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Dokumentenidentifikation DE102006016564A1 11.10.2007
Titel Vorrichtung zum Bestimmen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums
Anmelder Endress + Hauser Flowtec AG, Reinach, CH
Erfinder Rüfenacht, Markus, Dornach, CH
Vertreter Andres, A., Pat.-Anw., 79576 Weil am Rhein
DE-Anmeldedatum 06.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006016564
Offenlegungstag 11.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse G01F 1/60(2006.01)A, F, I, 20060406, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (1) zur Bestimmung des Volumenstroms eines in einem Messrohr (2) strömenden Mediums (11). Weiterhin umfasst das magnetisch-induktive Messgerät (1) eine Magnetanordnung (6, 7), zumindest eine Messelektrode (4, 5) und eine Regel-/Auswerteeinheit (8), die anhand der in die zumindest eine Messelektrode (4, 5) induzierten Messspannung (Ui) Information über den Volumen- oder Massestrom des Mediums (11) in dem Messrohr (2) liefert. Beim Umschalten des Magnetfeldes (B) legt die Regel-/Auswerteeinheit (8) für eine Referenz-Zeitspanne (t_ref) eine Überspannung (UÜ) an die Spulenanordnung (6, 7) des Magnetsystems an, wobei die Zeitspanne (t_ref) so geregelt wird, dass der durch die Spulenanordnung (6, 7) fließende Strom (IL) nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne (t_ref) stetig gegen einen im Wesentlichen konstanten Strom-Endwert abfällt und dass die Regel-/Auswerteeinheit (8) nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne (t_ref) für eine vorgegebene Zeitspanne (t_short) eine Gegenspannung (UG) an die Spulenanordnung (6, 7) anlegt. Die Zeitspanne (t_short), während der eine Gegenspannung (UG) an der Spulenanordnung (6, 7) anliegt, ist so bemessen, dass sie in einem konstanten, vom Durchflussmessgerät (1) abhängigen Verhältnis zur Referenz-Zeitspanne (t_ref) steht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte weisen ein Magnetsystem mit Spulenanordnung und ggf. Polschuhen auf, die ein Magnetfeld erzeugen, welches das von dem zu messenden Medium durchflossene Messrohr möglichst homogen durchsetzt. Das Magnetfeld ist im wesentlichen quer zur Messrohrachse orientiert und ändert – getriggert über eine Regel-/Auswerteeinheit – periodisch seine Richtung. Weiterhin ist dem Messrohr zumindest eine mit dem Medium direkt oder indirekt gekoppelte Messelektrode ^zugeordnet. Die Regel-/Auswerteeinheit liefert anhand der in die zumindest eine Messelektrode induzierten Messspannung Information über den Volumenstrom bzw. bei bekannter Dichte Information über den Massestrom des Mediums in dem Messrohr.

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte nutzen für die volumetrische Strömungsmessung das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus: Senkrecht zu einem Magnetfeld bewegte Ladungsträger des Mediums induzieren in gleichfalls im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums angeordnete Messelektroden eine Messspannung. Diese in die Messelektroden induzierte Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums; sie ist also proportional zum Volumenstrom.

Im Idealfall entspricht der Stromverlauf in der Spulenanordnung dem Verlauf des Magnetfelds. Aufgrund von Wirbelströmen, die während des Umschaltens des Magnetfeldes in den Polschuhen und Kernen der Spulenanordnung entstehen, treten in der Realität Abweichungen von diesem Idealfall auf. Der außerhalb der Spulenanordnung gemessene Spulenstrom entspricht immer der Summe des in der Spule fließenden Stroms und des durch die Wirbelströme erzeugten Stroms. Da prinzipiell der außerhalb der Spulenanordnung gemessene Strom als Regelgröße verwendet wird, ist folglich zwar der Strom nicht aber das Magnetfeld konstant. Dies gilt jedenfalls während der Umschaltung des Magnetfeldes solange, bis die Wirbelströme abgeklungen sind.

Um diesen Missstand zu beseitigen, wird in der EP 0 969 268 A1 vorgeschlagen, den Strom nicht direkt zur Nachführung der Spannung über der Spulenanordnung zu verwenden. Zum raschen Umkehren der Richtung des Magnetfeldes wird beim Umschalten des Magnetfeldes für eine gewisse Zeitdauer eine Überspannung an die Spulenanordnung angelegt. Diese Zeitdauer, während der die Überspannung an der Spulenanordnung anliegt, wird sukzessive so eingestellt, daß mit Ablauf der Zeitdauer das Strommaximum erreicht ist, so daß kein weiterer Anstieg des Spulenstroms auftritt. Nach Erreichen des Maximums nähert sich der Spulenstrom asymptotisch dem Strom-Endwert an.

Nach dieser aus dem Stand der Technik bekannten Lösung hat das Magnetfeld mit Erreichen des Strommaximums einen dem konstanten Strom-Endwert entsprechenden konstanten Magnetfeld-Endwert erreicht. Die Dauer der Umschaltphase ist durch die Charakteristik der Spulenstroms gegeben. Da die Stabilität des Messsignals u.a. auch durch die induktive Einkopplung zwischen Spulenanordnung und Messelektroden beeinträchtigt wird, müssen während des Abgriffs der Messspannung zwischen den Messelektroden sowohl die Spannung über der Spulenanordnung als auch der Strom durch die Spulenanordnung konstant sein. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung ist dies – wie bereits erwähnt – aufgrund der asymptotischen Annäherung an den Endwert erst der Fall, wenn die Wirbelströme vollständig abgeklungen sind.

Um die Messrate und damit die Messgenauigkeit zu erhöhen, ist aus der DE 103 12 058 A1 ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bekannt geworden, bei dem die Regel-/Auswerteeinheit beim Umschalten des Magnetfeldes für eine Referenz-Zeitspanne eine Überspannung an die Spulenanordnung anlegt. Diese Überspannung so bemessen ist, daß der durch die Spulenanordnung fließende Strom nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne stetig gegen einen im wesentlichen konstanten Strom-Endwert abfällt. Nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne beaufschlagt die Regel-/Auswerteeinheit die Spulenanordnung für eine vorgegebene Zeitspanne mit einer Gegenspannung. Die vorgegebene Zeitspanne ist so bemessen, dass der Einfluss der während des Umschaltvorgangs in die Spulenanordnung induzierten Wirbelströme näherungsweise kompensiert wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Regel-/Auswerteeinheit die elektromagnetische Spulenanordnung während der vorgegebenen Zeitspanne kurzschließt. Alternativ wird vorgeschlagen, daß die Regel-/Auswerteeinheit die Richtung des durch die Spulenanordnung fließenden Stroms während dieser Zeitspanne umkehrt. Diese Zeitspanne ist so ausgelegt, dass der durch die Spulenanordnung fließende Strom nach Ablauf der Zeitspanne näherungsweise den konstanten Strom-Endwert erreicht hat.

Die Ermittlung der optimalen Zeitspanne erfolgt bevorzugt mittels eines Trial-/Error-Verfahrens. Die während einer Umschaltphase ermittelten Messwerte werden zur Optimierung der Zeitspanne für die jeweils nachfolgende Umschaltphase verwendet.

Konkret wird folgendermaßen vorgegangen: Die Regel-/Auswerteeinheit legt während eines ersten Umschaltvorgangs für eine vorgegebene Zeitspanne eine Gegenspannung an die Spulenanordnung an; nachfolgend erfasst die Regel-/Auswerteinheit mehrere Strom-Messwerte innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne; für den Fall, daß mit Ablauf der Zeitspanne der Strom-Endwert nicht erreicht ist, wird die Zeitspanne vergrößert; für den Fall, daß mit Ablauf der Zeitspanne der Strom-Endwert vorzeitig erreicht ist, wird die Zeitspanne verkleinert.

Im Prinzip basiert das bekannte Verfahren darauf, dass eine Regelung des Spulenstroms bzw. des Magnetfeldes über zwei zu regelnde Größen, sprich Zeitdauern erfolgt, die sich üblicherweise gegenseitig beeinflussen. Eine derartige Regelung ist nicht sonderlich stabil, so dass es relativ lange dauert, bis das Durchflussmessgerät verlässlich in einem stabilen Zustand arbeitet.

Ausgehend von dem zuletzt genannten Stand der Technik betrifft die Erfindung somit eine Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums, das ein Messrohr in Richtung der Messrohrachse durchfließt, mit einem Magnetsystem, das ein das Messrohr durchsetzendes, im wesentlichen quer zur Messrohrachse verlaufendes und periodisch die Richtung änderndes Magnetfeld erzeugt, mit zumindest einer mit dem Medium gekoppelten Messelektrode, die in einem Bereich des Messrohres angeordnet ist, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der in die zumindest eine Messelektrode induzierten Messspannung Information über den Volumen- oder Massestrom des Mediums in dem Messrohr liefert, daß die Regel-/Auswerteeinheit beim Umschalten des Magnetfeldes für eine Referenz-Zeitspanne eine Überspannung an die Spulenanordnung des Magnetsystems anlegt, wobei die Zeitspanne so geregelt wird, dass der durch die Spulenanordnung fließende Strom nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne stetig gegen einen im wesentlichen konstanten Strom-Endwert abfällt, und dass die Regel-/Auswerteeinheit nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne für eine vorgegebene Zeitspanne eine Gegenspannung an die Spulenanordnung anlegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät vorzuschlagen, bei dem das Erreichen des Messzustandes mit zumindest näherungsweise konstantem Magnetfeld nach einem Umschaltvorgang optimiert erfolgt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Zeitspanne, während der eine Gegenspannung an der Spulenanordnung anliegt, so bemessen ist, dass sie in einem vom Durchflussmessgerät abhängigen Verhältnis zur Referenz-Zeitspanne steht. Erfindungsgemäß werden die Wirbelströme aktiv kompensiert, wodurch sich die Abklingdauer der Wirbelströme signifikant reduzieren lässt. Da nunmehr die Zeitdauer, während der die Gegenspannung an der Spulenanordnung anliegt, in einem fest vorgegebenen Verhältnis bzw. in einem funktionalen Verhältnis zur eigentlichen Regelgröße – also der Zeitdauer, während der eine Überspannung an der Spulenanordnung anliegt – steht, lässt sich eine in hohem Maße stabile Regelung erreichen. Die Zeitdauer, während der die Gegenspannung an der Spulenanordnung anliegt, beträgt somit nur einen gewissen festen Bruchteil der Referenz-Zeitspanne, während der die Spulenanordnung mit einer Überspannung beaufschlagt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass das Verhältnis der Zeitspanne, während der eine Gegenspannung an der Spulenanordnung anliegt, zur Referenz-Zeitspanne abhängig ist von dem jeweiligen Typ des Durchflussmessgeräts und/oder von dem verwendeten Magnetsystem – sie ist also sensorabhängig.

Insbesondere ist vorgesehen, dass das Verhältnis der Zeitspanne, während der eine Gegenspannung an der Spulenanordnung anliegt, zur Referenz-Zeitspanne einen Wert 1/w annimmt, wobei W eine reelle Zahl ist und bevorzugt zwischen 2 und 100 liegt.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

2: ein stark vereinfachtes Ersatzschaltbild der Spulenanordnung und

3: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der an der Spulenanordnung anliegenden Spannung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Das Messrohr 2 wird von dem Medium 11 in Richtung der Messrohrachse 3 durchflossen. Das Medium 11 ist zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähig. Das Messrohr 2 selbst ist aus einem nicht-leitfähigen Material gefertigt, oder es ist zumindest an seiner Innenfläche mit einem nicht-leitfähigen Material ausgekleidet.

Das senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums 11 ausgerichteten Magnetfeld B wird über die diametral angeordnete Spulenanordnung 6, 7 bzw. über zwei Elektromagnete erzeugt. Unter dem Einfluss der Magnetfeldes B wandern in dem Medium 11 befindliche Ladungsträger je nach Polarität zu den beiden entgegengesetzt gepolten Messelektroden 4, 5 ab. Die sich an den Messelektroden 4, 5 aufbauende Spannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres 2 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Meßmediums 11, d. h. sie ist ein Maß für den Volumenstrom des Mediums 11 in dem Messrohr 2. Das Messrohr 2 ist übrigens über Verbindungselemente, z. B. Flansche, die in der Zeichnung nicht gesondert dargestellt sind, mit einem Rohrsystem, durch das das Medium 11 hindurchströmt, verbunden. Die Messelektroden 4, 5 befinden sich im gezeigten Beispiel in direktem Kontakt mit dem Medium 11; die Kopplung kann jedoch, wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, auch kapazitiver Natur sein.

Über Verbindungsleitungen 12, 13 sind die Messelektroden 4, 5 mit der Rege-/Auswerteeinheit 8 verbunden. Die Verbindung zwischen den Spulenanordnungen 6, 7 und der Regel-/Auswerteeinheit 8 erfolgt über die Verbindungsleitungen 14, 15. Die Regel-/Auswerteeinheit 8 ist über die Verbindungsleitung 16 mit einer Eingabe-/Ausgabeeinheit 9 verbunden. Der Auswerte-/Regeleinheit 8 ist die Speichereinheit 10 zugeordnet.

Bei einem idealen Magnetsystem bzw. bei einer idealen Spulenanordnung 6, 7 entspricht der Stromverlauf dem Verlauf des von der Spulenanordnung 6, 7 erzeugten Magnetfeldes. Die Spulen einer Spulenanordnung 6, 7, die bei magnetisch-induktiven Meßaufnehmern zum Einsatz kommen, weisen üblicherweise Spulenkerne und/oder Polschuhe auf. Die Regel-/Auswerteeinheit 8 beaufschlagt die Spulenanordnung 6, 7 so mit Strom, daß das Magnetfeld B periodisch seine Richtung ändert. Idealerweise ist in beiden Halbperioden der Spulenstrom IL konstant, entgegengesetzt und betragsgleich. Aufgrund der in den Polschuhen und Spulenkernen entstehenden Wirbelströme tritt dieser Idealfall in der Realität nicht auf. Vielmehr entspricht der außerhalb der Spulenanordnung 6, 7 gemessene Strom IM immer dem Summenstrom IM, der sich aus dem Spulenstrom IL und dem Wirbelstrom IEDDY zusammensetzt. Da stets der außerhalb der Spulenanordnung 6, 7 gemessene Strom IM von der Regel-/Auswerteeinheit 8 als Regelgröße verwendet wird, ist zwar der Strom IM konstant, nicht jedoch das Magnetfeld B, das das Meßrohr 2 durchsetzt. Ein entsprechendes Ersatzschaltbild der Spulenanordnung 6, 7 ist in der 2 dargestellt.

3 zeigt eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des durch die Spulenanordnung 6, 7 fließenden Stroms I und des Magnetfeldes B bei dem erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät 1, das sich durch eine einfache aktive Kompensation von Wirbelströmen auszeichnet. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird nur die Referenz-Zeitdauer T_ref geregelt; die Zeitdauer t_short wird anhand der Referenz-Zeitdauer t_ref in Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten Sensor berechnet. Der konstante Strom-Endwert Imess, der zur Durchführung der Durchflussmessung wichtig ist, mit Ablauf der Zeitspanne tshort erreicht.

Erfindungsgemäß wird mit Ablauf der Zeitspanne trev, während der an der Spulenanordnung 6, 7 eine Überspannung UÜ anliegt, für eine Zeitspanne tshort eine Gegenspannung UG an die Spulenanordnung 6, 7 angelegt. Hierzu schließt die Regel-/Auswerteeinheit 8 die Spulenanordnung 6, 7 während der Zeitspanne tshort kurz; oder die die Regel-/Auswerteeinheit 8 kehrt die Richtung des durch die Spulenanordnung fließenden Stroms während der Zeitspanne tshort um. Erfindungsgemäß steht die Zeitspanne t_short, während der eine Gegenspannung UG an der Spulenanordnung 6, 7 anliegt, in einem konstanten, vom Durchflussmessgerät 1 abhängigen Verhältnis zur Referenz-Zeitspanne t_ref. Insbesondere ist das Verhältnis der Zeitspanne t_short, während der eine Gegenspannung UG an der Spulenanordnung 6, 7 anliegt, zur Referenz-Zeitspanne t_ref abhängig ist von dem jeweiligen Typ des Durchflussmessgeräts 1 und/oder von dem verwendeten Magnetsystem und/oder von dem durch das Messrohr 2 strömenden Medium 11. Es hat sich herausgestellt, dass das Verhältnis der Zeitspanne t_short, während der eine Gegenspannung UG an der Spulenanordnung 6, 7 anliegt, zur Referenz-Zeitspanne t_ref bevorzugt einen Wert 1/w annimmt, wobei w ∊ R ist und bevorzugt zwischen 2 und 100 liegt.

Durch aktives Kompensieren der Wirbelströme kann die Abklingdauer der Wirbelströme signifikant reduziert werden. Dies geschieht durch kurzzeitiges Anlegen einer Gegenspannung UG an die Spulenanordnung 6, 7 des magnetisch-induktiven Durchflußmeßgeräts 1.

1
erfindungsgemäße Vorrichtung
2
Messrohr
3
Messrohrachse
4
Messelektrode
5
Messelektrode
6
Spulenanordnung
7
Spulenanordnung
8
Regel-/Auswerteeinheit
9
Eingabe-/Ausgabeeinheit
10
Speichereinheit
11
Meßmedium
12
Verbindungsleitung
13
Verbindungsleitung
14
Verbindungsleitung
15
Verbindungsleitung
16
Verbindungsleitung


Anspruch[de]
Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder Massestroms eines Mediums (11), das ein Messrohr (2) in Richtung der Messrohrachse (3) durchfließt, mit einem Magnetsystem, das ein das Messrohr (2) durchsetzendes, im wesentlichen quer zur Messrohrachse verlaufendes und periodisch die Richtung änderndes Magnetfeld (B) erzeugt, mit zumindest einer mit dem Medium (11) gekoppelten Messelektrode (4, 5), die in einem Bereich des Messrohres (2) angeordnet ist, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (8), die anhand der in die zumindest eine Messelektrode (4, 5) induzierten Messspannung (Ui) Information über den Volumen- oder Massestrom des Mediums (11) in dem Messrohr (2) liefert, daß die Regel-/Auswerteeinheit (8) beim Umschalten des Magnetfeldes (B) für eine Referenz-Zeitspanne (t_ref) eine Überspannung (UÜ) an die Spulenanordnung (6, 7) des Magnetsystems anlegt, wobei die Zeitspanne (t_ref) so geregelt wird, dass der durch die Spulenanordnung (6, 7) fließende Strom (IL) nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne (t_ref) stetig gegen einen im wesentlichen konstanten Strom-Endwert abfällt, und dass die Regel-/Auswerteeinheit (8) nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne (t_ref) für eine vorgegebene Zeitspanne (t_short) eine Gegenspannung (UG) an die Spulenanordnung (6, 7) anlegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne (t_short), während der eine Gegenspannung (UG) an der Spulenanordnung (6, 7) anliegt, so bemessen ist, dass sie in einem konstanten, vom Durchflussmessgerät (1) abhängigen Verhältnis zur Referenz-Zeitspanne (t_ref) steht. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Zeitspanne (t_short), während der eine Gegenspannung (UG) an der Spulenanordnung anliegt, zur Referenz-Zeitspanne (t_ref) abhängig ist von dem jeweiligen Typ des Durchflussmessgeräts (1) und/oder von dem verwendeten Magnetsystem. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Zeitspanne (t_short), während der eine Gegenspannung (UG) an der Spulenanordnung (6, 7) anliegt, zur Referenz-Zeitspanne (t_ref) bevorzugt einen Wert (1/w mit w ∊ R) hat, der zwischen 2 und 100 liegt.






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