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

BESTATIGUNGSKOPIE von Störspannungen in den Elektroden, die durch geeignete jedoch 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.

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.

Wie oben erwähnt, ist die Spannung an den Messelektroden proportional dem Magnetfeldstärke, vorausgesetzt das Magnetfeld durchsetzt den Messkanal homogen. Die US 6,626,048 B1 offenbart für einen kreiszylindrischen Messkanal eine Lösung, bestehend aus einer Magnetspule mit einem Magnetkern aus ferromagnetischem Elektroblech sowie zwei mit dem Magnetkern gekoppelten Magnetpolen aus weichmagnetischem Elektroblech. Praktische Versuche haben jedoch gezeigt, dass mit dieser Anordnung keine befriedigenden Messergebnisse zu erzielen sind. Gründe sind die relativ langen Feldlinien und der große magnetische Widerstand im Elektroblech, da der Magnetkreis um die Elektroden herum angeordnet ist.

Darstellung der Erfindung:

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser anzugeben, der die vorstehend genannten Probleme meistert und ein optimiertes Messergebnis liefert.

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

Wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Magnetpole ist die gleichmäßige Verteilung der Magnetfeldlinien über die gesamte Polfläche, bewirkt durch den Doppelsteg auf der Rückseite der Magnetpole. Durch geschickte Dimensionierung der Doppelstege lässt sich die Verteilung der magnetischen Feldlinien beeinflussen. Gleichzeitig lässt sich das Stanz-Falt-Biege-Teil vollautomatisch und in großen Stückzahlen herstellen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Magnetpolflächen dreieckig, der daraus gebildete Magnetpol rechteckig. Eine Alternative sind ellipsenförmige Magnetpole.

Der Doppelsteg hat weitere Vorteile zur Folge. Wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der Magnetkern des Elektromagneten oder jedenfalls an dessen Enden flach ausgebildet, so lässt er sich zwischen den Doppelstegen einklemmen. Auf diese Weise werden die im Elektromagneten erzeugten Magnetfeldlinien optimal und ohne schwächenden Luftspalt auf beide Teile des Doppelstegs verteilt, der sie dann in die Flächenelemente des Magnetpols weiterleitet.

Um die Montage des Magnetkerns des Elektromagneten zu erleichtern, können die Enden des Doppelstegs trichterartig gespreizt sein.

Um die Handhabung und Positionierung von Elektromagnet, Magnetkern und Magnetpolen zu ermöglichen, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein Kunststoffhalter vorgesehen, der diese Teile klemmend festhält.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung hierzu besitzt der Kunststoffhalter etwa U-Form mit einem stabilen Quersteg am Kopfende, zwei kurzen Schenkeln, zwei dazu parallelen langen Schenkeln, einer Nut zwischen langen und kurzen Schenkeln, abgestimmt auf die Stärke von Doppelsteg und Magnetkern, und Seitenführungen, die die lagerechte Position des Doppelstegs der Magnetpole auf dem langen Schenkel gewährleisten.

Dieser Kunststoffhalter hat den Vorteil, dass die Magnetteile durch einfache Steckvorgänge montiert werden können. Die Kombination aus Kunststoffhalter und

Magnetteilen kann dann einfach und sicher gehandhabt und schließlich im magnetisch- induktiven Durchflussmesser montiert werden.

Gemäß einer Weiterbildung können die langen Schenkel in einem Haken enden. Diese Konstruktion ist von Vorteil, wenn das Gehäuse des magnetisch-induktiven Durchflussmessers dazu passend geformt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Stanz-Biege-Falt-Teil aus Elektroblech zur Herstellung eines rechteckigen Magnetpols, Fig. 2 einen daraus hergestellten Magnetpol,

Fig. 3 als Frontansicht einen Elektromagneten mit flachem Magnetkern und zwei Magnetpolen gemäß Fig. 1 , klemmend befestigt in einem Kunststoffhalter,

Fig. 4 eine Seitenansicht zu Fig. 3 und

Fig. 5 den mit den Magnetteilen bestückten Kunststoffhalter der Fig. 3, eingesetzt in ein quer geschnittenes Gehäuse eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers.

Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit:

Fig. 1 zeigt ein Stanz-Falt-Biege-Teil aus Elektroblech. Man erkennt eine lang gestreckte Leiste 11', an der mit gegenseitigem Abstand dreieckige Flächenelemente 10.1 , 10.2 angeformt sind. Zwischen den Flächenelementen 10.1 , 10.2 ist auf der Leiste 11' eine Faltlinie 12 vorgesehen. Zwischen der Leiste 11' und den Flächenelementen 10.1 , 10.2 sind Biegelinien 13 vorgesehen.

Fig. 2 zeigt den aus dem Element der Fig. 1 durch Falten entlang der Linie 12 und durch Biegen entlang der Linien 13 entstandenen Magnetpol 10. Die beiden dreieckigen Flächenelemente 10.1 , 10.2 ergänzen sich zu einem rechteckigen Magnetpol. Die freien Enden des Doppelstegs 11 sind trichterartig gespreizt. Andere Formen der Magnetpolflächen, z. B. abgerundet, eiförmig usw., sind ohne weiteres möglich.

Wesentlicher Vorteil dieses Magnetpols 10 ist neben der einfachen Herstellung die optimale Leitung der Magnetfelder durch den Doppelsteg 11 zu den Polflächen. Des Weiteren lassen sich flache Enden eines Magnetkerns 27 eines Elektromagneten 26 (Fig. 3 und 4) zwischen dem Doppelsteg 11 einklemmen, so dass die vom Elektromagneten 26 erzeugten Magnetfelder optimal und ohne störenden Luftspalt zu den Polflächen gelangen.

Fig. 3 zeigt den Elektromagneten 26 mit einem flachem Magnetkern 27, dessen Enden zwischen den Doppelstegen 11 zweier Magnetpole 10 eingeklemmt sind. Die Magnetteile 10, 27 sind ihrerseits in einem Kunststoff halter 20 klemmend befestigt. Der

Kunststoffhalter 20 hat etwa U-Form mit einem stabilen Quersteg 21 am Kopfende, zwei kurzen Schenkeln 22, zwei dazu parallelen langen Schenkeln 23, einer Nut zwischen den beiden Schenkeln 22, 23, abgestimmt auf Doppelsteg 11 und den Magnetkern 27, und Seitenführungen 24, die die lagerechte Position des Doppelstegs 11 auf dem langen Schenkel 23 gewährleisten.

Das in der Magnetspule 26 erzeugte magnetische Wechselfeld wird über den Magnetkern 27 großflächig auf die Doppelstege 11 und von diesen auf die Magnetpole 10 übertragen, von denen das durch Doppelpfeile symbolisierte homogene Magnetfeld erzeugt wird.

Fig. 4 zeigt die Vorrichtung der Fig. 3 als Seitenansicht. Man erkennt den zwischen dem Doppelsteg 11 eingeklemmten Magnetkern 27 und den zwischen den Schenkeln 22, 23 eingeklemmten Doppelsteg 11. Ferner erkennt man am unteren Ende des langen Schenkels 23 einen angeformten Haken 25, der mit einem entsprechenden Gegenstück am Gehäuse eines magnetisch induktiven Durchflussmessers korrespondiert.

Fig. 5 zeigt den Kunststoffhalter 20 der Figuren 3 und 4 mit den montierten Magnetteilen 10, 26, 27, eingesetzt in ein Gehäuse eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers, das als Querschnitt dargestellt ist. Der magnetisch-induktive Durchflussmesser besitzt einen rechteckigen Messkanal 31 mit langen Seitenwänden 32, an deren Außenseite die Magnetpole 10 anliegen, um im Inneren des Messkanals 31 das durch Doppelpfeile symbolisierte homogene Magnetfeld zu erzeugen. Man erkennt ferner eine der in dem Messkanal 31 eingesetzten Elektroden 34, die senkrecht zum Magnetfeld orientiert sind und an denen eine Messspannung abgenommen werden kann, die dem zu messenden Durchfluss proportional ist.

Fig. 5 zeigt im Querschnitt ferner einen äußeren Verstärkungskäfig für das Gehäuse, bestehend aus zwei parallelen, hier senkrecht orientierten ersten Längsrippen 40 und zwei dazu senkrecht stehenden zweiten Längsrippen 41. Beide Längsrippen 40, 41 enden in einem Querschott 42, an dessen Rückseite ein (hier nicht sichtbarer) Einlass- oder

Auslassstutzen für das Messfluid existiert. Die Magnetspule 26 ist neben einer der beiden Elektroden 34 positioniert, und zwar möglichst nahe. Dadurch wird der magnetische Weg von der Magnetspule 26 über den Magnetkern 27 und den Doppelsteg 11 zu den Magnetpolflächen sehr kurz und die Elektrode 34 bleibt frei zugänglich, um die Messspannung abzugreifen.

Schließlich erkennt man noch zwischen den Wänden 32 des Messkanals 31 und den ersten Längsrippen 40 ein inneres Querschott 37, welches den vom Innendruck im Messkanal 31 auf die Kanalwände 32 ausgeübten Druck auf den äußeren Käfig 40, 41 überträgt.