DD201728A5

DD201728A5 - Verfahren und anordnung zur kompensation der stoergleichspannungen im elektrodenkreis bei der magnetisch-induktiven durchflussmessung

Info

Publication number: DD201728A5
Application number: DD81233720A
Authority: DD
Inventors: Peter Hafner
Original assignee: Flowtec Ag
Priority date: 1980-10-02
Filing date: 1981-09-30
Publication date: 1983-08-03
Also published as: SE448401B; GB2084740A; IT1139458B; FR2491619A1; NL8104463A; FR2491619B1; DE3132471C2; NL186112B; SE8105806L; DE3132471A1; NL186112C; CH655794A5; GB2084740B; US4422337A; IT8124058A0

Abstract

Eine Anordnung zur magnetisch-induktiven Durchflussmessung einer in einer Rohrleitung (1) fliessenden elektrisch leitenden Fluessigkeit enthaelt einen Magnetfelderzeuger (2), der ein die Rohrleitung (1) senkrecht zur Stroemungsrichtung durchsetzendes, periodisch umgepoltes Magnetfeld (H) erzeugt. In der Rohrleitung (1) sind zwei Elektroden (3, 4) angeordnet. Die an den Elektroden (3, 4) abgenommene Spannung wird einem Messverstaerker (9) zugefuehrt. An den Ausgang des Messverstaerkers (9) sind zwei Abtast- und Speicherschaltungen (10, 11) angeschlossen, die von einer Steuerschaltung (6) so gesteuert werden, dass sie die Ausgangsspannung des Messverstaerkers (9) bei einander gleichen Induktionswerten entgegengesetzten Vorzeichens des Magnetfelds (H) abtasten und d. Abtastwerte bis zur naechsten Abtastung speichern. Eine Subtrahierschaltung (12) bildet die Differenz der gespeicherten Abtastwerte. In einem Regelkreis zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Messverstaerkers (9) liegt eine speichernde Regelschaltung (14, 15), die in bestimmten Kompensationszeitintervallen einen die Ausgangsspannung des Messverstaerkers (9) auf Null regelnden Kompensationsspannungswert bildet. Das Kompensationsverfahren besteht darin, das jedes Kompensationszeitintervall innerhalb des dem eingeschalteten Magnetfeld entsprechenden Zeitintervall liegt, in d. auch d. vorhergehende Abtastzeitintervall liegt.

Description

C J j /ZU I Berlin, 29.1. 1982

-f- 59 808 /13

Verfahren und Anordnung zur Kompensation der Störgleichspannungen im Elektrodenkreis bei der magnetisch-induktiven Durchflußmessung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation der Störgleichspannungen im Elektrodenkreis bei der magnetisch-induktiven Durchflußmessung mit periodisch umgepoltem magnetischem Gleichfeld, bei welchem das Hutzsignal dadurch erhalten wird, daß die Signalspannung nach jeder Umpolung des Magnetfeldes jeweils bei gegenpoligen Werten des Magnetfeldes während eines Abtastzeitintervalls abgetastet und gespeichert wird und die Differenz der gespeicherten Abtastwerte gebildet wird, und bei welchem in einem auf jedes Abtastzeitintervall folgenden Kompensationszeitintervall durch Abtastung und Speicherung der Signalspannung eine der Signalspannung entgegengesetzt überlagerte Kompensationsspannung erzeugt wird, welche die Signalspannung innerhalb des Kompensationszeitintervalls auf den Wert Null kompensiert und bis zum nächsten Kompensationszeitintervall beibehalten wird, sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens/

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE-AS 2 744 845 bekannt. Die Differenz der bei gegenpoligen Werten des Magnetfeldes gewonnenen Abtastwerte ergibt ein Nutzaignal, das von konstanten Störgleichspannungen befreit ist, die bekanntlich bei der magnetisch-induktiven Durchflußmessung das Tausendfache des Nutζsignals erreichen können. Durch die Bildung und Überlagerung der Kompensationsspannung werden zusätzlich auch linerare zeitliche Änderungen der

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Störgleichspannungen zwischen den aufeinanderfolgenden Abtastzeitintervallen kompensiert;, Und vor allem wird verhindert, daß die zur Verarbeitung der Signalspannung verwendeten Verstärker und Subtrahierschaltungen infolge der sich langsam auf einen sehr großen Wert aufbauenden Störgleichspannungen übersteuert werden»

Bei diesem bekannten Verfahren liegt jedes Kompensationazeitintervall in einer Magnetfeldpause, die jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgende Teilperioden eingefügt ist, in denen das Magnetfeld seine gegenpoligen Werte annimmt. Die zur Bildung der Kompensationespannung abgetastete Signalepannung ist daher die reine Störspannung«, Dae Magnetfeld muß daher periodisch zwischen drei Werten umgeschaltet werden, wobei die Magnetfeidpausen und die darin enthaltenen Kompensationszeitintervalle nicht für die Beobachtung des Durchflusses ausgenutzt werden können*

In ähnlicher Weise erfolgt bei einem aus der DE=AS 2 410 407 bekannten Verfahren eine Kompensation von zeitlichen Änderungen der Störgleichspannungen durch Bildung einer Kompensationsspannung, die der Signalspannung entgegengesetzt überlagert wird«, Bei diesem bekannten Verfahren wird das Magnetfeld zwischen zwei verschiedenen Werten hin-und hergeschaltet _f von denen der eine Wert Hull sein kann. In diesem Pail liegen in jeder Teilperiode, in der das Magnetfeld den kleineren Wert (bzw., den Wert Hull) hat, zwei Kompensationszeitintervalle jeweils am Anfang und am Ende der Teilperiode₉ und zwischen diesen beiden Kompensationszeitintervallen liegt ein Abtastzeitintervall, in dem nur die seit der letzten Kompensation erfolgte Störgleichspannungsänderung abgetastet und gespeichert wird. In der anderen Teilperiode erfolgt dagegen keine Kompensation? sondern nur eine Abtastung und Speicherung der kompensierten Signalspannung_s die gleich der

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Summe aus Nut ζ signal und Störgleichspannungsänderung ist· Dieses Verfahren weist eine zeitliche Unsymmetrie auf, und die gespeicherten Abtastwerte, deren Differenz gebildet wird, haben unterschiedliche Größenordnungen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile bekannter Verfahren zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Kompensation der Störgleichspannungen bei der magnetisch-induktiven Durchflußmessung, das die größtmögliche Ausnutzung der verfügbaren Zeit für die Beobachtung des Durchflusses ermöglicht und ein im Verhältnis zum Leistungsaufwand großes Hutζsignal ergibt, wobei die der Differenzbildung unterworfenen gespeicherten Abtastwerte von gleicher Größenordnung sind.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß jedes Kompensationszeitintervall innerhalb des dem eingeschalteten Magnetfeld entsprechenden Zeitintervalls liegt, in dem auch das vorhergehende Abtastzeitintervall liegt.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung erfolgt in völlig regelmäßiger Weise in jeder dem einen bzw. dem anderen Wert des Magnetfeldes entsprechenden Teilperiode zunächst eine Abtastung und Speicherung der kompensierten Signalßpännung und anschließend eine Kompensation der Signalspannung auf den Wert Null. Somit enthält die Kompensationsspannung auch das Nutzsignal im Kompensationszeitpunkt. Da diese Kompensationsspannung im Abtastzeitintervall

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der folgenden Teilperiode der dann herrschenden Signalspannung überlagert bleibt ₉ wird in jedem Abtast zeitintervall zur Bildung des gespeicherten Abtastwertes eine Spannung abgetastet, die die Summe der Hutzsignale in einem Kompensationszeitintervall und im darauffolgenden Abtastzeitintervall enthält. Auf diese Weise wird das Kompensationszeitintervall zur Gewinnung dee Meßwertsignals und zur Beobachtung des Durchflusses mit ausgenutzt,, Dabei sind die gespeicherten Abtastwerte, deren Differenz gebildet wird, von gleicher Größenordnung«, Dieses Verfahren eignet sich insbesondere dann, wenn das Magnetfeld ohne Pausen zwischen zwei gegenpoligen Werten hin- und hergeschaltet wird, so daß auch keine Magnetfeldpausen für die Beobachtung des Durchflusses verlorengehen»

Das Verfahren ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß sich das Kompensationszeitintervall unmittelbar an das Abtastzeitintervall anschließt und daß das Abtastzeitintervall und das Kompensationszeitintervall zusammen im wesentlichen den ganzen Zeitraum überdecken, in welchem das Magnetfeld seinen konstanten Wert hat«, Das Abtastzeitintervall und das Kompensationszeitintervall sind gleich groß oder das Abtastzeitintervall ist größer als das Kompensationszeitintervall·

Alle Abtastzeitintervalle haben die gleiche Dauer, und der Beginn jedes AbtastZeitintervalls steht in einer für alle Abtastintervalle gleichen starren Phasenbeziehung zu einer Stö'rwechselspannung« Die Dauer jedes Abtastzeitintervalls ist von der Periode der Störwechselspannung oder einem Vielfachen dieser Periode verschiedene Alle Kompensationszeitintervalle haben die gleiche Dauer* Der Beginn jedes Kompensationszeitintervalls steht in einer für alle Kompensationszeitintervalle gleichen starren Phasenbeziehung

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zu einer Störwechselspannung. Die Dauer jedes Kompensationszeitintervalls ist von einer Periode der Störwechselspannung oder einem Vielfachen dieser Periode verschieden. Die abgetastete Signalspannung wird in jedem Abtastzeitintervall zur Bildung des gespeicherten Abtastwerts an ein integrierendes Speicherglied angelegt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß am Beginn jedes Abtastzeitintervalls kurzzeitig eine Momentanwertabtastung und -speicherung der Signalspannung ohne Integration erfolgt und die abgetastete Signalspannung nur im restlichen Teil des Abtastzeitintervälls an ein integrierendes Speicherglied angelegt wird.

Durch diese Weiterbildung wird die Ansprechzeit wesentlich verkürzt, so daß auch sehr schnelle Durchflußä'nderungen sofort erfaßt und angezeigt werden.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß durch die Art der Signalbildung auch der Einfluß einer dem Nutzsignal überlagerten Störwechselspannung beseitigt werden kann, ohne daß eine definierte Beziehung zwischen der Dauer des Abtastzeitintervalls und der Periode der Störwechselspannung bestehen muß.

Eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung dieser Weiterbildung des Verfahrens für die induktive Durchflußmessung einer in einer Rohrleitung fließenden elektrisch leitenden Flüssigkeit, mit einem Magnetfelderzeuger, der ein die Rohrleitung senkrecht zur Strömungsrichtung durchsetzendes, periodisch umgepoltes Magnetfeld erzeugt, zwei in der Rohrleitung angeordneten Elektroden, die mit den Eingängen eines Meßverstärkers verbunden sind, Abtast- und Speicher-

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2' ** Λ Π O Π 1 59 808 / 13

33 7.Ζ0 ι .6.

schaltungen, die an den Ausgang des Meßverstärkers angeschlossen sind und von einer Steueranordnung so gesteuert werden, daß sie die Ausgangsspannung des Meßverstärkers bei einander gleichen Induktionswerten entgegengesetzten Vorzeichens abtasten und die Abtastwerte bis zur nächsten Abtastung speichern, einer Schaltung zur Bildung der Differenz der gespeicherten Abtastwerte und mit einer in einem Regelkreis zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Meßverstärkers angeordneten speichernden Regelschaltung, die in Jedem Kompensationszeitintervall mit dem Ausgang des Meßverstärkers verbunden wird, einen die Ausgangsspannung des Meßverstärkers auf den Wert Hull regelnden Kompensationsspannungswert bildet und diesen Kompensationsspannungswert bis zum nächsten Kompensationszeitintervall aufrechterhält, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß jede Abtast- und Speicherschaltung ein integrierendes RC-Glied enthält, an das die Signalspannung über einen für die Dauer der zugeordneten Abtastzeitintervalle geschlossenen Schalter angelegt wird, und daß dem Widerstand jedes RC-Glieds ein Schalter parallelgeschaltet ist, der am Beginn jedes der zugeordneten Abtastzeitintervalle kurzzeitig geschlossen wird»

Ausführungsbeispiel \

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich auB der folgenden Beschreibung eines Ausführungebeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen: ·

Fig. 1s Blockschema einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2% Zeitdiagramme von Signalen,, die an verschiedenen Punkten der Anordnung von Fig, 1 auftreten,

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Pig, 3: weitere Zeitdiagramme von Signalen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnungen von Pig. 1 und

Pig, 4ϊ eine abgeänderte Ausführungsform der Anordnung von Fig. 1,

• . ' .

Pig, 5: Zeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung von Fig. 4 beim Vorhandensein einer Stb'rwechselspannung, ν

Fig. 6: Zeitdiagramme zur Erläuterung einer weiteren Abänderung des Verfahrens nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein innen isoliertes Rohr 1, durch das eine elektrisch leitende Flüssigkeit senkrecht zur Zeichenebene strömt. Eine Magnetfeldspule 2, die aus Symmetriegründen in zwei gleiche, zu beiden Seiten des Rohres 1 angeordnete Hälften unterteilt ist, erzeugt im Rohr ein senkrecht zur Rohrachse gerichtetes Magnetfeld H. Im Innern des Rohres 1 sind zwei Elektroden 3 und 4 angeordnet, an denen eine induzierte Spannung abgegriffen werden kann, die der-mittleren Durchflußgeschwindigkeit der elektrisch leitenden Flüssigkeit durch das Magnetfeld proportional ist. Eine Spulensteuerschaltung 5 steuert den durch die Magnetfeldspule 2 fließenden Strom in Abhängigkeit von einem Steuersignal, das vom Ausgang 6a einer · Steuerschaltung 6 geliefert und an den Steuereingang 5a angelegt wird.

Die Elektroden 3 und 4 sind mit den beiden. .Eingängen eines Differenzverstärkers 7 verbunden. Der Differenzverstärker hat eine kleine Verstärkung, so daß er auch bei großen Stö'rspannungen (im typischen Fall + 1 V) nicht übersteuern kann.

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Der Ausgang des Differenzverstärkers 7 ist mit einem Eingang einer Summierschaltung 8 verbunden, an deren Ausgang der Eingang eines Verstärkers 9 mit dem Verstärkungsfaktor ν angeschlossen ist.

An den Ausgang des Verstärkers 9 sind parallel¹ zwei Abtast- und Speicherschaltungen 10 und 11 angeschlossen. Zur Vereinfachung ist angedeutet, daß die Abtast- und Speicherschaltung 10 einen Schalter S1 enthält, der durch ein vom Ausgang 6b der Steuerschaltung 6 geliefertes Steuersignal betätigt wird. Wenn der Schalter S1 geschlossen ist, verbindet er einen in Reihe mit einem Widerstand R1 liegenden Speicherkondensator CI mit dem Ausgang des Verstärkers 9» so daß sich der Speicherkondensator C1 auf eine Spannung auflädt, die von der Ausgangsspannung des Verstärkers 9 abhängt. Die Schaltungselemente RI₅, C1 bilden zusammen ein Integrierglied, das die Ausgangsspannung des Verstärkers 9 während der Schließzeit des Schalters S1 integriert. Wenn der Schalter S1 geöffnet wird, steht der auf dem Kondensator 01 gespeicherte Abtastwert bis zum nächsten Schließen des Schalters S1 am Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 10 zur Verfügung, Um zu verhindern, daß sich der Kondensator C1 nach dem Öffnen des Schalters S1 entladen kann, kann dem Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 10 in üblicher Weise ein Impedanzwandler nachgeschaltet sein; , dieser ist zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt.

In gleicher Weise enthält die Abtast- und Speicherschaltung 11 einen Schalter S2, der durch ein vom Ausgang 6c der Steuerschaltung 6 geliefertes Steuersignal geschlossen wird, sowie einen Speicherkondensator C2₉ der zusammen mit einem Widerstand R2 ein Integrierglied bildet, das die

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Ausgangsspannung des Verstärkers 9 während der Schließzeit des Schalters S2 integriert· Die nach dem Öffnen des Schalters S2 erreichte Ladespannung des Kondensators C2 steht bis zum nächsten Schließen des Schalters S2 am Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 11 zur Verfügung, dem ebenfalls ein nicht dargestellter Impedanzwandler nachgeschaltet sein kann.

Die Ausgänge der beiden Abtast- und Speicherschaltungen 10,

11 sind mit den beiden Eingängen einer Subtrahierschaltung

12 verbunden, die am Ausgang 13 ein Signal U liefert, das

.'. . a der Differenz der in den Abtast- und Speieherschaltungen 10, 11 gespeicherten Abtastwerte entspricht. Das Ausgangssignal U bildet das Meßwertsignal, das ein Maß für die mittlere Durchflußgeschindigke.it im Rohr 1 ist.

An den Ausgang des Verstärkers 9 ist außerdem der invertierende Eingang eines Operationsverstärkers 14 angeschlossen, dessen nichtinvertierender Eingang/ der als Bezugseingang dient, an Masse gelegt ist. An den Ausgang des Operationsverstärkers 14 ist eine weitere Abtast- und Speicherschaltung 15 angeschlossen, die einen Schalter S3, einen Speiche rkondensa tor C3 und einen Widerstand R3 enthält. Der Schalter S3 wird durch ein vom Ausgang 6d der Steuerschaltung β geliefertes Steuersignal betätigt. Der Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 15 ist mit dem zweiten Eingang der Summierschaltung 8 verbunden.

Die Diagramme A, B, C, D, E, F, G von Fig. 2 zeigen den zeitlichen Verlauf von Signalen, die an den mit den gleichen Buchstaben bezeichneten Schaltungspunkten von Fig. 1 auftreten.

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- ίο *

In Pig. 2 1st die Dauer Τ-, eines vollständigen Meßzyklus, die gleich einer Periode des von der Spule 2 erzeugten magnetischen Wechselfeldes ist, in sechs gleiche Zeitabschnitte I, II, III, IV, V, VI unterteilt, die in den

. ... > . · . . . . Zeitpunkten t^, tv, t , t_, t., t,- beginnen. Der Zeitabschnitt VI endet im Zeitpunkt tg, der mit dem Anfangszeitpunkt t₀' des nächsten Meßzyklus zusammenfällt. In entsprechender Weise sind die Zeitabschnitte dieses nächsten Jfeßzyklus mit I>, II», III», IV, V», VI' und ihre Endzeitpunkte mit t|^f, 'tp¹, ι,¹, "fc/¹» te¹, tg.' bezeichnet.

Die Diagramme A, B, C, D zeigen die von der Steuerschaltung 6 abgegebenen Steuersignale, die entweder den Signalwert 1 oder den Signalwert 0 annehmen. Bei den an die Schalter S1, S2, S3 angelegten Steuersignalen B, C, D bedeutet der Signalwert 1 das Schließen des Schalters, also die Abtastphase, und der Signalwert 0 das Öffnen des Schalters, also die Haltephase«

Das der Spulensteuerschaltung 5 zugeführte Steuersignal A hat während der Zeitabschnitte I₉ II, III den Signalwert 1 und während der Zeitabschnitte IV, V, VI den Signalwert 0. Die Spulensteuerschaltung 5 ist so ausgebildet, daß sie beim Signalwert 1 des Steuersignals einen Gleichstrom konstanter Größe in der einen Richtung und beim Signalwert 0 des Steuersignals einen Gleichstrom der gleichen Größe, jedoch entgegengesetzter Richtung durch die Magnetfeldspule 2 schickt. Die Spulensteuerschaltung 5 enthält einen Stromregler, der den Strom bei jeder Polarität auf den gleichen konstanten Wert +1 bzw. -I regelt. Der Verlauf des durch die Magnetfeldspule 2 fließenden Stroms ist im Diagramm E dargestellt. Infolge der Induktivität der Ma-" gnetfeidspule erreicht der Strom nach jeder Umschaltung den konstanten Wert I der entgegengesetzten Polarität nur mit einer gewissen Verzögerung«, Im Diagramm E ist an-

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- τι - .'· · ," ' .. ' " ,. '

genommen, daß bei der im Zeitpunkt t^ ausgelösten Umschaltung vom negativen zum positiven Wert der ge'regelte positive Wert +1 innerhalb des Zeitabschnitts I erreicht wird, so daß während der ganzen Dauer der Zeitabschnitte II und III der Stromwert +!„besteht.

In entsprechender Weise wird bei der im Zeitpunkt t~ ausgelösten Umschaltung vom positiven zum negativen Wert der konstante negative Wert -I innerhalb des Zeitabschnitts erreicht, so daß der Stromwert -I während der ganzen Dauer der Zeitabschnitte V und VI besteht.

Das Magnetfeld H zeigt den gleichen zeitlichen Verlauf wie der Strom I.

Der Schalter S1 der Abtast- und Speicherschaltung 10 wird durch das Steuersignal B in -jedem Meßzyklus für die Dauer des Zeitabschnitts ΪΙ geschlossen. Die Abtast- und Speicherschaltung 10 tastet somit die Ausgangsspannung des Verstärkers 9 im mittleren Drittel der positiven Teilperiode des Magnetfeldes H ab und speichert den über diesen Zeitabschnitt integrierten Abtastwert,

Der Schalter S2 der Abtast- und Speicherschaltung 11 wird durch das Steuersignal C in jedem Meßzyklus für die Dauer des Zeitabschnitts V geschlossen, so daß die Abtast- und Speicherschaltung 11 die Ausgangsspannung des Verstärkers im mittleren Drittel der negativen Teilperiode des Magnetfeldes H abtastet und den über diesen Zeitabschnitt integrierten Abtastwert speichert.

Der Schalter S3 der Abtast- und Speicherschaltung 15 wird durch das Steuersignal D in jedem Meßzyklus für die Dauer der Zeitabschnitte III und VI geschlossen, also unmittelbar im Anschluß an die durch das Schließen der Schalter S1 und

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S2 bestimmten Abtastzeitintervalle« Wenn der Schalter S3 geschlossen ist, besteht ein geschlossener Regelkreis vom Ausgang des Verstärkers 9 über den Operationsverstärker 14, die Abtast- und Speicherschaltung 15 und die Summierschaltung zum Eingang des Verstärkers 9. Dieser Regelkreis bringt die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 14, d. h. die Ausgangsspannung des Verstärkers 9, auf das am nicht.invertierenden Eingang anliegende Bezugspotential, also das Massepotential. Der Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 15 nimmt daher in jedem durch das Schließen des Schalters S3 bestimmten Kompensationszeitintervall, d. h. in jedem Zeitabschnitt III und VI jedes Meßzyklus, eine Kompensationsspannung U, an, die der am anderen Eingang der Summierschaltung 8 gleichzeitig anliegenden, vom⁰ Ausgang des Differenzverstärkers 7 gelieferten Signalspannung U-. entgegengesetzt gleich ist, so daß die Ausgangsspannung der Summierschaltung 8 und damit auch die Aus— . gangsspannung des Verstärkers 9 zu Null gemacht wird, Na<h dem Öffnen des Schalters S3» also in der Haltephase der Abtast- und Speicherschaltung 15, bleibt die Kompensationsspannung U, am. Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 15 bestehen, und diese gespeicherte Kompensationsspannung U, wird in der Summierschaltung 8 dauernd zu der jeweils anliegenden Signalspannung U_f addiert.

Das Diagramm P zeigt den zeitlichen Verlauf der Signalspannung U., am Ausgang des Differenzverstärkers 7. Sie enthält einen Meßspannungsanteil TL,, der von der Durchflußgeschwindigkeit im Rohr 1 und der Feldstärke des Magnetfeldes H abhängt. Die Meßspannung Ujj ist einer Störgleichspannung Ug überlagert, die ihre Ursache insbesondere in unterschiedlichen elektrochemischen Gleichgewichtspotentialen hat. Die Stb'rgleichspannung U_g ist zeitlich nicht konstant, sondern wächst an©und kann im Verlauf der Messung Werte erreichen, die das Tausendfache der Meßspannung U^ betragen

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können. Zur Vereinfachung der Darstellung und Beschreibung ist im Diagramm 3? angenommen, daß die Störgleichspannung U_g im Zeitpunkt t_n den Wert U_C/._A hat und linear ansteigt; der in jedem Zeitabschnitt erreichte Zuwachs der Störgleichspannung wird mit Δ U₃ bezeichnet.

Die Signalspannung IL, hat also beispielsweise im Zeitpunkt tp den Wert

^^Jf/t2 * ^US/t2 ⁺ %/t2 und im Zeitpunkt tj- den Wert

^üf/t5 ^{= U}S/t5 ^{+ U}M/t5* :

Die Kompensationsspannung U₁ hat in jedem Kompensationszeitintervall, also in den Zeitabschnitten III und VI jedes Meßzyklus, den gleichen Betrag wie die Signal spannung U.,, aber das entgegengesetzte Vorzeichen, und sie behält den Wert, den sie am Ende jedes Kompensationszeitintervalls, d. h. in den Zeitpunkten t~ und tg erreicht hat, bis zum Beginn des nächsten Kompensationsseitintervalls bei.

Das Diagramm G zeigt die Spannung U am Ausgang der Summierschaltung 8:

U₀₁ = U- + U. .

Die Ausgangsspannung des Verstärkers 9 unterscheidet sich von der Spannung U nur durch den Verstärkungsfaktor ν; sie hat also den gleichen zeitlichen Verlauf, jedoch den Wert v. U . .. ·. /,,·:.. \\- " :'' " :'' :'.'' -." _::'.C---\^ ' : "' .' ' :. '

Infolge der zuvor geschilderten Kompensationswirkung der Regelschleife hat die Spannung U im Zeitabschnitt III den Wert Null. Im Zeitpunktt^ hat die Kompensationsspannung U_fc den folgenden Wert erreicht:

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^Uk/t3 ^a ~^Uf/t3 = "^(us/t3. ^{+ U}M/t3⁵

Im Zeitpunkt t~ erfolgt die Umpolung des Magnetfeldes, so daß die Meßspannung U« schnell auf den dem negativen Magnetfeld entsprechenden Wert geht. Dagegen wird die Störgleichspannung U_g von der Umpolung des Magnetfeldes nicht beeinflußt. Der im Zeitpunkt t_ erreichte Wert U_g,.^ der Störspannung wird durch den in der gespeicherten Kompensationsspannung U. enthaltenen StorSpannungsanteil -U_gy.« während der Zeitabschnitte IV und V zu Hull kompensiert. In der Ausgangsspannung U der Summierschaltung 8 erscheint nur der

· · g ' -'·.';

gespeicherte Meßspannungsanteil ~U_M/., der Kompensationsspannung, der nunmehr das gleiche Vorzeichen wie der Meßspannungsanteil -Ujyj in der Signal spannung U_f hat und zu diesem addiert wird* Dieser Summenspannung überlagert sich der nicht kompensierte Teil der Störspannung, also ein Störspannungsteil, der im Zeitpunkt t- den Wert Null hat und von diesem Wert linear in positiver Richtung ansteigt.

Somit hat die Spannung U im Zeitpunkt ΐ_ς den folgenden

^Ug/t5 ^{= U}f/t5 ^{+ U}k7t3

= ^(üS/t5 - Vt₅^- ^(US/t3 ^{+ IJ}M/t3⁾

^{= (U}S/t5 " ^US/t3⁾ ~ ^(UM/t3 ^{+ U}M/t5⁾

Das Glied (U0/+5 '" ^us/t3^ entspricht dem Zuwachs der Störgleichspannung während der Zeitabschnitte IV und V, hat also bei dem zuvor angenommenen linearen Anstieg den Y/ert

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' ' ' ' ' - ·"'· . .,;. ··.' .·:. ' -¹^- .·' . . -; ' :. . '. .· '· ' .' '..

Das Glied (U^/.-+ ^/+5) ist die Summe der Meßspannungen in den Zeitpunkten t» und t„. Die Ausgangs spannung v.U des Verstärkers 9, die im Zeitabschnitt V durch die Abtast- und Speicherschaltung 11 zur Gewinnung des integrierten Abtastwerts U₁^ abgetastet wird, enthält also die Summe von zwei Meßspannungswerten, von denen der eine Meßspannungswert im Zeitabschnitt III während der vorhergehenden positiven Teilperiode des Magnetfeldes H in der Abtast- und Speicherschaltung 15 gewonnen und gespeichert wurde, während der zweite Meßspannungswert in der Signalspannung U- im Zeitabschnitt ν der laufenden negativen Teilperiode des Magnetfeldes enthalten ist.

Wenn angenommen wird, daß die Durchflußgeschwindigkeit im Rohr 1 während der Dauer des Meßzyklus konstant bleibt, sind die beiden Meß spannungswerte %*.- und U-.,.,- gleich groß, so daß gesetzt werden kann:

^UM/t3 ⁼ Vt5 = U_r Dann gilt für die Spannung U im Zeitpunkt tj. ,

V« ^{= 2to}s-² ν /'.';.-.'

Im Zeitabschnitt VI wird die Spannung U wieder auf Hull gebracht. Im Zeitpunkt tg hat die Kompensationsspannung U, den folgenden Wert angenommen:

^Uk/t6^s ~^Uf/t6 - "^(US/t6 ~ ?M/t6.V

Pur die Spannung U_ im Zeitpunkt t_o ^f gilt dann:

.. "' S .. '. d .. - ; . . . ' .

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^Ug/t2» ^{= U}f/t2» ^{+ U}k/t6

^{B U}S/t2' ⁺. ^UM/t2» " ^(US/t6 ^(US/t2* - ^US/t6^{) + (U}M/t6

Die entsprechende verstärkte Ausgangsspannung des Verstärkers 9 wird im Zeitabschnitt II' durch die Abtast- und Speicherschaltung 10 zur Gewinnung des integrierten Abtastwertes U₁₀ abgetastet. Sie enthält wieder zwei Meßspannungswerte, nämlich den im Zeitabschnitt VI des vorhergehenden Meßzyklus in der Abtast- und Speicherschaltung 15 gewonnenen und gespeicherten Wert und den im Zeitabschnitt II♦ in der Signalspannung U_f enthaltenen Wert.

Unter den zuvor angenommenen Bedingungen gilt wieder:

^+2UM·

Setzt man zur Vereinfachung die in den Abtast- und Speicherschaltungen 10 und 11 gespeicherten integrierten Abtastwerte U₁₀ und U₁₁ gleich den zuvor betrachteten Augenblickswerten nach Verstärkung im Verstärker 9» so kann man schreiben:

^U1O * ^v <²

= ν (2 AU₃ -2 U_M).

Hach der Differenzbildung in der Subtrahierschaltung 12 erhält man die Ausgangsspannung

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.₁₇.

^Ua ^{a U}1O * ^U11 ^{Ä v (2} *^US ^{+ 2} V -> ⁽²>^US - ²V

In der Ausgangsspannung U ist also außer der absoluten Störgleichspannung auch die Störspannungsdrift vollkommen beseitigt, wenn sie als linear angenommen wird* Das Uutzsignal entspricht dem vierfachen Wert der Meßspannung.

Ferner ist zu erkennen, daß die im Ausgangssignal enthaltenen Meßspannungen durch Integration in den vier Zeitabschnitten III, V, VI und II^f erhalten worden sind. Dies entspricht einer Signalbeobachtung über zwei Drittel der Zeit, also praktisch der ganzen Zeit, in der das Magnetfeld als konstant angesehen werden kann. Lediglich die durch die Umpolung bedingten Zeiten der Magnetfeldänderung sind von der Signalbeobachtung ausgeschlossen.

Weiterhin ist zu erkennen, daß die absolute Störgleichspannung vom Verstärker 9 ferngehalten ist, der außer der Meßspannung nur die verhältnismäßig kleine Störspannungsänderung zwischen zwei Kompensationszeitintervallen zu verarbeiten braucht. Der Verstärker 9 kann daher mit großem Verstärkungsfaktor ausgebildet werden, ohne daß die Gefahr einer Übersteuerung besteht.

Die geschilderten vorteilhaften Wirkungen beruhen darauf, daß jedes Kompensationszeitintervall vollständig innerhalb der Zeitdauer liegt, in der das Magnetfeld eingeschaltet ist und seinen konstanten Wert hat, und in der auch das vorhergehende Abtastzeitintervall liegt. Als Folge dieser Maßnahme enthält die gespeicherte Kompensationsspannung außer der zu kompensierenden Störgleichspannung auch einen MeßSpannungsanteil, der im nächsten Abtastzeitintervall zur

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- .18 -' .' ' ' . '. . ' ' ' , " '

Gewinnung des Uutzsignals mit verwertet wird. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß für die Kompensation keine Magnetfeldpausen benötigt werden, in der das Magnetfeld ÜTull ist ;_k es eignet sich daher insbesondere in Verbindung mit einer einfachen Umpolung des Magnetfeldes zwischen zwei entgegengesetzten Werten. Das Verfahren ist jedoch nicht auf diesen Pail beschränkt; es kann ohne weiteres* auch dann angewendet werden, wenn aus anderen Gründen Magnetfeldpausen vorgesehen sind.

Die zuvor beschriebene Aufteilung jeder Halbperiode in drei gleiche Zeitabschnitte, von denen einer das Abtastzeitintervall und ein weiterer das Kompensationszeitintervall bilden, ist .natürlich nur als Beispiel anzusehen· Je nach dem zeitlichen Verlauf des Magnetfeldes kann auch eine andere Aufteilung vorgesehen werden. Es ist auch nicht erforderlich, daß sich das Abtastzeitintervall und das Kompensationszeitintervall lückenlos aneinanderschließen. In der Regel wird man aber bestrebt sein, die verfügbare Zeit, in der das Magnetfeld seinen konstanten Wert hat, möglichst vollständig zur Signalbeobachtung auszunutzen.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wird der Schalter S1 jeweils im Zeitabschnitt II jedes Meßzyklus geschlossen, in welchem der Strom in der Magnetfeldspule 2 den konstanten positiven Wert +1 hat. Wenn angenommen wird/ daß sich die Störgleichspannung nicht ändert und auch die Durchflußgeschwindigkeit konstant bleibt, hat auch die Spannung U in jedem Zeitabschnitt II den gleichen konstanten Wert. Für die Abtast- und Speicherschaltung 10 wirkt sich dies so aus, als ob am Eingang eine konstante Gleichspannung anläge, die jeweils durch das Schließen des Schalters S1 abgetastet würde. Wenn sich die Durchflußgeschwindigkeit ändert, äußert sich dies für die Abtast- und Speicherschaltung 10 wie eine zeitliche Änderung der scheinbar

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am Eingang anliegenden Gleichspannung.

Das gleiche gilt für die Abtast- und Speicherschaltung 11, mit dem Unterschied, daß die scheinbar anliegende und im Zeitabschnitt V jedes Meßzyklus durch Schließen des Schalters S2 abgetastete Gleichspannung einen anderen Wert hat.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie sich dieser Sachverhalt auf die Bildung der gespeicherten Abtastwerte in der Abtast- und Speicherschaltung 10 bei schnellen Durchflußänderungen auswirkt.'· _; '. ' .. ;.. : .' "/ .· '. ... " · ; ' ' -

' . '. 'S.·'

Das Diagramm V von Fig. 3 zeigt die Durchflußgeschwindigkeit V im Rohr 1. Es ist der Fall dargestellt, daß die Strömung im Zeitpunkt t_Q plötzlich eingeschaltet wird, so daß die Durchflußgeschwindigkeit V sehr schnell 'vom .Wert Null auf einen konstanten Wert V_Q geht.

Das Diagramm G von Fig. 3 zeigt für die vier ersten, auf den Zeitpunkt t_Q folgenden Meßzyklen T_M1' T_M2» ^TM3* ^TM4 entsprechend dem Diagramm G von Fig* 2 die Ausgangsspannung ν.U des Verstärkers 9, die auch die Eingangsspannung der

g ... .·. '. . . . . Abtast- und Speicherschaltung 10 ist. Es sind nur die positiven Spannungsimpulse dargestellt, da nur diese von der Abtast- und Speicherschaltung 10 verwertet werden. Ferner ist die Spannung ν.ΙΓ für den vereinfachten Fall dargestellt, daß sich die Störgleichspannung nicht ändert und daß die Durchflußgeschwindigkeit im Rohr 1 nach dem Erreichen des Wertes Y_Q konstant bleibt. Die positiven Spannungsimpulse der Spannung v.U erreichen daher in den aufeinanderfolgenden Meßzyklen jeweils den gleichen Amplitudenwert v.U Q, der der Druchflußgeschwindigkeit V_Q entspricht und während der ganzen Dauer des Abtastzeitabgchnitts II in jedem Meßzyklus konstant ist.

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0O 7 0 Π 1 59 808 / 13

JJ / f U. I _ ₂₀ -.

In den vor dem Zeitpunkt t_Q liegenden Meßzyklen hatte dagegen die Spannung v.U stets den Wert UuIl.

Das Diagramm B von Fig. 3 entspricht dem Diagramm B von Fig, 2, Es zeigt das Steuersignal B, das vom Ausgang 6b der Steuerschaltung 6 abgegeben wird und den Schalter S1 tfährend der Dauer des Zeitabschnitts II in jedem Meßzyklus Tj, schließt. Das Steuersignal B bestimmt also die Abtastzeitintervalle der Abtast- und Speicherschaltung 10,

Da während jedes Abtastzeitintervalls nach dem Zeitpunkt t_Q die gleiche konstante Spannung am Eingang der Abtast- und Speicherschaltung 10 anliegt, verhält sich diese so, als ob ihre Eingangsspannung eine konstante Gleichspannung v,U Q wäre, die gleich dem Amplitudenwert der positiven Spannungsimpulse der Spannung v.U ist, wie im Diagramm G von Fig, 3 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.

Das Diagramm H von Fig. 3 zeigt die Spannung U₀ an den Klemmen des Kondensators 01 in der Abtast- und Speicherschaltung 10, Im Zeitpunkt t_Q hat die Spannung U den Wert Null»

Beim ersten Schließen des Schalters S1 im Zeitabschnitt II des Meßzyklus T_M1 steigt die Spannung U entsprechend der Zeitkonstante des RC-Glieds Ri, 01 annähernd linear an. In Wirklichkeit erfolgt der Spannungsanstieg in bekannter Weise nach einer Exponentialfunktion.

Wenn der Schalter S1 am Ende des Zeitabschnitts II des Meßzyklus T_M1 geöffnet wird, behält die Spannung U den zuletzt erreichten Wert unverändert bei, bis der Schalter S1 am Anfang des Zeitabschnitts II im nächsten Meßzyklus T_MO wieder geschlossen wird. Dann steigt die Spannung U erneut an, nunmehr jedoch mit einer etwas geringeren Steigung entsprechend dem nächsten Abschnitt der Exponentialfunktion.

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- 21. - ; ·: ' ' λ-;; ·; . .

Der gleiche Vorgang wiederholt sich in den folgenden Meßzyklen, bis schließlich die Spannung U den vollen Wert ^: · . . . . c .. . der Gleichspannungsamplitude v.U _Q erreicht hat» Zur Vereinfachung ist in Pig. 3 angenommen, daß dieser Zustand bereits im vierten Meßzyklus T.., erreicht ist. Von diesem Zeitpunkt an ändert sich die Klemmenspannung U des Kondensators 01 nicht mehr, wenn die Amplitude der positiven Impulse der Spannung v.U unverändert bleibt.

Das Diagramm J von Pig. 3 zeigt die Ausgangsspannung U₁Q der Abtast- und Speicherschaltung 10. Jedesmal, wenn der Schalter S1 geschlossen ist, besteht eine direkte Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang, so daß die Eingangsspannung unverändert am Ausgang erscheint. Dies ergibt sich daraus, daß der Widerstand R1 nicht im Längszweig, sondern im Querzweig in Reihe mit dem Kondensator 01 angeordnet ist.

Wenn der Schalter SI geöffnet ist, liegt am Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung die volle Klemmenspannung U des Kondensators C1 an. Wie bereits erwähnt wurde* ist

c . . . . . ' . . .; . - . . . ' dem Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 10 in der üblichen Weise ein nicht dargestellter hochohmiger Impedanzwandler nachgeschaltet, der verhindert, daß sich der Kondensator C1 in den Pausen zwischen den Abtastzeitintervallen entlädt. Da somit in den Äbtastpausen kein Strom über den Widerstand R1 fließt, besteht auch kein Spannungsabfall an diesem Widerstand, so daß die auf dem Kondensator C1 gespeicherte Spannung voll am Ausgang erscheint und bis zum nächsten Abtastzeitintervall unverändert bleibt.

Die gleiche Punktionsweise ergibt sich auch für die Abtast- und Speicherschaltung 11 bei den negativen Spannungsimpuleen der Spannung v,U .

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- 22 -' ' - ' ' ' . · ' . ^: ·.. " '

Wie das Diagramm J von Pig. 3 zeigt, folgt die Ausgangsspannung jeder Abtast- und Speicherschaltung einer schnellen Änderung der Durchflußgeschwindigke.it nur mit einer beträchtlichen Verzögerung, die sich über mehrere Meßzyklen erstreckt. Entsprechende Verzögerungen entstehen natürlich auch dann, wenn eine bereits bestehende Durchflußgeschwindigkeit plötzlich vergrößert oder verringert wird. Die durch die Verzögerung bedingten langen Anstiegs- oder Abfallzeiten bis zum Erreichen des stationären Betriebszustands sind in vielen Anwendungsfällen sehr unerwünscht oder sogar unzulässig, insbesondere bei Steuer- und Regelvorgängen in der Verfahrenstechnik.

In Pig. 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Anordnung von Pig. 1 dargestellt, bei der die lange Anstiegszeit beseitigt ist.

Die Anordnung von Pig. 4 unterscheidet sich von derjenigen von Pig. 1 nur dadurch, daß in jeder Abtast- und Speicherschaltung 10, 11 parallel zu dem Widerstand R1 bzw. R2 ein Schalter S4 bzw. S5 geschaltet ist. Der Schalter S4 wird durch ein Steuersignal K gesteuert, das von der Steuerschaltung 6 an einem weiteren Ausgang 6e abgegeben wird, und der Schalter S5wird durch ein Steuersignal L gesteuert, das von einem Ausgang 6f der Steuerschaltung 6 kommt.

Perner ist der Widerstand R3 in der Abtast- und Speicherschaltung 15 fortgelassen.

Die übrigen Bestandteile der Anordnung von Pig, 4 sind gegenüber der Anordnung von Pig. 1 unverändert; sie sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Pig. 1 bezeichnet.

Die Punktionsweise der Anordnung von Pig. 4 wird anhand der Diagramme K, M und N von Fig. 3 für die Abtast- und

Ο O Ο 7 On I ' 29. 1. 1982

CO 3 Il 0 I 59 808 /13

Speicherschaltung 10 beschrieben.

Das Diagramm K von Pig. 3 zeigt das Steuersignal K, das den Schalter S4 betätigt. Es besteht aus kurzen Impulsen, die gleichzeitig mit den Impulsen des Steuersignals B beginnen, aber eine kürzere Dauer als diese haben. Der Schalter S4 wird somit gleichzeitig mit dem Schalter S1 geschlossen, wird aber kurz danach wieder geöffnet, während der Schalter S1 noch geschlossen bleibt.

Durch das Schließen des Schaltete S4 wird der Widerstand R1 kurzgeschlossen, so daß die volle Eingangsspannung am Kondensator C1 anliegt. Die Abtast- und Speicherschaltung 10 arbeitet in diesem Zustand wie ein echter Momentanwertspeicher ("sample & hold"), der den Augenblickswert einer angelegten Spannung abtastet und speichert.

Die Diagramme M und IT von Fig. 3 zeigen, wie sich diese Maßnahme auf die Klemmenspannung U des Kondensators Cf und auf die Ausgangsspannung U₁₀ der Abtast- und Speicherschaltung 10 bei einer schnellen Durchflußänderung auswirkt. Wenn die Schalter S1 und S4 am Beginn des Zeitabschnitts II im Meßzyklus T_M1 geschlossen werden, lädt sich der Kondensator C1 sofort auf die volle Eingangsspannung auf. Er behält diese Spannung nach dem Öffnen des Schalters S4 bei, wenn sich die Eingangsspannung während der restlichen Schließzeit des Schalters S1 nicht ändert.

Die Ausgangsspannung U₁Q ist, wie zuvor, während der Schließzeit des Schalters SI gleich der Eingangsspannung und nach dem Öffnen des Schalters Sf gleich der Kondensatorspannung U . Da die Kondensatorspannung U jetzt aber vom ersten Meßzyklus an gleich der vollen Eingangsspannung ist, bleibt diese Spannung auch nach dem Öffnen des Schalters S1 am Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 10

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bestehen. Der stationäre Betriebszustand stellt sich also bereits im ersten Meßzyklus nach der Durchflußänderung ein» Die Schaltung von Pig, 4 zeigt somit schnelle Änderungen der Durchflußgeschwindigkeit mit sehr geringer Verzögerung an. .·.· ." ' . ';' .'. ..; ;. . · ;

Anhand der Diagramme von Pig, 5 soll erläutert werden, wie sich die Überlagerung einer Störwechselspannung auf die Abtastung der Meßspannung bei der Anordnung von Pig, 4 auswirkt. Solche Störwechselspannungen werden insbesondere durch vagabundierende Ströme erzeugt, die vom allgemeinen Wechselstromnetz stammen. Sie haben daher die TJetzfrequenz, jedoch eine beliebige Phasenlage.

Das Diagramm P von Pig. 5 zeigt eine solche Störwechselspannung U im Verlauf der beiden ersten Zeitabschnitte I und II eines Meßzyklus für zwei verschiedene Fälle, nämlich in der linken Hälfte des Diagramms für den Pail, daß die Störwechselspannung LT eine Phasenverschiebung von in bezug auf den Anfangszeitpunkt t_Q des Meßzyklus hat, und in der rechten Hälfte für den Pail, daß die Phasenverschiebung 180 ° beträgt. Es sind natürlich beliebige andere Phasenverschiebungen möglich. Als Beispiel ist angenommen, daß die Dauer jedes Zeitabschnitts gleich einer Periode der Störwechselspannung U ist, bei einem 50 Hz-ITetz also 20 ms beträgt.

Wie in Pig, 3 stellt das Diagramm 8 von Pig. 5 das den Schalter S1 betätigende Steuersignal Und das Diagramm K das den Schalter S4 betätigende Steuersignal dar.

Das Diagramm Q zeigt die Veränderung der Spannung v,U_ infolge der Überlagerung der Störwechselspannung U_w f ür die beiden Fälle, wobei wieder zur Vereinfachung die lineare Änderung der Störgleichspannung nicht berück-

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sichtigt ist.

Das Diagramm R zeigt die Änderung der Klemmenspannung U des Kondensators C1 im Verlauf des AbtästzeitintervallS;, das durch die Schließzeit d«s Schalters S1 (Zeitintervall II) bestimmt ist.

Beim Schließen der beiden Schalter S1 und S4 im Zeitpunkt t^ geht die Kondensatorspannung IT sofort auf den Augenblickswert der Eingangsspannung v.U , und zwar sowohl im ersten Meßzyklus, wenn die Kondensatorspannung vorher Hull war, als auch im stationären Betrieb, wenn auf dem Kondensator C 1 eine Spannung vom vorhergehenden Abtastvorgang gespeichert ist, wie in Fig. 5 dargestellt ist.

Während der Schließzeit des Schalters S4 (Dauer des Impulses K) folgt die Kondensatorspannung U verzögerungs-

¹C . '.''.

frei der Eingangsspannung v.U . In diesem Zeitintervall

g ' . . . erfolgt eine reine Momentanwertabtastung nach dem "sample

& hold"-Prinzip.

Nach dem Öffnen des Schalters S4 folgt dagegen in der ^: restlichen Schließzeit des Schalters S1 die Kondensatorspannung U der Eingangsspannung v.U_ nur noch mit einer durch das RC-Glied R1, C1 bedingten Glättung der durch die überlagerte Störwechselspannung verursachten Schwankungen. Die Amplitude der Schwankungen wird dadurch wesentlich verringert.

Der im Zeitpunkt des Öffnens des Schalters Si erreichte Wert der Kondensatorspannung U bleibt bis zum nächsten

Q . . -....-

Abtastvorgang auf dem Kondensator C1 gespeichert und steht am Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 10 als Ausgangsspannung U₁₀ zur Verfügung. Diese gespeicherte Kon-

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• ' :. . .-... · ' : ,- .26 - ," .·.' ", :: .. ' . . - . . : ν

densatorspannung enthält;außer, der abgetasteten Meßspannung einen Störwechselspannungsrest AU ,der außer von der Amplitude der Störwechselspannung auch von deren Phasenlage in bezug auf das Abtastzeitintervall abhängt. Die beiden Kurven des Diagramms R zeigen, daß unter sonst gleichen Bedingungen die Störwechselspannungsreste AU bei den beiden angenommenen Phasenlagen von O und 180 verschieden sind·

Infolge der durch das RC-Glied bewirkten'Glättung ist aber der Störwechselspannungsrest Δυ auch im ungünstigsten

.. w . .. -

Fall wesentlich kleiner als die Amplitude der überlagerten St b'rwe chsei spannung.

Der Störwechselspannungsrest beeinträchtigt die Meßgenauigkeit nicht, wenn dafür gesorgt wird, daß auch bei der Abtastung der negativen Spannungsimpulse in der Abtast- und Speicherschaltung 11 ein Störwechselspannungsrest gleicher Größe mit dem gleichen Vorzeichen erhalten wird. Dann heben sich die Störwechselspannungsreste bei der Differenzbildung in der Subtrahier schaltung 12 .'gegenseitig auf ,

Diese Bedingung ist offensichtlich erfüllt, wenn die Abtastzeitintervalle (Schließzeiten der Schalter S1, S4 und der Schalter S2, S5) in den beiden Abtast- und Speicherschaltungen 10 und 11 gleich groß sind, und wenn die Störwechsel spannung die gleiche Phasenlage in bezug auf diese Abtastzeitintervalle hat.

Durch die Differenzbildung werden auch Störwechselspannungsanteile beseitigt, die in der Kompensationsspannung enthalten sind, die in der Abtast- und Speicherschaltung 15 (Fig.1 und 4) des Kompensationskreises gebildet und gespeichert wird, wenn wiederum dafür gesorgt wird, daß die Störwechselspannungsanteile in den aufeinanderfolgenden Kompensationszeitintervallen·'in gleicher Größe und mit

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gleichem Vorzeichen auftreten. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die aufeinanderfolgenden Kompensationszeitintervalle (Schließzeiten des Schalters S3) gleich groß sind und die gleiche Phasenlage in bezug auf die Störwechselspannung haben. Ferner müssen natürlich wie zuvor die Zeitabstände zwischen jedem Kompensationszeitintervall und dem nächsten Abtastzeitintervall gleich groß sein. Dagegen ist es nicht erforderlich, daß die Dauer der Kompensationszeitintervalle gleich der Dauer der Abtastzeitintervalle ist.

Die Abtast- und Speicherschaltung 15 im Kompensationskreis (Fig. 1 und 4) kann grundsätzlich in gleicher Weise wie die Abtast- und Speicherschaltungen 10 und 11 ausgeführt sein; sie könnte also im Fall von Fig. 4 ebenfalls mit einem zusätzlichen Schalter ausgestattet sein, der den Widerstand R3 im ersten Teil jedes Kompensationszeitintervalls überbrückt. Es ist jedoch einfacher, den Widerstand R3 ganz fortzulassen, wie in Fig. 4 dargestellt ist, so daß die Abtast- und Speicherschaltung 15 während des ganzen KompensationszeitIntervalls als reiner Momentanwertspeieher ("sample & hold") betrieben wird. Diese Ausbildung eignet sich besonders für den Fall, daß das Kompensationszeitintervall sehr kurz ist, wie später anhand von Fig. 6 erläutert wird.

Zur Erzielung der gleichen Phasenlage genügt es, den Beginn jedes Abtastzeitintervalls und jedes Kompensationszeitintervalls in eine vorbestimmte Phasenbeziehung zur Netzwechselspannung zu bringen, beispielsweise den Abtastvorgang jeweils bei einem Nulldurchgang der Netzwechselspannung auszulösen. Zwar ist die Phasenlage der durch vagabundierende Ströme erzeugten Störwechselspannung in bezug auf die \ Netzwechselspannung beliebig und nicht vorhersehbar; es kann aber davon ausgegangen werden, daß diese Phasenlage über längere Zeiträume konstant bleibt.

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Wegen der nicht vorhersehbaren Phasenlage der Störwechsel— spannung ist es dagegen nicht möglich, den Störwechsel-.. Spannungsrest durch eine bestimmte Bemessung der Dauer der Abtastvorgänge mit Sicherheit zu beseitigen. Selbst wenn das Abtastzeitintervall gleich der Periode der Störwechsel spannung oder gleich einem Vielfachen dieser Periode gewählt wird, kann bei ungünstiger Phasenlage der Stör- · wechselSpannungsrest sein Maxiraum erreichen, ;

Die zuvor geschilderte Beseitigung des Störwechselspannungsrestes durch die Differenzbildung gibt daher eine völlige Freiheit in der Wahl der Abtastzelten, vorausgesetzt, daß die zuvor angegebenen Bedingungen gleicher Dauer und gleicher Phasenlage in bezug auf die Netzwechselspannung eingehalten sind.

Als Beispiel sind in Pig. 6 in entsprechender Weise wie in Pig. 2 die Signaldiagramme für ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Frequenz der Peldumpolung in der Magnetfeldspule 2 gleich der halben Frequenz der Störwechselspannung ist, so daß jeweils ein Abtastzeitintervall und ein Kompensationszeitintervall in einer Periode der Störwechselspannung liegt.

Die Diagramme A, B, C, D, E von Pig. 6 zeigen wie die entsprechenden Diagramme von Fig. 2 die verschiedenen Steuersignale, die von der Steuerschaltung 6 abgegeben werden, sowie den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms I.

Das Diagramm,P stellt, wie in Fig. 5, die Störwechselspannung U mit einer beliebigen Phasenlage dar.

Um die vielfältigen Möglichkeiten der beschriebenen Maßnahmen zu zeigen, sind ferner die Abtastzeitintervalle (Diagramme B und C) wesentlich langer als die Kompensationszeitintervalle (Diagramm D). Man nutzt dadurch die größt-

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mögliche Zeit für die Signalabtastung aus,

,Es sind jedoch die folgenden Bedingungen eingehalten:

1. Die Dauer der Abtastzeitintervalle in der Abtast- und Speicherschaltung 10 (Diagramm B) ist gleich der Dauer der Abtastzeitintervalle in der Abtast- und Speieherschaltung 11 (Diagramm C),

2# Alle Abtastzeitintervalle (Diagramme B und C) haben die gleiche Phasenlage in bezug auf die Störwechselspannung (Diagramm P),

3» Alle Kompensationszeitintervalle (Diagramm D) haben die gleiche Dauer.

4. Alle Kompensationszeitintervalle haben die gleiche Phasenlage in bezug auf die Störwechselspannung,

5. Die Zeitabstände zwischen jedem Kompensationszeitintervall und dem nächsten Abtastzeitintervall sind gleich groß.

Dagegen besteht kein definierter Zusammenhang zwischen der Dauer der Abtastzeitintervalle bzw. der Kompensationszeitintervalle und der Periode der Störwechselspannung.

Die Steuersignale für die Betätigung der Schalter S4 und S5 sind in Pig, 6 zur Vereinfachung nicht dargestellt; sie liegen natürlich -wieder jeweils im Anfangsteil der Steuersignale B bzw. C.

Claims

29. 1. 1982 372 0 1 .jo. "59808Z13 Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Kompensation der Störgleichspannungen im Elektrodenkreis bei der magnetisch-induktiven Durchflußmessung mit periodisch umgepoltem magnetischem Gleichfeld, bei welchem das Hutζsignal dadurch Erhalten wird, daß die Signalspannung nach jeder Umpolung des Magnetfeldes jeweils bei gegenpoligen Werten des Magnetfeldes während eines Abtastzeitintervalls abgetastet und gespeichert wird und die Differenz der gespeicherten Abtastwerte gebildet wird, und bei welchem in einem auf jedes Abtastzeitintervall folgenden Kompensationszeitintervall durch Abtastung und Speicherung der Signalspannung eine der Signalspannung entgegengesetzt überlagerte Kompensationsspannung erzeugt wird, welche die Signalspannung innerhalb des Kompensationszeitintervalls auf den Wert Null kompensiert und bis zum nächsten Kompensationszeitintervall beibehalten wird, gekennzeichnet dadurch, daß jedes Kompensationszeitintervall innerhalb des dem eingeschalteten Magnetfeld entsprechenden Zeitintervalls liegt, in dem auch das vorhergehende Abtastzeitintervall liegt.

2* Verfahren nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß sich das Kompensationszeitintervall unmittelbar an das Abtastzeitintervall anschließt.

^; · . ' "* 3'"·. ..·. . . '.· . · .

3· Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Abtastzeitintervall und das Kompensationszeitintervall zusammen im wesentlichen den ganzen Zeitraum überdecken, in welchem das Magnetfeld seinen konstanten Wert hat.

4. Verfahren nach den Punkten 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Abtastzeitintervall und das Kompensationszeitintervall gleich groß sind.

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5. Verfahren nach den Punkten 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Abtastzeitintervall größer als das Kompensationszeitintervall ist.

6. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß alle Abtastzeitintervalle die gleiche Dauer haben und der Beginn jedes Abtastzeitintervalls in einer für alle Abtastintervalle gleichen starren Phasenbeziehung zu einer Störwechselspannung steht.

7 j Π 1 29. 1. 1982

AO/. CKJ I -32- 59808/13

Integration erfolgt und die abgetastete Signalspannung nur im restlichen Teil des Abtastzeitintervalls an das integrierende Speicherglied angelegt wird,

7. Verfahren nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Dauer jedes Abtastzeitintervalls von der Periode der Störwechselspannung oder einem Vielfachen dieser Periode verschieden ist.

8. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß alle Kompensationszeitintervalle die gleiche Dauer haben und daß der Beginn jedes Kompensationszeitintervalls in einer für alle Kompensationszeitintervalle gleichen starren Phasenbeziehung zu einer Störwechselspannung steht.

9. Verfahren nach Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Dauer jedes Kompensationszeitintervalls von einer Periode der Störwechselspannung oder einem Vielfachen dieser Periode verschieden ist.

10. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die abgetastete Signalspannung in jedem Abtastzeitintervall zur Bildung des gespeicherten Abtastwertes an ein integrierendes Speicherglied angelegt wird.

11. Verfahren nach Punkt 10, gekennzeichnet dadurch, daß am Beginn jedes Abtastzeitintervalls kurzzeitig eine Momentanwertabtastung und -speicherung der Signalspannung ohne

12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 11 für die induktive Durchflußmessung einer in einer Rohrleitung fließenden elektrisch leitenden Flüssigkeit, mit einem Magnetfeiderzeuger, der ein die Rohrleitung senkrecht zur Strömungsrichtung durchsetzendes, periodisch umgepoltes Magnetfeld erzeugt, zwei in der Rohrleitung angeordneten Elektroden, die mit den Eingängen eines Meßverstärkers verbunden sind, Abtast- und Speicherschaltungen, die an den Ausgang des Meßverstärkers angeschlossen sind und von einer Steueranordnung so gesteuert werden, daß sie die Ausgangsspannung des Meßverstärkers bei einander gleichen Induktionswerten entgegengesetzten Vorzeichens abtasten und die Abtastwerte bis zur nächsten Abtastung speichern, einer Schaltung zur Bildung der Differenz der gespeicherten Abtastwerte und mit einer in einem Regelkreis zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Meßverstärkers angeordneten speichernden Regelschaltung, die in jedem Kompensationszeitintervall mit dem Ausgang des Meßverstärkers verbunden wird, einen die Ausgangsspannung des Meßverstärkers auf den Wert UuIl regelnden Kompensationsspannungswert bildet und diesen Kompensationsspannungswert bis zum nächsten Kompensationszeitintervall aufrechterhält, gekennzeichnet dadurch, daß jede Abtast- und Speicherschaltung (10, 11) ein integrierendes R0-^! Glied (R1, 01; R2, 02) enthält, an das die Signal spannung Über einen für die Dauer der zugeordneten Abtastzeitintervalle geschlossenen Schalter (S1, S2) angelegt wird, und daß dem Widerstand (R1, R2) jedes RC-Gliedes (RI,¹ 01; R2, 02) ein Schalter (S4, S5) parallelgeschaltet ist, der am Beginn jedes der zugeordneten Abtastzeitintervalle kurzzeitig geschlossen wird.

Hierzu 6 Seiten Zeichnungen.