein distales Ende eines Elektrodenstabes 53a innerhalb des Messrohres 51 positioniert werden kann. Ferner ist eine (nicht dargestellte) Signalleitung an dem Elektrodenstab 53a angebracht.
Der elektromagnetische Durchflussmesser 50 ist zwischen Flanschen 60-1a und 60-2a an endseitigen Oberflächen der Rohrleitungen 60-1 und 60-2 angeordnet und ist über Kopplungsbauteile verbunden und befestigt, welche eine Schraubenspindel 61 aufweisen, die sich zwischen den Flanschen 60-1a und 60-2a und einer Mutter erstreckt.
Ein in 3 gezeigter elektromagnetischer Durchflussmesser 150 ist zwischen Flanschen 11-1a und 11-2a an endseitigen Oberflächen der Rohrleitungen 11-1 und 11-2 angeordnet und ist über Kopplungsbauteile verbunden und fixiert, welche eine Spindelstange 61 einschließen, die sich zwischen den Flanschen 11-1a und 11-2a und einer Mutter 62 erstreckt. In 3 zeigt Bezugsziffer 154 ein Anschlussgehäuse.
Eine Beschreibung der Betriebsweise wird nun unter Bezugnahme auf 4 gegeben.
Die Spule 52a wird durch Energie bzw. einen Strom erregt, die bzw. der von einer nicht dargestellten Energiequelle zugeführt wird, wobei das Magnetfeld in der Richtung senkrecht zu einer Achse des Messrohres 51 erzeugt wird. Wenn sich das zu messende Fluid in dem Magnetfeld durch das Messrohr 51 bewegt, wird eine elektromotorische Kraft durch das Faradaysche Gesetz der Induktion er zeugt. In diesem Fall wird das Magnetfeld in der Richtung senkrecht zu dem elektrisch isolierten Messrohr erzeugt. Eine messbare Spannung wird zwischen dem Paar von Elektroden 53 erzeugt, sofern nicht die fließende Flüssigkeit eine extrem niedrige Leitfähigkeit aufweist. Die Spannung ist proportional zu der Intensität des Magnetfelds, einer mittleren Fließgeschwindigkeit des Fluids und einem Abstand zwischen den Elektroden. Auf diese Weise ist es möglich, eine Durchflussrate durch Konvertieren der Spannung in ein Signal entsprechend der Durchflussrate in einem Konverter 63 zu messen.
Das heißt, dass gemäß dem Faradayschen Gesetz die Größe der induzierten Spannung durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt werden kann: E = kBDv (1)wobei

B:: die magnetische Flussdichte (T) bezeichnet,
D:: die Bohrung bzw. den Durchmesser (m) des Messrohres bezeichnet,
v:: die mittlere axiale Fluidgeschwindigkeit (m/s) bezeichnet,
E:: das Signal der elektromotorischen Kraft (V) bezeichnet,
k:: eine Konstante bezeichnet,
Q:: die Durchflussvolumenrate (m³/s) bezeichnet.

Im Falle eines zylindrischen Messrohres kann die Durchflussvolumenrate durch den folgenden Ausdruck bezeichnet werden: Q = (πD2/4)·v (2)
Abhängig von der Beziehung kann der Ausdruck (1) als der folgende Ausdruck (3) ausgedrückt werden: Q = (πD/4kB)·E (3)
Falls die magnetische Flussdichte B konstant gehalten wird, kann die Durchflussrate in dem Rohr durch Messen des Signals der elektromotorischen Kraft E gefunden werden.
Der herkömmliche elektromagnetische Durchflussmesser weist die oben beschriebene Struktur auf. Wenn daher das Verhältnis eines Durchmessers der Spule zu einem Bohrungsdurchmesser (von 200 mm oder mehr) des Messrohres 51 niedrig ist, gibt es einen hohen Grad an Flexibilität im Design bzw. Aufbau der Spule, wie z.B. der Verwendung einer sattelartigen Spule, die sich entlang eines Rohrpfades erstreckt. Das heißt, die Spule kann frei ausgeführt werden. Ferner ist es möglich, einfach den Rückkopplungskreis für den magnetischen Fluss zu bilden, einschließlich der inneren Kerne, der Spulen und der äußeren Kerne.
Jedoch kann im Fall eines kleinen Bohrungsdurchmessers (im Bereich von 10 bis 20 mm) des Messrohres 51 eine Spulengröße nicht entsprechend dem Bohrungsdurchmesser reduziert werden. Dies liegt daran, dass die Spule zwangsläufig im Hinblick auf den Bohrungsdurchmesser groß werden sollte, um die erforderliche magnetische Flussdichte zu erhalten, da die elektromotorische Kraft proportional zu dem Produkt der Anzahl von Windungen und dem Strom, der in der Spule fließt, ist. Falls der Spulenstrom erhöht wird, um die Spulengröße zu reduzieren, läuft der elektromagnetische Durchflussmesser, der zum kontinuierlichen Messen der Durchflussrate verwendet wird, den Anforderungen für eine reduzierte Leistungsaufnahme zuwider und verursacht ein Problem von einem Standpunkt der Sicherheit aus betrachtet, wenn er in gefährlichen Atmosphären verwendet wird.
Im folgenden wird eine Beschreibung für einen Fall gegeben, bei dem der Spulenstrom halbiert wird, um den Anforderungen für die reduzierte Leistungsaufnahme zu erfüllen. Um den gewünschten erzeugten magnetischen Fluss mit einem variierten Stromwert sicherzustellen, sollte die Anzahl von Windungen verdoppelt werden. Falls jedoch die Anzahl von Windungen schlicht verdoppelt wird, benötigt die Spule eine doppelte Gesamtlänge. Daher wird ein Widerstandswert der Spule selbst ebenfalls verdoppelt, was in einem vierfachen Anstieg des Hitzewertes resultiert.
In diesem Fall gibt es eine Technik, um den Widerstandswert konstant zu halten durch Verdoppeln der Größe des Drahtes. Da in einem derartigen Fall eine Größe der Spule selbst verdoppelt oder noch mehr vergrößert wird, hat, wie in 2 gezeigt, ein sich vertikal erstreckender Abschnitt des Gehäuses eine längliche Form, so dass der sich vertikal erstreckende Abschnitt innerhalb einer Steigung der Gewindestange 61 angeordnet werden kann, die sich zwischen den Flanschen erstreckt. Wenn auf diese Weise der äußeren Kern, der einen Teil des Kreises des magnetischen Flusses bildet, eine Kombination von zwei halbkreisförmigen Scheiben einschließt, wird das gesamte Gehäuse in seiner Größe vergrößert, was jedoch den Anforderungen für ein kleineres Gehäuse zuwider läuft. Wenn andererseits ein äußerer Kern, der eine zweiteilige Struktur einschließt, entlang einer sich längs erstreckenden Spule angeordnet ist, muss auch das Gehäuse selbst eine zweiteilige Struktur aufweisen. Auf diese Weise kann z.B. ein Verbindungsstück, das in der Nähe eines Elektrodenabschnitts angeschweißt ist, korrodieren und korrosives Fluid kann in den Elektrodenabschnitt eintreten, was zu Schwierigkeiten im Hinblick auf die Haltbarkeit führt.
Da ferner das Gehäuse 54 aus einem magnetischen Material, wie z.B. Eisen, das einen Teil des Magnetkreises bildet, hergestellt ist, wird eine korrosionsbeständige Beschichtung für das Gehäuse 54 benötigt, was zu einem Anstieg der für die Herstellung benötigten Arbeitskraft und zu höheren Kosten führt. Wenn ferner ein magnetisches Werkzeug, wie z.B. ein Schraubenschlüssel, an dem Gehäuse 54 angesetzt wird, wird ein teilweiser magnetischer Fluss des Rückkopplungskreises für den magnetischen Fluss durch den Schraubenschlüssel gestört, da das Gehäuse 54 einen Teil des Magnetkreises bildet. Folglich wird das Magnetfeld in der Richtung senkrecht zu dem zu messenden Fluid von dem Schraubenschlüssel abgelenkt, wodurch ein optimaler Verlauf des magnetischen Flusses im Hinblick auf das zu messende Fluid gestört wird.
EP 0 554 059 A2 offenbart einen elektromagnetischen Durchflussmesser, der aufweist: ein nicht-magnetisches, elektrisch isoliertes Messrohr, durch welches ein zu messendes Fluid strömen kann, Magnetfelderzeugungsmittel zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Messrohr in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung, in welche das zu messende Fluid strömt, ein Paar von Elektroden, welche sich auf einem Durchmesser des Messrohrs gegenüberliegen, zum Messen eines Signals, das in dem zu messenden Fluid durch die Einwirkung des Magnetfeldes erzeugt wird, Magnetkreismittel zum Bilden eines Magnetkreises und ein Gehäuse, das aus nicht-magnetischem Material gebildet ist, zum Abdecken des Messrohres, der Elektroden, der Magnetfelderzeugungsmittel und der Magnetkreismittel. Die Magnetkreismittel sind als ein Rohr ausgebildet, das im wesentlichen das Messrohr, die Elektroden und die Magnetfelderzeugungsmittel umgibt.
DE 35 45 155 beschreibt einen elektromagnetischen Durchflussmesser mit einem Magnetkreis, der aus ersten (35, 36) und zweiten (34a, 34b) Magnetkreisbildungsbauteilen besteht. Die ersten Magnetkreisbauteile 35, 36 erstrecken sich über die gesamte Breite des Messrohres 21.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um die obigen Probleme zu überwinden, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen zuverlässigen und günstigen elektromagnetischen Durchflussmesser bereitzustellen, der eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Dieses Ziel wird durch einen elektromagnetischen Durchflussmesser gemäß dem anliegenden Anspruch 1 erreicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht, die einen elektromagnetischen Durchflussmesser gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Schnittansicht, die einen herkömmlichen elektromagnetischen Durchflussmesser zeigt;
3 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem ein elektromagnetischer Durchflussmesser mit einem vergleichsweisem großen Durchmesser zwischen Rohrleitungen angebracht ist; und
4 ist eine erläuternde Ansicht, die das Messprinzip des elektromagnetischen Durchflussmessers zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1
1 ist eine Schnittansicht, die einen elektromagnetischen Durchflussmesser gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein nicht-magnetisches Messrohr, das aus einer rostfreien Legierung hergestellt ist, durch welches das zu messende Fluid, das als leitende Flüssigkeit dient, strömen kann; 2a und 2b sind Spulen, welche als Magnetfelderzeugungsmittel dienen, welche sich auf einem Durchmesser des Messrohres 1 gegenüberliegen, so dass ein Magnetfeld in dem Messrohr 1 erzeugt werden kann, das eine Richtung senkrecht zu einer Richtung hat, in welcher das zu messende Fluid strömt; 3 bezeichnet ein Paar von Elektroden, welche sich auf einem Durchmesser des Messrohres 1 gegenüberliegen; 4 bezeichnet ein Gehäuse, das als ein Detektor dient, das durch integrales Bilden einer Öffnung 4-1 erhalten wird zum Unterbringen des Messrohres 1, Unterbringungskammern 4-2a und 4-2b für die Spulen 2a und 2b, eine Unterbringungskammer (nicht dargestellt) für die Elektroden 3 usw. Ferner bezeichnen Bezugsziffern 5a und 5b Ringe, welche als erste Magnetkreisbauteile bezeichnet werden, die auf äußeren Umfängen an beiden Enden des Messrohres 1 angebracht sind, und 6a und 6b sind Klammern, die als zweite Magnetkreisbauteile zum gegenseitigen Verbinden der Ringe 5a und 5b an den beiden Enden des Messrohres und zum Andrücken und Stützen der Spulen 2a und 2b an dem Messrohr 1 dienen.
Ein Auskleidungsmaterial ist auf einer inneren Oberfläche und einer endseitigen Oberfläche des Messrohres 1 aufgebracht und ein Flüssigkeitskontaktring 8 ist an einer endseitigen Oberfläche des Auskleidungsmaterials angebracht. Das Auskleidungsmaterial 7 ist aus einem Material, wie z.B. Fluorharz, Chloroprengummi, Polyurethangummi oder Keramik gebildet. Der Flüssigkeitskontaktring 8 ist aus einem Material, wie z.B. rostfreiem Stahl, Platin-Iridium, Tantal, Titan, Hastelloy-B, Hastelloy-C, Monelmetall oder leitendem Fluorharz gebildet.
Zur parallelen Erzeugung des Magnetfeldes in einem gesamten Bereich eines Abschnitts des Messrohres 1 sind die Spulen 2a und 2b in äußeren umfangsseitigen Aussparungen 1a und 1b in dem Messrohr über innere Kerne 9a und 9b positioniert und fixiert und an einer äußeren Oberfläche des Messrohres durch die Klammern 6a und 6b über die äußeren Kerne 10a und 10b angebracht.
Die Elektroden 3 sind an dem Messrohr 1 derart angebracht, dass ein distales Ende von einer Elektronenstange 3a innerhalb des Messrohres 1 positioniert werden kann. Ferner ist eine Signalleitung (nicht dargestellt) an der Elektrodenstange 3a angebracht.
Es folgt nun eine Beschreibung eines Verfahrens zum Montieren des elektromagnetischen Durchflussmessers, der die obigen Komponententeile einschließt. Zuerst werden die Ringe 5a und 5b an beiden Enden des Messrohres 1 angebracht und das Messrohr 1 wird zusammengebaut.
Anschließend werden die Elektroden 3 an dem Messrohr 1 in der (nicht dargestellten) Unterbringungskammer angeordnet, welche in dem Gehäuse 4 für die Elektroden 3 definiert ist. Anschließend werden in den Unterbringungskammern 4-2a und 4-2b des Gehäuses 4 die kanalförmigen Klammern 6a und 6b zusammen mit den Spulen 2a und 2b an der äußeren umfangsseitigen Oberfläche des Messrohres 1 in einer axial-symmetrischen Weise angebracht. Dieser Anordnung kann ein integraler Körper (selbsttragende Schale) als das Gehäuse 4 verwendet werden, um einen überschüssigen Abschnitt, der zu vereinigen ist, zu eliminieren. Als Ergebnis kann der elektromagnetische Durchflussmesser mit einer länglichen Form leicht zusammengebaut werden. Da ferner die zu vereinigenden Abschnitte reduziert werden, hat dies die Wirkung, dass die Korrosionsbeständigkeit erhöht werden kann.
Der elektromagnetische Durchflussmesser ist zwischen Flanschen 11-1a und 11-2a an endseitigen Oberflächen der Rohrleitungen 11-1 und 11-2 angeordnet und ist über Verbindungsbauteile verbunden und fixiert, welche eine Gewindespindel 12 einschließen, die sich zwischen den Flanschen und einer Mutter 13 erstreckt.
Es folgt eine Beschreibung der Betriebsweise.
Die Spulen 2a und 2b werden durch Energie bzw. einen Strom erregt, die bzw. der von einer nicht-dargestellten Energiequelle zugeführt wird, wobei ein geschlossener Magnetkreis mit einem Pfad gebildet wird, der sich in der Reihenfolge von der Spule 2a (2b), über den inneren Kern 9a (9b), den Ring 5a (5b), die Klammer 6a (6b), den inneren Kern 10a (10b) und die Spule 2a (2b) erstreckt und wobei das Magnetfeld in der Richtung senkrecht zu einer Achse des Messrohres 1 erzeugt wird. Wenn sich das zu messende Fluid in dem Magnetfeld durch das Messrohr 1 bewegt, wird eine elektromotorische Kraft durch das Faradaysche Gesetz der Induktion erzeugt. In diesem Fall wird das Magnetfeld in der Richtung senkrecht zu der axialen Richtung des elektrisch-isolierten Messrohres 1 erzeugt. Zwischen dem Paar von Elektroden 3 kann eine Spannung gemessen werden, sofern die fließende Flüssigkeit nicht eine extrem niedrige Leitfähigkeit aufweist. Die Spannung ist proportional zu der Intensität des Magnetfeldes, einer mittleren Durchflussgeschwindigkeit des Fluids und einem Abstand zwischen den Elektroden. Auf diese Weise ist es möglich, eine Durchflussrate zum Messen der Spannung zu messen.
Da, wie oben ausgeführt, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die ersten und zweiten Magnetkreisbauteile 5a, 5b, 6a und 6b den geschlossenen Magnetkreis des Magnetfeldes bilden, das von den Spulen 2a und 2b erzeugt wird, kann das Gehäuse 4 aus einem nicht-magnetischen Material gebildet sein. Falls im Ergebnis eine nicht-magnetische rostfreie Legierung als Material des Gehäuses 4 verwendet wird, wird die Haltbarkeit erhöht und eine korrosionsbeständige Beschichtung wird nicht benötigt. Da ferner die ersten Magnetkreisbauteile 5a und 5b an beiden Enden des Messrohres 1 angebracht sind, ist der Magnetkreis kurz ausgebildet. Demgemäß kann, selbst wenn ein magnetisches Bauteil sich dem Gehäuse 4 nähert oder in Kontakt mit dem Gehäuse 4 gelangt, das Magnetfeld von den Spulen 2a und 2b nicht gestört werden und es kann fortdauernd eine stabile Messung der Durchflussrate durchgeführt werden.
Wie oben ausgeführt, sind gemäß der vorliegenden Erfindung die ersten Magnetkreisbauteile, die an den äußeren Umfängen an den beiden Enden des Messrohres angebracht sind, gegenseitig über die zweiten Magnetkreisbauteile verbunden und die Magnetkreiserzeugungsmittel sind an das Messrohr angedrückt und an dem Messrohr gestützt. Ferner ist es möglich, da das Gehäuse aus ei nem nicht-magnetischen Material, wie z.B. einer rostfreien Legierung, gefertigt werden kann, einen günstigen elektromagnetischen Durchflussmesser bereitzustellen, der eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufweist und keine korrosionsbeständige Beschichtung erfordert. Da ferner der Magnetkreis kurz konstruiert ist, ist der Magnetkreis im hohen Maße effizient, da er geringe magnetische Verluste aufweist. Demgemäß kann, selbst wenn ein magnetisches Bauteil sich dem Gehäuse 4 nähert oder in Kontakt mit dem Gehäuse 4 gelangt, das magnetische Feld nicht gestört werden, eine stabile Messung der Durchflussrate kontinuierlich durchgeführt und eine hohen Zuverlässigkeit erreicht werden.

Claims

Elektromagnetischer Durchflussmesser, der aufweist: – ein nicht-magnetisches, elektrisch isoliertes Messrohr (1), durch welches ein zu messendes Fluid strömen kann; – Magnetfelderzeugungsmittel (2a, 2b) zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Messrohr (1) in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung, in welche das zu messende Fluid strömt; – ein Paar von Elektroden (3), welche sich auf einem Durchmesser des Messrohres (1) gegenüberliegen, zum Messen eines Signals, das in dem zu messenden Fluid durch die Einwirkung des Magnetfeldes erzeugt wird; – Magnetkreismittel zum Bilden eines Magnetkreises; und – ein Gehäuse (4), das aus nicht-magnetischem Material gebildet ist, zum Abdecken des Messrohres (1), der Elektroden (3), der Magnetfelderzeugungsmittel (2a, 2b) und der Magnetkreismittel, wobei die Magnetkreismittel aufweisen: – zwei erste Magnetkreisbauteile (5a, 5b) zum Bilden eines Teils eines Magnetkreises, die auf äußeren Umfängen an jeweiligen Enden des Messrohres (1) angebracht sind, und – zweite Magnetkreisbauteile (6a, 6b) zum Bilden eines weiteren Teils des Magnetkreises zum gegenseitigen Verbinden der ersten Magnetkreisbauteile (5a, 5b) an den beiden Enden des Messrohres (1) und zum Andrücken und Stützen der Magnetkreismittel (2a, 2b) an dem bzw. auf dem Messrohr (1), und wobei jedes erste Magnetkreisbauteil aus einem einzigen Ring (5a, 5b) besteht, der einen Teil des Magnetkreises bildet und auf dem äußeren Umfang des jeweiligen Endes des Messrohres (1) angebracht ist.