Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer magnetisch-induktiven Durchflussmessvorrichtung, ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät und eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde.

Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen werden zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit und des Volumendurchflusses eines fließenden Mediums in einer Rohrleitung eingesetzt. Dabei werden inline magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte von magnetisch-induktiven Durchflussmesssonden unterschieden, die in eine seitliche Öffnung einer Rohrleitung eingesetzt werden. Ein magnetischinduktives Durchflussmessgerät weist eine magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes auf. Eine Hauptachse des Magnetfeldes verläuft dabei im Wesentlichen senkrecht zur Flussrichtung des fließenden Mediums. Dafür werden üblicherweise Sattel- oder Zylinderspulen verwendet. Um ein überwiegend homogenes Magnetfeld zu realisieren, werden zusätzlich Polschuhe so geformt und relativ zur Strömungsrichtung angebracht, dass die Magnetfeldlinien über den gesamten Rohrquerschnitt im Wesentlichen senkrecht zur Querachse bzw. parallel zur Vertikalachse des Messrohres verlaufen. Zudem weist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ein Messrohr zum Führen des Mediums auf, auf dessen äußeren Mantelfläche die magnetfelderzeugende Vorrichtung angeordnet ist. Ein an die Mantelfläche des Messrohres angebrachtes Messelektrodenpaar greift eine senkrecht zur Flussrichtung und zum Magnetfeld anliegende elektrische Messspannung bzw. Potenzialdifferenz ab, die entsteht, wenn ein leitfähiges Medium bei angelegtem Magnetfeld in Flussrichtung fließt. Da die abgegriffene Messspannung laut Faraday’schem Induktionsgesetz von der Geschwindigkeit des fließenden Mediums abhängt, kann aus der gemessenen induzierten Messspannung die Durchflussgeschwindigkeit und/oder - mit Hinzunahme eines bekannten Rohrquerschnitts - der Volumendurchfluss ermittelt werden.

Im Gegensatz zu einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät, welches ein Messrohr zum Führen des Mediums mit angebrachter Vorrichtung zum Erzeugen eines das Messrohr durchdringenden Magnetfeldes und Messelektroden umfasst, werden magnetisch-induktive Durchflussmesssonden mit ihrem üblicherweise kreiszylindrischen Gehäuse in eine seitliche Öffnung einer Rohrleitung eingeführt und fluiddicht fixiert. Ein spezielles Messrohr ist nicht mehr notwendig. Die eingangs erwähnte Messelektrodenanordnung und Spulenanordnung auf der Mantelfläche des Messrohrs entfällt, und wird durch ein im Inneren des Gehäuses und in unmittelbarer Nähe zu den Messelektroden angeordnete Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes ersetzt, welche so ausgestaltet ist, dass eine Symmetrieachse der Magnetfeldlinien des erzeugten Magnetfeldes die Frontfläche bzw. die Fläche zwischen den Messelektroden senkrecht schneidet. Im Stand der Technik gibt es bereits eine Vielzahl an unterschiedlichen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonden.

Magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen finden vielfach Anwendung in der Prozess- und Automatisierungstechnik für Fluide ab einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 5 pS/cm. Entsprechende Durchflussmessvorrichtungen werden von der Anmelderin in unterschiedlichsten Ausführungsformen für verschiedene Anwendungsbereiche beispielsweise unter der Bezeichnung PROMAG oder MAGPHANT vertrieben.

Die WO 2020/001876 A1 offenbart ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines magnetischinduktiven Durchflussmessgerätes, bei dem vor dem Beginn der Messphase - in der die Betriebsspannung mit einer erste Frequenz alterniert - mit einer höheren zweiten Frequenz zwischen +U _shot gewechselt wird. Das führt dazu, dass die magnetfelderzeugende Vorrichtung schneller warm wird und somit die Einschwingzeit reduziert wird, die abgewartet werden muss, bis das Magnetfeld stabil ist. Die WO 2020/001876 A1 adressiert jedoch nicht, wie der Nullpunkt während der Messphase stabilisiert werden kann.

Es ist aus der JP 2002-310751 A ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bekannt, welches mit einem Zwei-Frequenz Betriebssignal betrieben wird. Das heißt in dem Fall, dass während der Messphase der Erregerstrom mit einer ersten Frequenz die Stromrichtung ändert und gleichzeitig mit einer zweiten Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz, zwischen einem maximalen Erregerstrom und keinem Erregerstrom alterniert. Vorteilhaft an einem derartigen Betriebssignal ist die Stabilisierung des Nullpunktes. Nachteilig daran ist, dass Zeitabschnitte vorgesehen sind, in denen kein Magnetfeld erzeugt wird bzw. ein Remanenzfeld vorliegt, welches typischerweise nur wenige Prozent vom nominalen Magnetfeld aufweist. Das führt zum einen dazu, dass keine induzierte Spannung an den Messelektroden und somit auch keine Strömungsgeschwindigkeitsabhänge Prozessgröße in diesen Zeitabschnitten messbar ist und zum anderen die Amplitude des Messsignales zeitweise sehr gering ist. Dies führt bei Anwendungen mit sehr hohen Durchflussänderungen zu erhöhten Messfehlern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde dem Problem Abhilfe zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 , das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät nach Anspruch 14 und die magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach Anspruch 15.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer magnetisch-induktiven Durchflussmessvorrichtung zum Bestimmen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums, welches eine magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes und eine Vorrichtung zum Erfassen einer induzierten Messspannung im Medium umfasst, umfassend die Verfahrensschritte:

- Aufprägen eines Betriebssignales an die magnetfelderzeugende Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes, wobei das Betriebssignal einen ersten Zeitabschnitt aufweist, wobei der erste Zeitabschnitt mindestens einen ersten Zeitteilabschnitt und einen zweiten Zeitteilabschnitt umfasst, wobei im ersten Zeitteilabschnitt ein Signalwert S _+J jeweils für eine Zeitdauer aufgeprägt wird, wobei im zweiten Zeitteilabschnitt ein Signalwert S_ _:I für eine Zeitdauer t _2;/ aufgeprägt wird, wobei die Zeitdauer größer ist als die Zeitdauer t _2J , wobei sich eine Magnetfeld-Polarität während der Zeitdauer von der

Magnetfeld-Polarität während der Zeitdauer t ₂ ,/ unterscheidet, wobei das Betriebssignal einen zweiten Zeitabschnitt aufweist, welcher, insbesondere direkt, auf den ersten Zeitabschnitt folgt, wobei der zweite Zeitabschnitt zumindest einen dritten Zeitteilabschnitt und einen vierten Zeitteilabschnitt umfasst, wobei im dritten Zeitteilabschnitt ein Signalwert S _+JI für eine Zeitdauer t _{i n} aufgeprägt wird, wobei im vierten Zeitteilabschnitt ein Signalwert S_ _n für eine Zeitdauer t _{2 //} aufgeprägt wird, wobei die Zeitdauer t _{2 //} größer ist als die Zeitdauer t _{i n} , wobei sich die Magnetfeld-Polarität während der Zeitdauer t _{i n} von der

Magnetfeld-Polarität während der Zeitdauer t ₂ ,, unterscheidet;

- Messen eines ersten Messspannungswertes t/, der induzierten Messspannung während eines Messabschnittes des ersten Zeitabschnittes;

- Messen eines zweiten Messspannungswertes U _n der induzierten Messspannung während eines Messabschnittes des zweiten Zeitabschnittes; und - Bestimmen eines aktuellen Nullpunktes anhand des ersten Messspannungswertes //, und des zweiten Messspannungswertes U _n zum Kompensieren der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße.

Bei dem Betriebssignal kann es sich um ein Spannungssignal handeln, welches an die magnetfelderzeugende Vorrichtung angelegt wird. Das Spannungssignal umfasst in dem Fall eine zeitlich veränderliche Spannung, die mittels einer Betriebsschaltung erzeugt wird und an die magnetfelderzeugende Vorrichtung angelegt wird. Die magnetfelderzeugende Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass sie ausgehend von dem aufgeprägten Betriebssignal ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt. Üblicherweise umfasst die magnetfelderzeugende Vorrichtung mindestens eine Spule die in elektrischer Verbindung mit der Betriebsschaltung steht. Alternativ kann es sich bei dem Betriebssignal auch um ein Stromsignal handeln, welches an der magnetfelderzeugenden Vorrichtung eingestellt bzw. vorgegeben wird. Die Betriebsschaltung ist in dem Fall dazu eingerichtet, das Stromsignal zu erzeugen und an der magnetfelderzeugende Vorrichtung bereitzustellen.

Das Betriebssignal ist dergestalt, dass nach dem zweiten Zeitabschnitt wieder der erste Zeitabschnitt beginnt und nach dem ersten Zeitabschnitt wieder der zweite Zeitabschnitt folgt. Während das Betriebssignal angelegt wird, wird an der Vorrichtung zum Erfassen der induzierten Messspannung die im Medium induzierte Messspannung bzw. die einzelnen Messelektroden vorliegenden elektrischen Potentiale mittels einer Messschaltung gemessen. Das Betriebssignal wird demnach in der Messphase angelegt. Ein Auswerteschaltung ist dazu eingerichtet, ausgehend von den gemessenen Messspannungen bzw. elektrischen Potentialen unterschiedlicher Zeitteilintervalle die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Messgröße zu bestimmen. Bei der strömungsgeschwindigkeitsabhängige Messgröße kann es sich um die Durchflussgeschwindigkeit, den Volumendurchfluss, den Massenstrom und/oder davon abgeleitete Größen handeln.

Der aktuelle Nullpunkt lässt sich wie folgt bestimmen. In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Differenz oder ein Mittelwert zweier Messspannungen aus bevorzugt aufeinanderfolgenden Zeitteilintervallen gegensätzlicher Magnetfeld-Polarität des ersten Zeitintervalls bestimmt. Aus der Differenz ergibt sich der erste Messspannungswert U,. Dieser wird für die Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eingesetzt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird ebenfalls die Differenz oder der Mittelwert zweier Messspannungen aus bevorzugt aufeinanderfolgenden Zeitteilintervallen des zweiten Zeitintervalls mt gegensätzlicher Magnetfeld-Polarität bestimmt. Aus der Differenz ergibt sich der zweite Messspannungswert //,,. Dieser wird ebenfalls für die Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eingesetzt. In die Bestimmung des Nullpunkteffektes gehen der erste Messspannungswert U _I und der zweite Messspannungswert Un ein. So wird beispielsweise die Differenz der jeweiligen Absolutbeträge der beiden bestimmten Messspannungswerte ermittelt, die selbst keinen strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Anteil aufweist und im Wesentlichen ausschließlich vom Nullpunkteffekt abhängt. Der aktuell ermittelte Messwert der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße wird dann um den aktuellen Nullpunkt korrigiert.

Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass Zeitteilabschnitte vermieden werden, in denen kein Strom durch die magnetfelderzeugende Vorrichtung fließt bzw. keine Spannung an der magnetfelderzeugende Vorrichtung anliegt, und somit kein Magnetfeld erzeugt wird. Dies führt dazu, dass immer eine zur Strömungsgeschwindigkeit des Mediums proportionale induzierte Spannung an der Vorrichtung zum Erfassen der induzierten Messspannung detektierbar ist. Gerade bei Anwendungen in denen die Strömungsgeschwindigkeit schnell variieren - wie beispielsweise bei Abfüllprozessen - ist es vorteilhaft, wenn über den gesamten Messzeitraum kontinuierlich die induzierte Messspannung erfasst werden kann.

Weiterhin vorteilhaft ist, dass durch das Aufprägen der Signalwerte S _{+ /} , S_ _:I , S _+JI und - die allesamt von Null abweichen - eine deutlich höhere Signalamplitude erreicht werden kann, als in dem Verfahren nach JP 2002-310751 A und man somit unempfindlicher gegenüber 1/f Rauschen wird. Weiterhin ergibt sich aus dem erfindungsgemäßen Betriebssignal eine deutliche Vereinfachung des Regelverfahrens, da keine Abschnitt vorgesehen sind, in denen kein Strom fließt.

Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass während des ersten Zeitabschnittes das erste Zeitteilintervall, insbesondere der Signalwert S _+J und das zweite Zeitteilintervall, insbesondere der Signalwert S_ _:I zumindest zeitweise mit einer ersten Frequenz alternieren.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass während des zweiten Zeitabschnittes das dritte Zeitteilintervall, insbesondere der zweite Signalwert S _+iII und das vierte Zeitteilintervall, insbesondere der zweite Signalwert zumindest zeitweise mit einer zweiten Frequenz f _{2 II} alternieren.

Das heißt nicht nur, dass das Betriebssignal mehr als einmal den Signalwert S _+J und den Signalwert S_ , annimmt, sondern auch periodisch. Entsprechendes gilt auch für die Wiederholungen der Signalwert S _+iII und der Signalwerte S_ _w . Vorteilhaft daran ist, dass sich aus den, während den wiederholenden Zeitteilintervallen gemessenen Messspannungen ein stabilere strömungsgeschwindigkeitsabhängige Messgröße bestimmen lässt. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Zeitabschnitt und der zweite Zeitabschnitt mit einer dritten Frequenz f ₃ alternieren.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die dritte Frequenz f ₃ kleiner ist als die erste Frequenz u und die zweite Frequenz f _{2 II} .

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Verhältnis aus der dritten Frequenz f ₃ und der ersten Frequenz f ₁ und/oder der zweiten Frequenz f _{2 n} zwischen 2 und 1000, insbesondere 2 und 10 und bevorzugt 3 und 5 liegt.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Verhältnis zwischen der Zeitdauer und der Zeitdauer t ₂ ,/ zwischen 1 und 10, insbesondere 1 ,5 und 5 und bevorzugt 2 und 3 liegt.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Verhältnis zwischen der Zeitdauer t ₂ ,n und der Zeitdauer t _ul zwischen 1 und 10, insbesondere 1 ,5 und 5 und bevorzugt 2 und 3 liegt.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Zeitdauer t _w gleich der Zeitdauer t _{2 n} und/oder die Zeitdauer t _2;/ gleich der Zeitdauer t _1;// ist.

Es können auch Messwerte des Spulenstromes und der Spulenspannung für die Regelung des Betriebssignales eingesetzt werden. So können der zeitliche Verlauf und/oder Messwerte des Spulenstromes und der Spulenspannung während der jeweils längeren Zeitteilintervallen bestimmt werden und für die Regelung der Dauer der kurzen Zeitintervalle und zur Bestimmung der Induktivität der magnetfelderzeugenden Vorrichtung genutzt werden. Damit können die kürzeren Zeitteilintervalle kürzer gewählt werden als bei einem Betrieb mit gleichbleibenden Zeitteilintervallen. Dies ist gerade vorteilhaft zur Unterdrückung von 1/f-Störsignalen. Die ermittelte Induktivität kann zur Diagnose, Kompensation und/oder Flussdichteregelung genutzt werden, um sicherzustellen, dass die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messwerte auch bei Veränderungen an der magnetfelderzeugenden Vorrichtung oder unter Einfluss von externen Störungen korrekt und verlässlich sind.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Zeitabschnitt eine Zeitdauer t ₃₁ andauert.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Verhältnis zwischen der Zeitdauer t ₃₁ und der Zeitdauer zwischen 2 und 1000, insbesondere 3 und 10 und bevorzugt 5 und 7 liegt. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Verhältnis zwischen der Zeitdauer t _3J und der Zeitdauer t _2;/ zwischen 4 und 2000, insbesondere 6 und 20 und bevorzugt 10 und 14 liegt.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass während des ersten Zeitteilabschnittes und/oder des dritten Zeitteilabschnittes jeweils ein Shot-Signalwert S ₊ , _shot für eine Zeitdauer t _+iSftot aufgeprägt wird, und/oder wobei während des zweiten Zeitteilabschnittes und/oder des vierte Zeitteilabschnittes jeweils ein Shot-Signalwert S_, _shot für eine Zeitdauer t_, _shot aufgeprägt wird.

Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist, dass durch das zusätzliche Aufprägen von Shot- Signalwerten in den einzelnen Zeitteilintervallen ein schnelleres Einschwingen und somit Stabilisieren des erzeugten Magnetfeldes erfolgt.

Das erfindungsgemäße Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zum Bestimmen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums, umfasst:

- ein Messrohr zum Führen des Mediums;

- eine Vorrichtung zum Erfassen einer induzierten Messspannung im Medium

- eine an dem Messrohr angeordnete magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines das Messrohr durchdringenden Magnetfeldes; und

- eine Mess-, Betriebs- und/oder Auswerteschaltung, welche dazu eingerichtet ist das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Die erfindungsgemäße Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde zum Bestimmen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße eines fließfähigen Mediums, umfassend:

- ein Gehäuse mit einem mit dem Medium zu beaufschlagenden Frontabschnitt,

- eine Vorrichtung zum Erfassen einer induzierten Messspannung im Medium;

- eine im Gehäuse angeordnete magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines das Gehäuse, insbesondere den Frontabschnitt durchdringenden Magnetfeldes; und

- eine Mess-, Betriebs- und/oder Auswerteschaltung, welche dazu eingerichtet ist das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine Ausgestaltung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes;

Fig. 2: eine perspektivische Ansicht auf eine teilweise geschnittene Ausgestaltung einer magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde;

Fig. 3: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung des Betriebssignales;

Fig. 4: eine schematische Darstellung des Messsignales, welches sich aus dem Betriebssignal von Fig. 3 ergeben würde bei einer Durchflussgeschwindigkeit von 0 m/s.

Fig. 5: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung des Betriebssignales; und

Fig. 6: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 1. Der Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 1 sind grundsätzlich bekannt. Durch ein Messrohr 2 wird ein fließfähiges Medium geleitet, welches eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Das Messrohr 2 umfasst ein mediumsberührendes Trägerrohr 3, welches üblicherweise aus Stahl, Keramik, Kunststoff oder Glas gebildet ist oder diese zumindest umfassen. Eine magnetfelderzeugende Vorrichtung 5 zum Erzeugen eines Magnetfeldes ist so am Trägerrohr 3 angeordnet, dass sich die Magnetfeldlinien im Wesentlichen senkrecht zu einer durch eine Messrohrachse definierten Längsrichtung orientieren. Die magnetfelderzeugende Vorrichtung 5 umfasst üblicherweise eine Sattelspule oder mindestens eine (Zylinder-)Spule 6i. Durch eine Aufnahme 15 der Spule 6i erstreckt sich üblicherweise ein Spulenkern 14i. Als Aufnahme 15 ist das Volumen zu verstehen, welches durch den die Spule 6i bildenden Spulendraht begrenzt wird. Die Aufnahme 15 der Spule 6i kann somit durch eine Spulenhalterung oder durch das gedachte eingeschlossene Volumen gebildet sein. Letzteres tritt ein, wenn der Spulendraht der Spule 6i direkt um den Spulenkern 14i gewickelt ist. Der Spulenkern 14i ist aus einem magnetisch leitenden, insbesondere weichmagnetischen Werkstoff gebildet. Die Vorrichtung 5 zum Erzeugen des Magnetfeldes umfasst einen Polschuh 21 i, der an einem Ende des Spulenkerns 14i angeordnet ist. Der Polschuh 21 i kann separates Bauteil sein oder monolithisch mit dem Spulenkern 14i verbunden sein. In der abgebildeten Ausgestaltung der Fig. 1 weisen zwei diametral angeordnete Spulen 6a, 6b jeweils einen Spulenkern 14a, 14b und einen Polschuh 21a, 21 b auf. Die zwei Spulenkerne 14a, 14b sind über eine Feldrückführung 22 miteinander verbunden. Die Feldrückführung 22 verbindet die jeweils voneinander abgewandten Seiten der Spulenkerne 14a, 14b miteinander. Es sind jedoch auch magnetisch-induktive

Durchflussmessgeräte mit genau einer Spule 6 mit genau einem Spulenkern 14 und ohne Feldrückführung bekannt. Die Spule 6 ist mit einer Betriebsschaltung 7 verbunden, welche die Spule 6 mit einem Betriebssignal betreibt. Das Betriebssignal kann eine Spannung mit einem zeitlich veränderlichen Verlauf sein und ist durch Betriebssignalparameter charakterisiert, wobei mindestens einer der Betriebssignalparameter regelbar ist. Das durch die magnetfelderzeugende Vorrichtung 5 aufgebaute Magnetfeld wird durch einen mittels einer Betriebsschaltung 7 getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch elektrochemische Störungen. Die zwei Spulen 6a, 6b können separat mit der Betriebsschaltung 7 verbunden oder in Reihe bzw. parallel zueinander geschaltet sein.

Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr 2 eine durchflussabhängige Potenzialverteilung, welche sich beispielsweise in Form einer induzierten Messspannung erfassen lässt. Eine Vorrichtung 8 zum Abgreifen der induzierten Messspannung ist am Messrohr 2 angeordnet. In der abgebildeten Ausgestaltung ist die Vorrichtung 8 zum Abgreifen der induzierten Messspannung durch zwei gegenüberliegend angeordnete Messelektroden 17, 18 zum Bilden eines galvanischen Kontaktes mit dem Medium gebildet. Es sind jedoch aus magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte bekannt, die an der Außenwandung des Trägerrohres 3 angeordnete Messelektroden aufweisen, die nicht mediumsberührend sind. In der Regel sind die Messelektroden 17, 18 diametral angeordnet und bilden eine Elektrodenachse bzw. werden durch eine Querachse geschnitten, die senkrecht zu den Magnetfeldlinien und der Längsachse des Messrohres 2 verläuft. Es sind aber auch Vorrichtungen 8 zum Abgreifen der induzierten Messspannung bekannt, welche mehr als zwei Messelektroden aufweisen. Anhand der gemessenen Messspannung kann die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße bestimmt werden. Die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße umfasst die Durchflussgeschwindigkeit, den Volumendurchfluss und/oder den Massedurchfluss des Mediums. Eine Messschaltung 23 ist dazu eingerichtet, die an den Messelektroden 17, 18 anliegende, induzierte Messspannung zu erfassen und eine Auswerteschaltung 24 ist dazu ausgebildet, die strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße zu ermitteln. Die Auswerteschaltung 24 kann Teil des Messumformers sein.

Das Trägerrohr 3 ist häufig aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, wie z.B. Stahl. Um das Ableiten der an der ersten und zweiten Messelektrode 2, 3 anliegenden Messspannung über das Trägerrohr 3 zu verhindern, wird die Innenwand mit einem isolierenden Material, beispielsweise einem (Kunststoff-) Liner 4 ausgekleidet.

Handelsübliche magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte weisen zusätzlich zu den Messelektroden 17, 18 zwei weitere Elektroden 19, 20 auf. Zum einen dient eine optimalerweise am höchsten Punkt im Messrohr 2 angebrachte Füllstandsüberwachungselektrode 19 dazu, eine Teilbefüllung des Messrohres 1 zu detektieren, und ist dazu eingerichtet diese Information an den Nutzer weiterzuleiten und/oder den Füllstand bei der Ermittlung des Volumendurchflusses zu berücksichtigen. Des Weiteren dient eine Bezugselektrode 20, die üblicherweise diametral zur Füllstandsüberwachungselektrode 19 bzw. am untersten Punkt des Messrohrquerschnittes angebracht ist, dazu, ein kontrolliertes, elektrisches Potenzial im Medium einzustellen. In der Regel wird die Referenzelektrode 20 zum Verbinden des fließenden Mediums mit einem Erdpotenzial eingesetzt.

Die Betriebsschaltung 7, Reglerschaltung 10, Messschaltung 23 und Auswerteschaltung 24 können Teil einer einzelnen Elektronikschaltung sein, oder einzelne Schaltungen bilden. Die Mess-, Betriebs- und/oder Auswerteschaltung 7, 23, 24 ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Dafür kann es einen Mikroprozessor und/oder elektrische Bauelemente (elektrische Leitungen, elektromechanische Bauelemente, passive und/oder aktive Bauelemente)aufweisen. Dafür ist die Betriebsschaltung dazu eingerichtet das Betriebssignal zu erzeugen und an der magnetfelderzeugenden Vorrichtung bereitzustellen. Weiterhin ist die Messschaltung dazu eingerichtet die Messspannungswerte zu ermitteln und an die Auswerteschaltung weiterzuleiten. Die Auswerteschaltung ist dazu eingerichtet, den aktuellen Nullpunkt zu ermitteln und für die Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängige Messgröße zu berücksichtigen.

Anhand der perspektivischen und teilweise geschnittenen Darstellung der Fig. 2 wird zunächst das der Erfindung zugrunde liegende Messprinzip erläutert. Eine Durchflussmesssonde 101 umfasst ein im allgemeinen kreiszylindrisches, einen vorgegebenen Außendurchmesser aufweisendes Gehäuse 102. Dieses ist an den Durchmesser einer Bohrung angepasst, die sich in einer Wand einer in Fig. 1 nicht dargestellten Rohrleitung befindet und in die die Durchflussmesssonde 101 fluiddicht eingesteckt ist. In der Rohrleitung strömt ein zu messendes Medium, in das die Durchflussmesssonde 101 praktisch senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums eintaucht, die durch die gewellten Pfeile 118 angedeutet ist. Ein in das Medium ragendes Frontende 116 des Gehäuses 102 ist mit einem Frontkörper 115 aus Isoliermaterial fluiddicht verschlossen. Mittels einer im Gehäuse 102 angeordneten Spulenanordnung 106 lässt sich ein durch den Endabschnitt hindurch, in das Medium hineinreichendes Magnetfeld 109 erzeugen. Ein mindestens teilweise aus einem weichmagnetischen Material bestehender, im Gehäuse 102 angeordneter Spulenkern 111 endet an oder in der Nähe des Endabschnittes 116. Ein Feldrückführungskörper 114, der die Spulenanordnung 106 und den Spulenkern 111 umschließt, ist dazu eingerichtet das aus dem Endabschnitt hindurchreichende Magnetfeld 109 in das Gehäuse 102 zurückzuführen. Der Spulenkern 111 , der Polschuh 112 und der Feldrückführungskörper 114 sind jeweils Feldführungskörper 110, welche zusammen eine Feldführungsanordnung 105 bilden. Eine erste und eine zweite einen galvanischen Kontakt mit dem zu führenden Medium bildende Messelektrode 104i bilden die Vorrichtung 103 zum Erfassen einer im Medium induzierten Messspannung und sind in dem Frontkörper 115 angeordnet und berühren ebenso wie die Außenwände des Gehäuses das Medium. An den Messelektroden 104i lässt sich eine aufgrund des Faraday'schen Induktionsgesetzes induzierte elektrische Spannung mittels einer Mess- und/oder Auswerteschaltung abgreifen. Diese ist maximal, wenn die Durchflussmesssonde 101 so in die Rohrleitung eingebaut ist, dass eine durch eine die beiden Messelektroden 104i schneidende Gerade und eine Längsachse der Durchflussmesssonde aufgespannte Ebene senkrecht zu der Strömungsrichtung 118 bzw. Längsachse der Rohrleitung verläuft. Eine Betriebsschaltung 107 ist mit der Spulenanordnung 106, insbesondere mit der Spule 113 elektrisch verbunden und dazu eingerichtet ein getaktetes Betriebssignal auf die Spule 113 aufzuprägen, um somit ein getaktetes Magnetfeld 109 zu erzeugen.

Die Mess-, Betriebs- und/oder Auswerteschaltung 107, 120, 121 ist dazu geeignet und eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Dafür kann es einen Mikroprozessor und/oder elektrische Bauelemente (elektrische Leitungen, elektromechanische Bauelemente, passive und/oder aktive Bauelemente) aufweisen. Dafür ist die Betriebsschaltung dazu eingerichtet das Betriebssignal zu erzeugen und an der magnetfelderzeugenden Vorrichtung bereitzustellen. Weiterhin ist die Messschaltung dazu eingerichtet die Messspannungswerte zu ermitteln und an die Auswerteschaltung weiterzuleiten. Die Auswerteschaltung ist dazu eingerichtet, den aktuellen Nullpunkt zu ermitteln und für die Bestimmung der strömungsgeschwindigkeitsabhängige Messgröße zu berücksichtigen.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung des Betriebssignales (durchgehende Linie) und ein Betriebssignal nach dem Stand der Technik (gestrichelte Linie). Bei dem Betriebssignal kann es sich um ein Spannungssignal oder um ein Stromsignal handeln. Im Falle, dass das Betriebssignal ein Spannungssignal ist, umfasst dieses zeitlich veränderliche Spannungswerte, die an die magnetfelderzeugende Vorrichtung angelegt werden. Im Falle, dass das Betriebssignal ein Stromsignal ist, umfasst dieses zeitlich veränderliche Stromwerte, die an der magnetfelderzeugende Vorrichtung eingestellt werden. Der abgebildete Graph bildet den Strom bzw. die Spannung in Abhängigkeit der zeit ab. Gemäß dem Stand der Technik wechselt das Betriebssignal periodisch zwischen zwei Zeitintervallen. Im ersten Zeitintervall alterniert das Betriebssignal zwischen dem Signalwert S _+iI und einem Signalwert von Null. Das erste Zeitteilintervall weist vier Zeitteilintervalle auf, in denen das Betriebssignal den Signalwert S+ annimmt und drei Zeitteilintervalle, in denen das Betriebssignal Null ist. Im zweiten Zeitintervall wechselt das erzeugte Magnetfeld die Magnetfeld-Polarität. Im zweiten Zeitintervall alterniert das Betriebssignal zwischen dem Signalwert „ und einem Signalwert von Null. Das zweite Zeitteilintervall weist vier Zeitteilintervalle auf, in denen das Betriebssignal den Signalwert S_ _n annimmt und drei Zeitteilintervalle, in denen das Betriebssignal Null ist. Dabei ist die jeweilige Zeitdauer in welcher der Signalwert S _+J oder S_ _n aufgeprägt wird identisch mit der Zeitdauer in welcher das Betriebssignal einen Signalwert von Null annimmt. Das abgebildete Betriebssignal wird als Zwei-Frequenz (Dual-Frequency) Betriebssignal bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Betriebssignal unterscheidet sich vom Stand der Technik im Wesentlichen dadurch, dass es keine Zeitteilintervalle gibt in denen das Betriebssignale einen Signalwert von Null annimmt. Weiterhin unterscheiden sich die Zeitdauern und t ₂ ,/ bzw. t _{i n} und t _{2 //} der Zeitteilintervalle i, ii, iii, iv in denen die Signalwerte S _+J und S_ _:I bzw. S _+iII und S_ _:II aufgeprägt werden. In der abgebildete Ausgestaltung nehmen die Zeitdauern t _w und t _2;/ ein Verhältnis von 1 :2 und die Zeitdauern t _{i n} und t _{2 //} ein Verhältnis von 2:1 an. Dabei ändert sich das Verhältnis beim Wechsel von dem ersten Zeitintervall in das zweite Zeitintervall bzw. von dem zweiten Zeitintervall in das erste Zeitintervall. Das erste Zeitintervall dauert eine Zeitdauer t _3J an. In der abgebildeten Ausgestaltung ist die Dauer des erste Zeitintervalles identisch zu der Dauer des zweiten Zeitintervalles. Ebenfalls identisch sind die Signalwerte S _+J und S _+iII und die Signalwerte S_ und S_ _:II bzw. die Absolutbeträge der vier Signalwerte S _+J , S _+JI , S_ _:I und S_ _w . Die Zeitdauer t _w ist identisch mit der Zeitdauer t _{2 //} und die Zeitdauer t _2;/ ist identisch mit der Zeitdauer t _il . Alternativ kann ein Verhältnis zwischen der Zeitdauer und der Zeitdauer t _2J zwischen 1 und 10, insbesondere 1 ,5 und 5 und bevorzugt 2 und 3 liegen. Weiterhin alternativ kann ein Verhältnis zwischen der Zeitdauer t _{2 //} und der Zeitdauer zwischen 1 und 10, insbesondere 1 ,5 und 5 und bevorzugt 2 und 3 liegen. Für die optimale Auslegung des Betriebssignales kann ein Verhältnis zwischen der Zeitdauer t _{3 1} und der Zeitdauer zwischen 2 und 1000, insbesondere 3 und 10 und bevorzugt 5 und 7 festgelegt sein und ein Verhältnis zwischen der Zeitdauer t _{3 1} und der Zeitdauer t _2J zwischen 4 und 2000, insbesondere 6 und 20 und bevorzugt 10 und 14 festgelegt sein.

Fig. 4 zeigt schematische Darstellungen des Messsignales, welche sich aus dem erfindungsgemäßen Betriebssignal von Fig. 3 und dem Betriebssignal nach dem Stand der Technik ergeben würden bei einer Durchflussgeschwindigkeit von 0 m/s. Das Messsignal umfasst die durch das fließende Medium induzierte Messspannung (in dem Fall ist die Messspannung Null) mit einem vereinfachten Störsignal, welches einen exponentiell abklingenden Beitrag liefert. Das Störsignal entsteht durch das Übersprechen von der magnetfelderzeugenden Vorrichtung auf die Vorrichtung zum Erfassen der induzierten Messspannung. Typischerweise wird die Messspannung im zeitlich gesehen hinteren Teil eines Zeitintervalls gleichbleibender Magnetfeld-Polarität gemessen, da dort der Einfluss der Störung minimal ist. Das Betreiben der magnetfelderzeugenden Vorrichtung mit einer höheren Frequenz führt zu einem größeren Nullpunkt (siehe //, und U _n ), weil eine bei der Umschaltung der Spulenstromrichtung induzierte Störung weniger weit abklingen kann, bevor die nächste Umschaltung erfolgt. Diese Störung kann nicht zuverlässig von einem tatsächlichen Durchfluss unterschieden werden. So ist z.B. der Mittelwert zweier Messspannungen mit zweier aufeinanderfolgender Zeitteilintervalle mit gegensätzlicher Magnetfeld-Polarität (rote Doppelpfeile) und ohne jeweiligen durchflussabhängigen Signalanteil, auch nicht vom Nullpunkteffekt abhängig.

Im Lichte des sich aus dem Betriebssignal 11 nach dem Stand der Technik ergebende Messsignal (gestrichelte Linie) ist der Vorteil des erfindungsgemäßen Betriebssignal klar ersichtlich. Das sich aus dem erfindungsgemäßen Betriebssignal ergebende Messsignal weist eine deutlich höhere Amplitude des Messignales für alle Zeitteilintervalle auf. Gerade zu Beginn des Umschaltvorgangs ist die Amplitude bei der herkömmlichen Lösung sehr gering und nahe bei 0 V. Erst nach mehreren Zeitteilintervallen steigt die Amplitude für die Zeitteilintervalle an, in denen kein Spulenstrom durch die magnetfelderzeugenden Vorrichtung fließt, bis sie im Wesentlichen die Hälfte der maximalen Amplitude annimmt.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung des Betriebssignales 11. Die zweite Ausgestaltung des Betriebssignales 11 unterscheidet sich von der ersten Ausgestaltung im Wesentlichen dadurch, dass während des ersten Zeitteilabschnittes i und des dritten Zeitteilabschnittes iii zusätzlich jeweils ein Shot- Signalwert S ₊ , _shot (z.B. eine Shot-Spannung) für eine Zeitdauer t ₊ , _shot aufgeprägt wird und dass während des zweiten Zeitteilabschnittes ii und des vierte Zeitteilabschnittes iv zusätzlich jeweils ein Shot-Signalwert S_, _shot (z.B. eine Shot-Spannung) für eine Zeitdauer t_, _sho t aufgeprägt wird. Der Absolutbetrag der einzelnen Shot-Signalwerte und die Zeitdauern sind im Falle der abgebildeten Ausgestaltung jeweils identisch. Die Absolutbeträge der einzelnen Shot-Signalwerte und auch die Zeitdauern in denen der entsprechende Shot-Signalwert angelegt wird, können sich jeweils voneinander unterscheiden.

Fig. 6 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auf die magnetfelderzeugende Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes wird ein Betriebssignal aufgeprägt (Verfahrensschritt I). Das Betriebssignal weist einen ersten Zeitabschnitt auf mit mindestens einen ersten Zeitteilabschnitt und einen zweiten Zeitteilabschnitt. Im ersten Zeitteilabschnitt wird ein Signalwert S _+iI jeweils für eine Zeitdauer t _w aufgeprägt und im zweiten Zeitteilabschnitt wird ein Signalwert S_ _:I für eine Zeitdauer t _2;/ aufgeprägt. Dabei unterscheidet sich eine Magnetfeld-Polarität des erzeugten Magnetfeldes während der Zeitdauer von der Magnetfeld-Polarität während der Zeitdauer t ₂ . Erfindungsgemäß ist die die Zeitdauer größer ist als die Zeitdauer t _2J . Somit ist im ersten Zeitabschnitt der zeitliche Anteil in dem der Signalwert S _+iI aufgeprägt wird größer als der zeitliche Anteil in dem der Signalwert S_ _:I aufgeprägt wird.

Das Betriebssignal weist weiterhin einen zweiten Zeitabschnitt auf, welcher direkt auf den ersten Zeitabschnitt folgt. Es kann jedoch ein weiterer Zeitabschnitt zwischen dem ersten Zeitabschnitt und dem zweiten Zeitabschnitt vorgesehen sein, in dem der Signalwert Null ist. Der zweite Zeitabschnitt weist zumindest einen dritten Zeitteilabschnitt in dem ein Signalwert S _+iII für eine Zeitdauer t _1;// aufgeprägt wird und einen vierten Zeitteilabschnitt auf in dem ein Signalwert S_ _:II für eine Zeitdauer t _2Ji aufgeprägt wird. Dabei unterscheidet sich die Magnetfeld-Polarität während der Zeitdauer t _{i n} von der Magnetfeld-Polarität während der Zeitdauer t _2iII . Erfindungsgemäß ist die Zeitdauer t _2JI größer als die Zeitdauer t _ul . Somit ist im zweiten Zeitabschnitt der zeitliche Anteil in dem der Signalwert S_ _n aufgeprägt wird größer als der zeitliche Anteil in dem der Signalwert S _+ill aufgeprägt wird.

Erfindungswesentlich ist, dass während des ersten Zeitabschnittes der Signalwert S _+J und der Signalwert S_ , zumindest zeitweise mit einer ersten Frequenz alternieren und dass während des zweiten Zeitabschnittes der zweite Signalwert S _+iII und der zweite Signalwert S_ _:II zumindest zeitweise mit einer zweiten Frequenz f _{2 II} alternieren. Gleichzeitig alternieren der erste Zeitabschnitt und der zweite Zeitabschnitt mit einer dritten Frequenz f ₃ , die kleiner ist als die erste Frequenz und die zweite Frequenz f ₂₁₁ . Somit handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Betriebssignal ebenfalls um ein Zwei- Frequenz Betriebssignal.

Während das Betriebssignal aufgeprägt wird, wird ein erster Messspannungswert t/, der induzierten Messspannung während eines Messabschnittes des ersten Zeitabschnittes (I) gemessen (Verfahrensschritt II).

Zeitlich versetzt zum ersten Zeitabschnitt (I) während eines Messabschnittes des zweiten Zeitabschnittes (II) wird ein zweiter Messspannungswert U _n der induzierten Messspannung gemessen (Verfahrensschritt III).

Aus den gemessenen ersten Messspannungswert t/, und zweiten Messspannungswert U„ wird ein aktueller Nullpunkt zum Kompensieren der strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Messgröße bestimmt (Verfahrensschritt IV). Dies kann durch die Bildung einer Differenz aus den beiden Messspannungswerten U _I und Un realsiert sein. Die strömungsgeschwindigkeitsabhängige Messgröße wird anhand der Messspannungswerte unterschiedlicher Zeitteilintervalle eines Zeitintervalles ermittelt und um den aktuellen Nullpunkt kompensiert. Verfahrensschritte I bis IV sind nicht als zeitlich hintereinander ablaufende

Verfahrensschritte zu interpretieren. So erfolgt beispielsweise die Messung der induzierten Messspannung während des Aufprägens des Betriebssignales in Verfahrensschritt I.

B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 1

Messrohr 2

Trägerrohr 3

Liner 4 magnetfelderzeugenden Vorrichtung 5

Betriebsschaltung 7

Vorrichtung 8 zum Erfassen der induzierten Messspannung

Reglerschaltung 10

Betriebssignal 11

Spule 13i

Spulenkern 14i

Messelektrode 17i

Feldrückführungskörper 19

Polschuh 21 i

Messschaltung 23

Auswerteschaltung 24 magnetisch-induktive Durchflussmesssonde 101

Gehäuse 102

Vorrichtung 103 zum Erfassen einer induzierten Messspannung

Messelektrode 104i magnetfelderzeugende Vorrichtung 105

Spulenanordnung 106

Betriebsschaltung 107

Magnetfeld 109

Feldführungskörper 110

Spulenkern 111

Polschuh 112

Spule 113

Feldrückführungskörper 114

Frontkörper 115

Endabschnitt 116

Strömungsrichtung des Mediums 118

Messschaltung 120

Auswerteschaltung 121