DE2410407B2

DE2410407B2 - Verfahren zur kompensation der elektrochemischen stoergleichspannung bei der induktiven durchflussmessung mit periodisch zwischen zwei induktionswerten hin- und hergeschaltetem gleichfeld

Info

Publication number: DE2410407B2
Application number: DE19742410407
Authority: DE
Inventors: Karl Walter Prof. Dipl.-Ing. Dr. 4630 Bochum; Hofmann Friedrich Dipl.-Ing. 4100 Duisburg; Stelz Wolfgang Ing.(grad.) 4200 Oberhausen; Pol Ronald van der Dipl.-Ing. Venlo Bonfig (Niederlande)
Original assignee: Ludwig Krohne GmbH and Co KG
Current assignee: Ludwig Krohne GmbH and Co KG
Priority date: 1974-03-05
Filing date: 1974-03-05
Publication date: 1976-09-23
Also published as: JPS5623093B2; FR2263497B1; FR2263497A1; DE2410407A1; GB1502860A; DE2410407C3; US4010644A; NL7502601A; JPS50128551A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung mit periodisch zwischen zwei Induktionswerten hin- und hergeschaltetem Gleichfeld, wobei das Nutzsignal durch Speicherung und Differenzbildung von Werten, die der Summe von Nutz- und Störspannungen bei den beiden Induktionen entsprechen, gebildet wird.

Um bei induktiven Durchflußmessern mit Gleichfeld die von der strömenden Flüssigkeit induzierte Gleichspannung, deren Amplitude in der Größenordnung von einigen Mikrovolt liegt, von der elektrochemischen Störgleichspannuiig zu trennen, welche etwa bis zum 10'-fachen Wert der eigentlichen Meßspannung erreichen kann, ist es durch die DT-AS 20 52 175 bekannt, die elektrochemische Störgleichspannung dadurch zu kompensieren, daß bei Verwendung von periodisch geschaltetem Gleichfeld die Störgleichspannung bei ausgeschaltetem Magnetfeld gespeichert und dann von dem bei eingeschaltetem Magnetfeld vorhandenen Summensignal aus Nutz- und Störspannung abgezogen wird. Oder bei Verwendung eines Magnetfeldes, das abwechselnd umgepolt wird, so daß die Nutzspannung ihre Polarität wechselt, während die Störspannung ihre Polarität beibehält, ist es bekannt, dadurch eine Kompensation zu erreichen, daß das Summensigna] aus Nutz- 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 diesem Verfahren wurde vorausgesetzt, daß die elektrochemischen Störgleichspannungen sich zwischen den Magnetfeldphasen nicht ändern. Es wurde jedoch festgestellt, daß sich die elektrochemische Störgleichspannung einmal in Abhängigkeit von den elektrochemischen Eigenschaften des durchfließenden Mediums und zum anderen bei niedrigen Durchflußgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der zu messenden Geschwindigkeit ändern kann. Dabei wurden Anstiege der Spannung gemessen, die in einer Sekunde bis zu dem 5000fachen Wert über dem niedrigsten auszuwertenden Signal lagen. Im übrigen war auch unberücksichtigt geblieben, daß die Ausgangsspannung der Speicher je nach Speichertyp nicht ganz genau konstant bleibt, sondern mit der Zeit leicht abfällt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Meßverfahren zu entwickeln, welches die Meßgenauigkeit beeinträchtigende Effekte wie eine Änderung der Störgleichspannung zwischen den Magnetfeldphasen und sonstiger zeitabhängiger Änderungen im Meßkreis weitgehend ausschaltet und außerdem die Kompensation der Störgleichspannung auf einfache Weise mit geringen" Schaltungsaufwand erreicht.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren dei eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß be Vorliegen eines Induktionswertes B\ mindestens zwei mal zu verschiedenen Zeitpunkten die Summe au: Nutzspannung und sich langsam ändernden Werten dei

überlagerten Störgrößen erfaßt und gespeichert werden, und daß aus diesen gespeicherten Werten der Wert der Summe aus Nutzspannung (U_N]) und Störspannung inter- oder extrapoliert wird, der zum Zeitpunkt (t_x) der Messung von Summe aus Nutzspannung (Usn) und Störspannung beim Induktionswert S₂ besteht, und daß von dem zu diesem Zeitpunkt i„ gemessenen Signal der Inter- oder Extrapolationswert, der aus den zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelten Werten gewonnen wurde, subtrahiert wird.

Verfahren zur Bekämpfung des Einflusses von Störspannungen bei der induktiven Durchflußmessung sind zwar auch in der DT-OS 20 62 450 sowie in der US-PS 33 16 762 beschrieben. Bei diesen Verfahren werden jedoch keine Störgleichspannungen berücksichtigt; es wird zudem davon ausgegangen, daß die dort in Betracht gezogenen Störwechselspannungen über mehrere Meßperioden konstante Amplituden und Phasenlage aufweisen, was jedoch mit der Praxis nicht übereinstimmt. Selbst langsame und stetige Änderungen von Amplitude und Phasenlage während aufeinanderfolgender Meßperioden führen bei diesem Verfahren zu beträihtlichen Meßfehlern. Demgegenüber wird durch die vorliegende Erfindung auch der Einfluß von Änderungen der Störgrößen während einer Meßperiode unterdrückt.

Da bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise die Meßzyklusdauer in der Größenordnung von Millisekunden bis Sekunden liegt und die Störgrößen meist nach Exponentialfunktionen verlaufen, deren Zeitkonsianten in der Größenordnung von Minuten bis Stunden liegen, kann davon ausgegangen werden, daß sich diese Störgrößen während der Dauer des Meßzyklus proportional ändern, ihre Anstiegsgeschwindigkeit also konstant bleibt. Man kann somit die Änderung der Störgrößen während einer Meßphase für die nächste Meßphase mit guter Genauigkeit durch eine lineare Inter- oder Extrapolation vorausberechnen und ihren Einfluß korrigieren.

Dieses Verfahren läßt sich mit geringem Schaltaufwand für die Unterdrückung der Änderung der Störgrößen und der internen konstanten Fehlerspannungen des Verstärkers in einfacher Weise dadurch ausführen, daß zu einer Zeit ii während des einen Induktionswertes B\ die Summe aus der Nutzspannung und den Störgrößen an einem Meßverstärker — beispielsweise an dessen Ausgang — auf Null geregelt wird, indem dem Meßverstärker eine entsprechende Kompensationsgröße zugeführt wird, die mittels eines ersten Speichers als konstante Kompensationsgröße beibehalten wird, daß zu einem Zeitpunkt ?2 danach das durch Änderung der Störgrößen am Ausgang des Meßverstärkers anstehende Signal in einem zweiten Speicher als Korrekturwert festgehalten wird, daß zu einem späteren Zeitpunkt f3 dem Meßverstärker zur erneuten Ausregelung seines Ausgangs auf Null eine neue Kompensationsgröße zugeführt wird, die dann wiederum durch den ersten Speicher vom Zeitpunkt U an beibehalten wird und daß nach der zeitlich darauf erfolgenden Änderung der Induktion auf einen zweiten Wert Bi von der dann anliegenden Summe aus Störspannung und Nutzspannung die im zweiten Speicher gespeicherte Spannung zum Zeitpunkt /_x = is subtrahiert wird, der unter Berücksichtigung des Zeitintervalls h - U gewählt wird.

Bei diesem Verfahren kann jedoch die Anzeige der Nutzspannung durch Rauschen im Eingangsverstärker durch statistische Störungen auf den Leitungen zwischen Geber und Verstärker beeinträchtigt werden. Will man auch diese Einflüsse reduzieren, so ist dies — wenn auch mit einem etwas größeren Schaltungsaufwand — möglich durch Anwendung der Verfahrensschritte nach Anspruch 3. Dieses Verfahren bietet darüberhinaus noch den Vorteil, daß Störungen, die durch feste Frequenzen, wie die Netzfrequenz oder durch vagabundierende Ströme im Geber verursacht werden, durch phasenstarre Ankopplung der Zeitablaufsteuerungen an die Störfrequenz unterdrückt werden können, was bei dem Verfahren 2 einen zusätzlichen Abgleich der beiden Speicher auf gleiche Phasenverschiebung erfordern würde.

Die Erfindung soll anhand einiger in der Zeichnung

ι s dargestellter Verfahren näher erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 das Blockdiagramm eines Durchfluß-Meßverstärkers mit zweimaliger Kompensation während eines Meßzyklus und linearer Extrapolation, der durch Störgrößen verursachten Meßfehler,

Fig.2 den zeitlichen Verlauf von magnetischer Induktion und Spannungen bei einem gemäß F i g. 1 ausgebildeten Verstärker,

F i g. 3 das Blockdiagramm eines anderen erfindungsgemäßen Meßverstärkers mit einmaliger Kompensation während eines Meßzyklus und linearer Interpolation der durch Störungsgrößen verursachten Meßfehler und

Fig.4 den zeitlichen Verlauf von magnetischer Induktion und Spannungen bei einem gemäß F i g. 3

}o ausgebildeten Verstärker.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Blockdiagramm ist mit 1 ein schematisch dargestellter magnetisch-induktiver Durchfluß-Meßwertgeber bezeichnet, dessen Magnetspulen 10 von einer im Takte der Zeitablauf-Steue-

VS rung 8 zwischen zwei Stromwerten umgeschalteten Stromquelle 9 gespeist werden. Entsprechend diesen beiden Stromwerten erhält man im Rohr des Meßwertgebers 1 entsprechend F i g. 2a die Induktionswerte S] oder B₂. Die Spannung U_c an den Elektroden 11 beträgt dann

V AD = l kcU) + kv B,

hierbei bedeutet

Ufc(0 = zeitlicher Verlauf der elektrochemischen Störgleichspannung,
k — Geberkonstante,
ν = mittlere Strömungsgeschwindigkeit,
B = Induktion, wechselnd zwischen den Werten B\ und Bi-

In der Praxis hat sich gezeigt, daß elektrochemische Störgleichspannungen sich in Abhängigkeit von Änderungen der Temperatur, der chemischen Zusammensetzutig und der Strömungsgeschwindigkeit zeitlich nach Exponentialfunktionen ändern.

Der zeitliche Verlauf der elektrochemischen Störgleichspannung kann beispielsweise von der Form sein:

UeC(O = U_Ea> ■ e"¹"

Um die Inter- bzw. Extrapolationsmethoden möglichst einfach darstellen zu können, wird im folgenden davon ausgegangen, daß die betrachteten Zeiträume t klein sind gegenüber der Zeilkonstanten T dieser fts Exponentialfunktion. Man kann dann eine Reihen-Entwicklung dieser Funktion nach dem linearen Glied abbrechen und erhält

so daß entsprechend F i g. 2b
L/_h(f) = kv-B +

l + i/T)

Im folgenden wird weiterhin der Einfachheit halber davon ausgegangen, daß ein in F i g. 1 gezeigter Meßverstärker 2 sowohl für das Signal wie auch für die einem zusätzlichen Subtraktionseingang zugeführte Spannung Ua\ eine Verstärkung V= 1 hat. Die Ausgangsspannung U_A2(t) des Meßverstärkers 2 ist dann

U_A2(t) - Ut{t) - l/_A,

Bei der Induktion B\ schließt zum Zeitpunkt ί = 0 ein Schalter 4 und verbindet einen mit dem Ausgang des Meßverstärkers 2 verbundenen Regelverstärker 3 über ein Speicherelement 5 mit dem Kompensationseingang des Meßverstärkers 2. Da dem Regelverstärker 3 der

U -Sollwert Uai = 0 vorgegeben ist, erzeugt dieser am Ausgang des Speicherelementes 5 eine Spannung Uau welche die am Eingang des Meßverstärkers 2 während dieses Ausregelvorganges anliegende Spannung Ui: kompensiert. Dieser Ausregelvorgang wird durch öffnen des Schalters 4 im Zeitpunkt t\ abgeschlossen. Die Spannung U,\\(h) beträgt dann wegen

'i)= IWl + IjT)+ k-V-B₁.

Dieser Wert U_A\(t\) wird nach Öffnen des Schalters im Zeitpunkt I₁ bis zum erneuten Schließen des Schalters 4 beibehalten.

Zu diesem Zeitpunkt t₂ beträgt

- l/_Ef(1(l + f, T) - /c · Γ · ß,

Dieser Wert Ua^i) wird durch kurzzeitiges Schließen eines Schalters 12 in einen Speicher 13 übertragen, so daß diese Spannung dann als L)a\ am Ausgang dieses Speichers 13 bis zum nächsten Schließen des Schalters 12 im folgenden, in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Zyklus zur Verfugung steht Nach öffnen

3° des Schalters 12 schließt im Zeitpunkt ii erneut Schaltci 4 bis zum Zeitpunkt u. Durch dieses Schließen de Schalters 4 wird Ue(U) durch Entgegenschalten eine Spannung Ua\(U) erneut auf Null kompensiert (F i g. 2c' so daß wieder gilt

U_AM = ^EO)(I + U-T) + kv B₁.

Nach Öffnen des Schalters 4 im Zeitpunkt u wird dieser Wert beibehalten bis zum erneuten Schließen des Schalters 4 im nächsten, in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Zyklus. Nach dem Zeitpunkt u schaltet die 4" Taktstcucrur.g 8 die Stromquelle 9 um. so daß Geberrohr 1 die Induktion B2 anliegt (F i g. 2a). Zum Zeitpunkt f₅beträgt die Elektrodenspannung

+ I₅-T) + fc-r ·

Die Ausgangsspannung des Meßverstärkers 2 ist

U_A2(h) = U_EC0(l + h/T) + kv B₂ - V_t:c0{\ + I₄. T) -kv B₁ = fc r (Bz-BO+L'eto¹—-.

Durch Schließen eines Schalters 15 im Zeitpunkt is wird die Spannung iXufis) in einen Speicher 14 übertragen, an dessen Ausgang diese als Um = UA3(h) bis zum nächsten Schließen des Schalters 15 im nicht mehr dargestellten, folgenden Zyklus erhalten bleibt Die Ausgänge der Speicher 13 und 14 sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 16 verbunden, an dessen Ausgang dann eine wie folgt zu berechnende Spannung (/asansteht:

- U

_Ai

= U_A2(u.) -

= k Γ (B₂ - B₁) + U₁

ECO

Durch gleiche Zeitintervalle (h - U) und (h -wird eine vollkommene Unterdrückung der zeitli

S5 linear veränderlichen Spannung UeC(O erreicht * Ausgangsspannung ΙΛ« ist dann nur von der Strömunj geschwindigkeit abhängig.

Die beschriebene Methode mit zweimaliger Kompi sation der elektrochemischen Störgleichspanmi bringt bei sehr kleinen Nutzspannungen mit sich, daB den Kompensationskreis hinsichtlich seiner Nullpur Stabilität und seines Ausregelverhaltens hoJie Anfor rungen gestellt werden müssen. Außerdem kann Oberlagerung des Eingangssignals mit Rauschen ο anderen Störamplituden der Spexherwert des K< pensationskreises nach der zweiten Ausregelung ber aufgrund dieser Störgrößen von dem Speicherwert η der ersten Ausregehing abweichen. Da die Eingai

spannung dann wählend der Induktionsphase Ö2 gegen einen anderen Pegel gemessen wird als während der Induktionsphase B,, kann auch das Ausgangssignal vom Rauschen überlagert werden. Deswegen kann es günstiger sein, das im folgenden an Hand der F i g. 3 und 4 erläuterte Verfahren zu verwenden.

Hierbei wird zu Beginn der Meßperiode beim ln.duktions.wert B\ durch kurzzeitiges Schließen eines Schalters 21 ein Integrator 20 mit einer Iniegrationszeitkonstanten 7} auf eine definierte Anfangsbedingung, z. B. Ua7 ·= 0, gesetz;:. Nach öffnen des Schalters 21 schließt zum Zeitpunkt fo entsprechend F i g. 4c ein Schalter 118, der die über ein mit einem Faktor A multiplizierendes Bewertungsglied 17 und über den Meßverstärker 2 kommende Elektrodenspannung

entsprechend F i g. 4b für die Zeitdauer t_P bis zum Zeitpunkt f, auf den Eingang des Integrators 20 aufschaltet. Dessen Ausgangsspannung nimmt entsprechend F i g. 4c den Wert

+ l/

_£r„

:ü und behält diesen Wert bis zum nächsten Schließen omes Schalters 19 bei

Dabei wurde vorausgesetzt, daß t_r klein ist gegenüber

Diese Annahme vereinfacht die Rechnung, die. exakt durchgeführt, zum gleichen Ergebnis kommt, aber

unübersichtlicher wird. Nach Umschalten der Induktion auf den Wert Ö? entsprechend Fig. 4a schließt im Zeitpunkt f2 entsprechend F i g. 4c für die gleiche Dauer t_n bis zum Zeitpunkt I₁ der Schalter 19 und verbindet die dann anliegende Ausgangsspannung UAb des Meßverstärkers 2 mit dem Eingang des Integrators 20, der zu der bereits vorhandenen Ausgangsspannung Uai(U) das Eingangssignal weiter aufintegriert, wobei sein Ausgang dann die Spannung UAi(ti) annimmt.

'f [fc · Γ · B₂ + U_EC0 (

Nach Rückschalten der Induktion auf den Wert ß-, entsprechend F i g. 4a wird im Zeitpunkt U für die gleiche Dauer t_P bis zum Zeitpunkt h wieder der Schalter 18 geschlossen, der die dann vorhandene, am Ausgang des Meßverstärkers 2 anliegende Spannung LUb über das Bewertungsglied 17, mit dem Faktor A multipliziert, auf den Eingang des Integrators 20 schaltet, der diese Eingangsspannung dann additiv zu der noch anliegenden Spannung Ua-(H) aufintegriert.

Man erhalt dann

U,₇<r₅) = U,₇(f₃) + A · -!* [k · f ■ B₁ + U_£C(, (j + '

Unter Verwendung der vorhergehenden G leichungen erhält man

U₄₇U₅) =

■f [B₂ + 2.4B₁) + U .ί>

+ 1

Mit den Bedingungen:

A = -1/2 und

= 2fj.

die sich durch entsprechende Auslegung des Taktgenerators 8 und des Bewertungsgliedes 17 erfüllen lassen.

erhält man

L ΑΙ - τ

-[B₂-B₁).

Dieser Wert wird durch kurzzeitiges Schließen eines Schalters 22 in einen Speicher 23 übertragen, dessen Ausgangsspannung Uai dann das von der elektrochemi- so sehen Störgteichspannung bereinigte Meßsignal darstellt

Anstelle der zwei Schalter 18 und 19 und des einen

Bewertungsgliedes 17 können auch mehrere Schalter und mehrere Bewertungsglieder vorgesehen werden: damit können dann die Bedingungen A — —1/2 und r₅ + fi = 2f₃ abgeändert werden.

Außerdem ist es möglich, bei gleichem Funktionsablauf statt des Integrators 20 in dieser Schaltung mehrere Speicher und einen Differenzverstärker zu verwenden. Zur Unterdrückung von Störungen fester Frequenz ist es dann aber notwendig, neben der phasenstarren Ankopplung des Taktablaufes an die Störfrequenz, wie sie bei einem Verfahren nach F i g. 3 und 4 ausreichend ist, noch einen Abgleich der Speicher nach Betrag und Phase durchzuführen.

Ebenso ist es möglich, daß die Bewertung der einzelnen Signale nach der Speicherung bzw. dei Integration durchgeführt wird, wobei dann die Werte einzeln integriert werden, die Integratorspannung ir Speicher übernommen und der Integrator nach dei Integration der einzelnen Signale gelöscht wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der induktiven Durch- Flußmessung mit periodisch zwischen zwei Induktionswerten hin- und hergeschaltetem Gleichfeld, wobei das Nutzsignal durch Speicherung und Differenzbildung von Werten, die der Summe von Nutz- und Störspannungen bei den beiden Induktio- ι ο nen entsprechen, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation einer zeitlichen Änderung dieser Störgleichspannung sowie auch anderer Störgrößen bei Vorliegen eines Induktionswertes B\ mindestens zweimal zu verschiedenen Zeitpunkten die Summe aus Nutzspannung und sich langsam ändernden Werten der überlagerten Störgrößen erfaßt und gespeichert werden, und daß aus diesen gespeicherten Werten der Wert der Summe aus Nutzspannung (Um) und Störspannung inter- oder extrapoliert wird, der zum Zeitpunkt t_x der Messung von Summe aus Nutzspannung (Uni) und Störspannung beim Induktionswert Bi besteht, und daß von dem zu diesem Zeitpunkt f» gemessenen Signal der Inter- oder Extrapolationswert, der aus den zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelten Werten gewonnen wurde, subtrahiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Zeit fi während des einen Induktionswertes S₁ die Summe aus der Nutzspannung und den Störgrößen an einem Meßverstärker (2) — beispielsweise an dessen Ausgang — auf Null geregelt wird, indem dem Meßverstärker (2) eine entsprechende Kompensationsgröße zugeführt wird, die mittels eines ersten Speichers (5) als konstante Kompensationsgröße beibehalten wird, daß zu einem Zeitpunkt i₂ danach das durch Änderung der Störgrößen am Ausgang des Meßverstärkers anstehende Signal in einem zweiten Speicher (13) als Korrekturwert festgehalten wird, daß zu einem späteren Zeitpunkt (3 dem Meßverstärker (2) zur erneuten Ausregelung seines Ausgangs auf Null eine neue Kompensationsgröße zugeführt wird, die dann wiederum durch den ersten Speicher (5) vom Zeitpunkt u an beibehalten wird und daß nach der zeitlich darauf erfolgenden Änderung der Induktion auf einen zweiten Wert Fh von der dann anliegenden Summe aus Störspannung und Nutzspannung (Um) die im zweiten Speicher (13) gespeicherte Spannung zum Zeitpunkt f» = r₅ subtrahiert wird, der unter Berücksichtigung des Zeitintervalls t₂ - fi gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem einen Induktionswert B\ zum Zeitpunkt u ein erster Wert der Summe aus Störgleichspannung und der diesem Induktionswert entsprechenden Nutzspannung (Un\) als erstes Korrektursignal gernessen und gespeichert wird, daß zu einem späteren Zeitpunkt i, = (3 bei Vorliegen des zweiten Induktionswertes B2 das Summensignal gemessen und gespeichert wird, daß im gleichen Zeitabstand danach wie zwischen zweiter und erster Messung (h - h) und bei erneutem Vorliegen des Induktionswertes B\ zum ersten Wert der Summe aus Störgleichspannung und Nutzspannung der Wert der Summe aus Nutzspannung und der weiter fortgeschrittenen Änderung der Störgrößen hinzuaddiert wird und als zweites Korrektursignal gespeichert wird, und daß von dem beim zweiten Induktionswert gemessener. Summensignal der Mittelwert vom ersten und zweiten Korrektursignal subtrahiert wird.