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Elektromagnetischer Durchflußmesser
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Durchflußmesser,
insbesondere Wärmemengenmesser, bei dem zum Messen des Durchflusses eines Fluids
durch ein Rohr ein Magnetfeld quer zur Strömungsrichtung des Fluids das Rohr durchsetzt
und eine ein Maß für den Durchfluß darstellende Spannung an zwei sich quer zur Strömungs-
und Magnetfeldrichtung gegenüberstehenden, die Rohrwand durchsetzenden Elektroden
abnehmbar ist.
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Bei einem bekannten Durchflußmesser dieser Art sind die Elektroden
durch eine isolierende Durchführung in der Rohrwand hindurchgeführt und das Rohr
mit einer isolierenden Auskleidung versehen, die ebenfalls von den Elektroden durchsetzt
wird. Die blanken Enden der Elektroden ragen in das Innere des Rohres.
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Der Widerstand zwischen den Elektroden wird daher hauptsächlich durch
das Fluid bestimmt, das sich zwischen den freien Enden der Elektroden befindet.
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Wenn das Fluid Verunreinigungen oder Zusätze enthält, die sich auf
der Oberfläche der Elektroden ablagern, kann sich dadurch der Widerstand zwischen
den Elektroden verändern. Derartige Ablagerungen können
jedoch durch
regelrnäßiges Herausnehmen und Reinigen der Elektroden oder durch Anlegen einer
entsprechenden Spannung zwischen den Elektroden und dem Rohr beseitigt werden.
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Außerdem können aber auch Ablagerungen auf der Innenseite der Rohrwand
den Widerstand zwischen den Elektroden verändern und dadurch die Meßgenauigkeit
beeinträchtigen. Dies kann zum Beispiel bei Fernheizungen der Fall sein, bei denen
dem Wärmeträger, z.B. Wasser, häufig Additive zur Verhinderung unter anderem einer
Korrosion zugesetzt werden. Diese Additive können sich auf der Innenseite der Rohrwand
ab lagern und den Widerstand zwischen den Elektroden verringern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmesser der
gattungsgemäßen Art anzugeben, bei dem der Einfluß von Widerstandsänderungen zwischen
den freiliegenden (aktiven) Teilen der Elektroden auf das Meßergebnis verringert
ist.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jede Elektrode
durch eine zum Inneren des Rohres hin offene, die Elektrode mit Abstand umgebende,
radial nach außen ragende Kammer umgeben ist.
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Wenn hierbei eine leitfähige Ablagerung von Bestandteilen des Fluids
auf der Innenseite des Rohres und der Kammern auftritt, ist der Gesamtwiderstand
der Ablagerungsschicht zwischen den Elektroden gegenüber dem bekannten Fall um wenigstens
den Betrag desjenigen Teils der Ablagerungsschicht größer der die Innenseiten der
Kammern bedeckt. Je nach radialer Länge der Kammern läßt sich der Gesamtwiderstand
der Ablagerungsschicht daher erheblich vergrößern, so daß
sein Einfluß
auf das Meßergebnis vernachlässigbar ist.
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Günstig ist es ferner, wenn die Elektroden als dünne langgestreckte
Stabelektroden ausgebildet sind und ihr radialer Abstand von der sie umgebenden
Kammerwand etwa ihrem Durchmesser entspricht. Dies ergibt zum einen eine geringere
Gesamtoberfläche der Elektroden, auf der sich eine Ablagerung bilden kann, so daß
der Widerstand zwischen den gegebenenfalls freiliegenden oder freigehaltenen Elektrodenenden
entsprechend größer ist. Zum anderen wird durch den verhältnismäßig großen Abstand
zwischen den Elektroden und den diesen zugekehrten Innenseiten der Kammern auch
über längere Zeit hinweg verhindert, daß sich die Ablagerungen gegenseitig berühren,
insbesondere bei einer Verbiegung der Elektroden, wodurch der Widerstand verringert
würde. Dennoch ist der Abstand hinreichend klein, um zu vermeiden, daß der Fluidstrom
zu einem so erheblichen Teil in die Kammern strömen würde, daß dadurch das Meßergebnis
verfälscht würde.
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Die Elektroden können an ihrem freien Ende etwa punktförmig sein.
Gegenüber einer großflächigen Elektrode bewirkt dann eine allmähliche Verunreinigung
der Elektrodenoberfläche nur eine verhältnismäßig kleine Veränderung der Meßspannung.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Elektroden an ihrem freien
Ende als sich in Strömungsrichtung erstreckende Platte auszubilden. Dies ergibt
eine Vergrößerung der aktiven Elektrodenfläche und ein kleineren Innenwiderstand
einer zwischen den Elektroden liegend gedachten Ersatzspannungsquelle, wobei der
Einfluß des Widerstands einer Ablagerung an der Rohrwand verringert wird.
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Sodann können die Elektroden so weit in die Fluid-
strömung
ragen, daß der Abstand der Elektroden kleiner als der Innendurchmesser des Rohres
ist. Hierbei wird die Möglichkeit einer leitenden Ablagerung zwischen dem gegebenenfalls
plattenförmigen Elektrodenende und der Rohrwand herabgesetzt. Gleichzeitig wird
die Abhängigkeit der Meßspannung von elektrischen Strömen verringert, die in einer
Ablagerung auf der Innenseite der Rohrwand fließen, weil sich an der Grenzfläche
zwischen Fluid und Ablagerung unterschiedliche Potentiale ausbilden.
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Sodann können die Elektroden wenigstens in dem durch die Kammer verlaufenden
Teil einen elektrisch isolierenden Überzug aufweisen. Dadurch wird sichergestellt,
daß der Weg und damit der Widerstand für einen elektrischen Strom zwischen den aktiven
Elektrodenflächen längs der Rohrwand um einen der Länge der Elektroden entsprechenden
Betrag vergrößert wird.
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Vorzugsweise bestehen die Kammern aus elektrisch isolierendem Material,
um den elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden zu vergrößern. Sie können
aber auch aus Metall bestehen und eine elektrisch isolierende Auskleidung aufweisen,
wobei dann die Elektrode isolierend durch die Kammerwandung hindurchgeführt ist.
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Das Rohr kann ebenfalls aus Metall oder aus einem elektrisch isolierenden
Material bestehen. Vorzugsweise ist es mit einem elektrisch isolierenden Rohrstück,
das im Bereich der Kammeröffnungen durchbrochen ist, ausgekleidet, wobei die Elektroden
die Durchbrüche des Rohrstücks mit Abstand durchsetzen.
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Dies trägt ebenfalls zur Erhöhung des elektrischen Widerstands bei.
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Hierbei kann sich der Innenquerschnitt des inneren Rohrstücks zur
Meßstrecke hin verjüngen. Dies ergibt
im Meßbereich zwischen den
Elektroden eine höhere Fluidströmungsgeschwindigkeit mit einer entsprechend höheren
Meßspannung, wobei die höhere Strömungsgeschwindigkeit gleichzeitig dafür sorgt,
daß die Ausbildung von Ablagerungen auf der Innenseite des Rohres bzw. der Außenseite
der Elektrode erschwert wird.
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Ferner kann jede Kammer auf der Innenseite ihrer die Elektrode umgebenden
Wand an der in das Rohr mündenden Kammeröffnung eine sich wenigstens teilweise in
die Kammer streckende Ringelektrode aufweisen.
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Diese Ringelektrode nimmt ein Potential an, das etwa dem der von ihr
umgebenen Meßelektrode entspricht} und verhindert dadurch einen Stromabfluß auf
einem Weg, in dem die Ringelektrode liegt.
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Ferner kann dafür gesorgt sein, daß jede Ringelektrode jeweils mit
dem Ausgang eines Verstärkers mit hohem Eingangswiderstand, hohem Ausgangswiderstand
und einer Spannungsverstärkung von 1 oder weniger verbunden ist. Auf diese Weise
erhält die Ringelektrode ein definiertes Potential, das etwa dem der Meßelektrode
entspricht. Gleichzeitig ist sichergestellt, daß die Meßstrecke nicht durch den
der Meßstrecke entnommenen Meßstrom und einen durch eine Ablagerung an der Rohrwand
fließenden Strom belastet wird, so daß die Meßspannung im wesentlichen unabhängig
von einer dertigen Belastung ist.
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Die Zeichnung stellt schematisch Teile bevorzugter Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Durchflußmessers dar, und zwar Fig. 1 einen Längsschnitt durch
einen Teil eines ersten Ausführungsbeispiels und Fig. 2 einen Längsschnitt durch
einen Teil eines
zweiten Ausführungsbeispiels mit zugehörigen Schal
tungstei len.
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Nach Fig. 1 ist ein zylindrisches Rohr 1 aus Metall, durch das ein
Fluid strömt, hier warmes Wasser einer Warmwasserheizung, dessen Durchfluß gemessen
werden soll, um den Wärmeverbrauch zu ermitteln, mit radial nach außen ragenden
zylindrischen Kammern 2 aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise Kunststoff,
versehen. Diese Kammern 2 sind zum Inneren des Rohres 1 offen. Die Stirnwände der
Kammern 2 sind von stabförmigen dünnen Elektroden 3 konzentrisch durchsetzt und
haben einen radialen Abstand von der Seitenwand der Kammern 2, der wenigstens etwa
dem Durchmesser der Elektroden 3 entspricht.
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Das Rohr 1 ist mit einem Rohrstück 4 aus elektrisch isolierendem Material,
vorzugsweise Kunststoff, ausgekleidet. Das Rohrstück 4 hat im Bereich der Kammeröffnungen
5 kreisförmige Durchbrüche 6, die ebenfalls von den Elektroden 3 koaxial durchsetzt
sind und deren Seitenwände einen Abstand von den Elektroden 3 aufweisen. Der Innenquerschnitt
des Rohrstücks 4 verringert sich in Richtung zu der zwischen den Elektroden 3 liegenden
Meßstrecke nach Art eines Venturi-Rohres. Das Fluid hat daher im Bereich der Meßstrecke
eine höhere Strömungsgeschwindigkeit.
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Während die in die Fluidströmung ragenden freIen etwa punktförmigen
Enden der Elektroden 3 nicht isoliert, (blank) sind, ist der Schaft der Elektroden
3 innerhalb der Kammern 2 und der Durchbrüche 6 mit einem elektrisch isolierenden
Überzug 7, z.B. aus Lack oder Kunststoff, versehen. Die etwa punktförmigen freiliegenden
Enden der Elektroden 3 ragen in die Fluidströmung.
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Senkrecht zu den Elektroden 3 und der Strömungsrichtung ist das Rohr
1 von einem nicht dargestellten Magnetfeld durchsetzt, so daß an den Elektroden
3 eine elektrische Spannung, wie bei einem magnetohydrodynamischen Generator, abgegriffen
werden kann, die von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids sowie von der Stärke
des Magnetfeldes abhängig ist. Bei konstanter Magnetfeldstärke ist die Spannung
zwischen den Elektroden 3 ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Durchfluß
des Fluids und damit ein Maß für die den Rohrquerschnitt durchsetzende Wärmemenge.
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Wenn das Fluid elektrisch leitende Verunreinigungen oder Zusätze aufweist,
die sich an der Innenseite des Rohrstücks 4 ablagern, nimmt der elektrische Widerstand
zwischen den Elektroden 3 über die Rohrwand ab, da durch diese Ablagerung ein elektrischer
Strom von der einen zur anderen Elektrode 3 fließen kann.
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Gleichzeitig wird aber das über die Elektroden abgenommene Meßsignal
durch die Ablagerungen beeinträchtigt. Der Ableitungsstrom über die Rohrwand fällt
deshalb umso mehr ins Gewicht. Der elektrische Widerstand der Ablagerungsschicht
ist jedoch um so größer, je länger der Weg des Stromes durch diese Ablagerungsschicht
ist. Ohne die Kammern 2 und bei unmittelbar an den Elektroden 3 anliegenden Durchbrüchen
wäre der Weg von Elektrode zu Elektrode an der Innenseite des Rohrstücks 4 entlang
am kürzesten. Im vorliegenden Fall müßte der Strom jedoch vom einen Ende der einen
Elektrode 3 an der Außenseite der einen Elektrodenisolation, den Innenseiten der
einen Kammer 2, des einen Durchbruchs 6, des Rohrstücks 4, des anderen Durchbruchs
6 und der anderen Kammer 2 und an der Außen seite der anderen Elektrodenisolation
entlang zum freien Ende der anderen Elektrode 3 durch eine gege-
benenfalls
vorhandene Ablagerungsschicht hindurchfließen. Dieser Weg ist nicht nur erheblich
länger, sondern hat stellenweise auch einen weit geringeren Querschnitt, so daß
auch der Widerstand einer eventuell vorhandenen Ablagerunggschicht erheblich größer
als in dem zuerst geschilderten Fall ist. Die Meßspannung wird daher durch eine
Ablagerung nur unwesentlich beeinflußt.
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Das Rohr 1 und die Kammer 2 können auch einteilig aus Kunststoff oder
Metall hergestellt sein. Wenn die Kammern 2 aus Metall bestehen, sind ihre Innenseiten
mit einem isolierenden Uberzug versehen.
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Sodann kann das Rohrstück 4 weggelassen werden. Dies verlängert den
Weg zwischen den freien Enden der Elektroden 3 an der Innenseite des Rohres 1 entlang.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach
Fig. 1 nur insofern als das Rohrstück 4 weggelassen ist und jede Kammeröffnung 5
mit einer die jeweilige Meßelektrode 3 konzentrisch mit Abstand umgebenden Ringelektrode
8 versehen ist.
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Die Ringelektrode 8 kann sich jedoch auch über die gesamte Kammerwand
erstrecken, wie es durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Die Ringelektrode
8 ist mit einem Anschluß 9 versehen, der mit dem Ausgang eines Verstärkers 10 verbunden
ist. Der Eingang des Verstärkers 10 ist an dem aus der Kammer 2 herausgeführten
Ende der Meßelektrode 3 angeschlossen. Der Verstärker hat eine Spannungs-Verstärkung
Vfl und einen hohen Eingangs- sowie einen niedrigen Ausgangswiderstand. Jede Ringelektrode
8 liegt daher auf einem definierten Potential, das stets kleiner oder gleich dem
Potential der zugehörigen Meßelektrode 3 und zu diesem proportional ist. Ein Strom,
der von der einen zur anderen Meßelektrode 3, gegebenenfalls durch eine Ablagerung,
an der Rohr- und Kammer-
wand entlangfließen will, muß daher erst
die Potentiale der Ringelektroden überwinden. Dies entspricht einer Erhöhung des
Ableitwiderstands zwischen den Meßelektroden und damit einer Verringerung des Innenwiderstands
der Meßstrecke, so daß die Meßspannung in höherem Maße unabhängig von durch Ablagerungen
bewirkten Ableitwiderstandsänderungen und von Belastungsänderungen an den Verstärkerausgängen
ist.
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Die Ringelektroden 8 müssen jedoch nicht mit dem Meßstromkreis verbunden
sein. Vielmehr können sie galvanisch getrennt vom Meßstromkreis und den Meßelektroden
3 angeordnet sein, ohne die Anschlüsse 9 zu belegen oder vorzusehen, so daß auch
die Verstärker 10 entfallen können. Dennoch hat sich gezeigt, daß die Ringelektroden
8 etwa das gleiche Potential wie die Meßelektroden 3 annehmen, möglicherweise über
das Fluid. Im Ergebnis stellt sich daher ebenfalls wegen der durch die Ringelektroden
8 bewirkten Potentialschwelle ein hoher Ableitwiderstand zwischen den Meßelektroden
3 mit entsprechend geringerem Innenwiderstand der Meßstrecke ein.