DE2410407C3

DE2410407C3 - Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung mit periodisch zwischen zwei Induktionswerten hin- und hergeschaltetem Gleichfeld

Info

Publication number: DE2410407C3
Application number: DE2410407A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Ing. 4100 Duisburg Hofmann; Ronald van der Dipl.-Ing. Venlo Pol
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: 1981-05-21
Also published as: JPS5623093B2; FR2263497B1; FR2263497A1; DE2410407A1; GB1502860A; DE2410407B2; US4010644A; NL7502601A; JPS50128551A

Description

ίο 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 ■ Störgleichspannung zu trennen, welche etwa bis zum 10⁵-fachen Wert der eigentlichen Meßspannung ansteigen kann, ist es durch die DE-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 Summensignal 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 geringem Schaltungsaufwand erreicht.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß 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 (Uni) und Störspannung inter- oder extrapoliert wird, der zum Zeitpunkt (t_x) der Messung von Summe aus Nutzspannurg (Um) und Störspannung beim Induktionswert Bz besteht, und daß von dem zu diesem Zeitpunkt U 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 DE-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 beträchtlichen 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 Zeitkonstanten in der Größenordnung von Minuten bis Stunden liegen, kann davon ausgegangen werden, daß sich uiese 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 Kompensatiomgröße zugeführt wird, die mittels eines ersten Speichers als konstante Kompensationsgröße beibehalten wird, daß zu einem Zeitpunkt fc 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 h 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 u = K subtrahiert wird, der unter Berücksichtigung des Zeitintervalls fc — fi gewählt wird.

Bei diesem Verfahren kann jedoch die Anzeige der Nutzspannung durch Rauschen im Eingangsverstärker sowie 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 Zeitablauf Steuerungen 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 dargestellter Verfahren näher erläutert werden. Es zeigt Fig. 1 das Blockdiagramm eines Durchfluß-Meßver-

stärkers 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,

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

F i g. 4 den zeitlichen Verlauf von magnetischer Induktion und Spannungen bei einem gemäß Fig.3 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-Steuerung 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 B\ oder Bi. Die Spannung t/_ean den Elektroden 11 beträgt dann

hierbei bedeutet

4s Uec(O = 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 Zusammensetzung und der Strömungsgeschwindigkeit zeitlich nach Exponentialfunktionen ändern.

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

UEd(O = <~>Ea ■ ε^Ι/Γ

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

1= Uecu)+l/T)

so daß entsprechend F i g. 2b

U dt) = k-vB + L/_£CO(1 + r/T)

Im folgenden wird weiterhin der Einfachheit halber davon ausgegangen, daß ein in Fig. 1 gezeigter Meßverstärker 2 - owohl für das Signal wie auch für die einem zusätzlichen Subtraktionseingang zugeführte Spannung Ua\ eine Verstärkung V = 1 hat. Die Ausgangsspannung Ua₂(O des Meßverstärkers 2 ist dann

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

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 Ue kompensiert. Dieser Ausregelvorgang wird durch öffnen des Schalters 4 im Zeitpunkt t\ abgeschlossen. Die Spannung Ua\(U) beträgt dann wegen

^i(fi)= VSC₀(I +h/T)+ kv B,.

Dieser Wert Ua$I$ wird nach öffnen des Schalters 4 im Zeitpunkt ii bis zum erneuten Schließen des Schalters 4 beibehalten.

Zu einem Zeitpunkt f: beträgt

VA

V.42U2) = V_EC„(\ + I₂JT) + k ■ Ϊ■■■ B₁ - U_£co(l + f, T) -Ic-V-B₁

= Us

Dieser Wert U_A2(h) wird durch kurzzeitiges Schlie- des Schalters 12 schließt im Zeitpunkt i3 erneut Schalter

Ben eines Schalters 12 in einen Speicher 13 übertragen, 4 bis zum Zeitpunkt U- Durch dieses Schließen des

so daß diese Spannung dann als Uai am Ausgang dieses Schalters 4 wird Ue(U) durch Entgegenschalten einer

Speichers 13 bis zum nächsten Schließen des Schalters Spannung Ua\(U) erneut auf Null kompensiert (F i g. 2c),

12 im folgenden, in der Zeichnung nicht mehr 30 so daß wieder gilt
dargestellten Zyklus zur Verfügung steht. Nach öffnen

Nach Öffnen des Schalters 4 im Zeitpunkt U wird Taktsteuerung 8 die Stromquelle 9 um. so daß im dieser Wert beibehalten bis zum erneuten Schließen des Geberrohr 1 die Induktion Bi anliegt (F i g. 2a).
Schalters 4 im nächsten, in der Zeichnung nicht mehr Zum Zeitpunkt fs beträgt die Elektrodenspannung

dargestellten Zyklus. Nach dem Zeitpunkt U schaltet die

= iZ_EC0(l + t_s/T) + kv S₂.
Die Ausgangsspannung des Meßverstärkers 2 ist

^₂(I₅) = Ufa) -U_M(u),

IZ₄₂It₅) = iZ_£C0(l + t_s/T) + Ic-V-B₂ - L'_ECO(1 + u/T) - k · r ■ B₁

= kv (B₂-B_x)+U_E

U-U

Durch Schließen eines Schalters 15 im Zeitpunkt k wird die Spannung t/42^5) in einen Speicher 14 übertragen, an dessen Ausgang diese als Ua* = UA2(b) 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 Uas ansteht:

= U_A2(k) -

(«s-U)-(I₂-

Durch gleiche Zeitintervalle Ci₅ - £4) und (t₂ - fi) wird eine vollkommene Unterdrückung der zeitlich linear veränderlichen Spannung UeC(O erreicht, die Ausgangsspannung Uas ist dann nur von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig.

Die beschriebene Methode mit zweimaliger Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bringt bei sehr kleinen Nutzspannungen mit sich, daß an den Kompensationskreis hinsichtlich seiner Nullpunkt-Stabilität und seines Ausregelverhaltens hohe Anforderungen gestellt werden müssen. Außerdem kann bei Oberlagerung des Eingangssignals mit Rauschen oder anderen Störamplituden der Speicherwert des Kompensationskreises nach der zweiten Ausregelung bereits aufgrund dieser Störgrößen von dem Speicherwert nach der ersten Ausregelung abweichen. Da die Eingangs-

spannung dann während der Induktionsphase B₂ 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 Induktionswert ß, durch kurzzeitiges Schließen eines Schalters 21 ein Integrator 20 mit einer Integrationszeitkonstanten T, auf eine definierte Anfangsbedingung, ζ. B. Uαϊ = 0, gesetzt. Nach öffnen des Schalters 21 schließt zum Zeitpunkt f₀ entsprechend Fig.4c ein Schalter 18, der die über ein mit einem Faktor A multiplizierendes Bewertungsglied 17 und über den Meßverstärker 2 kommende Elektrodenspannung Ue(O entsprechend Fig.4b für die Zeitdauer t_P bis zum Zeitpunkt t\ auf den Eingang des Integrators 20 aufschaltet. Dessen Ausgangsspannung nimmt entsprechend F i g. 4c den Wert

'5

an und behält diesen Wert bis zum nächsten Schließen eines Schalters 19 bei.

Dabei wurde vorausgesetzt, daß t_p klein ist gegenüber T.

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

unübersichtlicher wird. Nach Umschalten der Induktion auf den Wert B₂ entsprechend Fig.4a schließt im Zeitpunkt t₂ entsprechend F i g. 4c für die gleiche Dauer tp bis zum Zeitpunkt h der Schalter 19 und verbindet die dann anliegende Ausgangsspannung t/46 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(h) annimmt.

V_A1(h) =

■ B₂ + U_EC(t (l + f

Nach Rückschalten der Induktion auf den Wert B\ entsprechend Fig.4a wird im Zeitpunkt /4 für die gleiche Dauer t_p bis zum Zeitpunkt is wieder der Schalter 18 geschlossen, der die dann vorhandene, am Ausgang des Meßverstärkers 2 anliegende Spannung UAb 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 U_Ai(h) aufintegriert.

Man erhält dann

UAh) = UAh) + A

k ■ ν ■ B₁ + U_E

Unter Verwendung der vorhergehenden Gleichungen erhält man

U_Ai(h) =

- ν ■ (B₂ + 2AB₁) + U_E

Mit den Bedingungen:

A= -Iß und
h + h =2r₃,

die sich durch entsprechende Auslegung des Taktgenerators 8 und des Bewertungsgliedes 17 erfüllen lassen, erhält man

35

40

45

Dieser Wert wird durch kurzzeitiges Schließen eines Schalters 22 in einen Speicher 23 übertragen, dessen Ausgangsspannung Uai dann das von der elektrochemisehen Störgleichspannung 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 i₅ + i, = 2t₃ 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. der Integration durchgeführt wird, wobei dann die Werte einzeln integriert werden, die integratorspannung in Speicher übernommen und der Integrator nach der Integration der einzelnen Signale gelöscht wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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, 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 (Uns) und Störspannung inter- oder extrapoliert wird, der zum Zeitpunkt U der Messung von Summe aus Nutzspannung (Um) und Störspannung beim Induktionswert Bi besteht, und daß von dem zu diesem Zeitpunkt t_x 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 Bi 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 f2 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 i₃dem 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 Bi von der dann anliegenden Summe aus Störspannung und Nutzspannung (Um) die im zweiten Speicher (13) gespeicherte Spannung zum Zeitpunkt t_x = fs subtrahiert wird, der unter Berücksichtigung des Zeitintervalls h - t\ gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem einen Induktionswert B\ zum Zeitpunkt fi ein erster Wert der Summe aus Störgleichspannung und der diesem Induktionswert entsprechenden Nutzspannung (Uni) als erstes Korrektursignal gemessen und gespeichert wird, daß zu einem späteren Zeitpunkt r, = r₃ bei Vorliegen des zweiten Induktionswertes Bi das Summensignal gemessen und gespeichert wird, daß im gleichen Zeitabstand danach wie zwischen zweiter und erster Messung (t$ - t₃) 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 gemessenen Summensignal der Mittelwert vom ersten und zweiten Korrektursignal subtrahiert wird.