DE2052175C3 - Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung mit Gleichfeld bzw. geschaltetem Gleichfeld - Google Patents
Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung mit Gleichfeld bzw. geschaltetem GleichfeldInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der
induktiven Durchflußmessung mit magnetischem Gleichfeld und ein anderes Verfahren dieser Art, mit
periodisch geschaltetem Gleichfeld, bei dem die Störgleichspannung bei ausgeschaltetem Magnetfeld
gespeichert und dann von dem bei eingeschaltetem w· Magnetfeld vorhandenen Summensignal aus Nutz= und
Störspannung abgezogen wird.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren dieser Art, bei dem das Magnetfeld abwechselnd umgepolt
wird, so daß die Nutzspannung ihre Polarität wechselt, · · während die elektrochemische Störgleichspannung ihre
Polarität beibehält und das Summensignal aus Nutzspannung und Störspannung und das Differenzsignal
aus Störspannung minus Nutzspannung gespeichert wird und aus der Differenz der beiden gespeicherten
Signale das von Störspannungen befreite Nutzsignal bestimmt wird.
Bei der induktiven Durchflußmessung mit magnetischem Gleichfeld ist dem Nutzsignal eine Störgleichspannung
(Unsymmetriespannung) überlagert, die ihre Ursache in unterschiedlichen elektrochemischen
Gleichgewichtsspannungen hat. Falls zusätzlich Jurch
einen nicht hochohmigen Verstärker ein nicht mehr vernachlässigbarer Stromfluß zwischen den Elektroden
auftritt, kommt als weiterer Störeinfluß die elektrochemische Polarisationsspannung hinzu. Deshalb werden
bei induktiven Durchflußniessern hochohmige Meßschaltungen
verwendet, um die elektrochemische Polarisation klein zu halten. Als Störspannung bleibt
dann nur noch die Unsymmetriespannung, die ihre Ursachen in Unterschieden in den Elektrodenma-terialien
durch Verunreinigungen und Kristallgitter-Verschiebungen in der Oberflächenbeschaffenheit, der
Anlagerung von Gasblasen und Teilchen, der lonenadsorption und Oxyd- bzw. Deckschichtdicke sowie deren
Beschaffenheit haben. Da sich diese Ursachen teilweise langsam mit der Zeit ändern, ergeben sich bei
Messungen nach größeren Zeitabständen und anderen Betriebsarten sehr unterschiedliche Werte für die
Unsymmetriespannunp. die normalerweise nicht reproduzierbar
ist.
Erfolgt die Durchflußmessung mit einem periodisch umgeschalteten magnetischen Gleichfeld, so wird durch
die Transformatorwirkung der Anordnung noch eine weitere Störspannung induziert. In dem Magnetfeld
bildet nämlich der Leitungskreis — Zuleitung zur Elektrode, Elektrode, leitende Flüssigkeit, Elektrode,
Zuleitung zum Verstärker — eine geschlossene Leiterschleife, die als Sekundärwicklung eines Transformators
wirkt. Durch die Transformatorwirkung erhält man am Eingang des Wechselspannungsverstärkers
nicht nur die sinusförmige Nutzspannung, sondern auch eine bei gut leitenden Flüssigkeiten um 90° in der Phase
verschobene Störspannung. Letztere kann wesentlich größere Werte als die Nutzspannung annehmen. Zur
Kompensation solcher transformatorisch verursachten Störspannung ist aus der US-PS 33 16 762 bekannt, bei
den beiden Werten des geschalteten Magnetfeldes an den Elektroden entstehende Spannungen zu integrieren
und durch Mittelwertbildung das Nutzsignal zu bestimmen. Diese Methode beruht jedoch darauf, daß die
transformatorischen Störspannungen mit der Umkehrung des Magnetfeldes umpolen. Die elektrochemische
Störspannung, welche stets die gleiche Polarität besitzt und auch bei abgeschaltetem Magnetfeld vorhanden ist,
läßt sich damit jedoch nicht ohne weiteres kompensieren, sondern ließe sich nur mit Hilfe eines Wechselspannungsverstärkers
in Verbindung mit einer hohen Impulsfrequenz trennen, durch welche jedoch die elektrodynamischen Störspannungen wieder erhöht
werden. Daher sieht die US-PS 33 16 762 auch auf umständliche Weise die Bildung eines Intergralmittelwertes
aus einer Folge von Einzelmessungen vor.
In ähnlicher Weise erfolgt auch bei einer induktiven
Durchflußmessung für ein Schifflog eine Kompensation transformatischer Störspannungen, wobei jedoch vor
dem Verstärker Kondensatoren angeordnet sind (vgl. Journal of Navigation, July 1970, 302 — 316). Bei dieser
Meßmethode sollen die verstärkten Spannungen nach Umpolung und einem Intervall für das Abklingen der
Einschwingspitze kurzzeitig gespeichert werden. Dieses
Intervall IaBt die durch die Umpolung verursachte Induktionsspannung abklingen. Eine solche Arbeitsweise
hat jedoch den Nachteil, daß die Folgefrequenz für das Umpolen so niedrig sein muß, daß der Einschwingvorgang
der transformatorischen Spannung abgeklungen ist Da der Wechselstromwiderstand der Kondensatoren
umgekehrt proportional der Frequenz ist, ist dieser um so größer, je niedriger die Frequenz ist.
Dadurch wird der Spannungsabfall am Kondensator immer größer, und entsprechend klein ist auch das ι ο
Eingangssignal am Verstärker. Hierdurch wird die Meßgenauigkeit aber erheblich beeinträchtigt.
Um einen solchen, durch die Kondensatoren verursachten Spannungsabfall zn vermeiden, kann man auf
die Verwendung von Kondensatoren verzichten. Dieser Verzicht bedeutet aber, daß die elektrochemischen
Störspannungen zum Verstärker gelangen. Dieser Nachteil kann aber in Kauf genommen werden, sofern
geeignete Maßnahmen zur Kompensation der elektrochemischen Störspannung gefunden werden. Hierbei ist
zu berücksichtigen, daß die elektrochemischen Störspannungen die Größenordnung der Meßspannung
erreichen können, wodurch die Meßgenauigkeit bei den bekannten Kompensationsverfahren mit geschaltetem
Gleichfeld und Differenzbildung mindestens zweier gespeicherter Meßgrößen erheblich sinkt.
Das Anliegen der Erfindung ist daher, von der an sich
bekannten Benutzung magnetischen Gleichfeldes auszugehen, um die transformatorische Störspannung zu
vermeiden. Die tragende Idee besteht dabei darin, durch Schaltungsmaßnahmen die Größe der elektrochemischen
Störspannung zum Zeitpunkt der Messung möglichst klein zu halten.
Die Erfindung sieht daher bei den eingangs genannten Verfahren mit periodisch geschaltetem oder
umgepoltem magnetischen Gleichfeld vor, daß während der Umschaltphasen des Magnetfeldes die Meßelektroden
und der Eingangsgleichspannungsverstärker kurzgeschlossen werden und die Speicherung zu einem stets
gleichen Zeitpunkt nach Aufhebung des Kurzschlusses erfolgt.
Auf diese Weise erfolgt die Einspeicherung jeweils zu einem Zeitpunkt, wo die Unsymmetriespannung möglichst
klein ist und annähernd dieselbe Größe hat.
Im Falle des (nicht geschalteten) magnetischen 4ί
Gleichfeldes ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Meßelektroden und der Eingangsgleichspannungsverstärker
periodisch kurzgeschlossen werden und die Nutzspannung unmittelbar nach Aufhebung dieses
Kurzschlusses kurzzeitig gemessen und gespeichert wird, noch bevor sie durch den langsamen Aufbau der
elektrochemischen Störspannung verfälscht worden ist.
Diese Verfahrensweise nutzt die Tatsache, aus, daß die elektrochemischen Störspannunger. nach einem
Kurzschluß eine bestimmte Zeit bis zu ihrem Aufbau benötigen, hingegen die induzierte Nutzspannung ohne
Zeitverzögerung ansteht.
Die Taktfrequenz wird so gewählt, daß sie der Dynamik des Anzeigeinstrumentes bzw. der Meßaufgabe
angepaßt ist, und man erreicht dadurch eine >·■<>
bedeutend niedrigere Umschaltfrequenz, die auch entsprechend verminderte Ummagnetisierungsverluste
im Geber zur Folge hat. Der tg d der Meßflüssigkeit spielt wegen der geringeren Taktfrequenz keine
entscheidende Rolle, und die kleinste zulässige Leitfähigkeit der zu messenJen Flüssigkeit ist nur durch den
Eingangswiderstand des angeschlossenen Gleichspannungs-Differenzverstärkers begrenzt.
Selbstverständlich besteht bei höheren Anforderungen
an das dynamische Verhalten die Möglichkeit, entsprechend die Taktfrequenz heraufzusetzen. Wenn
man im Bereich konstanter Störspannung arbeitet, hat man zusätzlich die Möglichkeit, den genauen zeitlichen
Verlauf eines sich schnell ändernden Durchflusses aufzuzeichnen. Hierbei begrenzt nur der Meßverstärker
die höchstzulässige Grenzfrequenz der Aufzeichnung.
Bei allen in Betracht gezogenen Arten des magnetischen Gleichfeldes werden die elektrochemischen
Spannungen durch das Kurzschließen in vorteilhafter Weise abgebaut, so daß je nach Art des verwendeten
Magnetfeldes die reine Nutzspannung direkt erhalten wird oder Meßwerte gebildet werden, in denen nur ein
kleiner Anteil elektrochemischer Spannung enthalten ist, welcher durch Differenzbildung dann mit einer sehr
großen Genauigkeit kompensiert werden kann. Ein weiterer wesentlicher Vorteil wird auch dadurch erzielt,
daß durch das Kurzschließen die transformatorischen Störspannungsspitzen schneller ausklingen. Folglich
können die Meßsignale auch früher abgerufen werden.
Zusätzlich kann der periodische Abk.uf getriggert
werden und dadurch die Messung zu einem genau bestimmten Zeitpunkt erfolgen.
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt den zeitlichen Aufbau der elektrochemischen
Unsymmetriespannung nach einem Kurzschluß;
F i g. 2 und 3 veranschaulichen die Betriebsart bei Ein- und Ausschaltbetrieb bzw. Umpolbetrieb;
F i g. 4 und 5 zeigen die zeitliche Aufeinanderfolge der Kurzschlußimpulse;
Wie Fi g. 1 zeigt, kann man drei Bereiche unterscheiden.
Der Bereich I ist unmittelbar nach dem Kurzschluß, und die elektrochemische Unsymmetriespannung hat
noch keinen nennenswerten Betrag erreicht. Im Bereich II baut sich die elektrochemische Unsymmetriespannung
langsam und kontinuierlich auf, während sie im Bereich III ihren Endwert erreicht hat.
Im Bereich II wird die Tatsache genutzt, daß sich nach Kurzschluß der Elektroden die Unsymmetriespannung
langsam und gleichmäßig aufbaut. Hier kann der Magnet in bestimmten Abständen entweder ein- und
ausgeschaltet oder umgepolt werden. Dabei wird zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Kurzschluß der
Elektroden das Störsignal bzw. die Summe Nutz- und Störsignal gespeichert. Die eigentliche Messung besteht
in einer Differenzbildung dieser gespeicherten Werte, wobei automatisch von der Summe Nutz- und
Störsignal das Störsignal abgezogen wird. Durch das Kurzschließen erreicht man, daß die elektrochemischen
Unsymmetriespannungen periodisch abgebaut werden und sie nicht die Größenordnung der Meßspannung
er'eiclieii können. Auch hier läßt sich der Zeitpunkt der
Einspeicherung triggern.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man nach F i g. 1 im Bereich I sich die Tatsache zunutze macht, daß
die elektronischen Störspannungen nach einem Kurzschluß eine besummte Zeit bis zu ihrem Aufbau
benötigen, während die induzierte Nutzspannung ohne Zeitverzögerung entsteht. Es wird also die Nutzspan=
nung unmittelbar nach Aufhebung eines Kurzschlusses der Elektroden gemessen und gespeichert, noch bevor
sie durch den langsamen Aufbau der elektrochemischen Störspannung verfälscht worden ist. Der Zeitpunkt des
Kurzschließens bzw. der Einspeicherung läßt sich auch hier triggern.
F i g. 2 zeigt das Prinzip der getasteten Differenzmes-
sung. Der Zeitpunkt der Einspeicherung ist durch einen Pfeil gekennzeichnet, wobei es darauf ankommt, daß
diese Einspeicherung jeweils in einem Zeitpunkt erfolgt, wo die Unsymmetriespannung dieselbe Größe hat. Dies
kann damit erreicht werden, daß die Einspeicherung des Summensignals aus Nutz- und Störspannung und der
Störspannung allein in gleichen zeitlichen Abständen nach Kurzschluß der Meßelektroden erfolgt.
F i g. 3 zeigt dieselbe Anordnung, nur daß hier das Magnetfeld umgepolt wird und man als Speicherwerte \o
die Summe aus Nut/- und .Störspannung und die
Differenz aus NuI/- und Störsignal erhält.
I 1 g. 4 und 5 geben die zeitliche Anordnung der kurzsehluöimpiilse /u den Betriebsarten nach I- i g. 2
und 3 an. ii
Fi g. b zeigt die schematische Darstellung eines
induktiven Durchflußgebers 1. dessen Magnetspule von der Stromversorgung 2 über eine Schaltung λ. die
wahlweise auf Umpol- oder Kin- und Ausschaltbetrieb
gestellt werden kann, gespeist wird. Diese Schaltung 3 wird von einem zentraler! Taktgeber 4 gesteuert. Aus
demselben Taktgeber 4 wird der Kurzschließer 5 über verschiedene Verzögerungsstufen während der Umschaltphasen des Magnetfeldes betätigt. Er hat die
Aufgabe, die durch das Umschalten induzierten Spannungsspitzen unschädlich zu machen und die
elektrochemischen Störspannungen periodisch abzubauen. Er wird dann betätigt, wenn keine Messung
erfolgt. Es sind außerdem Umschalter vorgesehen, die eine Betriebsweise ohne Kurzschließer gestatten, wobei
die Messung erst erfolgen darf, wenn die Spannungsspit zen sich abgebaut haben. Nach dem Umschalter gelangt
tlas Meßsignal zum Meßverslärker β und wird dann in
die Speicher 7 b/.w. 8 eingespeichert. Diese Speicher 7 und H weiden vom Taktgeber 4 über entsprechende
Ver/ogerungsstufen angesteuert, Di r Speicher 7 enthalt
die Summe aus Nut/- und elektrochemischer Unsymmetrii'spannung.
während der Speicher 8 die Unsymmetriespannung allein bzw. die Unsymmetriespannung
pmius der Netzspannung enthält. I"1 den Speichern 7
■;nd 8 befindliche .Signale wen! ^n dem Subtrahierer 9
zugeführt, der die Differenzbildung vornimmt un'1 das
nun von S;'^spannungen getrennte Nutzsignal der
Anzeige IOzuführt.
Claims (4)
1. Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen
Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung mit periodisch geschaltetem magnetischem
Gleichfeld, wobei die Störgleichspannung bei ausgeschaltetem Magnetfeld gespeichert und dann
von dem bei eingeschaltetem Magnetfeld vorhandenem Summensignal aus Nutz- und Störsignal
abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß während der Umschaltphasen des Magnetfeldes Meßelektroden und der Eingangsgleichspannungsverstärker
kurzgeschlossen werden und daß zu einem stets gleichen Zeitpunkt nach Aufhebung des
Kurzschlusses gespeichert wird.
2. Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung
mit periodisch geschaltetem magnetischem Gleichfeld, wobei das Magnetfeld abwechselnd
umgepoh wird, so daß die Nutzspannung ihre Polarität wechselt, während die elektrochemische
Störgleichspannung ihre Polarität beibehält, und das Summensignal aus Nutzspannung und Störspannung
und das Differenzsignal aus Störspannung minus Nutzspannung gespeichert wird und aus der
Differenz der beiden gespeicherten Signale das von Störspannungen befreite Nutzsignal bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß während der Umschaltphasen des Magnetfeldes die Meßelektroden
und der Eingangsgleichspannungsverstärker kurzgeschlossen weiden und daß zu einem stets gleichen
Zeitpunkt nach Aufhebung -Jes Kurzschlusses gespeichert wird.
3. Verfahren zur Kompensation 'er elektrochemisehen Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung
mit magnetischem Gleichfeld, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden und der
Eingangsgleichspannungsverstärker periodisch kurzgeschlossen werden und die Nutzspannung
unmittelbar nach Aufhebung dieses Kurzschlusses kurzzeitig gemessen und gespeichert wird, noch
bevor sie durch den langsamen Aufbau der elektrochemischen Störspannung verfälscht worden
ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der periodische Ablauf
getriggert wird und dadurch die Messung zu einem bestimmten Zeitpunkt erfolgt.
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