DE10312058A1

DE10312058A1 - Vorrichtung zum Messen des Volumenstroms eines Messmediums in einem Messrohr

Info

Publication number: DE10312058A1
Application number: DE2003112058
Authority: DE
Inventors: Thomas Budmiger
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-09-30
Also published as: EP1460394B1; EP1460394A3; EP1460394A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen des Volumenstroms eines Meßmediums (11), das ein Meßrohr (2) in Richtung der Meßrohrachse (3) durchfließt, mit einer Spulenanordnung (6, 7), mindestens einer Meßelektrode (4; 5) und einer Regel-/Auswerteeinheit (8). DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung (1) zum Messen des Volumenstroms die Meßrate und damit die Meßgenauigkeit zu erhöhen. DOLLAR A Die Regel-/Auswerteeinheit (8) legt näherungsweise nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne (t¶ref¶) für eine vorgegebene Zeitspanne (t¶short¶) eine Gegenspannung (U¶G¶) an die Spulenanordnung (6, 7) an, wobei die Zeitspanne (t¶short¶) so bemessen ist, daß der Einfluß der während des Umschaltvorgangs in die Spulenanordnung (6, 7) induzierten Wirbelströme näherungsweise kompensiert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisch-induktives Durchflußmeßgerät, welches den Volumenstrom eines Meßmediums bestimmt, das ein Meßrohr in Richtung der Meßrohrachse durchfließt. Diese sog. MIDs weisen eine Spulenanordnung auf, die ein das Meßrohr durchsetzendes, im wesentlichen quer zur Meßrohrachse verlaufendes und periodisch die Richtung änderndes Magnetfeld erzeugt. Weiterhin haben sie zumindest eine mit dem Meßmedium gekoppelten Meßelektrode, die in einem Bereich des Meßrohres angeordnet ist, und eine Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der in die zumindest eine Meßelektrode induzierten Meßspannung Information über den Volumenstrom des Meßmediums in dem Meßrohr liefert. Die zumindest eine Meßelektrode ist mit dem Meßmedium galvanisch oder kapazitiv gekoppelt.
Magnetisch-induktive Durchflußmeßgeräte nutzen für die volumetrische Strömungsmessung das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus: Senkrecht zu einem Magnetfeld bewegte Ladungsträger des Meßmediums induzieren in gleichfalls im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Meßmediums angeordnete Meßelektroden eine Spannung. Diese in die Meßelektroden induzierte Spannung 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 vom Idealfall auf. Der außerhalb der Spulenanordnung gemessene Spulenstrom entspricht daher der Summe des in der Spule fließenden Stroms und des durch die Wirbelströme erzeugten Stroms. Wird der außerhalb der Spulenanordnung gemessene Strom als Regelgröße verwendet, ist folglich zwar der Strom nicht aber das Magnetfeld konstant. Dies gilt solange, wie die Wirbelströme nicht 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 Anstiegsdauer eine Überspannung an die Spulenanordnung angelegt. Die Dauer der Überspannung wird sukzessive so eingestellt, daß mit Ablauf der Anstiegsdauer das Strommaximums erreicht ist, so daß kein weiterer Anstieg des Spulenstroms auftritt. Nach Erreichen des Maximums nähert sich der Spulenstrom assymptotisch dem Strom-Endwert an. Gemäß der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung, hat das Magnetfeld mit Erreichen des Strommaximums einen dem konstanten Strom-Endwert entsprechenden konstanten Magnetfeld-Endwert. Die Dauer der Umschaltphase ist durch die Charakteristik der Spulenstroms gegeben. Da die Stabilität des Meßsignals u.a. auch durch die induktive Einkopplung von der Spulenanordnung zu den Meßelektroden beeinträchtigt wird, müssen während der Messung der Spannungsdifferenz zwischen den Meßelektroden sowohl die Spannung über der Spulenanordnung als auch der Strom durch die Spulen konstant sein. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung ist dies aufgrund der asymptotischen Annäherung an den Endwert erst der Fall, wenn die Wirbelströme vollständig abgeklungen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zum Messen des Volumenstroms die Meßrate und damit die Meßgenauigkeit zu erhöhen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Regel-/Auswerteeinheit beim Umschalten des Magnetfeldes B für eine Referenz-Zeitspanne t_rev eine Überspannung an die Spulenanordnung anlegt, wobei die Überspannung so bemessen ist, daß der durch die Spulenanordnung fließende Strom nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne t_rev stetig gegen einen im wesentlichen konstanten Strom-Endwert abfällt, und daß die Regel-/Auswerteeinheit näherungsweise nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne t_ref für eine vorgegebene Zeitspanne t_short eine Gegenspannung an die Spulenanordnung anlegt, wobei die Zeitspanne t_short so bemessen ist, daß der Einfluß der während des Umschaltvorgangs in die Spulenanordnung induzierten Wirbelströme näherungsweise kompensiert wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß die Regel-/Auswerteeinheit die elektromagnetische Spulenanordnung während der Zeitspanne t_short kurzschließt. Alternativ wird vorgeschlagen, daß die Regel-/Auswerteeinheit die Richtung des durch die Spulenanordnung fließenden Stroms während der Zeitspanne t_short umkehrt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, daß die Regel-/Auswerteeinheit die Zeitspanne t_short so bemißt, daß der durch die Spulenanordnung fließende Strom nach Ablauf der Zeitspanne t_short näherungsweise den konstanten Strom-Endwert erreicht hat.
Die Ermittlung der optimalen Zeitspanne t_short erfolgt bevorzugt mittels eines Trial-/Error-Verfahrens. Die während einer Umschaltphase ermittelten Meßwerte werden zur Optimierung der Zeitspanne t_short für die nachfolgende Umschaltphase verwendet.
Bevorzugt wird folgendermaßen vorgegangen: Die Regel-/Auswerteeinheit legt während eines ersten Umschaltvorgangs für eine vorgegebene Zeitspanne t_short eine Gegenspannung an die Spulenanordnung an; nachfolgend erfaßt die Regel-/Auswerteinheit mehrere Strom-Meßwerte innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne t_cont ; für den Fall, daß mit Ablauf der Zeitspanne t_short der Strom-Endwert nicht erreicht ist, wird die Zeitspanne t_short vergrößert; für den Fall, daß mit Ablauf der Zeitspanne t_short der Strom-Endwert vorzeitig erreicht ist, wird die Zeitspanne t_short verkleinert.
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,
3: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Spulenstroms und des zeitlichen Verlaufs des Magnetfeldes bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung,
4: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der an der Spulenanordnung anliegenden Spannung bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung,
5: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der an der Spulenanordnung anliegenden Spannung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
6: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Spulenstroms und des zeitlichen Verlaufs des Magnetfeldes bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Das Meßrohr 2 wird von dem Meßmedium 11 in Richtung der Meßrohrachse 3 durchflossen. Das Meßmedium 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 Meßmediums 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 Meßmedium 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 Meßmediums 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 Meßmedium 11 hindurchströmt, verbunden.
In den beiden gezeigten Fällen befinden sich die Meßelektroden 4, 5 in direktem Kontakt mit dem Meßmedium 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 I_L 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 I_M immer dem Summenstrom I_M, der sich aus dem Spulenstrom I_L und dem Wirbelstrom I_EDDY zusammensetzt. Da stets der außerhalb der Spulenanordnung 6, 7 gemessene Strom I_M von der Regel-/Auswerteeinheit 8 als Regelgröße verwendet wird, ist zwar der Strom I_M konstant, nicht jedoch das Magnetfeld B, das das Meßrohr 2 durchsetzt. Ein entsprechendes Ersatzschaltbild der Spulenanordnung 6, 7 ist in der 2 dargestellt.
Aus dem Stand der Technik, insbesondere wird an diesem Zusammenhang auf die EP 0 969 268 A1 verwiesen, ist eine Lösung bekannt geworden, wie die während der Umpolung des Magnetfeldes entstehenden Wirbelströme kompensiert werden können. Die entsprechenden graphischen Darstellungen der zeitlichen Änderungen des Spulenstroms I_M, des Magnetfeldes B und der an die Spulenanordnung 6, 7 angelegten Spannung sind in den Figuren 3 und 4 zu sehen. Insbesondere wird bei der bekannten Lösung der Spulenstrom I_M nicht direkt zur Nachführung der Spannung über der Spulenanordnung 6, 7 verwendet. Vielmehr wird der während der Zeitspanne t_cont fließende Spulenstroms I_M digitalisiert. Die gemessenen Stromwerte werden zur Berechnung des Spannungsprofils für die nächste Halbperiode des Magnetfeldes B verwendet. Es kommt also ein Trial-/Error-Verfahren zum Einsatz: Die während der Zeitspanne t_rev an der Spulenanordnung 6, 7 anliegende Überspannung U_rev wird sukzessive so abgestimmt, daß der Spulenstrom I_M während der verbleibenden Zeitspanne t_cont einer jeden Halbperiode stetig gegen einen konstanten Strom-Endwert I_cont hin abfällt. Bei der bekannten Lösung wird also das Augenmerk darauf gelegt, daß die Zeitspanne t_ref, während der die Überspannung U_drv an der Spulenanordnung 6, 7 angelegt ist, so bemessen ist, daß der gemessene Spulenstrom I_M während der Zeitspanne t_cont nicht mehr ansteigt. Zeigt sich ein Anstieg, so ist dies ein klares Anzeichen dafür, daß die Zeitspanne t_rev zu kurz gewählt war. Als Folge hiervon wird die Regel-/Auswerteeinheit 8 die Zeitspanne t_rev während der nachfolgenden Halbperioden solange um geeignete Beträge erhöhen, bis der gemessene Spulenstrom I_M das gewünschte Verhalten aufweist.
Während der eigentlichen Messung des Volumenstroms muß sowohl die Spannung über der Spulenanordnung 6, 7 als auch der durch die Spulenanordnung fließende Strom I_M konstant sein, da die Stabilität des Meßsignals u.a. auch durch die induktive Einkopplung von der Spulenanordnung 6, 7 zu den Meßelektroden 4, 5 negativ beeinflußt wird. Bei der aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Lösung ist dies erst der Fall, wenn ein wesentlicher Anteil der Zeitspanne t_cont vorbei sind. Damit ist die Anzahl der während der Zeitspanne t_cont möglichen exakten Messungen von vorneherein nahezu auf die Hälfe der maximal möglichen Messungen beschränkt. Die Erfindung schägt nun eine Lösung vor, wie die während jeder Halbperiode maximal zur Verfügung stehende Zeitspanne t_cont erheblich ausgedehnt werden kann.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur aktiven Kompensation von Wirbelströmen bei einem magnetisch-induktiven Durchflußmeßgerät 1 ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Der gravierende Unterschied zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik ist aus 5 ersichtlich. Hierbei kennzeichnet die durchgezogene Linie den Meßstrom I_M, wie er sich bei der erfindungsgemäßen Lösung darstellt; hingegen zeigt die gepunktete Linie das zeitliche Verhalten des Meßstroms I_M bei der aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Lösung. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist der konstante Strom-Endwert I_cont mit Ablauf der Zeitspanne t_cont erreicht; bei der bekannten Lösung wird der der konstante Strom-Endwert I_cont erst zu einem späteren Zeitpunkt innerhalb der Zeitspanne t_cont erreicht.
Erfindungsgemäß wird mit Ablauf der Zeitspanne t_rev, während der an der Spulenanordnung 6, 7 eine Überspannung U_rev anliegt, für eine Zeitspanne t_short eine Gegenspannung U_G an die Spulenanordnung 6, 7 angelegt. Hierzu schließt die Regel-/Auswerteeinheit 8 die Spulenanordnung 6, 7 während der Zeitspanne t_short kurz; oder die die Regel-/Auswerteeinheit 8 kehrt die Richtung des durch die Spulenanordnung fließenden Stroms während der Zeitspanne t_short um. Bevorzugt wird die optimale Zeitspanne t_short durch ein Trial-/Error-Verfahren ermittelt. Während eines ersten Umschaltvorgangs legt die Regel-/Auswerteeinheit 8 für eine vorgegebene Zeitspanne t_short eine Gegenspannung U_G an die Spulenanordnung 6, 7 an. Nachfolgend erfaßt die Regel-/Auswerteinheit 8 mehrere Strom-Meßwerte innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne t_cont. Für den Fall, daß mit Ablauf der Zeitspanne t_short der Strom-Endwert I_cont nicht erreicht ist, wird die Zeitspanne t_short vergrößert; für den Fall, daß vor Ablauf der Zeitspanne t_short der Strom-Endwert I_cont bereits erreicht ist, wird die Zeitspanne t_short verkleinert.
Durch aktives Kompensieren der Wirbelströme kann die Abklingdauer der Wirbelströme signifikant reduziert werden. Dies geschieht durch kurzzeitiges Anlegen einer Gegenspannung U_G 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

Claims

Vorrichtung zum Messen des Volumenstroms eines Meßmediums (11), das ein Meßrohr (2) in Richtung der Meßrohrachse (3) durchfließt, mit einer Spulenanordnung (6, 7), die ein das Meßrohr (2) durchsetzendes, im wesentlichen quer zur Meßrohrachse (3) verlaufendes und periodisch die Richtung änderndes Magnetfeld (B) erzeugt, mit zumindest einer mit dem Meßmedium (2) 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 Information über den Volumenstrom des Meßmediums (11) in dem Meßrohr (2) liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel-/Auswerteeinheit (8) beim Umschalten des Magnetfeldes (B) für eine Referenz-Zeitspanne (t_ref) eine Überspannung (U_drv) an die Spulenanordnung (6, 7) anlegt, wobei die Überspannung (U_drv) so bemessen ist, daß der durch die Spulenanordnung (6, 7) fließende Strom (I_M) nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne (t_ref) stetig gegen einen im wesentlichen konstanten Strom-Endwert (I_cont) abfällt, und daß die Regel-/Auswerteeinheit (8) näherungsweise nach Ablauf der Referenz-Zeitspanne (t_ref) für eine vorgegebene Zeitspanne (t_short) eine Gegen-spannung (U_G) an die Spulenanordnung (6, 7) anlegt, wobei die Zeitspanne (t_short) so bemessen ist, daß der Einfluß der während des Umschaltvorgangs in die Spulenanordnung (6, 7) induzierten Wirbelströme näherungsweise kompensiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel-/Auswerteeinheit (8) die elektromagnetische Spulenanordnung (6, 7) während der Zeitspanne (t_short) kurzschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel-/Auswerteeinheit (8) die Richtung des durch die Spulenanordnung (6, 7) fließenden Stroms (I_M) während der Zeitspanne (t_short) umkehrt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel-/Auswerteeinheit (8) die Zeitspanne (t_short) so bemißt, daß der durch die Spulenanordnung (6, 7) fließende Strom (I_M) nach Ablauf der Zeitspanne (t_short) näherungsweise den konstanten Strom-Endwert (I_cont) erreicht hat.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel-/Auswerteeinheit (8) die Zeitspanne (t_short) mittels eines Trial- /Error-Verfahrens ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel-/Auswerteeinheit (8) während eines ersten Umschaltvorgangs für eine vorgegebene Zeitspanne (t_short) eine Gegenspannung (U_G) an die Spulenanordnung (6, 7) anlegt, daß die Regel-/Auswerteinheit (8) mehrere Strom-Meßwerte innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne (t_cont) erfaßt, daß für den Fall, daß mit Ablauf der Zeitspanne (t_short) der Strom-Endwert (I_cont) nicht erreicht ist, die Regel-/Auswerteeinheit (8) die Zeitspanne (t_short) vergrößert, und daß für den Fall, daß mit Ablauf der Zeitspanne (t_short) der Strom-Endwert (I_cont) vorzeitig erreicht ist, die Regel-/Auswerteeinheit die Zeitspanne (t_short) verkleinert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Meßelektrode (4, 5) mit dem Meßmedium (11) galvanisch oder kapazitiv gekoppelt ist.