Skip to content
Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag May 4, 2019

Magnetisch-induktive Durchflussmessung mittels remanentem Magnetismus

Electromagnetic flow metering by means of remanent magnetism
Michael A. Linnert

M. Sc. Michael A. Linnert hat von 2010 bis 2015 Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg studiert. Seit 2016 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsarbeiten umfassen die Auslegung hysteresebehafteter Magnetkreise sowie die statistische Signalverarbeitung zur Verringerung des Leistungsbedarfs magnetisch-induktiver Durchflusssensoren.

EMAIL logo
, Simon O. Mariager

Dr. Simon O. Mariager erlangte seinen M. Sc. und Ph. D. Abschluss in Physik an der University Kopenhagen in 2006 bzw. 2010. Er war von 2010 bis 2014 Postdoktorand am Paul Scherrer Institut in Villingen, Schweiz. Seit 2015 arbeitet er in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Endress+Hauser Flowtec AG in Reinach, Schweiz.

and Reinhard Lerch

Prof. Dr.-Ing. Reinhard Lerch leitet seit 1999 den Lehrstuhl für Sensorik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Seit 2016 ist er Dekan der technischen Fakultät der Universität-Erlangen-Nürnberg. Zuvor war er von 1993 bis 1999 Vorstand am Institut für Elektrische Messtechnik der Johannes Kepler Universität Linz. Seine Hauptarbeitsgebiete sind elektromechanische Sensoren und Aktoren, sowie Technische Akustik.

From the journal tm - Technisches Messen

Zusammenfassung

Magnetisch-induktive Durchflusssensoren zeichnen sich durch lange Wartungsintervalle aus, sind jedoch auf die Zuführung elektrischer Leistung zur Erzeugung des für die Messung benötigten magnetischen Wechselfelds angewiesen. In jüngster Zeit gibt es Bestrebungen Sensoren kabellos zu betreiben. Die Minimierung des Leistungsbedarfs des Sensors gewinnt so zunehmend an Bedeutung, um eine lange Betriebszeit des Messwertgebers sicherzustellen. In diesem Beitrag wird deshalb ein magnetisch remanentes Material hinsichtlich seines Energieeinsparpotentials für die magnetisch-induktive Durchflussmessung untersucht. Im Gegensatz zur üblichen Felderzeugung mittels Elektromagneten wird nur während der kurzen Umpolzeiträume elektrische Leistung benötigt. Danach bleibt das Magnetfeld auch ohne weitere Zuführung elektrischer Leistung konstant und kann zur Durchflussmessung herangezogen werden. Anders als beispielsweise Ferritmagnete lassen sich remanente Magnetmaterialien jedoch unter geringerem Energieaufwand umpolen, was sie für die Erzeugung magnetischer Wechselfelder prädestiniert. Wie ein Sensor auf Basis remanenter Materialien dimensioniert werden sollte, damit ein für die Messung ausreichendes Magnetfeld unter minimalen Verlusten erzeugt wird, ist eine der Kernfragen dieses Beitrags. Dazu wird ein Prototyp mithilfe eines Modells ausgelegt und messtechnisch untersucht. Die Ansteuerung des Sensors erfolgt über eine eigens entwickelte Logikschaltung. Es konnte gezeigt werden, dass die Messgenauigkeit unabhängig von der Art der Felderzeugung erhalten bleibt. Für niedrige Feldwechselraten kann der geringe Leistungsbedarf remanenter Magnetmaterialien bestätigt werden.

Abstract

One of the key features of electromagnetic flow meters is their long maintenance interval. Nevertheless, they rely on a power supply for generating the clocked DC field required for flow metering. With recent sensors being intended to operate wireless, a low power demand is requisite in order to guarantee long up times. For this purpose, a remanent magnetic material will be evaluated for its potential to save energy. In contrast to the common field generation by electromagnets, power will only be consumed during the short time of the field switch. Subsequently, the magnetic field will remain constant without any ongoing power supply and can be employed for flow metering. Compared to ferrit magnets, remanent materials are easier to commutate. Therefore, they are predestinated for the generation of clocked magnetic fields. How to design a sensor based on remanent materials, providing a sufficient magnetic field under minimal losses, is one of the key tasks of this contribution. A prototype will be designed and evaluated by means of a model. The sensor will be controlled by a newly developed logic circuit. The measurement accuracy is demonstrated to be independent of the physical principle applied for field generation. The low power demand of residual magnetism is validated for low field switching rates.

About the authors

Michael A. Linnert

M. Sc. Michael A. Linnert hat von 2010 bis 2015 Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg studiert. Seit 2016 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig. Seine Forschungsarbeiten umfassen die Auslegung hysteresebehafteter Magnetkreise sowie die statistische Signalverarbeitung zur Verringerung des Leistungsbedarfs magnetisch-induktiver Durchflusssensoren.

Simon O. Mariager

Dr. Simon O. Mariager erlangte seinen M. Sc. und Ph. D. Abschluss in Physik an der University Kopenhagen in 2006 bzw. 2010. Er war von 2010 bis 2014 Postdoktorand am Paul Scherrer Institut in Villingen, Schweiz. Seit 2015 arbeitet er in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Endress+Hauser Flowtec AG in Reinach, Schweiz.

Reinhard Lerch

Prof. Dr.-Ing. Reinhard Lerch leitet seit 1999 den Lehrstuhl für Sensorik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Seit 2016 ist er Dekan der technischen Fakultät der Universität-Erlangen-Nürnberg. Zuvor war er von 1993 bis 1999 Vorstand am Institut für Elektrische Messtechnik der Johannes Kepler Universität Linz. Seine Hauptarbeitsgebiete sind elektromechanische Sensoren und Aktoren, sowie Technische Akustik.

Literatur

1. Rupitsch, S. J.: Piezoelectric Sensors and Actuators. Springer, 2019.Search in Google Scholar

2. Grand View Research (Hrsg.): Flow Meters Market Size, Share & Trends Analysis Report By Product, By Application (Water & Wastewater, Oil & Gas, Chemicals, Power Generation, Pulp & Paper, Food & Beverage) By Region, and Segment Forecasts, 2018–2025. Grand View Research, Spear Street 1100, San Francisco, CA 94105, United States, 2018.Search in Google Scholar

3. Altendorf, M., u. a.: Durchfluss-Handbuch: Ein Leitfaden für die Praxis: Messtechniken–Anwendungen–Lösungen. Endress+Hauser, 2004.Search in Google Scholar

4. Tränkler, H.-R., Reindl, L. M.: Sensortechnik: Handbuch für Praxis und Wissenschaft. Springer-Verlag, 2015.Search in Google Scholar

5. Himmel, J.: Energieeinsparung bei der magnetisch-induktiven Durchflußmessung. Bd. 23, Springer-Verlag, 2013. Dissertation.Search in Google Scholar

6. Baker, R. C.: Flow measurement handbook: industrial designs, operating principles, performance, and applications. Cambridge University Press, 2005.Search in Google Scholar

7. Bonfig, K. W.: Technische Durchflussmessung: unter besonderer Berücksichtigung neuartiger Durchflussmessverfahren. Vulkan-Verlag GmbH, 2002.Search in Google Scholar

8. Ma, L., McCann, D., Hunt, A.: Combining Magnetic Induction Tomography and Electromagnetic Velocity Tomography for Water Continuous Multiphase Flows. IEEE Sensors Journal 17 (2017), no. 24, S. 8271–8281.10.1109/JSEN.2017.2758601Search in Google Scholar

9. Watral, Z., Jakubowski, J., Michalski, A.: Electromagnetic flow meters for open channels: Current state and development prospects. Flow Measurement and Instrumentation 42 (2015), S. 16–25. DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2015.01.003.Search in Google Scholar

10. Michalski, A., Starzynski, J., Wincenciak, S.: 3-D approach to designing the excitation coil of an electromagnetic flowmeter. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 51 (2002), S. 833–839.10.1109/TIM.2002.803502Search in Google Scholar

11. Slavik, L., Novak, M.: Magnetic circuit of electromagnetic flow meter with capacitive electrodes. In: Proceedings of the 2017 IEEE International Workshop of Electronics, Control, Measurement, Signals and their Application to Mechatronics, ECMSM 2017, 2017 S. 1–5.Search in Google Scholar

12. Li, Y., Wu, S., Jin, T., Lei, G.: Experimental study on the performance of capacitance-type meters for slush nitrogen measurement. Experimental Thermal and Fluid Science 88 (2017), S. 103–110. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2017.05.013.Search in Google Scholar

13. Yang, Y., Wang, D., Niu, P., Liu, M., Wang, S.: Gas-liquid two-phase flow measurements by the electromagnetic flowmeter combined with a phase-isolation method. Flow Measurement and Instrumentation. 60 (2018), S. 78–87. DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2018.02.002.Search in Google Scholar

14. Shercliff, J. A.: The theory of electromagnetic flow-measurement. Reiss. Cambridge science classics, Cambridge Univ. Pr., Cambridge u. a., 1987.Search in Google Scholar

15. Schommartz, G.: Induktive Strömungsmessung. Verlag Technik, 1974.Search in Google Scholar

16. Schukat, M.: Einsatzmöglichkeiten magnetisch-induktiver Durchflußmesser durch Anwendung des Signalhüllkurvenberechnungs-Verfahrens. Shaker, 2000. Dissertation.Search in Google Scholar

17. Sensus GmbH (Hrsg.): iPERL - Static electromagnetic meter with remanent magnetic technology. Sensus GmbH, Meineckestraße 10, 30880 Laatzen, Deutschland, 2018.Search in Google Scholar

18. Ida, N., Bastos, J. P. A.: Electromagnetics and calculation of fields. Springer Science & Business Media, 2013.Search in Google Scholar

19. Cassing, W.: Dauermagnete: Mess-und Magnetisiertechnik. expert Verlag, 2007.Search in Google Scholar

20. Bastos, J. P. A.: Electromagnetic modeling by finite element methods. Bd. 117: Electrical and computer engineering. Dekker, New York [U. a.], 2003.Search in Google Scholar

21. Kallenbach, E., Eick, R., Quendt, P., Ströhla, T., Feindt, K., Kallenbach, M., Radler, O.: Elektromagnete. Grundlagen, Berechnung, Entwurf und Anwendung, 4., überarb. und erw. aufl. ed, Studium, Vieweg & Teubner, Wiesbaden, 2012. ISBN 9783834882974.Search in Google Scholar

22. Tumanski, S.: Handbook of magnetic measurements. CRC press, 2016.Search in Google Scholar

23. Bi, S.: Characterization and modeling of hysteresis in ferromagnetic material. Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 2014. Ph. D. thesis.Search in Google Scholar

24. Byrd, R. H., Gilbert, J. C., Nocedal, J.: A trust region method based on interior point techniques for nonlinear programming. Mathematical Programming 89 (2000), S. 149–185. DOI: 10.1007/PL00011391.Search in Google Scholar

25. Lerch, R.: Elektrische Messtechnik. Analoge, digitale und computergestützte Verfahren, 7. Aufl., Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 2016. DOI: 10.1007/978-3-662-46941-5. ISBN: 9783662469415.Search in Google Scholar

26. Linnert, M. A., Mariager, S. O., Rupitsch, S. J., Lerch, R.: Dynamic offset correction of electromagnetic flow meters. In: 2018 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC). 2018, S. 1–6.Search in Google Scholar

27. Linnert, M. A., Mariager, S. O., Rupitsch, S. J., Lerch, R.: Dynamic Offset Correction of Electromagnetic Flowmeters. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement (2018), S. 1–10. DOI: 10.1109/TIM.2018.2880942.Search in Google Scholar

28. Tränkler, H.-R., Fischerauer, G.: Das Ingenieurwissen: Messtechnik. Springer-Verlag, 2014.Search in Google Scholar

Received: 2019-02-15
Accepted: 2019-04-10
Published Online: 2019-05-04
Published in Print: 2020-01-28

© 2020 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston

Downloaded on 1.12.2022 from frontend.live.degruyter.dgbricks.com/document/doi/10.1515/teme-2019-0017/html
Scroll Up Arrow