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Magnetisch-induktiver Durchflußmesser
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Die Erfindung betrifft einen magnetisch-induktiven Durchflußmesser
mit einem von einer Spulenanordnung umgebenen Rohrstück, an dem diametral gegenüberliegende
Meßelektroden zur Erfassung der von einer elektrisch leitfähigen, das Rohrstück
durchströmenden Flüssigkeit induzierten Spannung vorgesehen sind.
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Bei magnetischen Durchflußmesser entsteht die Meßspannung in bekannter
Weise dadurch, daß sich die Meßflüssigkeit durch das durch die Spulenanordnung erzeugte
Magnetfeld bewegt. Die Größe der induzierten Spannung hängt daher von der Strömungsgeschwindigkeit
dieser Flüssigkeit ab, was bei gegebenem Rohrquerschnitt eine Mengenmessung ermöglicht.
Die Größe der an den Meßelektroden erfaßten Spannung hängt aber auch von der Feldstärke
der Magnetspulenanordnung, der Feldverteilung über den Rohrquerschnitt und der Ausdehnung
des Magnetfeldes in der Rohrachse, d.h. in Strömungsrichtung, ab. Nur bei einer
bestimmten Feldlänge wird ein Optimum an Meßspannung bei minimaler Stromaufnahme
erreicht. Die außerhalb des Magnetfeldes strömende Flüssigkeit wirkt als eine Art
Lastwiderstand auf die Meßspannung mit ihrem Innenwiderstand ein. Dadurch wird die
an den Elektroden abgegriffene Meßspannung vermindert. Ist das Magnetfeld kürzer,
ist dieser Effekt größer; er tritt bei großen Nennweiten besonders stark auf. Ein
Ausgleich dadurch, daß ein größerer Erreger-Strom zugeführt wird, damit die Meßspannung
den gewohnten Wert erhält, ist besonders bei großen Gebern, wie sie bei großen Nennweiten
notwendig sind, unwirtschaftlich.
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Ist das Verhältnis der Widerstände, d.h. also auch das Verhältnis
des Innenwiderstandes der Flüssigkeit zu den anderen Widerständen konstant und bleibt
es auch bei verschiedenen Strömungsgeschwin -digkeiten, hat der durch die begrenzte
Feld läge bewirkte Effekt auf die Eichung keinen Einfluß. Die an den Meßelektroden
erfaßte Spannung ist immer proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Es gibt aber
elektrisch leitfähige Flüssigkeiten, beispielsweise Seife, die warmflüssig in beheizten
Rohren geführt werden soll, bei denen sich einmal das Temperaturgefälle über den
Strömungsquerschnitt ändert und bei denen zudem auch die Leitfähigkeit von der Temperatur
abhängig ist. Es ergeben sich dann Fehler, die nicht durch Eichung zu beseitigen
sind und die strömungsabhängig verschieden groß sind. So ändern sich beispielsweise
die Widerstände in der Strömungsrichtung anders als der Widerstand quer zur Strömungsrichtung,
so daß dadurch die erzeugte Meßspannung verändert wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen magnetischinduktiven
Durchflußmesser so auszubilden, daß die Länge des Magnetfeldes möglichst keinen
verfälschenden Einfluß mehr ausüben kann, und daß auch der Durchfluß von Flüssigkeiten
meßbar ist, deren Leitfähigkeit mit der Temperatur und mit der Strömung sich unterschiedlich
ändert.
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Die Erfindung besteht bei einem magnetisch-induktiven Durchflußmesser
der eingangs genannten Art darin, daß zwei oder mehrere Zusatzelektroden in Strömungsrichtung
vor und/oder hinter der Ebene der Meßelektroden angeordnet und über Impedanzwandler
oder Verstärker an die Meßelektroden angeschlossen sind. Durch diese Ausführung
wird die Spannung, die an den Meßelektroden anliegt, auch an die Zusatzelektroden
gelegt. Dadurch wird einmal der Verlust an Meßspannungen reduziert, der bei kurzem
Magnetfeld auftritt und zum anderen wird bei Meßstoffen, deren Leitfähigkeit sich
bei Bewegung unterschiedlich ändert, der Fehler im Vergleich zu der bei der Eichung
z.B. mit Wasser ermittelten Meßspannung verringert. Die DE-PS 22 23 055 beschreibt
Zusatzelektroden von
Durchflußmessern mit kapazitivem Abgriff. Diese
dienen dort aber zur Kompensation der Dielektrizitätskonstante 6 der Meßflüssigkeit
und sind auch nicht in Strömungsrichtung versetzt zur Meßebene angeordnet. Durch
die erfindungsgemäße Anordnung der Zusatzelektroden wird aber eine Verbesserung
der magnetisch-induktiven Durchflußmesser mit galvanischem Abgriff erreicht.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Zusatzelektroden in senkrecht zur
Strömungsrichtung stehenden Ebenen vorgesehen sind und wenn sie spiegelsymmetrisch
zur Meßebene angeordnet sind. Es ist auch vorteilhaft, wenn in den zu der Meßebene
parallelen Ebenen, in denen die Zusatzelektroden liegen, jeweils mehrere solcher
Zusatzelektroden angeordnet sind, weil durch die verschiedene Anordnung dieser Zusatzelektroden
die Spannungsverteilung in dem Querschnitt der Zusatzelektroden beeinflußt werden
kann. So ist es beispielsweise auch zweckmäßig, die Zusatzelektroden als Flächenkörper
auszubilden, deren Kontur der Innenwand des Rohr stückes angepaßt ist, wobei die
Zusatzelektroden als symmetrische Flächenkörper mit sich entlang der Kontur der
Innenwand des Rohr stückes verändernder Breite ausgebildet sein können. Diese Ausgestaltung
bringt neben dem Vorteil, die Spannungsverteilung beeinflussen zu können, auch den
Vorteil, daß die von außen durch das Rohrstück einführbaren Zusatzelektroden nur
an einer Stelle abgedichtet zu werden brauchen, weil der Flächenkörper selbst stabil
genug ausgebildet sein kann. Es ist auch möglich und zweckmäßig, die Zusatzelektroden
als halbkreisförmig verlaufende oder als kreisförmig verlaufende Bänder mit gleichmäßiger
oder veränderlicher Breite auszubilden.
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Diese bandförmigen Zusatzelektroden können auch aus mehreren aneinandergesetzten
einzelnen Teilstücken aufgebaut werden.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden
Beschreibung der Zeichnungen erläutert, die verschiedene Ausführungsmöglichkeiten
darstellen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darsteilung der
elektrischen Verhältnisse (Ersatzschaltbild) der verschiedenen Widerstände an einem
magnetischen Durchflußmesser, dessen Feld eine bestimmte Länge aufweist, Fig. 2
die schematische Anordnung gemäß der Erfindung, Fig. 3 ein erster Ausführungsbeispiel
der Anordnung der Zusatzelektroden gemäß der Erfindung, Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Anordnung der Zusatzelektroden, Fig. 5 jeweils Ausführungsbeispiele für Ausbildungsmöglichkeiten
6tender Zusatzelektroden, Fig. 7 eine Seitenansicht der Zusatzelektroden der Fig.
5 oder 6 und Fig. 8a und 8b schließlich zwei weitere Möglichkeiten der Anordnung
von Zusatzelektroden in einer zur Strömungsrichtung senkrechten Ebene.
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In der Fig. 1 ist schematisch ein Rohrstück 1 eines magnetischen Durchflußmessers
gezeigt, der in Richtung des Pfeiles 2 mit der Geschwindigkeit v von einer elektrisch
leitfähigen Flüssigkeit durchström t wird. Das Rohrstück 1 soll dabei kreisförmigen
Querschnitt besitzen und es ist in dem Meßquerschnitt 3 mit zwei diametral gegenüberliegenden
Meßelektroden 4 ausgerüstet, an denen die durch die strömende Flüssigkeit erzeugte
Meßspannung UM erfaßt werden soll. Nicht gezeigt ist eine außen um das Rohrstück
1 herumgelegte Magnetspulenanordnung, mit der ein Magnetfeld in an sich bekannter
Weise erzeugt wird, dessen Längsausdehnung durch die beiden gebogenen Grenzlinien
5 begrenzt sein soll. Es ist klar, daß in der Praxis der Ubergang zwischen Magnetfeld,
das dem Bereich A innerhalb dieser Grenzlinien 5 entsprechen soll, und den beiden
Bereichen
B jeweils außerhalb dieses Magnetfeldes fließend ist. Zum besseren Verständnis sei
aber von der in der Fig. 1 angegebenen Anordnung ausgegangen.
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Die Größe der an den Meßelektroden 4 erfaßten Meßspannung UM, die
in dem Ersatzschaltbild gezeigt ist, wird bestimmt von der Größe der Strömungsgeschwindigkeit
v sowie von der Feldstärke des Magnetfeldes A, der Feldverteilung über den Rohrquerschnitt
und der Ausdehnung des Magnetfeldes A in der Strömungsrichtung. Da das Magnetfeld
A begrenzt ist, wirkt die außerhalb des Magnetfeldes A strömende Flüssigkeit - also
die im Bereich B strömende Flüssigkeit - jeweils als Lastwiderstand RL auf die Meßspannung
UM mit dem Innenwiderstand Ri (quer zur Strömungsrichtung) zurück. Die Widerstände
Rv sind die Widerstände der Flüssigkeit, die in der Strömungsrichtung auftreten.
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Aus dem Ersatzschaltbild der Fig. 1 ergibt sich, daß die Messung der
Spannung UM durch die Lastwiderstände RL außerhalb des Magnetfeldes verfälscht wird.
Bleibt das Verhältnis dieser in der Fig. 1 gezeigten Widerstände bei allen Strömungen
konstant, so läßt sich der auftretende Fehler durch eine Eichung eliminieren. Verändert
sich jedoch das Verhältnis der Widerstände mit der Strömung, so wie das beispielsweise
bei der vorher erwähnten, im warmen Zustand geförderten Seife der Fall ist, so wird
die Messung selbst verfälscht und ein falscher Durchsatz angezeigt, da sich alle
Widerstände strömungsabhängig ändern, teils auch mit unterschiedlichen Vorzeichen.
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Fig. 2 zeigt eine Lösungsmöglichkeit, durch die der Einfluß der begrenzten
Magnetfeldlänge ausgeschlossen werden kann, die einmal zu einem Verlust an Meßspannung
führt und zum anderen - bei Meßstoffen, deren Leitfähigkeit sich strömungsabhängig
ändert - wegen des sich ergebenden Eichfehlers zu Fehlmessungen führen kann. Zusätzlich
zu den beiden Meßelektroden 4 im Meßquerschnitt 3 sind bei der erfindungsgemäßen
Ausführung jeweils in zwei der Meßebene 3 in gleichem Abstand vor- und nachgeschalteten,
zur Strömungsrichtung 2 senkrechten Ebenen Zusatzelektroden 6 und 7 vorgesehen,
die
über die Verbindungsleitungen 8 und über Impedanzwandler 9 jeweils
an die Meßelektroden 4 angeschlossen sind. Durch diese Ausgestaltung liegt das an
den Meßelektroden 4 jeweils anliegende Potential auch an den Zusatzelektroden 6
und 7 an, so daß ein Strom aus dem Bereich der Ebene, in der beispielsweise die
Zusatzelektroden 6 angeordnet sind, und der etwa dem Bereich der Lage des Lastwiderstandes
N der Fig. 1 entsprechen könnte, nicht zu den Meßelektroden zurückfließen kann.
Die Meßspannung UM wird daher bei dieser Ausführung nicht durch die von der Flüssigkeit
in den Bereichen B gebildeten Lastwiderstände RL beeinflußt. Die Messung wird daher
genauer.
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Wie in den Fig. 3 bis 8b gezeigt ist, können dabei die Zusatzelektroden
6 oder 7 in verschiedener Weise ausgebildet sein oder auch durch mehrere jeweils
in einer oder mehreren Ebenen liegende Einzelelektroden ersetzt sein. So zeigt Fig.
3 eine Ausführung, bei der beispielsweise die Zusatzelektroden 6 durch zwei symmetrisch
am Rohrquerschnitt 1 jeweils gegenüberliegende Einzelelektroden 10 und 11 gebildet
sind, die jeweils für sich von außen in das Rohrstück 1 hereingeführt sind. Es besteht
auch noch die Möglichkeit, beiden Seiten noch eine dritte Elektrode 12 zuzuordnen.
Dadurch kann die Wertigkeit der Spannungsverteilung in den Querschnitten und in
der Anordnung der Zusatzelektroden beeinflußt werden, was bekanntlich von Vorteil
ist.
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Fig. 4 zeigt eine Ausführung, bei der jeweils nur eine Zusatzelektrode
13 diametral gegenüber einer gleich ausgebildeten Elektrode in das Rohrstück 1 eingesetzt
ist. Diese Elektroden 13 können die in den Fig. 5 und 6 gezeigten Flächenkörper
bilden, wobei der Flächenkörper der Fig. 5 etwa tonnenförmig in der Draufsicht aussieht,
aber nach Fig. 7 und 4 entsprechend der Innenkontur des Rohrstückes 1 gebogen ist.
Gemäß Fig. 6 kann der Querschnitt aber auch in der Mitte dünner als an den beiden
Enden sein, je nachdem, welche Spannungsverteilung über den Querschnitt gewünscht
ist. Diese Ausführung (Fig. 4) weist gegenüber der Ausführung der Fig. 3 den Vorteil
auf, daß zwar über den Querschnitt gesehen eine verschiedene Spannungsverteilung
möglich wird, daß aber nur eine Dichtungsstelle 14 für
jede der
beiden Elektroden 13 vorgesehen sein muß, durch welche jene in das Innere des Rohrstücks
eingeführt werden.
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Fig. 8a zeigt eine Abwandlung insofern, als hier eine kreisförmige
Zusatzelektrode 15 aus halbleitendem Material gezeigt ist, die in ihrem Querschnitt
konstant oder veränderlich sein kann.
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Diese Elektrode 15 bildet einen Spannungsteiler. Diese bandförmige
Elektrode 15 kann auch, so wie das in der rechts gelegenen Fig. 8b angedeutet ist,
aus einzelnen Teilstücken 15a von Zusatzelektroden aufgebaut sein. Diese Zusatzelektroden
sind entweder alle über die Verbindungsleitung 8 mit dem Impedanzwandler 9 verbunden,
oder sie liegen über einen Spannungsteiler an unterschiedlichen Spannungen.