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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen magnetisch-induktiven bzw.
einen elektromagnetischen Durchflussmesser, insbesondere einen batteriegespeisten
magnetisch-induktiven bzw. elektromagnetischen Durchflussmesser,
der vor allem, aber nicht ausschließlich für häusliche Anwendungen konzipiert
ist.
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Ein
magnetisch-induktiver bzw. elektromagnetischer Durchflussmesser
wird verwendet, um die Durchflussrate eines leitfähigen Mediums,
wie etwa Wasser, durch ein Durchflussrohr zu messen. Ein magnetisch-induktiver
bzw. elektromagnetischer Durchflussmesser, wie etwa jener, der beispielsweise
in dem Patent des Vereinigten Königreichs
(UK) Nr. 2 081 449 beschrieben ist, umfasst einen magnetischen Kreis,
der einen Magnetfeldvektor in einer Ebene senkrecht zur Richtung
der Strömung
des Fluids in dem Durchflussrohr entwickelt.
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Während Fluid
das Durchflussrohr durchströmt,
wird in dem Fluid, das dem Magnetfluss ausgesetzt ist, eine Spannung
in einer Richtung induziert, die sowohl zur Richtung der Fluidströmung als
auch zur Richtung des Magnetflusses senkrecht ist. Die induzierte
Spannung Vj wird mit einem Paar Elektroden
erfasst, die in dem Durchflussrohr angeordnet sind, wobei Vj mit der Magnetfeldstärke B und der Geschwindigkeit
v der Fluidströmung
in dem Durchflussrohr entsprechend dem Ausdruck Vj = B × Ivkzusammenhängt, wobei
I der Abstand der Elektroden und k ein Empfindlichkeitsfaktor ist,
der von der Geometrie des Durchflussrohrs abhängt. Wenn der Betrag und die
Polarität
der induzierten Spannung Vj gemessen werden,
können
der Betrag und die Richtung der Geschwindigkeit der Fluidströmung durch
das Durchflussrohr und folglich die Durchflussrate berechnet werden.
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Im
Stand der Technik werden verschiedene Kombinationen von Permanentmagneten
und elektromagnetischen Systemen verwendet, um entweder ein Gleichmagnetfeld
oder ein Wechselmagnetfeld bekannter Amplitude zu erzeugen. Derartige
magnetisch-induktive bzw. elektromagnetische Durchflussmesser stellen hohe
Anforderungen an die elektrische Leistungsversorgung hinsichtlich
der Reproduktion eines erforderlichen Vektors eines starken Magnetfeldes
quer durch das Durchflussrohr und verwenden folglich einen netzgetriebenen
Erregerkreis. Folglich ist eine externe Stromversorgung erforderlich,
wobei die Kosten für
den Betrieb eines derartigen magnetisch-induktiven bzw. elektromagnetischen
Durchflussmessers im Zeitablauf erheblich sind.
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DE 38 10 034 beschreibt
einen Durchflussmesser, bei dem die Kapazität auf Elektroden, die sich
zwischen den Zuständen "leer" und "voll" stak verändert, als
Parameter für
die Erfassung des leeren Rohrs verwendet wird.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung strebt die Schaffung eines Durchflussmessers
mit einem sehr niedrigen Energieverbrauch an, der auf Wunsch durch
eine interne Batterie viele (z. B. 8 bis 10) Jahre betrieben werden
kann. Ein derartiger Durchflussmesser ist besonders geeignet für eine massenhafte
Installation in häuslichen
Wasserversorgungsnetzen und erfordert nur ein periodisches Ablesen des
Wasserverbrauchs, entweder durch Vor-Ort-Besuch oder vorzugsweise
durch Ferndatenprotokollierung oder Ferndatenabruf.
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Ein
erster Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein Verfahren zum
Betreiben eines magnetisch-induktiven bzw. elektromagnetischen Durchflussmessers
mit einer Durchflussmessführung,
einer Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in einem
Fluid, welches in der Führung
fließt,
quer zur bzw. über
die Richtung des Flusses, und einer Vorrichtung zur Messung einer
Spannung, welche dadurch in dem Fluid induziert wird, als kennzeichnend
für den
Fluss, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch das Aufweisen
einer Messung einer Mehrzahl von Paaren von Ausgaben der Messvorrichtung,
wobei jedes Paar Ausgaben eine Ausgabe bei Anwesenheit des magnetischen
Feldes und eine Ausgabe bei Abwesenheit des magnetischen Feldes
aufweist, und Bestimmen aus der gemessenen Mehrzahl der Paare an
Ausgaben die Anwesenheit oder Abwesenheit von Fluid in der Führung.
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Dieser
Aspekt der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf einen elektromagnetischen
bzw. magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit einer Durchflussmessführung, einer
Erzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes über bzw.
quer durch das Fluid, welches in der Führung fließt, einer Messvorrichtung zur
Messung einer Spannung, welche in dem Fluid dadurch induziert wird
und zum Erhalten einer Durchflussmessung daraus, gekennzeichnet
durch eine Vorrichtung zum Erfassen bzw. Abfühlen der Anwesenheit oder des
Fehlens von Fluid in der Führung
aus einer Mehrzahl von Paaren von Ausgaben der Messvorrichtung,
wobei jedes Paar der Ausgaben eine Ausgabe der Messvorrichtung auf weist,
wenn die Erzeugungsvorrichtung aktiv ist, und eine Ausgabe der Messvorrichtung,
wenn die Erzeugungsvorrichtung nicht aktiv ist.
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Das
Erfassen von Leerströmen
(Ereignisse leeren Rohrs), das oftmals erforderlich ist, um die
Anforderungen von Wasserversorgungen zu erfüllen, folglich kann auf eine
energieeffiziente Weise verwirklicht werden.
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Die
Messvorrichtung kann so ausgelegt sein, dass die Spannung für kurze
Zeitperioden, getrennt durch relativ lange Intervalle, gemessen
wird, wobei die Frequenz des Auftretens von solchen Perioden so
ist, dass der Durchfluss, gemessen durch die Messvorrichtung während der
Perioden, repräsentativ
für den Durchfluss
während
der relativ langen Intervalle ist. Bei dem Beispiel eines batteriegespeisten
häuslichen Durchflussmessers,
kann dies den Energieverbrauch des Durchflussmessers wesentlich
verringern.
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Außerdem kann
die Messvorrichtung derart ausgelegt sein, dass die Spannung während einiger
der Perioden gemessen wird, wenn die Erzeugungsvorrichtung inaktiv
ist, wodurch das Rauschen identifiziert wird.
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Der
Durchflussmesser kann außerdem
eine Vorrichtung zum Variieren der Dauer der Intervalle in Abhängigkeit
von der gemessenen Durchflussrate und/oder in Abhängigkeit
von der Schwankung der gemessenen Durchflussrate umfassen.
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Vorzugsweise
ist die Messvorrichtung so ausgelegt, dass eine Abfolge bzw. Serie
von zeitlich beabstandeten Durchflussmesssignalen aus Spannungen
abgeleitet wird, welche dadurch in den Fluidfluss induziert wurden,
wobei jedes Signal eine Komponente enthält, welche für den Durchfluss
repräsentativ
ist, und eine variable Gleichstrom(DC)-Komponente, welche nicht
mit dem Fluss in Verbindung steht, wobei der Durchflussmesser weiter
eine Vorrichtung aufweist zum Bestimmen der Gleichstromkomponente
des Signals und zum Einstellen des Gleichstrompegels eines nachfolgenden
Signals in Reaktion darauf. Dies kann sicherstellen, dass eine Drift
in dem Gleichspannungspegel des Durchflussmesssignals, die durch
elektrochemische Effekte hervorgerufen ist, korrigiert wird, so
dass der Eingangsdynamikbereich der nachfolgenden Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung
nicht überschritten
wird. Andernfalls würde
das Signal abgeschnitten oder begrenzt werden, was zu Messfehlern
führt.
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Vorzugsweise
berechnet die Bestimmungsvorrichtung die Gleichstromkomponente des
nachfolgenden Signals aus einer Mehrzahl von Werten der Gleichstromkomponente,
die von dem vorherigen Signal erhalten wurden, voraus. Vorzugsweise
umfasst das erste Durchflussmesssignal eine Mehrzahl von Impulsen, wobei
die Bestimmungsvorrichtung die Gleichstromkomponente des nachfolgenden
Signals voraussagt durch das Anwenden eines Algorithmus auf Werte
der Gleichstromkomponente, welche jeweils von dem jeweiligen Impuls
erhalten wurden.
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Im
Stand der Technik sind die magnetischen Kreise von magnetisch-induktiven
bzw. elektromagnetischen Durchflussmessern aus stark verunreinigten,
weichen unlegierten Stählen
gebildet, die eine verhältnismäßig stark
mit Fremdstoffen verunreinigte Ferritstruktur aufweisen. Diese Materialien
besitzen jedoch sehr schlechte magnetische Eigenschaften, wie etwa
eine niedrige Anfangs- und inkrementale Permeabilität bei niedrigen
bzw. höheren
Flussdichten, eine niedrige oder undefinierte Restflussdichte (Remanenz),
eine hohe oder undefinierte Koerzitivfeldstärke, eine unentwickelte oder
zufällige
kristalline Textur, einen zufälligen
oder undefinierten Energieverlust und eine Permeabilitätsanisotropie
sowie hohe Energieverluste bei niedrigen Induktions- und Erregerfrequenzen.
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Der
Energieverlust setzt sich in erster Linie aus drei Komponenten zusammen:
- (1) Stromverlust, der von der Erregerfrequenz,
dem spezifischen elektrischen Widerstand, der Spitzenflussdichte
und der Materialdicke des magnetisierten Körpers abhängt;
- (2) Hystereseverlust, der von der Zusammensetzung, dem Verfahrensablauf,
der Verhüttung
und der Behandlung des Rohstoffs, der Zusammensetzung, der Nach- und Vorbehandlung
der Legierung, der Wärmebehandlung
und dem Glühen
des Materials abhängt,
die gemeinsam die Verunreinigungsgrade und die Mechanismen der Ausscheidung
und Verunreinigung der Metallstruktur beeinflussen. Die wichtigsten
mit dem Hystereseverlust verbundenen Faktoren sind die Ferritkorngröße, die
Ausrichtung und die Beschaffenheit der Ferritkörner, die Ausscheidungen und
die Fremdatome in den Körnern
und den Korngrenzen, die Ausrichtung der rekristallisierten Körner und
die Ausdehnung der Körner
in Bezug auf die Materialdicke;
- (3) Wirbelstromverluste, die auf viele Faktoren, einschließlich der
nicht sinusförmigen
Bewegung der Domänenwand
in dem Material und der Domänenwanddämpfung zurückgeführt werden
könnten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Erzeugungsvorrichtung erste
und zweite Polstücke
auf, die das magnetische Feld quer zu der Messführung ausrichten, wobei die
Polstücke
aus einem Material sind, welches eine bevorzugte kristalline Anisotropie
aufweist. Die kristalline Anisotropie könnte im Wesentlichen längs der
Längsachse
der Polstücke
orientiert sein.
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Dadurch
kann ein wirksamer magnetischer Kreis mit niedrigen Verlusten geschaffen
werden, der von einer integrierten Batterie eine erhebliche Zeit
lang gespeist werden kann.
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Die
Polstücke
sind vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material, das vorzugsweise
0,03 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff enthält.
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Die
Erzeugungsvorrichtung kann ferner eine Magnetisierungsspule aufweisen,
die nur auf dem ersten Polstück
angeordnet ist, und ein Gehäuse,
welches die Polstücke
und die Spule enthält
und durch welches die Durchflussmessführung hindurchtritt, wobei
die Polstücke
und das Gehäuse
einen magnetischen Kreis bilden.
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Vorzugsweise
ist die Erzeugungsvorrichtung so konfiguriert, dass das magnetische
Feld in wechselnden Richtungen erzeugt wird, wobei der Durchflussmesser
weiter eine Vorrichtung aufweist zum Unterdrücken von Rauschen in einem
Signal, welches für
den Durchfluss repräsentativ
ist, elektromagnetisch induziert durch eine Veränderung in der Richtung des
magnetischen Feldes.
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Dies
kann die Änderungsgeschwindigkeit
des Magnetfeldes herabsetzen, wenn es die Richtung ändert, wodurch
das induzierte Rauschen, das ansonsten die Durchflusssignalerfassungs-
und Verarbeitungsschaltungen überlasten
könnte,
verringert wird. Alternativ oder zusätzlich wird die Wirkung einer
Welligkeit in dem elektrischen Strom, der das Magnetfeld erzeugt,
unterdrückt.
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Vorzugsweise
weist die Unterdrückungsvorrichtung
ein leitfähiges
Element auf, in welchem Wirbelströme erzeugt werden, wobei die
Wirbelströme
die Rate der Veränderung
des magnetischen Feldes moderieren bzw. verringern. Das leitfähige Element
umfasst eine Scheibe, deren Durchmesser im Wesentlichen jenem der Spule
gleich ist, wobei die Scheibe an einem axialen Ende der Spule und
dem zweiten Polstück
zugewandt sein kann. Das leitfähige
Element kann ein Polstück
umgeben. Folglich kann die Unterdrückungsvorrichtung einen leitfähigen Ring
auf weisen, welcher ein Polstück
umgibt, benachbart zu der Durchflussmessführung.
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Vorzugsweise
umfasst die Durchflussmessführung
einen Durchflussmessteil mit einer kleineren Querschnittsfläche als
ein anderer Teil davon aufweist, wobei die Teile durch einen konvergenten
oder divergenten Abschnitt der Führung
verbunden sind, wobei die Wände
davon definiert sind durch entgegengesetzte Übergangskurven mit einem Wendepunkt
dazwischen. Vorzugsweise hat der Messabschnitt mindestens ein Paar einander
gegenüberliegende,
parallele, ebene Wände.
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Alternativ
umfasst die Durchflussmessführung
einen Durchflussmessteil mit einer kleineren Querschnittsfläche als
ein anderer Teil davon aufweist, wobei die Teile verbunden sind
durch einen konvergenten oder divergenten Abschnitt der Durchführung, wobei
die Wände
davon bei jeder Stelle axial davon einen Öffnungswinkel von nicht mehr
als neun Grad haben, wobei die Wände
des konvergenten oder divergenten Abschnittes durch eine oder mehr Übergangskurven
definiert sind. Vorzugsweise hat der Messabschnitt einen im Wesentlichen
rechteckigen Querschnitt und wenn ja, kann der andere Abschnitt
einen runden Querschnitt aufweisen.
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Dies
kann für
einen effizienten Durchfluss des Fluids durch den Messabschnitt
des Durchflussmessers sorgen.
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Vorzugsweise
umfasst der Durchflussmesser eine Vorrichtung zum Aufnehmen einer
Batterie zum Speisen der Erzeugungsvorrichtung, und wenn ja, enthält er die
Batterie.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden lediglich beispielhaft anhand
der beigefügten
Zeichnung beschrieben, worin
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1 eine Explosionsdarstellung
eines magnetisch-induktiven bzw. elektromagnetischen Durchflussmessers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine Explosionsdarstellung
der strömungsdynamischen
Komponenten des in 1 gezeigten Durchflussmesser
besser im Detail zeigt;
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3A eine Horizontalschnittansicht
des Durchflussrohrs des in 1 gezeigten
Durchflussmessers zeigt;
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3B ein vereinfachter Vertikalschnitt
des Durchflussrohrs längs
der Linie B-B von 3A ist;
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3C, 3D und 3E Schnitte
durch das Durchflussrohr an den Linien 3C, 3D und 3E von 3B sind;
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4 eine Querschnittansicht
eines in 1 gezeigten
Passstückendes
zeigt;
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5 eine Explosionsdarstellung
des magnetischen Kreises des in 1 gezeigten
Durchflussmessers besser im Detail zeigt;
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6 eine Explosionsdarstellung
des oberen Teils des in 1 gezeigten
Durchflussmessers besser im Detail zeigt;
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7 eine alternative Form
des magnetischen Kreises und der Erregerspule des in 1 gezeigten Durchflussmessers
zeigt;
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8 einen Schaltplan des Durchflussmessers
zeigt;
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9 einen Schaltplan eine
Analog/Digital-Umsetzers der in 8 gezeigten
Durchflussmesserschaltung zeigt;
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10 Signalformen zeigt, die
in dem Durchflussmesser verwendet werden; und
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11 schematisch die magnetfelderzeugende
Schaltung des Durchflussmessers zeigt.
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In 1 umfasst ein magnetisch-induktiver
bzw. elektromagnetischer Durchflussmesser 10 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen Durchflussmesserkörper und
eine Durchflussmesserabdeckung 14 aus Kunststoffmaterial.
Da, wie nachstehend beschrieben ist, der Durchflussmesser bei geringen
Magnetfeldstärken
und niedrigen Pegeln der induzierten Spannung arbeitet, ist er in
Bezug auf externe Störungsquellen
empfindlich. Um den magnetisch-induktiven bzw. elektromagnetischen
Durchflussmesser vor einer externen Störung zu schützen, können der Körper 12 und die Abdeckung 14 durch
Plasmaentladung/-ionisation, gesteuerte Abscheidung aus der Dampfphase,
Magnetron-Plasmazerstäubung
oder mittels Spritzüberzug
beschichtet sein, um eine EMV/Funkstörungs-Abschirmung zu schaffen.
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Die
Außenflächen des
Körpers 12 und
der Abdeckung 14 können
behandelt sein, um sie dampfundurchlässig zu machen, um das Eindringen
von Wasserdampf zu verhindern.
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In
dem Durchflussmesserkörper 12 ist
ein Durchflussrohr 16 (2)
angeordnet, durch welches im Betrieb leitfähiges Fluid strömt. Das
Durchflussrohr 16 enthält
ein Paar nichtmagnetische, dichte Flansche 18 am Einlass-
und am Auslassende des Durchflussrohrs 16, um das Verbinden
des Durchflussrohrs mit dem Durchflussmesserkörper 12 mittels Befestigungsplatten 19 zu
ermöglichen.
Zwischen dem Durchflussrohr 16 und dem Durchflussmesserkörper 12 sind
Dichtungen 20, beispielsweise O-Ringe, angeordnet, um den
Durchtritt von Fluid von der zwischen dem Durchflussrohr 16 und
dem Durchflussmesserkörper 12 gebildeten
Stoßstelle
zu verhindern.
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Wie
in 3A bis 3E gezeigt ist, umfasst das
Durchflussrohr 16 ein konisch zulaufendes, nichtmagnetisches,
nichtleitendes, dichtes Rohr, z. B. aus einem Kunststoffmaterial,
das vorzugsweise behandelt ist, um es unter Druck für Sickerwasser
dicht zu machen. Das Rohr hat einen runden Querschnitt an seinem
Einlass- und Auslassende 24, der durch einen sich verengenden
(konvergierenden) Abschnitt und einen sich weitenden (divergierenden)
Abschnitt an einen Zwischenabschnitt 26 mit rechteckigem
Querschnitt angepasst ist, durch den die Rate des Fluiddurchflusses
durch den Durchflussmesser bestimmt wird. Der Abschnitt 26 des Durchflussrohrs,
der einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wird im Folgenden als
Durchflussmessführung bezeichnet.
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Das
Durchflussrohr 16 ist so geformt, dass für einen
Bereich von Fluidströmungsgeschwindigkeiten
in dem Durchflussrohr 16 ein gleichmäßiges Strömungsprofil durch die Durchflussmessführung hindurch
bei einem minimalen Schwanken des Drucks des Fluids, das das Durchflussrohr
am Auslass 24 verlässt,
verwirklicht wird. Das Verhältnis
von Breite zu Höhe
(Aspektverhältnis)
der Führung 26 kann
so eingestellt sein, dass die angestrebten strömungsdynamischen Eigenschaften
für die
elektromagnetische Messung der Durchflussrate erzielt werden, wobei
es jedoch im Allgemeinen im Bereich von 1,5 bis 2,3 sein wird. In
der bevorzugten Ausführungsform
ist der Durchflussmesser so ausgelegt, dass er einen gleich bleibenden
ständigen
Betriebsdruck von 16 bar aushält,
wobei der Druckabfall über
dem Durchflussmesser bei einer Durchflussrate von 3000 Litern pro
Stunde weniger als 0,5 bar beträgt.
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Genauer
hat der rechteckige Querschnitt der Messführung 26 eine Querschnittsfläche von
ungefähr einem
Drittel der Fläche
des Einlass- und des Auslassabschnitts 24. Diese kleinere
Fläche
hat eine verhältnismäßig schnelle
Strömung
zur Folge, wodurch die Empfindlichkeit des Durchflussmessers verbessert
wird. Die rechteckige Form der Messführung fördert außerdem eine Strömungsführung, die über ihre
Breite (abgesehen von Grenzschichteffekten) für einen weiten Bereich von
Durchflussraten verhältnismäßig gleichmäßig ist,
was zu einer nahezu linearen Kalibrierungskennlinie des Durchflussmessers
führt.
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In 3C sind die obere und die
untere Seite des rechteckigen Querschnitts 26 Bogensehnen
des Durchflussrohrs mit rundem Querschnitt (d. h. nahe seinem Durchmesser)
am Einlass- und am Auslassende 24. Folglich wird fast die
gesamte Verkleinerung und nachfolgende Vergrößerung des Strömungsquerschnitts durch
Anpassen des oberen und unteren Endes des Querschnitts erreicht,
wie in 3D und 3E gezeigt ist.
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Diese
Anpassung wird durch entgegengesetzte Übergangskurven bewerkstelligt,
wie in 3B gezeigt ist,
d. h. der Konvergenz- oder Divergenzgrad ist anfangs an der Stelle
C sehr gering, erhöht
sich bis zu einem Maximum an einem Wendepunkt in der Mitte des konvergenten
oder divergenten Abschnitts (ungefähr an der Stelle D) und nimmt
dann wieder auf einen kleinen Wert am Ende des Abschnitts, an der
Stelle E, ab.
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Die
maximale Konvergenz- oder Divergenzrate am Wendepunkt ist derart,
dass der eingeschlossene Winkel der Wände (oder genauer der Tangenten
an diese) neun Grad oder weniger beträgt.
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Die
Anpassung der vertikalen Seiten des Querschnitts ist viel schwächer ausgeprägt. Obwohl
für diese Seiten Übergangskurven
zu bevorzugen sind, könnte
es ausreichend sein, lediglich eine geradlinige Anpassung zu nehmen.
Falls ein Durchflussmessquerschnitt gewählt wird, der sich vom Durchmesser
des Einlass- und
des Auslassquerschnitts sowohl in den horizontalen als auch in den
vertikalen Abmessungen wesentlich unterscheidet, sollten selbstverständlich sowohl
für die
Seiten als auch für
den oberen Teil und den unteren Teil des Abschnitts Übergangskurven
angepasst werden.
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Ein
divergentes Durchflussrohr wie beschrieben kann übermäßige Turbulenz und Kavitation
in dem divergenten Abschnitt vermeiden. Wenn es nicht erforderlich
ist, den Durchflussmesser mit Strömungen in zwei Richtungen zu
betreiben, kann der konvergierende Abschnitt verkürzt sein,
aber im Allgemeinen ist es sowohl für eine einfache Montage als
auch für
die hydrodynamische Wirksamkeit vorzuziehen, das Durchflussrohr
um sein Zentrum symmetrisch zu gestalten.
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Der
Durchflussmesser ist so beschaffen, dass er zwischen mit Flanschen
versehenen stromaufseitigen und stromabseitigen Abschnitten einer
Wasserversorgungsleitung oder einer anderen Fluidleitung eingefügt werden
kann. An dem Durchflussmesserkörper 12 sind
mit Flanschen versehene Metallpassstückenden 28 mittels
Passstück-Befestigungselementen 30 angebracht.
Die Bohrung jedes Passstückendes 28 könnte mit
einem Profil versehen sein, wie in 4 gezeigt
ist, um eine Erweiterung des sich weitenden und des sich verengenden
Abschnitts des Durchflussrohrs zu bilden, wodurch ein kleineres
Verhältnis
der Querschnittsänderung
erreicht werden kann. Dies kann besonders zweckmäßig sein, wenn der Durchmesser
der Leitung wesentlich größer als
die Breite des rechtwinkligen Messabschnitts 26 ist. Dann
kann der Durchmesser allmählich auf
jenen des Durchflussrohrs an der Stelle C, 3C, verringert werden, bevor die Anpassung
an den rechteckigen Querschnitt beginnt.
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Die
Passstückenden 28 sind
so beschaffen, dass sie an die Flansche der Leitung geschraubt werden können. Zwischen
jedem Passstückende 28 und
dem Durchflussmesserkörper 12 sind
Dichtungen 32 angeordnet, um den Durchtritt von Fluid von
der zwischen dem jeweiligen Passstückende 28 und dem
Durchflussmesserkörper 12 gebildeten
Stoßstelle
zu verhindern.
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In
dem Durchflussrohr 16 sind zwei Elektrodengehäuse 34 vorgesehen.
In 2 und 3 ist in jedem Elektrodengehäuse 34 eine
Elektrode 36 angeordnet, so dass die Elektroden 36 senkrecht
zur Richtung der Strömung
des Fluids in dem Durchflussrohr und außerdem senkrecht zu dem magnetischen
Feld angeordnet sind. Die Elektroden könnten aus jedem geeigneten
nicht schädigenden,
leitenden Material wie etwa nicht rostendem Stahl, plattiertem Kupfer
oder Messing sein. Die Elektroden 36 könnten einen rechteckigen, elliptischen
oder einen runden Querschnitt aufweisen und eine Höhe haben,
die im Wesentlichen der Höhe
der Messführung 26 gleich
ist. Das Material, aus dem die Elektroden gebildet sind, kann Reinigungs-
und Oberflächenbehandlungen
wie etwa einer Passivierung unterzogen werden, um die Ausbildung
einer gleichmäßigen Oxidschicht
auf der Kontaktfläche
der Elektroden, die dem in dem Durchflussrohr 16 strömenden Fluid
ausgesetzt ist, zu ermöglichen.
Derartige Oberflächenbehandlungen
können
die Empfindlichkeit der Elektroden in Bezug auf elektrochemische
Effekte, wie etwa die Polarisation, herabsetzen und eine reproduzierbare
Elektrodenimpedanz von einem Durchflussmesser zum anderen sicherstellen.
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Der
magnetisch-induktive bzw. elektromagnetische Durchflussmesser wird
mittels einer im Inneren angeordneten, auswechselbaren oder wiederaufladbaren
Batterie (6) betrieben,
in diesem Fall mit einer einzigen Lithium-Thionylchlorid-Zelle 84 der
Größe D mit
einer Kapazität
von 15 Amperestunden.
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Die
Batterie ist in einem Batterieraum 86 in der Durchflussmesserabdeckung 14 untergebracht,
wobei ihre Längsachse
parallel zu dem Durchflussrohr ist. Der Batterieraum ist so entworfen,
dass die Batterie leicht zugänglich
ist und leicht ersetzt werden kann, wenn der Durchflussmesser eingebaut
ist. Folglich ermöglicht eine Öffnung 88 in
dem Batterieraum 86, die durch einen wasserdichten und
manipulationsgeschützen
Deckel mit Dichtungen 90 verschlossen ist, die Batterie
aus dem Durchflussmesser zu entfernen.
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Über dem
Batterieraum ist eine Leiterplatte 92 angebracht, die eine
Spulenansteuerschaltung, eine Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung
(8, 9, 11)
und eine Flüssigkristallanzeige 140,
die durch ein Fenster 146 in der Abdeckung 14 sichtbar
ist, umfasst.
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Im
Vergleich zu herkömmlichen
netzgetriebenen elektromagnetischen Durchflussmessern ist die Leistung, über die
dieser Durchflussmesser verfügen
kann, viel niedriger, wobei der magnetische Kreis, die Spulenansteuerschaltung
und die Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung des Durchflussmessers
so ausgelegt sind, dass dies kompensiert wird.
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Der
Magnetkreis ist asymmetrisch um die Messführung 26, wie insbesondere
in 5 zu sehen ist. Er umfasst
ein oberes und ein unteres Polstück 42, 44 in
einer zylindrischen Kapselung, die aus einem oberen Becher 48 und
einem unteren Becher 50 gebildet ist. Eine (nicht gezeigte)
Erregerspule ist um einen Spulenkörper 46 gewickelt,
der rings um das obere Polstück 42 angeordnet
ist, das wesentlich länger
als das Polstück 44 ist.
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Die
Polstücke 42 und 44 sind
aus weichmagnetischem Material gebildet, dessen magnetische Eigenschaften
jenen der herkömmlich
in magnetisch-induktiven bzw. elektromagnetischen Durchflussmessern
verwendeten Materialien überlegen
sind. Das Material, aus dem die Polstücke geformt sind, umfasst ein
gereinigtes, magnetisch permeables, weichmagnetisches Material mit
geringem Kohlenstoffgehalt und wenigen Verunreinigungen wie etwa
Elektrostahl. Die Polstücke
können
aus einem Gussteil spanabhebend bearbeitet oder aus Stangenmaterial
mit einem Durchmesser, der typisch im Bereich zwischen 10 und 20
mm, vorzugsweise 12,5 mm, ist, tiefgezogen oder alternativ in die
gewünschte
Form gegossen sein. Die Tabelle 1 zeigt typische Fremdstoffkonzentrationen,
ausgedrückt
in Gewichtsprozent (Gew.-%), der Polstücke vor einer nachfolgenden Wärmebehandlung.
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Die
gereinigte Stahlzusammensetzung für das Stangenmaterial, aus
dem die Polstücke
geformt werden, vermindert die nachteiligen Wirkungen von Elementen
wie etwa Kohlenstoff und Mangan und von Verbindungen wie etwa Carbiden,
Oxiden, Nitriden und Sulfiden in der Ferritstruktur des vollständig rekristallisierten Materials.
Die Komponenten werden in einer entkohlenden Atmosphäre wärmebehandelt,
um die erforderliche Rekristallisation in der Ferritkornstruktur
zu begünstigen,
wobei gespeicherte Energie einer plastischen Formänderung
von dem Material freigesetzt wird, was wiederum eine Voraussetzung
für die
Entwicklung der optimalen magnetischen Eigenschaften des Materials
ist. Die homogene Rekristallisation des Materials und die gleichmäßige Entwicklung
der rekristallisierten Ferritkörner
führen
zu einem besseren Funktionieren des Durchflussmes sers.
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Nach
einer spanenden Formgebung der Polstücke aus dem Stangenmaterial
oder einem Gießen
der Polstücke
werden diese bei einer Temperatur zwischen 800°C und 825°C über zwei bis vier Stunden in
einer feuchten Atmosphäre
von Wasserstoff und Stickstoff, die typisch 70 bis 80% Wasserstoff
enthält,
mit einer Taupunkttemperatur von 25° bis 35°C, gefrischt und geglüht, um den
Kohlenstoff und die anderen Fremdstoffe, die in der magnetischen
Struktur des Metalls resident sind, zu reduzieren. Ein Frischen
bei einer solchen Taupunkttemperatur bremst die Geschwindigkeit
der Oxidation des kohlenstoffarmen Materials, veranlasst durch die
Konzentrationen von Silicium und Aluminium in dem Material, so dass
die Dicke der dünnen
Oxidschicht, die sich an der Oberfläche des Materials während des
Glühens
bildet, reguliert wird. Nach dem Glühen wird die Abkühlgeschwindigkeit
so gesteuert, dass sie nicht mehr als höchstens 60°C pro Stunde in derselben Atmosphäre beträgt, um die
Bildung von verfärbten
Oxidschichten auf den Oberflächen
des Materials zu vermeiden.
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Um
das Frischen zu beschleunigen, könnten
dem Schüttgut Übergangsmetalle
wie etwa Zr (im Bereich von 0,01 bis 0,23 Gew.-%), Nb (im Bereich
von 0,012 bis 0,29 Gew.-%) und Ti (im Bereich von 0,011 bis 0,22
Gew.-%) zugesetzt sein, um das Entfernen von überschüssigen Nitriden und Carbiden
zu unterstützen.
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Das
Glühen
ist vorzugsweise ein Magnetfeldglühen. Genauer wird, während die
Temperatur bis zur Glühtemperatur
ansteigt, ein Stromfluss durch eine Spule hervorgerufen, die den
Ofen umgibt, in dem die Polstücke
angeordnet sind, wobei das Stangenmaterial im Wesentlichen mit seiner
Achse parallel zu jener der Spule angeordnet ist. Der auf diese
Weise geschaffene einheitliche Magnetvektor bleibt beim Glühen und
Abkühlen
des Materials erhalten und führt
zu einer kristallinen Anisotropie in der Ferritkernstruktur, die
zur Achse des Polstücks
ausgerichtet ist. Typisch sind Feldstärken von 100 bis 10 000 A/m,
die das gesamte Volumen der zu behandelnden Komponente umschließen.
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Tabelle
2 zeigt typische Fremdstoffkonzentrationen, ausgedrückt in Gewichtsprozent
(Gew.-%), des Stabmaterials nach dem Glühen.
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Die
Polstücke
können
runde, rechteckige oder anders geformte Passflächen aufweisen. Außerdem wird
bevorzugt, dass die Polstücke 42 und 44 so
spanabhebend bearbeitet werden, dass sie in einer Richtung senkrecht
zur ihrer Längsachse
konkav sind. Dies bewirkt ein Konvergieren des erzeugten magnetischen
Flusses und folglich eine Erhöhung
der magnetischen Potentialdifferenz und des Profilgradienten des
resultierenden bidirektionalen magnetischen Feldes, das in der Messführung 26 erzeugt
wird, insbesondere durch Kanalisieren des Flusses in einer Ebene
senkrecht zur Richtung der Strömung
des Fluids in der Messführung 26.
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Nach
dem Glühen
werden das obere und das untere Polstück verschiedenen Oberflächenbehandlungen
unterworfen, um sie vor atmosphärischer
Korrosion, Verunreinigung und verzögertem magnetischem Altern
zu schützen.
Diese Behandlungen schließen
ein Elektroplattieren, ein elektrophoretisches Lackieren und ein
Spritzlackieren ein.
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Jedes
der Polstücke 42, 44 besitzt
einen verbreiterten Planflächenabschnitt 43 (5), der in einen ebenen
Sitz 45 in dem Durchflussrohr passt. Der Umfang jeder Fläche 43 wird
von einem Kupferring gebildet, in dem Wirbelströme erzeugt werden, um eine
hochfrequente Welligkeit zu unterdrücken, die das Magnetfeld aufweisen
könnte,
wie im Folgenden anhand von 10 näher beschrieben
ist.
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Das
Feld wird durch Erregen des magnetischen Kreises durch eine einzige
Erregerspule 82 erzeugt, die durch eine Spulenansteuerschaltung 80 (7, 8), die rings um das obere Polstück 42 angeordnet
ist, fremdgesteuert wird. In der in 1 gezeigten
Ausführungsform
wird die Spule von dem Spulenkörper 46 getragen.
Der Spulenkörper
ist durch Spritzgießen
eines Polymers, wie etwa Polyphenylensulfid (PPS), das 40% Glasfasern
enthält,
geformt. In dieser Ausführungsform
hat der Spulenkörper
eine Höhe
von ungefähr
37,5 mm, wobei der Durchmesser der Flansche des Spulenkörpers 55,5
mm beträgt.
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Die
Spule weist im Verhältnis
zu ihren Abmessungen eine hohe Stromdichte auf, um eine annehmbar hohe
Dichte der magnetischen Umlaufspannung zu erzielen. Die Spule umfasst
typisch 4000 bis 4700 Windungen aus Kupferdraht, vorzugsweise ungefähr 4500
Windunger aus Draht, mit einer Dicke zwischen 0,335 und 0,355 mm.
Wenn der Draht so um den Spulenkörper
gewickelt ist, dass der Außendurchmesser
der Spule im Wesentlichen dem Durchmesser der Flansche gleich ist,
ergeben sich bei 72 bis 75 Windungen pro Lage typisch 60 bis 63
Lagen Draht. Der gewundene Draht ist mit Klebstoff auf dem Spulenkörper befestigt.
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Als
eine Alternative zu dem Wickeln des Drahts der Spule um einen Spulenkörper könnte selbstklebender
Draht direkt um das obere Polstück 42 gewickelt
sein, wie in 7 gezeigt
ist. Eine weitere Alternative ist, die Spule vorzuformen und direkt
auf das obere Polstück 42 aufzukleben.
Als noch eine weitere Alternative könnte die Erregerspule drei
voneinander getrennte, hintereinander angeordnete, konzentrische
Spulen, die in Reihe geschaltet sind, umfassen.
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Der
obere Becher 48 umfasst eine zylindrische Hülse 52 und
eine Endabschlussscheibe 54 mit einem nach außen umgebogenen
Rand (nicht gezeigt). Die Scheibe 54 besitzt einen Durchmesser,
der etwas größer als
der Innendurchmesser der Hülse 52 ist;
um die Scheibe 54 an der Hülse 52 anzubringen,
wird die Hülse radial
nach außen
elastisch verformt, um den Innendurchmesser zu vergrößern, damit
die Hülse 52 über die Scheibe
passt. Wenn die Hülse 52 entspannt
wird, zieht sie sich zusammen, so dass ihre Innenwände fest
in den nach außen
gebogenen Rand der Scheibe 54 greifen.
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Bei
auf dem oberen Polstück 42 angeordnetem
Spulenkörper 46 ist
der obere Becher 48 über
der Spule und dem Polstück 42 angeordnet.
Das obere Polstück 42 ist
mittels einer eisenhaltigen Sicherungsschraube oder eines Nietes 56 an
der Scheibe 54 angebracht. Die Schraube oder der Niet könnte aus
dem gleichen Material wie die Polstücke sein. Es könnte eine
Mutter oder ein Gummi-Unterlegscheibe 58 vorgesehen sein,
um den Spulenkörper 46 in
Bezug auf das obere Polstück 42 sicher
zu befestigen. Zwei Öffnungen 60 (wovon
in 3 nur eine gezeigt
ist) ermöglichen
den Durchgang des Durchflussrohrs 16 durch die Hülse 52.
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Der
untere Becher 50 umfasst eine Endabschlussscheibe 62 mit
einem nach außen
umgebogenen Rand 64. Der untere Becher wird über dem
unteren Polstück
angeordnet, und das untere Polstück
wird mittels einer eisenhaltigen Sicherungsschraube oder eines Nietes
(nicht gezeigt) an der Scheibe 62 angebracht. Danach wird
der untere Becher an dem oberen Becher angebracht, wobei der Rand 64 von
der Innenfläche
der Hülse 52 sicher
gefasst wird.
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Die
durch den oberen und den unteren Becher gebildete zylindrische Kapselung
fixiert folglich mechanisch das obere Polstück, das untere Polstück und die
Erregerspule. 7 zeigt
die um das obere und das untere Polstück angeordnete zylindrische
Kapselung.
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Der
obere und der untere Becher sind aus gewalztem weichmagnetischem
Blechmaterial gebildet, beispielsweise aus siliciumarmem, nicht
orientiertem Elektrostahl mit einer Dicke von 0,50 bis 0,65 mm.
Die Hülse 52 wird
durch Tiefziehen des Blechmaterials geformt, und die Scheiben 54 und 62 werden
durch Stanzen des Blechmaterials geformt. Die Öffnungen 60 in der
Hülse 52 werden
geformt, indem Löcher
in die Hülse 52 gestanzt
werden. Das Material wird Wärme-
und Oberflächenbehandlungen
unterzogen, die jenen der Polstücke ähnlich sind.
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Die
Tabellen 3 und 4 zeigen typische Fremdstoffkonzentrationen, ausgedrückt in Gewichtsprozent (Gew.-%),
des Blechmaterials vor und nach dem Glühen.
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Der
Becher ist in einem Kunststoffgehäuse 70 (1) untergebracht, das den zusammengefügten magnetischen
Kreis in dem Gehäuse 12, 14 festhält. Die
Oberfläche
des Gehäuses 70 könnte ähnlich dem Gehäuse 12, 14 behandelt
sein, um den magnetischen Kreis gegen äußere elektromagnetische Störungen abzuschirmen.
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Wie
im Folgenden anhand 10 und 11 beschrieben wird, ist
die Spulenansteuerschaltung 80 so ausgelegt, dass sie Gleichströme mit wechselnden
Richtungen an die Erregerspule 82 liefert, wodurch ein
bidirektionales (wechselndes) magnetisches Feld senkrecht zu der
Fluidströmung
in dem Rohr 16 erzeugt wird. Ein bidirektionales Feld ist
erforderlich, um eine Ionisation und elektrochemische Effekte auf
den Elektroden 36 zu vermeiden; bei einem unidirektionalen
magnetischen Feld in der Messführung 26 ist
auch die zwischen den Elektroden induzierte Spannung unidirektional.
Dadurch werden Teilchen in dem Fluid polarisiert und neigen dazu,
an der Oberfläche
der Elektroden 36 zu haften, was im Zeitablauf zu einem
teilweisen oder vollständigen
Verstopfen der Führung 26 führen kann,
wodurch Messfehler und ein vorzeitiger Ausfall des Durchflussmessers
hervorgerufen werden.
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Folglich
wird der Erregerstrom gewendet, wodurch ein bidirektionales magnetisches
Feld erzeugt wird. Die Stromstärke
im stationären
Zustand beträgt
typisch zwischen 3 mA und 7 mA. Bei dieser Ausführungsform wird der Erregerstrom
für Perioden
von 60 ms bei Intervallen von einigen Sekunden geliefert, wobei
jede Periode von 60 ms drei Halbzyklen von 20 ms umfasst. Dieser
Zyklus mit niedriger Einschaltdauer trägt zur Sicherstellung einer
verlängerten
Batteriedauer bei, wobei das Messintervall kurz genug ist, dass
die in aufeinander folgenden 60 ms-Messfenstern gemessene Strömung für die Strömung in
dem Intervall zwischen den Fenstern repräsentativ ist. Die Dauer der
Messzyklen (20 ms) ist derart, dass eine 50 Hz-Störung über die
Erdung in dem Messfrequenzspektrum aufgenommen und folglich in den
nachfolgenden Mess- und Filterstufen unterdrückt werden kann.
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Da
das Wenden des Erregerstroms schnell erfolgt, könnte die resultierende Änderungsgeschwindigkeit
des magnetischen Feldes zu einer hohen induzierten Stoßspannung
zwischen den Elektroden 36 führen. Diese hohe Spannung,
die ansonsten die Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung des Durchflussmessers in
die Sättigung
bringen würde,
wird dadurch ausgeschlossen, dass das Abtasten des induzierten Spannungssignals
nur erfolgt, nachdem die Stoßspannung
ab geklungen ist.
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Um
die Geschwindigkeit der Änderung
des magnetischen Feldes insbesondere im Bereich des oberen Polstücks 42 zu
dämpfen
ist eine leitfähige
Scheibe 49, die vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer
geformt ist, an dem Ende des Spulenkörpers angeordnet, das dem unteren
Polstück 44 zugewandt
ist. Die Scheibe hat typisch eine gleichmäßige Dicke im Bereich zwischen
50 und 100 Mikrometern, in dieser Ausführungsform 76 Mikrometer. An
die Scheibe ist ein Erdungsleiter angeschlossen. Das sich schnell ändernde
magnetische Feld induziert Wirbelströme in der Scheibe 49,
die ein entgegengesetztes Feld in der Scheibe erzeugen, wodurch die
Nettoänderungsgeschwindigkeit
des magnetischen Feldes am Ende des oberen Polstücks 42 gedämpft wird
und folglich das Rauschen, das durch die Richtungsänderung
des Feldes hervorgerufen wird, verringert wird.
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Im
Betrieb fließt
ein wechselnder magnetischer Fluss durch den magnetischen Kreis,
der aus dem oberen Polstück 42,
dem Fluid in der Messführung 26,
dem unteren Polstück 44,
der Scheibe 62, der Hülse 52 und
der Scheibe 54 gebildet ist. In Abhängigkeit vom Erregerstrom und
von der Geometrie des magnetischen Kreises ist das Magnetfeld im
Bereich von 2,5 mT bis 5,0 mT, typisch ungefähr 4,5 mT.
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10 veranschaulicht die Kurvenform
des Spulenerregungssignals, das von der in 8 und (genauer) in 11 gezeigten Spulenansteuerschaltung 80 geliefert
wird. Die Ansteuerschaltung wird durch ein Taktsignal gesteuert,
das von einem Überwachungsmikroprozessor 90 (8) bereitgestellt wird.
In Intervallen von einigen Sekunden wird die Spule für drei aufeinander
folgende Halbzyklen mit einer Dauer von jeweils 20 ms erregt. Zu
Beginn des ersten der Halbzyklen 150 wird von einer hochtransformierenden
Schaltung 153 (11)
ein Spannungsimpuls 152 von 12 V für eine Dauer von 2 ms angelegt.
Dem folgt sofort ein 0,6 V Spannungsimpuls 154 von einer
Ausgleichsschaltung 155. Da die Spule eine hohe Induktivität aufweist,
erzeugt die hochtransformierte Spannung eine Übergangsstromspitze 156,
gefolgt von einer Wiederherstellung 158, nach welcher der
Strom auf einen konstanten Wert 160 abklingt. Die Spitze
und das Zurückschnellen
erfordern etwa 3 bis 5 ms, wobei der konstante Strom 160 etwa
15 bis 18 ms andauert, wobei nur während dieser Periode die über den
Elektroden 36 induzierte Spannung abgetastet wird, wie
nachfolgend beschrieben wird.
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Für eine genaue
Durchflussmessung ist es wichtig, dass das Magnetfeld, das von dem
konstanten Strom 160 erzeugt wird, im Wesentlichen unveränderlich
ist. Der Strom 160 könnte
eine Welligkeit aufweisen, die in der Ausgleichsschaltung entsteht
und bewirkt, dass das magnetische Feld durch entgegengesetzt gerichtete
Wirbelströme,
die in den Kupferringen am Umfang der Polstückflächen 43 erzeugt werden,
unterdrückt wird.
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In
dem zweiten Halbzyklus wird die an der Spule anliegende Spannung
mittels einer H-Brücke 168 (11) umgepolt, um eine auf
12 V erhöhte
Spannung und einen 0,6 V Ausgleich mit zu dem ersten Halbzyklus
entgegengesetzter Polarität
zu liefern. Die Signalform des Stroms in der Spule wird ebenso umgekehrt.
In dem dritten Halbzyklus wird die anliegende Spannung erneut umgepolt,
und die Spannung und der Strom sind genauso wie im ersten Halbzyklus.
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In
jedem Halbzyklus haben die hochtransformierten Impulse den Zweck,
so schnell wie möglich
einen kräftigen
magnetischen Fluss in der richtigen Richtung herzustellen. Bei einem
Fehlen eines hochtransformierten Impulses würde die hohe Induktivität der Schaltung
dazu führen,
dass das Magnetfeld nur langsam auf den konstanten Wert aufgebaut
wird, der erforderlich ist, damit die Durchflussmessung gültig ist.
Dann müsste
entweder die Zyklusdauer länger
sein oder es wäre
eine höhere
(konstante) Steuerspannung erforderlich. Beides würde zu einem
höheren
Energieverbrauch von der Batterie führen.
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Wie
in 11 zu sehen ist,
umfasst die Spulenansteuerschaltung 80 die hochtransformierende
Schaltung 153 und die Ausgleichsschaltung 155,
die über
die Leitung 163 eine 3,6 V-Eingangsspannung von der Batterie
erhalten und diese Spannung auf 12 V hochtransformieren bzw. auf
0,6 V erniedrigen. Die Schaltungen 153, 155 sind
inaktiv, es sein denn, sie werden von einer Ablaufsteuerschaltung 164 unter
der Steuerung durch den Überwachungsmikroprozessor 90 angesteuert.
Jede enthält
Spannungsstabilisierungsfunktionen, so dass die Ausgangsspannungen
(und insbesondere jene der Ausgleichsschaltung 155) konstant
bleiben, wenn die Batterie altert.
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Die
Ablaufsteuerschaltung liefert die erniedrigte Spannung und die hochtransformierte
Spannung an einen Multiplexer 166, von dem sie sequentiell
kombiniert und an die (ebenfalls von der Ablaufsteuerschaltung 164 gesteuerte)
Spulen-Umschaltbrücke 168 angelegt
werden, in der die Polarität
des zweiten Halbzyklus umgekehrt wird, und alle drei werden dann
aufeinander folgend an die Spule 82 angelegt. Ein Widerstand 170 ist in
Reihe mit der Spule 82 vorgesehen, um den induzierten Strom
zu begrenzen, der andernfalls während
der Phase des Hochtransformierens des Erregungszyklus übermäßig wäre. Die
Spannung 132, die über
dem Widerstand 170 abfällt
(der einen niedrigen Temperaturkoeffizienten besitzt und folglich
im Wesentlichen temperaturstabil ist), wird als Referenzsignal für einen
Analog/Digital-Umsetzer 130 (8 und 9) verwendet, welcher, wie
im Folgenden beschrieben ist, das Signal benutzt, um Schwankungen
des Magnetfeldes in der Messführung 26 auszugleichen.
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Während Fluid
durch das Durchflussrohr 16 strömt, wird in dem Fluid in der
Messführung 26,
das dem magnetischen Fluss ausgesetzt ist, eine Spannung induziert,
die durch die Elektroden 36 erfasst wird. Für schwache
Strömungen
kann die induzierte Spannung nur etwa 0,3 μV betragen. Die induzierte und
durch die Elektroden 36 erfasste Spannung wird der Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung über geschirmte
Koaxialkabel mit leitfähigen
Schutzhüllen
auf der Grundlage eines Elastomers mit zugesetztem Kohlenstoff oder Graphit
oder mit herkömmlichen
umflochtenen und umhüllten
Funkentstörungs-/EMV-Abschirmungslagen,
die gemeinsam die Empfänglichkeit
des Signals in Bezug auf äußere elektrische
und magnetische Störungen
herabsetzen, zugeführt.
Alternativ könnte
jedes Kabel in einem eigenen Abschirmschlauch untergebracht sein oder
beide Kabel könnten
in einem einzigen Schlauch untergebracht sein. Der Schlauch ist
aus einer auf Nickel basierenden Legierung wie etwa Mumetall oder
aus Aluminium mit einer umgebenden Folie auf Nickelbasis.
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Das
von den Elektroden 26 an die Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung
abgegebene Signal ist in 8 und 9 gezeigt. Diese Schaltungsanordnung
wird gleichlaufend mit der Spulenansteuerschaltung unter der Steuerung
durch das Taktsignal vom Mikroprozessor 90 betrieben. Das
Signal von den Elektroden 36 wird über eine RC-Kopplung 100 an
einen Differentialvorverstärker
mit einer hohen Gleichtakt-Empfindlichkeit über der Bandbreite des Signalspektrums
und einer steuerbaren voreingestellten Verstärkung gegeben. Um das Differenzsignal
in der einzigen Bahn der Stromversorgung aufzunehmen, wird eine
niedrige Gleichtaktspannung Vc in den Mittelpunkt der RC-Kopplung 100 eingespeist.
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Nachdem
das Differenzsignal durch den Vorverstärker 110 mit einem
festeingestellten Faktor verstärkt worden
ist, wird das Signal in einen Tiefpassfilter/Ver stärker 120 gegeben,
der das überlagerte
hochfrequente Rauschen von dem Signal entfernt und das Signal weiter
verstärkt,
damit es mit dem begrenzten Dynamikbereich des Analog/Digital-Umsetzers 130 kompatibel
ist.
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Das
verstärkte
Analogsignal wird durch den Analog/Digital-Umsetzer 130 mit
15 Bit Auflösung
mittels einer mikroprozessorgesteuerten Spannungs-Frequenz-Umsetzungstechnik
in ein digitales Format umgesetzt. Ein Beispiel für den Analog/Digital-Umsetzer
ist in 9 gezeigt.
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In
dem Analog/Digital-Umsetzer 130 wird das verstärkte und
gefilterte Signal durch die Integrationsschaltung über vorgegebene
Zeitintervalle mit Bezug auf die Referenzspannung 132,
die über
dem den Spulenstrom begrenzenden Widerstand 170 abfällt, integriert.
Die Integrationszeit wird von der Steuerlogikschaltung 134 unter
Steuerung des Mikroprozessors 90 bestimmt. Die Spannung 132 ändert sich,
wenn der konstante (durch das Hochtransformieren hervorgerufene)
Strom hindurchfließt.
Folglich spiegelt sich in der Referenzspannung 132 wider,
wenn sich der Strom z. B. auf Grund einer Temperaturänderung
oder der Alterung der Batterie ändert.
Eine Änderung
des Spulenstroms hat eine Änderung
des Magnetfeldes und folglich eine unerwünschte Änderung in dem Durchflussratensignal
(Spannung), das in den Analog/Digital-Umsetzer 130 eingeht,
zum Ergebnis. Durch Verwenden der Spannung 132 als Referenzspannung
in der Integrationsschaltung 131 wird für eine ratiometrische Beziehung
zwischen einer Änderung
des Erregerstroms und der Signalumsetzung gesorgt, wodurch sichergestellt
ist, dass die Integrität
der Durchflussmessung bewahrt wird.
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Das
Ausgangssignal der Integrationsschaltung ist eine Rampe, die einer
Schwellenwertschaltung 133 zugeführt wird, die den Kondensator 135 der
Integrationsschaltung entlädt
und jedes Mal, wenn eine Schwellenspannung erreicht ist, einen Impuls
sendet. Die resultierende Impulsreihe wird während eines festgelegten Zeitintervalls
von der Steuerlogikschaltung 134 gezählt, um eine digitale Umsetzung
des analogen Durchflusssignals zu liefern, die der Mikroprozessor 90 in
eine Durchflussrate und/oder das Gesamtvolumen des Fluids, das den
Durchflussmesser durchströmt
hat, umsetzt, in einen nichtflüchtigen
Speicher speichert und bei Bedarf mit der Flüssigkristall-Anzeigeeinheit 140 anzeigt.
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Die
gespeicherten Daten können über eine
Schnittstellenvorrichtung mit verschiedenen Mitteln für eine Funkfrequenzkommunikation
mit einer entsprechenden Bandbreite unter Verwendung verschiedener
Modulationsverfahren, einschließlich
der gleitenden Frequenzumtastung (FSK), der Phasenumtastung (PSK)
und der Amplitudentastung (ASK), zu einer mobilen oder zentralisierten
Datenbasis gesendet werden. Die Übertragungsprotokolle
können
der besonderen Anwendung entsprechend gewählt werden.
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Der
A/D-Umsetzer 130 kann nur einen begrenzten Dynamikbereich
in seinem Eingangssignal akzeptieren. Der Ausgang des Tiefpassfilters/Verstärkers 120 weist
jedoch auf Grund von elektrochemischen Effekten zwischen dem Fluid
in der Messführung 26 und
den Elektroden 36 einen veränderlichen Gleichspannungspegel
in Bezug auf die Masse der Schaltung auf. Um den Gleichspannungspegel
innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten wird unter der Steuerung
des Mikroprozessors 90 eine Gleichspannung zu dem Signal
von dem Tiefpassfilter/Verstärker 120 addiert
oder von diesem subtrahiert.
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Der
Mikroprozessor wendet einen drei Punkte umfassenden, nichtlinearen,
regressiven Algorithmus auf die während der drei aufeinander
folgenden 20 ms-Halbzyklen
von 10 gemessenen Durchflusssignale V0, V1, V2 an.
Da sich der Gleichspannungspegel langsam ändert, kann sein Wert während eines
60 ms-Messfensters
verwendet werden, um seinen Wert V3 während des
nächsten
Fensters zwei Sekunden später
vorauszusagen. Bei diesem besonderen Algorithmus (es können auch
andere verwendet werden) ist: V3 =
V2 + (V1 – V2)2/(V1 – V0)
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Der
Wert V3 wird an einen Analog/Digital-Umsetzer 150 geliefert,
wo er in eine Gleichspannung umgesetzt wird, die an den Tiefpassfilter/Verstärker 120 angelegt
wird, um den Gleichspannungspegel seines Ausgangs so einzustellen,
dass er im Dynamikbereich des A/D-Umsetzers 130 ist.
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Die
vorangehende Beschreibung der Funktionsweise der Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung erfolgte
im Kontext der Messung eines strömenden
Fluids. Es ist erforderlich, außerdem
zwei weitere Betriebsbedingungen zu berücksichtigen: eine, wenn das
Durchflussrohr mit Fluid gefüllt
ist, jedoch keine Strömung vorhanden
ist, und die andere, wenn sich kein Fluid in dem Durchflussrohr
befindet. Die Spannung über
den Elektroden 36 wird einen von drei charakteristischen
Zuständen
aufweisen; obwohl die Übergänge zwischen diesen
Zuständen
nicht plötzlich
erfolgen, sind sie für
eine noch zu treffende Unterscheidung mittels Fuzzy-Logik-Algorithmen
in dem Mikroprozessor 90 ausreichend ausgeprägt.
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Im
ersten Zustand strömt
Fluid durch die Messführung 26.
Neben dem Durchflusssignal enthält
die über
den Elektroden 36 beobachtete Spannung 36 auch
das aus elektrochemischen Effekten des Fluids entstehende Rauschen
und Strömungsrauschen.
Das Erstere weist eine sich langsam ändernde Charakteristik auf
und wird durch den drei Punkte umfassenden, nichtlinearen, regressiven
Algorithmus beseitigt, und das Letztere ist im Allgemeinen proportional
zur Durchflussrate.
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Im
zweiten Zustand ist das Durchflussrohr 16 mit stationärem Fluid
gefüllt,
und die beobachtete Spannung wird von dem oben beschriebenen elektrochemischen
Effekt dominiert.
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Der
dritte Zustand tritt auf, wenn die Messführung leer ist. Dann sind die
Elektroden 36 nicht mit dem leitfähigen Fluid in Kontakt, und
die Impedanz zwischen ihnen ist sehr hoch. Außerdem sind sie elektrischen und
magnetischen Streufeldern ausgesetzt, die nun wesentlich werden.
Die über
der Elektrode 36 erfasste Spannung ändert sich folglich deutlich
von einer Messung zur nächsten,
jedoch in einer unbeständigen
und unvorhersagbaren Art, wobei sie unabhängig davon ist, ob die Spule 82 eingeschaltet
ist.
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Auf
Grund des Wesens der Messwerte des Durchflussmessers werden drei
Kriterien wie folgt aufgestellt, um den Füllzustand des Durchflussrohrs
zu bestimmen:
- (i) Übereinstimmung der Messwerte
des Durchflussmessers. Wenn die Übereinstimmung
gering ist, könnte der
Fall eines leeren Rohrs schon eingetreten sein.
- (ii) Rauschpegel in dem Durchflussrohr (Rohrrauschen), wenn
die Erregerspule nicht zugeschaltet ist. Wenn das Rauschen hoch
ist, könnte
der Fall eines leeren Rohrs schon eingetreten sein.
- (iii) Korrelation zwischen dem Rohrrauschen und der registrierten
Durchflussrate. Da das Rauschen im Allgemeinen proportional zur
Durchflussrate ist, könnte
dann, wenn die zwei von der Proportion abweichen (d. h. das Rauschen
bei der gemessenen Durchflussrate wesentlich höher ist, als es sein sollte),
der Fall eines leeren Rohrs schon eingetreten sein.
-
Es
ist offensichtlich, dass jedes dieser drei Kriterien auf den Übergang
zwischen dem Zustand des vollen Rohrs und dem Zustand des leeren
Rohrs, d. h. auf Situationen, in denen das Durchflussrohr nur teilweise gefüllt ist
oder das strö mende
Fluid Hohlräume
enthält,
anspricht, wovon jede zu Ungenauigkeiten der Messung führt. Um
mit diesem Übergangsverhalten
zurechtzukommen, wird bei der Implementierung dieser Kriterien eine
Fuzzy-Logik-Technik verwendet. Für
die Prüfung
des Füllzustands
des Rohrs wird eine Anzahl aufeinander folgender Messwerte des Durchflussmessers
vor der Prüfung
aufgezeichnet. Außerdem
wird der Messwert des Durchflussmessers aufgezeichnet, der bei Abwesenheit
eines Spulenerregerstroms erhalten wird. Dies wird während einer
der Perioden von 60 ms dadurch erreicht, dass der Mikroprozessor
die Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung, nicht jedoch die Spule 82 einschaltet.
Typisch kann dies einmal alle acht bis dreißig 60 ms-Zyklen erfolgen.
Der Momentanwert der Durchflussrate, der bei der letzten Prüfung gemessen
wurde, die Übereinstimmung
der Durchflussrate und das Rohrrauschen werden jeweils als unabhängige logische
Variable behandelt. Auf der Grundlage dieser Messwerte des Durchflussmessers
werden diesen Variablen jeweils einzeln entsprechend der zwischen
ihnen bestehenden inhärenten
Beziehung logische Werte zugeordnet. Diese Variablen werden dann
gemeinsam verarbeitet, um einen aktuellen Logikfunktionswert zu erzeugen,
der mit einem Satz von im Voraus definierten Fuzzy-Schwellenwerten
verglichen wird, um auf diese Weise zu bestimmen, ob das Messrohr
gefüllt
ist oder nicht.
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Der
Mikroprozessor 90 wird außerdem verwendet, um eine weitere
Batterieeinsparung zu bewirken, indem das Intervall zwischen den
60 ms-Messperioden eingestellt wird. Wenn die Durchflussrate hoch
ist oder sich von einer Messung zur nächsten wesentlich ändert, werden
die Messperioden in verhältnismäßig kurzen Intervallen
angewiesen. Wenn die gemessene Durchflussrate null ist oder ständig auf
einem verhältnismäßig niedrigen
Wert ist, dann wird das Intervall ausgedehnt, beispielsweise verdoppelt.
-
Jedes
in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarte
Merkmal kann unabhängig
oder in einer beliebigen geeigneten Kombination geschaffen werden,
solange eine solche Kombination in den Schutzumfang der Erfindung
wie durch die beigefügten
Ansprüche
definiert fällt.
Insbesondere kann ein Merkmal eines Unteranspruchs in einem Anspruch
enthalten sein, von dem er nicht abhängig ist.
