DE2448945A1 - Induktiver durchflussmesser - Google Patents

Description

Zin/Di

24.273.1

14.10.1974

INTERATOM

Internationale Atomreaktorbau GmbH 506 Bensberg

Induktiver Durchflußmesser

Die Erfindung betrifft einen induktiven Durchflußmesser für elektrisch leitende Flüssigkeiten mit einem Paar Magnetpole, die diametral an der Außenseite eines von der Flüssigkeit durchströmten Rohres angebracht sind und mit Elektroden, die mit der Flüssigkeit in Kontakt stehen.

Derartige induktive Durchflußmesser bestehen im wesentlichen aus einem Magneten, dessen Magnetfeld das von der _f zu messenden Flüssigkeit durchströmte Rohr durchsetzt und aus zwei mit der zu messenden Flüssigkeit in Kontakt stehenden Elektroden, an denen die senkrechtzum Magnetfeld auftretende Meßspannung abgenommen wird.

Üblicherweise bestehen die Rohre aus einem elektrisch nicht leitenden Material, z.B. einer Keramik, und die Elektroden durchdringen dieses und ragen in die Flüssigkeit. Solche Rohre sind jedoch für den Transport von Flüssigmetallen, beispielsweise von flüssigem Natrium in Kernenergieanlagen nicht geeignet, vielmehr kommen hier nur metallische, d.h. praktisch nur stählerne Rohre in Betracht. In diesen Rohren werden zwar auch Ströme induziert, die sich auf die Durchflußmessung störend auswirken, doch sind diese Ströme dann vernachlässigbar klein, wenn, wie in Kernenergie-

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anlagen üblich, es sich um Rohre verhältnismäßig großen Durchmessers (von z.B. 600 mm) handelt. Der Querschnitt der Rohrwandung ist dann im Verhältnis zum lichten Querschnitt des Rohres nur gering, und die im Vergleich zur Leitfähigkeit des Rohrwerkstoffes höhere Leitfähigkeit des Flüssigmetalles wirkt ebenfalls in Richtung auf eine relative Verminderung der Kurzschlußströme. Die Elektroden werden in solch einem Falle zxveckmäßigerweise, schon um eine Schwächung des Rohres und Dichtungsprobleme zu vermeiden, an der Außenseite des Rohres leitend angebracht, z.B. angeschweißt.

Bei solchen Durchflußmessern tritt die Schwierigkeit auf, daß in der elektrisch leitenden Flüssigkeit bei Eintritt in das Magnetfeld Ströme induziert werden, die so gerichtet sind, daß das von ihnen erzeugte Magnetfeld dem Magnetfeld des Magneten entgegenwirkt und teilweise aufhebt. Beim Austritt aus dem Magnetfeld sind die induzierten Ströme so gerichtet, daß das von ihnen gebildete Magnetfeld sich dem ursprünglichen Feld überlagert und verstärkt. Diese Schwierigkeit kann man dadurch umgehen, daß man die Länge des Magnetfeldes in Richtung der Rohrachse groß im Vergleich zum Durchmesser des Rohres macht und die Elektroden etwa in der Mitte des Magnetfeldes anbringt (DT-AS 1 220 160). Bei großen Rohrdurchmessern ist eine solche Lösung nur schwer zu realisieren, insbesondere dann, wenn als Magnet ein Permanentmagnet verwendet werden soll. Induktive Durchflußmesser mit Permanentmagneten werden wegen ihrer Zuverlässigkeit und Wartungsfreiheit bevorzugt in Kernkraftwerken eingesetzt. Sie können z.B. an strahlengefährdeten und schwer zugänglichen Orten der Natriumkreisläufe ein wichtiger Teil der Betriebsinstrumentierung sein und u.U. in das' Sicherheitssystem des Reaktors eingreifen. Die Zuverlässigkeit der Permanentmagneten beruht vor allem auf der von der Zeit unabhängigen Konstanz des Magnetfeldes.

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Bei Verwendung geeigneter Magnetlegierungen bleibt auch der Einfluß der Temperatur innerhalb der zulässigen Meßgenauigkeit. Die permanentmagnetischen Durchflußmesser besitzen keine verschleißbaren Teile.

In der DT-OS 2 225 356 ist daher ein induktiver Durchflußmesser mit einem Permanentmagneten beschrieben, bei dem die oben beschriebenen Schwierigkeiten der Abschwächung und Verstärkung des Magnetfeldes an den Magnetenden dadurch zu umgehen versucht wurden, daß eine Vielzahl von Elektroden eingesetzt wurde, die in Richtung der Längsachse auf dem Rohr verteilt sind. Ihre Ausgangs spannungen oder Ströme werden gewichtet summiert. Bei einer solchen Anordnung muß, um bei kurzen Magneten und großen Rohrdurchmessern eine ausreichende Linearität zwischen Meßsignal und Durchflußmenge zu erhalten, eine Vielzahl von Elektrodenpaaren parallelgeschaltet werden. Hierzu ist ein sehr langes gerades Rohrstück erforderlich, das in vielen Fällen nicht zur Verfügung steht. Auch die für das Sicherheitssystem eines Reaktors geforderte Redundanz des Meßsignales ist nur schwer zu erfüllen.

Eine weitere Schwierigkeit bei der induktiven Durchflußmessung ergibt sich daraus, daß die Leitfähigkeit der Flüssigkeit sich mit der Temperatur ändert. Bei den meisten nichtmetallischen Flüssigkeiten nimmt sie mit der Temperatur zu, bei metallischen Flüssigkeiten, z.B. flüssigem Natrium, ab. Mit steigender elektrischer Leitfähigkeit nimmt aber die Intensität der störenden, an den Enden des Magneten auftretenden Zusatzmagnetfelder zu, sodaß für jede Flüssigkeitstemperatur eine eigene Kennlinie erhalten wird. Besonders bei großem Rohrdurchmesser mit kurzer Magnetlänge ist diese Erscheinung sehr ausgeprägt.

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Schließlich muß beim Bau von induktiven Durchflußmessern darauf geachtet werden, daß das Meßsignal möglichst groß und frei von Störsignalen ist. In der Anordnung nach der US-PS 2 722 122 ist daher neben dem Elektrodenpaar für das Meßsignal ein zweites Elektrodenpaar vorgesehen, das an den Stellen der Rohrwandung angebracht ist, die den Magnetpolen benachbart sind, so daß die Verbindungslinie der Pole in Richtung der Magnetfeldlinien verläuft. An diesen Elektroden tritt kein Meßsignal auf. Die Verbindungsleitungen dieser Hilfselektroden und der Meßelektroden sind so zu einer Auswerteeinrichtung geführt, daß eingestreute Störsignale kompensiert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Durchflußmesser zu schaffen, der ein großes Nutzsignal liefert, das linear von der Durchflußgeschwindigkeit abhängt. Seine Kennlinie soll von Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit der zu messenden Flüssigkeit und somit von der Temperatur der Flüssigkeit unabhängig sein.

Bei der Lösung dieser Aufgabe wurde von der Erkenntnis ausgegangen, daß bei magnetischen Durchflußmessern mit einem Rohr großen Durchmessers infolge des großen Luftspaltes die magnetische Feldstärke in der Mitte des Rohres abfällt und als Folge davon nicht dann das Meßsignal am größten ist, wenn die Elektroden so angeordnet sind, daß deren Verbindungslinie durch den Mittelpunkt des Rohres verläuft und senkrecht zur Mittelachse der Magnetpole steht, sondern dann, wenn die Elektroden an den Enden einer senkrecht zur Mittelachse der Magnetpole stehenden Sehne eines Rohrquerschnittes angebracht sind.

Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß ein erstes Elektrodenpaar vorgesehen ist, dessen eine Elektrode bei einer Gradeinteilung des Rohrumfanges, bei der die den Magnet-

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polen benachbarten Stellen der Rohrwandung bei O bzw. liegen, bei einem Winkeln 1 zwischen 10° und 85° oder 95° bis 170° und dessen andere Elektrode bei einem Winkeloo2 angeordnet ist, der mit dem Winkelo6 1 nach einer der beiden Beziehungen^ 2 -.-oCI oderool + 180° verknüpft ist. Da das Magnetfeld symmetrisch zur Achse +9O°/-9O° ist, muß o62 nicht nur = - o61 sein, sondern kann auch 180 +o6 1 sein. Vorzugsweise sind die Elektroden im Bereich von + und - 45° bzw. - 135° angebracht oder bei + 135° und ebenfalls - 45° oder - 135°.

Es zeigt sich, daß eine derartige Anordnung der Elekronen nicht nur ein größeres Meßsignal bringt, sondern daß das Meßsignal auch eine geringere Abhängigkeit von der Durchflußgeschwindigkeit und der Leitfähigkeit der das Rohr durchströmenden Flüssigkeit aufweist. Durch eine geeignete Leitungsführung von den Elektroden zum Auswertegerät können eingestreute Störsignale unterdrückt werden. Da die Abhängigkeit der Meßspannung von der Durchflußgeschwindigkeit und der Leitfähigkeit der Flüssigkeit zunimmt und gleichzeitig die Meßspannung abnimmt, wenn die Elektroden bei +_ 90° angeordnet sind, ist es möglich, die Abhängigkeit der Meßspannung von Durchflußgeschwindigkeit und Leitfähigkeit der von den erfindungsgemäß angeordneten Elektroden aufgenommenen Meßspannung zu kompensieren. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist hierzu ein zweites Elektrodenpaar vorgesehen, dessen Elektroden bei einem anderen, zwischen 10° und 170° bzw. -10° bis -170° liegenden Winkel als der der Elektroden des ersten Paares angeordnet sind, wobei für die Winkel eine der Beziehungen tf> 2· = -o6i· undoC2^f = 180° + o61 · besteht, und daß die an den beiden Elektrodenpaaren auftretenden Spannungen oder Ströme derart gewichtet einer Differentialschaltung zugeführt werden, daß die Differenzspannung bzw. die Differenzströme linear von der Durchflußmenge je Zeiteinheit abhängen.

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Die beiden Elektrodenpaare sind zweckmäßig in einem einzigen Rohrquerschnitt angeordnet, der bezüglich der Ausdehnung der Magnete in axialer Richtung des Meßrohres in deren Mitte liegt. Da ein derartiger Durchflußinesser auch dann eine gute Linearität der Kennlinie aufweist, wenn die Magnetpole im Vergleich zum Rohrdurchmesser kurz sind, können mit Vorteil vorzugsweise Permanentmagnete eingesetzt werden.

Anhand der Zeichnung werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen

die Figuren 1 und 2 zwei induktive Durchflußmesser und Figur 3 Diagramme von an Elektrodenpaaren auftretenden Meßspannungen in Abhängigkeit der Durchflußgeschwindigkeit und der Temperatur der zu messenden Flüssigkeit sowie der Lage der Elektroden.

In der Anordnung nach Figur 1 ist mit R ein Rohr bezeichnet, durch das eine Flüssigkeit strömt, deren mittlere Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden soll. Das Rohr 1 wird von einem mit einem Magneten 2 mit Polen N, S erzeugten Magnetfeld durchsetzt. Aufgrund des Induktionsgesetzes fließt dann senkrecht zur Strömungsrichtung und dem Magnetfeld, das ist in der Zeichnung nach unten bzw. oben, ein Strom, der von Elektroden E1, E2 bzw. E2⁺, E3 und E4 teilweise aufgenommen wird. Es wird zunächst angenommen, daß das Elektrodenpaar E1, E2 über den Umfang des Rohres derart verschiebbar ist, daß stets o61 = -06 2 ist, und daß bei verschiedenen Stellungen der Elektroden E1 und E2 die an ihnen auftretende Spannung gemessen wird. Es ergeben sich dann die in Figur 3 dargestellte Kurven. Als Abszisse sind die Winkelo6 1 undc/.2 aufgetragen, wobei die Referenzlinie

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die Verbindungslinie der beiden Magnetpole ist. Die Ordinaten geben die Meßspannungen an. Es fällt auf, daß bei den Winkeln +90° und -90°, d.h. der üblichen Anordnung der Elektroden in induktiven Durchflußmessern, die Meßspannungen durchweg kleiner als in anderen Winkelbereichen sind. Die gestrichelten Kurven geben Messungen bei der Temperatur t-, beispielsweise 200° C und die durchgezogenen Kurven bei der Temperatur t^» beispielsweise 580 C wieder. Die beiden unteren Kurven wurden bei mittleren Geschwindigkeiten von V₁ = 3 m/sec und die beiden oberen bei V₂ = 5 m/sec aufgenommen. Vergleicht man die Meßspannungen, die von bei +_ 45° angeordneten Elektroden aufgenommen wurden mit denen, die mit bei +_ 90° angeordneten Elektroden erhalten wurden, so ergibt sich folgendes:

Bei niedriger Geschwindigkeit (v = 3m/sec) und hoher Temperatur, d.h., da im Beispiel flüssiges Natrium gewählt würde, niedriger Leitfähigkeit, ist die Absenkung in der Mitte der Kurve verhältnismäßig gering. Wird die Geschwindigkeit von 3 m/sec aufrechterhalten, aber die Temperatur auf 200° C abgesenkt, so fällt die Spannung zwischen den Elektroden E3 und E4 wesentlich stärker ab als zwischen den Elektroden El und E2. Der Meßfehler wird also an den Elektroden E3 und E4 größer sein. Wird nun unter Beibehaltung einer Temperatur von 200° C die Strömungsgeschwindigkeit auf 5 m/sec erhöht, so steigt zwar bei allen möglichen Elektrodenanordnungen die Meßspannung an, die zwischen dem ersten Elektrodenpaar E2, E1 gemessene Spannung steigt aber stärker und, wie sich bei weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Messungen gezeigt hat, mit einem geringeren nichtlinearen Fehler als die vom zweiten Elektrodenpaar E3, E4 gemessene Spannung an. Wird unter Aufrechterhaltung einer Strömungsgeschwindigkeit von 5m/sec die Temperatur wieder auf 580° C erhöht, so steigt am zweiten Elektrodenpaar E3, E4 die Meßspannung nahezu um einen

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doppelt so hohen Betrag an, wie die am ersten Elektrodenpaar E1 , E2 gemessene. Figur 3 zeigt demgemäß, daß, wenn man die'Meßelektroden.an den Umfangswinkeln +45° und -45 anbringt, der induktive Durchflußmesser empfindlicher ist als bei der üblichen Elektrodenanordnung und daß gleichzeitig die Abhängigkeit der Meßspannung von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit geringer wird. Ferner ist die Nichtlinearität zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Meßspannung kleiner. Bringt man die Elektrode E2 nicht beim Bogenwinkelo6 2 an, sondern als Elektrode E2⁺ beim Winkel 180° + cZI, so wird wegen der Symmetrie des Magnetfeldes zur Verbindungslinie der Mittelachsen der Pole N, S zwischen den Elektroden E1 und E2 dieselbe Spannung gemessen wie zwischen den Elektroden E1 und E2. Es sind daher beide Elektrodenanordnungen möglich. Letztere Anordnung hat den Vorteil, daß, da die Elektroden E1 und E2 einander diametral gegenüberliegen, eine etwaige Unrundheit des Rohres einen geringeren Einfluß auf die Güte des Meßsignals hat.

In der Anordnung nach Figur 1 wird die Meßspannung nicht mit einem einzigen Elektrodenpaar gewonnen, sondern durch Differenzbildung der an dem Paar EV, E2 und der an dem Paar E3, E4 auftretenden Spannung. Hierzu sind an die Elektroden E1 und E2 über Widerstände R1 und R2 die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers 3 angeschlossen. Entsprechend sind die Elektroden E3 und E4 über Widerstände R3 und R4 mit den Verstärkereingängen verbunden, jedoch derart, daß die vom Elektrodenpaar E3, E4 herrührende Spannung von der Spannung des Elektrodenpaares E1, E2 subtrahiert wird. Die Widerstände R1 und R2 sowie die Widerstände R3 und R4 haben jeweils gleiche Werte und sind so aufeinander abgestimmt, daß die Fehler der am Paar E1, E2 auftretenden Spannung durch die Fehler der Spannung an den Elektroden E3, E4 kompensiert werden. In einem praktischen Beispiel betrug das Widerstandsverhältnis RT : R3 «= R1 : R4 ■ R2 : R4 etwa 1,4. Da die Fehler der von den Elektroden E3 und E4

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ah» genommene η Spannung absolut größer sind als die der Spannung an den Elektroden E1, E2, sind die Widerstände R3 und R4 größer als die Widerstände R1 und R2. Da aber die Spannung an den Elektroden E1 und E2 größer ist als die an den Elektroden E3 und E4, verbleibt am Eingang des Differenzverstärkers V trotz der Differenzbildung zwischen den beiden Spannungen eine ausreichende Meßspannung, die in einem Anzeigegerät 4, z.B. einem MiHi-Voltmeter, zur Anzeige gebracht wird. Es werden also durch Differenzbildung der Elektrodenspannungen und durch eine geeignete Wichtung derselben die Einflüsse der Induktionsströme an den Enden des Magneten, welche die Nichtlinearität der Kennlinie bewirken, aufgehoben, und es wird so eine lineare Kennlinie des Durchflußmessers erhalten.

Figur 2 zeigt einen induktiven Durchflußmesser, der wiederum ein Rohr 1, zwei Magnetpole N, S und zwei Elektrodenpaare E2, E1 und E3, E4 aufweist. Im Gegensatz zur Anordnung nach Figur 1 sind die. Elektroden E3 und E4 nicht · bei den Bogenwinkeln +90 und -90° angebracht, sondern bei einem anderen Winkel, der jedoch von den Winkeln, bei denen die Elektroden E1 und E2 angeordnet sind, so verschieden sein muß, daß unterschiedliche Spannungen aufgenommen werden. An jedes Elektrodenpaar ist ein Verstärker 5 bzw. 6 mit regelbarem Verstärkungsgrad angeschlossen. In den Verstärkern werden durch Einstellen geeigneter Verstärkungsgrade die Elektrodenspannungen so gewichtet, daß die Ausgangsspannungen der Verstärker die gleichen Fehlerspannungen haben und sich dadurch diese im Differenzverstärker V kompensieren. Widerstände RS, R6, R7, R8 in den Ausgangskreisen der Verstärker 5 und 6 dienen dazu, Widerstandsunterschiede in den Meßleitungen auszugleichen.

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Claims (5)

- ίο - 14.10.1974 PATENTANSPRÜCHE 2448945

1.) Induktiver Durchflußmesser für elektrisch leitende

Flüssigkeiten mit einem Paar Magnetpole, die diametral an der Außenseite eines von der Flüssigkeit durchströmten Rohres angebracht sind und mit innerhalb des Magnetfeldes angeordneten Elektroden, die mit der Flüssigkeit in Kontakt stehen,
dadurch gekennzeichnet,

daß ein erstes Elektrodenpaar vorgesehen ist, dessen eine Elektrode (E1) bei einer Gradeinteilung des Rohrumfanges, bei der die den Magnetpolen (N, S) benachbarten Stellen der Rohrwandung bei 0° bzw. 180° liegen, bei einem Winkel d. 1 zwischen 10° und 85° oder 95° bis 170° und dessen andere Elektrode (E2 bzw. E2 ) bei einem Winkelo6 2 angeordnet ist, der mit dem Winkel06 1 nach einer der beiden Beziehungen c£2 = -o61 oderoo2 =o6i + 180° verknüpft ist.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß ein zweites Elektrodenpaar (E3, E4) vorgesehen ist, dessen Elektroden bei einem anderen, zwischen 10° und 170° bzw. -10° bis -170° liegenden Winkel ß₁ bzw. ß₂ als der der Elektroden des ersten Paares (E1, E2) angeordnet sind, wobei für die Winkel eine der Beziehungen οό 2 = -o61 oderoo2 = 180° + 1 bzw. H^ = -ßi oder ß₂ = 180° + ß.j besteht, und daß die an den beiden Elektrodenpaaren auftretenden Spannungen oder Ströme derart gewichtet einer Differentialschaltung zugeführt werden, daß die Differenzspannung bzw. die Difierenzströme linear von der Durchflußmenge je Zeiteinheit abhängt.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Elektrodenpaare (E1, E2 bzw. E3, E4) in einem Rohrquerschnitt angeordnet sind.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Elektrodenpaare (E1, E2 bzw. E3, E4) in dem in der Mitte der Magnetpole (N, S) liegenden Rohrquerschnitt angeordnet sind.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Magnet (2) ein Permanentmagnet ist.

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