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Dokumentenidentifikation DE69232633T2 19.09.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0704682
Titel Magnetisch-induktiver Durchflussmesser für Freispiegelflüssigkeitsleitung
Anmelder Aichi Tokei Denki Co. Ltd., Nagoya, Aichi, JP
Erfinder Yoshida, Yutaka, Kaniecho, Aichi-ken, 497, JP
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Kraus & Weisert, 80539 München
DE-Aktenzeichen 69232633
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, LI
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 03.09.1992
EP-Aktenzeichen 951164847
EP-Offenlegungsdatum 03.04.1996
EP date of grant 05.06.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.2002
IPC-Hauptklasse G01F 1/60
IPC-Nebenklasse G01F 1/58   G01F 1/00   G01F 25/00   G01F 23/26   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Strömungsmesser für eine ungefüllte Fluidströmungsleitung.

Es ist eine Einrichtung bekannt, welche Spulen umfasst, die über und unter einer Strömungsleitung angeordnet sind, um auf der Basis der Ausgangsgrößen der Spulen zu detektieren, ob die Strömungsleitung mit einem Fluid vollständig gefüllt oder ungefüllt, d. h. nicht vollständig, sondern nur teilweise gefüllt, ist (JP-A-59-230115).

Weiter ist in JP-A-52-48356 eine Anordnung offenbart, in welcher die Spulen, die über und unter einer Strömungsleitung angeordnet sind, in Reihe miteinander verbunden sind.

DE-U-91 03 046 offenbart ein elektromagnetisches Flüssigkeitsströmungsmesssystem, welches mittels einer geeigneten Zeitgebungsfolge fähig ist, eine unausgeglichene Spannungserzeugung zu detektieren, die auftritt, wenn ein Rohrelement, durch welches die Flüssigkeit strömt, nicht vollständig von der Flüssigkeit gefüllt wird, und eine Korrektur auszuführen, um ein Ausgangssignal zu liefern, das der Strömungsrate proportional ist, und außerdem umfasst ein Standardelektrodenpaar zum Detektieren der Spannungserzeugung ein Paar Elektroden ausschließlich für die Verwendung, wenn das Rohrelement weniger als halb mit Flüssigkeit gefüllt ist.

Die vorliegende Erfindung stellt einen elektromagnetischen Strömungsmesser zum Messen einer Strömungsrate eines eine Leitung nicht vollständig füllenden Fluids zur Verfügung, umfassend:

Spulen zum Anbringen über und unter der Leitung, jede zum Erzeugen eines Magnetfelds quer über die Leitung,

ein Mittel zum Erregen entweder der oberen Spule oder der unteren Spule,

ein Sensormittel, umfassend ein Paar Elektroden, um so auf der Leitung positioniert zu werden, dass sie fähig sind, eine induzierte Spannung quer über der Leitung, die durch den Durchgang von Fluid in der Leitung durch das Magnetfeld induziert wird, abzufühlen, und

ein Verarbeitungsmittel, das fähig ist zum:

Empfangen von Signalen OA' und OB' von dem auf der Leitung positionierten Sensormittel bei Erregung der oberen Spule bzw. der unteren Spule, für eine unbekannte Strömungsrate Q' des Fluids in der Leitung,

Bestimmen des Werts des Signals OAα von dem Sensormittel bzw. der Strömungsrate Qα für die Stelle α, an welcher das Verhältnis von OB zu OA gleich dem Verhältnis von OB' zu OA' ist, worin OA und OB vorher bestimmte entsprechende Werte für die Ausgangsgrößen des Sensormittels bei Erregung der oberen Spule bzw. der unteren Spule, wenn es bzw. sie auf einer Bezugsleitung positioniert ist bzw. sind, die einen bekannten konstanten Gradienten und die gleiche Querschnittskonfiguration wie die Leitung hat, über einen Bereich von bekannten Strömungsraten Q des Fluids in der Bezugsleitung repräsentieren, und

Bestimmen der unbekannten Strömungsrate Q' als gleich OA' Qα/OAα aus OA', OAα und Qα.

Vorzugsweise umfasst das Verarbeitungsmittel einen Analog-zu- Digital-(A/D)-Umsetzer, der so positioniert ist, dass er die Signale von den Sensormitteln empfängt.

Vorzugsweise ist das Verarbeitungsmittel fähig, das Verhältnis OAα/Qα als einen Empfindlichkeits- bzw. Ansprechempfindlichkeltswert zu bestimmen.

Vorzugsweise umfasst das Sensormittel ein Paar Elektroden, die fähig sind, so auf der Leitung positioniert zu werden, dass sie symmetrisch in Relation zu einer Mittellinie der Leitung positioniert sind.

In einer Form des Strömungsmessers sind die obere Spule, die untere Spule und das Sensormittel, welches ein Paar Elektroden umfasst, auf einer Länge der Leitung angebracht.

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Messen der Strömungsrate eines eine Leitung nicht vollständig füllenden Fluids unter Verwendung eines elektromagnetischen Strömungsmessers zur Verfügung, umfassend:

Spulen zum Anbringen über und unter der Messleitung, jede zum Erzeugen eines Magnetfelds quer über die Leitung,

ein Mittel zum Erregen entweder der oberen Spule oder der unteren Spule,

ein Sensormittel, umfassend ein Paar Elektroden, um so auf der Leitung positioniert zu werden, dass sie eine induzierte Spannung quer über der Leitung, die durch den Durchgang von Fluid in der Leitung durch das Magnetfeld induziert wird, abfühlen, und

ein Verarbeitungsmittel, das die folgenden Schritte ausführt:

Empfangen von Signalen OA' und OB' von dem auf der Leitung positionierten Sensormittel bei Erregung der oberen Spule bzw. der unteren Spule, für eine unbekannte Strömungsrate Q' des Fluids in der Leitung,

Bestimmen des Werts des Signals OAα von dem Sensormittel bzw. der Strömungsrate Qα für die Stelle α, an welcher das Verhältnis von OB zu OA gleich dem Verhältnis von OB' zu OA' ist, worin OA und OB vorher bestimmte entsprechende Werte für die Ausgangsgröße des Sensormittels bei Erregung der oberen Spule bzw. der unteren Spule, wenn es bzw. sie auf einer Bezugsleitung positioniert sind, die an einen bekannten konstanten Gradienten und die gleiche Querschnittskonfiguration wie die Leitung (1) hat, über einen Bereich von bekannten Strömungsraten Q des Fluids in der Bezugsleitung und

Bestimmen der unbekannten Strömungsrate Q' als gleich OA' Qα/OAα aus OA', OAα und Qα.

Vorzugsweise unterwirft das Verarbeitungsmittel die Signale von dem Sensormittel einer Analog-zu-Digital-Umsetzung.

Vorzugsweise bestimmt das Verarbeitungsmittel das Verhältnis OAα/Qα als einen Empfindlichkeits- bzw. Ansprechempfindlichkeitswert.

Eine grundlegende Form eines elektromagnetischen Strömungsmessers, eine Form eines elektromagnetischen Strömungsmessers, welcher Komponenten für die Leitfähigkeitsmessung umfasst, und ein Verfahren des Messens der Strömungsrate einer Flüssigkeit, die eine Leitung nicht vollständig füllt, unter Verwendung eines elektromagnetischen Strömungsmessers, wird nun nur als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1(a) ein Blockdiagramm ist, das eine Form eines elektromagnetischen Strömungsmessers zeigt, welcher Komponenten für die Leitfähigkeitsmessung umfasst,

Fig. 1(b) Komponenten des elektromagnetischen Strömungsmessers der Fig. 1(a) für die Leitfähigkeitsmessung zeigt,

Fig. 2 ein für die Fig. 1(a) relevantes Zeitablaufdiagramm ist,

Fig. 3 eine Kurve für ein Verhältnis p, wie es unten definiert ist, auf einer (h-c)-Ebene zeigt, worin h und c so sind, wie sie unten definiert sind,

Fig. 4 eine Kurve eines Verhältnisses s, wie es unten definiert ist, auf der (h-c)-Ebene zeigt,

Fig. 5 die Kurve p und die Kurve s auf der (h-c)-Ebene zeigt,

Fig. 6 eine elektrische Schaltung für die Leitfähigkeitsmessung in dem elektromagnetischen Strömungsmesser der Fig. 1(a) zeigt,

Fig. 7 eine andere elektrische Schaltung für die Leitfähigkeitsmessung in dem elektromagnetischen Strömungsmesser der Fig. 1(a) zeigt,

Fig. 8 eine Kurve für das Verhältnis p auf der (h-c)-Ebene für den elektromagnetischen Strömungsmesser der Fig. 1(a) zeigt,

Fig. 9 eine Kurve des Verhältnisses s auf der (h-c)-Ebene für den elektromagnetischen Strömungsmesser der Fig. 1(a) zeigt,

Fig. 10 eine einer Instrumentation zuzuschreibende Fehlerkurve für eine beispielhafte Technik der Messung der Strömungsrate des Standes der Technik zeigt,

Fig. 11 eine einer Instrumentation zuzuschreibende Fehlerkurve für den elektromagnetischen Strömungsmesser der Fig. 1(a) zeigt,

Fig. 12 ein Blockdiagramm ist, das eine grundlegende Form eines elektromagnetischen Strömungsmessers gemäß der Erfindung zeigt,

Fig. 13(a) eine Seitenansicht von einer Leitung und von Spulen zeigt, die in dem elektromagnetischen Strömungsmesser der Fig. 12 enthalten sind,

Fig. 13(b) eine Schnittansicht der Leitung und der Spulen längs der Linie A-A der Fig. 13(a) zeigt,

Fig. 14 ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs des elektromagnetischen Strömungsmessers ist, der in Fig. 12 gezeigt ist,

Fig. 15(a) bis Fig. 15(d) Ansichten für die graphische Veranschaulichung von Prozeduren zum Ausführen eines Strömungsraten-Messverfahrens mittels der grundlegenden Form eines Strömungsmessers gemäß der Erfindung sind, worin Fig. 15(a) graphisch die Strömungsmesser-Ausgangsgröße zeigt, Fig. 15(b) graphisch ein Ausgangsgrößen-Verhältnis für den Strömungsmesser zeigt, Fig. 15(c) die Bestimmung einer Strömungsrate Qα auf der Basis eines Ausgangsgrößen-Verhältnisses veranschaulicht, das für eine unbekannte Strömungsrate erhalten worden ist, und Fig. 15(d) einen Vorgang für das Bestimmen der Empfindlichkeit bzw. Ansprechempfindlichkeit aus einer Kurve für eine Ausgangsgröße OA veranschaulicht,

Fig. 16 eine schematische Ansicht einer experimentellen Einrichtung ist, die zum Verifizieren der Messgenauigkeit der Technik verwendet wird, die in den Fig. 15(a) bis 15(d) veranschaulicht ist,

Fig. 17 graphisch mittels eines Beispiels die Beziehung zwischen einer aktuellen Strömungsrate Q und den Ausgangsgrößen OA und OB des elektromagnetischen Strömungsmessers zeigt, der in Fig. 12 gezeigt ist,

Fig. 18 graphisch die Beziehung zwischen einer aktuellen Strömungsrate Q und dem Verhältnis OB/OA zeigt, das arithmetisch aus den Daten der Fig. 17 bestimmt worden ist,

Fig. 19 graphisch die Beziehungen zeigt, welche jenen der Fig. 17 entsprechen, und zwar für einen Fall, in dem sich die Neigung des Strömungsrohrs von jener der Fig. 17 unterscheidet,

Fig. 20 ein dem Instrument zuschreibbares Fehlerdiagramm für die Einrichtung zeigt, die in Fig. 12 gezeigt ist,

Fig. 21 ein Ablaufdiagramm ist, welches ein Verfahren für die Benutzung der Form des elektromagnetischen Strömungsmessers der Fig. 1(a), das die Komponenten für eine Leitfähigkeitsmessung enthält, veranschaulicht, und

Fig. 22 graphisch die Beziehungen zwischen g, wie es unten definiert ist, sowie h und c Veranschaulicht.

In den Fig. 12 und 13 bezeichnet ein Bezugszeichen 1 eine Strömungsleitung, die einen kreisförmigen Querschnitt hat, 2; 2 bezeichnen ein Paar Elektroden, die in Positionen angeordnet sind, welche symmetrisch zu einer Vertikallinie sind, die sich durch die Mitte der Strömungsleitung 1 erstreckt, und 3A und 3B bezeichnen eine erste und zweite Erregungsspule zum Erzeugen von Magnetflussdichteverteilungen BA und BB, die sich für unterschiedliche Perioden (oder Zeiten) voneinander unterscheiden. Ein Bezugssymbol 4 bezeichnet generell einen Strömungsratendetektor der veranschaulichten Struktur.

Ein Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Erregungsschaltung, welche auf ein Signal anspricht, das von einer Zeitgebungsschaltung 6 ausgegeben wird, um die erste und zweite Erregungsspule 3A und 3B abwechselnd miteinander zu erregen. Ein Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Vorverstärker zum Verstärken einer Spannung, die über den Elektroden 2; 2 auftritt, ein Symbol S&sub1; bezeichnet einen Umschalter, welcher in Ansprechung auf das von der Zeitgebungsschaltung 6 zugeführte Signal arbeitet, um die oben erwähnten gepaarten Erregungsspulen 3A und 3B synchron mit dem Umschalten der vorerwähnten Erregungsperioden umzuschalten. Spezieller wird der Schalter S&sub1; zu einem Kontakt a umgeschaltet, wenn die erste Erregungsspule 3A erregt wird, während er zu einem Kontakt b umgeschaltet wird, wenn die zweite Erregungsspule 3B erregt wird.

Die Bezugssymbole 8A und 8B bezeichnen Verstärker, die mit den Signalen über den Kontakt a bzw. den Kontakt b versorgt werden und zu einer Versetzungskompensation und einer Abtast- und Haltefunktion für diese Signale dienen, ein Bezugszeichen 9 bezeichnet eine CPU-Schaltung, ein Bezugszeichen 10 bezeichnet eine A/D-Umwandlungsschaltung zum Umwandeln der von den Verstärkern 8A; 8B zugeführten Analogsignale in Digitalsignale, und ein Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Rechen- bzw. Arithmetikschaltung, die ein Programm zum Ausführen von arithmetischen Operationen enthält, was später beschrieben werden wird. Ein Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben eines Strömungsratensignals, das als ein Ergebnis der arithmetischen Operation erzeugt worden ist.

Fig. 14 ist ein Zeitablaufdiagramm zum Veranschaulichen des Betriebs des elektromagnetischen Strömungsmessers von der in Fig. 12 gezeigten Struktur und sie zeigt, ausgehend von dem obersten Ende der Figur ein Ausgangssignal der Zeitgebungsschaltung 5, einen Erregungsstrom für die erste Erregungsspule 3A, einen Erregungsstrom für die zweite Erregungsspule 3B, den Betrieb des Umschalters S&sub1;, ein Ausgangssignal des Vorverstärkers 7, ein Eingangssignal zu der Verstärkungsschaltung 8A bzw. ein Eingangssignal zu der Verstärkungsschaltung 8B, in dieser Reihenfolge.

Zum Messen einer Strömungsrate eines durch die Strömungsleitung 1 in einem ungefüllten Zustand fließenden Strömungsmittels wird eine solche Prozedur gewählt, welche unten beschrieben ist.

Schritt 1. Es wird eine Strömungsleitung vorgesehen, die die gleiche Querschnittsform wie die Strömungsleitung 1 hat, für welche die Strömungsrate gemessen werden soll. Durch Ändern eines Fluidniveaus h innerhalb der ersten erwähnten Strömungsleitung, während die Neigung hiervon konstant gehalten wird, werden Ausgangssignale OA und OB, die den Strömungsraten Q bei den obenerwähnten Fluidniveaus entsprechen, vorher bestimmt. In einer und derselben Strömungsleitung haben das Fluidniveau und die Strömungsrate eine Eins-zu-eins-Korrespondenz zueinander. Parenthetisch repräsentieren die Ausgangssignale OA und OB Strömungsratensignale, welche durch die erste bzw. zweite Erregungsspule 3A und 3B erzeugt werden, wenn die gleiche Strömungsrate Q unter Verwendung des Strömungsratendetektors 4 gemessen wird, der gemäß dem Prinzip arbeitet, das dem elektromagnetischen Strömungsmesser (Fig. 15(a)) zugrunde liegt.

Schritt 2. Die unbekannte Strömungsrate Q' in der Strömungsleitung 1, durch welche ein Fluid strömt, dessen Strömungsrate gemessen werden soll, wird mittels des vorerwähnten Strömungsdetektors 4 gemessen, um Ausgangsgrößen-Daten OA' und OB' zu erhalten.

Schritt 3. Ein Verhältnis OB'/OA' zwischen den Ausgangsgrößen OB' und OA' wird bestimmt, und dann wird eine Strömungsrate Qα, für welche ein Verhältnis OB/OA zwischen den Ausgangsgrößen OB und OA, die in dem Schritt 1 bestimmt worden sind, den gleichen Wert wie das Verhältnis OB'/OA' annimmt, aus den Daten herausgeholt, die in dem Schritt 1 (Fig. 15(b)(c)) erhalten worden sind, woraufhin eine Empfindlichkeit, gegeben durch OAα/Qα in dem Zustand, in dem die Strömungsrate in dem Schritt 1 Qα ist, arithmetisch aus dem Ausgangsdatensignal OAα, erlangt in dem Schritt 1, wenn die Strömungsrate % ist, bestimmt wird (Fig. 15(d)).

Schritt 4. Auf der Basis der Ausgangsgröße OA', gemessen in dem Schritt 2, und der Empfindlichkeit OAα/Qα, bestimmt in dem Schritt 3, wird die unbekannte Strömungsrate Q' arithmetisch gemäß dem folgenden Ausdruck bestimmt:

Q' = OA'·Qα/OAα

Wie nun erkennbar ist, ist ein Verfahren zum Bestimmen einer unbekannten Strömungsrate Q' ohne die Notwendigkeit des Detektierens des Fluidniveaus vorgeschlagen worden.

Fig. 16 zeigt eine generelle Anordnung einer Einrichtung, die in den Experimenten zum Verifizieren der Messgenauigkeit, welche durch das obenerwähnte Messverfahren geliefert wird, angewandt wurde, worin der Strömungsratendetektor 4, der oben unter Bezugnahme auf die Fig. 12 und 13 beschrieben ist, auf einem aus Vinylchlorid hergestellten und einen Innendurchmesser von 200 mm sowie eine Länge von etwa 8 m besitzenden Rohr 13 angebracht ist. Die Neigung dieses Vinylchloridrohrs wurde zunächst fest auf 2/1000 eingestellt, und eine aktuelle Strömungsrate Q wurde unter Verwendung der ersten Erregungsspule 3A gemessen. Eine Beziehung zwischen dieser aktuellen Strömungsrate Q und der Ausgangsgröße OA des elektromagnetischen Strömungsmessers wird durch eine Kurve OA in Fig. 17 repräsentiert. Andererseits repräsentiert eine Kurve OB das Ergebnis der Messung, die unter Verwendung der zweiten Erregungsspule 3B bei der gleichen Neigung des Rohrs ausgeführt wurde.

Die Verhältnisse OB/OA, welche aus den beiden in Fig. 17 gezeigten Daten OA und OB bestimmt worden sind, sind in Fig. 18 gezeigt. In dieser Figur bleibt das Verhältnis OB/OA konstant auf einem Minimalwert, wenn die Strömungsrate einen Wert von angenähert 100 [m³/Stunde] übersteigt. Dieser Bereich repräsentiert einen sogenannten vollständig gefüllten Zustand. In Fig. 17 bilden die Kurven OA und OB Linienabschnitte von geraden Linien, welche sich durch den Ursprung des Koordinatensystems in einem Bereich erstrecken, in dem die Strömungsrate Q größer als etwa 100 [m³/Stunde] ist. Wie leicht zu verstehen ist, gibt der obenerwähnte Bereich einen Bereich an, in welchem der elektromagnetische Strömungsmesser als ein sogenannter konventioneller elektromagnetischer Strömungsmesser vom Voll-Fluid-Typ arbeitet.

Fig. 19 zeigt Beziehungen zwischen einer aktuellen Strömungsrate Q' [m³/Stunde], die unter Verwendung der in Fig. 16 gezeigten Einrichtung und durch Ändern der Neigung der Strömungsleitung 13 auf 6/1000 gemessen worden ist, und die Ausgangsgrößen OA' und OB', die durch Erregen der Erregungsspulen 3A bzw. 3B erhalten worden sind. In diesem Experiment ist die in Fig. 19 gezeigte aktuelle Strömung bekannt. Jedoch wird, wenn man annimmt, dass die aktuelle Strömungsrate Q' [m³/Stunde] unbekannt ist, das Verhältnis OB'/OA' = α bestimmt, worauf dann die Bestimmung der aktuellen Strömungsrate Qα an einem Punkt folgt, wo der Wert von α mit dem Wert von OB/OA in Fig. 18 übereinstimmt. Durch arithmetisches Bestimmen der Empfindlichkeit OAα/Qα bei der Strömungsrate Qα auf der Basis der in Fig. 17 gezeigten Kurve OA kann die unbekannte Strömungsrate Q' gemäß dem vorher erwähnten arithmetischen Verfahren wie folgt bestimmt werden:

Q' = OA'·Qα/OAα

In diesem Verfahren wurden die der Instrumentation zuzuschreibenden Fehler bei mehreren Werten der Strömungsrate Q' bestimmt. Die Fehler hatten relativ kleine Werte, wie in Fig. 20 gezeigt ist. Die Praktikabilität dieses Messverfahrens konnte demgemäß verifiziert werden.

Das vorstehend erläuterte Strömungsratenmessverfahren leidet an einem Problem dahingehend, dass die Messung unter dem Einfluss der Leitfähigkeit des zu messenden Fluids von Fehlern begleitet wird, weil die Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Symmetrie in der positionellen Beziehung zwischen den Elektroden des Strömungsratendetektors 4, wie sie verwendet werden, und der Erde, wie auch in der Beziehung zwischen dem Elektrodenprofil und der erregenden Magnetflussdichteverteilung verloren geht.

Ein elektromagnetischer Strömungsmesser für eine ungefüllte Fluidströmungsleitung, umfassend Komponenten für die Leitfähigkeitsmessung, soll nun unter Bezugnahme auf Fig. 1-11, 21, 22 beschrieben werden, aber bildet keinen Teil der beanspruchten Erfindung.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfasst er einen Hauptkörperteil 24, der eine oberseitige Erregungsspule (Cu) und eine unterseitige Erregungsspule (Cl), welche separat voneinander erregt werden können, und ein Paar Elektroden 22, die einander gegenüber angeordnet sind, und

einen Umsetzerteil 32, welcher die unten erwähnten Erfordernisse (a) bis (g) umfasst, enthält.

(a) Eine Erregungszeitgebungsschaltung 26, welche eine Erregungsschaltung 25 mit Erregungszeitgebung versorgt und die Zeitgebung einer Verstärkungsschaltung (AMP) zuführt.

(b) Eine Leitfähigkeitsmess-Zeitgebungsschaltung 28, welche ein Zeitgebungssignal zum Ein- und Ausschalten eines Shunt- Schalters (S&sub2;) erzeugt und gleichzeitig diese Zeitgebung einem arithmetischen Verarbeitungsteil 31 zuführt.

(c) Eine Erregungsschaltung 25, welche ein Signal von der Erregungszeitgebungsschaltung 26 empfängt, um dadurch das Paar von Erregungsspulen (Cu)(Cl) zu erregen.

(d) Einen Shunt-Widerstand (Rs) zum Verbinden eines Leiters, der sich von den Elektroden 22 an einem Vorverstärker 27 erstreckt, mit Masse, und einen Schalter (S&sub2;) zum Verbinden oder Trennen des Shunt-Widerstands (Rs) in Ansprechung auf Signale, die von der Leitfähigkeitsmess-Zeitgebungsschaltung 28 zugeführt werden.

(e) Einen Vorverstärker 27 zum Verstärken einer Signalspannung, die zwischen den Elektroden 22 erscheint.

(f) Eine Analog/Digital-Umwandlungsschaltung 30 zum Durchführen einer Analog/Digital-Umwandlung der Ausgangsgröße der Verstärkungsschaltung (AMP), und die arithmetische Verarbeitungsschaltung 31 zur Verarbeitung von Daten, die von der Analog/Digital-Umwandlungsschaltung 30 zugeführt werden, um dadurch ein Strömungsraten-Ausgangssignal auszugeben, sind vorgesehen.

Alternativ kann die arithmetische Verarbeitungsschaltung 31 so konfiguriert sein, dass sie durch Verarbeiten der Ausgangsgröße von der Analog/Digital-Umwandlungsschaltung 30 eine Leitfähigkeits-Ausgangsgröße erzeugt.

Der Betrieb wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis Fig. 5 beschrieben.

Fig. 2 zeigt ein Zeitablaufdiagramm für einen typischen Zyklus der Messung. Ein dargestellter Messzyklus besteht aus Perioden a bis f. An erster Stelle wird kurz eine Beschreibung der individuellen Signale gegeben.

(i) Die oberseitige Erregungsspule Cu wird während der Perioden a und b und der Perioden e und f erregt.

(ii) Die unterseitige Erregungsspule Cl wird während der Perioden c und d erregt.

(iii) Der Shunt- bzw. Nebenschluss-Schalter S&sub2;, der für die Messung der Leitfähigkeit verwendet wird, wird nur während der Perioden e und f eingeschaltet oder geschlossen.

(iv) Die Ausgangssignale, die an dem Ausgang des Vorverstärkers 27 erscheinen, hängen von der Differenz der Erregung und den Positionen des Nebenschluss-Schalters S&sub2; ab.

(v) Die erste Verstärkungsschaltung AMPu integriert die Ausgangsgröße des Vorverstärkers 27 während der Periode der Erregung der oberseitigen Erregungsspule und hält den integrierten Wert für die Ausgangsgrößen nach Vollendung der Integration fest. Entsprechend wird der integrierte Wert während der Perioden a und b zu einem Zeitpunkt t&sub2; gültig gemacht, während der integrierte Wert während der Perioden e und f zu einem Zeitpunkt t&sub6; gültig gemacht wird.

Als nächstes geht die Beschreibung zu Vorgängen für die Verarbeitung der Signale, wie sie erhalten werden, über.

1. Drei Arten von unten erwähnten Daten werden vorher durch Messung erlangt und in dem arithmetischen Verarbeitungsteil 31 gespeichert.

(1) Ein Verhältnis g Q/Eu, worin Eu die Ausgangsgröße der ersten Verstärkungsschaltung AMPu repräsentiert, die erzeugt wird, wenn die oberseitige Spule (oder alternativ die unterseitige Spule) erregt wird, und Q eine aktuelle Strömungsrate zu jener Zeit repräsentiert, kann einen konstanten Wert durch vorheriges Bestimmen des Fluidniveaus h und der Leitfähigkeit c annehmen. Dieses durch g(h, c) gegebene Verhältnis wird vorher erlangt.

(2) Ein Verhältnis p El/Eu zwischen der Ausgangsgröße Eu, die durch die erste Verstärkungsschaltung AMPu erzeugt wird, wenn die oberseitige Spule erregt wird, und der Ausgangsgröße El, die durch die zweite Verstärkungsschaltung AMP1 erzeugt wird, wenn die unterseitige Spule erregt wird, kann auch einen konstanten Wert für die vorbestimmten Werte des Fluidniveaus h und der Leitfähigkeit c annehmen. Dieses Verhältnis, das durch p(h, c) gegeben ist, wird durch Messung vorher erlangt.

(3) Ein Verhältnis s Eu'/Eu zwischen der Ausgangsgröße Eu, wenn der Nebenschluss-Schalter S&sub2; geöffnet ist, und der Ausgangsgröße Eu', wenn der Nebenschluss-Schalter S&sub2; geschlossen ist, und zwar in dem Zustand, in dem die oberseitige Spule erregt ist, wird außerdem in Abhängigkeit von dem Fluidniveau h und der Leitfähigkeit c bestimmt. Dieses Verhältnis, das durch s(h, c) gegeben ist, wird vorher durch Messung bestimmt.

2. Aus den Signalen Eu und El, die durch aktuelle Messung erhalten worden sind, wird ein Verhältnis pa = El/Eu bestimmt. Unter der Voraussetzung, dass p(h, c) = p&sub0; ist, kann eine Kurve auf einer h-c-Ebene in einer Art und Weise, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist, gezeichnet werden. Obwohl diese Kurve eigentlich in einer Ebene p = P&sub0; liegt, wird eine Kurve, die durch orthogonale Projektion dieser Kurve auf die h- c-Ebene erhalten worden ist, verwendet.

Das in Verbindung mit der Beschreibung der grundlegenden Technik erwähnte Messverfahren basiert auf der Annahme, dass p&sub0; und das Fluidniveau h eine Eins-zu-eins-Korrespondenz zueinander aufweisen. Mit anderen Worten, es wurde betrachtet, dass p&sub0; durch eine gerade Linie repräsentiert werden könnte, die sich parallel zu der Ordinate erstreckt, wie durch eine gestrichelte Linie in Fig. 3 angedeutet ist. Jedoch haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung entdeckt, dass p&sub0; nicht in Eins-zu-eins-Korrespondenz mit dem Fluidniveau h ist, sondern ebenso gut von der Leitfähigkeit abhängt wie durch die ausgezogene Linie in Fig. 3 angegeben ist.

3. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben die Möglichkeit der Verarbeitung der Ausgangsgröße der oberseitigen Spule und/oder der unterseitigen Spule in einer gewissen Art und Weise so, dass das Ergebnis der Verarbeitung als eine Kurve in der h-c-Ebene gezeichnet werden kann, wie in dem Fall der in Fig. 3 gezeigten Kurve, studiert und untersucht. Wenn eine solche Kurve erhalten werden kann, dann ist es möglich, das Fluidniveau h und die Leitfähigkeit c auf der Basis der Ausgangsgrößen der oberen und unteren Spule durch Bestimmen des Schnittpunkts der oben erwähnten Kurve mit jener der Fig. 3 zu spezifizieren. Um es in anderer Weise zu sagen, wenn zwei Gleichungen, die zwei Variable h und c haben, definiert werden können, dann kann das Fluidniveau h als eine Lösung der Gleichungen bestimmt werden. Gleichzeitig kann ebenso gut die Leitfähigkeit c bestimmt werden.

In dieser Verbindung beachteten die Erfinder der vorliegenden Anmeldung das vorher erwähnte Verhältnis s = Eu'/Eu. Durch Bestimmen von s&sub0; = Eu'/Eu und Darstellen von s&sub0; durch s(u, c) konnte eine Kurve erhalten werden, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, und zwar durch Zurückgreifen auf orthogonale Projektion auf die h-c-Ebene, wie vorher beschrieben.

Parenthetisch bzw. beiläufig erfährt, wenn die Ausgangsimpedanz des Strömungsmesserhauptkörperteils 24, die in Abhängigkeit von dem Fluidniveau h innerhalb des Strömungsrohrs 1 bestimmt wird, und die Leitfähigkeit c des zu messenden Fluids durch Rw repräsentiert wird, das durch den Strömungsmesser erzeugte Strömungsratensignal E eine Spannungsteilung aufgrund von einer Ausgangsimpedanz Rw und einer Eingangsimpedanz Ri des Vorverstärkers 27, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Jedoch ist es, da es gewöhnlich gültig bleibt, dass Rw < < Ri, sicher zu sagen, dass Ei = E.

Wenn der Shunt- bzw. Nebenschluss-Schalter S2 geschlossen ist,

Ei Rs·E/(Rw + Rs)

solange die Bedingung erfüllt ist, dass Rs < < Ri. Demgemäß ergibt sich aus der vorher erwähnten Definition von s

s = Rs/(Rw + Rs)

Da Rs bekannt ist, kann der Ausdruck s(h, c) gültig im Hinblick auf Rw(h, c) angewandt werden.

4. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf die grundlegende Technik beschrieben wurde, wurde die aktuelle Strömungsrate unter der Voraussetzung bestimmt, dass das Fluidniveau h und die Strömungsrate Q in einer Eins-zu-eins-Korrespondenz sind und dass p&sub0; = El/Eu (= OB/OA) eine Eins-zu-eins-Korrespondenz zu der Strömungsrate Q (und demgemäß dem Fluidniveau h) aufweist. Da jedoch P&sub0; p(h, c) ist, wie oben erläutert, ist das in Verbindung mit der grundlegenden Technik beschriebene Verfahren nicht geeignet, wenn die Messung mit höherer Genauigkeit ausgeführt werden soll.

Die Aufmerksamkeit wendet sich der Tatsache zu, dass das vorher erwähnte Verhältnis g Q/Eu eine Funktion des Fluidniveaus h und der Leitfähigkeit c ist.

Spezieller kann, da der Schnittpunkt zwischen den beiden in den Fig. 3 und 4 gezeigten Kurven ein Fluidniveau h&sub0; und eine Leitfähigkeit c&sub0; im gegenwärtigen Zustand (Fig. 5) repräsentiert, g&sub0; aus g = g&sub0;(h&sub0;, c&sub0;) bestimmt werden. Durch die Definition von g wird die gegenwärtige Strömungsrate Q&sub0; gemäß Q&sub0; = g&sub0;Eu bestimmt.

Die Parameter h und c, welche Einfluss auf g haben, können bestimmt werden durch Lösung der Simultangleichungen:

s(h, c) = s&sub0;

p(h, c) = p&sub0;

Durch Bestimmen der Leitfähigkeit C können Fehler, die durch Änderungen in der Leitfähigkeit erzeugt worden sind, kompensiert werden.

Es sei auf Fig. 7 Bezug genommen und angenommen, dass der innere Durchmesser einer Strömungsleitung oder eines Strömungskanals 1 den Betrag von 200 hat, ein Nebenschlusswiderstand Rs 100 Ω ist, und dass ein Vorverstärker 27 eine Eingangsimpedanz von 100 MΩ hat, dann können Kurven, die jenen entsprechen, welche in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind, gezeichnet werden, wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist.

In Fig. 9 repräsentiert ein Bereich, in dem das Fluidniveau h höher als 1,0 D ist, den Fall, in welchem das Fluid unter Druck in dem gefüllten Zustand des Rohrs transportiert wird. Dieser Bereich ist nur für den Zweck der Bezugnahme gezeichnet.

In Fig. 11 sind Daten, die aus der Messung einer Strömungsrate eines Fluids, das eine Leitfähigkeit von 1300 uS/cm hat, dargestellt, wobei die aktuelle Strömungsrate längs der Abszisse aufgetragen ist, während längs der Ordinate der Instrumentation zuschreibbare Fehler aufgetragen sind (d. h. Fehler = (Messwert - wahrer Wert)/wahrer Wert · 100%)).

Die in Fig. 10 gezeigten Daten sind als ein Ergebnis der Messung desselben Fluids gemäß dem grundlegenden Verfahren erhalten worden, das hier weiter oben beschrieben worden ist.

Wenn der elektromagnetische Strömungsmesser für eine ungefüllte Fluidströmungsleitung in der oben beschriebenen Struktur verwirklicht wird, die Komponenten für die Leitfähigkeitsmessung umfasst, kann ein nachteiliger Einfluss der Änderung in der Leitfähigkeit auf die Messgenauigkeit korrigiert oder kompensiert werden, wodurch der Messfehler minimiert werden kann.

Weiter ist, da die Erfordernisse, welche mit Bezug auf die Symmetrie des Hauptkörperteils auferlegt werden, gemildert sein können, die Freiheit in der Gestaltung des Hauptkörperteils des elektromagnetischen Strömungsmessers erhöht.

Daneben kann durch externes Ausgeben der Information der Leitfähigkeit die Funktion einer Leitfähigkeitsmesseinrichtung ebenso gut realisiert werden.

Ein anderes Messverfahren wird mit der Hilfe eines Ablaufdiagramms, das in Fig. 21 gezeigt ist, beschrieben.

Die Fig. 22 ist eine Ansicht für die graphische Veranschaulichung der Beziehungen zwischen dem Verhältnis g Q/Eu und dem Fluidniveau h und der Leitfähigkeit c. Die in Fig. 22 gezeigten Beziehungen wie auch die in den Fig. 8 und 9 gezeigten Beziehungen werden vorher in einem Speicher gespeichert, der in dem arithmetischen Verarbeitungsteil 31 enthalten ist.

In einem Schritt S1 werden die Ausgangsgröße Eu der oberseitigen Spule, die erhalten wird, wenn der Nebenschluss-Schalter S&sub2; geöffnet ist, die Ausgangsgröße Eu' der gleichen Spule, wenn der Schalter S&sub2; geschlossen ist, und die Ausgangsgröße El der unterseitigen Spule detektiert und in Registern gespeichert, die in dem arithmetischen Verarbeitungsteil 31 enthalten sind.

In einem Schritt S3 holt eine arithmetische Schaltung des arithmetischen Verarbeitungsteils Eu und El aus den jeweiligen Registern, um eine Berechnung gemäß Pc = El/Eu auszuführen, deren Ergebnis in einem anderen Register gespeichert wird.

In einem Schritt S5 wird eine Berechnung gemäß S&sub0; = El'/Eu ausgeführt, deren Ergebnis in einem anderen Register gespeichert wird.

In einem Schritt S7 wird der im Schritt S3 erhaltene Wert von p&sub0; mit den in Fig. 8 gezeigten und in dem Speicher gespeicherten Daten verglichen, um dadurch eines der in Fig. 8 gezeigten Daten, welches p&sub0; am nächsten ist, auszuwählen. Andererseits wird der im Schritt S5 erhaltene Wert von S&sub0; mit den im Speicher gespeicherten Daten der Fig. 9 verglichen, um eines der Daten, welches S&sub0; am nächsten ist, auszuwählen. Auf der Basis des Schnittpunkts zwischen den beiden auf diese Weise abgeleiteten Daten können das Fluidniveau h&sub0; und die Leitfähigkeit c&sub0; zu der Zeit der Messung bestimmt werden.

In einem Schritt S9 werden die in dem Speicher gespeicherten Daten der Fig. 22 zum Bestimmen von g&sub0; aus dem Fluidniveau h&sub0; und der Leitfähigkeit c&sub0;, die im Schritt 7 bestimmt worden sind, konsultiert.

In einem Schritt S11 wird die Ausgangsgröße Eu der oberseitigen Spule aus dem Register ausgelesen und mit dem im Schritt S9 erhaltenen Verhältnis g&sub0; multipliziert, um arithmetisch die aktuelle Strömungsrate Q&sub0; zu bestimmen.

In dem Fall der oben beschriebenen Ausführungsform, die Komponenten für die Leitfähigkeitsmessung enthält, ist der innere Durchmesser des Rohrs 240 mm. Jede der Elektroden 2 hat eine Breite von 40 mm in der Strömungsrichtung und eine Dicke von 2 mm. Beide Elektroden sind mit einem dazwischen liegenden Winkel von 90º angeordnet.

Konfigurationen und Dimensionen der oberseitigen und unterseitigen Spulen sind in Fig. 14 gezeigt.

Es sollte hinzugefügt werden, dass die verwendeten Spulen je aus einer Wicklung von 1300 Windungen bestehen.


Anspruch[de]

1. Elektromagnetischer Strömungsmesser zum Messen einer Strömungsrate eines eine Leitung nicht vollständig füllenden Fluids, umfassend:

Spulen (3A, 3B) zum Anbringen über und unter der Leitung (1), jede zum Erzeugen eines Magnetfelds quer über die Leitung (1),

ein Mittel (5) zum Erregen entweder der oberen Spule (3A) oder der unteren Spule (3B),

ein Sensormittel, umfassend ein Paar Elektroden (2), um so auf der Leitung (1) positioniert zu werden, dass sie fähig sind, eine induzierte Spannung quer über der Leitung (1), die durch den Durchgang von Fluid in der Leitung (1) durch das Magnetfeld induziert wird, abzufühlen, und

ein Verarbeitungsmittel (9), das fähig ist zum:

Empfangen von Signalen OA' und OB' von dem auf der Leitung (1) positionierten Sensormittel bei Erregung der oberen Spule (3A) bzw. der unteren Spule (3B), für eine unbekannte Strömungsrate Q' des Fluids in der Leitung (1),

Bestimmen des Werts des Signals OAα von dem Sensormittel bzw. der Strömungsrate Qα für die Stelle α, an welcher das Verhältnis von OB zu OA gleich dem Verhältnis von OB' zu OA' ist, worin OA und OB vorher bestimmte entsprechende Werte für die Ausgangsgrößen des Sensormittels bei Erregung der oberen Spule (3A) bzw. der unteren Spule (3B), wenn es bzw. sie auf einer Bezugsleitung positioniert ist bzw. sind, die einen bekannten konstanten Gradienten und die gleiche Querschnittskonfiguration wie die Leitung (1) hat, über einen Bereich von bekannten Strömungsraten Q in der Bezugsleitung repräsentieren, und

Bestimmen der unbekannten Strömungsrate Q' als gleich OA'·Qα/OAα aus OA', OAα und Qα.

2. Elektromagnetischer Strömungsmesser, wie im Anspruch 1 beansprucht, worin das Verarbeitungsmittel einen Analog-zu- Digital-(A/D)-Umsetzer (10) umfasst, der so positioniert ist, dass er die Signale von dem Sensormittel empfängt.

3. Elektromagnetischer Strömungsmesser, wie im Anspruch 1 oder Anspruch 2 beansprucht, worin das Verarbeitungsmittel (9) fähig ist, das Verhältnis OAα/Qα als einen Empfindlichkeits- bzw. Ansprechempfindlichkeitswert zu bestimmen.

4. Strömungsmesser, wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht, worin das Sensormittel ein Paar Elektroden (2) umfasst, die fähig sind, so auf der Leitung (1) positioniert zu werden, dass sie symmetrisch mit Bezug auf eine Mittellinie der Leitung (1) positioniert sind.

5. Strömungsmesser, wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, worin die obere Spule (3A), die untere Spule (3B) und das Sensormittel, das ein Paar Elektroden (2) umfasst, auf einer Länge der Leitung angebracht sind.

6. Verfahren zum Messen der Strömungsrate eines eine Leitung nicht vollständig füllenden Fluids unter Verwendung eines elektromagnetischen Strömungsmessers, umfassend:

Spulen (3A, 3B) zum Anbringen über und unter der Messleitung (1), jede zum Erzeugen eines Magnetfelds quer über die Leitung (1),

ein Mittel (5) zum Erregen entweder der oberen Spule (3A) oder der unteren Spule (3B),

ein Sensormittel, umfassend ein Paar Elektroden (2), die fähig sind, so auf der Leitung (1) positioniert zu werden, dass sie eine induzierte Spannung quer über der Leitung (1), die durch den Durchgang von Fluid in der Leitung (1) durch das Magnetfeld induziert wird, abfühlen, und

ein Verarbeitungsmittel (9), das die folgenden Schritte ausführt:

Empfangen von Signalen OA' und OB' von dem auf der Leitung (1) positionierten Sensormittel bei Erregung der oberen Spule (3A) bzw. der unteren Spule (3B), für eine unbekannte Strömungsrate Q' des Fluids in der Leitung (1),

Bestimmen des Werts des Signals OAα von dem Sensormittel bzw. der Strömungsrate Qα für die Stelle α, an welcher das Verhältnis von OB zu OA gleich dem Verhältnis von OB' zu OA' ist, worin OA und OB vorher bestimmte entsprechende Werte für die Ausgangsgröße des Sensormittels bei Erregung der oberen Spule (3A) bzw. der unteren Spule (3B), wenn es bzw. sie auf einer Bezugsleitung positioniert ist bzw. sind, die einen bekannten konstanten Gradienten und die gleiche Querschnittskonfiguration wie die Leitung (1) hat, über einen Bereich von bekannten Strömungsraten Q des Fluids in der Bezugsleitung repräsentieren, und

Bestimmen der unbekannten Strömungsrate Q' als gleich OA'·Qα/OAα aus OA', OAα und Qα.

7. Verfahren, wie im Anspruch 6 beansprucht, worin das Verarbeitungsmittel (9) die Signale von dem Sensormittel einer Analog-zu-Digital-Umsetzung unterwirft.

8. Verfahren, wie im Anspruch 6 oder Anspruch 7 beansprucht, worin das Verarbeitungsmittel (9) das Verhältnis OAα/Qα als einen Empfindlichkeits- bzw. Ansprechempfindlichkeitswert bestimmt.







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