WO2010136152A1 - Messanordnung zum erfassen eines volumenstromes und messverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Erfassen eines Volumenstroms (12) eines elektrisch leitfähigen Mediums durch einen von dem Medium längs einer Flussrichtung (14) durchströmbaren und axial von einer Wandung (16) umschlossenen Hohlraum (18), welcher längs der Flussrichtung (14) einen annähernd konstanten Innenquerschnitt aufweist. Wenigstens zwei jeweils elektrisch gegenüber der Wandung (16) isolierte Elektroden (20, 22) ragen in einem Abstand (24) längs der Flussrichtung (14) zueinander in den durchströmbaren Hohlraum (18) hinein. Die Elektroden (20, 22) sind in einer elektrischen Verschaltung direkt und/oder indirekt mit einer Wechselspannungsquelle (26) verbunden, so dass eine elektrische Wechselspannung (UE) zwischen den wenigstens zwei Elektroden erzeugbar ist, durch welche ein Stromfluss (12) zwischen den Elektroden (20, 22) bewirkbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zur Ermittlung des Volumenstromes, bei dem anhand gemessener Strom- und Spannungswerte eine Impedanz gebildet wird, aus welcher der Volumenstrom ableitbar ist.

Description

ELSTER Messtechnik GmbH

Lampertheim 7. Mai 2010

Mp.-Nr. 09/051 WO

Messanordnung zum Erfassen eines Volumenstromes und Messverfahren

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Erfassen eines Volumenstroms eines elektrisch leitfähigen Mediums durch einen von dem Medium längs einer Flussrichtung durchströmbaren und axial von einer Wandung umschlossenen Hohlraum, welcher längs der Flussrichtung einen annähernd konstanten Innenquerschnitt aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Messverfahren.

Es ist allgemein bekannt, dass zur Bestimmung einer Durchflussmenge eines gasförmigen bzw. flüssigen Mediums wie Wasser Durchflusszähler benutzt werden. Diese Zähler werden häufig zu Steuerungs-, Regelungs- aber auch Abrechnungszwecken verwendet. Das Medium wird üblicherweise in einem Rohrleitungssystem gefördert, wobei an den gewünschten Stellen Durchflusszähler zwischengeschaltet sind. Deshalb weisen Durchflusszähler in der Regel einen rohrähnlichen Durchflusskanal mit beidseitigen Anschlusssvorrichtungen zum Rohrsystem, in das sie einzufügen sind, auf.

Für die Durchflussmessung von leitfähigen Medien, welche also über bewegliche Ladungsträger verfügen, sind neben den rein mechanischen Durchflusszählern - welche insbesondere auch einem Verschleiß unterworfen sind - auch magnetoinduktive Durchflusszähler (MID) bekannt. Ein induktiver Durchflusssensor besteht hauptsächlich aus einem Elektromagneten, zwei Elektroden und einem elektrisch isolierten Rohr. Fließt eine Flüssigkeit durch das Rohr, so kann gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz an den zwei Elektroden, die diametral an der Wandung und senkrecht zur Fließrichtung und dem Magnetfeld angeordnet sind, eine Spannung abgegriffen werden. Diese Spannung ist für ein rotationssymmetrisches Strömungsprofil und ein homogenes Magnetfeld direkt proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit. Das induktive Durchflussmessverfahren ist also in der Lage, direkt aus dem Durchfluss ein elektrisches Signal zur Weiterverarbeitung zu erzeugen.

Nachteilig an einem magnetoinduktiven Durchflusszähler ist insbesondere die Verwendung eines Elektromagneten, weicher den Messaufbau umständlich gestaltet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Durchflussmesser bereitzustellen, welcher keine mechanischen Verschleißteile aufweist und welcher die Verwendung eines Elektromagneten vermeidet sowie ein entsprechendes Messverfahren anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messanordnung zum Erfassen eines Volumenstroms der eingangs genannten Art. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei jeweils elektrisch gegenüber der Wandung isolierte Elektroden in einem Abstand längs der Flussrichtung zueinander in den durchströmbaren Hohlraum hineinragen und dass die Elektroden in einer elektrischen Verschaltung direkt und/oder indirekt mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind, so dass eine elektrische Wechselspannung zwischen den wenigstens zwei Elektroden erzeugbar ist, durch welche ein Stromfluss zwischen den Elektroden bewirkbar ist.

Diese Anordnung nutzt den Effekt, dass sich Ladungsträger des Mediums bei einer an den Elektroden anliegenden Spannungsdifferenz mit einer endlichen Bewegungsgeschwindigkeit von einer Elektrode zur anderen bewegen. Diese Bewegung der Ladungsträger führt zu einem Stromfluss und hängt von mehreren Faktoren ab, beispielsweise der Höhe und der Polarität der angelegten Spannung, wobei die Polarität der Spannung ausschlaggebend ist, in welche Richtung sich die Ladungsträger bewegen. Wenn die angelegte Spannung also eine Wechselspannung ist, so ist die Reichweite der Ladungsträger begrenzt auf einen Abstand, welcher aus deren mittlerer Bewegungsgeschwindigkeit sowie der Zeit, in der die Spannung mit ein- und derselben Polarität anliegt, resultiert. Bei bewegtem Medium, wenn also ein Volumenstrom durch den vorzugsweise rohrähnlichen Hohlraum vorliegt, addiert sich die Geschwindigkeit des Volumenstromes zu der eigentlichen Geschwindigkeit der Ladungsträger, welche sich relativ zum Medium bewegen. Somit begünstigt ein Volumenstrom einen Stromfluss zwischen den in diesen hereinragenden Elektroden, wenn die Bewegung der Ladungsträger relativ zum Medium in derselben Richtung erfolgt wie die Flussrichtung. Umgekehrt wird ein Stromfluss, bei dem sich die Ladungsträger entgegen der Flussgeschwindigkeit bewegen, erschwert.

Bei einer periodisch angelegten Wechselspannung führt dies zu Verzerrungen von Spannung und Stromfluss zwischen den Elektroden. Diese Verzerrungen werden maßgeblich von der Flussgeschwindigkeit des Volumenstroms beeinflusst, so dass eine Messung dieser Verzerrung in vorteilhafter Weise umgekehrt auch zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Volumenstromes verwendet werden kann.

In einer Variante der erfindungsgemäßen Messanordnung ist die Wechselspannungsquelle bezüglich Höhe, Frequenz und/oder Signalform der ausgegebenen Spannung variabel vorgebbar. Dies ermöglicht eine besonders flexible Anpassung der Messanordnung auf verschiedene Medien, welche sich durch die Beweglichkeit der Ladungsträger unterscheiden. Ebenso wird in vorteilhafter Weise eine Anpassung auf verschiedene Elektrodenformen, Hohlraumquerschnitte und Volumenströme erreicht. Als besonders vorteilhaft hat sich eine reine Sinusfrequenz erwiesen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Messanordnung umfasst die elektrische Schaltung Mittel zur Bestimmung wenigstens eines induktiven Impedanzwertes. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Flussgeschwindigkeit einen überwiegenden Ein- fluss auf den induktiven Impedanzwert hat.

Entsprechend einer Variante der erfindungsgemäßen Messanordnung beinhalten die Mittel zur Erfassung des induktiven Impedanzwertes wenigstens Mittel zur Erfassung wenigstens einer Stromgröße sowie wenigstens einer Spannungsgröße und Mittel, welche geeignet sind, einen Phasenverschiebungswinkel zwischen der wenigstens einen Strom- und der wenigstens einen Spannungsgröße zu bestimmen. Die Erfassung von Strom- und Spannungsgröße ermöglicht die Ermittlung einer Impedanz nach Betrag und Winkel und somit auch die Ermittlung eines induktiven Impedanzwertes, beispielsweise mittels einer Rechenvorrichtung, welcher die gemessene Strom- und Spannungsgröße zugeführt wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung umfassen die Mittel zur Erfassung des induktiven Impedanzwertes wenigstens ein elektrisch zwischen einer der Elektroden und der Wechselspannungsquelle geschaltetes Induktivitätsmessgerät, welches im Messbetrieb zumindest anteilsweise von dem Strom zwischen den Elektroden durchflössen ist. Strömungsbedingte Änderungen der elektrischen, insbesondere der besonders wesentlichen induktiven Eigenschaften des Mediums, dessen Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden soll, werden direkt vom Induktivitätsmessgerät erfasst.

Entsprechend einer weiteren Variante der Messanordnung beruht das Messprinzip des Induktivitätsmessgerätes auf der Bestimmung wenigstens einer Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises. Bei derartigen Messgeräten wird die Resonanzfrequenz eines aus wenigstens einer bekannten Induktivität und einer bekannten Kapazität gebildeten Schwingkreises als Referenzgröße zugrunde gelegt. Diese Resonanzfrequenz wird mit einer weiteren Resonanzfrequenz verglichen, welche sich bei einem Schwingkreis ergibt, welcher zusätzlich zu den bekannten Induktivitäten bzw. Kapazitäten auch eine unbekannte Induktivität beinhaltet.

Zur Ermittlung der weiteren Resonanzfrequenz ist üblicherweise als Bestandteil des Induktivitätsmessgerätes eine frequenzvariable Spannungsquelle vorgesehen, mit welcher der Schwingkreis angeregt wird. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind in dieser Variante demnach letztendlich zwei aktive Spannungsquellen unterschiedlicher Frequenz vorgesehen, deren Effekte sich überlagern.

Demgemäß ist der gemessene Induktivitätswert in diesem Beispiel ein rein fiktiver Induktivitätswert. Es hat sich jedoch gezeigt, dass auch und gerade dieser Induktivitätswert eine direkte Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Erfindungsgemäß sind in einer Ausgestaltung der Messanordnung Auswertemittel vorgesehen, welche geeignet sind, unter Verwendung des induktiven Impedanzwertes eine Flussgeschwindigkeit zu ermitteln. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass bei dem induktiven Impedanzwert ein eventueller Wirkanteil der Impedanz unbeachtlich ist.

Bei der Herleitung der Flussgeschwindigkeit aus dem induktiven Impedanzwert ist jedoch zu beachten, dass die Bewegung der Ladungsträger von einer Vielzahl weiterer Faktoren abhängig ist, so beispielsweise von deren Vorkommensdichte im Medium, deren Beweglichkeit im Medium aber selbstverständlich auch von der Höhe und Frequenz der angelegten Spannung zwischen den Elektroden, der Elektrodenform- und Oberfläche sowie dem Elektrodenabstand. Bevorzugterweise verwenden die Auswertemittel daher einen Proportionalitätsfaktor zur Berechnung der Flussgeschwindigkeit, welcher zuvor durch einen Kalibrierungsvorgang ermittelt wurde. Ein Vorhandensein bestimmter gasförmiger Medien, beispielsweise Luft, ist entsprechend deutlich von dem Vorhandensein anderer Medien, beispielsweise Wasser, anhand des induktiven Impedanzwertes detektierbar.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Messanordnung ist in dem durchströmbaren Hohlraum zusätzlich eine Vorrichtung zur Ermittlung der Strömungsrichtung vorgesehen. Dies kann notwendig sein, wenn in der Betriebsumgebung der Messanordnung bidirektionale Durchflüsse vorgesehen sind, welche mit einer einzigen erfindungsgemäßen Messanordnung nicht eindeutig feststellbar sind. Ein hoher Durchfluss in der einen Richtung kann unter Umständen zu einer gleichen ermittelten Impedanz führen wie ein niedriger Durchfluss in entgegengesetzter Richtung.

Dies kann bedarfsweise beispielsweise durch ein Strömungssieb realisiert sein, welches je nach Flussrichtung einen entsprechenden Kontakt betätigt. Es ist aber auch durchaus denkbar, wenigstens zwei erfindungsgemäße Messanordnungen in einem verlängerten Hohlraum anzuordnen und diese mit entgegengesetzter Wechselspannungspolarität zu betreiben. Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung eines Volumenstroms eines elektrisch leitfähigen Mediums mit einer Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit wenigstens den folgenden Verfahrensschritten:

Anlegen einer Wechselspannung zwischen den wenigstens zwei in den vom Medium durchströmten Hohlraum hineinragenden Elektroden Bestimmung wenigstens eines induktiven Impedanzwertes unter Berücksichtigung des zwischen den Elektroden fließenden Stromes Vergleich des wenigstens einen induktiven Impedanzwertes mit wenigstens einem induktiven Referenzimpedanzwert Bildung eines Differenzwertes zum Referenzimpedanzwert Multiplikation des Differenzwertes mit einem Proportionalitätsfaktor zum Volumenstrom

Die sich hierbei ergebenden Vorteile wurden bereits zuvor erläutert. Es sei nochmals erwähnt, dass der induktive Impedanzwert keinen Wirkanteil aufweist beziehungsweise, dass ein eventueller Wirkanteil unbeachtlich ist. In einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens wird der Referenzimpedanzwert zuvor durch einen Kalibrierungsvorgang bei einem Volumenstrom von null ermittelt. Dies ermöglicht auf einfache Weise, die Vielzahl von Einflussfaktoren, wie insbesondere die Eigenschaften des Mediums und die Frequenz der Wechselspannungsquelle, beim Kalibrierungsvorgang zu berücksichtigen. Hierdurch wird quasi der Nullpunkt der zu ermittelnden Flussgeschwindigkeit festgelegt.

Entsprechend wird der Proportionalitätsfaktor in einer weiteren Ausgestaltung zuvor durch einen Kalibrierungsvorgang bei einem Volumenstrom ungleich null ermittelt. Auf diese Weise ist ein induktiver Impedanzwert einer Flussgeschwindigkeit zugeordnet. Selbstverständlich sind auch komplette Kalibrierungskurven möglich, bei denen einer Vielzahl von ermittelten induktiven Impedanzwerten entsprechende Flussgeschwindigkeiten zugeordnet sind. Die erzielbare Genauigkeit wird hierbei noch weiter erhöht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Wechselspannung sinusförmig. Die Berechnung einer Impedanz mit kapazitivem bzw. induktivem Blindanteil, welcher physikalisch bedingt eine Frequenzabhängigkeit aufweist, lässt sich dadurch besonders einfach durchführen. Selbstverständlich sind auch andere periodische Spannungsformen denkbar, beispielsweise Dreieck oder Rechteck, welche sich jeweils entsprechend einer Fourieranalyse aus einer Vielzahl von überlagerten Sinusfunktionen unterschiedlicher Frequenz, Phasenlage und Amplitude zusammensetzen.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Wechselspannung im Bereich von 5OkHz bis 30OkHz liegt. Es hat sich gezeigt, dass hier die genauesten Messergebnisse erzielbar sind, wobei der Frequenzbereich von 15OkHz bis 20OkHz ganz besonders bevorzugt ist.

Entsprechend einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Frequenz der Wechselspannung abhängig von dem Abstand zwischen den wenigstens zwei Elektroden und der zu erwartenden mittleren Strömungsgeschwindigkeit gewählt. Hintergrund hierfür ist, dass zur Sicherstellung eines Stromflusses zwischen den beiden Elektroden die Bewegungsreichweite eines Ladungsträgers wenigstens in der Größenordnung des Abstandes der Elektroden zueinander liegen muss. Bei einer sehr hochfrequenten Spannung, beispielsweise 100MHz, ist damit zu rechnen, dass ein Ladungsträger nur in einem sehr geringen Radius um die Elektrode hin- und her schwingt und keine andere Elektrode erreicht.

Es hat sich gezeigt, dass die Amplitude der von der Wechselspannungsquelle ausgegebenen Spannung vorzugsweise im Bereich von 3 - 15V liegen sollte, wobei dieser Bereich selbstverständlich über- oder auch unterschritten werden kann. Diese Spannung ist mittels handelsüblicher Elektronikkomponenten problemlos erzeugbar.

Mit der zuvor genannten Spannung von 3 - 15V ergibt sich beispielsweise ein Messstrom von 10mA bis 5OmA, was je nach Anwendungsfall eine stabile Messung gewährleistet. Dennoch ist dieser Strom unter Umständen zu hoch für eine batteriebetriebene Dauermessung, so dass bedarfsweise eine intervallweise Messung sinnvoll ist, je nach Anwendungsfall beispielsweise alle 10s bis alle 10min. Es können erfindungsgemäß bedarfsweise für verschiedene Flussrichtungen verschiedene Proportionalitätsfaktoren verwendet werden. Dies kann notwendig sein, wenn in der Betriebsumgebung der Messanordnung bidirektionale Durchflüsse vorgesehen sind, welche mit einer einzigen erfindungsgemäßen Messanordnung nicht eindeutig feststellbar sind. Ein hoher Durchfluss in der einen Richtung kann unter Umständen zu einer gleichen ermittelten Impedanz führen wie ein niedriger Durchfluss in entgegen gesetzter Richtung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.

Es zeigen

Fig. 1 eine erste exemplarische Messanordnung in einer gemischten Darstellung mit Verschaltung und

Fig. 2 eine zweite exemplarische Messanordnung in einer gemischten Darstellung mit Verschaltung und

Fig. 1 zeigt eine erste exemplarische Messanordnung 10 mit einem rohrähnlichen Hohlraum 18, welcher längs seiner axialen Erstreckung von einer Wandung 16 umschlossen ist und zwei in dessen radialer Mitte angeordnete Elektroden 20 und 22. Die Befestigung der Elektroden 20, 22 kann beispielsweise über eine Schraubverbindung erfolgen. Um den Volumenstrom 12, welcher durch den beiderseits in ein Rohrnetz integrierten Hohlraum fließt, nicht von einer laminaren in eine turbulente Strömung zu überführen sind die Elektroden 20, 22 möglichst flach und quer zur Strömungsrichtung 14 angeordnet oder nur als Stifte ausgeführt. Das Medium, welches durch den Hohlraum 18 strömt, ist entweder flüssig, z.B. Wasser, oder auch gasförmig und verfügt in jedem Fall über bewegliche Ladungsträger, beispielsweise Ionen, welche sich innerhalb des Mediums frei bewegen können. Vorzugsweise wird die Strömung wird durch ein in der Fig. nicht gezeigtes - Sieb gerichtet, dies erhöht die Güte der Messung, welche negativ von Turbulenzen beeinf- lusst sein kann.

Das Material, welches den Hohlraum 18 in Form einer Wandung 16 zylinderförmig umschließt ist vorzugsweise elektrisch isolierend oder zumindest an seiner radial inneren Fläche mit einer Isolierenden Mantelschicht versehen. Die Zuführung der beiden Elektroden 20, 22 durch die Wandung 16 erfolgt beispielsweise über Metallstifte, welche gegenüber der Hohlraumwandung 16 elektrisch isoliert sind, insbesondere bei deren Ausführung aus einem leitfähigen Metall. An den beiden Stirnseiten der Hohlraumwandung 16 sind nicht gezeigte Anschlussvorrichtungen vorgesehen, mit welchen die Messanordnung 10 beiderseits der Hohlraumwandung 16 in ein Rohrleitungsnetz integriert werden kann, beispielsweise Schraubgewinde.

Die beiden Elektroden 20, 22 sind in einem axialen Abstand 24, beispielsweise 5 - 30cm, voneinander angebracht, wobei die Hohlraumwandung 16 über eine axiale Länge 38 von beispielsweise 15 - 45cm verfügt.

Eine Spannungsquelle 26 ist mit ihrem einen Anschluss über eine in Reihe geschaltete optionale Impedanz 36 mit der Elektrode 20 verbunden, wobei der andere Anschluss der Spannungsquelle 26 direkt elektrisch mit der Elektrode 22 verbunden ist. Somit ergibt sich bei Anliegen einer Ausgangsspannung UQ an der Spannungsquelle 26 abzüglich des Spannungsabfalls an der in Reihe geschalteten Impedanz 36 eine Spannung UE zwischen den Elektroden 20, 22. In Abhängigkeit u.a. von der Flussgeschwindigkeit des Volumenstroms 12, der Form der Elektroden 20, 22 und den Eigenschaften des Mediums ergibt sich aus der Spannung ein Stromfluss 12 über die beiden Elektroden 20, 22.

Die Spannungsquelle 26 ist bezüglich der Frequenz des periodisch, vorzugsweise sinusförmig ausgegebenen Spannungssignals variabel, wobei sich ein Frequenzbereich zwischen 5OkHz und 30OkHz als sinnvoll erwiesen hat. Es ist aber dennoch möglich, auch andere Formen des Spannungssignals auszugeben, beispielsweise ein Rechteck. Eine geeignete Amplitudenhöhe beträgt beispielsweise 5V. Eine optionale hochohmige Impedanz 34, welche elektrisch parallel zu den beiden Elektroden 20, 22 geschaltet ist, sorgt dafür, dass immer ein Mindeststrom größer oder gleich M von der Spannungsquelle abgegeben wird, wodurch die genaue Messung des Stromes Iges vereinfacht ist. Parallel zu der Impedanz 34 ist ein Mittel zur Spannungserfassung, ein Spannungsmessgerät, geschaltet, welches sein kontinuierliches Messsignal der Spannung UE entweder digital oder analog über eine erste Messleitung 40 an die Vorrichtung 44 zur Impedanzbestimmung aus Strom und Spannung übermittelt. Darüber hinaus wird der Vorrichtung 44 noch ein Messsignal eines Erfassungsmittels 30 für Strom zugeführt, ebenfalls über eine Messleitung 40. Die Vorrichtung 44 ist beispielsweise eine Rechenvorrichtung, welche mit einer entsprechenden Software versehen sind und stellt den berechneten induktiven Impedanzwert über die zweite Messleitung 42 der Auswertevorrichtung 32. zur Verfügung. Die Vorrichtung 44 und die Auswertevorrichtung können auch in einem Gerät integriert sein. Sowohl die Messsignale von Strom als auch von Spannung sollten so genau sein, dass ein Phasenwinkel von wenigen Grad oder auch sogar unter einem Grad zwischen Strom und Spannung feststellbar ist.

Die Auswertevorrichtung 32 bildet nun aus den beiden Messwerten kontinuierlich einen Impedanzwert nach Betrag und Winkel. Dieser Impedanzwert ist Ausgangspunkt für eine Ermittlung des Volumenstroms, welcher sich aus dem Querschnitt des Hohlraums multipliziert mit der Flussgeschwindigkeit ergibt.

Der Zusammenhang zwischen Impedanz und Flussgeschwindigkeit ist vorzugsweise durch Zuordnung über eine Kalibrierung herzustellen, welche für einen linearen Zusammenhang wenigstens zwei Kalibrierpunkte benötigt, die aber auch ohne weiteres über eine Kalibrierkurve mit einer Vielzahl von Kalibrierpunkten realisierbar ist. Eine Kalibrierung ist vor Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Messanordnung mit dem originalen Medium unter Verwendung eines Referenzdurchflussmessgerätes zu erstellen.

Es ist sowohl möglich, die komplette Messanordnung mit Auswertemittel in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen, als auch eine getrennte Anordnung von einzelnen Komponenten. Die Ausgabe des ermittelten Volumenstromes erfolgt Vorzugs- weise über eine optische Anzeige und/oder über eine nicht gezeigte Datenleitung beispielsweise zu einer übergeordneten Steuervorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine vergleichbare exemplarische zweite Messanordnung 50 mit identischen Bezugszeichen. Wesentlicher Unterschied zur ersten exemplarischen Messanordnung ist, dass die Ermittlung der komplexen Impedanz nicht über eine Strom- / Spannungsmessung realisiert ist sondern vielmehr mittels eines Induktivitätsmessgerätes 52. Dieses ermittelt den komplexen Impedanzwert, also den Wert einer Induktivität, anhand der Resonanzfrequenz eines aus bekannten Induktivitäten und Kapazitäten und der zu messenden Induktivität gebildeten Schwingkreises. Jegliche Wirkanteile sind nicht erfasst. Zur Verbesserung der Messqualität ist die Spannungsquelle 26 an der Seite, an der das Induktivitätsmessgerät 52 angeschlossen ist, geerdet.

Aufgrund des Zusammenwirkens der verschiedenfrequenten internen Spannungsquelle des Induktivitätsmessgerätes 52, welche zur Bestimmung der Resonanzfrequenz benötigt ist, und der Wechselspannungsquelle 26 wird in dieser Anordnung auf die optionalen Impedanzen 34 und 36 verzichtet.

Bezuqszeichenliste

10 Exemplarische erste Messanordnung 12 Volumenstrom

14 Flussrichtung

16 Wandung

18 Hohlraum

20 erste Elektrode

22 zweite Elektrode

24 Abstand der Elektroden in Flussrichtung

26 Wechselspannungsquelle

28 Mittel zur Spannungserfassung

30 Mittel zur Stromerfassung

32 Auswertevorrichtung

34 Impedanz in Parallelschaltung

36 Impedanz in Reihenschaltung

38 Länge des Hohlraums

40 erste Messleitung

42 zweite Messleitung

44 Vorrichtung zur Impedanzbestimmung aus Strom und Spannung

50 Exemplarische zweite Messanordnung

52 Induktivitätsmessgerät

UQ Spannung der Wechselspannungsquelle

Iges Gesamtstrom

11 erster Strom über Impedanz in Parallelschaltung

12 zweiter Strom über Elektroden UE Spannung über Elektroden

Claims

Patentansprüche

1. Messanordnung zum Erfassen eines Volumenstroms (12) eines elektrisch leitfähigen Mediums durch einen von dem Medium längs einer Flussrichtung (14) durchströmbaren und axial von einer Wandung (16) umschlossenen Hohlraum (18), welcher längs der Flussrichtung (14) einen annähernd konstanten Innenquerschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei jeweils elektrisch gegenüber der Wandung (16) isolierte Elektroden (20, 22) in einem Abstand (24) längs der Flussrichtung (14) zueinander in den durchströmbaren Hohlraum (18) hineinragen und dass die Elektroden (20, 22) in einer elektrischen Verschaltung direkt und/oder indirekt mit einer Wechselspannungsquelle (26) verbunden sind, so dass eine elektrische Wechselspannung (UE) zwischen den wenigstens zwei Elektroden erzeugbar ist, durch welche ein Stromfluss (12) zwischen den Elektroden (20, 22) bewirkbar ist.

2. Messanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle (26) bezüglich Höhe, Frequenz und/oder Signalform der ausgegebenen Spannung (UQ) variabel vorgebbar ist.

3. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung Mittel (28, 30, 44, 52) zur Bestimmung wenigstens eines induktiven Impedanzwertes umfasst.

4. Messanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung des induktiven Impedanzwertes wenigstens Mittel zur Erfassung (28, 30) wenigstens einer Stromgröße (12, Iges, 11) sowie wenigstens einer Spannungsgröße (UE, UQ) und Mittel (44) beinhalten, welche geeignet sind, einen Phasenverschiebungswinkel zwischen der wenigstens einen Strom- (12, Iges, 11) und der wenigstens einen Spannungsgröße (UE, UQ) zu bestimmen.

5. Messanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung des induktiven Impedanzwertes wenigstens ein elektrisch zwischen einer der Elektroden (20, 22) und der Wechselspannungsquelle (26) geschaltetes Indukti- vitätsmessgerät (52) umfassen, welches im Messbetrieb zumindest anteilsweise von dem Strom (12) zwischen den Elektroden (20, 22) durchflössen ist.

6. Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messprinzip des Induktivitätsmessgerätes (52) auf der Bestimmung wenigstens einer Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises beruht.

7. Messanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertemittel (32) vorgesehen sind, welche geeignet sind unter Verwendung des induktiven Impedanzwertes eine Flussgeschwindigkeit zu ermitteln.

8. Messanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem durchströmbaren Hohlraum (18) zusätzlich eine Vorrichtung zur Ermittlung der Strömungsrichtung vorgesehen ist.

9. Verfahren zur Ermittlung eines Volumenstroms eines elektrisch leitfähigen Mediums mit einer Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit wenigstens den folgenden Verfahrensschritten

Anlegen einer Wechselspannung (UQ) zwischen den wenigstens zwei in den vom Medium durchströmten Hohlraum (18) hineinragenden Elektroden (20, 22)

Bestimmung (44, 52) wenigstens eines induktiven Impedanzwertes unter Berücksichtigung des zwischen den Elektroden (20, 22) fließenden Stromes Vergleich des wenigstens einen induktiven Impedanzwertes mit wenigstens einem induktiven Referenzimpedanzwert

Bildung eines Differenzwertes zum induktiven Referenzimpedanzwert Multiplikation des Differenzwertes mit einem Proportionalitätsfaktor zum Volumenstrom

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzimpedanzwert zuvor durch einen Kalibrierungsvorgang bei einem Volumenstrom von null ermittelt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsfaktor zuvor durch einen Kalibrierungsvorgang bei einem Volumenstrom ungleich null ermittelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung (UQ) sinusförmig ist.

13. Verfahren nach Anspruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Wechselspannung (UQ) im Bereich von 5OkHz bis 30OkHz liegt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Wechselspannung (UQ) abhängig von dem Abstand (24) zwischen den wenigstens zwei Elektroden (20, 22) und der zu erwartenden mittleren Strömungsgeschwindigkeit gewählt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der von der Wechselspannungsquelle (26) ausgegebenen Spannung (UQ) im Bereich von 3 - 15V liegt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Flussrichtungen verschiedene Proportionalitätsfaktoren verwendet werden.