DE102007038895A1

DE102007038895A1 - Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102007038895A1
Application number: DE102007038895A
Authority: DE
Inventors: David Stonehouse Lincoln; Michael Stonehouse Armitage
Original assignee: ABB Ltd Great Britain; ABB Ltd Ireland
Current assignee: ABB Ltd Great Britain; ABB Ltd Ireland
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2008-05-08
Also published as: GB2440963A; GB0616504D0; US7621188B2; US20080060446A1; GB2440963B; AU2007209827A1; AU2007209827B2

Abstract

Ein elektromagnetischer Durchflussmesser zur Messung der Durchflussrate eines Fluids, das durch denselben fließt, umfasst eine Leitung, die einen Fluideinlass, einen Fluidauslass und eine zwischen dem Einlass und dem Auslass positionierte Messsektion umgrenzt. Außerdem umfasst der Durchflussmesser eine Einzelspule zur Erzeugung eines Magnetfelds quer durch die Messsektion und Elektroden zur Erfassung induzierten elektrischen Potentials infolge des Fluiddurchflusses. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spule so angeordnet, dass sie einezwischen 140 und 180° umgibt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Elektroden an Positionen platziert, in denen sie so versetzt sind, dass sie einander nicht auf der Mittellinie der Messsektion gegenüberliegen, und zwar um einen Versatzwinkel zwischen 5° und 45°.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Durchflussmesser, insbesondere auf elektromagnetische Durchflussmesser und deren Herstellung.
Elektromagnetische Durchflussmesser und ihre Funktionsweisen sind wohlbekannt. Bei ihrer Anwendung wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, dessen Flusslinien sowohl zur Längsachse des Durchflussrohrs, durch welches das zu messende Fluid geleitet wird, als auch zur Querachse senkrecht sind, entlang welcher die Elektroden an diametral entgegengesetzten Positionen in Bezug auf das Rohr angeordnet sind. Die Funktionsprinzipien beruhen auf dem Faradayschen Gesetz der Induktion, welches besagt, dass die Spannung, die quer durch einen beliebigen Leiter induziert wird, während dieser sich in rechten Winkeln durch ein Magnetfeld bewegt, proportional zur Geschwindigkeit dieses Leiters ist. Das der Messung unterzogene Fluid stellt effektiv eine Serie fluider Leiter dar, die sich durch das Magnetfeld bewegen; je schneller die Durchflussrate, desto größer die momentanen Werte der an den Elektroden hergestellten Spannung.
Bei der Messung des elektromagnetischen Durchflusses handelt es sich um eine gereifte und solide Technologie, und die ersten Einheiten wurden bereits vor über 50 Jahren im Handel vertrieben. Allerdings sind die Kosten für elektromagnetische Durchflussmesser verhältnismäßig hoch, was in erster Linie durch die bei ihrer Konstruktion verwendeten Materialien und die notwendigerweise hohen Personalkosten bedingt ist.
Die existierenden und im Handel üblichen elektromagnetischen Durchflussmesser nutzen zwei Spulen, die jeweils an einer Seite des Durchflussrohrs positioniert sind bei dem Versuch, ein homogenes Magnetfeld quer durch das Durchflussrohr zu erzeugen. Typischerweise werden Spulenwicklungen verwendet, die auf ein geeignetes Polstück gewickelt sind.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, mindestens einen alternativen Typ eines elektromagnetischen Durchflussmessers zu bieten, der sich kostengünstiger als die derzeit erhältlichen Durchflussmesser herstellen lässt.
Gemäß einem Aspekt bietet die vorliegende Erfindung eine elektromagnetische Durchflussmessvorrichtung, welche Folgendes umfasst: i) einen Einlass zur Aufnahme von Fluid, das einer Durchflussleitung entlang fließt, ii) einen in fluider kommunikativer Verbindung mit dem Einlass stehenden Auslass, um Fluid herauszulassen, das durch den Durchflussmesser fließt; iii) eine Messsektion, die zwischen, und in fluider kommunikativer Verbindung mit, dem Einlass und dem Auslass positioniert ist; iv) eine neben einem Abschnitt der Messsektion positionierte Einzelspule, um ein Magnetfeld quer durch die Messsektion zu erzeugen; und v) Elektroden zur Wahrnehmung elektrischer Felder, die durch Fluid erzeugt werden, das durch das Magnetfeld in der Messsektion fließt. In einer Ausführungsform ist die Einzelspule so angeordnet, dass sie einen Abschnitt der Messsektion umgibt, und/oder mindestens eine der Elektroden ist so um einen vorbestimmten Versatzwinkel versetzt, dass sie der anderen Elektrode nicht diametral gegenüberliegt, damit die Verwendung einer Einzelspule kompensiert wird. Falls beide Elektroden gegenüber einer Mittellinie der Messsektion versetzt sind, können die Versatzwinkel der Elektroden gleich oder unterschiedlich ausfallen.
In einer Ausführungsform deckt die Einzelspule ein Segment der Messsektion mit einem effektiven Segmentwinkel zwischen 120 Grad und 180 Grad ab. Der Begriff „effektiver Segmentwinkel" wird gebraucht, da Spulen, die sich über kleinere Segmentwinkel erstrecken, mit einem zweckmäßig geformten Polstück verwendet werden können, so dass das gleiche (oder ein sehr ähnliches) Magnetfeldmuster erzeugt wird wie von einer Einzelspule, die ein Segment mit einem Segmentwinkel zwischen 120 Grad und 180 Grad abdeckt. Falls die Durchflussmesserbohrung eine Breite unter 65 mm besitzt, ist die Einzelspule vorzugsweise so positioniert, dass sie ein Segment der Messsektion umgibt, das einen effektiven Segmentwinkel zwischen 160 Grad und 180 Grad aufweist. Wenn hingegen die Durchflussmesserbohrung eine Breite zwischen 65 mm und 600 mm besitzt, ist die Einzelspule vorzugsweise so positioniert, dass sie ein Segment der Messsektion umgibt, das einen effektiven Segmentwinkel zwischen 140 Grad und 180 aufweist.
Die Elektroden können an gegenüberliegenden Seiten der Messsektion platziert sein. Es besteht die Möglichkeit, die Elektroden einander diametral entgegengesetzt anzuordnen. Der Begriff „diametral entgegengesetzt" soll jenen Fall umfassen, wo die Messsektion einen kreisrunden Querschnitt oder einen nicht kreisrunden Querschnitt besitzt und die Elektroden auf einer Mittellinie der Messsektion positioniert sind, die durch die Längsachse der Messsektion verläuft.
Allerdings ist bzw. sind in einer bevorzugten Ausführungsform eine oder beide der Elektroden versetzt, so dass sie einander nicht diametral gegenüberliegen, und zwar um einen Versatzwinkel zwischen 5 Grad und 45 Grad, der von der Achse der Messsektion aus gemessen wird. Dies ermöglicht, dass präzisere Durchflussmessungen erhalten werden, wenn eine Einzelspule zur Erzeugung des Magnetfelds quer durch die Messsektion verwendet wird.
In einer Ausführungsform sind die Elektroden um einen Versatzwinkel von annähernd 10 Grad, der von der Achse der Messsektion aus gemessen wird, versetzt, so dass sie einander nicht diametral entgegenliegen, und die Einzelspule deckt ein Segment der Messsektion ab, das einen Segmentwinkel von annähernd 150 Grad aufweist.
Die Erfinder haben festgestellt, dass sich ein Durchflussmesser, der die durch die Einflüsse der Reynolds-Zahl auf das Geschwindigkeitsprofil verursachten Ungenauigkeiten minimiert, erhalten lässt, indem Elektroden eingesetzt werden, die gegenüber der Mitte des nächstgelegenen Spulenbündels um einen Winkel zwischen 20 Grad und 40 versetzt sind.
Die eingesetzten Elektroden können in Abhängigkeit von der Größe der Leitungsbohrung Punkt- oder Stabelektroden sein. Für Durchflussmesser mit kleiner Bohrung (mit einem Bohrungsdurchmesser unter 65 mm) werden vorzugsweise Punktelektroden verwendet. Bei den Elektroden kann es sich um Kontaktelektroden handeln, die so entworfen sind, dass sie das Fluid, an dem die Messung erfolgt, berühren, oder die Elektroden können keine Kontaktelektroden und so angeordnet sein, dass sie das elektrische Feld kapazitiv wahrnehmen.
Die Messsektion kann eine kreisrunde oder ovale Querschnittform in einer zum Durchflussweg quer verlaufenden Richtung besitzen, oder sie kann eine oder mehrere parallele Seiten haben, die einen quadratischen oder polygonalen Querschnitt umgrenzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Einzelspule eine sattelförmige Spule dar, die sich entlang der Länge der Messsektion erstreckt und um eine Außenwand der Messsektion krümmt. Die Windungen der sattelförmigen Spule können einen im Wesentlichen rechteckigen oder diamantförmigen Bereich umschließen. Alternativ dazu kann die Einzelspule eine auf ein Polstück gewickelte Spulenwicklung sein. Wie oben erwähnt, können Polstücke auch mit der sattelförmigen Spule benutzt werden, um das gewünschte Magnetfeldmuster zu erzeugen.
In einer Ausführungsform umfasst der Durchflussmesser eine Leitungssektion und einen länglichen Einsatz, der sich eignet, um der Länge nach und in das Innere der Sektion der Durchflussleitung eingesetzt zu werden, welcher Einsatz den obigen Einlass, den obigen Auslass und die obige Messsektion umfasst. In diesem Fall weist der Einlass vorzugsweise eine Begrenzung auf, die durch eine Übergangssektion zwischen dem Einlass und der Messsektion gebildet wird, um den Durchfluss zu konditionieren, bevor er die Messsektion passiert. In einer bevorzugten Ausführungsform wandelt sich die Querschnittform des Einsatzes in einer zum Durchflussweg quer verlaufenden Richtung sanft von der Form des Einlasses zur Form der Messsektion in der Übergangssektion, da dies die von der Begrenzung verursachte Turbulenz verringert.
Typischerweise umfasst die Durchflussleitung einen Durchlass, der sich vom Durchflussweg weg erstreckt, um der Spule Energie zur Verfügung zu stellen und um zu ermöglichen, dass Messwerte von der Vorrichtung im Innern der Durchflussleitung erhalten werden.
In einer Ausführungsform beläuft sich der Querschnittbereich der Messsektion in einer zum Durchflussweg quer verlaufenden Richtung geteilt durch den Querschnittbereich der Durchflussleitung in einer zum Durchflussweg quer verlaufenden Richtung auf unter 70%. Ferner kann in einer Ausführungsform der Querschnittbereich der Messsektion weniger als ungefähr 50% des Querschnittbereichs der Durchflussleitung abdecken. Dies kann in einem System mit geringer Durchflussrate oder zur Steigerung der Einheitlichkeit des Magnetfelds in der Messsektion von Nutzen sein.
Falls gewünscht, kann ein elektrostatischer Schirm integral mit dem Einsatz vorgesehen oder an diesen gekoppelt sein, um dem Einsatz strukturelle Stabilität zu verleihen.
Vorzugsweise wird der Einsatz durch Moulding oder Extrusion hergestellt, beispielsweise durch Spritzgießen, Spritzpressen oder Rotationsgießen. Das Moulding des Durchflussmessereinsatzes aus einem Material, wie z.B. Kunststoff oder Gummi, kann die Möglichkeit eröffnen, dass nicht kreisrunde Durchflussmessereinsätze zur Verfügung gestellt werden, die einerseits leicht und kostengünstig, andererseits ausreichend stark und robust sind, um dem Fluiddruck standzuhalten.
In einer Ausführungsform kann der Einsatz im Wesentlichen aus einem thermoplastischen Material hergestellt werden; beispielsweise besteht die Möglichkeit, den Einsatz aus einem mit Glas angereicherten Kunststoffmaterial zu fertigen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Herstellung des Einsatzes im Wesentlichen aus einem wärmehärtenden Kunststoff erfolgen.
Es ist möglich, den Einsatz mit rückwärtigem Verguss zu verbinden, der vorgesehen sein kann, um dem Einsatz die Stärke und die Steifigkeit zu verleihen, die unter Fluiddruck erforderlich sind. Das Verfahren zur Herstellung des Einsatzes wird vorzugsweise auf Grundlage des für den Einsatz verwendeten Materials ausgewählt, und es bietet sich die Möglichkeit jenes Verfahren anzuwenden, das sich für das jeweils ausgewählte Material am besten eignet, wobei es sich um ein Verfahren nach Stand der Technik handeln kann.
Weiterhin bietet die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Durchflussmessers, welches Folgendes umfasst: i) Bereitstellen eines Einlasses zur Aufnahme von Fluid, das entlang einer Durchflussleitung fließt; ii) Bereitstellen eines in fluider kommunikativer Verbindung mit dem Einlass stehenden Auslasses zum Herauslassen von Fluid, das durch den Durchflussmesser fließt; iii) Bereitstellen einer Messsektion, die zwischen, und in fluider kommunikativer Verbindung mit, dem Einlass und dem Auslass positioniert ist; iv) Bereitstellen einer Einzelspule und Positionieren der Einzelspule neben einem Abschnitt der Messsektion, um ein Magnetfeld quer durch die Messsektion zu erzeugen; und v) Bereitstellen von Elektroden zur Wahrnehmung elektrischer Felder, die vom Fluidfluss durch das Magnetfeld in der Messsektion erzeugt werden.
Vorzugsweise wird der Einsatz beim Einsetzen in eine Durchflussleitung rückwärtig vergossen. Das rückwärtige Vergießen kann die Möglichkeit schaffen, dass der Einsatz innerhalb der Leitung gestützt und stabilisiert wird, und kann daher die Zuverlässigkeit der Durchflussmessungen erhöhen.
Ein Fachmann trägt dem Umstand Rechnung, dass sich Variationen im Detail vornehmen und Merkmale eines Aspekts auf andere Aspekte anwenden lassen, und zwar innerhalb der Tragweite der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, erfolgt nun die detaillierte Beschreibung einer Anzahl von Ausführungsbeispielen anhand der begleitenden Figuren:
1A ist eine Perspektivdarstellung mit Aussparung von Teilen, die einen elektromagnetischen Durchflussmesser zeigt, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
1B ist eine seitliche Darstellung mit Aussparung von Teilen, die den elektromagnetischen Durchflussmesser aus 1 veranschaulicht;
1C ist eine Darstellung, die ein Ende des elektromagnetischen Durchflussmessers aus 1A unter Aussparung von Teilen zeigt;
2A und 2B sind jeweils eine Seiten- und eine Schnittdarstellung des elektromagnetischen Durchflussmessers aus 1A;
3A ist eine Perspektivdarstellung mit Aussparung von Teilen, die einen weiteren elektromagnetischen Durchflussmesser zeigt, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
3B ist eine seitliche Darstellung mit Aussparung von Teilen, die den elektromagnetischen Durchflussmesser aus 3A veranschaulicht;
3C ist eine Darstellung, die ein Ende des elektromagnetischen Durchflussmessers aus 3A unter Aussparung von Teilen zeigt;
die 4A und 4B sind jeweils eine Seiten- und eine Querschnittdarstellung eines weiteren alternativen elektromagnetischen Durchflussmessers, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
5 ist eine Perspektivdarstellung mit Aussparung von Teilen, die einen elektromagnetischen Durchflussmesser veranschaulicht, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
6A zeigt in größeren Einzelheiten die Umrissform der Sattelspule, die im elektromagnetischen Durchflussmesser aus 1 benutzt wird;
6B veranschaulicht in größeren Einzelheiten die Umrissform der Sattelspule, die in den elektromagnetischen Durchflussmessern aus den 3 und 4 verwendet wird; und
6C stellt in größeren Einzelheiten die Umrissform einer weiteren sattelförmigen Spule dar, die sich in alternativen Ausführungsformen einsetzen lässt.
Ausführungsform 1
Die 1 und 2 stellen einen elektromagnetischen Durchflussmesser 1 dar, der die vorliegende Erfindung verkörpert. Dieser Durchflussmesser 1 verfügt über eine (in dieser Ausführungsform aus Carbonstahl bestehende) Durchflussleitung 3, die halbiert worden ist, um die Form eines länglichen Einsatzes 5 zu veranschaulichen, welcher der Länge nach in die Leitung 3 eingesetzt ist. Der Einsatz 5 beinhaltet eine Einlasssektion 7, eine Auslasssektion 9 und eine zentrale Messsektion 10, die alle einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt besitzen. Die Dimensionen des Einlasses 7 und des Auslasses 9 sind so bemessen, dass diese Sektionen des Einsatzes 5 gerade in die Durchflussleitung 3 passen. In dieser Ausführungsform verfügt der Einsatz an jedem Ende über ihn sicher in der Durchflussleitung 3 haltende Flansche 11-1 und 11-2 (von denen einer abnehmbar sein kann, um das Einsetzen des Einsatzes 5 in die Durchflussleitung 3 zu erleichtern). Die Innenwände des Einsatzes 3 begrenzen eine Mittelbohrung 13, durch die das Fluid fließt, und Mittel in Form von Elektroden 14-1 und 14-2, welche unter Anwendung bekannter Verfahren das elektrische Potential des die Mittelbohrung 13 passierenden Fluids erfassen, sind in der Seitenwand der Messsektion 10 angeordnet. Vorzugsweise werden Kleinbereichselektroden 14 eingesetzt, die einen Durchmesser zwischen 0,1 mm und 20 mm aufweisen. In Abhängigkeit von der Anwendung des elektromagnetischen Durchflussmessers oder dem Durchmesser seiner Bohrung 13 können eine höhere Zahl oder größere Elektroden 14 eingesetzt werden. Falls beispielsweise die Mittelbohrung 13 verhältnismäßig groß ist (z.B. größer als 600 mm) oder falls das Fluid eine relativ geringe Leitfähigkeit aufweist, besteht die Möglichkeit, zusätzliche oder größere Elektroden zu verwenden.
In dieser Ausführungsform steht eine einzelne sattelförmige Spule 17 zur Verfügung, die einen unteren Abschnitt der Messsektion 10 umgibt. Wie deutlicher in der Querschnittdarstellung aus 2B veranschaulicht, krümmt sich die Spule 17 in dieser Ausführungsform um die Außenwand der Messsektion 10 über einen Segmentwinkel (θ) von 150 Grad, der ausgehend von der Mittelachse der Messsektion 10 zu den Mittelpunkten der Spulenbündel der Spule 17 gemessen wird. Die Spule 17 erstreckt sich außerdem entlang der Länge der Messsektion 10 über eine Strecke, die zwischen 0,1- und 10-mal so groß ist wie die Breite der Messsektion 10 in einer zum Durchflussweg quer verlaufenden Richtung.
Überraschenderweise und entgegen der gängigen Praxis in der Industrie haben die Erfinder die Entdeckung gemacht, dass die Verwendung einer Einzelspule 17 zur Erzeugung des Magnetfelds quer durch die Messsektion 10 Durchflussmessergebnisse von ausreichender Genauigkeit verschaffen kann. Spezifischer ausgedrückt, haben die Erfinder herausgefunden, dass für Durchflussmesser mit kleiner Bohrung (bei denen die Bohrung 13 zwischen 25 mm und 65 mm liegt) eine gute Genauigkeit erzielt wurde, wenn sich die Einzelspule 17 über einen Segmentwinkel (θ) zwischen 160 Grad und 180 Grad erstreckt hat; bezüglich Durchflussmessern mit mittlerer Bohrung (bei denen die Bohrung 13 zwischen 65 mm und 600 mm liegt) haben die Erfinder ermittelt, dass eine gute Genauigkeit erzielt wurde, wenn sich die Einzelspule 17 über einen Segmentwinkel (θ) zwischen 140 Grad und 180 Grad erstreckt hat; und ferner wurde hinsichtlich Durchflussmessern mit großer Bohrung (bei denen die Bohrung 13 größer als 600 mm ist) festgestellt, dass eine gute Genauigkeit erzielt wurde, wenn sich die Einzelspule 17 über einen Segmentwinkel (θ) zwischen 120 Grad und 180 Grad erstreckt hat.
Zusätzlich haben die Erfinder herausgefunden, dass sich eine verbesserte Genauigkeit dadurch erzielen lässt, dass die Position einer oder mehrerer der Elektroden 14 so versetzt wird, dass sie einander entlang einer Mittellinie, welche durch die Längsachse der Messsektion 10 verläuft, nicht diametral gegenüberliegen (was in starkem Kontrast zum herkömmlichen Wissen steht). In dieser Ausführungsform sind die Elektroden 14 beide gegenüber der Mittellinie (wo sie einander diametral gegenüberliegen würden) um einen (in 2B) veranschaulichten Versatzwinkel (φ) von 10 Grad versetzt. In Fällen, wo beide Elektroden gegenüber der Mittellinie versetzt sind, können die Versatzwinkel der Elektroden einander gleich oder voneinander verschieden sein. Die Erfinder haben die Feststellung gemacht, dass sich mit einem Versatzwinkel (φ) zwischen 5 Grad und 45 Grad eine verbesserte Genauigkeit erzielen lässt. Des Weiteren haben die Erfinder ermittelt, dass der Versatzwinkel (φ), welcher Ungenauigkeiten minimiert, die durch die Auswirkungen der Reynolds-Zahl auf das Geschwindigkeitsprofil verursacht werden, zum Segmentwinkel (θ) der Spule 17 in Bezug steht. Insbesondere wird in der bevorzugten Ausführungsform der Versatzwinkel (φ) so gewählt, dass jede Elektrode gegenüber der Mitte des nächstgelegenen Spulenbündels um einen Winkel (β) zwischen 20 Grad und 40 Grad versetzt ist.
In dieser Ausführungsform besitzt die Durchflussleitung 3 weiterhin einen Durchlass 19, der sich verwenden lässt, um die Einzelspule 17 in der Durchflussleitung 3 mit Energie zu versorgen, und der eingesetzt werden kann, um zu ermöglichen, dass Messwerte aus der Vorrichtung in der Leitung 3 erhalten werden.
Beim Einsetzen in die Durchflussleitung 3 wird der Einsatz 5 vorzugsweise rückwärtig vergossen, um den Einsatz 5 zu stützen und ihn innerhalb der Durchflussleitung 3 zu stabilisieren. Benutzt werden kann jedwede geeignete Vergussmasse, beispielsweise Epoxidharz oder Polyurethan.
Die Herstellung des Durchflussmessereinsatzes 5 kann durch Spritzgießen erfolgen. Es besteht die Möglichkeit, den Einsatz 5 aus Kunststoffmaterial, wie z.B. ABS, aus natürlichem oder synthetischem Gummi oder aus einem anderen ähnlichen Material zu fertigen.
Ein Einsatz aus Materialien, die von erhöhten Temperaturen oder korrosiven Fluiden in geringerem Maß beeinträchtigt werden (etwa PTFE, PFA, d.h. die Teflon-Familie), lässt sich mithilfe von Verfahren fertigen, die von den entsprechenden Industrien bereits angewandt werden (einschließlich maschineller Bearbeitung, Sintern, Spritzpressen, Rotationsgießen, etc.). Die Verfahren zur Herstellung dieser Materialien sind geringfügig anders als bei „normalen" Kunststoffen, und zwar bedingt durch die viskoelastischen Eigenschaften dieser Materialien bei ihren Verarbeitungstemperaturen. Andere, herkömmlichere Kunststoffe, die für weniger anspruchsvolle Spezialanwendungen eingesetzt werden könnten, wie z.B. HDPE oder PVDF, könnten mittels herkömmlicherer Verfahren, etwa dem Spritzgießen, produziert werden.
Zweite Ausführungsform
Die 3A, 3B und 3C veranschaulichen einen alternativen Entwurf des elektromagnetischen Durchflussmessers, der die vorliegende Erfindung verkörpert. In diesen Figuren werden die gleichen Bezugsziffern zur Bezeichnung gleicher Elemente gebraucht.
Der Hauptunterschied zwischen dem Durchflussmesser dieser Ausführungsform und dem Durchflussmesser der ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Messsektion 10 einen achteckigen Querschnitt in einer zum Fluidfluss quer verlaufenden Richtung hat. Des Weiteren umgibt in dieser Ausführungsform die Einzelspule 17, wie 3B zeigt, ein unteres Segment der Messsektion 120 mit einem Segmentwinkel (θ) von annähernd 140 Grad.
In dieser Ausführungsform ist jede Elektrode 14 gegenüber der Mittellinie um einen Versatzwinkel (φ) von 20 Grad versetzt.
Ferner besteht in dieser Ausführungsform die Möglichkeit, den Einsatz aus einem beliebigen der folgenden Materialien herzustellen: Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylenterephthalat (PET), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyethylen (PE), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyoxymethylen (POM), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethylen hoher Dichte (PEHD) oder Polyvinylidendifluorid (PVDF).
Dritte Ausführungsform
Die 4A und 4B stellen einen alternativen Aufbau eines elektromagnetischen Durchflussmessers dar, der die vorliegende Erfindung verkörpert. In diesen Figuren werden die gleichen Bezugsziffern zur Bezeichnung gleicher Bauteile gebraucht. Der einzige Unterschied zwischen dem Durchflussmesser dieser Ausführungsform und dem Durchflussmesser der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass in dieser Ausführungsform die Elektroden 14 nicht gegenüber der Mittellinie versetzt sind. Stattdessen sind sie so positioniert, dass sie einander entlang der Mittellinie gegenüberliegen, welche durch die Längesachse der Messsektion 10 verläuft.
Vierte Ausführungsform
5 zeigt einen alternativen Aufbau eines elektromagnetischen Durchflussmessers, der die vorliegende Erfindung verkörpert. In dieser Figur werden die gleichen Bezugsziffern zur Bezeichnung gleicher Bauteile benutzt. Der Hauptunterschied zwischen dem Durchflussmesser dieser Ausführungsform und dem Durchflussmesser der ersten drei Ausführungsformen liegt darin, dass in dieser Ausführungsform der Durchflussmesser ein Durchflussmesser vom „Full-Bore"-Typ ist, wo keine Begrenzung des Fluidflusses im Durchflussmesser besteht. In dieser Ausführungsform beläuft sich der Segmentwinkel (θ) der Spule auf 17 bis 120 Grad und der Versatzwinkel (φ) jeder Elektrode beträgt 14 bis 25 Grad. Am oberen Teil der Durchflussleitung (gegenüber der Sattelspule 17) ist in dieser Ausführungsform eine dritte Elektrode 14-3 vorgesehen, die mit der Masse auf herkömmliche Weise verbunden ist.
Spulenform und Herstellung
6 veranschaulicht schematisch die Umrissform einer Anzahl von Sattelspulen 17, die in elektromagnetischen Durchflussmessern eingesetzt werden können, welche die vorliegende Erfindung verkörpern. Insbesondere stellt 6A die Umrissform der Sattelspule 17-1 dar, die in der ersten Ausführungsform verwendet wird, die anhand 1 und 2 beschrieben ist; 6B zeigt die Umrissform der Sattelspule 17-2, die in der zweiten und dritten Ausführungsform zum Einsatz kommt, die unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben werden; und 6C veranschaulicht die Umrissform einer alternativen „diamantförmigen" Sattelspule 17-3, die im Aufbau eines alternativen elektromagnetischen Durchflussmessers verwendbar ist.
Fachleute auf diesem Gebiet werden der Tatsache Rechnung tragen, dass die in 6 dargestellten Spulen keine massiven Leiter, sondern aus einer Anzahl von Leiterwindungen (typischerweise 100 oder 200 Windungen) geformt sind. Die Anzahl der Windungen, der von den Windungen umschlossene Bereich, etc. sind abhängig vom Durchmesser (Breite in einer zum Fluidfluss quer verlaufenden Richtung) der Messsektion 10 und daher von der Durchflussleitung 3. Typischerweise wird die Spule 17 gefertigt, indem sie so gewunden wird, dass sie eine flache rechteckige Spule bildet, die anschließend verformt wird, damit sie eine der Form der Messsektion entsprechende Fläche aufweist. Unter Verwendung von schmelzverbundenem Draht lässt sich die Spule so formen, dass sie in der gewünschten Form fixiert wird. Alternativ dazu kann die Spule 17 dadurch geformt werden, dass sie direkt über dem gewünschten Abschnitt der Messsektion 10 gewunden und dann mittels Klemmen in Position gehalten oder in einem zweckgemäßen Formungskanal platziert wird.
Ferner kann ein Polstück vorgesehen werden, das die Erzeugung des notwendigen Magnetfeldmusters unterstützt. Falls beispielsweise eine Spule erforderlich ist, um ein Segment der Messsektion abzudecken, das einen Segmentwinkel von 140 Grad hat, kann entweder eine solche Spule vorgesehen werden, oder es kann eine Spule, die einen kleineren Segmentwinkel (z.B. 120 Grad) abdeckt, zusammen mit einem passend geformten Polstück eingesetzt werden, das sich um die Messsektion krümmt. Beide Anordnungen bringen die gleichen oder zumindest sehr ähnliche Magnetfeldmuster hervor und sind demzufolge äquivalent. Um beide dieser Möglichkeiten zu erfassen, beziehen sich die beigefügten Ansprüche auf den „effektiven Segmentwinkel" der Spule.
Jedes Merkmal, das in dieser Spezifikation (welcher Begriff die Ansprüche beinhaltet) offenbart und/oder in den Zeichnungen dargestellt ist, kann in die Erfindung unabhängig von anderen offenbarten und/oder veranschaulichten Merkmalen eingegliedert werden.

Claims

Elektromagnetische Durchflussmessvorrichtung, umfassend: i) einen Einlass zum Aufnehmen von Fluid, das entlang einer Durchflussleitung fließt, ii) einen mit dem Einlass in fluider kommunikativer Verbindung stehenden Auslass zum Herauslassen von Fluid, das durch den Durchflussmesser fließt; iii) eine Messsektion, die zwischen, und in fluider kommunikativer Verbindung mit, dem Einlass und dem Auslass positioniert ist; iv) eine Einzelspule, die neben einem Abschnitt der Messsektion positioniert ist, um ein Magnetfeld quer durch die Messsektion zu erzeugen; und v) Elektroden zum Wahrnehmen elektrischer Felder, die durch Fluid erzeugt werden, das durch das Magnetfeld in der Messsektion fließt; wobei die Einzelspule positioniert ist, um einen Abschnitt der Messsektion zu umgeben, und/oder zumindest eine der Elektroden um einen vorbestimmten Versatzwinkel so versetzt ist, dass sie der anderen Elektrode nicht diametral gegenüberliegt.
Durchflussmesser nach Anspruch 1, wobei die Einzelspule positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, das einen effektiven Segmentwinkel zwischen 120 Grad und 180 Grad aufweist.
Durchflussmesser nach Anspruch 2, wobei die Messsektion eine Breite besitzt, die größer ist als 600 mm.
Durchflussmesser nach Anspruch 2, wobei die Messsektion eine Breite von weniger als 65 mm besitzt und wobei die Einzelspule positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, das einen effektiven Segmentwinkel zwischen 160 Grad und 180 Grad aufweist.
Durchflussmesser nach Anspruch 2, wobei die Messsektion eine Breite zwischen 65 mm und 600 mm besitzt und wobei die Einzelspule positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, das einen effektiven Segmentwinkel zwischen 140 Grad und 180 Grad aufweist.
Durchflussmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Spule entlang der Messsektion über eine Strecke ausdehnt, die zwischen 0,1- und 10-mal so lang ist wie die Breite der Messsektion.
Durchflussmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektroden an gegenüberliegenden Seiten der Messsektion positioniert sind.
Durchflussmesser nach Anspruch 7, wobei die Elektroden einander diametral gegenüberliegend auf einer Mittellinie der Messsektion positioniert sind.
Durchflussmesser nach Anspruch 7, wobei die Elektroden so versetzt sind, dass sie einander nicht diametral gegenüberliegen.
Durchflussmesser nach Anspruch 9, wobei jede Elektrode gegenüber einer Mittellinie der Messsektion um einen jeweiligen Versatzwinkel versetzt ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 10, wobei jeder Versatzwinkel zwischen 5 Grad und 45 Grad liegt, gemessen von der Achse der Messsektion aus.
Durchflussmesser nach Anspruch 11, wobei die Einzelspule positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, und wobei jede Elektrode gegenüber der Mitte des nächstgelegenen Spulenbündels um einen Winkel zwischen 20 Grad und 40 Grad versetzt ist.
Durchflussmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektroden einen Durchmesser von 0,1 mm bis 20 mm aufweisen und als Punktelektroden fungieren.
Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Elektroden Stabelektroden sind, die sich über eine Sektion der Messsektionswand erstrecken.
Durchflussmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messsektion eine kreisrunde Querschnittform besitzt.
Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Messsektion eine nicht kreisrunde Querschnittform besitzt.
Durchflussmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messsektion, in einer zur Richtung des Fluidflusses durch die Messsektion quer verlaufenden Richtung, eine Breite besitzt, die größer ist als 600 mm.
Durchflussmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einzelspule eine sattelförmige Spule ist, die sich entlang der Länge der Messsektion erstreckt und die positioniert ist, um einen Abschnitt der Messsektion zu umgeben.
Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Einzelspule positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, das einen Segmentwinkel außerhalb besagten Bereichs von Winkeln hat, und weiterhin umfassend ein Polstück, das bewirkt, dass die Spule ähnliche magnetische Charakteristiken aufweist wie eine Spule, die positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, das einen Segmentwinkel innerhalb besagten Bereichs von Winkeln hat.
Durchflussmesser nach Anspruch 1, wobei die Einzelspule eine Spulenwicklung und ein Polstück umfasst.
Durchflussmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Leitungssektion und einen länglichen Einsatz, der sich eignet, um der Länge nach entlang und im Innern der Durchflussleitungssektion eingesetzt zu werden, wobei der Einsatz den Einlass, den Auslass und die Messsektion umfasst.
Durchflussmesser nach Anspruch 22, wobei der Einlass eine Begrenzung aufweist, die durch eine Übergangssektion zwischen dem Einlass und der Messsektion gebildet wird, wobei sich in der Übergangssektion die Querschnittform des Einsatzes in einer zum Durchflussweg quer verlaufenden Richtung sanft von der Form des Einlasses zur Form der Messsektion wandelt.
Durchflussmesser nach Anspruch 21 oder 22, wobei der Querschnittbereich der Messsektion in einer zum Durchflussweg quer verlaufenden Richtung geteilt durch den Querschnittbereich der Durchflussleitung in einer zum Durchflussweg quer verlaufenden Richtung geringer ist als 70%.
Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei der Einsatz im Wesentlichen aus einem wärmehärtenden oder einem thermoplastischen Material hergestellt ist.
Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei der Einsatz einen abnehmbaren Flansch umfasst, der den Einsatz in der Durchflussleitung festhält.
Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei die Durchflussleitung einen Durchlass umfasst, der sich vom Durchflussweg weg erstreckt, um der Spule Energie zur Verfügung zu stellen und um zu ermöglichen, dass Messwerte aus dem Gerät in der Durchflussleitung erhalten werden.
Durchflussmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Einlass eine Begrenzung umfasst, um den Fluidfluss durch die Messsektion zu konditionieren.
Durchflussmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektroden angeordnet sind, um, bei Gebrauch, das durch die Messsektion fließende Fluid zu berühren.
Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei die Elektroden angeordnet sind, um, bei Gebrauch, das elektrische Feld, das quer durch die Messsektion durch den Fluidfluss erzeugt wird, kapazitiv wahrzunehmen.
Verfahren zur Herstellung eines Durchflussmessers, umfassend: i) Bereitstellen eines Einlasses zum Aufnehmen von Fluid, das entlang einer Durchflussleitung fließt; ii) Bereitstellen eines in fluider kommunikativer Verbindung mit dem Einlass stehenden Auslasses zum Herauslassen von Fluid, das durch den Durchflussmesser fließt; iii) Bereitstellen einer Messsektion, die zwischen, und in fluider kommunikativer Verbindung mit, dem Einlass und dem Auslass positioniert ist; iv) Bereitstellen einer Einzelspule und Positionieren der Einzelspule neben der Messsektion zwecks Erzeugung eines Magnetfelds quer durch die Messsektion; v) Bereitstellen von Elektroden zum Wahrnehmen elektrischer Felder, die durch Fluidfluss durch das Magnetfeld in der Messsektion erzeugt werden; und wobei im Schritt zur Positionierung der Einzelspule die Einzelspule positioniert wird, um einen Abschnitt der Messsektion zu umgeben, und/oder im Schritt zur Elektrodenbereitstellung Elektroden derart bereitgestellt werden, dass zumindest eine der Elektroden um einen vorbestimmten Versatzwinkel so versetzt ist, dass sie der anderen nicht diametral gegenüberliegt.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei im Schritt zur Bereitstellung einer Einzelspule eine Einzelspule bereitgestellt wird, die positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, das einen effektiven Segmentwinkel zwischen 120 Grad und 180 Grad aufweist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei im Schritt zur Bereitstellung einer Messsektion eine Messsektion bereitgestellt wird, die eine Breite über 600 mm besitzt.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei im Schritt zur Bereitstellung einer Messsektion eine Messsektion bereitgestellt wird, die eine Breite besitzt, die geringer ist als 65 mm, und wobei im Schritt zur Bereitstellung einer Einzelspule eine Einzelspule bereitgestellt wird, die positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, das einen effektiven Segmentwinkel zwischen 160 Grad und 180 Grad aufweist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei im Schritt zur Bereitstellung einer Messsektion eine Messsektion bereitgestellt wird, die eine Breite zwischen 65 mm und 600 mm besitzt, und wobei im Schritt zur Bereitstellung einer Einzelspule eine Einzelspule bereitgestellt wird, die positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, das einen effektiven Segmentwinkel zwischen 140 Grad und 180 Grad aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 34, wobei im Schritt zur Bereitstellung einer Einzelspule eine Einzelspule bereitgestellt wird, die sich entlang der Messsektion über eine Strecke ausdehnt, die zwischen 0,1- und 10-mal so lang ist wie die Breite der Messsektion.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 35, wobei im Schritt zur Elektrodenbereitstellung Elektroden bereitgestellt werden, die an gegenüberliegenden Seiten der Messsektion positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei im Schritt zur Elektrodenbereitstellung Elektroden bereitgestellt werden, die einander diametral gegenüberliegend auf einer Mittellinie der Messsektion positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei im Schritt zur Elektrodenbereitstellung Elektroden bereitgestellt werden, die so versetzt sind, dass sie einander nicht diametral gegenüberliegen.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei im Schritt zur Elektrodenbereitstellung Elektroden bereitgestellt werden, die jeweils gegenüber einer Mittellinie der Messsektion um einen jeweiligen Versatzwinkel versetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei im Schritt zur Elektrodenbereitstellung Elektroden so bereitgestellt werden, dass jeder Versatzwinkel zwischen 5 Grad und 45 Grad beträgt, gemessen von der Achse der Messsektion aus.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei im Schritt zur Elektrodenbereitstellung Elektroden bereitgestellt werden, die so versetzt sind, dass sie einander nicht diametral gegenüberliegen, und zwar um einen Versatzwinkel von annähernd 10 Grad, gemessen von der Achse der Messsektion aus, und wobei die Einzelspule positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, das einen Segmentwinkel von annähernd 150 Grad aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei im Schritt zur Bereitstellung einer Einzelspule eine Einzelspule bereitgestellt wird, die positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, und im Schritt zur Elektrodenbereitstellung Elektroden bereitgestellt werden, die gegenüber der Mitte des nächstgelegenen Spulenbündels um zwischen 20 Grad und 40 Grad versetzt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 42, wobei im Schritt zur Elektrodenbereitstellung Elektroden bereitgestellt werden, die einen Durchmesser von 0,1 mm bis 20 mm besitzen und als Punktelektroden fungieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 42, wobei im Schritt zur Elektrodenbereitstellung Stabelektroden bereitgestellt werden, die sich über eine Sektion der Messsektionswand erstrecken.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 30 bis 42, wobei im Schritt zur Bereitstellung einer Messsektion eine Messsektion bereitgestellt wird, die eine kreisrunde Querschnittform besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 42, wobei im Schritt zur Bereitstellung einer Messsektion eine Messsektion bereitgestellt wird, die eine nicht kreisrunde Querschnittform besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 46, wobei im Spulenbereitstellungsschritt eine einzelne sattelförmige Spule bereitgestellt wird, die sich entlang der Länge der Messsektion erstreckt und die um eine Außenwand der Messsektion gekrümmt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, wobei im Spulenbereitstellungsschritt eine Einzelspule bereitgestellt wird, die positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, das einen Segmentwinkel außerhalb des Bereichs von Winkeln aufweist, und weiterhin umfassend ein Polstück, das bewirkt, dass die Spule ähnliche magnetische Charakteristiken aufweist wie eine Spule, die positioniert ist, um ein Segment der Messsektion zu umgeben, das einen Segmentwinkel innerhalb des Bereichs von Winkeln hat.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei im Spulenbereitstellungsschritt eine Einzelspule bereitgestellt wird, die eine auf ein Polstück gewundene Spulenwicklung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 49, umfassend das Bereitstellen einer Leitungssektion und eines länglichen Einsatzes, der den Einlass, den Auslass und die Messsektion umfasst, und Einsetzen des Einsatzes der Länge nach entlang und innerhalb der Durchflussleitungssektion.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 50, umfassend das Bereitstellen eines Einlasses, der eine Begrenzung umfasst, um den Fluidfluss durch die Messsektion zu konditionieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 51, wobei der Querschnittbereich der Messsektion in einer zum Durchflussweg quer verlaufenden Richtung geteilt durch den Querschnittbereich der Durchflussleitung in einer zum Durchflussweg quer verlaufenden Richtung geringer ist als 70%.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 52, wobei im Schritt zur Elektrodenbereitstellung Elektroden bereitgestellt werden, die angeordnet sind, um das durch die Messsektion fließende Fluid zu berühren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 52, wobei im Schritt zur Elektrodenbereitstellung Elektroden bereitgestellt werden, die angeordnet sind, um das elektrische Feld, das quer durch die Messsektion durch den Fluidfluss erzeugt wird, kapazitiv wahrzunehmen.
Verfahren zur Herstellung eines Einsatzes für einen elektromagnetischen Durchflussmesser oder Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Durchflussmessers, im Wesentlichen wie hierin beschrieben.
Elektromagnetischer Durchflussmesser, im Wesentlichen wie dargestellt in den begleitenden Figuren oder wie beschrieben unter Bezugnahme auf dieselben.