DE1800710A1

DE1800710A1 - Mengenmesser

Info

Publication number: DE1800710A1
Application number: DE19681800710
Authority: DE
Inventors: Birnstingl David Wildon
Original assignee: Mawdsleys Ltd
Current assignee: Mawdsleys Ltd
Priority date: 1967-10-03
Filing date: 1968-10-02
Publication date: 1969-04-30
Also published as: US3570309A; NL6814199A; GB1231199A

Description

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In der Antwort bitte angeben Zuschrift bitte nach:

TJawdsley's Limited, Dursley, Gloucestershire,

England

Mengenmesser

Die Srfindimg iDezieiit sich auf elektromagnetische Mengenmesser oder Strömungsmesser mit einem Rohr zur Aufnahme eines strömenden Tediums und Magnetfeldspulen, die von ä einer 7/echselstromquelle versorgt werden, so daß am Rohr ein magnetisches Wechselfeld entsteht. Die beiden gegenüberliegenden Elektroden sind in der Wandung des Rohres montiert und es entsteht entsprechend den Gesetzen der elektromagnetischen Induktion eine Spannung zwischen den Elektroden, sobald das Medium durch das Magnetfeld zwischen den Elektroden fließt. Die erzeugte Spannung wird durch

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einen Meßkreis festgestellt und ist proportional dem Produkt der Durchflußleistung und dem Erregerstrom in den Feldspulen.

Insbesondere "beschäftigt sich die Erfindung mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Ausgleich von Schwankungen in der Größe des Erregerstroms in den Feldspulen, die erforderlich ist, weil das Wechselstromnetz normalerweise unstabilisiert,und die von den Elektroden festgestellte und dem Meßkreis zugeführte Spannung nur dann der Strb'mungsleistung proportional ist, wenn der Erregerstrom und damit das Magnetfeld von konstanter Amplitude sind.

Bei einem früheren Versuch zur Lösung dieses Problems wird die Impulsfrequenz-Modulationstechnik 'zur Anwendung gebracht, bei der die Frequenz einefe Impuls-Folgesignals (P.R.F.)i das von einem Impuls-Generator erzeugt wird, proportional dem Verhältnis der von den Elektroden festgestellten Spannung zu der an die Feldspulen gelegten Spannung ist. Dieses P.H.F.-Signal moduliert eine Bezugsgleichspannung zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung proportional der Strömungsleistung, je-,doch unempfindlich gegen Schwankungen im Erregerstrom in den Feldspulen.

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Eine solche Anordnung leidet an dem Nachteil, daß der Impulsgenerator einem großen Betriebsfrequenzbereich aufweisen muß, um die Frequenzänderungen des P.R.P.-Signales auszugleichen, welche sich als Ergebnis der großen Amplitudenänderung des von den Elektroden festgestellten Signals ergibt. Es wurde auch festgestellt, daß diese Anordnung dann nicht benutzt werden kann, wenn die Strömungleistung auf einen Wert fällt, der demjenigen entspricht, bei dem sich die Frequenz des P.R.P.-Signals der Frequenz des an die Feldspulen angelegten Wechselstroms annähert. Auch die vorliegende Erfindung benutzt die Impulsmodulation, jedoch in einer Weise, bei welcher diese Nachteile überwunden sind.

In einer Hinsicht handelt es sich bei der Erfindung um ein Verfahren zur Kompensation von.Schwankungen in dem den Feldspulen eines elektromagnetischen Mengenmessers zugeführten Erregerstroms, das gekennzeichnet ist durch die Verwendung eines stabilisierten Bezugssignals und eines dem Srregerstrom proportionalen Signals zur Erzeugung eines Polgeausgangssignals von einem Impulsgenerator, der in solcher Weise moduliert ist, daß das Verhältnis der Impulsdauer zur Gesamtperiode proportional dem Verhältnis der ersten beiden Signale ist, unäb unter Verwendung dieses Ausgangssignals zur

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Modulierung des Elektrodensignals, entweder vor oder nach Verstärkung desselben, so daß ein endgültiges Ausgangssignal entsteht, welches proportional dem Verhältnis des Elektrodensignals zum Erregerstrom und damit proportional zur wahren Strb'mungsleistung oder Strömungsgeschwindigkeit ist.

Das Ausgangssignal vom Impulsgenerator kann auf eine der folgenden drei Arten moduliert werden: Die Folgezeit und damit die Periode kann mit jedem Impuls von konstanter Zeitdauer veränderlich sein, die Zeitdauer der Impulse kann veränderlich sein und die Folgegeschwindigkeit konstant oder es kann sowohl die Folgegeschwindigkeit als auch die Zeitdauer der Impulse schwanken. Man ;erkennt ohne weiteres, daß die zweite dieser Alternativen äquivalent der Impulsbreitenmodulation ist. Vorzugsweise liegen alle diese Signale in Form von Spannungen vor, wobei das Bezugssignal und das dem Erregerstrom proportionale Signal vorzugsweise Gleichspannungen sind.

Die Erfindung umfaßt auch einen elektrischen Kreis zur Durchführung des Verfahrens nach der oben angegebenen Art. Infolgedessen enthält gemäß diesem weiteren Merkmal der Erfindung ein elektrischer Kreis zur Kompensation von Schwankungen im Erregerstrom in den Feldspulen eines elektro-

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magnetischen Strömungs- oder Mengenmessers erfindungsgemäß eine KompensationsrückkopplungSBchleife mit einer Fehlervorrichtung und einem Impulsgenerator, welcher ein Ausgangsfolgesignal mit einem Verhältnis der Impulsdauer zur gesamten Periode proportional dem Verhältnis der "beiden Signale, die in die Rückkopplungsschlaufe eingespeist werden, zuführt und die entsprechend proportional einem stabilisierten Bezugssignal und dem Erregerstrom in den Feldspulen sind. Außerdem ist vorgesehen ein Meßkreis mit (( einem Modulator, welcher ein dem von den Elektroden festgestellten Signal proportionales Signal in ÜbereinStimmung mit dem Verhältnis der Impulsdauer zur Gesamtpardode moduliert, so daß ein Ausgangssignal entsteht, welches pro?— portional dem Verhältnis des Elektrodensignals zum Erregerstrom und damit proportional zur wahren Strömungsleistung oder Strömungsgeschwindigkeit ist.

Beim Impulsgenerator handelt es sich normalerweise um ^

einen Zeichen/Lücke-Generator (mark/space-generator), der zweckmäßig unmittelbar von der Fehlervorrichtung gespeist wird, die in Form eines DifferentialVerstärkers vorliegen kann. Die Rückkopplungsschlaufe enthält vorzugsweise einen weiteren Modulator, den Differentialverstärker und den Zeichen/Lücke-Generator in Reihenschaltung, wobei das Impulsgenerator-Ausgangssignal

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außerdem dem weiteren Modulator in der Rückkopplungs-• schlaufe zugeführt wird, um eines der beiden in die Rückkopplungsschlaufe eingespeisten Eingangssignale zu modulieren, von denen das andere der anderen Klemme des Differentialverstärkers zugeführt wird. Das Zeichen/Lücke-Verhältnis des Impulsgeneratcjr-Ausgangssignals kann so eingerichtet werden, daß es unmittelbar proportional dem Verhältnis des Bezugssignals zu dem dem Erregerstrom proportionalen Signal ist, wobei dann das endgültige Ausgangssignal vom Ausgang des Modulators im Meßkreis abgenommen wird. Bei dieser Anordnung moduliert das Impulsgeneratorausgangssignal zweckmäßig das dem Erregerstrom proportionale Signal, wobei dieses modulierte Signal geglättet und einer Klemme des Differentialverstärkers in der Rückkopplungsschlaufe zugeführt wird, während das Bezugssignal auf die andere Klemme dieses Verstärkers aufgegeben wird.

Gegebenenfalls kann das Zeichen/Lücke-Verhältnis des Impulsgeneratoreusgangssignals umgekehrt proportional dem Verhältnis vom Bezugssignal zu dem dem Erregerstrom proportionalen Signal sein, wobei dann der Meßkreis einen -Arbeitsverstärker enthalten kann, dessen Kreis den Modulator und einen Glättiungskreis enthält, während der Eingang des Arbeitsverstärkers durch das Signal von den

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Elektroden gebildet wird und der Ausgang das endgültige Signal darstellt. Bei dieser Anordnung ist die Verstärkung des Arbeitsverstärkers umgekehrt proportional dem Zeichen/l/ucke-Verhältnis des Generatorsignals, so daß das endgültige Ausgangssignal direkt proportional dem Quotienten der Spannung von den Elektroden und der Spannung des die Feldspulen versorgenden Wechselstroms ist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungen

/in
näher erläutert werden, die'zwei Ausführungsbeispielen Meßkreise gemäß der Erfindung für die Verwendung in einem .elektromagnetischen Mengen- oder Strömungsmesser zeigen.

Pig. 1 ist ein Blockschaltbild zur Wiedergabe eines, der Kreisej und

Pig. 2 ist ein Schaltschema ähnlich dem Blockschaltbild nach Fig. 1, bot Wiedergabe des anderen Kreises.

Gemäß Fig. 1 findet eine Impulsbreitenmodulation Verwendung und der Kreis enthält eine Kompensations-Rückkopplungsschleife 1 mit einem Zeichen/Lücke-Generator 2, der eine Ausgangsspannung V- liefert, deren Zeichen/Lücke-Verhältnis k in Abhängigkeit von der Amplitude der Wechselstrom-Spannung Vg, schwankt, die an die Feldspulen 3 des elektro-

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magnetischen Strömungs- oder Mengenmessers angeschaltet ist, welcher allgemein mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet ist. Die Zeichen/Lücke-Generatorausgangsspannung V- wird einem Meßkreis 5 aufgegeben, der einen Modulator in Form einer Röhre 6 enthält, welche eine von den beiden Elektroden 7 des Mengenmessers 4 abgeleitete Spannung V« moduliert, so daß eine endgültige Ausgangsspannung V eststeht, die von einem Anzeigeinstrument 8 festgestellt wird und proportional dem Quotienten der von den Elektroden festgestellten Spannung und der Spannung der Wechselstromquelle V ist, die an den Feldspulen 3 liegt und den Erregerstrom liefert.

Im Kreis nach Fig. 1 ist die Primärwicklung 9 eines Stromtransformators 10 in Reihe mit den Feldspulen 3 geschaltet, während die Sekundär spule 12 an .e ".nein .Gleichrichter 13 liegt, dessen Ausgangsgleichspannung V, einer weiteren Röhre 14 in der Rückkopplungsschleife 1 zugeführt wird und proportional dem Erregerstrom in den Feldspulen 3 ist. Die Spannung V- von dem Zelchen/Lüeke-Generator 2 wird außerdem der Röhre 14 aufgegeben und moduliert durch Impulsbreitenmodulation die Spannung V^ vom Gleichrichter 13, so daß der Ausgang der Röhre 14 in Form der Aufeinanderfolge von Impulslen.konstanter Frequenz' und einer Amplitude vorliegt, die der Amplitude

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der Spannung V, entspricht. Der Ausgang der Röhre 14 w'.rd auf einen Glättkreis 15 aufgegeben, der eine Ausgangsgleichspannung V« proportional dem Produkt des Zeiohen/ lücke-Verhältnisses k und der Spannung V·, erzeugt.

Eine stabilisierte BezugsgTeichspannung Vc von einer Quelle 16 und die Spannung V. werden entsprechend auf zwei Eingangski einmen eines DifferentialVerstärkers 17 aufgegeben, dessen Ausgang den Zeichen/Lücke-Generator 2 speist, wobei der Differentialverstärker 17 in der üblichen geschlossenen Schleife zum Ausgleich der beiden Signale, d. h. V. und V,- äient, die auf seine Eingänge gelegt sind. Durch diese Maßnahmen wird das Zeichen/Lücke-Verhältnis k der Impulsgeneratorausgangsspannung V^ unmittelbar proportional der Bezugsgleichspannung V,- und der gleichgerichteten Spannung Vg vom Stromtransformator 10 gehalten, wobei die zuletzt genannte Spannung direkt proportional dem Erregerstrom in den Spulen 3 ist.

Der Meßkreis 5 enthält einen Differentialverstärker 18, dem das Signal von den Elektroden 7 eingespeist wird, und der eine Röhre 6 im Meßkreis 5 speist. Der Ausgang der Röhre 6 wird auf einen weiteren Glättkreis 19 und einen Ausgangsverstärker 20 aufgegeben. Die Spannung Vg vom Kreis 19 wird dem Verstärker 20 zugeführt, welcher das

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endgültige Ausgangssignal V_Q liefert, das unmittelbarproportional dem Produkt des Zeichen/LUcke-Verhältnisses k und der Spannung V₂ ist. Da die Spannung V₂ proportional der von den Elektroden festgestellten Spannung ist, ist die Ausgangsspannung V_Q direkt proportional der Strömungsleistung oder Strömungsgeschwindigkeit und unempfindlich gegen Schwankungen in der Versorgungs-Wechselspannung V .

Im Meßkreis der Fig. 2 findet wiederum eine Impulsbreitenmodulation Verwendung und deshalb erhalten den Teilen nach Fig. 1 ähnliche Teile das gleiche Bezugszeichen unter Vermehrung um 100, d. h, der Zeichen/Iücke-Generator 2 nach Fig. 1 entspricht dem Zeichen/Lücke-Generator 102 der Fig. 2. Darjiberhinaus entspricht die Spannung V₂ der Fig. 1 der Spannung V^₀₂ der Fig. 2. Der Kreis nach Fig. 2 ist im allgemeinen dem beschriebenen Kreis ähnlich mit Ausnahme der Tatsache, daß das Zeichen/Lücke-Verhältnis k nunmehr umgekehrt proportional dem Quotienten der Bezugsgleichspannung V₁₀^ und der gleichgerichteten Spannung V₁₀, vom Stromtransformator 110 ist und der Meßkreis 105 einen Arbeitsverstärker 122 aufweist, dessen Schleife die Röhre: 106 enthält.

Das gewünschte Zeichen/Lücke-Verhältnis k erhält man durch Austasten der Bezugsgleichspannung V₁₀₅ mit der Zeichen-

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Lücks-Generstorausgangsspannung V^q- und Glätten des Ausgangesignals von der Röhre 104 zur Schaffung eines Signals ^104^{f wölclies auf>
eine} Klemme des Differentialverstärkers 117 aufgegeben wird, an dessen andere Klemme die gleichgerichtete Spannung V^₀, des Strointransformators 110 gelegt wird. Wie vorher wird der Ausgang des Differentialverstärkers 117 auf den Zeichen/Lücke-Generafcdjr 102 aufgegeben, und es ist ferner darauf hinzuweisen, daß die IvömpenBätions-Rückkopplungsschleife 101 dieses Kreises (|

derjenigen nach Fig. 1 im wesentlichen entspricht mit Ausnahme der Tatsache, daß die Bezugsgleichspannung und die Gleichgerichtete Spannung vom Stromtransformator vertauscht sind.

Die von den Elektroden 107 festgestellte Spannung wird auf den Differentialverstärker 118 des Meßkreises 105 gelegt und der Ausgang des Verstärkers 118 wird über einen Widerstand R- eimern Arbe"tsverstärker 122 einge- ,

speist. Der Arbeitsverstärker ist ein Verstärker 12 3 mit hoher Verstärkung und enthält einen Widerstand R« in seinem Kreis. Das auf das Gitter 106 im KreLs des Arbeitsverstärkers 122 aufgegebene Zeichen/Lücke-rGeneratorausgangssignal V-Q- ändert die Verstärkung des Verstärkers 122 mit dem Ergebnis, daß die Ausgangsspannung V_1Og des Verstärkers 122 direkt proportional

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dem Quotienten der von den Elektroden festgestellten Spannung (oder der Spannung V-₀₂ vom Verstärker 118) und des Zeichen/Lücke-Verhältnisses k ist. Somit ist die Ausgangsspannung V₁₀₆ vom Verstärker 122 unempfind-' lieh gegen Schwankungen in der Netzspannung V__r die an

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den Feldspulen 3 liegt und diese Ausgangsβρannung wird verstärkt zur Bildung der endgültigen Ausgangspannung V₀, die der Anzeige dient.

Ba das Zeichen/lücke-Verhältnis k allein von der Größe des Erregerströmeβ abhängig ist, welcher sich nicht sehr stark ändert, erkennt man, daß die Erfindung einen ImpulsgenetÄ&or 2 oder 102 mit beschränktem Arbeitsbereich virwenden kann«

Es ist auch ohne weiteres für den Fafchmann ersichtlich, daß irgendwelche anderen üblichen Kreissohaltungen für die einzelnen Komponenten dieser erfindungsgemäßen Kreise eingesetzt werden können.

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j Der Ausdruck "Arbeitsverstärker" dient hier zur Bezeichnung einer Kombination aus einem Verstärker mit hohem Verstärkungsgrad und einer zugeordneten Rückkopplungsschleife. Somit enthält der Arbeitsverstärker 122 in Fig. 2 den Verstärker 123, die Röhre 106 oder ein

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äquivalentes Element, den Glättkreis 119 und den Widerstand R₂.

Patentansprüche:

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Claims

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1. Verfahren zur Kompensation von Schwankungen im den Feldspulen eines elektromagnetischen Mengen- oder Strömungsmessers zugeführten Erregerstrom , gekennzeichnet durch die Verwendung eines stabilisierten Bezugssignals und eines dem Erregerstrom proportionalen Signals zur Erzeugung eines Ausgangsfolgesignals von einem Impulsgenerator, welches derart moduliert wird, daß das Verhältnis der Impulsdauer zur gesamten Periodenzeit proportional dem Verhältnis der "beiden zuerst genannten Signale . ist, und durch Verwendung dieses Ausgangssignals zur Modulation des Elektrodensignals entweder vor oder nach der Verstärkung des letzteren zur Schaffung eines endgültigen Ausgangssignals, welches proportional dem Verhältnis des Elektrodensignals zum Brregerstrom und damit proportional zur wahren Strömungsleistung oder Strömungsgeschwindigkeit ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet t daß das Verhältnis proportional dem Verhältnis des Bezugsaignals zu dem dem Erregerstrom proportionalen Signal ist., wobei das Impulsgeneraötrausgangssignal über eine Rückkopplungsschleife das

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dem Erregeratrom proportionale Signal moduliert. ·

3» Verfahren naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren umgekehrt proportional dem Verhältnis des Bezugssignals zu dem dem Erregergtrom proportionalen Signal ist, wobei das ImpulsgentratorausgangBQignal über eine Rückkopplungeeohleife das stabilisierte Bezugssignal moduliert»

4. Elektrischer Kreis zur Kompensation von Schwankungen im Erregerstrom in den Feldwicklungen eines elektromagnetischen Mengen- oder Strömungsmessers, gekennzeichnet durch eine Kompensationsrüokkopplungssohlaufe mit einer Fehlervorrichtung und einem Impulsgenerator, welcher ein Auegangsfolgesignal mit dem Verhältnis der Impulsdauer zur Gesamtperiode proportional dem Verhältnis der beiden in die Rückkopplungaachlaufe eingespeisten Signale liefert und die entsprechend proportional einem etabilsierten ™

Bezugssignal und dem Erregerstrom in den Feldspulen sind, und duroh einen Meßkreis mit einem Modulator, der ein Signal proportional dem von den Elektroden in Übereinstimmung'mit dem Verhältnis der Impulsdauer j zur Gesamtperiode festgestellten Signal moduliert und j ein endgültiges Ausgangssignal liefert, das proportional dem Verhältnis des Elektrodensignals zum Erregerstrom

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«AD DREIM

und damit proportional der wahren Strömungsgeschwindigkeit bzw. Menge ist.

5. Kreis nach Anspruch 4.» dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschlaufe einen weiteren Modulator, einen die Fehlervorrichtung bildenden Differentialverstärker und den Impulsgenerator in Roihe enthält, wobei der Ausgang des Impulsgenerators außerdem an den weiteren Modulator angeschlossen ist, um eines der beiden in die Rückkopplungsschleife eingespeisten Eingangssignale zu modulieren, von denen das,andere dem Differentialverstärker aufgegeben wird.

5. Kreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß eines der beiden in die Schleife eingespeisten Eingangssignale das dem Erregerstrom proportionale Signal ist, wobei das Verhältnis der Impulsdauer' zur Gesamtperiode unmittelbar proportional dem Verhältnis des Bezugssignals zu dem dem Erregerstrom proportionalen Signal ist.

7. Kreis nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden.in die Schleife eingespeisten Eingangssignale das Stabilisierte Bezügs-

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signal ist, wobei das Verhältnis der Impulsdauer zur Gesarntperiode umgekehrt proportional dem Verhältnis des Bezugssignals zu dem dem Erregerstrom proportionalen Signal ist.

8. Kreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkreis einen. Arbeitsverstärker aufweist, dessen Schleife einen Modulator des Meßkreises

enthält, wobei die in der geschlossenen Schleife er- ™

zielbare Verstärkung des Arbeitsverstärkers umgekehrt proportional dem Verhältnis der Impulsdauer zur Gesamtperiode ist.

9. Verfahren oder Kreis nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η zeichnet , daß alle Signale Spannungen sind, wobei das Bezugssignal und das dem Erregerstrom proportionale Signal Gleichspannungen sind. ä

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