DE19752368C1 - Verfahren zur magnetisch-induktiven Durchflußmessung in Kanalisationen, insbesondere in teilgefüllten Rohren, Gerinnen oder dergleichen, sowie magnetisch-induktiver Durchflußmesser zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur magnetisch-induktiven Durchflußmessung in Kanalisationen, insbesondere in teilgefüllten Rohren, Gerinnen oder dergleichen, mittels einer als magnetisch-induktiver Durchflußmesser (MID) ausgebildeten Vorrichtung. Es werden die Elektrodenspannungen des mit einer Mehrzahl von Elektrodenpaaren ausgebildeten Durchflußmessers gemessen. Es wird der Füllstand erfaßt und aus den so gewonnenen Daten der Volumenstrom anhand eines semiempirischen Algorithmus ermittelt. Dabei wird zur Homogenisierung der Sensorwirkfunktion eine füllstandsabhängig gewichtete Addition der jeweils an den Elektroden der Elektrodenpaare anliegenden Spannungen vorgenommen, derart, daß die resultierende Sensorwirkfunktion nahezu konstant ist. Ein magnetisch-induktiver Durchflußmesser zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß er einen Sensor in Form eines für den nachträglichen Einbau in ein bestehendes Kanalisationsrohr geeigneten schmalen Ringes umfaßt. In das Volumen des zum portablen Einsatz insbesondere flexiblen Ring sind die zum Betrieb des magnetisch-induktiven Durchflußmessers nötigen Komponenten integriert.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der magnetisch-induktiven Durchflußmessung. Sie betrifft sowohl ein entsprechendes Meßverfahren als auch eine entsprechende Meßvorrichtung.

Die Durchflußmessung bei Abwasserapplikationen wird in den kommenden Jahren aufgrund schärferer Umweltschutzauflagen kontinuierlich an Bedeutung zunehmen. So werden steigende Abwassergebühren dazu führen, daß Großkunden der Kanalnetzbetreiber nicht mit einer am Frischwasserverbrauch orientierten Abrechnung einverstanden sind, wenn beispielsweise ein größerer Teil des Frischwassers in der Produktion vollständig verbraucht, und somit nicht in die Kanalisation geleitet wird. Vielmehr werden diese Kunden durch eine eigene Meßstelle ihren niedrigeren Verbrauch dem Kanalnetzbetreiber nachzuweisen suchen. Flächendeckende Durchflußmessungen sind auch erforderlich, um Kanalnetzberechnungssoftware zu kalibrieren, deren Einsatz der Gesetzgeber von den Kanalnetzbetreibern verlangt. Zusammen mit synchron erfolgenden Niederschlagsmessungen können Bemessungsdaten für das Kanalnetz gewonnen werden. Die gegenwärtig in der Kanalisation installierten Durchfluß-Meßstellen arbeiten nach einer Vielzahl von Prinzipien. Grundsätzlich können diese Meßverfahren wie folgt gruppiert werden:

• - Durchflußmessung über Wasserstandsmessung,
• - volumetrische Verfahren,
• - Verdünnungs- oder Tracerverfahren,
• - Messung über durchströmten Querschnitt und mittlere Strömungsgeschwindigkeit.

Nachstehend wird auf einige Besonderheiten der Durchflußmessung über Wasserstandsmessung eingegangen. Analog zu den Differenzdruckverfahren bei Druckleitungen hat sich bei Freispiegelleitungen die Durchflußmessung über die Wasserstandsmessung etabliert. In der Regel wird dabei eine Querschnittsverengung in den Strömungskanal eingebaut. Diese kann als Meßwehr, als Sohlschwelle oder als Venturikanal ausgeführt sein. Die Verengung ist so zu dimensionieren, daß der Wasserstand stromabwärts der Verengung den Wasserstand stromaufwärts nicht beeinflußt. Dieser letztere hängt innerhalb des Meßbereichs streng monoton vom Durchfluß ab, so daß eine Durchflußbestimmung möglich ist. Neben dem großen Platzbedarf und der im unteren Teil des Meßbereichs geringen Meßgenauigkeit sind diese Verfahren anfällig für Rückstau. Die Messung des Durchflusses über den Wasserstand ist jedoch auch ohne Querschnittsverengung möglich. Der Durchfluß wird anhand semiempirischer Gleichungen aus dem Wasserstand bestimmt, die gleichzeitig von einigen Parametern wie z. B. Wandrauhigkeit signifikant beeinflußt werden. Daher ist die Meßgenauigkeit nicht nur in kritischer Weise abhängig von der Richtigkeit der Annahmen über die Rohrbeschaffenheit und deren Konstanz, sondern auch von dem Vorhandensein stationärer Strömungsverhältnisse. In der Regel ist dieses Verfahren daher nur an unkritischen Stellen zur Durchflußabschätzung verwendbar.

Einige Besonderheiten der Durchflußmessung mit volumetrischen Verfahren lassen sich wie folgt darstellen. Die Durchflußmessung erfolgt hier im Prinzip dadurch, daß die Zeit gemessen wird, in der sich ein bekanntes Volumen füllt. Dies kann diskontinuierlich geschehen (durch Füllung eines Behälters) oder kontinuierlich (durch einen Wasserzähler). Diskontinuierliche Verfahren sind nur für Kontrollmessungen, nicht aber für dauerhafte Messungen geeignet. Wasserzähler können hingegen nur bei geringer Feststoffbeladung in Druckleitungen verwendet werden. Daher ist die Einrichtung eines Dükers erforderlich. Die Genauigkeit ist dann allerdings relativ hoch.

Das Besondere der Durchflußmessung mit Verdünnungs- bzw. Tracerverfahren liegt in folgendem. Bei diesen Verfahren wird dem Abwasser stromaufwärts von der Meßstelle ein Zusatzstoff in konstanter Dosierung beigemischt. Vollständige Durchmischung vorausgesetzt, kann der Durchfluß über eine Konzentrationsmessung stromabwärts der Zuleitungsstelle realisiert werden. Dieses Verfahren ist jedoch nur schwierig zu handhaben und kaum für kontinuierliche Messungen geeignet. Vorteilhaft ist hingegen, daß der Querschnitt nicht verengt wird.

Schließlich ist zur Durchflußmessung über Geschwindigkeits- und Querschnittsmessung folgendes anzumerken. Die Durchflußmessung ist über die gleichzeitige Messung des Querschnittes und der mittleren Strömungsgeschwindigkeit möglich. Der durchströmte Querschnitt ergibt sich bei bekannter Rohrgeometrie unmittelbar aus dem Wasserstand. Als Meßverfahren kommen (laut DIN 19559) Schwimmer, Stechpegel, Druckmessungen, kapazitive Füllstandsmessungen und Ultraschallmessungen in Betracht. Darüber hinaus sind Impedanzverfahren sowie die Messung des Füllstandes aus dem Verhältnis der Elektrodenpotentiale eines Magnetisch-Induktiven Durchflußmessers (MID) bei zwei verschiedenen Magnetfeldern zu nennen. Die Verfahren, die den Querschnitt nicht verengen (kapazitiv, Ultraschall, Impedanz und MID) werden weiter unten diskutiert. Mechanische Meßverfahren wie Schwimmer oder Druckdosen sind verschmutzungsanfällig und können daher für dauerhaft wartungsarme Meßstellen nicht in Betracht gezogen werden.

Die Strömungsgeschwindigkeit kann punktweise mit Meßflügeln, Staudruckrohren oder Magnetisch-Induktiven Sonden gemessen werden, wobei die ersteren beiden Verfahren verschmutzungsanfällig sind. Außerdem müssen die Sensoren in die Strömung eingetaucht werden, was in vielen Fällen unerwünscht ist. Die Auswertung nur eines Punktes für die Bestimmung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit ist natürlich mit sehr großer Unsicherheit behaftet. Daher wird man in der Regel mit den genannten Sonden an mehreren Stellen messen (Netzmessung).

Eine von vornherein größere Meßgenauigkeit wird erzielt, indem das Meßprinzip eine linien- oder flächenhafte Wirkfunktion hat, so daß bereits bei der Messung eine Mittelung erfolgt. Einen linienhaften Meßeffekt haben die verschiedenen Ultraschallverfahren (Miführungs-, Doppler- und Korrelationsverfahren), die zwar für nachträglichen Einbau geeignet sind, aber in der Kanalisation durch Verschmutzung schnell in der Meßgenauigkeit nachlassen.

Magnetisch-Induktive Durchflußmesser haben eine flächenhafte (aber zunächst nicht homogene) Wirkfunktion. Eine sehr genaue Messung kann durch Installation des MID in einem Düker nach einer hinreichend langen Einlaufstrecke erzielt werden.

Der nachträgliche Einbau einer solchen Konstruktion ist aber extrem aufwendig. Verschiedentlich werden Gerinne-MID angeboten, die auch bei teilgefüllten Rohren eingesetzt werden können. Auch diese sind aber nicht für einen nachträglichen Einbau geeignet, sondern müssen nach Freilegung der Rohrleitung eingebaut werden. Wegen der ebenfalls nicht homogenen Wirkfunktion ist hier außerdem eine eingeschränkte Meßgenauigkeit bei Strömungsprofiländerungen zu erwarten.

Magnetisch-Induktive Durchflußmesser für vollgefüllte Druckleitungen sind bereits seit mehreren Jahrzehnten im industriellen Einsatz. Im Prinzip, zu dessen Erläuterung auf Fig. 1 verwiesen wird, besteht ein MID aus einem Magnetsystem, das ein (in der Regel inhomogenes) Magnetfeld senkrecht zur Strömung erzeugt, und einem Elektrodenpaar am Rohrrand, dessen Achse senkrecht zu Magnetfeld und Strömung angeordnet ist. Durch die aufgrund des Magnetfeldes B wirkende LorentzKraft werden die positiven und negativen Ladungsträger (Ionen) in der Flüssigkeit getrennt, so daß zwischen den (hell dargestellten) Elektroden eine Spannung abgegriffen werden kann.

Auch für teilgefüllte Leitungen sind verschiedene MID verfügbar (z. B. Fischer & Porter Parti-MAG). Diese Geräte sind, ebenso wie die meisten MID für Druckleitungen, in ihrer Meßgenauigkeit stark abhängig vom Strömungsprofil. Dies liegt daran, daß die Strömung durch verschiedene Flächenelemente des Rohrquerschnitts in unterschiedlichem Maße zum Meßsignal beiträgt, je nachdem, wo sich das Flächenelement in der Querschnittsebene befindet. Mathematisch wird dies durch eine inhomogene Sensorwirkfunktion ausgedrückt. Je stärker diese Funktion über den Rohrquerschnitt variiert, um so strömungsprofilempfindlicher ist der Sensor. Bei auf dem Markt befindlichen Sensoren wird daher die Installation unter Berücksichtigung von Einlauf- und Auslaufstrecken von mehr als dem Zehnfachen der Rohrnennweite verlangt. Besonders in Kanalisationsapplikationen ist dies wegen der dort in der Regel großen Nennweiten oft schwierig. Darüber hinaus gibt es aber gerade in der Kanalisation oft Strömungsprofiländerungen durch Ablagerungen, die nicht einmal durch korrekten Einbau verhindert werden können.

Aus der Veröffentlichung von B. Horner u. a., "A multi-sensor induction flow meter reducing errors due to non-axisymmetric flow profiles", in der GB-Z. Meas. Sci. Technol. 7 (1996), S. 354-360, ist ein magnetisch-induktiver Durchflußmesser mit mehreren Elektrodenpaaren und zusätzlicher Magnetfeldkomponente für kreisförmige Rohrquerschnitte bekannt, der auf tomographischem Prinzip beruht, wobei die Gewichte für die Addition der jeweils an den Elektroden der Elektrodenpaare anliegenden Spannungen für beliebige Strömungsprofile abgeleitet sind.

Mit der DE-OS 21 03 895 ist ein induktiver Strömungsmesser mit mehreren Elektrodenpaaren offenbart, für den angegeben ist, unter welchem Winkel die jeweiligen Elektroden anzuordnen sind und mit welchem Wichtungskoeffizienten die jeweilige Elektrodenspannung bei konkret vorliegenden Strömungsprofilklassen und Symmetrieeigenschaften des Magnetfeldes zu addieren sind.

Ferner ist in der EP 0 451 308 A1 eine Schaltungsanordnung für einen induktiven Durchflußmesser mit zwei Elektrodenpaaren für Voll- und Teilfüllung beschrieben. Dabei werden die Elektrodenspannungen eines Elektrodenpaares bei unterschiedlich betriebenen Elektromagneten gespeichert und mit empirischen Parametern in einer Korrektureinrichtung zu einem Durchflußmessignal verarbeitet, das im wesentlichen von Störungen des Strömungsprofils frei ist.

Auch die DE 28 14 853 A1 zeigt einen induktiven Durchflußmesser mit mehreren Elektrodenpaaren und Magneten, der insbesondere als Abflußmesser für offene Gerinne oder teilgefüllte Rohre vorgesehen ist, wobei die Stromstärke der Erregerströme von mindestens zwei Elektromagneten in Abhängigkeit des Flüssigkeitsstandes derart verändert wird, daß für jeden Flüssigkeitsstand an allen Stellen des Strömungsquerschnitts das Produkt aus magnetischer Feldstärke und Wertigkeit annähernd konstant ist.

Aus der EP 0 770 857 A2 ist ein elektromagnetischer Durchflußmesser, insbesondere für teilgefüllte Rohre bekannt, mit einer ringförmigen Erdungselektrode, wobei aufgrund eines Netzwerk-Modells die einzelnen Beiträge zum Meßsignal füllstandsabhängig bestimmt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur magnetisch-induktiven Durchflußmessung anzugeben, das für Meßaufgaben unterschiedlichster Art zu sehr genauen Meßergebnissen führt. Weiteres Ziel der Erfindung ist, eine Meßvorrichtung aufzufinden, die sich für die Ausführung des Meßverfahrens gut eignet.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe mit den Maßnahmen und Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 4 betreffen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Hinsichtlich der Vorrichtung ist erfindungsgemäß die Lösung entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 5 aufgefunden worden. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 6 bis 9 angegeben.

Der technische Erfolg der Erfindung liegt in besonderem Maße darin, daß gefunden wurde, daß es mit relativ einfachen Mitteln möglich ist, die Sensorwirkfunktion signifikant zu homogenisieren, indem die elektrischen Potentiale an einer größeren Anzahl von Elektroden gleichzeitig mit verschiedenen (füllstandsabhängigen) Gewichtungsfaktoren zur Messung herangezogen werden. Die Füllstandsmessung kann im Prinzip mit einem der bekannten Verfahren, vorteilhaft aber durch Auswertung der Elektrodenspannungen erfolgen.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, einen MID derart kompakt aufzubauen, daß er von innen nachträglich in die Rohrleitung eingesetzt werden kann, und diese kaum verengt, wenn er einen als für den portablen Einsatz flexibel vorgesehenen Ring aufgebauten Sensor umfaßt.

Ganz besonders hervortretende Besonderheit der sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung betreffenden Erfindung ist dabei der Einsatz einer Mehrzahl von Elektrodenpaaren.

Es wurde gefunden, daß die Sensorwirkfunktion durch den Einsatz von mehr als nur einem Elektrodenpaar und geeignet füllstandsabhängig gewichteter Addition der jeweils anliegenden Spannungen erheblich homogenisiert werden kann. Dadurch läßt sich in den meisten Fällen der Sensor in sehr kleinem Abstand von Störungen (z. B. Hausanschlüssen) installieren. Auch wird eine deutlich verringerte Empfindlichkeit gegenüber Ablagerungen erzielt.

Die Meßaufgabe läßt sich in zwei Teile, nämlich die Erfassung des Füllstandes und die Messung der Elektrodenspannungen, aufteilen. Aus den so gewonnenen Daten wird der Volumenstrom anhand eines semiempirischen Algorithmus ermittelt. Die resultierende Sensorwirkfunktion ist nahezu konstant, so daß nur sehr kleine Meßfehler aufgrund von Strömungsprofilasymmetrien auftreten.

Die Messung des Füllstandes kann verengungsfrei auf eine Reihe verschiedener Weisen erfolgen, z. B. kapazitiv, mittels Ultraschalllaufzeitmessung, über die Impedanz der Flüssigkeit oder direkt aus den Elektrodenspannungen.

Auf den ersten Blick erscheint das letztere Verfahren als das nächstliegende, weil die bereits vorhandenen Elektroden und die dazugehörenden Verstärker für die Füllstandsmessung herangezogen werden. Hierzu wird die Spannung zwischen einem Elektrodenpaar nacheinander bei zwei verschiedenen Magnetfeldern gemessen. Aus dem Quotienten dieser Spannungen kann unter Verwendung einer empirischen Kennlinie der Füllstand geschätzt werden. Diese Kennlinie ist jedoch nur für ein bestimmtes Strömungsprofil gültig. Daher treten bei Strömungsprofiländerungen aufgrund von Schiebern, Hausanschlüssen oder Ablagerungen Meßfehler auf. Die Profilabhängigkeit kann jedoch durch die Auswertung mehrerer (sinnvollerweise aller in Kontakt mit dem Fluid befindlichen) Elektrodenpaare stark reduziert werden. Allerdings macht die nötige Umschaltung der Magnetfelder die Elektronik aufwendiger.

Die Bestimmung der Füllhöhe aus Impedanzmessungen gestaltet sich problematisch. Da die spezifische Leitfähigkeit des in der Leitung befindlichen Fluids variieren kann, ist eine zuverlässige Messung nur durch Quotientenbildung der Impedanzen zwischen zwei benachbarten Elektrodenpaaren erreichbar. Dadurch muß mindestens das zweitunterste Elektrodenpaar noch in Kontakt mit dem Fluid sein, so daß bei sinnvollen Elektrodenabständen nur bei einer Füllhöhe von mindestens 15% der Nennweite eine Messung stattfinden kann.

Strömungsprofilunempfindliche Messungen lassen sich unter den gegebenen Randbedingungen über Ultraschallaufzeit- oder Kapazitätsmessungen durchführen. Wegen der Unempfindlichkeit gegen Ablagerungen und der einfacheren Sensorik und Elektronik erscheint die kapazitive Messung als das geeignetere Verfahren. Hierzu wird eine flache Elektrode um den gesamten Rohrumfang isoliert gegen die Flüssigkeit angebracht. Die Kapazität zwischen Fluid und Elektrode wird gemessen. Sie ist näherungsweise proportional zu dem Flächenanteil der Elektrode, der sich in Kontakt mit der Flüssigkeit befindet. Der Füllstand kann somit mit Hilfe einer Kapazitätsmessung bestimmt werden.

Die Messung der Spannung zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden ist zwar aufgrund ihres geringen Betrages von etwa einem Millivolt sowie des hohen Quellenwiderstandes des Sensors von mehreren hundert Kiloohm nicht trivial, mit Hilfe gängiger Operationsverstärker mit hochohmigem Eingang jedoch technisch gut beherrschbar. Da bei dem hier zugrundeliegenden Meßsystem mehrere Elektrodenpaare vorhanden sind, müssen auch Verstärkerkanäle in entsprechender Anzahl vorhanden sein. Nur die Impedanzwandlung und ggf. eine geringe Vorverstärkung wird direkt am Elektrodenort vorgenommen, um Störungen durch Einstreuung zu vermeiden. Weitere Verstärkerstufen können sich auch mehrere Meter vom Sensor entfernt befinden.

Die Erfassung der Spannungen erfolgt abhängig von der Magnetfeldanregung auf zwei unterschiedliche Arten. Im Falle eines geschalteten Gleichfeldes sind jeweils nach Erreichen der maximalen Feldstärke alle Spannungen gleichzeitig abzutasten (d. h. analog/digital zu wandeln). Wird das Magnetsystem mit einem sinusförmigen Strom gespeist, sind die Spannungen jeweils mit einer Spannung synchron zu demodulieren, die dem Spulenstrom proportional ist (entsprechend der Kreuzkorrelation zwischen Magnetfeld und Meßspannung). Anschließend wird mit Hilfe eines Tiefpasses der Gleichanteil der resultierenden Spannung isoliert. Die Magnetfeldansteuerung erfolgt in beiden Fällen mit einer Frequenz, die ein Bruchteil der Netzfrequenz ist, also z. B. 25 Hz, 16,67 Hz oder 12,5 Hz. Wird die Füllstandsmessung über die Elektrodensignale ausgeführt, sind die Spannungen bei zwei verschiedenen Magnetfeldern zu erfassen. Bei Verwendung des geschalteten Gleichfeldes werden die Felder einfach nacheinander eingestellt, und bei jedem Feldzustand alle Spannungen abgetastet. Bei sinusförmiger Feldanregung kann einerseits ebenso verfahren werden, daß nämlich nacheinander beide Magnetspulensysteme mit einem sinusförmigen Strom gespeist und die Spannungen abgetastet werden. Eleganter ist die gleichzeitige Speisung der Spulensysteme mit verschiedenen Sinusströmen, z. B. mit 25 Hz und 16,67 Hz. Durch Synchrondemodulation mit beiden Strömen können gleichzeitig die zu beiden Spulensystemen gehörenden Spannungen isoliert werden.

Um einen nachträglichen Einbau des Sensors in ein bestehendes Kanalisationsrohr zu ermöglichen, wird dieser in Form eines Ringes aufgebaut. Die Auftrag des Ringes auf die Rohrwand sollte so gering wie möglich sein, um des Rohrquerschnitt nicht unnötig einzuengen. Insbesondere bei kleineren Nennweiten sollte der Auftrag maximal zwei Zentimeter betragen, wenn möglich weniger. Der Ring kann entweder basierend auf einem festen Rahmen realisiert werden, wenn der Sensor fest in einer bestehenden Rohrleitung installiert werden soll, oder er kann flexibel gestaltet werden, so daß der Sensor portabel eingesetzt werden kann, auch wenn Ablagerungen etc. Abweichungen vom Sollquerschnitt der Rohrleitung hervorgerufen haben. Bei Leitungsneubauten kann der Sensor natürlich auch von vornherein in die Rohrleitung integriert werden. Dann findet überhaupt keine Querschnittsverengung statt. Übrigens ist dieses Verfahren nicht nur für kreisförmige Rohre, sondern für Rohre jedes beliebigen Querschnittes (Eiprofil, Maulprofil etc.) geeignet. Die optimalen Gewichtungsfaktoren müssen lediglich für jede Geometrie mit Hilfe eines Finite-Elemente-Programmes berechnet werden. In das Volumen des Ringes werden die zum Betrieb eines MID nötigen Komponenten integriert. Dies sind: Elektroden, Magnetspulen und -polschuhe, ggf. Elektrode zur kapazitiven Füllstandsmessung sowie Elektronik zur Vorverarbeitung der Elektrodenpotentiale sowie der gemessenen Kapazität. Lediglich die Leistungselektronik zum Treiben der Spulen, die Schaltung zur Endverarbeitung der Elektrodensignale sowie ein Mikroprozessor befinden sich außerhalb. Die Befestigung des Sensors an der Rohrwand erfolgt entweder durch Verspannen bei portablen Einrichtungen oder durch eine Permanentverbindung in Form von Schrauben oder Zement bei Festinstallationen.

Der Sensor setzt sich zusammen aus einem Meßaufnehmer, der in dem Kanalrohr installiert wird, und einem Meßumwandler, der sich teilweise lokal beim Meßaufnehmer und teilweise in einer gewissen Entfernung von diesem an einer für Menschen zugänglichen Stelle befindet. Der Meßaufnehmer besteht mindestens (unabhängig von der Realisierung des mechanischen Aufbaus als Gerät für Festeinbau, flexiblen Einbau oder Rohrleitungsneubau) aus einem Magnetspulensystem, einem Rückschluß aus ferromagnetischem Material, mindestens zwei Meßelektroden, einer Masseelektrode (die entweder außerhalb des Bereiches hoher magnetischer Feldstärke oder am Rohrrand auf der Magnetfeldhauptachse angebracht ist) sowie einer Füllstandsmeßeinrichtung. Diese letztere soll hier speziell kapazitiv ausgeführt sein, alternativ soll der Füllstand aus den MID-Signalen selbst gewonnen werden. Grundsätzlich kommen jedoch auch andere Verfahren (statischer Druck, Ultraschall etc.) in Betracht. Für Messungen hoher Genauigkeit ist eine Elektrodenanzahl von mehr als zwei, zuzüglich der Masseelektrode, erforderlich. Der Meßumwandler beinhaltet Verstärker und Filter zur Aufbereitung der Elektrodensignale, je nach Füllstandsmeßverfahren eine oder zwei Schaltungen zur Speisung der Magnetspulen mit sinusförmigem, rechteckförmigem oder anderem Wechselstrom, Analog-DigitalWandler und einen Mikroprozessor mit Speicher und Schnittstelle zum Benutzer.

In Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau eines solchen MID dargestellt. Die Größenverhältnisse sind durchaus realistisch für Leitungen kleinerer Nennweite (z. B. DN400). Offensichtlich findet bereits hier keine nennenswerte Querschnittsverengung statt. Bei größeren Nennweiten stellt sich das Problem in noch wesentlich geringerem Maße. Die unterste Elektrode ist dabei die Masse- bzw. Referenzelektrode, die auf das Bezugspotential des gesamten Meßsystems gelegt wird.

Die Kapazitätsfüllstandsmessung soll hier nicht weiter diskutiert werden; sie ist Stand der Technik. Es sei aber erwähnt, daß die Nichtlinearität dieses Meßverfahrens hier kein Problem darstellt, weil die Weiterverarbeitung der Signale mit einem Mikroprozessor die Möglichkeit bietet, Sensorkennlinien einfach zu kompensieren.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild der Elektronik für den Betrieb mit geschalteten Gleichfeld dargestellt. Der Aufbau der Elektronik für MID mit sinusförmiger Feldanregung ist ähnlich. Das Mikroprozessorsystem steuert über digitale Ausgänge direkt einen Verstärker zur Speisung der Spulen mit rechteckförmigen Strömen an. Das System kann bei ionenleitenden Fluiden wie Wasser aufgrund elektrochemischer Vorgänge an den Elektroden nicht mit Gleichstrom betrieben werden. Aufgrund des magnetischen Wechselfeldes liegt zwischen gegenüberliegenden Elektroden auf einem Höhenniveau eine Spannung, die sich aus einem zum Magnetfeld und der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Nutzanteil und einem Störanteil aus Netzeinstreuungen, elektrochemischen Spannungen und Rauschen zusammensetzt.

Der elektrochemische Anteil ist langsam veränderlich und magnetfeldunabhängig und kann daher durch Differenzbildung zwischen den Spannungen bei verschiedenen Magnetfeldpolungen eliminiert werden. Der netzfrequente Anteil wird durch netzsynchrone Abtastung der Spannungen unterdrückt. Unkorreliertes Rauschen wird schließlich durch Bandpaßfilterung und integrative AD-Wandlung auf ein akzeptables Maß reduziert. Aus dem kapazitiv gewonnenen Füllstandsmeßwert berechnet der Mikroprozessor einen Satz optimaler Gewichtungsfaktoren. Diese folgen aus Finite-Elemente-Simulationen, die bei der Konstruktion des Sensors durchgeführt werden. Die Spannungen aller jeweils auf einem Höhenniveau befindlichen Elektrodenpaare werden mit diesen Gewichtungsfaktoren multipliziert und aufaddiert. Der so gewonnene Wert ist näherungsweise proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit, unabhängig vom Strömungsprofil. Durch Multiplikation mit dem durchströmten Querschnitt, der ebenfalls aus dem Füllstand folgt, ergibt sich der gesuchte Durchfluß.

Der Aufbau eines MID mit Füllstandsmessung aus Elektrodenspannungen ähnelt weitgehend dem in den Abb. 2 und 3 dargestellten Sensor. Beim Meßaufnehmer (Abb. 2) wird die ringförmige, parallel zum magnetischen Rückschluß angebrachte Kapazitätselektrode weggelassen. Dafür muß der Meßumwandler in der Lage sein, das obere und das untere Magnetspulensystem separat und zeitlich sequentiell anzusteuern. Wiederum werden alle Elektrodenspannungen erfaßt, diesmal bei allen vier Feldzuständen (oben+, oben-, unten+, unten-). Der Füllstand ergibt sich aus dem Quotienten der Elektrodenspannungen bei stromdurchflossenem oberen Spulensystem und bei stromdurchflossenem unteren Spulensystem, sowie einer empirisch oder analytisch gewonnenen Kennlinie. Zur Bestimmung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit sind die zu beiden Spulensystemen gehörenden Elektrodenspannungen zu addieren. Wegen des linearen Meßeffektes entsprechen diese Summen den Elektrodenspannungen, die sich ergeben, wenn beide Spulensysteme stromdurchflossen sind. Die Weiterverarbeitung erfolgt dann wie in Abschnitt 3.1 beschrieben. Der Betrieb mit sinusförmigem Magnetfeld soll ebenfalls patentiert werden, auch wenn die technische Relevanz geringer ist. Bei stark feststoffbeladenem Abwasser kann in Einzelfällen die Messung mit sinusförmigem oder in anderer Weise kontinuierlich veränderlichem Strom bessere Ergebnisse liefern. Die Ansteuerung der beiden Spulen mit sinusförmigem Strom und Synchrondemodulation der Elektrodenspannungen ist ebenso wie das geschaltete Gleichfeld Stand der Technik und braucht daher nicht näher beschrieben zu werden. In diesem Fall sind allerdings zwei Magnetspulensysteme anzusteuern. Dies kann entweder dadurch erfolgen, daß die Einzelsysteme nacheinander mit einem sinusförmigen Strom angesteuert werden, oder daß beide Spulen mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. Die Trennung erfolgt dann durch Synchrondemodulation mit beiden Frequenzen.

Zum Schluß sei noch einmal hervorgehoben, daß der Kern der Erfindung in der nutzbringenden, systematischen Anwendung vieler Elektroden liegt.

Claims (9)

1. Verfahren zur magnetisch-induktiven Durchflußmessung in Kanalisationen, insbesondere in teilgefüllten Rohren, Gerinnen oder dergleichen, mittels einer als magnetisch-induktiver Durchflußmesser (MID) ausgebildeten Vorrichtung, bei welcher die Elektrodenspannungen des mit einer Mehrzahl von Elektrodenpaaren ausgebildeten Durchflußmessers gemessen werden, der Füllstand erfaßt wird und aus den so gewonnenen Daten der Volumenstrom anhand eines semiempirischen Algorithmus ermittelt wird, wobei zur Homogenisierung der die Strömungsempfindlichkeit des Durchflußmessers charakterisierenden und zur Datenauswertung herangezogenen Sensorwirkfunktion eine füllstandsabhängig gewichtete Addition der jeweils an den Elektroden der Elektrodenpaare anliegenden Spannungen vorgenommen wird, derart, daß die resultierende Sensorwirkfunktion nahezu konstant ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Erfassung des Füllstands direkt aus den Elektrodenspannungen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Spannung zwischen einem oder mehreren der Elektrodenpaare, insbesondere aller mit dem Fluid in Kontakt befindlicher Elektrodenpaare, nacheinander bei zwei verschiedenen Magnetfeldern gemessen und aus den Quotienten dieser Spannungen unter Verwendung einer empirischen Kennlinie der Füllstand geschätzt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Magnetsystem des magnetisch-induktiven Durchflußmessers mit einem sinusförmigen Strom gespeist wird und die Elektrodenspannungen jeweils mit einer zum Spulenstrom proportionalen Spannung synchron demoduliert werden, wobei sodann anschließend mit Hilfe eines Tiefpasses der Gleichanteil der resultierenden Spannung isoliert wird.

5. Magnetisch-induktiver Durchflußmesser, mit einer Mehrzahl von Elektrodenpaaren, Mitteln zum Messen der Elektrodenspannungen und zur Erfassung des Füllstands des Rohres, Gerinnes oder dergleichen, und mit weiteren Mitteln zur Ermittlung des Volumenstroms aus den gemessenen und erfaßten Daten anhand eines semiempirischen Algorithmus, wobei zur Homogenisierung der die Strömungsempfindlichkeit des Durchflußmessers charakterisierenden und zur Datenauswertung herangezogenen Sensorwirkfunktion eine füllstandsabhängig gewichtete Addition der jeweils an den Elektroden der Elektrodenpaare anliegenden Spannungen vornehmbar ist, derart, daß die resultierende Sensorwirkfunktion nahezu konstant ist.

6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, welcher einen in Form eines für den nachträglichen Einbau in ein bestehendes Kanalisationsrohr geeigneten Ringes aufgebauten Sensor umfaßt.

7. Durchflußmesser nach Anspruch 6, bei welchem der Ring für den portablen Einsatz und insbesondere zur Anpassung an durch Ablagerungen oder andere Beeinträchtigungen hervorgerufene Abweichungen vom Sollquerschnitt des Rohres beim Einbau von innen in das Rohr oder dergleichen biegsam ausgebildet ist.

8. Durchflußmesser nach Anspruch 5 oder 6 oder 7, bei dem in das Volumen des Ringes die zum Betrieb des magnetisch-induktiven Durchflußmessers nötigen Komponenten integriert sind, insbesondere die Mehrzahl der Elektrodenpaare, Magnetspulen und -polschuhe.

9. Durchflußmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, bei welchem der aus metallischem Werkstoff bestehende Ring zusätzlich zu seiner Funktion als Träger für Meßkomponenten auch die Funktion eines aktiven Teils des Meßsystems erfüllt, indem er zur magnetischen Rückführung für das Spulensystem zur Erzeugung des oder der Magnetfelder dient.