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Die
Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, wie es
im Stand der Technik bekannt ist. Der prinzipielle Aufbau und das
Wirkprinzip magnetischinduktiver Messgeräte sind beispielsweise beschrieben
im Lexikon der Mess- und Automatisierungstechnik, herausgegeben
von Elmar Schrüfer, VDI-Verlag,
Düsseldorf
1992, S. 262- 263.
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Wird
ein elektrisch leitfähiger
Messstoff durch ein Magnetfeld B geleitet, so entsteht im Messstoff
ein elektrisches Feld E senkrecht zur Strömungsrichtung v und zur Magnetfeldrichtung.
Die Erzeugung der magnetischen Induktion B wird bei herkömmlichen
magnetisch-induktiven Durchflussmessern mittels Erregerspulen, deren
Windungen aus Kupferdrähten
oder anderen metallischen Leiterdrähten bestehen, bewirkt. Der durch
den ohmschen Widerstand der Erregerspulen bewirkte Energieverbrauch
und die damit verbundene Eigenerwärmung stellt einen erheblichen
Anteil am Gesamtenergieverbrauch des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes dar.
Die Anwender wünschen
sich magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit erheblich reduziertem
Energieverbrauch.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät mit
verringertem Energieverbrauch zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit den
Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß also umfasst
das Magnetsystem eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessers
hochtemperatur-supraleitende Erregerspulen.
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Bekanntermaßen besitzen
supraleitende Materialien unterhalb einer für den jeweiligen Stoff charakteristischen
Temperatur, der sog. kritischen Übergangstemperatur,
keinen messbaren elektrischen Widerstand mehr. Mehr zu den physikalischen
Grundlagen der Supraleitung und den Eigenschaften der verschiedenen
Arten von bekannten supraleitenden Materialien findet sich beispielsweise
im Brockhaus Lexikon der Naturwissenschaft und Technik, Band 3,
Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, 2003, S. 1924 ff,
dessen Offenbarung hier mit einbezogen sein soll.
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Erregerspulen
aus supraleitendem Material im supraleitenden Zustand weisen also
keine ohmschen Verluste in den Erregerspulen mehr auf, wodurch der
gesamte Energieverbrauch des magnetisch-induktiven Messgerätes stark
verringert ist. Erfindungsgemäße Erregerspulen
aus hochtemperatur-supraleitendem Material haben darüber hinaus
den Vorteil, dass der supraleitende Zustand schon bei Kühlung mit
flüssigem
Stickstoff eintritt, also oberhalb von 77K, was eine kostengünstige Kühlung ermöglicht.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die hochtemperatur-supraleitenden
Erregerspulen in einem Kühlmittelbehälter angeordnet,
der mit einem Kühlmittel
mit einer Temperatur gefüllt
ist, die niedrig genug ist, um die Erregerspulen im supraleitenden
Zustand zu halten. Dieses Kühlmittel ist
vorteilhafterweise flüssiger
Stickstoff, da dieser in großen
Mengen und kostengünstig
zur Verfügung
steht und sich bei Beachtung weniger grundlegender Sicherheitsvorkehrungen
auch gefahrlos handhaben lässt.
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Vorteilhafterweise
ist der Kühlmittelbehälter nicht
magnetisch. Er kann in einer vorteilhaften Ausführungsform über eine Kühlmittelleitung mit einem Kühlmittel-Vorratsgefäß verbunden
sein. Das Kühlmittel-Vorratsgefäß kann dabei
in dem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät umfasst sein, beispielsweise
innerhalb des Gerätegehäuses oder
außen
auf dem Gerätegehäuse angebracht
sein. Über
ein Regel- und Dosierventil kann dann der Kühlmittelvorrat in dem Kühlmittelbehälter aus
dem Kühlmittel-Vorratsgefäß immer
wieder nachgefüllt
oder ergänzt
werden. Bei Verwendung eines pneumatischen Regelventils wird hierfür keine
zusätzliche
elektrische Hilfsenergie be nötigt.
Das Kühlmittel-Vorratsgefäß wird von
Zeit zu Zeit von außen
durch eine Nachfüllöffnung mit
flüssigem
Stickstoff aufgefüllt.
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Das
Kühlmittel-Vorratsgefäß kann aber
auch von dem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät räumlich getrennt
angeordnet sein. Beispielsweise kann ein zentral aufgestelltes Kühlmittel-Vorratsgefäß über Kühlmittel-Leitungen
mehrere erfindungsgemäße magnetisch-induktive
Durchflussmessgeräte
mit Kühlmittel versorgen.
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Bezüglich des
Aufbaues der hochtemperatur-supraleitenden Spulen sieht eine vorteilhafte
Ausführungsform
vor, dass diese aus metallummanteltem hochtemperatursupraleitendem
Draht gebildet sind. In anderem Zusammenhang ist dies eine im Stand
der Technik prinzipiell bekannte Möglichkeit, biegbare Drähte oder
Bänder
aus hochtemperatur-supraleitenden Materialien herzustellen, siehe
beispielsweise die
EP
0 507 283 B1 .
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Eine
Variante eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven
Durchflussmessgerätes
umfasst hochtemperatur-supraleitenden Erregerspulen aus einem bandförmigen Hochtemperatur-Supraleiter,
aufgebaut aus in eine Silbermatrix eingebetteten hochtemperatur-supraleitenden
keramischen Drähten.
Solcherart aufgebaute hochtemperatur-supraleitende Bänder sind
beispielsweise in der
EP
0 740 315 B1 beschrieben.
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Bezüglich des
hochtemperatur-supraleitenden Materials, das die Basis der die Erregerspulen
in einem erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven
Durchflussmessgerät
bildenden Drähte
darstellt, lassen sich alle im Stand der Technik für die Herstellung
von biegbaren hochtemperatur-supraleitenden Drähten bekannte und geeignete
Materialien verwenden. Beispielsweise kann ein magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät,
mit hochtemperatur-supraleitenden Erregerspulen basierend auf Drähten oder
Fäden aus
Bi, Sr, Ca und Cu enthaltenden Oxiden oder Carbonaten, insbesondere
aus Bi2Sr2Ca2Cu3O10,
gebildet sein.
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Bei
einer weiteren Variante eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes sind
hochtemperatur-supraleitende Erregerspulen basierend auf Drähten oder
Fäden aus
Bi, Pb, Sr, Ca und Cu enthaltenden Oxiden oder Carbonaten verwendet.
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Eine
weitere Variante sieht die Verwendung von hochtemperatur-supraleitenden
Erregerspulen basierend auf Drähten
oder Fäden
aus Hg, Ba, Ca und Cu enthaltenden Oxiden, insbesondere aus HgBa2Ca2Cu3O8+x vor, mit denen kritische Sprungtemperaturen
von ca. 135K erreichbar sind.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen magnetischinduktiven Durchflussmessgerätes sind
hochtemperatur-supraleitende Erregerspulen basierend auf Drähten oder
Fäden aus
Y, Ba und Cu enthaltenden Oxiden, insbesondere auf YBa2Cu3O7 verwendet.
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Ein
weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessers
besteht darin, dass er aufgrund des wegen der eliminierten ohmschen
Verluste in den Erregerspulen sehr geringen Energieverbrauches netzunabhängig mit
elektrischer Energie versorgt werden kann. Beispielsweise kann ein
solcher magnetisch-induktiver Durchflussmesser mit Batterien, Photovoltaik-Generatoren,
Brennstoffzellen, thermoelektrischen Generatoren oder ähnlichen
netzunabhängigen
Energieerzeugungseinrichtungen betrieben werden. Es kann dann auch
vorteilhafterweise noch eine drahtlose Signalübertragungstechnik zwischen
dem erfindungsgemäßen magnetischinduktiven
Durchflussmessgerät
und einer zentralen Prozesssteuer- und Leiteinheit vorgesehen werden,
so dass ein erfindungsgemäßes magnetisch-
induktives Durchflussmessgerät
in einer Prozessanlage vollständig
drahtlos installierbar ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Anhand
der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und
beschrieben werden.
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Es
zeigt die einzige Figur im Längsschnitt
schematisch ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem
Messrohr 1, dessen Rohrwand 12 aus nicht-magnetischem
Metall besteht, wie bei magnetisch-induktiven Durchflussmessern üblich. Sie
ist zum fluid-durchströmten
Innenraum 4 hin mit einer Innenrohrauskleidung 11 ausgekleidet.
Die Innerohrauskleidung 11 besteht aus einem elektrisch
isolierenden, chemisch sehr beständigen
Kunststoffmaterial, beispielsweise Teflon.
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Das
Durchflussmessgerät
umfasst einen konduktiven Signalabgriff. Dazu ist ein Elektrodenpaar,
von dem in der Figur nur eine Elektrode 32 dargestellt
ist, in das Messrohr 1 eingebracht Die Relationen der Abmessungen
der Messrohrwand 12, der Innenrohrauskleidung 6 und
der Elektrode 32 sind in der Figur nicht maßstäblich, sondern
nur schematisch dargestellt.
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An
der Messrohrwand und diese umfassend ist ein gekapseltes Gehäuse 10 angebracht.
Das Gehäuse 10 umfasst
einen Kühlmittelbehälter 2,
der ebenfalls das Messrohr 1 umgibt und innerhalb dessen
ein Magnetsystem 14 untergebracht ist. Der Kühlmittelbehälter kann
beispielsweise als doppelwandiges Gefäß mit einer zwischen Innen-
und Außenwand
angebrachten Isolierschicht, ein sogenanntes Dewar-Gefäß, aufgebaut
sein.
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Daneben
umfasst das Gehäuse 10 noch
eine Signalvorverarbeitungs- und Übertragungsbaugruppe 22.
Das Magnetsystem 14 besteht aus kreisförmigen Erregerspulen 16, 18 und
einem ferromagnetischen Kern 20 zur magnetischen Rückführung. Die
Wicklungsebenen der kreisringförmigen
Erregerspulen 16, 18 verlaufen parallel zu einander
und zur Rohrmittelachse, so dass das magnetische Erregungsfeld,
symbolisiert durch die Pfeile B, senkrecht zur Rohrmittelachse orientiert
ist. Wegen der Längsschnittdarstellung
sind von den kreisringförmigen
Spulen 16, 18 nur die Schnittflächen zu
sehen.
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Der
ferromagnetische Kern 20 besteht aus einem biegsamen, ferromagnetischen
Blech, das zwischen den beiden Spulen 16, 18 parallel
zur Mantelfläche
des Rohrleitungsstückes 1 verläuft und
den magnetischen Rückfluss
gewährleistet.
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Die
Erregerspulen 16, 18 sind aus einem metallummantelten
hochtemperatursupraleitenden Draht gewickelt, beispielsweise aus
Bi2Sr2Ca2Cu3O10,
ummantelt mit Silber. Ihre elektrischen Zuleitungen bestehen aus normalleitendem
Metall und sind mit dem metallummantelten, supraleitenden Spulendraht
mittels bekannter Methoden, beispielsweise über Metalllote, verbunden.
Der Kühlmittelbehälter 2 ist
mit flüssigem
Stickstoff gefüllt,
so dass die hochtemperatur-supraleitenden Erregerspulen 16, 18 auf
einer Temperatur von etwa 77K gehalten sind. Diese Temperatur liegt
unterhalb der kriti schen Sprungtemperatur von aus Bi2Sr2Ca2Cu3O10, so dass die Erregerspulen 16, 18 einen
vernachlässigbaren
ohmschen Widerstand aufweisen.
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Der
Kühlmittelbehälter 2 steht über eine
Kühlmittelleitung 44 und
ein Ventil 42 in Verbindung mit einem außen an dem
Gehäuse 10 angebrachten
Vorratsgefäß 40 mit
flüssigem
Stickstoff. Wenn aus dem Kühlmittelbehälter 2 flüssiger Stickstoff
entweicht, etwa durch Verdampfen, so wird über die Kühlmittelleitung 44 und
das Ventil 42 aus dem Vorratsbehälter 40 die Kühlmittelbeladung
innerhalb des Kühlmittelbehälters 2 immer
wieder ergänzt.
Der Kühlmittel-Vorratsbehälter ist
von außen über eine – hier nicht
dargestellte – verschließbare Öffnung mit
flüssigem
Stickstoff befüllbar.
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Neben
der elektronischen Signalvorverarbeitungs- und Signalübertragungsbaugruppe 22 sind
(hier nicht dargestellte) Messsignalzuleitungen von der Signalvorverarbeitungsbaugruppe 22 zu
den Messelektroden 32 vorhanden.
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Von
der Signalvorverarbeitungsbaugruppe 22 sind Signalleitungen
nach außen
zu einer an dem Gehäuse 10 angebrachten
Transmitterbaugruppe 26 geführt. Über die Transmitterbaugruppe 26 erfolgt
die Anbindung des Durchflussmessgerätes 1 mittels drahtloser
Signalübertragung,
durch den Pfeil 30 symbolisiert, an eine zentrale Prozesssteuer-
und Leiteinheit 28. Die Prozesssteuereinheit 28 umfasst
dabei wenigstens einen Prozessrechner (hier nicht dargestellt).
Selbstverständlich
könnte
die Signalübertragung
zwischen der Transmitterbaugruppe 26 und der Prozesssteuer-
und Leiteinheit 28 auch drahtgebunden erfolgen, in bekannter
Weise etwa in Zwei- oder Vierleitertechnik oder über ein Feldbussystem.
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Die
Transmitterbaugruppe 26 umfasst auch eine – hier nicht
gesondert dargestellte – elektrische
Energieversorgungsvorrichtung für
das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät. Diese umfasst entweder – bei Versorgung über das
elektrische Stromnetz – ein
Netzgerät,
welches die üblicherweise
vom Stromnetz gelieferten 220V oder 380V Wechselspannung auf eine
innerhalb des Durchflussmessers üblicherweise
verwendete Gleich-Niederspannung, beispielsweise 24V oder 5V, wandelt,
oder- bei netzunabhängiger
Stromversorgung – eine
Batterie oder Brennstoffzelleneinheit, oder einen thermoelektrischen
Konverter oder eine Photovoltaische Stromversorgungseinheit mit
Solarzellen. Da die elektrische Ausgangsleistung bei netzunabhängigen Stromversorgungseinrichtungen
wie den genannten begrenzt ist, kommt insbesondere bei netzunabhängigem Betrieb
der Vorteil des geringen Energieverbrauches eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes mit
hochtemperatursupraleitender Erregerspule zum Tragen.
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Die
in der Figur gezeigte Ausführungsform
ist nicht die einzig denkbare zur Realisierung der Erfindung. In
einer alternativen Ausgestaltungsform können beispielsweise zwei Teil-Kühlmittelbehälter vorgesehen
sein, von denen einer das obere Teil-Magnetsystem mit der Erregerspule 18 und
der andere das untere Teil-Magnetsystem mit der Erregerspule 16 umfasst.
Beide Teil-Kühlmittelbehälter sind
dann untereinander durch einen Kühlmittelkanal
verbunden.
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In
einer weiteren Variante, die hier auch nicht gesondert dargestellt
ist, könnte
das Vorratsgefäß 40 einige
Meter von dem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät 1 entfernt
aufgestellt sein und die Kühlmittelleitung
zwischen dem Vorratsgefäß 40 und
dem Kühlmittelbehälter 2 als
thermisch isolierter Schlauch ausgebildet sein, der das entfernt
liegende Vorratsgefäß 40 mit
dem Kühlmittelbehälter 2 innerhalb
des Gehäuses 10 verbindet.
Auf diese Weise könnten
mehrere erfindungsgemäße magnetisch-induktive
Durchflussmessgeräte
aus einem Kühlmittel-Vorratsgefäß 40 gespeist
werden, was die Wartung der Geräte
weiter vereinfachen würde.
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Auch
alle anderen denkbaren Systemvarianten und Aufbauarten von magnetischinduktiven
Durchflussmessgeräten
sind von der Erfindung erfasst, sofern diese nur hochtemperatur-supraleitende
Erregerspulen umfassen. Bezugszeichenliste