DE3741584C2 - Elektromagnetischer Strömungsmesser - Google Patents

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 (B_m) und ein maximales Feld (H_m), 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 B_h, 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 H_c, 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 V_eff (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.

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 V_eff 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.