DE69837983T2

DE69837983T2 - Magnetisch induktiver Durchflussmesser

Info

Publication number: DE69837983T2
Application number: DE69837983T
Authority: DE
Inventors: Ray Keech
Original assignee: ABB Ltd Great Britain
Current assignee: ABB Ltd Great Britain
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2018-12-22
Also published as: EP0926472B1; EP0926472A1; GB9726911D0; GB2332526B; US6256590B1; DE69837983D1; GB2332526A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Durchflussmesser, die zur Überwachung eines Fluidflusses eingesetzt werden.
Wie wohlbekannt, arbeiten elektromagnetische Durchflussmesser, indem sie Strom durch eine Spule leiten, um ein Magnetfeld zu erzeugen, und eine in Volt gemessene elektromotorische Kraft erfassen, die in ein durch das Feld fließendes Fluid induziert wird. Die Ausgangsspannung E ist proportional zum Produkt aus dem Feld B und der Flussgeschwindigkeit v, weshalb gilt: E = k·B·v. (Gleichung 1).
Dabei ist die Konstante k abhängig von Faktoren wie der Empfindlichkeit der Messeinrichtung und dem Abstand der Elektroden; für eine gegebene Vorrichtung kann sie jedoch als konstant angesehen werden. Allgemein wird davon ausgegangen, dass die magnetische Feldstärke in der Spule linear proportional zum Strom I ist, der in der Spule fließt, so dass: B = m·I (Gleichung 2).
Der Wert von m wird normalerweise als Konstante betrachtet, die sich annähert an:
wo

μ₀: = die Durchlässigkeit des freien Raums,
l_a: = die Länge des Luftspalts und
N: = die Anzahl der Windungen der Spule darstellt.

Somit ist das Ausgangssignal proportional zum Produkt aus Strom und Geschwindigkeit und lasst sich dadurch ausdrücken, dass die Faktoren aus Gleichung (2) für B in Gleichung (1) eingesetzt werden: E = km·I·v. (Gleichung 3).
Die Messung wird normalerweise (siehe z.B. US 4218915 ) bei festem Strom vorgenommen, den eine Konstantstromquelle liefert; zwecks Berücksichtigung geringer Fluktuationen beim Strom wird gewöhnlich der Ausgangsstrom gemessen, und die Geschwindigkeit wird anhand des Verhältnisses von Ausgangsspannung zu Eingangsstrom aus Gleichung (3) bestimmt, die sich folgendermaßen umschreiben lässt: v = (1/km)·(E/I) (Gleichung 4)
Somit setzt die Konstante (1/km) die Durchflussgeschwindigkeit in Bezug zum Verhältnis zwischen gemessener Spannung und an die Spule gelegtem Strom, der nachfolgend als R bezeichnet wird, was v = R·E/I ergibt.
Bei Konstantstrom stellt die obige Gleichung für die meisten Zwecke eine halbwegs gute Approximation dar. Allerdings hat der Erfinder der Tatsache Rechnung getragen, dass die Feldstärke in der Tat nicht direkt proportional zum Eingangsstrom ist. Auf diese Weise können Fehler entstehen, welche unter Umständen von Bedeutung sind, wenn der Durchflussmesser hochpräzise ist (der Erfinder hat herausgefunden, dass das Problem besonders akut bei der Entwicklung von Messeinrichtungen mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 0,1% auftritt), was bisher die Verwendung von exakt kalibrierten Konstantstromquellen mit hoher Stabilität notwendig gemacht hat, was Herstellungsdauer und -kosten erhöhen und besondere Probleme bei batteriebetriebenem Gerät aufwerfen kann. Zusätzlich wurde erfindungsgemäß zur Optimierung des Energieverbrauchs vorgeschlagen, Messungen an einem aus einer Mehrzahl von Strömen oder an einem Strom vorzunehmen, der sich kontinuierlich variieren lässt.
Allgemein ausgedrückt, sorgt die Erfindung dafür, dass zumindest unter Verhältnissen, in denen die Nichtproportionalität der Feldstärke zum Eingangsstrom von Bedeutung sein könnte, anstelle des konstanten Kalibrierungsfaktors m in Gleichung 2 oder jedweder abgeleiteten Konstante, wie z.B. R, ein auf dem gemessenen Stromwert beruhender variabler Faktor eingesetzt wird. Ein alternativer Weg, die Erfindung zu betrachten, besteht darin, das induzierte Feld als äquivalent zu einer Funktion M(I) anzusehen, bei der M nicht direkt proportional zu I ist. Normalerweise handelt es sich bei M um eine nichtlineare Funktion; jedoch kann M in einer Ausführungsform einfach gleich I weniger eines Offsets sein; in jedem Fall ist das Ausgangssignal eine nichtlineare Funktion von (1/I).
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Signalen eines elektromagnetischen Durchflussmessers geboten, die mit einem elektromagnetischen Durchflussmesser benutzt wird, der eine Spule beinhaltet, an der ein Fluid vorbeifließen kann, wobei die Spule so angeordnet ist, dass sie ein Magnetfeld, dessen Stärke von der Größe des der Spule zugeleiteten Stroms abhängt, erzeugt, um dadurch in das Fluid eine Spannung zu induzieren, welche die Durchflussrate des Fluidflusses anzeigt, wobei die Signalverarbeitungsvorrichtung Mittel zum Messen des der Spule zugeleiteten Stroms, Mittel zum Messen der in das Fluid induzierten Spannung und Mittel zum Erzeugen eines Ausgangssignals umfasst, das die Durchflussrate darstellt und annähernd proportional zum Verhältnis zwischen der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugungsmittel so angeordnet ist, dass es das Ausgangssignal in Abhängigkeit vom gemessenen Stromwert berechnet oder regelt, um eine Nichtproportionalitätsabhängigkeit des Feldes, und somit der induzierten Spannung, am der Spule zugeleiteten Strom zu kompensieren.
In einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren, mit dem eine Durchflussratenmessung aus einem elektromagnetischen Durchflussmesser erhalten wird, wie in Anspruch 17 definiert.
Unter einer Vorrichtung zur Verarbeitung von Signalen eines Durchflussmessers ist in dieser Spezifikation eine Vorrichtung zu verstehen, die in der Lage ist, aus einem Durchflussmesser stammende Signale zu verarbeiten; typischerweise ist die Signalverarbeitungsvorrichtung in eine Durchflussmesseranordnung integriert, die das Feld erzeugende Spulen, Spannungssensorelektroden und Mittel zur Zuleitung von Strom zu den Spulen sowie weitere Komponenten beinhaltet, jedoch kann sie zur Verbindung mit dem Gerippe eines Durchflussmessers, das nur Spulen und Sensorelektroden umfasst, auch separat zur Verfügung stehen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Erzeugungsmittel eingerichtet, um das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsstrom mit einem Kalibrierungsfaktor zu multiplizieren, wobei der Kalibrierungsfaktor als eine Funktion der Stromamplitude eingestellt wird. Der Kalibrierungsfaktor muss allerdings nicht kontinuierlich sein, sondern kann stattdessen aus einer Mehrzahl diskreter Werte bestehen, die sequentiell ausgewählt werden, während die Amplitude des Eingangsstroms variiert.
Der Kalibrierungsfaktor lässt sich entweder anhand einer Nachschlagetabelle oder durch Berechnung evaluieren. Im Fall einer Berechnung besteht ein einfacher, verwendbarer Algorithmus darin, dass ein verhältnismäßig kleiner Offsetwert vom gemessenen Strom subtrahiert wird.
Durch Einsetzen in Gleichung 4 wird Folgendes erhalten: v = R·E/(I-I0) (Gleichung 5)
Bei elektromagnetischen Durchflussmessern wird typischerweise eine ratiometrische Ausführung genutzt, was bedeutet, dass der Durchfluss im Allgemeinen anhand des Verhältnisses des Ausgangs-EMF E zum Eingangsstrom bestimmt wird; dabei wird das Verhältnis mit einer Konstante multipliziert, um die Durchflussrate zu erhalten. Durch Umschreiben der Gleichung (5) in Bezug auf das Verhältnis E/I ergibt sich wie folgt: v = R(I/(I-I0))·E/I (Gleichung 6)
Dies ist äquivalent mit der Verwendung eines Kalibrierungsfaktors, welcher variiert, als Funktion von I/(I-I₀) oder als Funktion von I/(I-p), wobei p gleich I₀/I ist. I₀ wird in jedem Fall empirisch bestimmt.
Diese Korrektur ist verhältnismäßig einfach zu berechnen und liefert erheblich bessere Ergebnisse als ein nicht korrigierter Stromwert für einigermaßen hohe I-Werte. Während sich I zu einem Wert verringert, der mit jenem des Offsetstroms I₀ vergleichbar ist, wird der für v er halten Wert zu groß und ist bei I = I₀ nicht mehr definiert. Der Wert von I₀ kann für verschiedene Strombereiche verändert werden.
Exponentielle Korrektur
Eine bessere Korrektur findet sich dadurch, dass B als Funktion, nämlich M(I), angesehen wird:
Durch Einsetzen in Gleichung 1 ergibt sich Folgendes: v = R·E/(K1(1 – e–I/K2)) (Gleichung 8)oder v = R·[I/(K1(1 – e–I/K2))]·E/I (Gleichung 9)in denen der Term [I/(K₁(1 – e^–I/K2))] einen Korrekturfaktor ergibt, der auf die in herkömmlicher Weise abgeleitete Geschwindigkeit anzuwenden ist.
Polynomische Korrektur
Als eine Alternative zum oben erwähnten exponentiellen Korrekturfaktor kann eine empirische Kompensation mittels eines Polynoms (das vorzugsweise mindestens dritter Ordnung ist) benutzt werden, was in vielen Fällen für noch besser befunden wird.
Die Durchflussgeschwindigkeit lässt sich errechnen aus V = k·emf/(a·I3 + b·I2 + c·I + d)·(Rref),mit a, b, c & d als von der Sensorkonstruktion abhängigen Koeffizienten.
Nun ist es für das korrekte Verhalten des Systems wesentlich, dass d = 0, z.B. eine Nullstelle, ist, denn andernfalls erzeugt die Gleichung bei einem Spulenstrom von null eine Ausgangsgröße, die eindeutig nicht einem realen System entspricht. Anhand von Obigem lasst sich der Wert von k so definieren, dass c = 1 ist. So besteht durch Verwenden zweier Koeffizienten a & b die Möglichkeit, einen Wert von k zu definieren, der konstant unabhängig vom Spulenstrom ist.
Dann gilt für die Geschwindigkeit wie folgt: V = k·emf/(A·I3 + B·I2 + I)·(Rref)(mit A = a/c) und B = b/c).
Um den Wert von k äquivalent mit jenem einer nicht kompensierten Spitze bei 0,5 A zu machen, kann ein Normalisierungsfaktor angewandt werden: V = k·emf/((A·I3 + B·I2 + I)·Rref·(0,5/(A·0,53 + B·0,52 + 0,5)).
Bei I = 0,5 vereinfacht sich die gesamte Gleichung zu V = k·emf/(Rref·0,5),wobei k jenen Faktor k darstellt, dessen Wert bereits eingeführt wurde.
Potenzgesetz-Korrektur
Als eine weitere Alternative kann ein Potenzgesetz-Korrekturfaktor zum Einsatz kommen.
Die Durchflussgeschwindigkeit lasst sich berechnen aus V = k·emf/(g·Ip·Rref)mit

g: = Gewinnterm und
p: = Leistungsterm.

Um die Anzahl an Termen zu begrenzen, besteht die Möglichkeit, k so abzustimmen, dass g = 1 festgelegt wird; somit erfordert dieses Verfahren lediglich einen extra B-H-Kompensationsterm p im Vergleich zu den beiden Termen a & b für die polynomische Kompensation.
Berechnung von Korrekturfaktoren
Falls die Vorrichtung über einen mäßig leistungsstarken Mikroprozessor zur Steuerung ihres Betriebs verfügt, gestaltet sich die numerische Berechnung des Korrekturfaktors für jede Messung einfach. Allerdings ist es zur Senkung der erforderlichen Verarbeitungsleistung (die zwecks Verringerung des Energieverbrauchs erfolgen kann) möglicherweise angebracht, Werte in einer computerbasierten oder anderen elektronischen Nachschlagetabelle zu speichern und gegebenenfalls zwischen gespeicherte Werte zu interpolieren, beispielsweise linear.
Als eine weitere Alternative kann die Vorrichtung eine Mehrzahl empirisch bestimmter Korrekturfaktoren speichern und einfach einen Korrekturfaktor nachschlagen, der sich für den gemessenen Strom eignet. Dies kann durch lineare Interpolation zwischen gespeicherte Werte gefördert werden. Tatsächlich ist die Vorrichtung in der Lage, zwischen einer Vielzahl von Techniken umzuschalten; bei hohen Stromwerten kann z.B. die Offsetstromberechnung eingesetzt werden. Bei mittleren Stromwerten kann die exponentielle Korrektur Anwendung finden, und bei niedrigen Stromwerten kann eine Nachschlagetabelle zum Einsatz kommen. So ist der Tatsache Rechnung zu tragen, dass nicht eine bestimmte Methode zur Korrektur des gemessenen Werts von entscheidender Bedeutung ist, sondern die Möglichkeit zur freien Auswahl der Methode besteht, um mit der verfügbaren Verarbeitungsleistung die gewünschte Genauigkeit zu erzielen.
Vorzugsweise beinhaltet die Vorrichtung Mittel, um den der Spule zugeleiteten Strom zu regeln, was entweder im Wesentlichen kontinuierlich oder durch Umschalten des Stroms zwischen einer Mehrzahl diskreter Werte oder Bereiche und bevorzugt in Abhängigkeit von einer Messgröße der Durchflussrate erfolgt; dadurch lässt sich bei höherer Durchflussrate niedrigerer Strom an die Spule legen. Dies ermöglicht unter Umständen die Optimierung des Energieverbrauchs dadurch, dass die Voraussetzung für die Verwendung von niedrigerem Spulenstrom bei höheren Durchflussraten geschaffen wird, wobei das Signal-Rausch-Verhältnis inhärent größer ist.
Der Strom kann in nur zwei Schritten geregelt werden, beispielsweise zwischen einem ersten und einem zweiten Stromwert, die sich wesentlich voneinander unterscheiden, und zwar vor zugsweise um einen Faktor von wenigstens 2 in Abhängigkeit vom Vergleich einer Messgröße der Durchflussgeschwindigkeit mit einem Schwellenwert. Dies kann ohne unverhältnismäßige Komplexität das Sparen von Energie erlauben, weil die Möglichkeit besteht, höheren Strom nur dann zu verwenden, wenn dies notwendig ist, also wenn die Durchflussrate unter einen bestimmten Wert fällt. Es wird der Tatsache Rechnung getragen, dass sich das Signal-Rausch-Verhältnis am Umschaltpunkt erheblich verändert, aber unter der Voraussetzung, dass der Energieverbrauch tolerierbar ist und der Mindest-Signal-Rausch-Abstand über einem Schwellenwert liegt, verursacht dies wohl keine Probleme. Außerdem kann die Vorrichtung Mittel umfassen, die den Strom konstant bei einem ausgewählten Wert zu halten.
Zur besseren Energieverwaltung lässt sich eine Mehrzahl aktueller Werte einsetzen, oder es kann sogar eine im Wesentlichen kontinuierliche Variation vorhanden sein.
Somit ist die Erfindung in der Lage, einen Vorteil zu verschaffen, indem sie den Austausch von Sensorelementen untereinander und die Toleranz größerer Unterschiede bei den Stromeinstellungen erlaubt, als dies bei einer Berechnung der Fall wäre, die auf einem linearen Verhältnis zwischen angelegtem Strom und erzeugtem Feld beruht. Dadurch, dass größere Freiheit beim Variieren des Spulenstroms gewährt wird, ohne dafür die Genauigkeit zu opfern, kann die Erfindung außerdem die Optimierung des Energieverbrauchs gestatten.
Damit sich die Erfindung eindeutigem Verständnis erschließt und sich leicht verwirklichen lässt, wird nun eine Ausführungsform derselben lediglich als ein Beispiel und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 in schematischer Form eine Vorrichtung entsprechend einem Beispiel der Erfindung veranschaulicht;
2 die Variation des B-Felds unter dem Strom für eine Spule, die in einem typischen elektromagnetischen Durchflussmesser aus der Praxis eingesetzt wird, zusammen mit dem idealen Feld, das anhand obiger Gleichung (2) zu erwarten ist, und ferner die Variation des Verhältnisses von Feld zu Strom darstellt;
3 zeigt die Variation des Verhältnisses von erwarteter Feldstärke zu tatsächlicher Feldstärke bei Spulenstrom, wobei davon ausgegangen wird, dass Gleichung (2) gilt und zwei verschiedene Korrekturfaktoren angewandt werden;
4 zeigt Einzelheiten aus 3 in vergrößertem Maßstab;
5 erläutert die Variation von 1/Kalibrierungsfaktor bei Strom, und zwar sowohl ohne Korrektur als auch bei Anwendung von Korrekturen mithilfe von Polynomen zweiter und dritter Ordnung und einer Potenzgesetz-Korrektur; und
6 stellt die Divergenz eines Polynoms dritter Ordnung bei hohen Strömen dar.
Mit Blick auf 1 ist ein elektromagnetischer Durchflussmesser schematisch bei 1 veranschaulicht. Eine Einrichtung zur Versorgung der Spule 1 mit Strom ist bei 2 dargestellt, und eine Einrichtung, die eine beliebige zweckgemäße Form besitzen und den der Spule 1 zugeleiteten Strom I messen kann, ist mit 3 bezeichnet. Bei der Stromquelle 2 handelt es sich um eine schaltbare Konstantstromquelle, die so angeordnet ist, dass sie einen im Wesentlichen konstanten Strom erzeugt, dessen Größe durch die Steuerungseinrichtung 9 wählbar ist, wie nachstehend behandelt. Zwecks Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei niedrigen Durchflussraten lässt sich in dieser Ausführungsform der Strom von etwa 150 mA (bei hohen Durchflussraten) auf ungefähr 500 mA schalten, wenn die Durchflussrate unter einen Schwellenwert fällt. In einer alternativen Ausführungsform ist der Strom in drei Schritten umschaltbar, nämlich von etwa 100 mA auf etwa 250 mA und von letzterem auf etwa 500 mA, was ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis oder einen verbesserten Energieverbrauch bei mittleren Durchflussraten ermöglicht.
Das Schalten des Feldspulenstroms kann weiterhin die Ausweitung des Durchflussraten-Messbereichs ermöglichen, da sich der erforderliche Ausgangsspannungsbereich verringert. Selbstverständlich lassen sich weitere Schritte oder eine kontinuierliche Variation des Stroms einsetzen; bei einem Aufbau kann der Strom so geregelt werden, dass die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant oder zumindest innerhalb eines definierten Bereichs gehalten wird, wo sich eine hohe Messgenauigkeit erzielen lässt. Es wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Regelung des Spulenstroms eine Iteration verlangt; zunächst muss eine Messgröße des Durchflusses erhalten und daraufhin der Strom eingestellt werden. Somit können bei sich schnell verändernden Durchflussraten Komplikationen auftreten, die durch häufige Veränderungen des Spulenstroms verursacht werden. Obwohl eine Verbesserung der optimalen Energieeffizienz und des Signal-Rausch-Verhältnisses zu erwarten ist, wenn eine große Anzahl an Möglichkeiten zur Stromeinstellung vorgesehen ist oder kontinuierlich regelbarer Strom eingesetzt wird, stellt sich überraschenderweise heraus, dass es in der Praxis bedingt durch Veränderungen der Durchflussrate besser sein kann, die Anzahl unterschiedlicher diskreter Stromeinstellungen auf 2 oder mehr zu begrenzen (in einigen Fällen vorzugsweise auf nur 2 oder 3 und bevorzugt auf weniger als etwa 5 oder 10).
Weiterhin ist es wünschenswert, einen Grad an Hysterese in das Steuerungsmittel, das den Punkt des Umschalten zwischen Stromwerten bestimmt, einzugliedern, um häufigem Umschalten vorzubeugen, wenn die Durchflussrate um einen Umschalt-Schwellenwert flukturiert.
Der Durchflussmesser kann beispielsweise in einer Leitung angebracht werden, damit er den Durchfluss des Fluids in derselben überwacht, und in diesem Beispiel ist ein Sensor 4 zur Messung der Spannung E vorgesehen, die in das Fluid durch das Feld B induziert wird, das durch den Strom I hervorgerufen wird, der durch die Spule 1 fließt; das Ziel besteht darin, die Rate v des Fluidflusses entlang der Leitung zu messen, wie oben erläutert.
Bei herkömmlicher Anwendung des Durchflussmessers wird davon ausgegangen, dass ein lineares Verhältnis zwischen der Stärke B des durch die Spule 1 erzeugten Magnetfelds und dem angelegten Strom 1 herrscht. Unter diesen Umständen werden elektrische Signale, welche I und E anzeigen und ferner jeweils aus der Messeinrichtung 3 und aus dem Sensor 4 stammen, zu einer Schaltung 5 geleitet, welche E durch I dividiert, um deren Verhältnis zu bilden, und so programmiert ist, dass sie die Konstante km einberechnet, um Gleichung 4 zu erfüllen. Damit stellt die Schaltung 5 ein Ausgangssignal zur Verfügung, welches v angibt, und in vielen Fällen ist dieses Signal in ausreichendem Maße genau für die Zwecke der beabsichtigten Messung.
Wo jedoch hohe Genauigkeit verlangt wird und/oder zwischen Messungen eine beträchtliche Fluktuation des an die Spule 1 gelegten Stroms I auftritt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, ein nicht lineares Verhältnis zwischen dem angelegten Strom 1 und dem von der Spule 1 erzeugten Magnetfeld zuzulassen. Zu diesem Zweck werden die Ausgangssignale der Schaltung 5 zu einer weiteren Schaltung 6 geleitet, wo sie mit von einer Einheit 7 gelieferten Korrekturfaktoren multipliziert werden. Die Schaltung 7 erhält aus der Messeinrichtung 3 ein Signal, das die Amplitude des Stroms I angibt, und kann entweder Korrekturfaktoren ohne zeitliche Verzögerung nach einer Formel berechnen, während sich die Messungen fortsetzen, oder zuvor bestimmte Faktoren aus einem Speicher, wie z.B. einer Nachschlagetabelle, in Abhängigkeit von der Amplitude des Stroms I auswählen. In letzterem Fall werden diskrete Faktoren aus einem Speicher abgerufen; (falls gewünscht) kann lineare Interpolation eingesetzt werden, um Faktoren für Stromamplituden zu erzeugen, die zwischen jene fallen, für welche genaue gespeicherte Werte verfügbar sind.
Mit Blick auf 2 bis 4 werden nun die Wirkungen nicht linearer Abhängigkeit der Feldstärke vom Spulenstrom beschrieben.
Aus 2 geht zunächst das nicht ideale Verhalten einer realen Spule hervor. Bezugnehmend auf die Skala zur Linken veranschaulicht die gerade gepunktete Linie die erwartete Variation von B bei Strom, basierend auf einem konstanten Kalibrierungsfaktor für die fragliche Spule. Die gekrümmte Linie mit rhombischen Punkten stellt den gemessenen Wert von B für die Spule dar, und die eng an ihr ausgerichtete Kurve zeigt eine empirische Approximation an das B-Feld, wobei die quadratische Funktion B = aI² + bI + c verwendet wird, wo im gegebenen Beispiel befunden wurde, dass Werte von a = 4E-6, b = 0,0086 und c = 0,0554 einen guten Fit ergeben. So besteht ein weiteres Verfahren zur Korrektur des Ausgangssignals darin, das B-Feld als quadratische Funktion von I anzusehen und Koeffizienten zu bestimmen, die am besten zu den gemessenen Feldwerten passen, und daraufhin diese Gleichung anstatt Gleichung 2 zu benutzen. So lässt sich eine Messgröße der Durchflussgeschwindigkeit erhalten, indem eine Messgröße der induzierten Spannung durch eine quadratische Funktion von I dividiert wird.
Ferner geht aus 2 das Verhältnis des gemessenen B-Felds zum angelegten Strom hervor, und zwar in Form quadratischer Punkte und bezugnehmend auf die Achse zur Rechten. Wäre das Verhalten ideal, würde sich eine horizontale Linie mit Höhe m ergeben. Wie ersichtlich, verschlechtert sich das Verhältnis in der Praxis mit dem Absinken des Stroms.
3 erläutert, wie das Feld mit dem Strom variiert, wenn ein Korrekturfaktor auf den Strom angewandt wird; dies ist äquivalent mit der Darstellung, in welcher Weise das Verhältnis von gemessenem zu geschätztem Feld variiert, wobei das Feld auf Grundlage des korrigierten Stroms berechnet wird. Die Linie mit den rhombischen Punkten stellt die nicht korrigierte Variation dar, die Linie mit den quadratischen Punkten zeigt die Variation bei Anwendung eines festen Stromoffsets, und die Linie mit den kreuzförmigen Datenpunkten veranschaulicht die Variation bei Vornahme einer Korrektur in Form von Gleichung 7.
Wie ersichtlich, verschafft eine einfache Korrektur, unter Verwendung eines festen Offsets, erheblich bessere Ergebnisse für einigermaßen große Stromwerte (hier von etwa 300–600 mA) im Vergleich zu dem nicht korrigierten Wert, der bei 300 mA einen Fehler von über 10% aufweist. Somit kann selbst diese simple und einfach auszuführende Korrektur sowohl in der analogen als auch in der digitalen Signalverarbeitungshardware eine erhebliche Verbesserung gegenüber Systemen nach Stand der Technik bewirken. Allerdings wird bei geringeren Stromwerten eine Abweichung beobachtet, da der Spulenstrom sich dem Offsetstrom nähert.
Die durch Gleichung 7 gegebene Korrektur führt zu Ergebnissen, die auf der Skala aus 3 in einem Strombereich von unter 50 mA bis 600 mA nahezu perfekt erscheinen. 4 zeigt die gleichen Ergebnisse auf einer vergrößerten Skala, aus der hervorgeht, dass sich der Fehler im obigen Bereich höchstens auf ungefähr 0.5% beläuft und in einem Bereich von etwa 100 mA bis 500 mA in einer Größenordnung von 0,1% liegt. Überdies erläutert die selbe Figur, dass das Verwenden eines festen Stromoffsets einen Fehler, der innerhalb eines Prozents liegt, in einem Strombereich von etwa 300 bis 600 mA ergibt, wohingegen der nicht korrigierte Wert bei einem Strom von 500 mA (Kalibrierungspunkt) nur eine Genauigkeit innerhalb eines Prozents erzielt und von der Skala verschwindet, sobald der Strom um etwa 10 mA oder so abweicht.
Die Korrekturfaktoren lassen sich durch einen digitalen Mikroprozessor berechnen, aber in anderen Ausführungsformen kann auch eine Schaltungsanordnung zur Verarbeitung analoger Signale zum Einsatz kommen. In der Tat ist eine grobe Korrektur einfach mittels einer Schaltung durchführbar, welche die Tendenz zeigt, das Ausgangssignal zu verringern, während der Strom zunimmt und vice versa. Besonders bevorzugt wird die explizite Berechnung von E/I, welche von der in 1 veranschaulichten Einheit 5 vorgenommen wird, mit einer Korrektur der Ausgangsgröße in Abhängigkeit vom Strom zu einer kombinierten Berechnung integriert, so dass die Erzeugung eines nicht korrigierten Werts für v nur angenommen ist.
Die Steuerung erfolgt bevorzugt auf elektronischem Weg, und elektronische Mittel, wie z.B. ein Mikroprozessor 9, stehen vorzugsweise zur Verfügung, um Sampling, Timing und weitere Funktionen der verschiedenen Komponenten zu steuern, die in der Zeichnung dargestellt sind. Die Einbeziehung des Mikroprozessors 9 ist in der Zeichnung schematisch abgebildet, und die Verbindung zwischen dem Mikroprozessor 9 und weiteren Komponenten der Vorrichtung mittels gestrichelter Linie zeigt, soweit erforderlich, die Steuerung der Sampling-(Messungs-) und Timing-Funktionen an.
Die auf die Ausgangssignale der Schaltung 5 angewandten Faktoren können, wie oben erläutert, auf direktem Weg gemessen oder berechnet werden. Selbst wenn nur eine grobe Korrektur vorgenommen wird, während der Strom von einer einzigen geplanten Ziffer abweicht, bringt das Schaffen der richtigen Toleranz für den Mangel an Linearität zwischen I und B Ergebnisse hervor, die zumindest ebenso präzise sind wie jene, die von herkömmlichen Systemen erzielt werden, in denen keine derartige Toleranz eingeräumt wird.
Mit Blick auf 5 sind die Wirkungen von Polynom- und Potenzgesetz-Korrektur für einen typischen Durchflussmesser veranschaulicht. Wie ersichtlich, ruft ein Polynom zweiter Ordnung eine merkliche Verbesserung im Vergleich zu den nicht korrigierten Ergebnissen hervor. Darüber hinaus besitzt ein Polynom zweiter Ordnung den Nutzen, dass es rechnerisch sehr einfach zu implementieren ist.
Eine merkliche Verbesserung lässt sich bei Gebrauch eines Polynomfits dritter Ordnung erzielen, und auch dies ist verhältnismäßig einfach auszuführen.
Ebenfalls in 5 aufgeführt ist die Wirkung eines Potenzgesetz-Fits. Dieser weist den Vorteil auf, dass weniger Koeffizienten empirisch zu bestimmen sind als bei einem Polynom dritter Ordnung, und er liefert ähnliche Ergebnisse.
Mit Blick auf 6 ist die Divergenz von berechneten Strömen (basierend auf Korrekturen des Stroms mittels eines Korrekturfaktors) zu tatsächlichen Strömen bei höheren Strömen veranschaulicht. Wie ersichtlich, kann es bei einer Korrektur mit einem Polynom dritter Ordnung bei höheren Strömen zu erheblichen Abweichungen kommen, und dies ist zu berücksichtigen, damit gewährleistet ist, dass in einem gewünschten Stromeinsatzbereich durchgängig vernünftige Korrekturen vorgenommen werden.

Claims

Vorrichtung zur Verarbeitung von Signalen eines elektromagnetischen Durchflussmessers, zur Verwendung mit einem elektromagnetischen Durchflussmesser, der eine Spule (1) beinhaltet, an der ein Fluid vorbeifließen kann, wobei die Spule (1) so angeordnet ist, dass sie ein Magnetfeld erzeugt, dessen Stärke abhängt von der Größe des der Spule (1) zugeleiteten Stroms, um dadurch in dem Fluid eine Spannung zu induzieren, welche die Durchflussrate des Fluidflusses anzeigt, wobei die Signalverarbeitungsvorrichtung Mittel (3) zum Messen des der Spule (1) zugeleiteten Stroms umfasst, Mittel (4) zum Messen der in dem Fluid induzierten Spannung und Mittel (5, 6, 7, 9) zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das die Durchflussrate darstellt und annähernd proportional zum Verhältnis von der gemessenen Spannung zum gemessenen Strom ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugungsmittel angeordnet ist, um das Ausgangssignal in Abhängigkeit vom gemessenen Stromwert zu berechnen oder zu regeln, um eine Nichtproportionalitätsabhängigkeit des Feldes, und so der induzierten Spannung, am der Spule zugeleiteten Strom zu kompensieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Erzeugungsmittel (5, 6, 7, 9) eine Schaltung (6) zum Empfangen des zu regelnden Ausgangssignals umfasst, einen Speicher (7) für Korrekturfaktoren, die für verschiedene Werte des Stroms geeignet sind, Mittel (9), um, der Schaltung (6), Korrekturfaktoren zuzuführen, die aus dem Speicher (7) in Abhängigkeit von dem Strom ausgewählt werden, und in der Schaltung enthaltende Mittel (6) zur Verwendung der ausgewählten Faktoren, um das Ausgangssignal zu regeln.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das in der Schaltung (6) enthaltene Mittel eine Multiplikationskomponente umfasst, die effizient zum Multiplizieren des Ausgangssignals mit den ausgewählten Korrekturfaktoren ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Erzeugungsmittel (5, 6, 7, 9) Mittel (6) zum Empfangen des zu regelnden Ausgangssignals und eines Signals umfasst, das den Strom anzeigt, Berechnungsmittel (7), die nach einem Anzeigen des Stroms in Übereinstimmung mit einem vorgegebenem Ablauf arbeiten, um einen Korrekturfaktor zu erzeugen, und Mittel (6) zum Anwenden des Korrekturfaktors auf das Ausgangssignal.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Erzeugungsmittel angeordnet ist, um das Ausgangssignal zu berechnen, und zwar durch Berechnen eines eingestellten Stromwerts, und durch Teilen der gemessenen Spannung durch den eingestellten Stromwert.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erzeugungsmittel angeordnet ist, um ein Ausgangssignal zu bestimmen, welches proportional zum Verhältnis von der gemessenen Spannung zum Wert einer Funktion des gemessenen Stroms variiert, welcher Wert nicht direkt proportional zum gemessenen Strom ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Funktion ein Polynom enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Polynom dritter oder höherer Ordnung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Polynom empirisch bestimmte Koeffizienten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Funktion eine Funktion des Stroms potenziert mit einem empirisch bestimmten Koeffizient ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Funktion die Form
besitzt, in der I der gemessene Strom ist und K₁ und K₂ empirisch bestimmte Konstanten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Funktion die Form I-I₀ besitzt, in der I der gemessene Strom ist und I₀ ein empirisch bestimmter Offsetstrom ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Erzeugungsmittel angeordnet ist, um den Wert der Funktion mittels einer Nachschlagetabelle diskreter Werte zu bestimmen, wobei die Vorrichtung Speichermittel (7) zum Speichern der Tabelle enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 13, beinhaltend Mittel zum Interpolieren zwischen den gespeicherten Werten.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin beinhaltend Mittel (2) zum Einstellen des Werts des der Spule (1) zugeleiteten Stroms in Abhängigkeit von einem Steuerungssignal.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Steuerungssignal aus einer Messung der Durchflussrate abgeleitet wird und das Einstellmittel auf das Steuerungssignal reagiert, so dass der Strom verringert wird, während die Durchflussrate steigt.
Verfahren zum Erhalten einer Durchflussratenmessung von einem elektromagnetischen Durchflussmesser, der eine Spule (1) beinhaltet, an welcher ein Fluid vorbeifließen kann, wobei die Spule (1) so angeordnet ist, dass sie ein Magnetfeld erzeugt, dessen Stärke von der Größe des der Spule (1) zugeleiteten Stroms abhängt, um dadurch in dem Fluid eine Spannung zu induzieren, welche die Durchflussrate des Fluidflusses anzeigt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: – Messen des der Spule (1) zugeleiteten Stroms, – Messen der in dem Fluid induzierten Spannung, und – Erzeugen eines Ausgangssignals, das die Durchflussrate darstellt und annähernd proportional zum Verhältnis von der gemessenen Spannung zum gemessenen Strom ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erzeugens eines Ausgangssignals das Berechnen oder Regeln des Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem gemessenen Stromwert umfasst, um eine Nichtproportionalitätsabhängigkeit des Feldes, und so der induzierten Spannung, am der Spule zugeleiteten Strom zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Erzeugens eines Ausgangssignals das Erzeugen eines Ausgangssignals beinhaltet, welches proportional zum Verhältnis von der gemessenen Spannung zum Wert einer Funktion des gemessenen Stroms variiert, welcher Wert nicht direkt proportional zum gemessenen Strom ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Funktion ein Polynom enthält.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Polynom dritter oder höherer Ordnung ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Polynom empirisch bestimmte Koeffizienten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Funktion eine Funktion des Stroms potenziert mit einem empirisch bestimmten Koeffizient ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Funktion die Form
besitzt, in der I der gemessene Strom ist und K₁ und K₂ empirisch bestimmte Konstanten sind.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Funktion die Form I-I₀ besitzt, in der I der gemessene Strom ist und I₀ ein empirisch bestimmter Offsetstrom ist.
Verfahren nach Anspruch 18, umfassend das Bestimmen des Werts der Funktion durch Nachschlagen eines Werts für die Funktion in einer Tabelle diskreter Werte.
Verfahren nach Anspruch 25, beinhaltend das Interpolieren zwischen den diskreten Werten.
Verfahren nach Anspruch 17, umfassend das Leiten von Strom zu der Spule (1) des Durchflussmessers, und das Einstellen des Spulenstroms, so dass der Strom verringert wird, während die Durchflussrate steigt.