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Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtung, mit einem Messrohr, welches Messrohr zur Aufnahme eines strömenden Messstoffs dient und aus einem Trägerrohr besteht, welches wenigstens abschnittsweise mit einer chemisch und/oder elektrisch im Wesentlichen isolierenden Auskleidung ausgekleidet ist.
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Zudem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung, mit einem Messrohr, welches eine im Wesentlichen chemisch und/oder elektrisch isolierende Auskleidung aufweist und von einem Messstoff durchströmt wird.
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Magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtungen werden in Anlagen der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik oftmals zur Bestimmung des Volumen- bzw. Massedurchflusses verwendet. Für die volumetrische Strömungsmessung nutzen magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtungen das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus: Senkrecht zu einem Magnetfeld bewegte Ladungsträger des Messstoffs induzieren im gleichfalls im Wesentlichen senkrecht zur Durchflussrichtung des Messstoffs und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes angeordneten Elektroden eine Spannung. Die in dem Messstoff induzierte und mittels der Elektroden abgegriffene Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Messstoffs und somit zum Volumenstrom. Ist die Dichte des Messstoffs bekannt, lässt sich der Massestrom in der Rohrleitung bzw. dem Messrohr bestimmen. Die Messspannung wird üblicherweise über das Elektrodenpaar abgegriffen, das in dem Bereich des Messrohres angeordnet ist, in dem die maximale Magnetfeldstärke und folglich die maximale Messspannung zu erwarten ist. Die Elektroden sind üblicherweise galvanisch mit dem Messstoff gekoppelt; es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtungen mit berührungslos kapazitiv koppelnden Elektroden bekannt.
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Das Messrohr kann entweder aus einem elektrisch leitfähigen Material, z. B. Edelstahl, gefertigt sein, oder aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen. Ist das Messrohr aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, so muss es in dem mit dem Messstoff in Kontakt kommenden Bereich mit einer Auskleidung, dem sog. Liner, aus einem wenigstens elektrisch isolierenden Material ausgekleidet sein. Die Auskleidung besteht je nach Temperatur und Messstoff beispielsweise aus einem thermoplastischen, einem duroplastischen oder einem elastomeren Kunststoff. Es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtungen mit einer keramischen Auskleidung bekannt geworden.
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In einem solchen Messrohr können sich unterschiedliche Strömungen ausbilden. Laminare Strömungen bspw. haben ein mit Bezug auf die Längsachse des Messrohrs rotationssysmmetrisches Geschwindigkeitsprofil oder im Fall einer asymmetrischen Störung ein Geschwindigkeitsprofil, dessen Maximum in radialer Richtung gegenüber der Längsachse des Messrohrs versetzt ist. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten hingegen kann die Strömung turbulent werden. Das Strömungsprofil weist dann einen Plateaubereich und randnahe Bereiche geringerer Strömungsgeschwindigkeit auf.
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Sowohl Verformungen des Strömungsprofils in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit als auch Unsymmetrien des Strömungsprofils haben einen messwertverfälschenden Einfluss.
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In diesem Zusammenhang ist auf die
deutsche Offenlegungsschrift 10244647 zu verweisen, die eine induktive Durchflussmesseinrichtung mit unterschiedlichen Wirkflächenbereichen vorsieht. Diese Wirkflächenbereiche können bspw. mittels einer speziell geformten Spule oder mehreren Spulen gebildet werden, welche im Wesentlichen entlang eines Umfangsbereichs zwischen den Messelektroden angeordnet sind.
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Die Offenlegungsschrift
DT 2622943 A1 wiederum schlägt aus diesem Grund vor eine oder mehrere Spulen stromaufwärts und stromabwärts bspw. in das Trägerrohr einzuarbeiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Ausgestaltung vorzuschlagen, mittels der Messwertverfälschungen aufgrund des Geschwindigkeitsprofils des in dem Messrohr strömenden Messstoffs verringert werden.
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Die Aufgabe wird durch eine magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung gelöst.
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Hinsichtlich der magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mehrere Magnetspulen wenigstens teilweise in die Auskleidung eingebettet sind und zur Erzeugung eines den Messstoff durchsetzenden Magnetfeldes dienen, und dass die Magnetspulen in Abhängigkeit einer strömungsmechanischen Kenngröße des strömenden Messstoffs anregbar sind.
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Die Magnetspulen können also in Abhängigkeit der erforderlichen Messgenauigkeit betrieben werden. Dafür kann es bspw. erforderlich sein je nach Kenngröße des strömenden Messstoffs zusätzliche Magnetspulen zu aktivieren. Als Kenngröße kann bspw. die Reynoldszahl Re und/oder eine andere strömungsmechanische Kenngröße dienen. Durch die Anregung der Magnetspulen in Abhängigkeit der Kenngröße kann die Magnetfeldstärke und/oder die Verteilung des Magnetfeldes in dem Messrohr optimiert werden. Dadurch kann eine erhebliche Menge an Energie eingespart werden, da das Magnetsystem einen Großteil des Energiebedarfs einer magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung ausmacht. Da die Magnetspulen dadurch, dass sie in die Auskleidung eingebettet sind, näher an dem das Messrohr durchströmenden Messstoff sind, können sie auch kleiner ausgelegt werden. Zudem sind geringere Magnetfeldstärken zur Erfassung der Messgröße notwendig. Dies kann weiterhin zur Verringerung der Betriebskosten beitragen bzw. kann mit derselben Menge an Energie ein stärkeres Magnetfeld erzeugt werden.
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In einer Ausführungsform der magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung ist die Anzahl der zur Erzeugung des den Messstoff durchsetzenden Magnetfeldes angeregten Magnetspulen von der Kenngröße des strömenden Messstoffs abhängig. Die Anzahl der verwendeten Magnetspulen zur Erzeugung des Magnetfeldes kann bspw. von der ermittelten Durchflussgeschwindigkeit abhängig sein. Bei bekanntem Messstoff und bekanntem Durchmesser des Messrohrs kann anhand der Durchflussgeschwindigkeit bspw. der Strömungstyp bestimmt werden und daraus auf die benötigte Magnetfeldstärke oder Magnetfeldverteilung geschlossen werden, um Messwertverfälschungen entgegenzuwirken.
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In einer weiteren Ausführungsform der magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung ist die Stärke des von den angeregten Magnetspulen erzeugten Magnetfeldes von der Kenngröße des strömenden Messstoffs abhängig. Wiederum kann es bei bestimmten Durchflussgeschwindigkeiten erforderlich sein, die Magnetfeldstärke zu erhöhen, um Messwertverfälschungen entgegenzuwirken. Die Magnetfeldstärke kann dabei von der Anzahl der angeregten Magnetspulen als auch von der Stromstärke des Stroms abhängen, der die Magnetspulen durchfließt.
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In einer weiteren Ausführungsform der magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung handelt es sich bei der Kenngröße um ein Geschwindigkeitsprofil des Messstoffs. Wie bereits erwähnt hat das Geschwindigkeitsprofil insbesondere im Fall eines asymmetrischen Geschwindigkeitsprofils einen verfälschenden Einfluss auf den Messwert. Anhand des vorliegenden Geschwindigkeitsprofils können die Magnetfeldspulen angeregt werden. Insbesondere kann anhand des Geschwindigkeitsprofils die Stromstärke des einzelne Spulen durchfließenden Erregerstroms festgelegt werden. Das Geschwindigkeitsprofil oder wenigstens der Strömungstyp kann, wie bereits erwähnt, bei bekanntem Messstoff annähernd anhand der Durchflussgeschwindigkeit bestimmt werden. Alternativ kann das Geschwindigkeitsprofil oder wenigstens der Strömungstyp mittels einer Kalibrierung bzgl. des Messstoffs bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung sind mehr als zwei Magnetspulen in die Auskleidung eingebettet. Durch die Verwendung von mehr als zwei Magnetspulen kann insbesondere eine homogenere Verteilung des Magnetfelds in dem Messrohr erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung sind die Magnetspulen in einer definierten Anordnung, insbesondere symmetrisch, zur Längsachse des Messrohrs angeordnet. Die Magnetspulen können dafür bspw. entlang des Umfangs eines Kreises, der auf der Höhe der Messelektroden durch die Auskleidung verläuft, angeordnet sein. Der Mittelpunkt des Kreises kann die Längsachse des Messrohrs sein. Die Magnetspulen können auch in einem ringförmigen Bereich der Auskleidung angeordnet sein. Die Magnetspulen sind dabei so angeordnet, dass ein durch sie erzeugtes Magnetfeld im Wesentlichen senkrecht durch eine gedachte Verbindungslinie zwischen zwei diametral in dem Messrohr angeordneten Messelektroden verläuft. Insbesondere können Magnetspulen auch stromaufwärts und/oder stromabwärts der Messelektroden in die Auskleidung eingebettet sein.
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In einer Ausgestaltung der magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung sind die Magnetspulen in Reihen oder in Form einer Matrix im Wesentlichen symmetrisch zur Längsachse des Messrohrs angeordnet. Die Magnetspulen können dabei insbesondere so in die Auskleidung eingebettet sein, dass eine gedachte Verlängerung der Längsachse jeder einzelnen der Magnetspulen die Längsachse des Messrohrs senkrecht schneidet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung sind die Magnetspulen einzeln oder in Gruppen anregbar, und die einzelnen Magnetspulen oder Gruppen von Magnetspulen sind Messelektroden(-paare) zugeordnet, welche Messelektroden(-paare) zum Abgreifen einer mittels der Magnetspulen in dem Messstoff erzeugten Spannung dienen. Dadurch kann in dem Fall, dass die Messelektrodenpaare bspw. in einer Ebene diametral gegenüberliegend in dem Messrohr angeordnet sind, anhand unterschiedlicher Messpfade durch das Messrohr die Durchflussgeschwindigkeit genauer bestimmt werden, indem Messwertverfälschungen aufgrund des Strömungsprofils verringert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung handelt es sich bei den Magnetspulen um Miniaturspulen. Die Miniaturspulen können einen Durchmesser von wenigen mm haben. Dadurch kann der gesamte Platzbedarf einer magnetischinduktiven Durchflussmesseinrichtung erheblich verringert werden. Insbesondere lassen sich so kompakte Durchflussmesseinrichtungen herstellen, bei denen auf die sog. Halbschalen und/oder außen am Messrohr angebrachte Magnetspulen verzichtet werden kann.
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Hinsichtlich des Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mehrere, insbesondere mehr als zwei, Magnetspulen wenigstens teilweise in die Auskleidung eingebettet sind, und zum Erzeugen eines Magnetfeldes verwendet werden, welches den Messstoff durchsetzt, wobei die Magnetspulen in Abhängigkeit einer Kenngröße des das Messrohr durchströmenden Messstoffs, insbesondere eines Geschwindigkeitsprofils des Messstoffs, angeregt werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird in einem ersten Messbetrieb eine erste Anzahl der Spulen wenigstens zeitweise angeregt, und
in einem zweiten Messbetrieb wird eine zweite Anzahl der Spulen wenigstens zeitweise angeregt, wobei die zweite Anzahl die erste Anzahl übersteigt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Messeinrichtung in Abhängigkeit der Kenngröße im ersten oder zweiten Messbetrieb betrieben.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Messeinrichtung bei einem, insbesondere laminarem, Geschwindigkeitsprofil im zweiten Messbetrieb betrieben.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden einzelnen Magnetspulen Messelektroden(-paare) zugeordnet,
welche Messelektrodenpaare zum Abgreifen einer mittels der Magnetspulen in dem Messstoff erzeugten Spannung dienen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden die Spulen einzeln oder in Gruppen angeregt. Dabei können Miniaturspulen als Magnetspulen verwendet werden.
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Zur Herstellung des Messaufnehmers der magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung werden die Magnetspulen und/oder wenigstens eine Elektrode in eine Gussform eingesetzt, und ein die Auskleidung bildendes Material wird in die Gussform eingefüllt und ausgehärtet, wobei durch das Aushärten des Materials ein fester Körper gebildet wird, der in das Trägerrohr eingebracht wird. Das Messrohr wird durch Fixieren des festen Körpers an dem Trägerrohr hergestellt.
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Der feste Körper kann bspw. im Wesentlichen die Form einer Platte, d. h. eines flachen Stücks, dessen Dicke im Verhältnis zu seinen anderen Abmessungen gering ist, aufweisen.
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Die Herstellung kann weiters den Schritt des Umformens, insbesondere Biegens, des festen Körpers vor dem Einbringen des festen Körpers in das Trägerrohr umfassen.
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Die Auskleidung kann also mittels eines Gussverfahrens hergestellt werden, wobei wenigstens eine Magnetspule und/oder wenigstens eine Messelektrode zumindest teilweise in die Auskleidung eingegossen sind, und dass die Auskleidung an dem Trägerrohr fixiert wird.
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Die Herstellung kann weiters den Schritt des Einfügens einer Verdrahtung der Elektrode und/oder der Magnetspulen nach dem Einbringen des festen Körpers in das Trägerrohr durch wenigstens eine in dem Trägerrohr vorgesehene Öffnung umfassen.
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Hur Herstellung können die Magnetspulen in einer definierten Anordnung in das die Auskleidung bildende Material eingebettet werden.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer Gussform, in welche Gussform Elektroden, Magnetspulen und Drahtkontakte eingesetzt sind und welche Gussform mit einem die Auskleidung eines Messrohrs bildenden Material gefüllt ist,
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2: eine schematische Darstellung eines mittels des Gussverfahrens hergestellten festen Körpers,
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3: eine schematische Darstellung des in ein Trägerrohr eingebrachten festen Körpers,
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4: eine schematische Darstellung des Fixierens des festen Körpers an das Trägerrohr, und
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5: eine schematische Darstellung einer Auskleidung, in welche mehrere Magnetspulen und ein Messelektrodenpaar eingebettet sind.
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1 zeigt eine Gussform 5. In der Gussform 5 sind Elektroden 1, 2, insbesondere Messelektroden, Magnetspulen 9 – zum Erzeugen eines das Messrohr 10 durchsetzenden Magnetfeldes und die entsprechende Verdrahtung 3, 4 zum Kontaktieren der Magnetspulen 9 und der Elektroden 1, 2 angeordnet. Nachdem die Elektroden 1, 2, die Magnetspulen 9 und die Verdrahtung 3, 4 in die Gussform 5 eingesetzt sind, wird ein Material 8 aus dem die Auskleidung 12 des Messrohrs 10 besteht in die Gussform 5 eingegossen. Dabei werden die Elektroden 1, 2, die Magnetspulen 9 und die Verdrahtung 3, 4 wenigstens teilweise in das Material 8 eingebettet. Das Material 8 wird anschließend ausgehärtet. Das Aushärten kann bspw. durch Abkühlen oder Erhitzen des Materials 8 erfolgen.
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Die Verwendung einer im Wesentlichen flachen Gussform 5 hat den Vorteil, dass bspw. zur Aushärtung des Materials 8 mehrere solcher Gussformen 5 übereinander bspw. in einem Ofen gestapelt werden können.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des durch das Gussverfahren hergestellten Formteils. Das Formteil bildet einen festen (im Unterschied zu den Aggregatzuständen flüssig und gasförmig) Körper 20, in welchen die Magnetspulen 9 und die Elektroden 1, 2 eingebettet sind. Der feste Körper 20 kann insbesondere biegbar sein. Dadurch kann er in ein Trägerrohr 11 eines magnetisch-induktiven Messaufnehmers eingebracht werden. Die in den festen Körper eingebetteten Magnetspulen 9 sind hier in Reihe miteinander verbunden.
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3 zeigt einen Querschnitt eines Trägerrohrs 11, in das der festen Körper 20 eingebracht ist. Die Elektroden 1, 2 und die Magnetspulen 9 sind durch Öffnungen in dem Trägerrohr 11 und über die Verdrahtung 3, 4 elektrisch kontaktierbar.
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4 zeigt abermals einen Querschnitt durch ein Trägerrohr 11. Dabei ist schematisch durch die Pfeile im inneren des Trägerohrs 11 dargestellt, wie der feste Körper 20 an dem Trägerrohr 11 fixiert wird und dadurch die Auskleidung 12 des Trägerrohrs 11 bildet.
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Um den festen Körper 20 an dem Trägerrohr 11 zu fixieren, können die beiden Enden des Messrohrs 10 verschlossen werden und Druckluft in den Hohlraum 40 eingeführt werden. Durch den entstehenden Druck wird der fest Körper 20 gegen die Innenseite des Trägerrohrs 11 gepresst. Alternativ kann bspw. ein Ballon aufgeblasen werden, der den festen Körper 20 an das Trägerrohr 11 presst. Das Trägerrohr 11 kann dabei erhitzt werden, so dass der an der Innenseite des Trägerrohrs 11 anliegende Rand des festen Körpers 20 schmilzt und sich dadurch mit dem Trägerrohr 11 verbindet. Zur Herstellung der Verbindung kann alternativ auch ein Klebstoff an der Innenseite des Trägerrohrs 11 angebracht sein.
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5 zeigt eine schematische Darstellung von in den festen Körper 20 eingebetteten Miniaturspulen 51, sowie eines Elektrodenpaars 1, 2. Die Miniaturspulen 51, die bspw. auch mit einem Eisenkern versehen sind, dienen hier als Magnetspulen 9 zur Erzeugung eines den Messstoff durchsetzenden Magnetfeldes. Die Miniaturspulen 51 sind in Reihen bzw. in Form einer Matrix 52 angeordnet und miteinander verbunden. Die Miniaturspulen 51 können daher einzeln aktiviert, d. h. angeregt und von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Durch diese gezielte Anregung kann die Magnetfeldstärke und die Verteilung des Magnetfeldes in dem Messrohr 10 optimiert und an die vorliegenden Strömungsverhältnisse z. B. an eine laminare Strömung angepasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erste Elektrode
- 2
- Zweite Elektrode
- 3
- Verdrahtung der ersten Elektrode
- 4
- Verdrahtung der Magnetspule
- 5
- Gussform
- 6
- Flanschdichtung
- 8
- Vergussmaterial
- 9
- Magnetspule
- 10
- Messrohr
- 11
- Trägerrohr
- 12
- Auskleidung
- 20
- Fester Körper
- 31
- Längsachse
- 40
- Hohlraum
- 51
- Miniaturspulen
- 52
- Matrix
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10244647 A [0007]
- DT 2622943 A1 [0008]