DE3741584C2 - Elektromagnetischer Strömungsmesser - Google Patents
Elektromagnetischer StrömungsmesserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Strömungs
messer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solcher Strömungsmesser ist nach der US 4 409 846 und
der DE 30 29 791 A1 bekannt. Dieser Strömungsmesser wird
nicht mit einer Netzwechselspannungsquelle betrieben.
Aus den US 3 783 687 und US 4 370 892 ist es bekannt, die
Spulen eines elektromagnetischen Strömungsmessers niederfre
quent zur Erzeugung eines periodisch seine Richtung wech
selnden Magnetfeldflusses zu erregen, wodurch ungewollte
Gleichphasen- und Quadraturkomponenten minimiert werden, ohne
daß eine Polarisation der Elektroden und unerwünschte galva
nische Effekte hervorgerufen werden. Die Niederfrequenz wird
mittels eines voreinstellbaren Frequenzteilers erzeugt, der
an eine Netzwechselspannungsleitung (60 Hz) gekoppelt ist und
auf eine Frequenz in der Größenordnung von 1-7/8, 3-3/4,
7-1/2 oder 15 Hz eingestellt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektromagnetischen
Strömungsmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzuge
ben, der ein verhältnismäßig starkes Ausgangssignal bei
verhältnismäßig sehr niedrigem mittlerem Leistungsverbrauch
abgibt.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1
angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel
unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des elektromagnetischen
Strömungsmessers.
Fig. 2 zeigt Spannungsverläufe in dem Strömungsmesser nach
Fig. 1.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild des Strömungsmessers.
Fig. 4 zeigt Spannungsverläufe an verschiedenen Stellen der
Schaltung nach Fig. 3.
In Fig. 1 ist ein Strömungsmesser dargestellt, der ein
Strömungsrohr 10, durch welches das zu messende Fluid gelei
tet wird, und einen Signalprozessor 11 aufweist. Elektroden
12, 13 im Strömungsrohr 10 liefern ein Niederfrequenz-Aus
gangssignal, dessen Leistung proportional zur Strömungsrate
des Fluids ist. Der Signalprozessor 11 wandelt das Nieder
frequenz-Ausgangssignal in ein dazu proportionales Gleich
strom-Ausgangssignal in einem Strombereich von beispielsweise
4 bis 10 mA um, der in einer industriellen Prozeßsteuerung
verwendbar ist. Die Elektroden 12 und 13 stehen in Kontakt
mit dem Fluid. Sie sind an einander diametral gegenüberlie
genden Stellen an dem Strömungsrohr 10 längs einer Elektro
denachse befestigt, die senkrecht zur Längsströmungsachse
ist.
An einem weich-ferromagnetischen zylindrischen Gehäuse 14,
das zum Strömungsrohr 10 konzentrisch ist, sind in einem
Ringbereich zwischen dem Gehäuse 14 und dem Strömungsrohr 10
ein Paar Polstücke 15 und 16 aus hartmagnetischem Material
befestigt. Sie liegen an einander diametral gegenüberliegen
den Stellen in bezug auf das Strömungsrohr 10 auf einer
Achse, die senkrecht zur Elektrodenachse ist. Das Gehäuse 14
verbindet die Polstücke 15 und 16 magnetisch und bildet mit
ihnen einen magnetischen Kreis.
Um das Polstück 15 ist eine Spule 17 und um das Polstück 16
eine Spule 18 gewickelt. Diese Spulen 17, 18 sind in Serie
miteinander verbunden. Das eine Ende führt zu einem unter
Spannung stehenden Pol einer Standard-Wechselstrom
netzleitung. Das andere Ende ist mit einem positiven Treiber
19 und mit einem negativen Treiber 20 verbunden, die
abwechselnd in später erklärter Weise getriggert werden, um
Erregungsimpulse an die Spulen 17, 18 anzulegen, die in der
Polarität wechseln.
Die Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials ist eine
Funktion des daran angelegten magnetischen Feldes (H). Die
Induktion beginnt beim Nullfeld und erreicht die maximale
Induktion (Bm) und ein maximales Feld (Hm), wenn das Material
gesättigt ist. Wenn das magnetische Feld verringert wird,
folgt die Induktion einer Kurve mit höheren Werten als die
ursprüngliche Kurve. Bei H = O bleibt eine Induktion Bh,
welche Restinduktion oder Remanenz heißt.
Die maximale Restinduktion bei vollmagnetisiertem,
ferromagnetischem Material wird als maximale Remanenz be
zeichnet. Um die maximale Remanenz zu entfernen, legt man ein
negatives Magnetfeld an das Material, bis die Induktion bei
Hc, der Koerzitivkraft oder deren Maximum, das als maximale
Koerzitivkraft bezeichnet wird, vollständig entfernt wird.
Dieser Prozeß der Entfernung der Restinduktion wird als
Entmagnetisierung bezeichnet.
Permanentmagnete, die aus hochremanenten Materialien gebildet
sind, werden in verschiedene Klassen gruppiert, wie bei
spielsweise in ausscheidungsgehärtete Legierungen,
abschreckungsgehärtete Legierungen, verfestigungs- bzw.
kaltgehärtete Legierungen und Keramiken. Für Permanentmagnete
sind hohe Werte der Restinduktion und Koerzitivkraft erfor
derlich.
Alnico ist eine ausscheidungsgehärtete Legierung, welche die
höchste Energie pro Volumeneinheit unter den kommerziell
erhältlichen Permanentmagnetmaterialien hat. Unter den
abschreckungsgehärteten Legierungen sind Chrommagnet- und
Kobaltmagnetstähle. Bariumferrit ist typisch für keramische
Permanentmagnete.
Ein hartmagnetisches Material kann beliebig oft in einer
Richtung magnetisiert, dann entmagnetisiert und in der
entgegengesetzten Richtung wieder magnetisiert werden, ohne
daß das Material ungünstig beeinflußt wird. Die Magneti
sierung findet fast augenblicklich statt, vorausgesetzt daß
ausreichend viel Amperewindungen zur Überwindung der
Koerzitivkraft verwendet werden. Die tatsächliche Magne
tisierungszeit wird nicht durch das magnetische Material
begrenzt, sondern nur durch die Zeitkonstante der
Magnetisierungsspule.
Wenn beim Betrieb ein positiver Impuls mit hoher Energie
(Amperewindungen) an eine Spule angelegt wird, die ein
Polstück aus hartmagnetischem Material umgibt, hat dies eine
Magnetisierung des Polstücks einer bestimmten Polarität zur
Folge. Dieser Einwirkung folgt ein negativer Impuls hoher
Energie, um die Entmagnetisierung und erneute Magnetisierung
in der umgekehrten Polarität des Polstücks zu bewirken.
Bei der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung bewirkt das
Anlegen eines positiven Impulses durch den positiven Treiber
19 an die in Serie geschalteten Spulen 17 und 18 die
entgegengesetzte Magnetisierung der Polstücke 15 und 16, so
daß die Polstücke 15, 16 dem Strömungsrohr 10 einen Nordpol
(N) bzw. einen Südpol (S) präsentieren. Die Flußlinien,
welche diese Pole durch das Strömungsrohr 10 überbrücken,
erzeugen ein magnetisches Feld, dessen Linien normal zur
Richtung des Fluidstromes sind. Wenn danach ein negativer
Impuls von dem negativen Treiber 20 an die Spulen 17, 18
angelegt wird, werden die Polstücke 15, 16 entmagnetisiert
und in der umgekehrten Polarität wieder magnetisiert, so daß
jetzt das Polstück 15 Süd (S) und das Polstück 16 Nord (N)
und der Feldfluß umgekehrt ist.
Wird jeder hohe Amperewindungsimpuls in seiner Dauer extrem
kurz, beispielsweise ein oder mehrere 10 µs oder ein oder
mehrere 100 µs, gemacht und erfolgt vier- bis zehnmal pro
Sekunde eine Umkehr des magnetischen Flusses, so hat die
mittlere Eingangsleistung in die Spulen 17, 18 einen sehr
niedrigen Wert.
Wenn beispielsweise 20 Ampere in einer 250 Windungen aufwei
senden Spule (5000 Amperewindungen) 100 µs lang fließen und
die Erregung zehnmal pro Sekunde umgekehrt wird, dann wird
das Tastverhältnis 0,0001/0,1 gleich 0,001, und 0,001 mal 20
Ampere resultieren in einer mittleren Stromeingabe von 0,02
Ampere oder einer mittleren Amperewindungszahl von 0,25 AW.
Bei einem totalen Spulenwiderstand von beispielsweise 1 Ohm
wäre bei diesem Beispiel die Spitzenleistung 400 MBit und die
mittlere Leistung betrüge 0,4 Watt.
Bei einer Arbeitsausführungsform waren die Polstücke 15, 16
aus Alnico #V gefertigt, das eine Koerzitivkraft von 700
Oersted aufweist. Dies ist zehnmal höher als bei einem 3,5%-
Chromeisenmagneten. Wenn ein 3,5%-Cr-Fe-Magnet benutzt
würde, würde die Amperewindungszahl auf 2 Amperewindungen
reduziert werden, was eine Spitzenleistung von 4 Watt und
eine mittlere Leistung von 0,004 Watt zur Folge hätte.
Folglich bestimmen die Wahl des hartmagnetischen Materials
und die Konstruktion der Spulen 17, 18 sowie das gewählte
Tastverhältnis der Impulse die mittlere Ausgangsleistung.
Zum Umpolen der Polstücke 15, 16 werden Hochenergieimpulse
kurzer Dauer verwendet. Um eine Umpolung einer Gaußzahl X
bzw. Teslazahl X · 10-4 zu bewirken, benötigt man eine
bestimmte Amperewindungszahl Y. Je kürzer die Zeit zum Aufbau
von Y Amperewindungen gemacht werden kann, desto niedriger
wird die mittlere Leistung: die mittlere Leistung in Watt ist
gleich der Spitzenleistung in Watt mal dem Tastverhältnis.
Werden die Erregungsimpulse für die Polstücke 15, 16 aus
einer Netzwechselspannungsquelle (120 Volt, 50 oder 60 Hz)
abgeleitet, so sind hierzu ziemlich große Speicherkondensa
toren und Transformatoren erforderlich. Um sich von diesem
Erfordernis zu befreien, wird die Frequenz der Netzwechsel
spannung durch eine ungerade ganze Zahl, beispielsweise 3, 5
oder 7, dividiert. Dadurch können die Treiber 19 und 20
abwechselnd bei positiven und negativen Scheitelpunkten der
Netzwechselspannung getriggert werden.
Die Scheitelpunktspannung ist beispielsweise gleich 120 Veff
(Sin R) . Folglich sind bei den folgenden Phasenwinkeln bei
60 Hz die sich jeweils ergebenden Spannungen:
80°: 167 V
85°: 169 V
90°: 170 V
95°: 169 V
100°: 167 V.
85°: 169 V
90°: 170 V
95°: 169 V
100°: 167 V.
Bei einer 60 Hz-Netzfrequenz beträgt die Zeit 46,3 µs pro
Grad. Folglich hat eine Phasenverschiebung um 10 Grad einen
Impuls von 463 µs mit einer Spannungsänderung von nur 1 Volt
zur Folge, wenn seine Mitte bei 90 Grad liegt.
Um mit einem minimalen Energiebetrag die gewünschten Ampere
windungen bei gegebenem Spulenvolumen und gegebenem perma
nentmagnetischem BH-Produkt (Entmagnetisierungsenergie) zu
erreichen, sollte das Tastverhältnis so niedrig wie möglich
sein. Das bedeutet, daß, wenn das Tastverhältnis O ist bzw.
gegen O geht, dann auch die Leistung O ist bzw. gegen O geht.
Dies kann durch Reduzierung der Spulenwindungen auf eine
Windung und durch Anheben der Spannung auf tausende Volt
erzielt werden. Die gegenwärtige Technologie setzt jedoch
Betriebsgrenzen in der Größenordnung von 10 Ampere und 100
Volt.
Daher wird, um den Leistungsverbrauch des Strömungsmessers zu
reduzieren, die 60 Hz-Netzwechselspannung reduziert und in
einer Gleichrichteranordnung 21 in ein 6 Volt- Gleichspan
nungsausgangssignal umgewandelt.
Die 60 Hz-Netzwechselspannung wird überdies an einen Phasen
schieber 22 gelegt, welcher ihre Phase (-85°) verschiebt. Das
Ausgangssignal des Phasenschiebers 22 wird durch einen
Rechteckimpulsformer 23 in eine Rechteckimpulsfolge umgewan
delt, die einem Frequenzteiler 24 zugeführt wird. Der Fre
quenzteiler 24 teilt die Rechteckimpulsfolge durch eine
ungerade ganze Zahl (beispielsweise 3, 5, 7 usw.). Das
Ausgangssignal des Frequenzteilers 24 geht in eine Impulslo
gikschaltung 25, die Triggerimpulse für den positiven Treiber
19 und den negativen Treiber 20 zu den richtigen Zeiten und
für die gewünschten kurzen Zeitdauern erzeugt.
Fig. 2 zeigt die Sinuswellenform I einer 60 Hz-Netzspannung.
Wenn an deren positiven und negativen Spitzen abwechselnd
positive und negative Antriebsimpulse P+ bzw. P- erzeugt
würden, so würde sich die Wellenform II ergeben. Wird jedoch
die Netzfrequenz durch 3 dividiert, fallen die positiven
Impulse P+ mit der positiven Spitze des ersten positiven
Halbzyklus der 60 Hz-Welle zusammen und die folgenden
negativen Impulse P- mit dem zweiten negativen Halbzyklus der
60 Hz-Welle, wie es die Wellenform III zeigt.
Bei der Schaltung gemäß Fig. 3 sind die Spulen 17 und 18 in
Serie geschaltet. Das eine Ende dieser in Serie geschalteten
Spulen 17, 18 ist mit einem unter Spannung stehenden Leiter L
einer 60 Hz-120 V-Netzleitung verbunden. Das andere Ende ist
durch einen Kondensator 26, der in Reihe mit einem Widerstand
27 liegt, mit einem neutralen (geerdeten) Leiter N der
Netzleitung verbunden. Die 60 Hz-Sinuswellenform der ankom
menden Netzspannung ist durch A in Fig. 4 gekennzeichnet.
Quer zu den Leitern L und N ist die Gleichrichteranordnung 21
geschaltet. Die Netzwechselspannung ist an Diodennetzwerke
28, 29 über Kondensatoren 30, 31 gelegt. Die Kondensatoren
30, 31 bewirken einen verschwindenden Leistungsverlust, wenn
die Spannung von 120 Veff auf 6 V Gleichspannung abfällt. Das
6 V-Ausgangssignal der Gleichrichteranordnung 21 speist
verschiedene Festkörperstufen des Strömungsmessers. Mit der
positiven Seite des 6 V-Ausgangssignals ist ein Filterkon
densator 32 und mit der negativen Seite ein Filterkondensator
33 verbunden.
Außerdem ist quer zur 60 Hz-Leitung ein Phasenschieber 22
geschaltet, der einen Widerstand 34 in Reihe mit einem
Kondensator 35 enthält, zu dem ein Widerstand 36 parallel
geschaltet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt
die Phasenverschiebung -85°.
Das phasenverschobene 60 Hz-Ausgangssignal des Phasenschie
bers 22 wird dem Rechteckimpulsformer 23 zugeführt. Dieser
ist durch einen Komparator 37 gebildet, der die 60 Hz-
Sinuswelle in eine Rechteckimpulsfolge B umformt (Fig. 4).
Die Rechteckimpulsfolge B wird einem Frequenzteiler 24
zugeführt, der durch 3 teilt, so daß eine 20 Hz-Recht
eckimpulsfolge erzeugt wird. Der Frequenzteiler 24 weist zwei
Ausgänge auf, an denen zwei Ausgangssignale entnehmbar
sind, die gegeneinander um 180° phasenverschoben sind. Das
eine Ausgangssignal ist eine Rechteckimpulsfolge C, das
andere eine Rechteckimpulsfolge D (Fig. 4).
Die 20 Hz-Rechteckimpulsfolgen C und D werden einer Impuls
logikschaltung 25 zugeleitet. Die Rechteckimpulsfolge C wird
an einen integrierten Schaltkreischip 38 gegeben, der in
Abhängigkeit von ihr positive Impulse E (Fig. 4) liefert, je
einen Impuls an der Vorderflanke und an der Rückflanke jedes
Rechteckimpulses von C.
Die Impulse E werden einem Eingang eines Gatters 39 zuge
führt. Einem anderen Eingang des Gatters 39 wird die 20 Hz-
Rechteckimpulsfolge D aus dem Frequenzteiler 24 zugeführt.
Die Impulse E werden außerdem einem Eingang eines Gatters 40
zugeführt. Einem anderen Eingang des Gatters 40 wird die
20 Hz-Rechteckimpulsfolge C aus dem Frequenzteiler 24 zuge
führt. Das Gatter 40 liefert negative Impulse F (Fig. 4),
die mit den abwechselnden positiven Impulsen E zusammenfal
len. Das Ausgangssignal des Gatters 39 wird einem Inverter 41
zugeführt, der positive Impulse G (Fig. 4) liefert, die mit
jenen positiven Impulsen E zusammenfallen, die nicht mit
negativen Impulsen F zusammenfallen. Die negativen Impulse F
und die positiven Impulse G aus der Impulslogikschaltung 25
werden an den positiven Treiber 19 und den negativen Treiber
20 gelegt. Die Treiber 19, 20 enthalten Transistoren 42, 43,
44, 45.
Das Ausgangssignal der Treiber 19, 20 wird an die Verbindung
des Kondensators 26 mit den in Reihe geschalteten Spulen 17
und 18 gelegt. Die resultierende Wellenform H zeigt Fig. 4.
Die Wellenform J stellt die Spannung dar, die an dem anderen
Ende des Widerstandes 27 auftritt.
Der positive und der negative Treiber 19 bzw. 20 werden somit
an den positiven und negativen Scheitelpunkten der Netzwech
selspannung getriggert, um Hochenergieimpulse kurzer Dauer
zum Umpolen der Polstücke 15 und 16 zu erhalten, deren
mittlerer resultierender Leistungsverbrauch außergewöhnlich
niedrig ist.
Claims (11)
1. Elektromagnetischer Strömungsmesser, mit
- 1. einem Strömungsrohr (10), das zwei mit einem Fluid in dem Strömungsrohr (10) in Kontakt stehende Elektroden (12, 13) aufweist,
- 2. einem magnetischen Kreis (14, 15, 16, 17, 18) mit zwei dem Strömungsrohr (10) zugewandten Polstücken (15, 16) aus hartmagnetischem Material und diese Polstücke (15, 16) umgebenden Spulen (17, 18),
- 3. einer in Reihe mit einer Spannungsquelle und den Spulen
(17, 18) liegenden, umschaltbaren Treiberschaltung (19,
20) zum periodischen gleichsinnigen Magnetisieren der
Polstücke (15, 16) im Wechsel in der einen Richtung und
in der anderen Richtung durch Erregungsimpulse wechselnder
Polarität,
dadurch gekennzeichnet, daß - 4. die Spannungsquelle eine Netzwechselspannungsquelle ist,
- 5. ein Rechteckimpulsformer (23), ein Frequenzteiler (24) und eine Impulslogikschaltung (25), die aus der Netzwechselspannung zwei in ihrer Phase um etwa 180° gegen einander versetzte Impulsfolgen (F, G) gegensinniger Polarität von im Bereich der Maxima der Netzwechsel spannung liegenden Impulsen kurzer Dauer mit einer einem ungeradzahligen Teil der Netzwechselspannung entspre chenden Frequenz zur Steuerung der Treiberschaltung (19, 20) erzeugen und
- 6. die Treiberschaltung (19, 20) einen positiven Treiber (19) und einen negativen Treiber (20) aufweist, die zum Herausschneiden der Erregungsimpulse aus der Netzwechselspannung von je einer dieser Impulsfolgen (F, G) gesteuert sind.
2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der magnetische Kreis (14, 15, 16, 17, 18) ein
zylindrisches, das Strömungsrohr (10) konzentrisch um
schließendes, ferromagnetisches Gehäuse (14) aufweist
und daß die Polstücke (15, 16) in einem ringförmigen Be
reich zwischen dem Strömungsrohr (10) und dem Gehäuse (14)
angeordnet sind.
3. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse der Impulsfolgen
(F, G) jeweils eine Dauer von mehreren Mikrosekunden haben.
4. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke (15, 16) aus
Alnico gebildet sind.
5. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (17, 18) in Reihe
geschaltet sind.
6. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechteckimpulsformer (23)
ein Phasenschieber (22) vorgeschaltet ist, der die Phase
der Netzwechselspannung um annähernd -90° verschiebt.
7. Strömungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich
net, daß die Verschiebung -85° beträgt.
8. Strömungsmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der ungeradzahlige Teil 3 ist.
9. Strömungsmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rechteckimpulsformer (23)
ein Komparator (37) ist.
10. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Netz
wechselspannung gespeiste Gleichrichteranordnung (21)
vorgesehen ist, die eine niedrige Gleichspannung zum Be
trieb der Treiber (19, 20) erzeugt.
11. Strömungsmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß die Gleichrichteranordnung (21) Gleichrichter
netzwerke (28, 29) aufweist, die über Kondensatoren
(30, 31) von der Netzwechselspannung gespeist sind.
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