DE3204573A1

DE3204573A1 - Schaltungsanordnung zur erzeugung eines pulsierenden magnetischen feldes in der erregerspule eines induktiven durchflussmessers

Info

Publication number: DE3204573A1
Application number: DE19823204573
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dipl.-Ing. 5632 Wermelskirchen Doll
Original assignee: Turbo Werk Messtechnik GmbH
Current assignee: Turbo Werk Messtechnik GmbH
Priority date: 1982-02-10
Filing date: 1982-02-10
Publication date: 1983-08-18
Also published as: FR2521289A1; FR2521289B1

Description

VON KREISLER SCHÖNWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

PATENTANWÄLTE TURBO-WERK Fritz Hammelrath Dr.-Ing. von Kreislert 1973

Gremberger Str. · 1 51 _Dr __{|ng K Schönwdd/ Kö}|_n

Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden 5000 Köln 91 Dr, J. F. Fues, Köln

Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Selting, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

10. Februar 1982 Sg-Fe

Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines pulsierenden magnetischen Feldes in der Erregerspule eines induktiven Durchflußmessers

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines pulsierenden magnetischen Feldes in der Erregerspule eines,induktiven Durchflußmessers, mit einer Stromimpulsquelle, die mindestens ein steuerbares elektronisches Bauteil enthält, das den Strom durch die Erregerspule in Abhängigkeit von dem Signal eines im Erregerkreis liegenden Stromfühlers regelt.

Induktive Durchflußmesser dienen zur Messung der Durchflußmenge einer Flüssigkeit durch eine Rohrleitung (DE-OS 29 41 383). Sie weisen mindestens eine Erregerspule auf, die im Innern der Rohrleitung ein pulsierendes Magnetfeld erzeugt. Durch die in der strömenden Flüssigkeit enthaltenen Ladungsträger entsteht in der Flüssigkeit ein elektrisches.Potentialgefälle, das durch an der Rohrwand in gegenseitigem Abstand angeordnete Elek-

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troden gemessen und ausgewertet wird. Die gemessene Potentialdifferenz bildet ein Maß für die pro Zeiteinheit fliessende Flüssigkeitsmenge.

Zur Speisung der Erregerspule wird bei den bekannten Durchflußmessern eine Stromimpulsquelle benutzt, bei der _: die Amplitude der Stromimpulse geregelt wird. Die Stromimpulsquelle wird mit einer ungeregelten Spannung versorgt, die natürlich größer sein muß als die Ausgangsspannung. Die Spannungsdifferenz zwischen der ungeregelten Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der Stromimpulsquelle multipliziert mit dem Strom wird von dem steuerbaren elektronischen Bauteil in Wärme umgesetzt. Dies bedeutet, daß nicht nur erhebliche Energieverluste entstehen, die eine unnötig hohe EingangsIeistung des Gerätes erforderlich machen, sondern daß außerdem erheblicher Aufwand für die Kühlung der sich erwärmenden elektronischen Bauteile erforderlich ist. Durch derartige Kühlmittel werden das Gewicht und die baulichen Abmessungen des Gerätes vergrößert.

Bei den bekannten Durchflußmessern ist die Folgefrequenz, 2.0 mit der die Stromimpulse für die Erregerspule erzeugt werden, fest. Einerseits sollte die Impulsfolgefrequenz groß sein, um eine kurze Reaktionszeit des Meßgerätes zu erhalten und um einen großen Frequenzabstand zwischen dem Nutzsignal und den niederfrequenten Störungen zu erhalten; andererseits darf die Folgefrequenz aber auch nicht zu groß gemacht werden, da bei höheren Frequenzen die Kabelkapazitäten und die Wirbelstromverluste zu Fehlern führen. Die' richtige Wahl der Folgefrequenz ist auch von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit abhängig und insbesondere von der Größe und der Verteilung leitfähiger Partikel in der Flüssigkeit.

Es ist bekannt, zur Erzeugung des Stromes für die Erregerspule einen linearen Regelkreis zu verwenden, bei dem das elektronische Bauteil jeweils soweit in den Leitzustand gesteuert wird, daß ein Strom der gewünschten Größe erzeugt wird. Hierbei entsteht jedoch eine erhebliche Verlustwärme . Ferner ist es bekannt, zwei im Gegentakt betriebene elektronische Bauteile einzusetzen, wobei in einer Halbperiode ein positiver Amplitudenwert des Erregerstromes und in der nächstfolgenden Halbperiode ein riegativer Amplitudenwert erzeugt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, . daß die Leistungsaufnahme gegenüber den bekannten Schaltungen erheblich verringert ist und daß demnach auch der Aufwand zur Abführung der Verlustwärme reduziert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das elektronische Bauteil ein impulsweise steuerbarer, nur zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand •umschaltbarer elektronischer Schalter ist, daß das Signal des Stromfühlers in einem Komparator mit einem Sollwertsignal verglichen wird und daß das Sollwertsignal ein sich periodisch änderndes Impulssignal ist.

Nach der Erfindung ist der elektronische Schalter entweder in geöffnetem oder geschlossenem Zustand. Der jeweilige Zustand wird aber nicht über eine Halbperiode des Sollwertsignals aufrechterhalten, sondern er ändert sich mit einer relativ hohen Frequenz, die wesentlich höher ist als diejenige des niederfrequenten Sollwertsignals. Die Erregerspule, der die von dem elektronischen Schalter geschaltete Spannung zugeführt wird, bewirkt eine Glättung und Mittelwortb.il-

dung des Stromes. Der Mittelwert stellt sich selbsttätig auf den gewünschten Sollwert ein. Dies wird dadurch erreicht, daß die Ansprechschwelle des Komparators während einer Halbperiode des Sollwertsignals mehrfach nach unten und nach oben überschritten wird, so daß der Komparator eine häufige Umschaltung des elektronischen Schalters bewirkt. Die Schaltschwelle des Komparators verändert sich in Abhängigkeit von dem Sollwertsignal, das den Komparator gewissermaßen programmiert.

Ein besonderer Vorteil der Schaltungsanordnung besteht in der geringen Verlustleistung. Die der Schaltungsanordnung insgesamt zugeführte Energie wird zu einem extrem hohen Anteil für die Speisung der Erregerspule benutzt. Da die Erregerspuie nur geringe Ohmsche Verluste hat und vorwiegend induktiv ist, ist die insgesamt aufgenommene Leistung sehr gering. Das Gerät eignet sich somit auch für Batteriebetrieb. Es kann sogar als tragbares Handgerät ■ ausgebildet werden, weil schwergewichtigte Wärmeableitplatten nicht benötigt werden. Wenn der elektronische '20 Schalter im leitenden Zustand ist, ist sein Widerstand extrem gering, so daß die in dem elektronischen Schalter in diesem Zustand anfallende Verlustwärme selbst bei großen Strömen klein ist. Ist der elektronische Schalter dagegen im geöffneten Zustand, so fließt nur ein ganz geringer Reststrom. In diesem Zustand ist die Verlustleistung eben'falls sehr gering. Ein Zwischenstadium zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand tritt praktisch nicht ein.

Die Schalthäufigkeit, mit der. der Komparator die Umschal-

tung des elektronischen Schalters vornimmt, hängt wesentlich von der Hysterese des Komparators ab. Wenn diese Hysterese groß ist, erfolgt eine weniger häufige Umschaltung als bei geringer Hysterese. Es ist auch möglich, einen Komparator zu verwenden, der keine Schalthysterese hat, wenn zwischen den Stromfühler und den Komparator ein Verzögerungsglied geschaltet ist. Dieses Verzögerungsglied, bewirkt, daß dem Eingang des Komparators das Signal des: Stromfühlers mit einer gewissen Verzögerung zugeführt wird, so daß-der Schaltvorgang im Komparator immer erst mit einer gewissen Verzögerung ausgeführt wird. Das Verzögerungsglied bestimmt also in Verbindung mit den Daten der Erregerspule die Frequenz, mit der der elektronische Schalter umgeschaltet wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei im Gegentakt gesteuerte elektronische Schalter, die' an entgegengesetzte Potentiale angeschlossen sind, mit der Erregerspule verbunden. Auf diese Weise kann mit relativ geringen Absolutwerten der Amplituden eine große zeitliche Änderung des Stromwertes an der Erregerspule erreicht werden.

Gemäß weiterer Erfindung ist zur Erzeugung des niederfrequenten Sollwertsignals eine Frequenzteilerkette vorgesehen, an der unter-, schiedliche Impulsfrequenzen abgreifbar sind. Bei einem derartigen Durchflußmesser ist demnach die Impulsfrequenz des Erregerstromes wählbar. Die Impulsfrequenz kann auf den jeweiligen Anwendungsfall eingestellt werden. Sie · wird beispielsweise relativ hoch gewählt, wenn durch das Elektrodenpotential, pulsierende Strömungen usw. niederfrequente Störsignale entstehen, die dann auf einfache

Weise mit einem Frequenzfilter herausgefiltert werden können, und sie wird relativ niedrig gewählt, wenn Kabelkapazitäten oder andere Hochfrequenzeinflüsse so groß sind, daß sie das Meßergebnis bei einer hohen Impulsfrequenz beein-r flüssen würden. Vorzugsweise wird die Frequenzteilerkette mit der Netzfrequenz angesteuert. Diese Art der Ansteuerung hat den Vorteil, daß sie sehr einfach durchzuführen ist und daß sie zu einer netzsynchronen, sehr konstanten Impulsfrequenz führt, bei der sich dem Nutzsignal überlagerte 10. Netzstörungen in bekannter Weise unterdrücken lassen.

Zur Erzeugung des Sollwertsignals kann ein Impulsfiltervorgesehen sein, das aus einem Impulszug nur jeweils den η-ten Impuls durchläßt, wobei η eine natürliche Zahl, vorzugsweise eine Potenzzahl von 2, ist. Dies ermöglicht es, die Messung nur zu gewissen Zeitpunkten, die mit zeitlichen Abständen aufeinanderfolgen, durchzuführen, um die Leistungsaufnahme des Gerätes und damit die restliche Verlustleistung im Meßumformer und Erregerspule in einstellbarer Weise zu reduzieren (Batteriebetrieb, Betrieb bei hoher Umgebungstemperatur). Ferner besteht die Möglichkeit, mehrere Erregerspulen verschiedener Durchflußmesser von einer gemeinsamen Schaltungsanordnung aus zeitlich gestaffelt nacheinander zu speisen.

Die Frequenz, mit der der elektronische Schalter schaltet, liegt vorzugsweise im Tonfrequenzbereich, beispielsweise in der Größenordnung von 1 bis 20 kHz. Sie ist wesentlich größer als die Frequenz des Sollwertsignals, die vorzugsweise in der Größenordnung von 1 Hz bis 2 5 Hz liegt. Beide Frequenzen sollten sich mindestens um den Faktor 100 unterscheiden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der Schaltungsanordnung ,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild der Schaltung zur Erzeugung der Sollwertsignale und

Fig. 3 eine Impulsdarstellung der Spannungs- und Stromverläufe an verschiedenen Stellen der Schaltung nach Fig. 1.

Gemäß Fig.1 wird die Erregerspule 10, die außerhalb eines (nicht dargestellten) Rohres angeordnet ist und im Innern dieses Rohres ein Magnetfeld erzeugt, von einem Erregerstrom durchflossen, der abwechselnd von einem ersten elektronischen Schalter 11 oder einem zweiten elektronischen Schalter 12 geliefert wird. Die elektronischen Schalter 11 und 12 sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel • komplementäre Schalttransistoren, wobei der Schalter 11 ein npn-Transistor und der Schalter 12 ein pnp-Transistor ist. Die Emitter der Schalter 11 und 12 sind zusammengeschaltet und mit dem einen Pol der Erregerspule 10 verbunden. Die Basen der Transistoren sind ebenfalls zusammengeschaltet. Der Kollektor des Schalters 11 ist mit dem Pluspol und der Kollektor des Schalters 12 mit dem Minuspol einer Spannungsquelle verbunden. Anstelle der Schalttransistoren können auch andere steuerbare HaIbleiterelemente, wie z.B. Thyristoren, verwendet werden.

Der andere Pol der Erregerspule 10 ist über einen Strom-

fühler 13 mit Massepotential verbunden. Der Stromfühler besteht aus einem niederohmigen Widerstand, an dem der durch die Erregerspule 10 fließende Strom einen Spannungsabfall erzeugt. Die Spannung am Stromfühler 13 wird über ein Verzögerungsglied 14 dem Istwert-Eingang eines Komparator s 15 zugeführt. Das Verzögerungsglied 14 weist einen Längswiderstand und einen mit Masse verbundenen Ableitkondensator' auf. Durch Veränderung des Wertes des Längs-.Widerstandes kann die Zeitkonstante des Verzögerungsgliedes verändert werden.

Dem Sollwert-Eingang des !Comparators 15 wird ein an einem Potentiometer 16 abgreifbares Sollwertsignal zugeführt. Dieses Sollwertsignal, dessen Erzeugung noch erläutert wird, ist eine Impulsfolge aus abwechselnd positiven und negativen niederfrequenten Impulsen. .Der Komparator 15 hat Schwellwertverhalten, d.h. er erzeugt ein "1"-Signal, wenn die Amplitude an dem Istwert-Eingang größer ist als die Amplitude an dem Sollwert-Eingang, und er erzeugt in allen übrigen Fällen ein "0"-Signal. Das Ausgangssignal des Komparators 15 steuert direkt oder über andere Schaltmittel die Basen der elektronischen Schalter 11 und 12. Wie bei getakteten Netzteilen, so kann man auch hier auf einen Leistungs-Netztrafo ggf. verzichten und die Stromquelle über Gleichrichter und Siebkondensatoren direkt ans Netz anschließen, wobei die Basen der Leistungstransistoren über Optokoppler ausgesteuert werden.

In Fig. 3 ist bei a der zeitliche Verlauf des Sollwertsig-■nals dargestellt. Dieses Sollwertsignal besteht aus einander · abwechselnden positiven und negativen Spannungen mit normierter Amplitude. Die Frequenz des Sollwertsignals beträgt 25 Hz.

Bei b ist der zeitliche Verlauf des Stromes I durch die Erregerspule 10 dargestellt. Wenn das Sollwertsignal U positiv ist, liefert der Komparator 15 ein "1"-Signal,■ das an die Basen der elektronischen Schalter 11 und 12 gelegt

- af

wird. Hierdurch wird der Schalter 11 geöffnet und der ' Schalter 12 geschlossen. Die positive Versorgungsspannung, die an den Schalter 11 gelegt ist, erzeugt im Dauerzustand einen Erregerstrom, der größer ist als der eingestellte Sollwert. Dieser Erregerstrom baut sich jedoch wegen der Induktivität der Erregerspule 10 nur langsam auf. Wenn der Erregerstrom den Sollwert I erreicht hat, schaltet mit einer durch das Verzögerungsglied 14 bewirkten Verzögerung der Komparator 15 um. Daraufhin wird der Schalter 11 geschlossen und der Schalter 12 voll geöffnet. Infolge der Speicherwirkung der Erregerspule 10 fällt der Erregerstrom' langsam ab, um wieder unter den Sollwert I zu sin-

ken. Dieses Absinken des Erreger stromes ist in Fig. 3' ·' mit 17 bezeichnet. Eine kurze Zeit nach Unterschreiten des Sollwertes I schaltet der Komparator 15 von neuem

um, wodurch der Schalter 12 wieder in den geöffneten und der Schalter 11 in den geschlossenen Zustand geschaltet wird. Auf diese Weise erhält der Erregerstrom I den in Fig. 3 dargestellten zackenförmigen Verlauf. Der Erregerstrom pendelt um den Sollwert I , der den Mittelwert bildet. Diese Zacken entstehen dadurch, daß die elektronischen Schalter 11 und 12 jeweils zwischen dem geschlossenen und dem geöffneten Zustand· abwechselnd umgeschaltet werden.

Wird das Sollwertsignal U anschließend negativ, dann finden die gleichen Vorgänge statt, wobei ein sich sägezahnförmig um einen negativen Sollwert als Mittelwert verändernder Erregerstrom entsteht.

In Fig. 3 ist bei c der Spannungsverlauf U am Erregermagneten· 10 dargestellt. Solange der Schalter 12 geöffnet und der Schalter T1 geschlossen ist, nimmt die Spannung U

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den vollen positiven Wert ein. Wird dagegen in der Phase 17. der Schalter 12 geschlossen und der Schalter 11 geöffnet, dann nimmt die Spannung U den vollen negativen Wert ein. Der Mittelwert der Erregerspannung U während der positiven Halbwelle des Sollwertsignals U nimmt einen Wert an, der imstande ist, genau den gewünschten Erregerstrom hervorzurufen.

Wird die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes 14 vergrößert, dann vergrößern sich die Zeitdauern der Flanken 17 und 18, so daß die Frequenz, mit der die elektronischen Schalter 11 und 12 umgeschaltet werden, verringert wird. Diese Umschaltfrequenz liegt bei einem praktisch ausge-. führten Ausführungsbeispiel bei etwa 10 kHz und hat dem- nach mehr als das Hundertfache der Frequenz des Sollwertsignales U.

In Fig. 2 ist eine Schaltung zur Erzeugung des Sollwertsignals U dargestellt.

Mit der Netzspannung von 50 Hz wird.eine Impulsformerstufe 19 angesteuert, die Rechteckimpulse von abwechselnd positiver und negativer Amplitude liefert. Diese Rechteckimpülse steuern einen Zähler oder eine Impulsteilerkette 20 an. Die Ausgänge der Impulsteilerkette 20 sind jeweils mit den Divisoren 1,2,4,8 bezeichnet, durch die die Eingangsfrequenz geteilt wird. Jeweils einer dieser ,25 Ausgänge kann mit einer Leitung 21 verbunden werden, die über eine Frequenzteilerstufe 22 und einen Verstärker 23 mit dem Potentiometer 16 verbunden ist. Der andere Anschluß des Potentiometers 16 liegt an Masse. Die Frequenzteilerstufe 22 halbiert die an ihrem Eingang anstehende und von der Leitung 21 kommende Impulsfrequenz. Sie ent-

hält außerdem eine Frequenzteilerkette, der einzelne Stufen entsprechend dem Divisor mit 2,4,8 und 16 bezeichnet sind. Die Impulsfrequenz, die am Ausgang 8 des Frequenzteilers auftritt, beträgt demnach 1/8 der Eingangsfrequenz.

Die Ausgänge 2,4,8,16 des Impulsteilers 22 sind über Entkopplungswiderstände 24 mit den vier Eingängen eines NAND-Tores 25 verbunden. Jeder dieser Eingänge ist außerdem über einen normalerweise geschlossenen Schalter 26, 27,28 bzw. 29mit Massepotential verbunden. Die Schalter

26 bis 29 können manuell betätigt werden, und zwar derart, daß zunächst der Schalter 26 geöffnet wird und anschliessend geöffnet bleibt, daß danach zusätzlich der Schalter

27 geöffnet wird usw., bis sämtliche Schalter 26 bis 29 gleichzeitig geöffnet sind.

Das NAND-Tor 25 liefert an seinem Ausgang nur dann ein "1"-Signal, wenn alle Eingangssignale "0" sind. Massepotential· entspricht einem "0"-Signal. Das Ausgangssignal des NAND-Tores 25 steuert über einen Inverter 3 0 einen elektronischen Schalter 40, der schematisch als mechanischer Schalter dargestellt ist, und der dem Potentiometer 16 paraMelgeschaltet ist und dieses kurzschließen kann..

Die Impulsteilerstufe 22 bildet zusammen mit den Schaltern 26 bis 29, dem NAND-Tor 25 und.dem Schalter 40 ein Impulsfilter 21, das jeweils nur einen einzigen von n-Impulsen zur Erzeugung eines Soilwertsignales zu dem Potentiometer 16 durchläßt, η ist eine natürliche Potenzzahl von 2 und kann •somit den Wert 2,4,8,16 ... annehmen. Sind alle Schalter 26 bis 29 geschlossen, dann bleibt der Schalter 40 ge-' schlossen und an dem Potentiometer 16 entsteht koine

Spannung. Wird nur der Schalter 26 geöffnet, dann gelangen die Impulse von dem Ausgang 2 des Impulsteilers 22 über das NAND-Tor 25 und den Inverter 30 zur Steuerung an den Schalter 40. Da diese Impulse die halbe Frequenz der an Leitung 21'anstehenden Impulse haben, wird jeder zweite Impuls, der vom Verstärker 23 kommt, durch den Schalter 40 kurzgeschlossen. Wird zusätzlich zu dem Schalter 26 noch der Schalter 27 geöffnet, dann erzeugt nur jeweils jeder vierte Impuls von Leitung 21 einen Spannungsimpuls an den Potentiometer 16. Sind die Schalter 26,27 und 28 gemeinsam geöffnet, erzeugt nur jeder achte Impuls von Leitung 21 einen Impuls am Potentiometer 16 und sind schließlich alle vier Schalter 26 bis 29 geöffnet, dann erzeugt nur jeweils jeder sechzehnte Impuls von Leitung 21 einen Impuls am Potentiometer 16.

Auf diese Weise kann die Häufigkeit der induktiven Durchflußmessung verändert werden, um beispielsweise durch weniger häufiges Messen eine Stromersparnis zu bewirken.

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ANSPRÜCHE

Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines pulsierenden magnetischen Feldes in der Erregerspule eines induktiven Durchflußmessers, mit einer Stromimpulsquelle, die mindestens ein steuerbares elektronisches Bauteil enthält, das den Strom durch die Erregerspule in Abhängigkeit von dem Signal eines im Erregerkreis liegenden Stromfühlers regelt, dadurch g.e kennzeichnet , daß das elektronische Bauteil ein impulsweise steuerbarer, nur zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand umschaltbarer elektronischer Schalter (11,12) ist, daß das Signal des Stromfühlers (13) in einem den Schalter (11,12) steuernden Komparator (15) mit einem Sollwertsignal (U) verglichen wird und daß das Sollwertsignal ein sich periodisch änderndes Impulssignal ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stromfühler (13) und den Komparator (15) ein Verzögerungsglied (14) geschaltet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Gegentakt gesteuerte elektronische Schalter (11,12), die an entgegengesetzte Potentiale angeschlossen sind, mit der Erregerspule (10) verbunden sind.

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4. Schaltungsanordnung, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Sollwertsignals (U) eine Frequenzteilerkette (20) vorge-, sehen ist, an der unterschiedliche Impulsfrequenzen abgreifbar sind.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Sollwertsignals (U) ein Impulsfilter (31) vorgesehen ist, das aus einem Impulszug nur jeweils den η-ten Impuls durchläßt, wobei η eine natürliche Zahl, vorzugsweise eine Potenzzahl von 2 ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden' Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz, mit der der elektrische Schalter (11,12) schaltet, im Tonfrequenzbereich liegt und wesentlich größer ist als die Frequenz des Sollwertsignals (U).