DE19616281A1 - Magnetischer Durchflußsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Durchflußsensoren für eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit und insbesondere Durchflußsensoren, bei denen das Potential festge­ stellt wird, welches sich entwickelt, wenn die Flüssigkeit sich durch ein magneti­ sches Feld bewegt. Das elektrische Potential wird durch wenigstens zwei Elektro­ den erfaßt, die einander gegenüberstehend orthogonal zu einem magnetischen Feld angeordnet sind und die Flüssigkeit kontaktieren, und hat eine Größe, die proportional ist der Durchflußmenge der Flüssigkeit.

In der Vergangenheit haben alternierende Magnetfelder ein alternierendes Poten­ tial geschaffen, das sich an den Elektroden entwickelt, um eine Elektrodenpolari­ sation zu verhindern, ein Zustand, der schwerwiegende Meßfehler hervorruft. Al­ ternierende Magnetfelder verursachen jedoch einige Probleme, darunter bedeut­ same Anforderungen an die elektrische Stromversorgung, die Erzeugung von elektrischem Rauschen und die Notwendigkeit komplizierter elektrischer Kreise.

Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Schwierigkeiten durch die Ermögli­ chung einer exakten Messung unter Verwendung von Permanentmagneten und einem hocheffizienten Magnetkreis. Der hocheffiziente Magnetkreis kann auch in Verbindung mit Durchflußsensoren verwendet werden, welche Elektromagneten verwenden, die dann größere Potentiale an ihren Elektroden entwickeln und die mit solchen Sensoren verbundenen Schwierigkeiten vermindern.

Konventionelle magnetische Durchflußsensoren sind erhältlich sowohl in der Son­ denausbildung als auch in der Vollbohrungskonfiguration. Die Erfindung be­ schreibt Ausführungsformen für beide Versionen. Dabei führt sie zu den Vorteilen einer relativ hohen induzierten Spannung, wodurch die Kosten und die Kompli­ ziertheit der Elektronik reduziert wird, und einem relativ geringen Energiever­ brauch, einem besonderen Vorteil für tragbare Instrumente.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines magnetischen Durch­ flußsensors unter Verwendung von Permanentmagneten, die periodisch mecha­ nisch repositioniert werden, um die Magnetfeldpolarität, die in Eingriff mit der leit­ fähigen Flüssigkeit steht, zu alternieren, um dadurch eine Elektrodenpolarisation zu verhindern.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines magnetischen Durchfluß­ sensors mit einem Magnetkreis, der das an den Elektroden entwickelte Potential beträchtlich erhöht.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen sowie in Verbin­ dung mit den Zeichnungen.

Die verschiedenen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche klar sowie bei der Bezugnahme auf die nachfolgenden Beschreibungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor vom Sondentyp (mißt nur einen Teil des Flüssigkeitsstroms),

Fig. 2 einen Schnitt durch den Durchflußsensor gemäß Fig. 1 längs der Linie A-A,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Durchflußsensor in Fig. 1 längs der Linie B- B,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Durchflußsensor nach Fig. 1 längs der Linie B-B mit einer verkürzten Durchflußpassage,

Fig. 5 eine Endansicht eines erfindungsgemäßen Durchflußsensors vom Vollbohrungstyp (mißt den gesamten Flüssigkeitsstrom),

Fig. 6 einen Querschnitt des Durchflußsensors nach Fig. 5 von oben gese­ hen,

Fig. 7 einen Längsschnitt eines Sondentypdurchflußsensors mit zusätzli­ chen erfindungsgemäßen Merkmalen entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 8 einen Schnitt des Durchflußsensors in Fig. 7 längs der Linie A-A.

Die Fig. 1 illustriert das bevorzugte Ausführungsbeispiel des als Durchflußsonde konzipierten Sensors. Das Gehäuse 1 ist eine gegen die Umgebung schützende, elektrisch isolierende, nichtmagnetische Umhüllung und Träger für die durchfluß­ messenden Teile des Sensors. Innerhalb des Gehäuses befindet sich eine ma­ gnetische Scheibe 2, an der vier kleinere Scheibenpermanentmagnete 3 montiert sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Magnete 3 sind identisch und sie sind äquidistant voneinander und vom Zentrum der Scheibe 2 angeordnet und alternie­ ren in ihrer Polarität, wenn die Scheibe 2 um einen festen Punkt ihrer zentralen Achse gedreht wird. Die Scheibe 2 wird von Lagern 4 abgestützt, so daß sie frei rotieren kann. Eine zweite Scheibe, Scheibe 2, ist ebenso mit einer Kupplung 5 verbunden, die ihrerseits mit der Welle 6 gekoppelt ist. Die Welle 6 ist mit einem Antriebsmotor 7 verbunden. Die rotierende Welle 6 stellt eine Verbindung mit der rotierenden Welle des Antriebsmotors 7 her und verursacht somit eine Rotation der Scheibe 2 entsprechend der Motordrehung.

Die Scheibe 8 und die zugeordneten Magneten 17 sind in ähnlicher Weise ange­ ordnet, wie es vorstehend im Zusammenhang mit der Scheibe 2 und ihren zuge­ ordneten Magneten 3 gemäß Fig. 2 beschrieben wurde. Die Scheibe 8 wird durch Lager 9 in der Nähe der Scheibe 2 abgestützt, so daß die von den entsprechen­ den Magneten der Scheiben 2 und 8 entwickelten Magnetfelder sich in einer wechselseitig anziehenden Orientierung ausrichten, wobei die Rotation der Schei­ be 8 der der Scheibe 2 folgt.

Zwischen den Scheiben 2 und 8 sind Durchflußpassagen 10, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Unter rechten Winkeln zu den Durchgängen 10 sind zwei äußere Er­ fassungselektroden 11 angeordnet, die in Kontakt mit der strömenden Flüssigkeit stehen. Die Aufnahmeelektrode 12 kontaktiert ebenfalls die Flüssigkeit und über­ brückt die erzeugten Spannungen in den beiden Durchflußdurchlässen 10 in einer serienartigen Schaltung. Die Funktion der Elektrode 12 kann auch durch die Flüs­ sigkeit übernommen werden, deren Durchflußmenge gemessen werden soll.

Eine Flüssigkeit, die wenigstens eine leichte elektrische Leitfähigkeit aufweist, passiert durch die Durchflußdurchlässe 10 und durch ein senkrecht dazu orientier­ tes Magnetfeld und erzeugt eine Spannung an den Fühlerelektroden 11 und 12. Leiter 13 leiten das elektrische Signal zu einer elektronischen Schaltung 14 zur Verstärkung, Feststellung, Anzeige und weiteren Verarbeitung, wie es für speziel­ le Anwendungsfälle notwendig sein kann. Das Rohr 15 bildet eine mechanische Verbindung zwischen dem Gehäuse 1 und der Umhüllung 16 des mechanischen Antriebs und der Elektronik. Die Fig. 4 zeigt den Durchflußsensor gemäß Fig. 3, wobei die Durchflußdurchgänge reduziert sind, um entsprechend den Druckabfall, der bei hohen Durchflußgeschwindigkeiten auftritt, zu reduzieren.

Die Scheiben 2 und 8 bestehen vorzugsweise aus einem magnetischen Material, typischerweise Weicheisen, und bilden somit einen Rückflußweg für das magneti­ sche Feld. Auf diese Weise ist der Luftspalt im magnetischen Kreis erheblich re­ duziert und dadurch die Feldstärke durch die Durchflußdurchlässe 10 erhöht. Die Scheibe 2 und ihre Magnete 3 können in einer alternativen Ausführungsform auch durch ein einzelnes Stück eines magnetisierten Materials gebildet und dann der Fig. 2 entsprechend magnetisiert sein. Die Scheibe 8 und ihre Magnete 17 kann in ähnlicher Weise hergestellt werden.

Obgleich ein größerer Flußbeitrag eine größerer Magnetkreiseffizienz durch die Verwendung der Scheibe 8 und ihrer zugeordneten Magnete 17 erzielt wird, kann der Sensor alternativ auch ohne diese zweite Scheibe arbeiten. Ein praktikabler Sensor kann allein unter Verwendung der Scheibe 2 und ihrer Magnete 3 realisiert werden, wobei sich der Durchflußkanal 10 zwischen den äußeren Aufnahmeelek­ troden 11 erstreckt. Bei einer solchen Konfiguration kann die Elektrode 12 wegge­ lassen werden. Ein derartiger Sensor wäre bevorzugt für Anwendungen, wenn große Partikel im Durchflußstrom vorhanden sind, die eine relativ kleine Durch­ flußpassage zusetzen könnten. Die Elektroden 11 würden elektrisch von der Flüssigkeit isoliert, wo ein Magnetfeld nicht vorhanden ist, um eine Reduktion des entwickelten Potentials infolge des Überbrückens durch die Flüssigkeit zu verhin­ dern.

Im Betrieb wird die Scheibe 2 durch den Motor 7 rotierend angetrieben, und zwar entweder kontinuierlich oder schrittweise, wobei ein Schritt wenigstens alle 90° stattfindet, um das intensivste alternierende Magnetfeld über der Durchflußpassa­ ge zu positionieren. Die durchschnittliche Rotationsgeschwindigkeit wird bestimmt teilweise durch die Materialpolarisationsrate der Elektroden 11 und 12 in der zu messenden Flüssigkeit und die Charakteristika der Meßelektronik. Eine typische Drehschwindigkeit liegt zwischen 10 und einigen hundert Umdrehungen pro Minu­ te. Der Motor 7 kann ein Wechselstromsynchronmotor, ein Gleichstromquarzmo­ tor, ein Gleichstrommotor mit Bürsten oder mit elektronischer Kommutierung oder ein Schrittmotor sein. Wenn ein Schrittmotor oder ein anderer Motor 7 verwendet wird, der automatisch eine 90°-Rotation vorsieht, ist der Motor 7 vorzugsweise so orientiert, daß das Magnetfeld durch die Durchflußpassage 10 maximiert ist. Wenn der Antriebsmotor 7 keine automatische 90°-Rotationsschritte vorsieht, ist eine Rotationsreferenz, wie ein fotoelektrischer oder magnetischer Sensor, vorge­ sehen, der den Motor 7 steuert, so daß er wie es benötigt wird startet und anhält, wenn eine kontinuierliche Rotation nicht angewandt wird. Ein derartiger Referenz­ sensor kann auch eine automatische Nullkontrolle triggern, falls sie verwendet wird.

Der Motor 7 kann bevorzugt sehr klein ausgelegt sein, da lediglich die Lagerrei­ bungsverluste während der Rotation überwunden werden müssen. Wenn der Motor mit einer relativ kleinen Drehgeschwindigkeit arbeitet, kann der Energiever­ brauch äußerst gering gehalten werden. Der Motor 7 kann darüber hinaus vorteil­ hafterweise innerhalb des Gehäuses 1 mit untergebracht werden.

Die von den Elektroden 11 festgestellten elektrischen Signale werden durch die Leiter 13 zur elektronischen Schaltkreisplatine 14 in einer sehr rauschfreien Um­ gebung geleitet, da der Gesamtenergieverbrauch relativ klein ist und jedes benö­ tigte elektrische Schalten mit geringen Geschwindigkeiten durchgeführt werden kann, um ernsthafte elektrische Schwingungen zu vermeiden. So ist beispielsweise bei konventionellen magnetischen Durchflußsensoren der Energiebedarf der Ma­ gnetfelder in der Größenordnung von einigen 10 Watt, während der Motor 7 einen Energiebedarf von einigen 10 Milliwatt oder weniger aufweist (wie im Falle einiger Quartzkristalluhrmotoren). Daraus resultiert, daß das Messen von geringen Durchflüssen, die nur sehr geringe Signalniveaus aufweisen, wirtschaftlicher er­ folgen kann und darüber hinaus bestehen geringere praktische Grenzen gegen­ über der magnetischen Durchflußmessung.

An unterschiedlichen Stellen auf dem Rohr 15 können zusätzliche Gehäuse 1, jedes mit einem Durchflußsensormechanismus, positioniert und durch den Motor 7 angetrieben sein. Dies kann erreicht werden durch Verbinden einer zweiten Kupplung 5 und einer Welle 6 mit der Scheibe 8, die dann in ein zweites Gehäuse eintritt, ähnlich dem Gehäuse 1 mit seiner Sensoranordnung. Auf diese Art und Weise können mehrfache Sensoren verwendet werden, da der Rotationsfehler zwischen den Sensoreinheiten relativ gering ist, wenn Lager mit niedriger Reibung verwendet werden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen im Querschnitt die Hauptkomponenten eines zusätzli­ chen Ausführungsbeispiels eines Vollbohrungsdurchflußsensors 100. In den Fig. 5 und 6 kann jede der Scheiben 2, 8 auch nur zwei Magnete 3,12 aufweisen, die mit entgegengesetzten Polaritäten montiert sind. Die Durchflußpassage 10 ist vom Zentrum der Scheiben 2, 6 versetzt, so daß das magnetische Feld primär eines ausgerichteten Paares von Magneten 3, 17 die Durchflußpassage 10 schneidet und mit den Elektroden 11 ausgerichtet ist.

Lager 4, 9 tragen die Scheiben 2, 8 und ermöglichen eine relativ reibungsfreie Scheibenrotation. Ein Paar von Elektroden 11 erfaßt das erzeugte Signal. Mehre­ re Drahtspulen 18 werden sequentiell erregt, um momentane Magnetfelder zu schaffen, die mit den Magneten 3, 7 zusammenwirken und dadurch bewirken, daß die Scheiben schrittweise rotieren. Auf diese Art und Weise wird ein Schrittmotor gebildet, der es ermöglicht, eine Rotation der Scheiben 2, 8 zu bewirken, wodurch die Polarität des Magnetfeldes, welche die Durchflußpassage 10 schneidet, alter­ niert wird. Diese Ausführungsform besitzt den weiteren Vorteil einer integrierten mechanischen Struktur mit relativ großem Ausgangssignal für ihre Gesamtgröße und geringem Energieverbrauch.

Die Fig. 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors. Da die in Fig. 7 und 8 gezeigten Komponenten weitgehend den physikalischen und funk­ tionellen Aspekten der ähnlich numerierten Teile in Fig. 1 und 2 entsprechen, entsprechen ähnliche Bezugszeichen mit einem Stich (z. B. 3′) den entsprechen­ den Teilen ohne den Strich in den Fig. 1 und 2. In den Fig. 7 und 8 werden stationäre Elektromagnete 3′ elektrisch erregt und erzeugen einen Magnetfluß durch die Durchflußpassage 10′. Auch wenn gleichartige Elektromagnete unter der Durchflußpassage 10′ angeordnet sein können und einen zusätzlichen ma­ gnetischen Fluß erzeugen, wie dies aufgrund der Magnete 8 in Fig. 1 der Fall ist, ist es aufgrund der höheren Kompliziertheit zweckmäßiger, daß der Magnetfluß durch die Scheibe 8 verläuft. Die Magnete 3′ werden erregt, so daß benachbarte Magnete entgegengesetzte Flußpolarität zu jedem Betriebszeitpunkt aufweisen.

Der elektrische Strom durch die Windungen der Magnete 3′ wird periodisch um­ gekehrt, was dazu führt, daß die Magnetfeldpolarität umgekehrt wird, so daß die erzeugte Spannung an den Elektroden 11′ und 12′ entsprechend ebenfalls umge­ kehrt wird und somit ihre Polarisierung und daraus resultierende Fehlersignale verhindert.

Drähte 13′ sind an den Abtastelektroden 11′ befestigt und werden durch den Stiel 15 zu den Signalverstärkungs- und -verarbeitungselektroniken geleitet. Das Be­ zugszeichen 1′ bezeichnet das elektrisch isolierende Gehäuse, welches die Kom­ ponenten zusammenhält.

Konventionelle magnetische Durchflußsensoren haben typischerweise recht gro­ ße Luftspalte für das Magnetfeld. Die vorliegende Erfindung bewirkt eine beträcht­ liche Reduzierung dieses Spalts und erreicht dadurch den Vorteil der Verwendung kleinerer Magnetfelder zur Erzeugung der elektrischen Kraft und/oder vergrößerter Ausgangssignale. Für einen Fachmann ist dabei klar, daß dann, wenn die untere Scheibe 8′ weggenommen wird, so daß der Boden des Sensors für den Durchfluß offen ist, der Luftspalt wesentlich kleiner bleibt als bei konventionellen Einzelma­ gnetdurchflußsensoren. Der Fachmann kann aus der vorstehenden Beschreibung ersehen, daß die breiten Techniken der vorliegenden Erfindung in verschiedenar­ tigster Form eingesetzt werden können. Obgleich die Erfindung anhand einiger spezieller Ausführungsbeispiels beschrieben worden ist, ist der wahre Umfang der Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt und einem Fachmann erschließen sich auch aufgrund der Zeichnung und Beschreibung und der nach­ folgenden Ansprüche weitere mögliche Modifikationen der erfindungsgemäßen Lehre.

Claims (12)

1. Durchflußsensor zum Messen der Durchflußrate einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, umfassend;
eine elektrisch isolierte Durchflußpassage,
einen Permanentmagneten zur Schaffung eines Magnetflusses senkrecht zur Richtung des Flüssigkeitsdurchflusses,
ein Paar einander gegenüberliegend an der Passage angeordnete, die Flüssigkeit kontaktierende Elektroden, die parallel zum Magnetfluß mit zu diesem senkrechter Verbindungslinie angeordnet sind, und
einen magnetischen Antrieb zur periodischen Repositionierung der Magne­ te, um die Magnetflußpolarität zu alternieren und eine Wechselspannung an den Elektroden mit einer zur Durchflußrate proportionalen Größe zu produzieren.

2. Durchflußsensor nach Anspruch 1, wobei der mechanische Antrieb zur Re­ positonierung der Magnete einen Elektromotor umfaßt.

3. Durchflußsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Permanentmagnet wenigsten zwei Pole hat und in einer Ebene parallel zur Achse der Fluidströmung in der Durchflußpassage rotiert wird.

4. Durchflußsensor nach Anspruch 1, wobei der mechanische Antrieb zur Re­ positionierung der Magnete ein Elektromotor ist und der Magnet an einem rotierenden Element des Motors befestigt ist und elektromagnetisch auf ihn eingewirkt wird, um die Rotation zu bewirken.

5. Durchflußsensor nach Anspruch 4, bei dem der Permanentmagnet wenig­ sten zwei Pole aufweist und in einer Ebene rotierend angetrieben wird, die parallel zum Flüssigkeitsdurchfluß in der Durchflußpassage liegt.

6. Durchflußsensor nach Anspruch 1, der weiterhin einen zweiten Magneten umfaßt, der bezüglich der Durchflußpassage entgegengesetzt zum ersten Magneten angeordnet ist, so daß eine wechselseitige Magnetanziehung zwischen dem ersten und zweiten Magneten zum Erzielen einer synchro­ nen Rotation besteht.

7. Durchflußsensor nach Anspruch 6, bei der Permanentmagnet wenigsten zwei Pole aufweist und in einer Ebene parallel zum Fluidfluß in der Durch­ flußpassage rotierend angetrieben wird.

8. Durchflußsensor nach Anspruch 6, umfassend zusätzliche Magnetpaare mit wenigstens vier Polen alternierender Polarität, eine Mehrzahl von parallelen benachbaren Durchflußpassagen, und eine dritte Elektrode, wobei die dritte Elektrode ein gemeinsames Bauteil zwischen den beiden benachbarten Durchlässen bildet, um eine Addition der Spannungen aus der Mehrzahl der Durchlässe zu bewirken.

9. Durchflußsensor nach Anspruch 8, der zusätzlich eine Mehrzahl von Durchflußsensoren umfaßt, die koaxial so ausgerichtet sind, daß der mo­ torgetriebene Magnet den Magneten auf der entgegengesetzten Seite sei­ ner Durchflußpassage magnetisch anzieht und mitdreht, wobei der magne­ tisch gekoppelte Magnet mechanisch mit dem mechanisch angetriebenen Magneten eines zweiten Durchflußsensors gekoppelt ist, der den Magneten auf der entgegengesetzten Seite seiner Durchflußpassage magnetisch an­ zieht und mitdreht, so daß Signale von jedem der Sensoren zur Gesamt­ durchflußmessung beitragen können.

10. Durchflußsensor zum Messen der Durchflußrate einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, umfassend:
eine elektrisch isolierte Durchflußpassage,
einen Elektromagneten mit einer Vielzahl von benachbarten Polen unter­ schiedlicher Polarität, die orthogonal bezüglich der Durchflußpassage posi­ tioniert sind, und
ein Elektroden paar, das auf gegenüberliegenden Seiten der Durchflußpas­ sage angeordnet und parallel zum Magnetfluß positioniert ist, wobei die Verbindungslinie der Elektrode senkrecht zum Magnetfluß steht, und das eine Wechselspannung an den Elektroden erzeugt, deren Größe proportio­ nal zur Durchflußrate ist.

11. Durchflußmesser nach Anspruch 10, bei dem magnetisches Material an den Seiten der Durchflußpassage entgegensetzt zum Elektromagnet ange­ ordnet ist, um die Magnetkreisreluktanz zu reduzieren und dadurch den Magnetfluß und das Ausgangssignal von den Elektroden zu erhöhen.

12. Durchflußsensor zum Messen der Durchflußrate einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, umfassend:
eine Vielzahl von elektrisch isolierten benachbarten Durchflußpassagen,
einen Elektromagnet mit einer Vielzahl von benachbarten Polen mit entge­ gengesetzter Polarität, der im wesentlichen die gleiche Polarität und einen magnetischen Fluß orthogonal zum Flüssigkeitsdurchfluß in beiden Passa­ gen erzeugt,
drei Elektroden in Kontakt mit der Flüssigkeit, wobei zwei der Elektroden auf den Außenseiten der Durchflußpassagen parallel zum Magnetfluß an­ geordnet sind, wobei die Verbindungslinie der Elektroden senkrecht zum Magnetfluß steht, während die dritte Elektrode gemeinsam für beide Durch­ flußpassagen ist, um eine Addition der erzeugten Spannungen aus beiden Passagen zu bewirken, die mit der Frequenz der elektromagnetischen elektrischen Erregung alterniert und eine Größe proportional zur Durchfluß­ rate aufweist.