Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät. Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte werden zur Bestimmung der

Durchflussgeschwindigkeit und des Volumendurchflusses eines Mediums in einem Messrohr eingesetzt. Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät besteht aus einem Magnetsystem, das ein Magnetfeld senkrecht zur Flussrichtung des Mediums erzeugt. Dafür werden üblicherweise einzelne oder mehrere Spulen verwendet. Um ein überwiegend homogenes Magnetfeld zu realisieren, werden zusätzlich Polschuhe so geformt und angebracht, dass die Magnetfeldlinien über den gesamten Rohrquerschnitt im Wesentlichen senkrecht zur Messrohrachse verlaufen. Ein an die Mantelfläche des Messrohres angebrachtes Elektrodenpaar greift eine senkrecht zur Flussrichtung und zum Magnetfeld anliegende elektrische Spannung ab, die entsteht, wenn ein leitfähiges Medium bei angelegtem Magnetfeld in Flussrichtung fließt. Da die abgegriffene Spannung laut Faraday’schem Induktionsgesetz von der Geschwindigkeit des fließenden Mediums abhängt, kann aus der Spannung die Durchflussgeschwindigkeit u und, mit Hinzunahme eines bekannten Rohrquerschnitts, der Volumendurchfluss V ermittelt werden. Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte sind empfindlich gegenüber dem

Strömungsprofil des Mediums. Abhängig vom Rohrsystem und Messgerät können Messfehler von mehreren Prozent auftreten. Üblicherweise wird daher ein Geradrohr, dessen Länge mindestens das Fünf- bis Zehnfache der Nennweite des Messrohres entspricht, an die einlaufseitige Stirnfläche eingebaut. Es sind allerdings Anwendungen bekannt, in welchen dieser Mindestabstand, die sogenannte Einlaufstrecke, nicht eingehalten werden kann. Das ist zum Beispiel dann der Fall, wenn sich ein Rohrsystem auf engstem Raum befindet. Eine Lösung liefert die in DE 10 2014 1 13 408 A1 offenbarte Erfindung, bei der eine Verengung des Rohrdurchmessers zur Konditionierung des Flusses führt, wodurch der Einfluss des Strömungsprofils minimiert wird, so dass eine 0- DN Einlaufstrecke verwendet werden kann. Dieser Ausgestaltung nachteilig ist aber, dass zwar eine geringere Empfindlichkeit gegenüber rotationsunsymmetrischer

Strömungsprofile realisiert werden kann, dafür aber ein Druckverlust in Kauf genommen werden muss. Außerdem beschränkt sich diese Ausgestaltung auf Rohrsysteme mit DN<350.

Die Empfindlichkeit der Durchflussmessung gegenüber einem rotationsunsymmetrischen Strömungsprofil hängt von der Geometrie des Messrohres und der Elektroden ab. Daher müssen die Einflüsse der Rohr- und Elektrodengeometrie für die korrekte Beschreibung der geschwindigkeitsabhängigen Induktionsspannung berücksichtigt werden. Die beiden genannten Einflüsse werden mathematisch durch eine Gewichtsfunktion GF beschrieben. Der Einfluss der Geometrie auf den Durchfluss lässt sich am besten an folgendem Zusammenhang verdeutlichen:

U(x ) = J F(X') GF(x', x)dV

v

wobei für die Bestimmung der Spannung U(x), die Strömungsgeschwindigkeit v(x’) und die Gewichtsfunktion GF(x’ , x ) über das Volumen des Messrohres integriert werden.

Dabei wird die Gewichtsfunktion GF anhand GF{x’ , x) = B x VG(x', x), mit dem

Magnetfeld ß(x') und einer Greenschen Funktion G, die von den elektrischen

Randbedingungen gegeben wird, beschrieben. Das Ziel eines Optimierungsverfahrens ist es nun die Geometrie des Aufbaus dahingehend zu optimieren, dass im gesamten Strömungsprofil V x GF 0 gilt. Dies ist jedoch für ein Rohr mit einem einzelnen punktförmigen Elektrodenpaar nicht möglich. Einen möglichen Lösungsansatz liefert die Anpassung der Elektrodenform. Dies ist jedoch nicht praktisch und verursacht neue Schwierigkeiten. Ein weiterer Lösungsansatz besteht darin, mehrere Elektrodenpaaren zu verwenden.

So ist beispielsweise aus der CN 101294832 A ein magnetisch-induktives

Durchflussmessgerät bekannt, das zwei Elektrodenpaare aufweist, die

achsensymmetrisch in einem Rohrquerschnitt angeordnet sind, um somit den Einfluss des Strömungsprofils auf die Bestimmung des Volumendurchflusses zu minimieren. Die beiden durch die jeweiligen Elektrodenpaare definierten Elektrodenachsen spannen dabei in dem Querschnitt des Messrohres einen Winkel von ca. 40° auf.

Eine weitere Ausführung wird in DE 10 2015 1 13 390 A1 gezeigt, in der ein zweites und drittes Elektrodenpaar auf definierten Elektrodenachsen angeordnet sind, die um einen Winkelmaß von kleiner gleich ±45° gegenüber einer zum Magnetfeld senkrecht orientierten ersten Elektrodenachse arrangiert sind.

Die EP 0878694 A1 offenbart ebenfalls ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, das, ausgehend vom Stand der Technik, durch die Verwendung von zwei zusätzlichen Elektrodenpaaren, deren Elektrodenachsen jeweils einen Winkel von ca. 45° zu der

Elektrodenachse des herkömmlichen Elektrodenpaares zur Messrohrachse aufspannen, eine Verbesserung der Messgenauigkeit im Bereich von Messfehlern unter 1 % realisiert. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die an den Elektroden anliegenden Potentialdifferenzen einzeln erfasst und gewichtet werden.

Die WO 2017 025 314 A1 lehrt ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem ersten Elektrodenpaar in einer ersten Querschnittsebene. Zusätzlich zu dem ersten Elektrodenpaar ist das Durchflussmessgerät mit bis zu vier zusätzlichen Elektrodenpaaren versehen, die sich auf einer zweiten und einer dritten

Querschnittsebene verteilen, die jeweils von der ersten Querschnittsebene beabstandet sind. Mittels der zusätzlichen vor und nach der ersten Querschnittsebene erfassten Messspannungen, kann eine Aussage zu dem Strömungsprofil gemacht werden, was zu einer Reduzierung der Messabweichung vom tatsächlichen Durchfluss führt.

Diesen Ausgestaltungen nachteilig ist aber, dass zwar für kleine Durchmesser die Messgenauigkeit optimiert wird, diese aber bei handelsüblichen Messrohren mit großer Nennweite nicht die angestrebte Verringerung der Messfehler erreichen. Außerdem ist nachteilig, dass für jedes Elektrodenpaar ein Gewichtungsfaktor berücksichtigt werden muss, wobei nicht von vornherein klar ist, wie dieser in Abhängigkeit des Rohrsystems bzw. des rotationsunsymmetrischen Strömungsprofils gewählt werden muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bereitzustellen, welches die Einflüsse eines rotationsunsymmetrischen Strömungsprofils bei der Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit und des Volumendurchflusses minimiert.

Die Aufgabe wird gelöst durch das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät nach Anspruch 1.

Ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit u oder des Volumendurchflusses V eines Mediums, umfasst:

- ein Messrohr, zum Führen des Mediums in eine durch eine Messrohrachse definierte Längsrichtung,

wobei das Messrohr eine einlaufseitige Stirnfläche und eine auslaufseitige Stirnfläche aufweist, welche das Messrohr in Längsrichtung abgrenzen;

- mindestens eine magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines im

Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung stehenden Magnetfeldes im Medium, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung einen Polschuh oder eine Sattelspule umfasst,

wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung in einem Querschnitt des Messrohres das Messrohr in einem maximalen Mittelpunktswinkel ß umgreift,

- ein Elektrodensystem mit mindestens zwei Elektrodenpaaren, die dazu eingerichtet sind, eine senkrecht zum Magnetfeld und zur Längsrichtung induzierte Spannung im Medium zu erfassen,

wobei eine vertikale Messrohr-Längsebene das Messrohr in eine erste Seite und in eine zweite Seite einteilt,

wobei sich jeweils eine erste Elektrode des Elektrodenpaares auf der ersten Seite des Messrohres befindet, wobei sich jeweils eine zweite Elektrode des Elektrodenpaares auf der zweiten Seite befindet,

wobei ein erstes Elektrodenpaar in einer ersten senkrecht zur Messrohrachse liegenden Querschnittsebene angeordnet ist,

wobei ein zweites Elektrodenpaar in einer zweiten senkrecht zur Messrohrachse liegenden Querschnittsebene angeordnet ist,

wobei die erste Querschnittsebene zur zweiten Querschnittsebene beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet,

dass ein Mittelpunktswinkel a in einer Orthogonalprojektion der Querschnittsebenen einen minimalen Kreissektor aufspannt, in dem sich die auf jeweils einer Seite des Messrohres befindlichen und auf die Orthogonalprojektion projizierten Elektroden verteilen, und dass die Mittelpunktswinkel a und ß so aufeinander abgestimmt sind, dass das

Durchflussmessgerät in dem Maß unempfindlich gegenüber Abweichungen einer rotationssymmetrischen Strömung ist, dass das magnetisch-induktive

Durchflussmessgerät bei einer T estmessung einen Messfehler der

Durchflussgeschwindigkeit A _u = r ^1,a~ “ ^s und/oder einen Messfehler des

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Volumendurchflusses A kleiner 1 ,0%, insbesondere kleiner 0,5% und

bevorzugt kleiner 0,2% aufweist,

wobei eine Durchflussgeschwindigkeit u _va und/oder ein Volumendurchfluss V _va im Falle einer Strömung mit voll ausgebildeten Strömungsprofil bestimmt werden,

wobei eine Durchflussgeschwindigkeit u _s und/oder ein Volumendurchfluss V _s im Falle einer rotationsunsymmetrischen Strömung bestimmt werden.

Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, das unempfindlich gegenüber einem rotationsunsymmetrischen Strömungsprofil ist, bietet sich idealerweise für die

Überwachung von Rohrsystemen an, bei denen eine Einlaufstrecke, deren Länge ein Vielfaches der Nennweite des Messrohres entspricht, nicht realisiert werden kann.

Nach Störungen treten, abhängig vom Abstand und Art der Störung, durch ein nichtideales Strömungsprofil Messfehler auf, da ein magnetisch-induktives

Durchflussmessgerät normalerweise davon ausgeht und dahingehend optimiert worden ist, dass ein voll ausgebildetes rotationssymmetrisches Strömungsprofil vorliegt. Als voll ausgebildetes rotationssymmetrisches Strömungsprofil ist dabei das Strömungsprofil zu verstehen, dass sich in Strömungsrichtung nicht mehr ändert. Ein derartiges

Strömungsprofil bildet sich beispielsweise in einem Messrohr mit einer Einlaufstrecke, entsprechend der 30-fachen Messrohr-Nennweite, und einer Mediumsgeschwindigkeit von 2 m/s aus. Im Stand der Technik sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit mindestens zwei Elektrodenpaaren, die einen Mittelpunktswinkel g in einem Querschnitt des

Messrohres aufschlagen, bereits bekannt. Üblicherweise schlagen benachbarte

Elektroden einen Mittelpunktswinkel d mit festem Winkelwert von ca. 180 °/(N + 1) auf, wobei die natürliche Zahl N der Anzahl der Elektrodenpaare entspricht. Mit einer

Gewichtung der separat an den Elektroden anfallenden Potentialdifferenzen können so Messfehler von unter 1 % für rotationsunsymmetrische Strömungsprofile realisiert werden. Es hat sich als erstaunlich herausgestellt, dass der anfallende Messfehler aufgrund eines rotationsunsymmetrischen Strömungsprofils durch die Modifizierung der

Mittelpunktswinkel a und ß weiter deutlich reduziert werden kann, wobei der

Mittelpunktswinkel a nicht in einem Querschnitt im Messrohr aufgeschlagen ist, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, sondern in einer Orthogonalprojektion mehrerer einzelner Querschnittsebenen durch die dort projizierten Elektroden aufgeschlagen ist. Der Mittelpunktswinkel ß dient dabei als Kenngröße für die magnetfelderzeugende

Vorrichtung und gibt an inwieweit das Messrohr durch das das Magnetfeld in das Medium einkoppelnde Segment der magnetfelderzeugenden Vorrichtung in dem Querschnitt umgriffen wird. Während ein kleiner Winkel ß dafür sorgt, dass die Magnetfeldlinien ausschließlich im Zentrum des Messrohres gebündelt werden, wird durch die

Verwendung eines großen Mittelpunktswinkels ß ein annähernd über den gesamten

Querschnitt des Messrohres homogenes Magnetfeld realisiert. Der Mittelpunktswinkel ß ist dabei durch zwei Geraden gekennzeichnet, die sich im Mittelpunkt des Rohres treffen und die jeweils eines der beiden Enden des Polschuhs schneiden. Es sind magnetfelderzeugende Vorrichtungen bekannt, die ein Leitblech im Außenbereich und mindestens ein Abschirmelement zwischen einem Polschuh und dem Leitblech und/oder oberhalb des Leitblechs und des Elektromagneten umfassen. Diese Segmente erfüllen die Aufgabe Stör- oder Streufelder zu reduzieren und sind nicht für das

Einkoppeln des Magnetfeldes in das Medium verantwortlich.

Das Messrohr ist auf seiner das Medium berührenden Innenseite elektrisch isolierend ausgebildet, und zwar einerseits z.B. dadurch, dass das Messrohr selbst vollständig aus einem Isolierstoff, insb. aus gesinterter Keramik, bevorzugt aus Aluminiumoxid-Keramik, oder aus einem Kunststoff besteht. Andererseits kann das Messrohr auch dadurch realisiert sein, dass ein nicht-ferromagnetisches Metallrohr, insb. ein rostfreies Stahlrohr, innen mit einer Isolierschicht aus einem geeigneten Kunststoff, insb. aus Hartgummi, Weichgummi oder Polyfluorethylen, bevorzugt Polytetrafluorethylen, ausgekleidet ist. Die magnetfelderzeugende Vorrichtung ist außerhalb des Messrohres angeordnet und komplett anliegend, teilweise anliegend oder mit einem festen Abstand zum Messrohr befestigt. Es sind aber auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte bekannt, die im Liner bzw. in der Wandung vergossene magnetfelderzeugende Vorrichtungen aufweisen. Die Elektroden hingegen sind nicht zwingend eingebettet, sondern können auch nachträglich als Stiftelektroden eingesetzt werden. Allerdings sind in vielen Fällen Elektroden mit Elektrodenköpfen, z.B. sogenannte Pilzkopfelektroden, für den Einsatz in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät bevorzugt. Diese können vorteilhaft im Rahmen der vorliegenden Erfindung während der Fertigung bei Ausbildung des Materials der Wandung mitvergossen werden.

Das Messrohr ist auf seiner das Medium berührenden Innenseite elektrisch isolierend ausgebildet, und zwar einerseits z.B. dadurch, dass das Messrohr selbst vollständig aus einem Isolierstoff, insb. aus gesinterter Keramik, bevorzugt aus Aluminiumoxid-Keramik, oder aus einem Kunststoff besteht. Andererseits kann die Isolierung auch dadurch realisiert sein, dass ein nicht-ferromagnetisches Metallrohr, insb. ein rostfreies Stahlrohr, innen mit einer Isolierschicht aus einem geeigneten Kunststoff, insb. aus Hartgummi, Polyurethan, Weichgummi oder Polyfluorethylen, bevorzugt Polytetrafluorethylen, ausgekleidet ist.

Für die Ermittlung des Referenzwertes wird ein Durchflussmessgerät verwendet, das auf dem Coriolis-Prinzip basiert und eine Messgenauigkeit von 0,1 % aufweist. Dieses ist in einem Rohrsystem eingebaut und dient als Referenzsystem für das erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmessgerät.

Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer Ausgestaltung wird für die T estmessung eine rotationsunsymmetrische Strömung durch eine an die einlaufseitige Stirnfläche eingerichtete und mindestens eine Störquelle umfassende Störung erzeugt.

Die Testmessung kann viele verschiedene Störquellen beinhalten, die alle einen beliebigen Einbauwinkel annehmen können. Durch die Verwendung von ausreichend unterschiedlichen Störungen kann der Mittelpunktswinkel a und ß dahingehend optimiert werden, dass der Messfehler einer speziellen Störung einen Wert kleiner 0,05% und der maximale Messfehler einer beliebigen Störung einen Wert kleiner 0,5% annimmt.

Es hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung von zwei ausreichend

unterschiedlichen Störquellen, insbesondere einer Blende und eines 90°Rohrbogens, ein bereits ausreichend gutes Mittelpunktswinkelpaar a und ß für ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ermittelt wird, das für eine beliebig andersartige Störung einen maximalen Messfehler von 0,5% aufweist. Durch Einbeziehen weiterer Störquellen in die Testmessung ändern sich die optimierten Parameter nur marginal, wodurch sich der resultierende Messfehler nur geringfügig ändert.

Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Störquelle eine Blende oder einen

90°Rohrbogen,

wobei durch die Blende 10% des Querschnitts des Messrohres abgedeckt wird, wobei die Blende eine Kreissehne aufweist, welche die Blende zum Rohr hin begrenzt, wobei die Blende eine erste Blendenorientierung oder eine zweite Blendenorientierung annimmt,

wobei bei der ersten Blendenorientierung die Kreissehne senkrecht zum Magnetfeld orientiert ist und bei der zweiten Blendenorientierung die Kreissehne parallel zum Magnetfeld orientiert ist,

wobei der 90°Rohrbogen eine erste Rohrbogenorientierung oder eine zweite

Rohrbogenorientierung annimmt,

wobei sich die erste Rohrbogenorientierung durch eine senkrecht zum Magnetfeld und zur Längsrichtung des Messrohres verlaufende Rohrachse auszeichnet und die zweite Rohrbogenorientierung durch eine parallel zum Magnetfeld und senkrecht zur

Längsrichtung des Messrohres verlaufende Rohrachse auszeichnet.

Gemäß einer Ausgestaltung ist die Störung mit Abstand 0-DN zur einlaufseitigen Stirnfläche eingerichtet. Gemäß einer Ausgestaltung ist eine Unempfindlichkeit gegenüber einem

rotationsunsymmetrischen Strömungsprofil bei einer Reynoldszahl des Mediums im Messrohr größer gleich 100.000, insbesondere größer gleich 50.000 und bevorzugt größer gleich 10.000 gegeben. Gemäß einer Ausgestaltung weist das Durchflussmessgerät drei Elektrodenpaare auf.

Gemäß einer Ausgestaltung ist das dritte Elektrodenpaar in einer senkrecht zur Messrohrachse liegenden dritten Querschnittsebene angeordnet. Gemäß einer Ausgestaltung weist die zweite und die dritte Querschnittsebene einen gleichen Abstand zur ersten Querschnittsebene auf.

Gemäß einer Ausgestaltung ist das dritte Elektrodenpaar in der ersten oder zweiten Querschnittsebene angeordnet. Gemäß einer Ausgestaltung sind mindestens zwei Elektroden, insbesondere alle auf jeweils einer Seite des Messrohres bezüglich der vertikalen Messrohr-Längsebene befindlichen Elektroden kurzgeschlossen. Der technische Erfolg dieser Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass gefunden wurde, dass durch das Anpassen der Winkel a und ß auf eine Abtastung der einzelnen Potentialdifferenzen mit Hinzunahme von empirisch bestimmte Gewichtungsfaktoren verzichtet werden kann und die anliegende Spannung über alle Elektroden im Falle einer Störung weniger als 0,5% von einem anhand eines voll ausgebildeten Strömungsprofils ermittelten Messwertes abweicht. Eine Gewichtung der einzelnen Spannungswerte ist somit nicht notwendig, wodurch die Auswerteeinheit zur Bestimmung der anliegenden Spannung und der daraus resultierenden Strömungsgeschwindigkeit deutlich vereinfacht werden kann. Es reicht nunmehr den gemessenen Spannungswert mittels einer

Kalibration in eine Strömungsgeschwindigkeit oder einen Volumendurchfluss

umzuwandeln.

Die Elektroden werden insbesondere durch Kabel miteinander kurzgeschlossen und bevorzugt durch ein leitfähiges Blechteil. Das bietet eine einfache und stabile Montage und liefert zusätzlich eine kostengünstige Alternative zu bekannten Lösungen. Die Elektroden sind mit einer Regel- und Auswerteeinheit verbunden, die anhand der in den Elektroden induzierten Spannung Informationen über die Durchflussgeschwindigkeit und den Volumendurchfluss im Messrohr liefert.

Gemäß einer Ausgestaltung gilt für den Mittelpunktswinkel a, dass 30° < a < 60° ist und insbesondere, dass 40° < a < 50° ist.

Gemäß einer Ausgestaltung gilt für den Mittelpunktswinkel ß, dass 50° < ß < 90° ist und insbesondere, dass 70° < ß < 80° ist. Gemäß einer Ausgestaltung sind die Elektroden achsensymmetrisch zur vertikalen Messrohr-Längsebene angeordnet.

Gemäß einer Ausgestaltung spannen jeweils zwei auf einer Seite des Messrohres (1) und in der Orthogonalprojektion der Querschnittsebenen benachbarten Elektroden einen Mittelpunktswinkel d = a/(N - 1) auf, wobei eine natürliche Zahl N der Anzahl der Elektrodenpaare entspricht.

Das Abstimmen der Mittelpunktswinkel a und ß wird mit einem Simulationsprogramm oder anhand eines Testaufbaus durchgeführt. Eine Testumgebung wird definiert oder aufgebaut und die Mittelpunkswinkel des Durchflussmessgerätes werden solange angepasst bis der Messfehler für die eingestellten Testumgebungen minimal ist.

Gemäß einer Ausgestaltung wird für die Testmessung eine rotationsunsymmetrische Strömung durch eine an die einlaufseitige Stirnfläche eingerichtete und mindestens eine Störquelle umfassende Störung erzeugt.

Die Testmessung kann auch zur Abstimmung der optimalen Mittelpunktswinkel a und ß dienen und wird dann im Voraus durchgeführt, so dass unter Berücksichtigung des optimierten Mittelpunktswinkelpaares a und ß ein strömungsprofilunabhängiges magnetisch-induktives Durchflussmessgerät realisiert wird.

Die Testmessung kann viele verschiedene Störquellen beinhalten, die allesamt einen beliebigen Einbauwinkel annehmen können. Durch die Verwendung von ausreichend unterschiedlicher Störungen können die Mittelpunktswinkel a und ß dahingehend optimiert werden, dass der Messfehler einer speziellen Störung einen Wert kleiner 0,05% und der maximale Messfehler einer beliebigen Störung einen Wert kleiner 0,5% annimmt.

Es hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung von zwei ausreichend

unterschiedlichen Störquellen, insbesondere einer Blende und eines 90°Rohrbogens, ein bereits ausreichend gutes Mittelpunktswinkelpaar a und ß für ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ermittelt werden kann, so dass eine beliebig andersartige Störung zu einem maximalen Messfehler von 0,5% führt. Durch Einbeziehen weiterer Störquellen in die Testmessung ändern sich die optimierten Parameter nur marginal, wodurch sich der resultierende Messfehler nur geringfügig ändert.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : einen Querschnitt eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes nach dem Stand der Technik;

Fig. 2: eine Orthogonalprojektion einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes mit zwei Elektrodenpaaren;

Fig. 3: eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes mit drei Elektrodenpaaren und einer Orthogonalprojektion;

Fig. 4: eine Längsansicht einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes; und Fig. 5: eine Darstellung zweier Blenden und zweier Rohrbogenorientierungen, für die Testmessungen zur Ermittlung des Messfehlers.

Die Fig. 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes. Der Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes sind grundsätzlich bekannt. Durch ein Messrohr (1 ) wird ein Medium geleitet, das eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Eine magnetfelderzeugende Vorrichtung (7) ist so angebracht, dass sich die Magnetfeldlinien senkrecht zu einer durch die Messrohrachse definierten Längsrichtung orientieren. Als magnetfelderzeugende Vorrichtung (7) eignet sich vorzugsweise eine Sattelspule oder ein Polschuh mit aufgesetzter Spule und Spulenkern. Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr (1) eine durchflussabhängige Potentialverteilung, die mit zwei an der Innenwand des Messrohres (1) angebrachten Elektroden (3, 4) abgegriffen wird. In der Regel sind diese diametral angeordnet und bilden eine Elektrodenachse, die senkrecht zu den

Magnetfeldlinien und der Längsachse des Rohres verläuft. Anhand der gemessenen Messspannung kann, unter Berücksichtigung der magnetischen Flussdichte, die

Durchflussgeschwindigkeit und, unter Berücksichtigung der Rohrquerschnittsfläche, der Volumendurchfluss des Mediums bestimmt werden. Um das Ableiten der an der ersten und zweiten Elektroden (3, 4) anliegenden Messspannung über das Rohr (8) zu verhindern, wird die Innenwand mit einem isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff-Liner (2) ausgekleidet. Das durch eine magnetfelderzeugende Vorrichtung, beispielsweise einen Elektromagneten, aufgebaute Magnetfeld wird durch einen mittels einer Betriebseinheit getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch elektrochemische Störungen. Eine Messeinheit liest die an den

Elektroden (3, 4) anliegende Spannung aus und gibt die Durchflussgeschwindigkeit und/oder den mittels einer Auswerteeinheit errechneten Volumendurchfluss des Mediums aus. Handelsübliche magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte weisen zusätzlich zu den Elektroden (3, 4) zwei weitere Elektroden (5, 6) auf. Zum einen dient eine optimalerweise am höchsten Punkt im Rohr (8) angebrachte

Füllstandsüberwachungselektrode (5) dazu, eine Teilbefüllung des Messrohres (1) zu detektieren, diese Information an den Nutzer weiterzuleiten und/oder den Füllstand bei der Ermittlung des Volumendurchflusses zu berücksichtigen. Desweiteren dient eine Bezugselektrode (6), die üblicherweise diametral zur Füllstandsüberwachungselektrode (5) angebracht ist, dazu eine ausreichende Erdung des Mediums zu gewährleisten.

Fig. 2 zeigt eine Orthogonalprojektion (36) einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes. Durch ein Messrohr wird ein Medium geleitet, das eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Eine magnetfelderzeugende

Vorrichtung ist so angebracht, dass sich die Magnetfeldlinien senkrecht zu einer durch die Messrohrachse definierten Längsrichtung orientieren. Als magnetfelderzeugende Vorrichtung eignet sich vorzugsweise eine Sattelspule oder wie in der Fig. 2 dargestellt eine Projektion eines Polschuhes (14). Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr eine Potentialverteilung, die mit zwei an der Innenwand des Messrohres angebrachten Elektroden (18,19) mindestens zweier Elektrodenpaare abgegriffen werden kann. In der Regel sind diese ein Elektrodenpaar bildende Elektroden diametral angeordnet und bilden eine Elektrodenachse bzw. einer Abzissenachse (13), die im Wesentlich senkrecht zur vertikalen Messrohr-Längsebene (12) und der Längsrichtung verläuft. Anhand der gemessenen Spannung kann, unter Berücksichtigung der magnetischen Flussdichte, die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums u und, unter Berücksichtigung der

Rohrquerschnittsfläche, der Volumendurchfluss V bestimmt werden. Um das Ableiten der an den Elektroden anliegenden Spannung über die Rohrleitung zu verhindern, wird die Innenwand mit einem isolierenden Material verkleidet. Das durch beispielsweise einen Elektromagneten aufgebaute Magnetfeld wird durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Erfindungsgemäß werden mindestens zwei Elektrodenpaare für die Bestimmung des Volumendurchflusses V verwendet. In der schematischen Darstellung Fig. 2, wird beispielhaft eine Orthogonalprojektion eines magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit drei Elektrodenpaaren abgebildet. Neben dem Elektroden zum Abgreifen einer Potentialdifferenz werden oftmals zusätzliche Elektroden in Form von Messstoffüberwachungs- oder Erdungselektroden in das

Messrohr eingebaut, die dazu dienen, ein elektrisches Referenzpotential zu messen oder teilgefüllte Messrohre zu erkennen oder die Temperatur des Mediums mittels

eingebautem Temperaturfühler zu erfassen. Diese werden in der schematischen

Darstellung nicht berücksichtigt. Es liegt jeweils eine erste Elektrode (18) des

Elektrodenpaares auf der ersten Seite (I) des Messrohres und eine zweite Elektrode (19) des Elektrodenpaares auf der zweiten Seite (II). Die außenliegenden Elektroden einer Seite spannen in der Orthogonalprojektion (36) einen Mittelpunktswinkel a auf. Die weiteren Elektroden verteilen sich innerhalb des aufgeschlagenen Kreissegments, bevorzugt an der Innenwand des Messrohres.

Die magnetfelderzeugende Vorrichtung ist üblicherweise so konzipiert, dass sich die Magnetfeldlinien möglichst homogen über einen Querschnitt des Messrohres verteilen. Dadurch können besonders für voll ausgebildete Strömungsprofile Messfehler von unter 0,2% erreicht werden. Bei einem rotationsunsymmetrischen Strömungsprofil kann sich ein homogenes Magnetfeld nachteilig auf die Messgenauigkeit auswirken. Dieses Problem kann erfinderisch durch das Anpassen der magnetfelderzeugenden Vorrichtung gelöst werden, insbesondere durch das Anpassen des Mittelpunktswinkels ß. Durch die Variation des Mittelpunktswinkels ß, der beschreibt in wieweit ein an das Messrohr angebrachtes Segment der magnetfelderzeugenden Vorrichtung das Messrohr umgreift, erhält man einen weiteren Freiheitsgrad für die Reduzierung des Messfehlers. Ein das Magnetfeld in das Medium einkoppelndes Segment kann einen Polschuh (14) umfassen, der zwei an eine ebene Fläche angrenzende Schenkel oder auch zwei an seiner ebenen Fläche angebrachte Kreisbögen aufweist. Alternativ kann ein Polschuh (14) auch die Form eines Kreisbogens annehmen. Im Allgemeinen kann ein das

Magnetfeld in das Medium einkoppelndes Segment eine beliebige Kontur, bestehend aus mindestens einem weiteren Teilsegment, annehmen. Für die Ermittlung des maximalen Mittelpunktswinkels ß werden die Teilsegmente berücksichtigt, die im Wesentlichen dafür verantwortlich sind, das Magnetfeld in das Medium einzukoppeln.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Orthogonalprojektion befindet sich die Elektroden in direktem Kontakt mit dem Medium; die Kopplung kann jedoch, wie oben erwähnt, auch kapazitiv erfolgen.

Die Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messrohres (1) mit drei Elektrodenpaaren und eine Orthogonalprojektion (36). Ein erstes

Elektrodenpaar (15) ist in einer ersten Querschnittsebene (37) angeordnet. Dabei ist das erste Elektrodenpaar (15) diametral angeordnet, wie es bei magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten nach dem Stand der Technik bekannt ist. Ein zweites

Elektrodenpaar (16) ist in einer zweiten Querschnittsebene (38) angeordnet, die zwischen der einlaufseitigen Stirnfläche (10) des Messrohres und der ersten Querschnittsebene (37) angeordnet ist. Ein drittes Elektrodenpaar (17) ist in einer dritten Querschnittsebene (39) angeordnet, die sich zwischen der auslaufseitigen Stirnfläche (1 1) des Messrohres und der ersten Querschnittsebene (37) befindet. Die Querschnittsebenen sind jeweils beabstandet. Das zweite und das dritte Elektrodenpaar (16, 17) sind in dieser

Ausgestaltung nicht diametral angeordnet. Stattdessen liegen die beiden Elektrodenpaare (16, 17) jeweils auf einer Elektrodenachse, die parallel zur Elektrodenachse des ersten Elektrodenpaares (15) verläuft. Auf der Orthogonalprojektion (36) bilden die

außenliegenden Elektroden einer Seite mit dem Mittelpunkt des Messrohres einen Mittelpunktswinkel a. Des Weiteren zeigt die Fig. 3 einen Polschuh (14), der einen Querschnitt aufweist, welcher mit auf die Orthogonalprojektion (36) projiziert ist. Die Projektion des Polschuhs (14) ist durch einen Mittelpunktswinkel ß charakterisiert.

Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät umfasst eine einlaufseitige Stirnfläche (10) und eine auslaufseitige Stirnfläche (1 1). Ein an die einlaufseitige Stirnfläche (10) montierter 90°Rohrbogen oder eine Blende wirken sich auf das Strömungsprofil des Mediums aus, so dass im Messrohr (1 ) ein rotationsunsymmetrisches Strömungsprofil herrscht. Die Messfehler der Durchflussgeschwindigkeit u bzw. des Volumendurchflusses V sind A _u = \ ^u ™ ^~us \ bzw. A _y = I H wobei die Durchflussgeschwindigkeit u _va und der

I I I V I

Volumendurchfluss V _va im Falle einer Strömung mit voll ausgebildeten Strömungsprofil bestimmt werden, und die Durchflussgeschwindigkeit u _s und der Volumendurchfluss V _s im Falle eines rotationsunsymmetrischen Strömungsprofils bestimmt werden. Dabei ist der reale Volumendurchfluss V _real in beiden Fällen identisch und im Falle des voll ausgebildeten Strömungsprofils optimalerweise gleich dem gemessenen

Volumendurchfluss V _va .

In der Fig. 4 ist die Längsansicht einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Durchflussmessgerätes abgebildet. Es weist eine erste und eine zweite

Querschnittsebene (37, 38) auf, in denen jeweils zwei Elektrodenpaare angebracht sind. Die Elektrodenpaare liegen jeweils auf einer Elektrodenachse, welche parallel zueinander verlaufen. In einer Orthogonalprojektion (nicht dargestellt) der zwei Querschnittsebenen liegen immer eine Elektrode der ersten Querschnittsebene (37) und eine Elektrode der zweiten Querschnittsebene (38) übereinander. Eine derartige Elektrodenanordnung wird auch beansprucht. Des Weiteren ist eine magnetfelderzeugende Vorrichtung (7) und eine schematische Magnetfeldverteilung (44) im Längschnitt abgebildet. In diesem Fall ist die Magnetfeldverteilung (44) gaußförmig dargestellt. Die zwei Querschnittsebenen (37, 38) sind so in angeordnet, dass das die Magnetfeldstärke in der jeweiligen Querschnittsebene mindestens die Hälfte und bevorzugt mindestens % der im Längsquerschnitt maximalen Magnetfeldstärke aufweist.

Die Fig. 5 zeigt Blenden (B) mit unterschiedlichen Blendenorientierungen (B1 , B2) und 90°Rohrbögen (90°R) im eingebauten Zustand und mit unterschiedlichen

Rohrbogenorientierungen (R1 , R2). Diese Bauteile dienen in Testmessungen bzw.

Simulationen als Störungsursache. In den Simulationen bildet ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit mindestens zwei Elektrodenpaaren die Grundlage für

Berechnung der optimalen Parameter. Die Fläche der Elektroden ist größer als punktförmig, jedoch endlich groß. Die Optimierung der Mittelpunktswinkel a und ß läuft in folgenden Schritten ab:

Im ersten Schritt werden die Mittelpunktswinkel a und ß so angepasst, dass der

Messfehler der Durchflussgeschwindigkeit in Testmessungen mit einer einzelnen Störung minimal wird. Dabei wird die Störung durch eine Blende (B) oder einen 90°Rohrbogen (90°R) generiert.

Die Blende (B) deckt dabei 10% des Rohrquerschnitts ab und weist eine Kreissehne auf, welche die Blende zum Rohr hin begrenzt. Sie nimmt eine erste Blendenorientierung (B1) oder eine zweite Blendenorientierung (B2) an, die insbesondere um 90° zueinander verdreht sind. Dabei ist die Kreissehne bei der ersten Blendenorientierung (B1 ) senkrecht zum Magnetfeld und bei der zweiten Blendenorientierung (B2) parallel zum Magnetfeld orientiert. Die erste Blendenorientierung (B1) und die zweite Blendenorientierung (B2) einer Blende (B) ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Das schwarz gefüllte Kreissegment stellt dabei die Fläche dar, die einen Teil der Querschnittsfläche des Messrohres blockiert. In der Testmessung ist die Blende (B) mit einem Abstand von 0-DN zur einlaufseitigen Stirnfläche angebracht. Alternativ wird ein 90°Rohrbogen (90°R) eingangs zur einlaufseitigen Stirnfläche in einem Abstand von 0-DN angebracht, wobei der

90°Rohrbogen (90°R) eine erste Rohrbogenorientierung (R1) oder eine zweite

Rohrbogenorientierung (R2) annimmt, die insbesondere um 90° zueinander verdreht sind. Die erste Rohrbogenorientierung (R1 ) und die zweite Rohrbogenorientierung (R2) eines 90°Rohrbogens (90°R) ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Bei der ersten

Rohrbogenorientierung (R1 ) verläuft die Rohrachse (42) parallel zur Abszissenachse (41) des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes (43). Die Anpassung der

Mittelpunktswinkel a und ß wird vorzugsweise für die beiden Störungen mit beiden Orientierungen durchgeführt.

Im zweiten Schritt wird das Mittelpunktswinkelpaar bestimmt, dessen maximaler

Messfehler für alle durchgeführten Testmessungen minimal ist.

Bezugszeichenliste

1 Messrohr

2 Liner

3 erste Elektrode

4 zweite Elektrode

5 Füllstandsüberwachungselektrode

6 Bezugselektrode

7 magnetfelderzeugende Vorrichtung

8 Rohr

9 Mess-, Betriebs- und/oder Auswerteeinheit

10 einlaufseitige Stirnfläche

1 1 auslaufseitige Stirnfläche

12 vertikale Messrohr-Längsebene

13 Abzissenachse

14 Polschuh

15 erstes Elektrodenpaar

16 zweites Elektrodenpaar

17 drittes Elektrodenpaar

18 erste Elektrode eines Elektrodenpaares

19 zweite Elektrode eines Elektrodenpaares

36 Orthogonalprojektion

37 erste Querschnittsebene

38 zweite Querschnittsebene

39 dritte Querschnittsebene

40 vertikale Messrohr-Längsebene

41 Abzissenachse

42 Rohrachse

43 magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 44 Magnetfeldverteilung