EP2130003A1 - Method for measuring the flow velocity of a medium while applying a magnetic field to the measurement volume put through - Google Patents

Abstract

The invention relates to a method for measuring the mean flow velocity of an electrically conductive medium while applying a magnetic field to the measurement volume put through and decoupling an electric signal induced in the measurement volume, wherein the fluctuating part of the electric signal, which is based on stochastic fluctuations of the flow velocity due to turbulent motion, is captured as a time-dependent wanted signal, and that by the weighted integration of the wanted signal the mean flow velocity over predefined time intervals is determined.

Description

VERFAHREN ZUR MESSUNG DER FLIEßGESCHWINDIGKEIT EINES METHOD FOR MEASURING THE FLOW SPEED OF A

MEDIUMS UNTER ANLEGEN EINES MAGNETFELDS AN DASMEDIUMS SUBJECT TO A MAGNETIC FIELD TO THE

DURCHSETZTE MESSVOLUMENMEASURED VOLUMES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit eines Mediums unter Anlegen eines Magnetfelds an das durchsetzte Messvolumen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein solches Verfahren, das auch den Einsatz zeitlich konstanter Magnetfelder erlaubt.The invention relates to a method for measuring the flow rate of a medium while applying a magnetic field to the traversed measurement volume. In particular, the invention relates to such a method which also allows the use of temporally constant magnetic fields.

Das Prinzip der magnetisch-induktiven Strömungs- bzw. Durchflussmesstech- nik hat sich in der Praxis hervorragend bewährt. Es hat gegenüber anderenThe principle of magnetic-inductive flow and flow measurement technology has proven to be extremely successful in practice. It's opposite to others

Messprinzipien viele Vorteile; beispielsweise sind die Messwerte unabhängig von Dichte, Viskosität und - innerhalb gewisser Grenzen — auch vom Strömungsprofil und von der Leitfähigkeit des Mediums, sofern diese einen Mindestwert von ca. 1 μS/cm überschreitet. Außerdem können nach diesem Prin- zip arbeitende Sensoren auf jegliche Einschnürungen oder Toträume im Messvolumen verzichten. Sie sind daher auch für die Messung verschmutzter, mit Feststoffen beladener Flüssigkeits ströme geeignet. Bei passender Wahl der elektrisch isolierenden Innenwandauskleidung und der Art der Signalauskopplung lassen sie sich auch für aggressive und korrosive Fluide einsetzen.Measuring principles many advantages; For example, the measured values are independent of density, viscosity and - within certain limits - also of the flow profile and of the conductivity of the medium, provided that it exceeds a minimum value of about 1 μS / cm. In addition, sensors working according to this principle can dispense with any constrictions or dead spaces in the measuring volume. They are therefore suitable for the measurement of contaminated, laden with solids liquid streams. With a suitable choice of the electrically insulating inner wall lining and the type of signal extraction, they can also be used for aggressive and corrosive fluids.

Meist wird die galvanischen Signalauskopplung verwendet, bei der mit Durchführungen durch die Rohrinnenwand versehene, scheibchen- oder kalottenför- mige metallische Elektroden geringen Durchmessers (i. a. wenige Millimeter) direkt mit dem Medium in (galvanischem) Kontakt stehen. Sie müssen mit zuverlässigen Abdichtungen gegenüber der Rohrwand versehen sein. Diese Art der Auskopplung zeichnet sich durch robusten und einfachen Aufbau aus, ist jedoch anfällig gegenüber chemischem Angriff, Ablagerungen und Abrasion an den Elektroden und den Abdichtungen. Die Beherrschung hoher Betriebstemperaturen setzt eine sorgfältige Abstimmung hinsichtlich der thermischen Aus- dehnungskoeffizienten des Elektrodenmaterials und des Wandmaterials voraus.In most cases, the galvanic signal extraction is used, in which small-diameter metallic electrodes (i.a., a few millimeters) provided with passages through the inner wall of the pipe are in direct (galvanic) contact with the medium. They must be provided with reliable seals against the pipe wall. This type of extraction is characterized by robust and simple construction, but is susceptible to chemical attack, deposits and abrasion on the electrodes and the seals. The control of high operating temperatures requires careful coordination with regard to the thermal expansion coefficients of the electrode material and the wall material.

Diese Nachteile lassen sich durch die kapazitive Signalauskopplung umgehen. Die Elektroden sind dabei ohne Kontakt zum Medium, das seinerseits nur mit der Rohrinnenwand in Berührung kommt. Die konstruktive Aufgabe wird so - -These disadvantages can be avoided by the capacitive signal extraction. The electrodes are without contact to the medium, which in turn comes into contact only with the tube inner wall. The constructive task becomes like that - -

auf die Wahl eines hinreichend widerstandsfähigen Innenwandmaterials reduziert.reduced to the choice of a sufficiently resistant interior wall material.

Die geschilderten Vorteile magnetisch-induktiver Durchflusssensoren - ge- meinsam mit den beiden durch die Art der Signalauskopplung bestimmtenThe described advantages of magnetic-inductive flow sensors - together with the two determined by the type of signal decoupling

Betriebsarten - sind verantwortlich für die große Anwendungsbreite des magnetisch-induktiven Messprinzips. Diesen Vorteilen steht jedoch der Nachteil eines beträchtlichen Energieaufwands zur Erzeugung des magnetischen Feldes gegenüber. Beide Betriebsarten verlangen zeitlich veränderliche magnetische Felder, um entweder - wie im Falle der galvanischen Signalauskopplung - störende elektrochemische Potentiale zu eliminieren oder — wie im Falle der kapazitiven Signalauskopplung mit fest vorgegebenen Koppelkapazitäten - aus prinzipiellen physikalischen Gründen überhaupt eine Signalauskopplung zu erreichen. Diese Felder können nur mit einem Elektromagneten erzeugt wer- den. Bei den heute bekannten magnetisch-induktiven Durchfluss- und Strömungssensoren wird daher der Energiebedarf für die Magnetfelderzeugung fast immer aus dem elektrischen Energienetz gedeckt.Operating modes - are responsible for the wide range of applications of the magnetic-inductive measuring principle. However, these advantages are offset by the disadvantage of a considerable expenditure of energy for generating the magnetic field. Both modes require time-varying magnetic fields to either - as in the case of galvanic signal extraction - eliminate interfering electrochemical potentials or - as in the case of capacitive signal decoupling with fixed coupling capacitances - for physical reasons in principle to achieve a signal decoupling. These fields can only be generated with an electromagnet. In the magneto-inductive flow and flow sensors known today, therefore, the energy required for magnetic field generation is almost always covered by the electrical energy network.

Dies steht allerdings im Widerspruch zum gegenwärtigen Trend für zukünftige Entwicklung in der Sensorik, der gekennzeichnet ist durch ein großes Interesse an so genannten „energieautarken" Systemen, die ihren Energiebedarf aus einer netzunabhängigen Energiequelle (Batterie, Akku, Solarzellen, etc.) decken und dabei eine Lebensdauer von mindestens fünf Jahren erreichen sollen.However, this is in contradiction to the current trend for future developments in sensor technology, which is characterized by a great interest in so-called "energy self-sufficient" systems, which cover their energy needs from a grid-independent energy source (battery, rechargeable battery, solar cells, etc.) to reach a lifetime of at least five years.

Es liegt daher auf der Hand, dass ein im Sinne der Energieautarkie geeignetesIt is therefore obvious that one suitable in the sense of energy self-sufficiency

Messverfahren für Durchflusssensoren nur dann überzeugend nach dem magnetisch-induktiven Prinzip ausgestaltet sein kann, wenn es sich allein auf die Verwendung von Permanentmagneten gründen lässt.Measuring method for flow sensors can only be convincingly designed according to the magnetic-inductive principle, if it can be based solely on the use of permanent magnets.

Für Strömungs- und Durchflusssensoren mit kapazitiver Signalauskopplung existieren bereits entsprechende Lösungsvorschläge.For flow and flow sensors with capacitive signal extraction there are already appropriate solutions.

So wird z.B. in der DE 102 21 677 Al vorgeschlagen, das zeitlich veränderliche magnetische Feld durch ein Permanentmagnetfeld und die vormals festen Koppelkapazitäten durch in einem vorgebbaren Zeittakt steuerbare Koppelkapazitäten zu ersetzen, die ihrerseits eine kapazitive Signalauskopplung in demselben Zeittakt erlauben. - -Thus, for example, DE 102 21 677 A1 proposes replacing the time-varying magnetic field by a permanent magnetic field and the previously fixed coupling capacitances with coupling capacitances that can be controlled in a predefinable time cycle, which in turn allow capacitive signal decoupling in the same time interval. - -

Eine Alternative wird in der DE 10 2005 043 718 Al beschrieben, in der die Signalauskopplung über steuerbare Halbleiter - vorzugsweise Feldeffekttransistoren (FET) - vorgesehen ist, auf deren mit einer Isolierschicht versehene Gates die induzierte Spannung unmittelbar wirkt, indem diese mit dem Messmedium in Kontakt stehen. Dieses praktisch stromlose Messverfahren vermeidet das ansonsten erforderliche Aufladen eines Kondensators, um dessen Beladung als ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit auszuwerten. Es kann aber gleichwohl ebenfalls als ein kapazitives Verfahren aufgefasst werden, bei dem die zu messende Spannung an der Gate-Elektrode eben gerade diese Beladung simuliert. Der Vorteil liegt darin, dass selbst kleine Änderungen der Fließgeschwindigkeit in einem Permanentmagnetfeld ein leicht messbares Signal nach sich ziehen.An alternative is described in DE 10 2005 043 718 A1, in which the signal extraction via controllable semiconductors - preferably field-effect transistors (FET) - is provided, on whose provided with an insulating gate, the induced voltage acts directly by this in contact with the measuring medium stand. This virtually currentless measurement avoids the otherwise required charging of a capacitor to evaluate its loading as a measure of the flow rate. However, it can nevertheless also be regarded as a capacitive method in which the voltage to be measured at the gate electrode precisely simulates this loading. The advantage is that even small changes in the flow velocity in a permanent magnetic field cause an easily measurable signal.

Es verwundert somit auf den ersten Blick nicht, dass die Messsignale einesIt is therefore not surprising at first glance that the measuring signals of a

Messaufbaus auf der Basis von Permanentmagnetfeld und FET als Signalauskopplung bei konstanter Fließgeschwindigkeit eine Überlagerung aus einem zeitlich konstanten Niveauwert mit einer zeitlich veränderlichen, schwachen Fluktuation um den Niveauwert sind. Derartige Signale sind im Grunde be- kannt von den allerersten MIDs, bei denen Permanentmagneten und galvanische Auskopplung zum Einsatz kamen. Diese Fluktuationen lassen sich auch auf etliche bekannte Arten messtechnisch unterdrücken oder rechnerisch eliminieren.Measurement setup on the basis of permanent magnetic field and FET as a signal extraction at constant flow rate is a superposition of a time constant level value with a time-varying, weak fluctuation around the level value. Such signals are basically known from the very first MIDs that used permanent magnets and galvanic decoupling. These fluctuations can also be metrologically suppressed or mathematically eliminated in a number of known ways.

Beim zweiten Nachdenken mag der Fachmann aber erkennen, dass die physikalischen Ursachen für die Fluktuationen in den beiden Auskopplungsarten wesentlich unterschiedlich sein können. Beispielsweise spielen zufällige Schwankungen der lokalen Ladungsverteilung für das Signal am FET, der letztlich ein räumlich gemitteltes elektrisches Feld wahrnimmt, keine große Rolle, während dies erheblichen Einfluss auf idealerweise punktförmige galvanische Elektroden haben wird. Auch andere materielle Effekte, insbesondere Verunreinigungen, sind bei der FET-Auskopplung längst nicht so wichtig wie bei einem galvanischen Abgriff.However, in the second consideration the person skilled in the art will recognize that the physical causes of the fluctuations in the two types of decoupling can be substantially different. For example, random variations in the local charge distribution for the signal at the FET, which ultimately perceives a spatially averaged electric field, do not play a major role, while this will have a significant impact on ideally punctiform galvanic electrodes. Other material effects, especially impurities, are by far not as important in FET decoupling as in galvanic tapping.

Die einzig sichere gemeinsame Ursache der Signalschwankungen in beidenThe only sure common cause of the signal fluctuations in both

Fällen liegt in der Störung der Fluidbewegung durch Turbulenz. Denn selbst bei an sich laminarer Strömung des Fluids treten geringfügige Schwankungen - -Cases lies in the disturbance of the fluid movement by turbulence. Because even with laminar flow of the fluid occur slight fluctuations - -

der Fließgeschwindigkeit auf, z.B. durch die Rauheit der Rohrinnenwand oder dergleichen.the flow rate, e.g. by the roughness of the pipe inner wall or the like.

Es soll hiernach kurz auf einige Ergebnisse der Turbulenzforschung zurückge- griffen werden (s. z.B. J. G. M. Eggeis: „Direct and l_^arge Eddj Simulation of Turbulent Flow in a Cylindrical Pipe Geometry", Dissertation Universität Delft 1994, Delft University Press, ISBN 90-6275-940-8).It will hereafter be briefly took up some results of Turbulence Research zurückge- (see, for example JGM Eggeis: "Direct and l _^ arge Eddj Simulation of Turbulent Flow in a Cylindrical Pipe Geometry", Dissertation University of Delft in 1994, Delft University Press, ISBN 90-6275- 940-8).

Danach ist bekannt, dass Turbulenzphänomene sich über ganze Kaskaden mit- einander durch Energieübertragung verkoppelter Wirbel erstrecken, die in ihrerThereafter, it is known that turbulence phenomena extend over entire cascades with each other by energy transmission coupled vertebrae, which in their

Größe abnehmen von den durch die Strömungsgeometrie bestimmten größten Abmessungen bis hin zu den kleinsten Abmessungen, die im Bereich der intermolekularen Abstände liegen.Decrease in size from the largest dimensions determined by the flow geometry to the smallest dimensions, which are in the range of intermolecular distances.

Bei Rohren mit dem Innendurchmesser D sind die größten Wirbel charakterisiert durch eine typische Längenskala L [m] von der Größe L * 0.1 D. Die zur Aufrechterhaltung der Wirbel nötige Energie wird der Strömung entnommen, indem durch sie die größten Wirbel angetrieben werden. Durch fortgesetzte Übertragung entlang der Energiekaskade von großen zu immer kleineren Wir- beln wird diese Energie schließlich auf der sog. Kolmogorov-Skala dissipiert, d.h. in Wärme umgewandelt.For pipes with an inside diameter D, the largest vortices are characterized by a typical length scale L [m] of the size L * 0.1 D. The energy needed to maintain the vortices is taken from the flow by driving the largest vortices through them. Continuous transmission along the energy cascade from large to smaller and smaller swirls ultimately dissipates this energy on the so-called Kolmogorov scale, i. converted into heat.

Neben dieser Längenskala gibt es eine typische Geschwindigkeitsskala, die als u [m/s] bezeichnet wird. Sie charakterisiert die Schwankungsgeschwindigkeit. Im Gefolge tritt auch eine typische Zeitskala auf, die durch den Quotienten L/uIn addition to this length scale, there is a typical speed scale called u [m / s]. It characterizes the fluctuation speed. In the wake of a typical time scale occurs, which by the quotient L / u

[s] gegeben ist. Sie kann interpretiert werden als die typische Lebensdauer eines Wirbels. Ihr Kehrwert u/L [l /s] beschreibt eine typische Frequenz skala. Daraus folgt eine typische Energie (pro Masseneinheit) von u² [m²/s] und eine typische (mittlere) Energiedissipationsrate (pro Masseneinheit), die durch den Quotienten aus Energie und Lebensdauer ε = u²/(L/u) = u³/L gegeben ist.[s] is given. It can be interpreted as the typical life span of a vortex. Their reciprocal u / L [l / s] describes a typical frequency scale. This results in a typical energy (per unit mass) of u ² [m ² / s] and a typical (average) energy dissipation rate (per unit mass), which is defined by the quotient of energy and lifetime ε = u ² / (L / u) = u ³ / L is given.

Interessanterweise hängt die mittlere Dissipationsrate ε nicht von der Mikrostruktur des Mediums, d.h. von seinen molekularen Eigenschaften — wie z.B. seiner Zähigkeit - ab. Sie ist vielmehr allein bestimmt durch die Strömung selbst, d.h. durch die Strömungsgeometrie (auch Hindernisse, Oberflächenbeschaffenheit etc.) und durch die mittlere Fließgeschwindigkeit. - -Interestingly, the mean dissipation rate ε does not depend on the microstructure of the medium, ie on its molecular properties, such as its toughness. Rather, it is determined solely by the flow itself, ie by the flow geometry (also obstacles, surface condition, etc.) and by the mean flow velocity. - -

Diese Aussage ist von fundamentaler Bedeutung für die Turbulenztheorie: Sie besagt, dass Turbulenz eine Eigenschaft des Medienflusses ist, nicht jedoch des Mediums.This statement is of fundamental importance for the theory of turbulence: it says that turbulence is a property of the media flow but not of the medium.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit nach dem magnetisch-induktiven Prinzip anzugeben, das einerseits den Einsatz eines zeitlich konstanten Magnetfeldes erlaubt und zugleich mit jeder beliebigen Art der Signalauskopplung, insbesondere galvanisch und/oder kapazitiv, durchgeführt werden kann.It is therefore an object of the invention to provide a method for measuring the flow velocity according to the magnetic-inductive principle, on the one hand allows the use of a time-constant magnetic field and at the same time with any type of signal extraction, in particular galvanic and / or capacitive, can be performed ,

Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.To solve this problem, the method with the characterizing features of claim 1 in conjunction with the preamble. Advantageous embodiments of the method are listed in the subclaims.

Es sei darauf hingewiesen, dass im Folgenden ausschließlich von Permanentmagnetfeldern die Rede ist. Dies sollte jedoch in keinerlei Hinsicht als Einschränkung verstanden werden. Die nachfolgende Beschreibung bleibt gültig auch bei Verwendung von Wechselfeldern, insbesondere mit definiertem Zeit- verhalten. Dies stellt vor dem Hintergrund erwünschter Energieautarkie lediglich keine bevorzugte Ausgestaltung dar.It should be noted that in the following only permanent magnetic fields is mentioned. However, this should not be construed as limiting in any way. The following description remains valid even when using alternating fields, in particular with a defined time behavior. This is not a preferred embodiment against the background of desired energy self-sufficiency.

Jede technische Strömung eines mit einer elektrischen Mindestleitfähigkeit ausgestatteten Mediums durch ein von einem Magnetfeld durchsetztes VoIu- men führt zur Ausbildung eines induzierten elektrischen Feldes innerhalb dieses Volumens, das aus zwei einander additiv überlagerten Signalanteilen besteht.Every technical flow of a medium equipped with a minimum electrical conductivity through a voice interspersed with a magnetic field leads to the formation of an induced electric field within this volume, which consists of two signal components which are additively superimposed on one another.

Der erste Signalanteil ist ein Maß für die mittlere Fließgeschwindigkeit und wird bei herkömmlichen magnetisch-induktiven Durchfluss- bzw. Strömungssensoren genutzt.The first signal component is a measure of the mean flow velocity and is used in conventional magnetic-inductive flow sensors.

Der zweite Signalanteil ist vorrangig auf Turbulenzphänomene zurückzuführen, die in Strömungen allgegenwärtig sind. Dies gilt besonders bei der Signalaus- kopplung mittels FETs, während bei galvanischer Auskopplung noch weitereThe second signal component is due primarily to turbulence phenomena that are ubiquitous in flows. This applies in particular to the signal extraction by means of FETs, while with galvanic decoupling even more

Signalursachen in Betracht kommen. - -Signal causes come into consideration. - -

Während der erste Signalanteil nicht zu trennen ist von langsam veränderlichen, nicht strömungsverursachten Signalen, wie sie beispielsweise als elektrochemische Störsignale auftreten, ist der zweite Anteil allein durch die Strömung und durch sie ausgelöste stochastische Vorgänge verursacht. Daraus folgt etwa, dass zwar die Augenblickswerte z.B. der Geschwindigkeit großen stochasti- schen Schwankungen unterliegen, ihre statistischen Mittelwerte jedoch stabil sind. Bei fest vorgegebener Geometrie hängen sie nur von der Strömung ab.While the first signal component is indistinguishable from slowly varying, non-current induced signals, such as those that occur as electrochemical noise, the second component is caused solely by the flow and stochastic events triggered by it. It follows, for example, that although the instantaneous values are e.g. speed are subject to large stochastic fluctuations, but their statistical averages are stable. If the geometry is fixed, they only depend on the flow.

Erfindungsgemäß wird deshalb dieser zweite, i. F. als stochastisch bezeichnete Signalanteil vom Gesamtsignal separiert und als zeitabhängiges Signal aufgezeichnet. Die Separation kann dabei entweder nachträglich, d.h. nach der Aufzeichnung des Gesamtsignals über ein definiertes Zeitfenster, durch gängige Filterprozeduren in einem Prozessrechner erfolgen oder von vornherein durch apparative Maßnahmen bei der Signalerfassung. Ein einfaches Beispiel für sol- che Maßnahmen ist der Einbau eines Kondensators in den Stromkreis bei galvanischer Auskopplung. Er unterdrückt alle Gleichstromanteile und lässt nur das stochastische Signal passieren.According to the invention, therefore, this second, i. F. separated as stochastic signal portion of the total signal and recorded as a time-dependent signal. The separation can be either subsequently, i. after the recording of the total signal over a defined time window, carried out by common filtering procedures in a process computer or from the outset by equipment measures in the signal acquisition. A simple example of such measures is the installation of a capacitor in the circuit with galvanic decoupling. It suppresses all direct current components and only lets pass the stochastic signal.

Man findet nun durch direkte Vergleichsmessungen, dass Amplituden- und Frequenzspektrum in charakteristischer Weise von der mittleren Fließgeschwindigkeit in der Weise abhängen, dass die höchsten auftretenden Amplituden und die höchsten auftretenden Frequenzen monoton mit der mittleren Fließgeschwindigkeit zunehmen. Dies trifft auch auf abgeleitete Werte, wie beispielsweise die jeweiligen Mittelwerte zu.It is now found by direct comparison measurements that the amplitude and frequency spectrum characteristically depend on the average flow rate in such a way that the highest occurring amplitudes and highest occurring frequencies increase monotonically with the average flow rate. This also applies to derived values, such as the respective mean values.

Dabei zeigen die Mittelwerte über das stochastische Signal eine erstaunliche Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere gegenüber der Temperatur des Mediums.The average values via the stochastic signal show an astonishing stability with respect to environmental influences, in particular with respect to the temperature of the medium.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen und zeitlichen Verläufen exemplarisch aufgenommener Messwerte näher erläutert. Dabei zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to drawings and temporal courses of measured values recorded by way of example. Showing:

Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht eines für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft geeigneten Messrohres mit einem Paar Auskoppelelektroden, dem Permanentmagneten und der Auswerteeinheit; - -1 is a perspective schematic view of an exemplary suitable for carrying out the method according to the invention measuring tube with a pair Auskoppelelektroden, the permanent magnet and the evaluation; - -

Fig. 2 eine Übersicht über an einem Messrohr nach Fig. 1 gemessene zeitliche Verläufe des stochastischen Signals bei galvanischer Auskopplung (a), seiner zeitlichen Ableitung (b), des Absolutbetrages der Ableitung (c) und den daraus errechneten zeitlichen Mittelwerten (d);FIG. 2 shows an overview of the time profiles of the stochastic signal measured during galvanic decoupling (a), its time derivative (b), the absolute value of the derivative (c) and the time average values (d) calculated therefrom on a measuring tube according to FIG. 1;

Fig. 3 das gleichzeitig zu den Messwerten in Fig. 2 aufgezeichnete Signal desselben Volumenstroms durch das Messrohr, das sich bei Signalauskopplung über Feldeffekttransistoren ergibt zum Vergleich.FIG. 3 shows the signal of the same volume flow through the measuring tube which is recorded simultaneously with the measured values in FIG. 2 and results from signal extraction via field-effect transistors for comparison.

In Fig. 1 ist ein glattes, aus elektrisch isolierendem Material hergestelltes Messrohr 1 dargestellt, das weder Verengungen noch Toträume aufweist. Es wird von einem zeitlich konstanten Magnetfeld der Induktion B durchdrungen. Dieses Feld geht seinerseits von den Polen 4, 4' aus, die Teile eines hier nicht gezeigten, durch einen Permanentmagneten erregten magnetischen Kreises sind.In Fig. 1, a smooth, made of electrically insulating material measuring tube 1 is shown, which has neither constrictions nor dead spaces. It is penetrated by a time-constant magnetic field of induction B. This field in turn starts from the poles 4, 4 ', which are parts of a magnetic circuit (not shown here) excited by a permanent magnet.

Es sind mindestens 2 Elektroden 2, 2' zur Auskopplung des Nutzsignals vorhanden, das grundsätzlich aus der Überlagerung eines ersten, nur von der mitt- leren Fließgeschwindigkeit abhängigen Anteils U_av und eines zweiten, nur von den stochastischen Geschwindigkeitsschwankungen abhängigen Anteils U_stoch besteht. Die Auskopplungselektroden 2, 2' können metallische Elektroden sein, die in galvanischem Kontakt mit dem Messmedium stehen. In diesem Falle sind sie zweckmäßig so in die Rohrinnenwandung eingebettet, dass sie eine glatte Fläche mit der Innenwand ohne Erhebungen und Vertiefungen bilden.There are at least 2 electrodes 2, 2 'for decoupling the useful signal, which fundamentally consists of the superimposition of a first component U _{av, which} depends only on the average flow velocity, and a second component U _{stoch which} depends only on the stochastic velocity _fluctuations . The coupling-out electrodes 2, 2 'can be metallic electrodes which are in galvanic contact with the measuring medium. In this case, they are expediently embedded in the pipe inner wall so that they form a smooth surface with the inner wall without elevations and depressions.

Es kann sich jedoch auch um kapazitive Elektroden handeln, die ganz in das Innenrohr so eingelagert sind, dass sie nicht mit dem Messmedium in Kontakt stehen. Die Vorteile galvanischer Elektroden liegen in ihrer einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit, ihrer Robustheit und den langjährigen Erfahrungen im Einsatz konventioneller Durchfluss- oder Strömungssensoren. Grundsätzlich werden an die Messanordnung genau dieselben Anforderungen gestellt wie sie von konventionellen magnetisch-induktiven Sensoren bekannt sind. - -However, it may also be capacitive electrodes that are embedded completely in the inner tube so that they are not in contact with the measuring medium. The advantages of galvanic electrodes are their simple and cost-effective manufacturability, their robustness and many years of experience in the use of conventional flow or flow sensors. In principle, exactly the same requirements are imposed on the measuring arrangement as are known from conventional magnetic-inductive sensors. - -

Das Nutzsignal wird schließlich der Auswerteeinheit 3 zugeführt, die die Aufgabe hat, aus dem stochastischen Signalanteil die mittlere Fließgeschwindigkeit nach Maßgabe bestimmter Algorithmen zu ermitteln. Ein Beispiel für einzelne mögliche Schritte eines solchen Algorithmus und die daraus gewonnenen Aus- Wertungsergebnisse wird anhand einer praktisch durchgeführten Messung vorgestellt, wie sie in Fig. 2 gezeigt wird.The useful signal is finally fed to the evaluation unit 3, which has the task of determining the mean flow velocity from the stochastic signal component in accordance with certain algorithms. An example of individual possible steps of such an algorithm and the evaluation results obtained therefrom are presented on the basis of a practically performed measurement, as shown in FIG.

Zur Durchführung der Messung wird ein mit einer steuerbaren Pumpe ausgestatteter, geschlossener Wasserkreis zur Aufnahme des vom magnetischen Feld durchsetzten Messrohres mit dem in Fig. 1 gezeigten Prinzipaufbau als Testobjekt verwendet, wobei durch Steuerung der Pumpe der Durchfluss variiert wird. Zu Vergleichszwecken ist in dem Kreis ein weiteres Messgerät zur Erfassung der mittleren Fließgeschwindigkeit vorhanden, das mit einer Signalauskopplung über Feldeffekttransistoren arbeitet.To carry out the measurement, a closed water circuit equipped with a controllable pump for receiving the measuring tube penetrated by the magnetic field with the basic structure shown in FIG. 1 is used as the test object, the flow being varied by controlling the pump. For comparison purposes, there is another measuring device for detecting the mean flow velocity in the circuit, which works with signal extraction via field-effect transistors.

Die Messreihe wird bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten durchgeführt, wobei, ausgehend vom Wert Null, durch sprungartige Veränderung zunächst ein Maximalwert, danach schrittweise bis auf Null verringerte Werte und schließlich ein erneuter Sprung auf den Maximalwert mit anschließender Rück- kehr auf Null eingestellt wird.The series of measurements is carried out at different flow velocities, whereby, starting from the value zero, a maximum value is first set by sudden change, then gradually reduced values to zero and finally a renewed jump to the maximum value with subsequent return to zero.

Teilbild a in Fig. 2 zeigt das zwischen zwei galvanischen Elektroden abgegriffene induzierte Gesamtsignal, welches einem Signalverstärker mit extrem hohem Eingangswiderstand zugeführt wird. Wegen der großen Messzeitkon- stante ist der stochastisch schwankende Signalanteil zunächst nicht sichtbar.Partial image a in Fig. 2 shows the tapped between two galvanic electrodes induced total signal, which is supplied to a signal amplifier with extremely high input resistance. Due to the large measuring time constant, the stochastically fluctuating signal component is initially not visible.

Nach Differentiation dieses Signals sind die konstanten Signalanteile entfernt und das verbleibende stochastische Signal ist gut erkennbar wie in Teilbild b dargestellt. Deutlich sieht man bereits jetzt eine Abhängigkeit der Amplitude des differenzierten Signals von der mittleren Fließgeschwindigkeit (vgl. Teil- bild a).After differentiation of this signal, the constant signal components are removed and the remaining stochastic signal is clearly visible as shown in field b. Clearly, one already sees a dependence of the amplitude of the differentiated signal on the mean flow velocity (see Figure a).

Zur weiteren Verarbeitung der Amplitudeninformation wird in Teilbild c eine Gleichrichtung des Signals aus Teilbild b vorgenommen. Die Mittelwertbildung über das Signal aus Teilbild c führt schließlich zu dem in Teilbild d dargestellten Verlauf, der eindeutig ein Maß für die mittlere Fließgeschwindigkeit ist und ein offensichtlich gleichartiges Zeitverhalten aufweist. - -For further processing of the amplitude information, a rectification of the signal from field b is performed in field c. The averaging over the signal from sub-image c finally leads to the course shown in sub-image d, which is clearly a measure of the average flow velocity and has an apparently similar time behavior. - -

Fig. 3 gibt zum Vergleich erneut den Verlauf der mittleren Fließgeschwindigkeit gemessen mittels einer anderen Art der Signalauskopplung wieder. Dabei ist gut zu erkennen, dass der stochastische Signalanteil bei der Auskopplung mit FETs nicht nur vorhanden, sondern sogar noch signifikanter als bei der galvanischen Auskopplung ausgeprägt ist.FIG. 3 again shows the course of the mean flow velocity measured by means of another type of signal extraction for comparison. It is easy to see that the stochastic signal component in the decoupling with FETs is not only present, but even more significant than in galvanic decoupling.

Auch bei vielfacher Wiederholung der Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen konnten die geschilderten Zusammenhänge immer wieder stabil reproduziert werden.Even with multiple repetition of the measurements at different temperatures, the described relationships could always be stably reproduced.

Zusammenfassend — und zugleich ein wenig verallgemeinernd — besteht der durch die Teilbilder a bis d skizzierte Algorithmus zur Messung der mittleren Fließgeschwindigkeit des Mediums aus den folgenden Teilschritten:In summary - and at the same time a little generalizing - consists of the sub-images a to d sketched algorithm for measuring the mean flow velocity of the medium from the following sub-steps:

a) Erfassen des von Geschwindigkeitsschwankungen des Fluids ima) detecting the velocity variations of the fluid in the

Magnetfeld induzierten stochastischen Signals über definierte Zeitintervalle als Nutzsignal. b) Separieren des Nutzsignals von etwaig vorhandenen zeitlich konstanten (bzw. im Verhältnis zur Länge der gewählten Intervalle langsam veränderlichen) Signalanteilen. c) Gleichrichtung und anschließende Mittelwertbildung des Nutzsignals. d) Interpretation der gebildeten Mittelwerte als Maß für die mittlere Fließgeschwindigkeit des Mediums.Magnetic field induced stochastic signal over defined time intervals as a useful signal. b) separating the useful signal from any temporally constant signal components (or slowly variable with respect to the length of the selected intervals). c) rectification and subsequent averaging of the useful signal. d) Interpretation of the averaged values as a measure of the mean flow velocity of the medium.

Es dürfte dem Fachmann klar sein, dass das klassische magnetisch-induktiveIt should be clear to those skilled in the art that the classical magnetic-inductive

Messprinzip eine intrinsisch mittelnde Technik ist. Tatsächlich wird schon durch die Art der Signalaufnahme, wie sie der bisherigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens zugrunde liegt, eine Mittelwertbildung vorgenommen: Die Wechselwirkung zwischen strömendem Medium und Magnetfeld führt zu einem induzierten elektrischen Feld, das nach Betrag und Richtung in jedem Punkt des Raumes durch die dort herrschenden räumlichen Geschwin- digkeits- und Feldkomponenten bestimmt ist. Zwischen je zwei in dieses Feld an verschiedenen Punkten eintauchenden Elektroden wird also ein Wegintegral über die elektrische Feldstärke gemessen, das nichts anderes als die elektrische Spannung zwischen diesen Punkten ist. Diese Spannung ist ein Maß für die mit dem Magnetfeldeinfluss gewichteten Mittelwerte der Strömungsgeschwindigkeit. - -Measuring principle is an intrinsically averaging technique. In fact, even by the type of signal recording, as is the basis of the previous description of the method according to the invention, averaging done: The interaction between the flowing medium and magnetic field leads to an induced electric field, the amount and direction in each point of the space through the the prevailing spatial velocity and field components. Between every two electrodes immersed in this field at different points, a path integral is thus measured via the electric field strength, which is nothing else than the electrical voltage between these points. This voltage is a measure of the magnetic flux weighted averages of the flow velocity. - -

Sind die Elektroden überdies auf Abstand in Hauptfließrichtung untergebracht, wird sofort klar, dass das räumliche Integral auch als zeitliches Integral aufzufassen ist, weil zeitlich nacheinander an einem Ort ablaufende Vorgänge durch den Medienfluss in eine räumliche Struktur abgebildet werden. Die zwischen zwei auf Abstand in Hauptfließrichtung liegenden Punkten gemessene Spannung stellt daher im Wesentlichen das Zeitintegral der an dem stromaufwärts gelegenen Punkt induzierten elektrischen Feldstärke dar, die ihrerseits ein Maß für das lokale Turbulenzgeschehen ist.Moreover, if the electrodes are located at a distance in the main direction of flow, it becomes immediately clear that the spatial integral is also to be understood as a temporal integral because processes proceeding chronologically one after the other are imaged by the media flow into a spatial structure. The voltage measured between two points spaced apart in the main direction of flow therefore essentially represents the time integral of the electric field strength induced at the upstream point, which in turn is a measure of the local turbulence.

Durch eine Mehrzahl von Elektroden, die sowohl in Hauptfließrichtung, als auch quer dazu auf Abstand untergebracht sind, lassen sich räumliche und zeitliche Integrationswirkungen vorteilhaft kombinieren.By a plurality of electrodes, which are housed both in the main flow direction, as well as transversely thereto at a distance, spatial and temporal integration effects can be combined advantageously.

Man kann insofern auch bei dem stochastischen Signal nicht erwarten, ohne zeitliche Mittelung, oder allgemeiner: Integration über die Zeit, zu Aussagen über das mittlere Fließverhalten des Mediums zu gelangen. Die vorstehend beschriebene Auswertung durch unmittelbare Berechnung von Mittelwerten aus Messwerten deutet zwar einen gutmütigen, grundsätzlich linearen Zusam- menhang mit der Fließgeschwindigkeit an, aber es kann auch hier nicht davon ausgegangen werden, dass dies unter allen Randbedingungen so bleibt. Insbesondere beim Messen sehr turbulenter Strömungen kann es von Vorteil sein, andere Arten der Mittelwertbildung, insbesondere solche mit Gewichtungsfak- toren in Betracht zu ziehen. Beispielsweise folgt etwa aus dem im Stand der Technik genannten Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsskala u undIn this respect, one can not expect the stochastic signal to arrive at statements about the medium flow behavior of the medium without temporal averaging, or more generally: integration over time. Although the above-described evaluation by direct calculation of average values from measured values indicates a good-natured, basically linear relationship with the flow velocity, it can not be assumed here that this will remain the same under all boundary conditions. In particular, when measuring very turbulent flows, it may be advantageous to consider other types of averaging, especially those with weighting factors. For example, follows from the relationship between speed scale u and mentioned in the prior art

Frequenzskala u/L, dass auch das Frequenzspektrum des stochastischen Signalanteils zur Auswertung genutzt werden kann.Frequency scale u / L, that also the frequency spectrum of the stochastic signal component can be used for the evaluation.

Von daher soll die Lehre zum technischen Handeln, die die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet, allgemein die Ermittelung vonTherefore, the teaching on technical action, which characterizes the realization of the method according to the invention, generally the determination of

Werten empfehlen, die sich aus der gewichteten Integration des stochastischen Signals über vorgegebene Zeitintervalle ergeben. Die einfachste Art der Gewichtung — Gewicht konstant — führt auf die oben dargestellten Ergebnisse. Doch auch die Fouriertransformation, z.B. zur Ermittlung der dem Betrage nach größten Fourierkomponente bzw. jener, die die höchste auftretende Frequenz im Signal anzeigt, ist nichts anderes als gewichtete Integration über Zeitintervalle, nämlich die Skalarproduktbildung mit harmonischen Funktionen. - -Recommend values resulting from the weighted integration of the stochastic signal over given time intervals. The simplest type of weighting - constant weight - leads to the results presented above. However, even the Fourier transformation, for example for determining the magnitude of the largest Fourier component or that which indicates the highest occurring frequency in the signal, is nothing other than weighted integration over time intervals, namely scalar product formation with harmonic functions. - -

Zur Vereinfachung des Sprachgebrauchs soll der Begriff „Integration des sto- chastischen Signals" natürlich auch die Integration des Absolutbetrages des stochastischen Signals umfassen.To simplify the usage of language, the term "integration of the stochastic signal" should naturally also include the integration of the absolute value of the stochastic signal.

Es kann gewiss dem Fachmann überlassen werden, sich nach günstigen Zeitintegralen über das stochastische Signal in Anbetracht seines konkreten Messproblems umzutun. Die Leistung der vorliegenden Beschreibung sollte darin gesehen werden, ihm die Sinnhaftigkeit einer Auswertung stochastischer MID- Signale überhaupt vor Augen zu führen, die bis heute im Stand der Technik nur als zu entfernende Störgrößen angesehen worden sind.It can certainly be left to the person skilled in the art, for the sake of favorable time integrals, to use the stochastic signal in view of his concrete measurement problem. The achievement of the present description should be seen in it to him the meaningfulness of an evaluation of stochastic MID signals ever in mind, which have been considered to date in the art only as to be removed disturbances.

Abschließend soll noch auf einmal auf die wesentlichen apparativen Vorteile der Erfindung verwiesen werden:Finally, reference should be made at once to the essential advantages of the apparatus of the invention:

Die mögliche Verwendung eines konstanten magnetischen Feldes reduziert denThe possible use of a constant magnetic field reduces the

Energiebedarf durch Nutzung von Permanentmagneten und erlaubt überdies den problemlosen Einbau metallisch leitender Teile in die Messanordnung, da in ihnen im Gegensatz zu herkömmlichen magnetisch-induktiven Systemen keine störenden Wirbelstromeffekte auftreten.Energy requirement by using permanent magnets and also allows the problem-free installation of metallically conductive parts in the measuring device, since in them, in contrast to conventional magnetic-inductive systems no disturbing eddy current effects occur.

Ebenfalls vorteilhaft für die Gestaltung des Messrohres ist die völlige Freiheit in der Wahl der Auskopplungsmethode. Da nach der Erfindung nur der stochastische Signalanteil zur Auswertung genutzt wird, ist sowohl die galvanische, als auch die kapazitive Auskopplung möglich. Bei der galvanischen Aus- kopplung kann man es so sehen, dass sich hier nicht — wie sonst üblich — dieAlso advantageous for the design of the measuring tube is the complete freedom in the choice of the decoupling method. Since according to the invention, only the stochastic signal component is used for evaluation, both the galvanic and the capacitive coupling is possible. With galvanic isolation, it can be seen that here - as usual - the

Magnetfeldrichtung im Verhältnis zur Strömungsrichtung ändert, sondern schlichtweg umgekehrt die instantane Fluidbewegung gegenüber dem konstanten Magnetfeld variiert, wobei man das konstante Signal ignoriert. Allerdings ist der Konstantstrom natürlich unvermeidlich vorhanden und führt nach wie vor auf die bekannten Alterungsprobleme der Elektroden. Allgemein erscheint die Signalauskopplung über FET-Gates besonders vorteilhaft.Magnetic field direction changes in relation to the flow direction, but simply vice versa, the instantaneous fluid movement over the constant magnetic field varies, ignoring the constant signal. However, the constant current is of course inevitable and still leads to the known aging problems of the electrodes. In general, the signal extraction via FET gates appears to be particularly advantageous.

Ein sehr wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die vergleichsweise geringen Ansprüche an die Qualität des magnetischen Feldes. Insbesondere kann auf die Forderung seiner Homogenität, wie sie bei herkömmlichen Systemen besteht, ganz verzichtet werden. Das hat unmittelbar zur Folge, dass die Symmetrie des magnetischen Kreises in Bezug auf die Mess- - -A very important advantage of the method according to the invention is the comparatively low demands on the quality of the magnetic field. In particular, the requirement of its homogeneity, as it exists in conventional systems, can be completely dispensed with. This has the immediate consequence that the symmetry of the magnetic circuit with respect to the measuring - -

rohrachse entfallen kann. Damit ist der Weg zu kostengünstigen Lösungen für den magnetischen Kreis bereitet.tube axis can be omitted. This paves the way for cost-effective solutions for the magnetic circuit.

Zu guter Letzt soll noch betont werden, dass die Erfindung keinerlei Ähnlich- keit mit dem Verfahren hat, das bei den als Wirbel- oder Vortexzähler bekannten Durchflussmessgeräten eingesetzt wird. Dort wird die Anzahl der abwechselnd beidseitig an den Kanten eines inmitten des Strömungswegs befindlichen Störkörpers entstehenden Wirbel, die eine sog. Karmansche Wirbelstraße bilden, pro Zeiteinheit gemessen. Diese Anzahl steht in einer bekannten linearen Beziehung zur Mediengeschwindigkeit. Jeder Wirbel wird dabei durch die von ihm ausgehende Druckwirkung erfasst. Während hier also das makroskopisch beschreibbare Verhalten einzelner Wirbel genutzt wird, beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf der Nutzung stochastischer Signale und ihrer statistischen Gesetzmäßigkeiten. Finally, it should be emphasized that the invention has no similarity with the method used in flow meters known as vortex or vortex meters. There, the number of alternately formed on both sides of the edges of a midst of the flow path located disturbing vortex, which form a so-called. Karman vortex street, measured per unit time. This number is in a known linear relationship to the media speed. Each vortex is detected by the pressure exerted by him. Thus, while the macroscopically describable behavior of individual vortices is used here, the method according to the invention is based on the use of stochastic signals and their statistical laws.

Claims

- -Patentansprüche - Patent claims

1. Verfahren zur Messung der mittleren Fließgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums unter Anlegen eines Magnetfelds an das durch- setzte Messvolumen und Auskopplung eines im Messvolumen induzierten elektrischen Signals, dadurch gekennzeichnet, dass1. A method for measuring the average flow velocity of an electrically conductive medium by applying a magnetic field to the traversed measuring volume and decoupling an induced in the measurement volume electrical signal, characterized in that

der fluktuierende Anteil des elektrischen Signals, der auf stochastische Schwankungen der Fließgeschwindigkeit infolge turbulenter Bewegung zurückgeht, als zeitabhängiges Nutzsignal erfasst wird, und durch ge- wichtete Integration des Nutzsignals die mittlere, insbesondere räumlich gemittelte Fließgeschwindigkeit über vorgegebene Zeitintervalle ermittelt wird.the fluctuating component of the electrical signal, which is due to stochastic fluctuations in the flow velocity due to turbulent motion, is detected as a time-dependent useful signal, and the weighted integration of the useful signal determines the mean, in particular spatially averaged flow velocity over predetermined time intervals.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gewich- tete Integration mit einer konstanten Gewichtsfunktion erfolgt, so dass als Integrale Mittelwerte gebildet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the weighted integration takes place with a constant weighting function, so that averages are formed as integrals.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gewich- tete Integration mit harmonischen Funktionen als Gewichtsfunktionen erfolgt, so dass als Integrale Fourierkomponenten gebildet werden.3. Method according to claim 1, characterized in that the weighted integration with harmonic functions takes place as weight functions, so that Fourier components are formed as integrals.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nutzsignal vor der gewichteten Integration gleichge- richtet wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the useful signal is rectified before the weighted integration.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplung des Nutzsignals über die Beeinflussung der Leitfähigkeit eines Halbleiters erfolgt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the decoupling of the useful signal takes place via influencing the conductivity of a semiconductor.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplung des Nutzsignals über die Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors erfolgt.6. The method according to claim 5, characterized in that the decoupling of the useful signal via the gate electrode of a field effect transistor.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine galvanische Auskopplung des Nutzsignals an - -7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a galvanic decoupling of the useful signal - -

einer Mehrzahl in Hauptfließrichtung beabstandeter Stellen des Messvolumens erfolgt.a plurality of spaced in the main direction of flow points of the measuring volume.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Messvolumen von einem Permanentmagnetfeld durchsetzt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the measuring volume is penetrated by a permanent magnetic field.