Magnetisch-induktives Durchflussmessprinzip

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, auch bekannt als Magnetometer oder elektromagnetische Durchflussmessgeräte, sind seit 1939 auf dem Markt. Der Schweizer Geistliche und Erfinder Pater Bonaventura Thürlemann (1909-1997) leistete Pionierarbeit bei der industriellen Nutzung dieses Messprinzips.

Das physikalische Phänomen, auf dem die Messmethode basiert, ist jedoch schon sehr viel länger bekannt. Der englische Physiker Michael Faraday (1791-1867) erkannte, dass in einem leitfähigen Metallstab der Länge (L) elektrische Ladungen induziert werden, wenn er sich mit einer Geschwindigkeit (v) durch ein Magnetfeld (B) bewegt, und dass folglich eine Spannung (U_e) von einigen Millivolt zwischen den Enden des Stabs erzeugt wird. Faraday entdeckte auch, dass die Höhe der auf diese Weise induzierten Spannung direkt proportional zur Geschwindigkeit (v) der Bewegung und zur Stärke (B) des Magnetfelds ist:

In einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät (Abb. 1) entspricht die leitfähige Flüssigkeit, die im Messrohr fließt, dem Metallstab in Faradays Experiment. Das Magnetfeld konstanter Stärke wird durch zwei Feldspulen erzeugt, eine auf jeder Seite des Messrohrs. Zwei Elektroden an der Innenwand des Rohrs registrieren die Spannung, die entsteht, wenn die Flüssigkeit durch dieses Feld fließt. Das Messrohr ist durch eine nicht leitende Auskleidung (beispielsweise Polyurethan, Hartgummi, PTFE, PFA-Polyamid etc.) elektrisch von der Flüssigkeit und der Elektrode isoliert. Bei einem Magnetfeld konstanter Stärke (B) zeigt die Gleichung U_e = B ⋅ L ⋅ v, dass die induzierte Messspannung (U_e) direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit (v) ist. Der Rohrquerschnitt (A) ist bekannt, sodass der Volumenstrom (Q_V) leicht berechnet werden kann:

Der große Vorteil dieses Messprinzips besteht darin, dass es unabhängig von Druck, Temperatur und Viskosität ist. Das Strömungsprofil hat nur minimale Auswirkungen auf die Messergebnisse. Diese Eigenschaften machen magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte für eine Vielzahl von industriellen Messanwendungen äußerst attraktiv.

Messrohr (a):
Aus physikalischer Sicht ist es wichtig, dass das Messrohr das Magnetfeld weder behindert noch verzerrt. Daher besteht es aus rostfreiem Stahl.

Auskleidung (b):
Die Auskleidung ist der notwendige Isolator zwischen den Elektroden und dem Messrohr, der verhindert, dass sich die induzierte Spannung auf das Rohr entlädt. Die physikalische und chemische Beständigkeit gegenüber der Flüssigkeit sind ebenfalls wichtige Eigenschaften für die Auskleidung. Polyurethan, Hartgummi und PFA/PTFE gehören zu den am häufigsten verwendeten Materialien.

Spulensystem (c):
Das Magnetfeld wird durch zwei Kupferdrahtspulen mit Magnetkernen erzeugt, die außerhalb des Messrohrs angebracht sind.

Elektroden (d₁-d₃):

• Messelektroden (d₁) zur Erfassung der induzierten Spannung. Die Prozessbedingungen sind ausschlaggebend für das Elektrodenmaterial, das aus Edelstahl, Hastelloy, Tantal oder Platin bestehen kann.
• Bezugs- oder Masseelektrode (d₂) für den Potenzialausgleich zwischen Messgerät und Flüssigkeit. Für den gleichen Zweck können separate Erdungsscheiben (Ringe) installiert werden.
• Leerrohrerkennungselektrode (d₃) zur Erkennung teilweise gefüllter oder leerer Messrohre. Der Transmitter löst einen Alarm aus, wenn die Flüssigkeit diese Elektrode nicht mehr benetzt.

Die Verwendung eines gepulsten Gleichstroms ist ein bewährtes modernes Verfahren zur Erzeugung des Magnetfelds. Es erzeugt ein „gepulstes Gleichstromfeld“. Die Polarität des Magnetfelds wird periodisch umgekehrt, sodass aufeinanderfolgende Messspannungen (U₊, U_-) an den Elektroden entgegengesetzte Vorzeichen haben (siehe Abbildung 4). Die Differenz der beiden Messwerte entspricht der induzierten Spannung (U_flow):

Auf diese Weise werden Störspannungen aus der Berechnung eliminiert. Die daraus resultierende gemessene Spannung, die der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit entspricht, wird von der Elektronik in ein Volumenstromsignal umgewandelt und als standardisiertes Ausgangssignal (beispielsweise 4...20-mA Stromausgang) zur Verfügung gestellt.