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Die
Erfindung betrifft einen magnetisch-induktiven Durchflußmesser
mit einer Meßstrecke,
einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes
senkrecht zur Meßstrecke, einer
Elektrodenanordnung, die senkrecht zur Meßstrecke und senkrecht zum
Magnetfeld angeordnet ist, und einer Auswerteeinrichtung, die einen
Verstärker
und eine Steuereinrichtung aufweist.
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Ein
derartiger Durchflußmesser
ist beispielsweise aus
US 4 704
908 bekannt. Wenn ein Fluid durch die Meßstrecke
fließt
und ein Magnetfeld erzeugt wird, dann entsteht zwischen den Elektroden der
Elektrodenanordnung eine Spannung, die von der Auswerteeinrichtung
ausgewertet werden kann. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung wird
dabei so betrieben, daß das
Magnetfeld abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen gerichtet
ist. Dementsprechend kehrt sich auch das Vorzeichen der zwischen
den Elektroden der Elektrodenanordnung anliegenden Spannung um. Über eine
zeitliche Mittlung (oder eine andere Auswertung) der jeweils invertierten
Spannungen lassen sich dann gewisse Fehler unterdrücken.
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Ein
weiterer Durchflußmesser
ist aus
EP 1 030 168
A1 bekannt. Die Auswerteeinrichtung bewirkt eine hohe Unterdrückung eines
Gleichtaktsignals und eine hohe Unterdrückung von niederfrequenten
Anteilen im Differenzsignal. Dies wird dadurch bewirkt, daß die Auswerteeinrichtung
mit einem Vorverstärker
ausgerüstet
ist, der ein differentiell arbeitender Vorverstärker ist.
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In
bestimmten Anwendungsbereichen wird ein Durchflußmesser der eingangs genannten
Art nicht kontinuierlich betrieben. Das Magnetfeld wird also nur
von Zeit zu Zeit erzeugt. Auch die Auswerteeinrichtung ist nicht
laufend eingeschaltet. Eine derartige Betriebsweise wählt man
insbesondere bei batteriebetriebenen Durchflußmessern, um Energie einzusparen.
Aber auch Durchflußmesser,
bei denen man aufgrund einer ungünstigen
räumlichen
Anordnung ein Meßsignal
nur von Zeit zu Zeit abnehmen kann, können auf diese Weise betrieben
werden.
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Bei
einer derartigen Betriebsweise entsteht nun das Problem, daß das Signal,
das an den Elektroden der Elektrodenanordnung abgenommen werden
kann, nicht nur eine Wechselspannungskomponente enthält, die
im wesentlichen die Information des Meßsignals enthält, sondern
auch eine unerwünschte
Gleichspannungskomponente. Diese Gleichspannungskomponente kann
sehr viel größer sein
als die Wechselspannungskomponente. Beispielsweise kann die Gleichspannungskomponente bis
zu mehreren 100 Mil livolt betragen, was sehr viel ist zum Vergleich
zur Wechselspannungskomponente, deren Amplitude in der Größenordnung
10 Mikrovolt liegt. Man möchte
nun das Wechselspannungssignal durch den Verstärker verstärken lassen. Der Verstärker verstärkt jedoch
auch das Gleichspannungssignal. Aufgrund des großen Gleichspannungssignals
kommt der Verstärker
dann relativ schnell in einen Sättigungsbereich,
d.h. das Ausgangssignal des Verstärkers hängt nicht mehr linear mit der
Wechselspannungskomponente zusammen.
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Es
ist zwar theoretisch möglich,
das Wechselspannungssignal mit einem Hochpassfilter herauszufiltern.
Diese Vorgehensweise ist jedoch aufwendig und nicht immer mit Erfolg
verbunden. Die Zeit, in der der Vorverstärker aktiv ist, ist kurz verglichen
mit der Zeitkonstanten eines Hochpassfilters, und deshalb wird die
gewünschte
Dämpfung
des Gleichspannungssignals nicht erreicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Durchflußmesser
mit einer verbesserten Genauigkeit anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Durchflußmesser
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Auswerteeinrichtung eine
unterschiedliche Verstärkung
für Wechselspannungs-
und Gleichspannungsanteile eines Signals von der Elektrodenanordnung
aufweist.
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Mit
der Vorgehensweise vermeidet man eine Übersteuerung des Verstärkers. Die
Gleichspannungsanteile werden mit einem wesentlich geringeren Verstärkungsfaktor
als die Wechselspannungsanteile verstärkt, theoretisch mit dem Faktor
Null. Die Wechselspannungsanteile werden wesentlich stärker verstärkt als
die Gleichspannungsanteile. Damit vermeidet man, daß der Verstärker in
einen Sättigungsbereich
kommt. Die Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal
des Verstärkers
bleibt besser kontrollierbar. Damit ergibt sich eine verbesserte
Genauigkeit.
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Vorzugsweise
weist die Auswerteeinrichtung eine Gleichspannungsentfernungseinrichtung
auf. Dieser Begriff ist funktional zu verstehen. Selbstverständlich kann
man eine Gleichspannung nicht ohne weiteres entfernen. Die Gleichspannungsentfernungseinrichtung
sorgt aber dafür,
daß die
Gleichspannungskomponente des Meßsignals, das zwischen den
Elektroden der Elektrodenanordnung abgenommen wird, nur in einem
verminderten Umfang dem Verstärker
zugeführt
wird. Dementsprechend kann der Verstärker die Gleichspannungskomponente
auch nur in einem verminderten Umfang verstärken.
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Auch
ist von Vorteil, daß die
Steuereinrichtung eine Beaufschlagung der Magnetfelderzeugungseinrichtung
erst nach einer Abtastung des Gleichspannungssignals einleitet,
und daß eine
neue Abtastung vor jeder Meßperiode
durchgeführt
wird.
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Vorzugsweise
ist die Gleichspannungsentfernungseinrichtung vor dem Verstärker angeordnet. Man
schaltet die Gleichspannungsentfernungseinrichtung also so mit dem
Eingang des Verstärkers
zusammen, daß die
Gleichspannung nur mit einem Bruchteil ihres ursprünglich vorhandenen
Werts am Eingang ansteht. Theoretisch steht die gleiche Spannung
am invertierenden und am nicht invertierenden Eingang an, so daß die zu
verstärkende
Differenzspannung Null beträgt
und nicht verstärkt
wird. Dementsprechend ist gemessen an der ursprünglichen Gleichspannungskomponente
die Verstärkung
des Gleichspannungsanteils wesentlich geringer als die Verstärkung des
Wechselspannungsanteils.
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Bevorzugterweise
weist die Gleichspannungsentfernungseinrichtung einen geschalteten Speicher
auf, der mit einem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden
ist. Der Speicher, beispielsweise ein Kondensator, speichert also
die Gleichspannung und führt
sie dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers zu. Wenn danach ein Meßzyklus
erfolgt, dann kann dem invertierenden Eingang des Verstärkers das "komplette" Signal zwischen
den Elektroden der Elektrodenanordnung zugeführt werden, d.h. ein Signal,
das sowohl die Wechselspannungskomponente als auch die Gleichspannungskomponente
enthält.
Der Verstärker
verstärkt
die Differenz zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden
Eingang. Da am invertierenden und am nichtinvertierenden Eingang
etwa gleich große
Gleichspannungskomponenten anliegen, wird die Gleichspannungskomponente
praktisch nicht verstärkt.
Es verbleibt eine Verstärkung
der Wechselspannungskomponente.
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Vorzugsweise
leitet die Steuereinrichtung eine Beaufschlagung der Magnetfelderzeugungseinrichtung
erst dann ein, wenn eine Änderungsgeschwindigkeit
der Gleichspannung am Verstärker
einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Man wartet also ab, bis
der Speicher soweit aufgeladen ist, daß der gespeicherte Wert im
Prinzip der Gleichspannungskomponente des Meßsignals ent spricht. Da sich
ein Kondensator beispielsweise nach einer exponentiellen Funktion
auflädt,
würde eine
vollständige Übereinstimmung
der Ladespannung des Kondensators mit der Gleichspannung relativ
lange dauern. Man läßt daher
einen gewissen Fehler zu. Wenn sich die Spannung an dem Kondensator
praktisch nicht mehr ändert,
dann geht man davon aus, daß die gewünschten
Bedingungen erfüllt
sind, also während der
nachfolgenden Periode dem nicht-invertierenden Eingang die Gleichspannungskomponente
des Meßsignals
zugeführt
wird. In diesem Fall ist es möglich, einen
Meßzyklus
zu beginnen und das Magnetfeld zu erzeugen.
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Vorzugsweise
steuert die Steuereinrichtung die Magnetfelderzeugungseinrichtung
so an, daß sie zu
verschiedenen Zeiten unterschiedliche Magnetfeldrichtungen erzeugt.
Mit dieser an sich bekannten Technik lassen sich bestimmte Störungen herausfiltern.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, daß die Steuereinrichtung
die Magnetfelderzeugungseinrichtung so ansteuert, daß in einer
ersten Meßperiode ein
Magnetfeld zuerst in einer ersten Richtung und dann in einer zweiten
Richtung und in einer folgenden Meßperiode zuerst in der zweiten
Richtung und dann in der ersten Richtung erzeugt wird, und das Ausgangssignal
der beiden Meßperioden
miteinander verknüpft.
Die erste und die zweite Richtung des Magnetfeldes sind einander
entgegengesetzt. Wenn man nun nicht in jeder Meßperiode gleiche Abfolge von
Magnetfeldblöcken
erzeugt, sondern diese Abfolge sozusagen invertiert, dann kann man
auch Erscheinungen kompensieren, die sich durch einen nicht linearen
Anteil einer Gleichspannungskomponente erge ben. Dieser nicht lineare
Anteil kann sich beispielsweise dadurch ergeben, daß die Spannung am
Speicher, beispielsweise dem oben genannten Kondensator, nicht konstant
bleibt, sondern diese Spannung nichtlinear abnimmt, beispielsweise
nach einer e-Funktion.
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Vorzugsweise
ist eine Spannungsanhebeschaltung vorgesehen, die das Ausgangssignal
des Verstärkers
in einen Bereich um die Mitte eines Versorgungsspannungsbereichs
anhebt. Damit erreicht man günstige
Auswertebedingungen für
das Ausgangssignal des Verstärkers.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
eines magnetisch-induktiven Durchflußmessers und
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2 eine schematische Darstellung
einer Auswerteeinrichtung.
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Ein
magnetisch-induktiver Durchflußmesser 1 weist
eine Meßstrecke 2 auf,
die in einem Rohr 3 ausgebildet ist. Das Rohr 3 hat
eine Erstreckung senkrecht zur Zeichenebene der 1. Dementsprechend wird die Meßstrecke 2 senkrecht
zur Zeichenebene von einem Fluid, beispielsweise einer Flüssigkeit
durchströmt.
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Eine
Magnetfelderzeugungseinrichtung mit zwei Spulen 4, 5 erzeugt
ein durch einen Doppelpfeil symbolisiertes Magnetfeld 6 senkrecht
zur Durchströmungsrichtung
der Meßstrecke 2.
Die Spulen 4, 5 werden dabei so angesteu ert, daß das Magnetfeld in
einem gewissen Zeitabschnitt eine erste Richtung aufweist, beispielsweise
von unten nach oben (bezogen auf die Darstellung der 1) und in einem zweiten
Zeitraum die entgegengesetzte Richtung. Die Zeiträume können dabei
in der Größenordnung
von mehreren 10 ms liegen. Im Grunde erzeugt man also ein niederfrequentes
Wechselfeld.
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Ferner
sind zwei Elektroden 7, 8 vorgesehen, die eine
Elektrodenanordnung bilden, die senkrecht zur Meßstrecke 2 und senkrecht
zum Magnetfeld 6 angeordnet ist. Wenn nun ein Fluid, beispielsweise
eine Flüssigkeit,
durch die Meßstrecke 2 strömt und ein
Magnetfeld anliegt, dann entsteht eine Spannung zwischen den beiden
Elektroden 7, 8. Diese Spannung hat die gleiche,
relativ niedrige Frequenz wie das Magnetfeld.
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Diese
Spannung wird einer Auswerteeinrichtung 9 zugeführt. Die
Auswerteeinrichtung 9 weist eine Verstärkereinrichtung 10 auf.
Ferner weist die Auswerteeinrichtung 9 eine Steuereinrichtung 11 auf, die
die Verstärkereinrichtung 10 und
eine Spulentreibereinrichtung 12 steuert.
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Die
Verstärkereinrichtung 10 wird
nun im Zusammenhang mit 2 beschrieben.
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Die
Elektrodenanordnung mit dem beiden Elektroden 7, 8 ist
dargestellt als ein Generator VE, der durch
einen Gleichspannungsgenerator 13 und einen Wechselspannungsgenerator 14 gebildet
ist. Der Wechselspannungsgenerator 14 soll dabei die oben
erwähnte
Wechselspannung erzeugen. Der Ausgang des Spannungsgenerators VE wird ei nem Verstärker 15 zugeführt, der
einen invertierenden Eingang 16 und einen nicht-invertierenden
Eingang 17 aufweist. Der Verstärker 15 verstärkt die
Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden Eingang und dem nicht-invertierenden
Eingang 17, wobei der Verstärkungsfaktor bestimmt wird
durch ein Verhältnis
zwischen einem Widerstand R1, der zwischen einem Ausgang 22 des
Verstärkers 15 und dem
invertierenden Eingang 16 angeordnet ist, und einem Widerstand
R2 zwischen dem Eingang 16 des Verstärkers 15 und dem Generator
VE. Das Verhältnis R1/R2 kann beispielsweise
20 betragen.
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Bei
dieser Ausgestaltung entsteht nun das Problem, daß der Verstärker 15 übersteuert
wird, wenn die Gleichspannungskomponente des Gleichspannungsgenerators 13 wesentlich
größer ist
als die Wechselspannungskomponente des Wechselspannungsgenerators 14.
Eine derartige Situation tritt beispielsweise dann auf, wenn die
Auswerteeinrichtung 9 eingeschaltet wird. Möglicherweise
ist dies darauf zurückzuführen, daß sich auf
den Elektroden 7, 8 zunächst eine elektrische Ladungsschicht
aufbauen muß.
Die Gleichspannungskomponente kann bis zu mehreren 100 Millivolt
betragen, was sehr viel ist im Vergleich zum Wechselspannungssignal
vom Wechselspannungsgenerator 14.
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Man
verwendet daher folgende Vorgehensweise, um die Wechselspannungsanteile
und die Gleichspannungsanteile vom Spannungsgenerator VE,
d.h. der Spannung zwischen den Elektroden 7, 8 mit
unterschiedlichen Verstärkungen
zu verstärken.
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Der
nicht-invertierende Eingang 17 ist mit einem Kondensator 18 als
Speicher verbunden, der im übrigen
mit Masse 19 verbunden ist. Der Kondensator 18 wird über einen
Schalter 20 mit einer Spannung aus einem Spannungsteiler
R3, R4 aufgeladen, der seine Spannung vom Spannungsgenerator VE bekommt. Der Schalter 20 wird
dabei von der Steuereinrichtung 11 betätigt.
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Kurz
bevor die Spulen 4, 5 mit Strom versorgt werden,
um das Magnetfeld zu erzeugen, wird der Schalter 20 von
der Steuereinrichtung 11 geschlossen. Ein Signal S, d.h.
die Spannung zwischen den Elektroden 7, 8 läuft über den
Widerstand R3 des Spannungsteilers R3, R4 und den Schalter 20 zum Kondensator 18 und
zum nichtinvertierenden Eingang 17. Dieses Signal S beinhaltet
die Gleichspannungskomponente und die erwähnte Wechselspannungskomponente,
die aber wesentlich kleiner als die Gleichspannungskomponente ist
und im wesentlichen durch ein Rauschsignal von der Meßelektrode 7, 8 gebildet
ist. Das Signal S beinhaltet noch kein Meßsignal, denn das wird erst
später
durch das noch nicht vorliegende Magnetfeld 6 erzeugt.
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Der
Schalter 20 bildet zusammen mit dem Kondensator 18 eine
Art Abtast- und Halteglied. Der Schalter 20 bleibt solange
geschlossen, bis der Kondensator 18 aufgeladen ist. Die
Aufladezeit wird durch eine Zeitkonstante bestimmt, die sich aus
der Parallelschaltung aus R3 und R4 und dem Kondensator 18 ergibt.
Der Schalter 20 wird solange geschlossen gehalten, bis
sich die Spannung über
den Kondensator 18 nicht mehr oder nicht mehr merklich ändert, d.h.
bis sie die gleiche Amplitude hat, wie am Eingang des Schalters 20.
Danach öffnet
der Schalter 20. Es steht eine Spannung über den
Kondensator 18 an, die gleich ist (oder ungefähr gleich
ist) wie die Gleichspannungsamplitude am invertierenden Eingang 16.
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Die
Gleichspannungskomponente ist somit am invertierenden Eingang 16 und
am nicht-invertierenden Eingang 17 praktisch gleich, so
daß keine
Differenz besteht, die verstärkt
werden kann. Eine Ausgangsspannung V01 des Verstärkers 15 ist damit Null.
Nun kann die eigentliche Durchflußmessung beginnen. Die Steuereinrichtung 11 nimmt
die Spulentreibereinrichtung 12 in Betrieb, die ein Magnetfeld mit
wechselnden Richtungen erzeugt. Hierzu ist es lediglich erforderlich,
die Spulen 4, 5 jeweils mit Strom zu beaufschlagen,
der in entgegengesetzte Richtungen läuft.
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An
den Elektroden 7, 8 läßt sich nun das Signal S abnehmen,
das eine Wechselspannung enthält,
die eine Funktion des Durchflusses ist. Dieses Signal wird dem invertierenden
Eingang 16 des Verstärkers 15 zugeführt. Die
Verbindung zum nicht-invertierenden Eingang 17 ist durch Öffnen des
Schalters 20 unterbrochen worden. Damit entsteht eine Differenzspannung
am Eingang des Verstärkers 15 und
diese Spannung wird wunschgemäß verstärkt. Der
Verstärkungsfaktor
liegt im vorliegenden Beispiel bei Rl/R2 = 20. Das Ausgangssignal
V01 kann dann ausgewertet werden, beispielsweise mit einem A/D-Wandler.
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Mit
der in 2 dargestellten
Schaltung wird sozusagen ein selektiver Verstärker erreicht, der nur auf
Wechselspannungssignalkomponenten reagiert. Das Abtasten des Gleichspannungspegels
wird, wie oben beschrieben, kurz vor jeder Magnetfelderzeugung durchgeführt.
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In
der unteren Hälfte
der 2 ist eine gedoppelte
Schaltung eingezeichnet. Elemente, die der oberen Hälfte entsprechen,
sind mit gestrichenen Bezugszeichen versehen. Die gestrichenen Elemente haben
alle die gleiche Größe, wie
die nicht gestrichenen Elemente.
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Eine
Referenzspannung R wird verwendet, um das Signal S in einen Bereich
anzuheben, der etwa in der Mitte des positiven Spannungsbereichs liegt,
der durch die Spannungsversorgung V28 erzeugt wird. Dadurch kann
nachfolgend ein A/D-Wandler mit Single-Supply betrieben werden. Der
Referenzspannungsgenerator R besteht ebenfalls aus einem Gleichspannungsgenerator 21 und einem
Wechselspannungsgenerator 22. In diesem Fall ist der Wechselspannungsgenerator 22 ein
Symbol für
ein Rauschsignal. Dieses Rauschsignal kann beispielsweise durch
elektromagnetische Einstrahlung erzeugt werden. Hier soll lediglich
der Gleichspannungsgenerator 21 verwendet werden, um das Signal
S spannungsmäßig entsprechend
anheben zu können.
Dadurch, daß die
Schaltung sozusagen gespiegelt ist, wird der Rauschanteil des Generators 22 unterdrückt.
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In
an sich bekannter Weise werden die Spulen 4, 5 so
betrieben, daß ein
Magnetfeld zuerst in eine Richtung, beispielsweise von oben nach
unten, und dann in die andere Richtung, beispielsweise von unten
nach oben, er zeugt wird. Um die Erläuterung zu vereinfachen, wird
dies im folgenden als "positiver Magnetfeldblock" und "negativer Magnetfeldblock" bezeichnet.
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Zwischen
den einzelnen Magnetfeldblöcken läßt man eine
kleine Pause, deren Länge
beispielsweise der Länge
der Magnetfeldblöcke
entsprechen kann.
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Man
verwendet nun in aufeinanderfolgenden Meßperiode aber nicht die gleiche
Folge von Magnetfeldblöcken,
sondern invertiert diese Folge. Beispielsweise kann man in einer
ersten Meßperiode
einen Verlauf haben: Pause – positiver
Magnetfeldblock – Pause – negativer
Magnetfeldblock und in einer zweiten Meßperiode die Folge: Pause – negativer Magnetfeldblock – Pause – positiver
Magnetfeldblock. Das Ausgangssignal V01 des Verstärkers 15 wird
nun zum einen in jeder Meßperiode
gemittelt und zum anderen über
zwei aufeinanderfolgende Meßperioden.
Damit kann man der Tatsache Rechnung tragen, daß die Spannung am Kondensator 18 unter
Umständen
exponentiell absinken kann. Dies würde normalerweise zu einer
Verfälschung
des Meßergebnisses
führen.
Durch die Invertierung der Folge der Magnetfeldblöcke wird
dieses Problem aber weitgehend entschärft.