Måleprinsipp for elektromagnetisk mengdemåling

Elektromagnetiske flowmålere, også kjent som magmetere eller magnetiske flowmetere, har eksistert siden 1939. Den sveitsiske presten og oppfinneren Fader Bonaventura Thürlemann (1909 – 1997) var en pioner innen industriell utnyttelse av dette måleprinsippet.

Det fysiske fenomenet som teknikken er basert på, har imidlertid vært kjent mye lenger. Den engelske fysikeren Michael Faraday (1791 – 1867) oppdaget at elektriske ladninger induseres i en ledende metallstang med lengde (L) som beveges med hastighet (v) gjennom et magnetfelt (B), og følgelig genereres en spenning (Ue) på noen få millivolt mellom endene av stangen. Faraday oppdaget også at størrelsen på spenningen som induseres på denne måten, er direkte proporsjonal med hastigheten (v) på bevegelsen og styrken (B) på magnetfeltet:

I et elektromagnetisk flowmeter (Fig. 1) tilsvarer den ledende væsken som strømmer inne i målerøret metallstangen i Faradays eksperiment. Magnetfeltet med konstant styrke genereres av to feltspoler, en på hver side av målerøret. To elektroder på innsiden av rørets vegg oppdager spenningen som genereres når væsken strømmer gjennom dette feltet. Målerøret er elektrisk isolert fra væsken og elektroden med en ikke-ledende foring (f.eks. polyuretan, hard gummi, PTFE, PFA polyamid, etc.). Gitt et magnetfelt med konstant styrke (B), viser ligningen Ue = B ⋅ L ⋅ v at den induserte målespenningen (Ue) er direkte proporsjonal med strømningshastigheten (v). Rørets tverrsnitt (A) er kjent, så volumetrisk strømning (QV) beregnes enkelt.

Den største fordelen med dette måleprinsippet er at det ikke påvirkes av trykk, temperatur og viskositet. Strømningsprofilen har minimal effekt på måleresultatene. Dette er egenskaper som gjør elektromagnetiske flowmetere svært attraktive for et bredt spekter av industrielle måleapplikasjoner.

Målerør (a): Fysisk sett er det viktig at målerøret verken hindrer eller forvrenger magnetfeltet, derfor er det laget av rustfritt stål.

Foring (b): Foringen er den nødvendige isolatoren mellom elektrodene og målerøret, og hindrer den induserte spenningen fra å ledes til røret. Fysisk og kjemisk motstand mot væsken er også viktige egenskaper for foringen. Polyuretan, hard gummi og PFA/PTFE er blant de mest brukte materialene.

Spolesystem (c): Magnetfeltet genereres av to kobbertrådspoler med magnetiske kjerner montert utenfor målerøret.

Elektroder (d₁–d₃):

• Måleelektroder (d1) for å detektere den induserte spenningen. Prosessbetingelser bestemmer elektrodematerialet, som kan være rustfritt stål, hastelloy, tantal eller platina.
• Referanse- eller jordelektrode (d2) for potensialutjevning mellom måler og væske. Separate jordingsskiver (ringer) kan installeres for samme formål.
• Tomrørsdeteksjonselektrode (d3) for å detektere delvis fylte eller tomme målerør. Senderen utløser en alarm hvis væsken slutter å fukte denne elektroden.

Bruk av pulset likestrøm (DC) er en velprøvd moderne metode for å generere magnetfeltet. Det genererer det som kalles et "pulset DC-felt". Polariteten til magnetfeltet reverseres periodisk, med det resultat at påfølgende målespenninger (U+, U–) ved elektrodene har motsatte tegn (se Fig. 4). Differansen som oppnås fra de to målte verdiene tilsvarer den induserte spenningen (Uflow):

På denne måten elimineres interferensspenninger fra beregningen. Den resulterende målte spenningen, som tilsvarer gjennomsnittlig strømningshastighet, konverteres til et volumetrisk strømsignal av elektronikken og gjøres tilgjengelig som standardiserte utgangssignaler (f.eks. 4–20 mA strømutgang).