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 Durchflußmesser

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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.
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.
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.
DE3829564A 1988-08-31 1988-08-31 Verfahren zur Erzeugung eines der Stromstärke eines fließenden, elektrisch leitenden Mediums entsprechenden Signals bei einem elektromagnetischen Durchflußmesser Expired - Lifetime DE3829564C2 (de)

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