CH694997A5

CH694997A5 - Elektromagnetische Durchflussmesseranordnung.

Info

Publication number: CH694997A5
Application number: CH00532/00A
Authority: CH
Inventors: Steen M Matzen
Original assignee: Siemens Flow Instr As
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 2000-03-20
Publication date: 2005-10-31
Also published as: NL1014697C2; DE19917261C5; DE19917261A1; GB0009348D0; GB2348963A; FR2792405A1; NL1014697A1; DE19917261C2; FR2792405B1; GB2348963B; US6644127B1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Durchflussmesseranordnung mit einem Messrohr, -einer Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Wesentlichen senkrecht zur Durchströmrichtung durch das Messrohr, einer Elektrodenanordnung im Wesentlichen senkrecht zur Durchströmrichtung und zum Magnetfeld, einer Auswerteeinrichtung und einer Überprüfungseinrichtung.

Eine derartige Anordnung ist aus GB 2 309 308 A bekannt. Hier wird zum Überprüfen oder Testen des Messrohres mit seiner Auswerteeinrichtung die normale Verbindung zwischen dem Messrohr und seiner Auswerteeinrichtung unterbrochen. Danach wird eine externe Messschaltung an die Auswerteeinrichtung und am Messrohr angeschlossen. Während der Überprüfung erfolgt keine Messung des Durchflusses durch das Messrohr. Der zuletzt gemessene Wert wird von der Auswerteeinrichtung festgehalten. Die Messschaltung ermittelt zunächst den ohmschen Widerstand der Spulenanordnung, indem die Spulenanordnung mit einer Spannung beaufschlagt wird. Sobald der ohmsche Widerstand durch Verhältnisbildung ermittelt worden ist, wird die Spannung über die Spule auf Null gesetzt und der expotentiell abfallende Spulenstrom wird überwacht.

Damit kann dann die Induktivität der Spule ermittelt werden. Der Vergleich zwischen Soll- und Istwerten von ohmschen Widerstand und Induktivität gibt Aufschluss über mögliche Änderungen an der Durchflussmesseranordnung, die zu einem Nachkalibrieren nötigen. Das Kalibrieren wird dann durch Verwendung neuer Rechenwerte vorgenommen.

Der Aufwand für eine Überprüfung ist relativ gross. Dementsprechend ist zu befürchten, dass eine Überprüfung nur in relativ grossen Abständen vorgenommen wird. Auch besteht die Gefahr, dass durch das Auftrennen und Wiederverbinden von Leitungen Fehler eingebaut werden, die sich bei der eigentlichen Messung negativ bemerkbar machen, beispielsweise durch ungenaue oder falsche Messwerte. Dies kann insbesondere dann problematisch werden, wenn der Durchflussmesser zur Abrechnung eines Verbrauchs verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überprüfung der Durchflussmesseranordnung auf einfache Art und Weise vornehmen zu können.

Diese Aufgabe wird bei einer elektromagnetischen Durchflussmesseranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Überprüfungseinrichtung erste Mittel aufweist, um die Spulenanordnung mit Spannung zu beaufschlagen ohne ein Magnetfeld zu erzeugen, und zweite Mittel, um eine ohmsche und/oder induktive und/oder kapazitive Kopplung zwischen der Spulenanordnung und der Auswerteeinrichtung zu ermitteln.

Bei der Überprüfung (im Folgenden auch als "testen" bezeichnet) werden damit elektrische Verhältnisse geschaffen, die denen im Betrieb relativ nahe kommen. Die Spule wird nämlich mit Spannung beaufschlagt und man kann an der Elektrodenanordnung Signale abnehmen. Im Unterschied zum normalen Messbetrieb können diese Signale nicht durch das Magnetfeld und das durchströmende Fluid erzeugt worden sein, weil man dafür Sorge getragen hat, dass kein Magnetfeld erzeugt wird. Falls Signale auftreten, dann können diese nur von einer elektrischen Kopplung zwischen der Spulenanordnung und der Auswerteeinrichtung herrühren. Wenn sich diese Kopplung ändert, dann ist dies ein Zeichen dafür, dass sich die Durchflussmesseranordnung insgesamt verändert hat, so dass gegebenenfalls eine Kalibrierung erforderlich ist.

Falls sich diese Kopplung nicht geändert hat, dann ist davon auszugehen, dass eine ursprünglich vorgenommene Kalibrierung weiterhin gültig ist. Die Kopplung kann sich durch unterschiedliche physikalische Grössen ausdrücken. Man kann die ohmsche, induktive und kapazitive Kopplung oder nur eine oder zwei Arten dieser Kopplung überwachen. Für die Ermittlung dieser Kopplung ist in der Regel keine längere Zeit notwendig. Das Testen kann also auch während des normalen Messbetriebes erfolgen, der hierfür nur ganz kurz unterbrochen werden muss.

Vorzugsweise sind die zweiten Mittel durch die Auswerteeinrichtung gebildet oder in sie integriert. Man kann also mithilfe der Auswerteeinrichtung die von der Elektrodenanordnung stammenden Signale erfassen und auf gleiche Art und Weise weiterarbeiten wie die beim Messen ermittelten Signale. Man muss der Auswerteeinrichtung lediglich mitteilen, dass hier keine Mess-Signale, sondern Test-Signale anliegen. Danach kann sich die weitere Verarbeitung richten.

Mit Vorteil weist die Überprüfungseinrichtung einen Zeitgeber auf, der spätestens nach Ablauf vorbestimmter Zeitabstände eine Überprüfung einleitet. Damit ist man nicht darauf angewiesen, die Überprüfung von Zeit zu Zeit selbst oder durch ein Wartungspersonal durchführen zu lassen. Die Überprüfung erfolgt vielmehr automatisch spätestens in vorgewählten Zeitabständen. Natürlich kann man diese Testintervalle auch verkürzen.

Vorzugsweise ist die Spannung als gesteuerte Wechselspannung ausgebildet. Dementsprechend wird die Spulenanordnung mit unterschiedlichen Spannungspotentialen beaufschlagt und man kann für die unterschiedlichen Spannungspotentiale die entsprechenden Kopplungen untersuchen. Die Gefahr, dass ein Fehler unentdeckt bleibt, weil er nur bei einem bestimmten Betriebszustand der Spannung auftritt, ist relativ klein, weil alle im Betrieb vorkommenden Spannungspegel durchlaufen werden.

Hierbei ist besonders bevorzugt, dass die Spannung durch eine Zusatzspannung gebildet ist. Eine derartige "Boost"-Spannung ist eine verstärkte Spannung, die in vielen Durchflussmessern ohnehin vorhanden ist, um den Aufbau des Magnetfeldes zu beschleunigen. Diese höhere Spannung macht eine möglicherweise vorhandene Kopplung noch leichter erkennbar.

Besonders bevorzugt ist hierbei, dass die Spannung beim Überprüfen die gleichen Parameter wie beim Messen aufweist. Man kann mit anderen Worten die ohnehin vorhandene "Boost"-Spannung verwenden, um auch die Überprüfung durchzuführen. Die "Boost"-Spannung hat dann beim Messen und beim Testen die gleiche Amplitude und die gleiche Frequenz.

Vorzugsweise wird die Spannung durch eine H-Brücke erzeugt, die in jedem Zweig einen gesteuerten Schalter aufweist, wobei die H-Brücke beim Messen kreuzweise und beim Überprüfen einseitig aktiv ist. Beim Messen werden in an sich bekannter Weise die über Kreuz liegenden Zweige des H, in dessen Mitte die Spulenanordnung angeschlossen ist, betätigt, so dass ein Strom in die eine oder in die andere Richtung durch die Spulenanordnung fliessen kann. Auf diese Weise wird ein Wechselfeld in der Spulenanordnung erzeugt. Beim Testen kann man nun die gleiche H-Brücke verwenden, wobei der Unterschied lediglich darin besteht, dass die Brücke nicht mehr kreuzweise betrieben wird, sondern jeweils eine Hälfte der Brückenzweige, und zwar die, die mit dem gleichen Spannungspotential verbunden sind, geschlossen werden.

Damit ist es auf einfache Art und Weise möglich, die Spulenanordnung mit Spannung zu beaufschlagen, ohne ein Magnetfeld zu erzeugen. Ein Stromfluss wird nämlich verhindert.

Vorzugsweise sind die Spulen der Spulenanordnung beim Überprüfen kurzgeschlossen. Damit herrschen in den Spulen der Spulenanordnung die gleichen Bedingungen und das Überprüfen wird vereinfacht.

Mit Vorteil sind die kurzgeschlossenen Spulen beim Überprüfen abwechselnd mit einer Spannungsquelle und mit Masse verbunden. Damit lassen sich Kriechströme von der Spulenanordnung zur Auswerteeinrichtung und auch umgekehrt ermitteln.

Auch ist von Vorteil, dass die Überprüfungseinrichtung eine Speichereinrichtung aufweist, in der beim Überprüfen ermittelte Werte und/oder Sollwerte abgelegt sind. Die Sollwerte können beispielsweise aus der ersten oder aus der letzten gültigen Kalibrierung stammen. Die beim Testen ermittelten Werte können dann mit den gespeicherten Werten verglichen werden. Abweichungen können verwendet werden, um zu beurteilen, ob die Durchflussmesseranordnung noch zuverlässig genug arbeitet oder nicht. Man kann die Speichereinrichtung aber auch verwenden, um der Reihe nach eine gewisse Anzahl von Testwerten abzuspeichern und sozusagen die "Geschichte" der Durchflussmesseranordnung aufzuzeichnen.

Natürlich kann man auch vergangene Testwerte verdichten und beispielsweise ihren Mittelwert und ihre Streubreite speichern, wobei diese Grössen bei jedem Test aktualisiert und wieder gespeichert werden.

Vorzugsweise ermittelt die Überprüfungseinrichtung einen Zuverlässigkeitskoeffizienten aus der Streuung von beim Überprüfen ermittelten Werten und wiederholt die Überprüfungen in Abhängigkeit vom Zuverlässigkeitskoeffizienten. Hierbei geht man davon aus, dass die Überprüfung öfter stattfinden sollte, wenn sich zeigt, dass die einzelnen Werte stark streuen. Wenn hingegen keine grösseren Abweichungen erkennbar sind, dann kann man mit der nächsten Überprüfung länger abwarten. Durch die vorgegebenen Zeitabstände, die oben erwähnt worden sind, ist hier nach oben eine Grenze gesetzt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigt: die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Schaltung eines elektromagnetischen Durchflussmessers.

Ein Durchflussmesser weist ein elektrisch isoliertes Messrohr 2 auf, das senkrecht zur Zeichenebene von einer Flüssigkeit oder einem Gas durchströmt werden kann. Senkrecht zur Durchströmungsrichtung sind Messelektroden 5 und 6 angeordnet. Senkrecht zur Durchströmungsrichtung und senkrecht zur Anordnung der Messelektroden 5, 6 sind Spulen 3, 4 einer Spulenanordnung angeordnet, die in Reihe miteinander geschaltet sind. Die Spulen 3, 4 erzeugen also, wenn sie von einem Strom durchflossen werden, ein Magnetfeld, das senkrecht zur Durchfluss richtung und senkrecht zur Verbindung zwischen den Messelektroden 5, 6 gerichtet ist.

Ein derartiger Durchflussmesser ist an sich bekannt. Wenn ein Fluid durch das Messrohr 2 strömt, dann entsteht zwischen den Messelektroden 5, 6 eine Spannung, die von der Geschwindigkeit des Fluids und von der Stärke des Magnetfeldes abhängig ist.

Zusätzlich sind im Messrohr noch Erdungselektroden 7, 8 angeordnet. Sämtliche Elektroden 5-8 sind elektrisch vom Messrohr isoliert.

Ein Stromregler 18 regelt einen konstanten Strom I.

Eine H-Brückenschaltung weist vier Schalter 10-13 auf, die jeweils von einer Freilaufdiode 14-17 geschützt sind. Die Schalter 10-13 sind zwischen einer Spannungsquelle 9 und dem Stromregler 18 angeordnet. Die Diagonale dieser Brückenschaltung ist mit den Spulen 3, 4 der Spulenanordnung verbunden. Wenn der Schalter 10 und der Schalter 13 geschlossen sind, dann fliesst (bezogen auf die Figur) ein Strom im Gegenuhrzeigersinn durch die Spulen 3, 4. Wenn die Schalter 11 und 12 geschlossen sind, die Schalter 10, 13 aber geöffnet sind, dann fliesst der Strom in die entgegengesetzte Richtung.

Die Messung des Durchflusses durch das Messrohr 2 erfolgt mithilfe der Messelektroden 5, 6, die mit einem Differenzverstärker 19 verbunden sind. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 19 wird einem Analog/Digital-Wandler 21 zugeführt, der aufgrund einer Referenzspannung Vref an einem Eingang 20 das analoge Eingangssignal in ein digitales Signal umwandelt, das über ein Klemme 22 zu einer digitalen Auswerteschaltung geleitet wird, die aufgrund der Messungen die Durch flusswerte ermittelt. An der Klemme 22 stehen Zahlenwerte, gegebenenfalls in codierter Form zur Verfügung. Die digitale Auswerteschaltung wird zweckmässigerweise durch einen Mikroprozessor gebildet.

Insoweit entspricht die Schaltung einem herkömmlichen Durchflussmesser. Die Schalterpaare 10, 13 und 11, 12, die kreuzweise in der H-Brücke liegen, werden abwechselnd geöffnet und geschlossen, so dass sich ein Wechselstrom durch die Spulen 3, 4 und damit ein magnetisches Wechselfeld im Messrohr 2 ergibt. Das an den Elektroden 5, 6 gewonnene Signal ist abhängig von der Stärke des Magnetfeldes und der Geschwindigkeit des durchströmenden Fluids.

Im Normalbetrieb wird die H-Brücke mit der Spannung Vnom versorgt. Man kann nun auch vorsehen, dass eine Zusatzspannungsversorgung 44 eine Zusatzspannung Vboost liefert. Diese Zusatzspannung ist grösser als die Spannung Vnom. Sie wird beispielsweise in einem Zeitraum verwendet, der sich an das Umschalten der Schalterpaare anschliesst, und zwar so lange, bis der Strom I wieder einen vorbestimmten Wert erreicht hat. Die Zeit, in der sich das Magnetfeld aufbaut und in der keine genauen Messungen möglich sind, wird daher verkürzt. Zum Umschalten ist ein Schalter 36 vorgesehen.

Der Stromregler 18 wird von einer Referenzspannung Vref geregelt, die an einem Anschluss 37 einen Spannungsteiler 40 anliegt. Diese Spannung dient als Referenz.

Zusätzlich wird die Spannung, die auch dem Stromregler 18 als Referenz dient, einem Operationsverstärker 43 zugeführt, dessen Ausgang mit der Zusatzspannungsvesorgungseinrichtung 44 verbunden ist. Der andere Eingang des Operationsverstärkers 43 ist mit dem Mittelabgriff eines Spannungsteilers aus zwei Widerständen 41, 42 verbunden, der zwischen dem Ausgang 45 der Zusatzspannungsversorgungseinrichtung 44 und Masse angeordnet ist. Damit regelt der Ausgang des Operationsverstärkers 43 die Zusatzspannungversorgungseinrichtung 44, die man auch als "Boost"-Generator bezeichnen kann.

Die Zusatz- oder Boost-Spannung hat die gleiche Frequenz wie die normale Versorgungsspannung Vnom. Lediglich ihre Amplitude ist grösser.

Zur Überprüfung wird nun die H-Brücke abweichend betrieben. Die Spannungsquelle 9 gibt nach wie vor die nominale Spannung Vnom ab. Alternativ kann man zum Testen auch die verstärkte Spannung (Boost-Spannung) verwenden. Auch der Stromregler 18 arbeitet wie bisher. Nunmehr wird die H-Brücke aber nicht mehr so betrieben, dass die Schalter kreuzweise gleichzeitig betätigt werden, sondern es werden die Schalter in einer Brückenhälfte, die mit dem gleichen Potential verbunden ist, gleichzeitig betätigt, also entweder die Schalter 10 und 11 geschlossen oder die Schalter 12 und 13. Wenn nun beispielsweise die Schalter 10, 11 geschlossen sind, dann sind die Spulen 3, 4 kurzgeschlossen und werden mit der Spannung Vnom oder Vboost versorgt. Damit liegt die Spannung an den Spulen 3, 4 an, ohne dass ein Magnetfeld im Messrohr erzeugt wird.

Wenn die Schalter 10, 11 geöffnet und die Schalter 12, 13 geschlossen werden, dann liegen die Spulen 3, 4 an Masse an.

In beiden Fällen wären Signale, die an den Messelektroden 5, 6 abgenommen werden, auf eine Kopplung zurückzuführen, die zwischen der Versorgungsschaltung für die Spulen 3, 4 und den Mess-elektroden oder ihrer Auswerteschaltung vorliegt. Diese Kopplung kann ohmscher, kapazitiver oder induktiver Art sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden alle drei Kopplungsmöglichkeiten ausgewertet. In manchen Fällen reicht es aber auch aus, nur eine oder zwei dieser Möglichkeiten zu berücksichtigen.

Auch die Kopplung erzeugt einen gegebenenfalls codierten Zahlenwert am Ausgang 22 des Analog/Digital-Wandlers 21. Der Mikroprozessor, der an den Ausgang 22 angeschlossen ist, kann nun diesen Zahlenwert für die Überprüfung verwenden.

Ein Fehler liegt nicht unbedingt bereits dann vor, wenn beim Überprüfen oder Testen an den Elektroden 5, 6 ein Potential oder eine Potentialdifferenz anliegt. Ein Fehler ist aber dann zu vermuten, wenn sich bei wiederholten Überprüfungen, die in vorbestimmten zeitlichen Abständen durchgeführt werden können, Änderungen in dem Verhalten der Mess-elektroden 5, 6 ergeben. Man kann also beispielsweise bei der ersten Kalibrierung oder bei der Inbetriebnahme der Durchflussmesseranordnung die entsprechenden Testwerte ermitteln und ablegen oder speichern und dann später mit Werten vergleichen, die bei einem erneuten Testen ermittelt werden.

Zum Ermitteln der Test-Werte kann man die gleiche Schaltung verwenden, die auch zum Ermitteln der Messwerte verwendet wird.

Man kann nun die bei wiederholten Überprüfungen ermittelten Testwerte in einem Speicher ablegen und bei jedem Test die Streubreite der ermittelten Werte ermitteln. Wenn die Streubreite zu gross wird, ist dies ein Zeichen dafür, dass sich Veränderungen in der Durchflussmesseranordnung ergeben haben, die entweder eine erneute Kalibrierung erfordern oder eine Reparatur notwendig machen.

Man kann auch in nicht in näher dargestellter Weise die Streubreite der Test-Werte dazu verwenden, einen Zuverlässigkeitskoeffizienten zu errechnen. Wenn nur eine geringe Streuung vorliegt, ist dies ein Zeichen dafür, dass die ursprüngliche oder zuletzt vorgenommene Kalibrierung noch "stimmt". In diesem Fall kann man die Überprüfungen seltener vornehmen. Wenn sich hingegen eine grössere Streuungsbreite ergibt, dann ist es angeraten, die Überprüfungen öfters vorzunehmen.

Für die Überprüfung ist eine Veränderung der Schaltungskonfiguration nicht notwendig. Es ist lediglich notwendig, dass die H-Brücke mit den Schaltern 10-13 in der vorbeschriebenen Art verwendet wird.

Mit den Überprüfungen wird sichergestellt, dass jede unerwünschte Signalübertragung, sei es im Sensor, in den Zuleitungen oder auf einer Schaltungsplatine, zu einem Spannungssignal führen wird, das mit einem selektiven Voltmeter des Elektronikteiles gemessen werden kann.

Claims

1. Elektromagnetische Durchflussmesseranordnung mit einem Messrohr, einer Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Wesentlichen senkrecht zur Durchströmrichtung durch das Messrohr, einer Elektrodenanordnung im Wesentlichen senkrecht zur Durchströmrichtung und zum Magnetfeld, einer Auswerteeinrichtung und einer Überprüfungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfungseinrichtung erste Mittel (10-13) aufweist, um die Spulenanordnung (3, 4) mit Spannung zu beaufschlagen ohne ein Magnetfeld zu erzeugen, und zweite Mittel, um eine ohmsche und/oder induktive und/oder kapazitive Kopplung zwischen der Spulenanordnung (3, 4) und der Auswerteeinrichtung zu ermitteln.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel durch die Auswerteeinrichtung gebildet oder in sie integriert sind.

3.

Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfungseinrichtung einen Zeitgeber aufweist, der spätestens nach Ablauf vor bestimmter Zeitabstände eine Überprüfung einleitet.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung als gesteuerte Wechselspannung ausgebildet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung durch eine Zusatzspannung gebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung beim Überprüfen die gleichen Parameter wie beim Messen aufweist.

7.

Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung durch eine H-Brücke (10-13) erzeugt wird, die in jedem Zweig einen gesteuerten Schalter (10-13) aufweist, wobei die H-Brücke beim Messen kreuzweise (10, 13; 11, 12) und beim Überprüfen einseitig (10, 11; 12, 13) aktiv ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (3, 4) der Spulenanordnung beim Überprüfen kurzgeschlossen sind.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kurzgeschlossenen Spulen (3, 4) beim Überprüfen abwechselnd mit einer Spannungsquelle (9) und mit Masse verbunden sind.

10.

Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfungseinrichtung eine Speichereinrichtung aufweist, in der beim Überprüfen ermittelte Werte und/oder Sollwerte abgelegt sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfungseinrichtung einen Zuverlässigkeitskoeffizienten aus der Streuung von beim Überprüfen ermittelten Werten ermittelt und die Überprüfungen in Abhängigkeit vom Zuverlässigkeitskoeffizienten wiederholt.