Magnetisch-induktiver Durchflussmesser

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft magnetisch-induktive Durchflussmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik:

Magnetisch-induktive Durchflussmesser verwenden eine Messmethode, die auf dem Faraday'schen Gesetz der elektromagnetischen Induktion beruht. Die erste Grundlage zur magnetisch-induktiven Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden wurde im Jahr 1832 in einer Veröffentlichung von Michael Faraday festgehalten. Die moderne elektronische Schaltungstechnik in Verbindung mit magnetischen Wechselfeldern machte es möglich, die Trennung der zur Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Nutzsignale von Störsignalen, die auf elektro-chemische Vorgänge beim Erzeugen des Magnetfeldes an den zur Signalauskopplung benutzten Elektroden auftreten, zu bewältigen. Somit schien dem weit verbreiteten industriellen Einsatz magnetisch-induktiver Durchflussmesser nichts mehr im Wege zu stehen.

Das Messprinzip der magnetisch-induktiven Durchflussmesser nutzt die Trennung bewegter Ladungen in einem Magnetfeld aus. Durch ein Rohr aus nicht-magnetischem Werkstoff, dessen Innenseite elektrisch isolierend ist, strömt die zu messende leitfähige Flüssigkeit. Von außen wird mittels Spulen ein Magnetfeld aufgebracht. Die in der leitfähigen Flüssigkeit vorhandenen Ladungsträger, Ionen und andere geladene Teilchen, werden durch das Magnetfeld abgelenkt: die positiven Ladungsträger zur einen Seite, die negativen Ladungsträger zur anderen Seite. An senkrecht zum Magnetfeld angeordneten Messelektroden entsteht durch die Ladungstrennung eine Spannung, die mit einem Messgerät erfasst wird. Die Höhe der gemessenen Spannung ist proportional der Strömungsgeschwindigkeit der Ladungsträger und damit proportional zur Fließgeschwindigkeit des Messfluids. Mittels Integration über die Zeit lässt sich die Durchflussmenge ermitteln.

Bei Magnetfeldern, die mit reiner Wechselspannung erzeugt werden, kommt es zur Induktion von Störspannungen in den Elektroden, die durch geeignete und aufwändige Filter unterdrückt werden müssen. Daher wird das Magnetfeld üblicherweise durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe und Inhomogenitäten in der Flüssigkeit. Auch bei geringer Leitfähigkeit ist so ein brauchbares Messsignal erreichbar.

Wird eine Messflüssigkeit durch das Messrohr bewegt, liegt gemäß dem Induktionsgesetz an den beiden Messelektroden, die in dem Messrohr senkrecht zur Fließrichtung und senkrecht zum Magnetfeld angeordnet sind, eine Spannung an. Diese Spannung ist bei einem symmetrischen Strömungsprofil und einem homogenen Magnetfeld direkt proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit. Das induktive Durchflussmessverfahren ist in der Lage, direkt aus dem Durchfluss ein elektrisch nutzbares Signal zur Weiterverarbeitung zu erzeugen. Es gilt grundsätzlich die Gleichung:

U = k ^* B ^* D ^* v

mit U = Spannung, k = Proportionalitätsfaktor, B = Magnetfeldstärke, D = Rohrdurchmesser, v = Strömungsgeschwindigkeit.

Die Auswahl des richtigen Elektrodenmaterials ist entscheidend für die zuverlässige Funktion und Messgenauigkeit der magnetisch-induktiven Durchflussmesser. Die Messelektroden stehen im direkten Kontakt mit dem Medium und müssen somit ausreichend korrosionsbeständig sein und einen guten elektrischen Übergang zum Messfluid gewährleisten. Als Elektrodenmaterialien kommen zum Einsatz: Edelstahle, CrNi-Legierungen, Platin, Tantal, Titan und Zirkonium. Bei Messwertaufnehmern mit Keramik-Messrohren werden auch eingesinterte Elektroden verwendet.

Aus der EP 1616152 B1 , deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hier integriert wird, sind verbesserte Elektroden bekannt. Diese Elektroden bestehen aus einem Metall und einem Salz dieses Metalls, das so angeordnet ist, dass es sich zwischen dem Metall und dem Fluid befindet, wobei die Salzschicht entweder elektrochemisch aufgetragen oder aufgesintert wird. Als Metall wird Silber, als Salz Silberchlorid oder Silberfluorid bevorzugt. Als Schutz gegen Verschmutzung kann vor der Silberelektrode ein poröses Schutzelement, beispielsweise eine Glasfritte, montiert werden. Eine mögliche Realisierung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers ist in der US 6,626,048 B1 offenbart, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hier integriert wird. Allerdings zeigt diese Schrift nur die physikalischen und elektronischen Grundlagen, keine praktische Realisierung.

Es versteht sich, dass bei der praktischen Realisierung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers erhebliche Probleme zu lösen sind.

Da ist zum einen die Frage des Materials. Das Messrohr muss amagnetisch sein, um die Magnetfelder nicht zu stören. Das Messrohr muss des Weiteren elektrisch isolierend sein, um die Abnahme der Spannung mit Hilfe der Elektroden nicht zu stören. Darüber hinaus muss das Rohr aus lebensmittelechtem Material bestehen, wenn das Fluid ein Lebensmittel ist, beispielsweise Trinkwasser.

Diese Anforderungen lassen sich am besten erfüllen, wenn als Material ein lebensmittelechter Kunststoff verwendet wird. Allerdings haben Kunststoffe gegenüber Metall den Nachteil der wesentlich geringeren Festigkeit. Festigkeit gegenüber dem Innendruck ist jedoch zwingende Voraussetzung. Der Versuch, die Innendruckfestigkeit durch eine vergrößerte Dicke der Rohrwand zu erreichen, ist nicht gangbar, da anderenfalls das Magnetfeld zu sehr geschwächt würde.

Ein weiteres Problem bei Kunststoffen ist die Wasserdiffusion. Diese bewirkt ein Quellen des Kunststoffs, wodurch sich die Abmessungen insbesondere des Messkanals verändern, was zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit führt. Wasserdiffusion verringert auch die Festigkeit des Kunststoffs erheblich. Bei faserverstärkten Kunststoffen geht auch die Haftung zwischen Kunststoff und Faser teilweise verloren.

Bei der Messung von warmen und heißen Fluiden wird der Kunststoff erweicht, die Festigkeit verringert sich ebenfalls

Chemikalien, z. B. Chlor, im Messfluid können den Kunststoff ebenfalls angreifen. Gleiches gilt für UV-Strahlung.

Des Weiteren muss das Zählergehäuse zugfest sein, da beim Einschrauben eines Zählers in eine bestehende Verrohrung erhebliche Zugspannungen auftreten können, z. B. in den Schraubgewinden. Zugspannungen, insbesondere Dauerzugspannungen, sind für Kunststoffe jedoch schädlich, und zwar insbesondere, je dünner das Kunststoffmaterial ist.

Bei der Montage vor Ort können weitere Kräfte auf den Kunststoff einwirken, die zu Schäden führen, wenn Konstrukteure und Hersteller nicht vorgesorgt haben.

Darstellung der Erfindung:

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser anzugeben, der die vorstehend genannten Probleme meistert und dessen Kunststoffgehäuse sowohl gegen den vom Messfluid ausgehenden Innendruck als auch gegenüber Zugspannungen sowie gegen weitere thermische und mechanische Belastungen beständig ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch magnetisch-induktive Durchflussmesser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Dank der erfindungsgemäßen Merkmale können die geschilderten gegenläufigen Bedingungen optimal erfüllt werden. Im Bereich der Magnetfeldlinien ist die Wand des Messkanals optimal dünn, so dass ein homogenes Magnetfeld optimaler Stärke erreicht wird. Der Innendruck des Messfluids wird durch den inneren Verstärkungskäfig, bestehend aus zwei inneren Querschotten und wenigstens zwei inneren Längsrippen, aufgefangen.

Der innere Verstärkungskäfig wird zusätzlich gestützt durch einen äußeren Verstärkungskäfig, bestehend aus wenigstens zwei ersten äußeren Längsrippen. Hauptaufgabe des äußeren Verstärkungskäfigs ist es jedoch, den Messabschnitt des Gehäuses und insbesondere den Bereich mit minimaler Wandstärke vor Zugspannungen zu schützen, die von den Stutzen ausgehen.

Ein weiterer Vorteil dieser Form ist, dass das Gehäuse im Spritzgussverfahren hergestellt werden kann.

Vorteilhafterweise besitzt der Messkanal einen rechteckigen Querschnitt. Auf diese Weise lässt sich optimal ein homogenes Magnetfeld realisieren. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besitzen die inneren Längsrippen im Bereich der reduzierten Kanalwand Aussparungen für die Montage der Magnetpole.

Zusätzlich können die inneren Längsrippen bereichsweise weitere Aussparungen für die Montage weiterer Bauteile oder für die Verankerung von Materialien zum Schutz der Messelektronik besitzen.

Zum Erreichen einer hohen Druckfestigkeit werden die inneren Querschotten bevorzugt direkt vor und hinter der reduzierten Kanalwand positioniert.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung und zur Verstärkung des Gehäuses umfasst der äußere Verstärkungskäfig zusätzlich wenigstens zwei zu den ersten äußeren Längsrippen senkrecht orientierte zweite äußere Längsrippen.

Zur weiteren Versteifung in Querrichtung können auch wenigstens zwei äußere Querschotten vorgesehen sein.

Zur optimalen Übertragung der Zugkräfte von dem äußeren Verstärkungskäfig auf die Stutzen empfehlen sich keilförmige Verstärkungsrippen, die den Kraftfluss in Einlaufstutzen und Auslaufstutzen einleiten.

Eine optimale Konstruktion ist dann gegeben, wenn die relative Längendehnung des durch inneren und äußeren Verstärkungskäfig verstärkten Messabschnitts, ausgelöst durch Zug an Einlaufstutzen und Auslauf stutzen, nicht größer ist als die relative Längendehnung der Stutzen selbst. Auf diese Weise wird verhindert, dass einzelne Teile des Gehäuses überdehnt werden können.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Messabschnitt einschließlich der Magnetpole und Elektroden mit einer isolierenden Schicht umhüllt. Dies kann beispielsweise durch Umgießen erfolgen, wobei das Material auch in die oben erwähnten Aussparungen eindringt.

Vorteilhafterweise umschließt eine elektrische und/oder magnetische Abschirmung den kompletten Messabschnitt. Dabei kann die Abschirmung mit den Stutzen oder den äußeren Querschotten mechanisch verbunden sein. Auf diese Weise kann die Abschirmung die Funktion des äußeren Verstärkungskäfigs ergänzen. Vorteilhafterweise besteht das Gehäuse aus geeignet verstärktem Kunststoff, insbesondere faserverstärktem thermoplastischem Kunststoff.

Gemäß einer Variante der Erfindung besteht das Gehäuse aus zwei separat hergestellten Einzelteilen, dem eigentlichen druckfesten Gehäuse und einem externen Messmodul. Das Gehäuse besitzt eine Aussparung für das separate, vorzugsweise liftartig einsetzbare Modul. Das Modul umfasst wenigstens die inneren Querschotten, den Messkanal, die Elektroden und die Magnetpole.

Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung besteht das Gehäuse aus drei separat hergestellten, zugfest miteinander verbundenen Einzelteilen. Einlass- und Auslassstutzen sind identisch geformt. Auf diese Weise kann die Herstellung der Kunststoffteile rationalisiert werden. Die Enden der Messeinheit sind mittels Dichtungen fluiddicht in Aussparungen in den Stutzen eingedichtet.

Die Magnetpole können nicht nur außen an der Kanalwand anliegen sondern auch in die Kanalwand integriert sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigen jeweils nicht maßstabgetreu

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein halbseitig aufgeschnittenes druckfestes, einteiliges Kunststoffgehäuse für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Gehäuse der Fig. 1 entlang der Linie Il - II,

Fig. 3 ein zweiteiliges Gehäuse als Sprengbild und

Fig. 4 als Teilschnitt ein dreiteiliges Gehäuse, ebenfalls als Sprengbild. Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit::

Hg. 1 zeigt rein schematisch und nicht maßstabgetreu eine Draufsicht auf ein halbseitig längs geschnittenes, druckfestes, einteiliges Kunststoffgehäuse für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser. Man erkennt drei Funktionseinheiten: einen Einlaufstutzen 10, einen Auslaufstutzen 20 und dazwischen einen Messabschnitt 30 mit einem vom Messfluid durchströmten Messkanal 31 mit einer Kanalwand 32, zwei sich gegenüberliegenden Magnetpolen 2 außen an der Kanalwand 32 und zwei sich gegenüberliegenden, senkrecht zu den Magnetpolen 2 orientierten Messelektroden 1 in der Kanalwand 32. Die Dicke der Kanalwand 32 ist im Bereich der Magnetpole 2 auf ein unter Berücksichtigung des maximalen Innendrucks des Messfluids in dem Messkanal 31 zulässiges Maß reduziert, so dass ein von den Magnetpolen 2 erzeugtes homogenes Magnetfeld im Bereich des Messkanals 31 ausreichend stark ist.

Um den Fluidinnendruck aufzufangen, ist ein innerer Verstärkungskäfig vorgesehen, bestehend aus wenigstens zwei inneren Querschotten 37 und wenigstens zwei inneren Längsrippen 38. Die inneren Querschotten 37 befinden sich unmittelbar vor und hinter der Kanalwand 32 minimaler Stärke, um Verformungen der Kanalwand 32 aufzufangen. Die gleiche Aufgabe haben die inneren Längsrippen 38, die die langen Kanalwände 32 versteifen, jedoch wenigstens im Bereich der Magnetpole 2 ausgeschnitten sein müssen.

Für die Montage etwaiger weiterer Bauteile oder zur Verankerung isolierender Vergussmassen können die inneren Längsrippen 38 bereichsweise weitere Aussparungen 39 besitzen.

Zusätzlich zu dem inneren Verstärkungskäfig ist ein äußerer Verstärkungskäfig vorgesehen, bestehend aus zwei ersten äußeren Längsrippen 40, zwei dazu senkrecht orientierten zweiten äußeren Längsrippen 41 und zwei äußeren Querschotten 42. Der äußere Verstärkungskäfig und insbesondere die ersten äußeren Längsrippen 40 stützen den inneren Verstärkungskäfig zusätzlich gegen den Fluidinnendruck ab.

Hauptaufgabe des äußeren Verstärkungskäfigs ist es jedoch, die Zugspannungen aufzufangen, die bei der Ausübung von Zugkräften auf Einlass- und Auslassstutzen 10, 20 entstehen. Ohne inneren und äußeren Verstärkungskäfig würden diese Zugspannungen das Gehäuse im Bereich der reduzierten Kanalwand 32 zerstören. Dies wird durch den äußeren Verstärkungskäfig verhindert.

Eine optimale Übertragung der Zugspannungen von dem äußeren Käfig und insbesondere dessen Querschotten 42 auf Einlass- und Auslassstutzen 10, 20 wird durch keilförmige Verstärkungsrippen 14, 24 erreicht.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie Il - Il durch das Gehäuse der Fig. 1. Man erkennt den rechteckigen Messkanal 31 , rechts und links begrenzt von der reduzierten Kanalwand 32, an deren Außenseite die Magnetpole 2 anliegen. Vom inneren Verstärkungskäfig ist ein Querschott 37 sichtbar, vom äußeren Verstärkungskäfig erkennt man die ersten und zweiten äußeren Längsrippen 40, 41 im Schnitt und ein äußeres Querschott 42.

Schließlich erkennt man in der Fig. 2 auch die Messelektroden 1 , die senkrecht zu den Magnetpolen 2 orientiert sind. Die Messelektroden 1 sind durch einen Gehäusekragen 33 gehalten und geschützt.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte einteilige Ausführung ist nicht die einzig mögliche.

Fig. 3 zeigt eine zweiteilige Ausführung. Einlassstutzen 10, Auslassstutzen 20, äußerer Verstärkungskäfig 40, 41 , 42 und die ersten inneren Längsrippen 38 des inneren Verstärkungskäfigs bilden eine Einheit. Im Zentrum des Gehäuses befindet sich eine Aussparung 50'. In diese wird die als eigenständiges Modul 50 ausgebildete Messkammer mit den Elektroden 1 , den Magnetpolen 2 und den inneren Querschotten 37 liftartig eingesetzt und eingedichtet.

Fig. 4 zeigt teilweise geschnitten eine dreiteilige Ausführung. Einlassstutzen 10 und Auslassstutzen 20 sind identisch geformt. Ihre verstärkten Flansche 15, 25 besitzen je eine Aussparung 16, 26, in die der Messabschnitt 30 mit Hilfe von Dichtungen 3 eingesetzt wird. Bohrungen 17, 27 ermöglichen die Verwendung von Zugschrauben zur zugfesten Verbindung der drei Gehäuseteile 10, 20, 30.

Im Beispiel der Fig. 4 sind die Magnetpole 2 in die Wand des Messkanals eingegossen. Dadurch ist es möglich, die Magnetpole 2 extrem nahe an den Messkanal anzunähern. Die inneren und äußeren Längsrippen sind an der Messeinheit 30 angeformt, die verstärkten Flansche 15, 25 übernehmen auch die Funktion der äußeren Querschotten.