DE3829564C2 - Verfahren zur Erzeugung eines der Stromstärke eines fließenden, elektrisch leitenden Mediums entsprechenden Signals bei einem elektromagnetischen Durchflußmesser - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung eines der Stromstärke eines fließenden, elektrisch leitenden Mediums entsprechenden Signals bei einem elektromagnetischen DurchflußmesserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines der Stromstärke eines
fließenden, elektrisch leitenden Mediums entsprechenden Signals bei einem
elektromagnetischen Durchflußmesser mittels eines das Medium
durchsetzenden Magnetfeldes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise beschreibt die EP 0 225 229 A1 einen elektromagnetischen
Durchflußmesser, bei welchem mittels zweier direkt mit dem fließenden
Medium in Kontakt stehender, kapazitiver Elektroden durch das Magnetfeld
erzeugte, strömungsbedingte Potentialdifferenzen erfaßt werden und anhand
des abgeleiteten Signals der augenblickliche Durchfluß ermittelt werden kann.
Dabei ist es aus der EP 0 225 229 A1 bekannt, das Magnetfeld über Spulen
durch ein Signal anzuregen, welches sich aus niederfrequenten und
hochfrequenten Anteilen zusammensetzt, um Störeinflüsse wie Rauschen zu
unterdrücken und um das Ansprechverhalten zu steigern. Es hat sich jedoch
gezeigt, daß durch den direkten Kontakt zwischen dem strömenden Medium
und den Elektroden Galvanikstörsignale auftreten, welche selbst bei
entsprechend aufwendiger Ansteuerung der Spulen und entsprechend
aufwendiger Signalverarbeitung zu einem unbefriedigenden Durchfluß-
Meßergebnis führen.
Ferner sind aus dem Stand der Technik weitere Verfahren bekannt, bei
welchen das fließende Medium die kapazitiven Elektroden nicht berührt,
wodurch Galvanik-Störsignale, insbesondere bei Mehrphasenmedien vermieden
werden.
Hierzu wird beispielsweise auf die US 4,019,386 verwiesen, welche eine
Elektrodenanordnung für einen elektromagnetischen Durchflußmesser
beschreibt, deren Elektroden in ein dielektrisches Material eingebettet und
damit gegenüber dem fließenden Medium mechanisch abgeschirmt sind.
Um derartige Verfahren mit vom fließenden Medium abgeschirmten,
kapazitiven Elektroden nullpunktstabil durchführen zu können, ist es von
Vorteil, eine relativ niedrige Erregerfrequenz zur Erzeugung des Magnetfeldes
zu verwenden, da dann das Magnetfeld kaum störende Wirbelströme
hervorruft. Insbesondere ist es vorteilhaft, ein geschaltetes, magnetisches
Gleichfeld zu verwenden. Durch Wahl einer geeigneten Erregerfrequenz, die zu
der Netzfrequenz in einem geeigneten Verhältnis steht, können netzfrequente
Störeinflüsse unterdrückt werden.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der US 4,059,014 bekannt. In
diesem Dokument wird vorgeschlagen, das Magnetfeld mittels einer
niederfrequenten Erregerspannung zu erzeugen, um auf einer
Nullpunktverschiebung und auf ungleichmäßgem Strömungsprofil beruhende,
das Meßergebnis verfälschende Störeinflüsse zu eliminieren.
Ferner ist es aus der US 4,462,060 bekannt, den durch die Erregerspule
fließenden Strom annähernd konstant zu halten, wodurch erregungsabhängige
Verfälschungen des von den Elektroden erfaßten Meßsignals minimiert werden
sollen.
Aus der nachveröffentlichten jedoch prioritätsälteren DE 37 06 969 C3 sind
darüber hinaus verschiedene Schaltungsanordnungen von elektromagnetischen
Strömungsmessern bekannt, bei welchen sowohl auf Seiten der
Magnetfelderzeugung, beispielsweise durch Niedrigfrequenzerregung, als auch
auf Seiten der Meßsignalauswertung - teilweise unter hohem technischen
Aufwand - Maßnahmen unternommen werden, um Störeinflüsse bei der
Messung, wie beispielsweise eine Nullpunktverschiebung oder Rauschen, zu
unterdrücken.
Die Anwendung einer niedrigen Erregerfrequenz, insbesondere
Rechteckfrequenz, ist jedoch ungünstig für den Abgriff der Signale von den
kapazitiven Elektroden. Diese Signale werden in einem Verstärker verstärkt und
die sehr hohe Impedanz der Signalkopplung stellt daher sehr hohe
Anforderungen an die Eingangsimpedanz des Verstärkers, um Signalverluste
zu vermeiden. Der Eingangswiderstand des Verstärkers bildet zusammen mit
der Koppelkapazität der kapazitiven Elektroden zum Medium einen Hochpaß.
Aufgabe der Erfindung ist es, Signalverluste an einem solchen
Hochpaß bei niedriger Erregerfrequenz zuzulassen, um kapazi
tive Elektroden mit verhältnismäßig kleiner Elektrodenfläche
verwenden zu können, um neben einer Kostensparung eine
Optimierung des Magnetfeldes und des von dem Magnetfeld und
den geometrischen Abmessungen bestimmten Wertigkeitsfeldes zu
erzielen und um überdies eine weitgehende Unabhängigkeit des
verstärkten Signals vom Strömungsprofil des Mediums zu
erreichen.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch
1 angegeben.
Bei Ausführung der Erfindung ergibt sich ein niedrigerer
Signalverlust durch den Hochpaß wegen der zusätzlichen Anwen
dung des magnetischen Wechselfeldes verhältnismäßig hoher
Frequenz; der von dem Wechselfeld herrührende Anteil des
Signals kann daher zur Kompensation von Signalverlusten
herangezogen werden, die man durch die niedrige Impedanz der
Koppelkapazität erhält.
Besonders wirkungsvoll ist das Verfahren bei Ausführung des
Gleichfeldes gemäß Anspruch 2.
Das Gleichfeld kann gemäß Anspruch 3 bzw. Anspruch 4 mono
polar oder bipolar sein.
Bei monopolarem Gleichfeld erhält man den Vorteil, daß die
Schaltung mit einfachsten Schaltmitteln ausgeführt werden
kann.
Bei bipolarem Gleichfeld erhält man den Vorteil, daß die
installierte Leistung zur Erzeugung der gleichen Signal
amplitude wie bei monopolarem Feld erheblich geringer sein
kann (kleineres Netzteil).
Eine besonders einfache Ausführung der Korrektur ist in
Anspruch 5 angegeben.
Um den Nullpunkt des von dem Wechselfeld herrührenden
Anteils zu korrigieren, wird bevorzugt gemäß Anspruch 6 vor
gegangen.
Um bei Ableitung des Signals aus den von dem Gleich
feld herrührenden Anteilen möglichst unabhängig von Ein
schwingvorgängen zu sein, wird bevorzugt gemäß Anspruch 7
vorgegangen.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 1 erhält man bei Ab
leitung des Signals aus den dem Wechselfeld entsprechenden
Anteilen ein besonders störungsfreies Signal, wenn man gemäß
Anspruch 7 vorgeht.
Die Steuerung wird dabei besonders einfach, wenn man gemäß
Anspruch 9 vorgeht.
Die dem Wechselfeld entsprechenden Anteile stören die
Ableitung der dem Gleichfeld entsprechenden Anteile beson
ders wenig, wenn man gemäß Anspruch 10 vorgeht.
Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen
unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 zeigt Taktsignal-, Magnetfeld- und Spannungs
verläufe in der Schaltungsanordnung nach
Fig. 1 bei Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1.
In Fig. 1 ist schematisch ein Rohr 4 dargestellt, durch
das ein elektrisch leitendes Medium fließt. An das
elektrisch leitende Medium sind von einander gegenüber
liegenden Seiten des Rohrs 4 kapazitive Elektroden 5
gekoppelt, die zu je einem über je einen Eingangswider
stand Ri geerdeten Eingang eines Eingangsverstärkers 6
führen. Die kapazitiven Elektroden 5 bilden im Zusammen
wirken mit den ihnen zugeordneten Eingangswiderständen
Ri Hochpässe. Die kapazitiven Elektroden 5 erfassen
Potentiale in dem fließenden Medium, die voneinander
verschieden sind, wenn das Medium von einem durch
Spulen 3a, 3b erzeugten Magnetfeld durchsetzt wird. Der
Eingangsverstärker 6 gibt dann eine Spannung
Uf = ug + uw
ab, in der
ug einen Spannungsanteil, der von einem magnetischen Gleichfeld ϕ1 herrührt, und
uw einen Spannungsanteil, der von einem magnetischen Wechselfeld ϕ2 herrührt,
bedeuten.
ug einen Spannungsanteil, der von einem magnetischen Gleichfeld ϕ1 herrührt, und
uw einen Spannungsanteil, der von einem magnetischen Wechselfeld ϕ2 herrührt,
bedeuten.
Zur Erzeugung des magnetischen Gleichfelds ϕ1 ist ein
Gleichstromgenerator 1, zur Erzeugung des magnetischen
Wechselfelds ϕ2 ist ein Wechselstromgenerator 2 vorge
sehen. Beide Generatoren 1, 2 liegen parallel zueinander
mit den Spulen 3a und 3b in einem Stromkreis. Die
Steuerung der Generatoren erfolgt durch einen Taktge
ber 15, in dem aus Fig. 2 ersichtlichen Takt A1 bzw.
B1. Die Spannung Uf gelangt an die Eingänge von zwei
Synchrongleichrichtern 7 und 8. Der Synchrongleich
richter 7 dient zur Gleichrichtung des dem Wechselfeld
ϕ2 entsprechenden Spannungsanteils uw. Der Synchron
gleichrichter 8 dient zur Gleichrichtung des dem Gleich
feld ϕ1 entsprechenden Anteils ug. Auch diese Gleich
richter 7, 8 werden von dem Taktgeber 15 gesteuert, und
zwar in dem aus Fig. 2 ersichtlichen Takt A2 bzw. B2.
Der Synchrongleichrichter 7 gibt den von ihm gleichge
richteten Spannungsanteil uw an eine Auswerteschaltung
9 für das Wechselfeld ϕ2. Der Synchrongleichrichter 8
gibt den von ihm gleichgerichteten Spannungsanteil ug
an eine Auswerteschaltung 10 für das Gleichfeld ϕ1.
Die Generatoren 1 und 2 erzeugen ein bipolares Gleich
feld ϕ1 der Periode Tg und ein Wechselfeld ϕ2 der
Periode Tw, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Diese
Felder ϕ1, ϕ2 werden zu einem Feld ϕ überlagert. Die
Spannung Uf hat im wesentlichen den gleichen Verlauf
wie das Feld ϕ. Die Auswertung von dem Gleichfeld ϕ1
entsprechenden Anteilen der Spannung Uf erfolgt in den
Abschnitten tg1 und tg2. Diese Abschnitte liegen an den
Enden der Halbperioden Tg/2 des Gleichfelds ϕ1.
In der Auswerteschaltung 10 werden die von dem Gleich
feld ϕ1 herrührenden Anteile der Spannung Uf in jeweils
zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten tg1 und tg2
vorzeichenrichtig voneinander subtrahiert. Man erhält
(+ug)tg1 - (-ug)tg2 = 2ug
In der Auswerteschaltung 9 werden die von dem Wechsel
feld ϕ2 herrührenden Anteile der Spannung Uf vorzeichen
richtig addiert. Man erhält für die erste Halbperiode
Tg/2
(ug + uw)tw1 - (ug - uw)tw2 = 2uw
und für die zweite Halbperiode Tg/2
(-ug + uw)tw3 - (-ug - uw)tw4 = 2uw
Wegen der Hochpaßeinwirkung des Eingangsverstärkers 6
ist ug niedriger als uw, an den Ausgängen der Auswerte
schaltungen 9 bzw. 10 gemessen.
Über Diskriminatoren 13 und 16 werden signifikante
Werte von uw und ug in eine Korrekturschaltung 17 ein
gegeben, die den Verstärkungsfaktor eines Ausgangsver
stärkers 14 für ug in der Weise beeinflußt, daß die
Ausgangsgröße S von ug vom Signalverlust von ug befreit
wird, d. h., die Spanne des niederfrequenten Signals
korrigiert wird.
Ist 2ug gleich Null, so wird dies von einem Detektor 11
erfaßt, der daraufhin einen Schalter 18 vor einem
Subtraktionsglied 12 schließt, das an einen Eingang der
Auswerteschaltung 9 angeschlossen ist und den ausgangs
seitigen Nullpunkt der Auswerteschaltung 9 korrigiert.
Claims (10)
1. Verfahren zur Erzeugung eines der Stromstärke eines fließenden,
elektrisch leitenden Mediums entsprechenden Signals (S) bei einem
elektromagnetischen Durchflußmesser mittels eines das Medium
durchsetzenden Magnetfelds (ϕ), Erfassung von Potentialen in dem
Medium an wenigstens zwei Stellen mittels kapazitiver Elektroden (5)
und Ableitung des Signals (S) aus einer Spannung (Uf), die
Differenzen zwischen diesen Potentialen entspricht,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Magnetfeld (ϕ) ein sich mit verhältnismäßig langer Periode (Tg) periodisch änderndes Gleichfeld (ϕ1) ist, dem ein Wechselfeld (ϕ2) verhältnismäßig kurzer Periode (TW) überlagert ist,
daß aus der Spannung (Uf = uW + ug) die von dem Gleichfeld (ϕ1) und die von dem Wechselfeld (ϕ2) herrührenden Anteile (ug bzw. uW) getrennt ermittelt werden,
daß der von dem Gleichfeld (ϕ1) herrührende Spannungsanteil (ug) in Abhängigkeit von einer Referenzspannung korrigiert wird, um Signalverluste zu kompensieren, wobei als Referenzspannung der von dem Wechselfeld (ϕ2) herrührende und allenfalls mit geringen Signalverlusten behaftete Anteil (uW) der Spannung (Uf) herangezogen wird,
und daß das Signal (S) aus dem korrigierten, von dem Gleichfeld (ϕ1) herrührenden Spannungsanteil (ug) gebildet wird.
daß das Magnetfeld (ϕ) ein sich mit verhältnismäßig langer Periode (Tg) periodisch änderndes Gleichfeld (ϕ1) ist, dem ein Wechselfeld (ϕ2) verhältnismäßig kurzer Periode (TW) überlagert ist,
daß aus der Spannung (Uf = uW + ug) die von dem Gleichfeld (ϕ1) und die von dem Wechselfeld (ϕ2) herrührenden Anteile (ug bzw. uW) getrennt ermittelt werden,
daß der von dem Gleichfeld (ϕ1) herrührende Spannungsanteil (ug) in Abhängigkeit von einer Referenzspannung korrigiert wird, um Signalverluste zu kompensieren, wobei als Referenzspannung der von dem Wechselfeld (ϕ2) herrührende und allenfalls mit geringen Signalverlusten behaftete Anteil (uW) der Spannung (Uf) herangezogen wird,
und daß das Signal (S) aus dem korrigierten, von dem Gleichfeld (ϕ1) herrührenden Spannungsanteil (ug) gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Gleichfeld (ϕ1) einen wenigstens
angenähert rechteckigen Verlauf hat.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gleich
feld (ϕ1) monopolar ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gleichfeld (ϕ1) bipolar ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der von dem Gleichfeld (ϕ) herrührende Spannungsanteil (ug) mit
einem Ausgangsverstärker (14) variabel steuerbarer Verstärkung
verstärkt wird, um die Signalverluste zu kompensieren, wobei eine
Korrekturschaltung (17) vorgesehen ist, die ein Steuersignal zur
Steuerung der Verstärkung des Ausgangsverstärkers (14) nach
Maßgabe des Ausgangssignals (S) des Ausgangsverstärkers (14) und
des von dem Wechselfeld (ϕ2) herrührenden Anteils (uW) der Spannung
(Uf) bereitstellt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß aus Null
zuständen der von dem Gleichfeld (ϕ1) herrührenden Anteile
(ug) Signale zur Korrektur des Nullpunkts der von dem
Wechselfeld (ϕ2) herrührenden Anteile (uw) abgeleitet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die
von dem Gleichfeld (ϕ1) herrührenden Anteile (ug) aus
zeitlichen Abschnitten (tg1, tg2) des Gleichfeldes
(ϕ1) ermittelt werden, die nächst den Enden der Halb
perioden (Tg/2) des Gleichfelds (ϕ1) liegen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die von dem Wechselfeld (ϕ2) herrührenden Anteile (uW) aus
innerhalb jeder Halbperiode (Tg/2) des Gleichfelds (ϕ1)
vorhandenen zeitlichen Abschnitten (tw1, tw2 bzw. tw3, tw4) des
Wechselfeldes (ϕ2) ermittelt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen
Abschnitte (tg1, tg2) des Gleichfeldes (ϕ1) mit den zeitlichen
Abschnitten (tw1, tw2; tw3, tw4) des Wechselfeldes (ϕ2) koinzi
dieren.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die
von dem Gleichfeld (ϕ1) herrührenden Anteile (ug) aus zeit
lichen Abschnitten (tg1, tg2) des Gleichfeldes (ϕ1) ermittelt
wird, die gleich einer ganzen Anzahl von Perioden (Tw) des
Wechselfeldes (ϕ2) sind.
Priority Applications (2)
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8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: KIENE, WILFRIED, 3510 HANN.-MUENDEN, DE MEIER, DIETER, 3400 GOETTINGEN, DE KUECHEMANN, RUDI, 3414 HARDEGSEN, DE APPEL, EGGERT, 3402 DRANSFELD, DE NISSEN, PETER, DR., 3405 ROSDORF, DE |
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