DE102004057680A1

DE102004057680A1 - Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Magnetisch Induktiven Durchflussmessaufnehmers

Info

Publication number: DE102004057680A1
Application number: DE102004057680A
Authority: DE
Inventors: Thomas Budmiger; Peter Tschabold
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-01
Also published as: US20080250866A1; RU2350914C1; CN101111746A; EP1817553A1; WO2006058862A1

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines magnetisch induktiven Durchflussmessaufnehmers mit einem Messrohr (1) und einem Magnetfeld-Generator, der mindestens zwei Spulen (3, 5, 71, 73) aufweist, die im Messbetrieb dazu dienen, ein das Messrohr (1) durchsetzendes Magnetfeld zu erzeugen, beschrieben, das eine gezielte Überwachung der Magnetfelderzeugung erlaubt, bei dem die Spulen (3, 5, 71, 73) zusätzlich zur Funktionsüberwachung dienen, wobei bei der Funktionsüberwachung mindestens eine der Spulen (3, 5, 71, 73) als Erzeuger dient, welcher ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld erzeugt, das mindestens eine andere Spule (3, 5, 71, 73) durchsetzt, mindestens eine dieser anderen Spulen (3, 5, 71, 73) als Empfänger dient, über den eine durch das zeitlich verändernde Magnetfeld induziertes Empfangssignal ableitbar ist, und die Funktion des Durchflussmessaufnehmers anhand des Empfangssignals überwacht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines magnetisch induktiven Durchflussmessaufnehmers.
Magnetisch induktive Durchflussmessaufnehmer werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Volumenströmen eingesetzt.
Dabei wird ein zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähiges Medium, dessen Volumenstrom gemessen werden soll, durch ein Messrohr geleitet, das im wesentlichen senkrecht zur Rohrachse von einem Magnetfeld durchsetzt ist. Das Magnetfeld wird dabei in der Regel durch zwei einander gegenüberliegende Spulen erzeugt, zwischen denen das Messrohr verläuft. Senkrecht zum Magnetfeld bewegte Ladungsträger induzieren senkrecht zu deren Durchflussrichtung eine Spannung, die über Elektroden abgreifbar ist. Hierzu werden z.B. zwei Elektroden einander gegenüberliegend zu beiden Seiten des Messrohrs derart angeordnet, das eine gedachte Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden senkrecht zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen den Spulen verläuft. Die Elektroden sind mit dem Medium entweder kapazitiv oder galvanisch gekoppelt. Die induzierte Spannung ist proportional zu einer über einen Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und damit proportional zum Volumenstrom.
Bei der magnetisch-induktiven Durchflussmessung können Störungen auftreten. Diese können zum Beispiel auf eine nicht ideale Magnetfelderzeugung, auf einen Windungsschluss in den Spulen, z.B. durch Korrosion oder Vibration, oder auf Fremdfelder zurückzuführen sein.
Um entsprechende Störungen erkennen zu können wird vorzugsweise eine Funktionsüberwachung durchgeführt.
In der US-A 6,763,729 wird hierzu beispielsweise ein Stromanstieg in einer Spule im Anschluss an eine Umpolung der Spule überwacht und mit einem charakteristischen Verlauf verglichen.
In der EP-A 1275940 ist ein Verfahren beschrieben bei dem durch eine getrennte Ansteuerung von zwei Spulen zeitweilig bewusst inhomogene Magnetfelder erzeugt werden. Die Überwachung erfolgt anhand von daraus resultierenden induzierten Spannungen, die an den Elektroden abgegriffen werden. Diese Form der Überwachung ist jedoch nur dann einsetzbar, wenn sich im Messrohr ein leitfähiges Medium befindet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines magnetisch induktiven Durchflussmessaufnehmers anzugeben, das eine gezielte Überwachung der Magnetfelderzeugung erlaubt.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Funktionsüberwachung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessaufnehmers mit

– einem Messrohr,
– einen Magnetfeld-Generator, der mindestens zwei Spulen aufweist,
– die im Messbetrieb dazu dienen ein das Messrohr durchsetzendes Magnetfeld zu erzeugen,
– die zusätzlich zur Funktionsüberwachung dienen, wobei
– bei der Funktionsüberwachung
– mindestens eine der Spulen als Erzeuger dient,
– welcher ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld erzeugt, das mindestens eine andere Spule durchsetzt,
– mindestens eine dieser anderen Spulen als Empfänger dient, über den eine durch das zeitlich verändernde Magnetfeld induziertes Empfangssignal ableitbar ist, und
– die Funktion des Durchflussmessaufnehmers anhand des Empfangssignals überwacht wird.

Gemäß einer Ausgestaltung dient mindestens eine fest vorgegebene Spule als Erzeuger und mindestens eine andere fest vorgegebene Spule dient als Empfänger.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung dient mindestens eine Spule sowohl als Erzeuger als auch zu einem anderen Zeitpunkt als Empfänger.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird der Erzeuger bei der Funktionsüberwachung von einem zeitlich veränderlichen Strom durchflossen, es wird das im Empfänger induzierte Empfangssignal abgeleitet, und es wird ein zeitlicher Verlauf des Stroms mit einem zeitlichen Verlauf des Empfangssignals verglichen.
Gemäß einer anderen Weiterbildung des Verfahrens ist der Erzeuger bei der Funktionsübewachung von einem vorbekannten zeitlich veränderlichen Strom durchflossen. Es wird das im Empfänger induzierte Empfangssignal abgeleitet und ein zeitlichen Verlauf des Empfangssignals mit dem Verlauf eines Referenzsignals verglichen.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird anhand der Funktionsüberwachung eine Zustandmeldung abgeleitet, die einem Benutzer vor Ort und/oder einer übergeordnete Einheit zur Verfügung gestellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Empfangssignal eine über den Empfänger abfallende induzierte Spannung.
Weiter besteht die Erfindung in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessaufnehmers mit

– einem Messrohr,
– einen Magnetfeld-Generator, der mindestens zwei Spulen aufweist,
– die im Messbetrieb dazu dienen ein das Messrohr durchsetzendes Magnetfeld zu erzeugen,
– einer an die Spulen angeschlossenen Schaltung zur Funktionsüberwachung,
– die eine Erzeugerschaltung umfasst, die bei der Funktionsüberwachung bewirkt, dass mindestens eine Spule von einem zeitlich veränderlichen Strom durchflossen ist, durch den ein veränderliches Magnetfeld erzeugt wird, das mindestens eine andere Spule durchsetzt, und
– die eine Empfangsschaltung umfasst, die ein in die andere Spule induziertes Empfangssignal aufnimmt, und
– einer Überwachungseinheit, die dazu dient, die Funktion des Durchflussmessaufnehmers anhand des Empfangssignals zu überwachen.

Gemäß einer Weiterbildung weist der magnetisch-induktive Durchflussmessaufnehmer mindestens eine Spule auf, der eine Schaltung zugeordnet ist, die im Messbetrieb zur Erzeugung des Magnetfelds und bei der Funktionsüberwachung als Erzeugerschaltung dient.
Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung sind die Spulen im Messbetrieb in Serie geschaltet und werden von einer einzigen Schaltung gespeist. Bei der Funktionsüberwachung werden die Erzeuger von dieser Schaltung gespeist, und die Empfänger sind von der Schaltung elektrisch getrennt.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Funktionsüberwachung auch dann vorgenommen werden kann, wenn sich im Messrohr kein Medium befindet.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Funktionsüberwachung weitestgehend unabhängig von der Temperatur und dem im Messrohr befindlichen Medium ist, wenn bei der Funktionsüberwachung auf den den Erzeuger durchströmenden Strom und die dadurch im Empfänger induzierte Spannung abgestellt wird.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch und teilweise in Form eines Blockschaltbild den Aufbau eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessaufnehmers;
2 zeigt eine H-Schaltung;
3 zeigt eine T-Schaltung;
4 zeigt einen Verlauf der die Spulen durchfließenden Ströme im Messbetrieb;
5 zeigt eine Empfangsschaltung;
6 zeigt einen den Erreger durchfließenden Strom mit sägezahn-förmigem Verlauf und den Verlauf der zugehörigen im Empfänger induzierten Spannung;
7 zeigt einen den Erreger durchfließenden Strom dessen Verlauf einen linearen Anstieg und einen daran anschließenden linearen Abfall aufweist, und den Verlauf der zugehörigen im Empfänger induzierten Spannung;
8 zeigt einen den Erreger durchfließenden Strom mit sinusförmigem Verlauf und den Verlauf der zugehörigen im Empfänger induzierten Spannung;
9 zeigt einen den Erreger durchfließenden Strom mit dem in 4 dargestellten Verlauf und den Verlauf der zugehörigen im Empfänger induzierten Spannung; und
10 zeigt eine zwei Spulen aufweisende Schaltungsanordnung.
1 zeigt schematisch und teilweise in Form eines Blockschaltbilds den Aufbau eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessaufnehmers, der dazu dient, einen Volumendurchfluss eines zumindest geringfügig elektrisch leitenden strömenden Mediums zu messen. Es umfasst ein Messrohr 1, durch das im Betrieb das Medium hindurch strömt.
Weiter ist ein Magnetfeld-Generator, vorgesehen, der im Messbetrieb dazu dient ein das Messrohr 1 durchsetzendes Magnetfeld zu erzeugen. Hierzu weist der Magnetfeld-Generator mindestens zwei Spulen 3, 5 auf. Als Spulen eignen sich z.B. Feldspulen ohne Kern oder Spulen mit einem weichmagnetischen Kern. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Spulen 3, 5 vorgesehen, die einander gegenüberliegend zu beiden Seiten des Messrohrs 1 angeordnet sind. Es können aber auch Spulenanordnungen zur Magnetfelderzeugung eingesetzt werden, bei denen mehr als zwei Spulen um das Messrohr 1 angeordnet sind.
Senkrecht zum Magnetfeld bewegte Ladungsträger induzieren senkrecht zu deren Durchflussrichtung eine Spannung. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Elektroden 7, 9 vorgesehen, die einander gegenüberliegend zu beiden Seiten des Messrohrs 1 derart angeordnet, das eine gedachte Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden 7, 9 senkrecht zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen den Spulen 3, 5 verläuft. Die Elektroden 7, 9 sind mit dem Medium entweder kapazitiv oder galvanisch gekoppelt. Die induzierte Spannung ist proportional zu einer über einen Querschnitt des Messrohres 1 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und damit proportional zum Volumenstrom. Damit die induzierte Spannung nicht kurzgeschlossen wird, bestehen mit dem Medium in Kontakt kommende Bereiche des Messrohres 1 entweder aus nicht leitenden Materialien oder sie sind mit einer Isolationsschicht versehen.
Die Elektrode 7 ist mit einem nicht invertierenden und die Elektrode 9 mit einem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 11 verbunden. Die Differenz der an den Elektroden 7, 9 abgegriffenen Spannungen ist proportional zur durch das Magnetfeld induzierten Spannung. Ein Ausgang des Differenzverstärkers 11 ist mit einer Auswerteeinheit 13 verbunden, die im Messbetrieb aus dem ihr zugeführten die induzierte Spannung wiedergebenden Signal den Durchfluss bestimmt und einer weiteren Anzeige, Auswertung und/oder Verarbeitung zugänglich macht.
Damit das von den Spulen 3, 5 erzeugte Magnetfeld im Messbetrieb das Messrohr 1 möglichst homogen durchsetzt, werden die Spulen 3, 5 im Messbetrieb z.B. identisch zueinander elektrisch gleichsinnig betrieben, so dass beide Spulen 3, 5 vom selben Strom durchflossen werden. Der Strom wird von einer Schaltung 15 bewirkt und vorzugsweise auf einen konstanten Stromwert, z.B. 85 mA, geregelt. Vorzugsweise wird seine Stromrichtung periodisch umgekehrt; dies dient insb. dazu sich an den Elektroden 7, 9 aufbauende elektrochemische Störspannungen weitgehend zu kompensieren.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist für jede Spule 3, 5 eine eigene Schaltung 15 vorgesehen. Alternativ hierzu können die beiden Spulen 3, 5 aber auch in Serie geschaltet werden und von einer einzigen Schaltung 15 gespeist werden. Dies bietet den Vorteil, dass nur eine Schaltung 15 erforderlich ist und beide Spulen 3, 5 automatisch vom selben Strom durchflossen sind. Eine Synchronisierung wird hierdurch überflüssig.
Der durch eine Spule 3,5 fließende Strom und damit das zugehörige Magnetfeld kann bewirkt werden, indem die Schaltungen 15 bzw. die Schaltung 15 den die Spulen 3, 5 durchfließenden Strom einstellt. Ebenso kann durch eine entsprechende Beschaltung aber auch eine Spannung eingestellt werden, mit der die Spule 3, 5 beaufschlagt wird. Beide Fälle sind äquivalent. Beispiele für solche Schaltungen 15 sind so genannte N-Schaltungen und so genannte T-Schaltungen, wie sie z.B. in der EP-A1 0969 268 beschrieben sind.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer solchen Schaltung 15. Sie umfasst eine Brückenschaltung 19, die als H-Schaltung ausgebildet ist. In einem ersten Brückenzweig liegt ein gesteuerter Strompfad eines ersten Transistors 21, in einem zweiten Brückenzweig ein gesteuerter Strompfad eines zweiten Transistors 23, in einem dritten Brückenzweig liegt ein gesteuerter Strompfad eines dritten Transistors 25 und in einem vierten Brückenzweig ein gesteuerter Strompfad eines vierten Transistors 27. Durch diesen Aufbau ergeben sich vier Eckpunkte 19a, 19b, 19c, 19d der H-Schaltung. Die Transistoren 21, 23 sind durch den Eckpunkt 19c, die Transistoren 23, 27 sind durch den Eckpunkt 19b, die Transistoren 25, 27 sind durch den Eckpunkt 19d und die Transistoren 21, 25 durch den Eckpunkt 19a miteinander verbunden. Eine erste Brückendiagonale liegt zwischen den Eckpunkten 19a, 19b und eine zweite Brückendiagonale zwischen den Eckpunkten 19c, 19d. In der zweiten Brückendiagonale liegt eine Spulenanordnung 17, d.h. ein erster Anschluss der Spulenanordnung 17 ist mit dem Eckpunkt 19c und ein zweiter Anschluss der Spulenanordnung 17 ist mit dem Eckpunkt 19d verbunden.
Im Messbetrieb sind z.B. entweder der erste und der vierte Transistor 21, 27 oder der zweite und der dritte Transistor 23, 25 gleichzeitig leitend gesteuert. Somit kann im ersten Fall (erster und vierter Transistor 21, 27 leitend) ein Strom vom Eckpunkt 19a zum Eckpunkt 19b in der durch den nicht gestrichelt gezeichneten Pfeil angegebenen Richtung durch die Spulenanordnung 17 fließen. Sind dagegen der zweite und der dritte Transistor 23, 25 leitend gesteuert, so fließt der gleiche Strom in umgekehrter Richtung durch die Spulenanordnung 17, wie dies durch den gestrichelt gezeichneten Pfeil veranschaulicht ist.
Der Eckpunkt 19b liegt über einen Widerstand 29 an einem Schaltungsnullpunkt SN. Der Widerstand 29 bildet mit der H-Schaltung eine Serienschaltung und ist vom Spulenstrom durchflossen.
Die H-Schaltung wird über eine gesteuerte Spannungsquelle 31 gespeist, die einen Spannungsausgang 31c aufweist und eine über der Serienschaltung, also zwischen dem Eckpunkt 19a und dem Schaltungsnullpunkt SN liegende, hier positiv vorausgesetzte Spannung, bestimmt. Die gesteuerte Spannungsquelle 31 ist über zwei Anschlüsse 31a, 31b vom Netz gespeist. Sie liegt über einen Ausgang 31d am Schaltungsnullpunkt SN. Die Spannung am Ausgang 31c ist über die Anoden-Kathoden-Strecke einer Diode 33 and den Eckpunkt 19a gelegt. Zum Schaltungsnullpunkt SN führt von der Katode der Diode 33 und dem Eckpunkt 19a ein Kondensator 35, der die Kapazität C hat.
Die Ansteuerung der Transistoren 21, 23, 25, 27 erfolgt durch einen Kontroller 37, der über entsprechende Steuerausgänge mit den Steuereingängen der Transistoren 21, 23, 25, 27 verbunden ist. Als Kontroller 37 eignet sich z.B. ein entsprechend programmierter Mikroprozessor.
In 3 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Schaltung 15. Es handelt sich hier um eine so genannte T-Schaltung, mit einer Spulenanordnung 17 mit einem ersten und einem zweiten Anschluss 39, 41 und einem ersten und einem zweiten Transistor 43, 45. Die beiden Transistoren 43, 45 bilden mit der Spulenanordnung 17 ein T, bei dem die beiden Transistoren 43, 45 den Querbalken und die Spulenanordnung 17 den Stamm des T's bilden.
Zu der Spulenanordnung 17 ist ein Widerstand 47 derart in Serie geschaltet, dass die Spulenanordnung 17 über den Widerstand 47 mit dem Schaltungsnullpunkt SN verbunden ist. Dabei ist die Spulenanordnung 17 über deren ersten Anschluss 39 mit dem Widerstand 47 verbunden.
Genau wie bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Schaltung 15 über eine ans Netz angeschlossene steuerbar Spannungsquelle 49 gespeist. Die gesteuerte Spannungsquelle 49 ist über zwei Anschlüsse 49a, 49b vom Netz gespeist. Sie liegt über einen Ausgang 49c am Schaltungsnullpunkt SN.
Die gesteuerte Spannungsquelle 49 weist einen positiven Spannungsausgang 49d auf, der über die Anoden-Kathoden-Strecke einer Diode 51 an einem ersten Anschluss des Strompfades des ersten Schalt-Transistors 43 anliegt. Ein zweiter Anschluss des Strompfades des ersten Schalt-Transistors 43 ist mit dem zweiten Anschluss 41 der Spulenanordnung verbunden.
Die gesteuerte Spannungsquelle 49 weist einen negativen Spannungsausgang 49e auf, der über die Kathoden-Anoden-Strecke einer Diode 53 an einem ersten Anschluss des Strompfades des zweiten Transistors 45 anliegt. Ein zweiter Anschluss des Strompfades des zweiten Transistors 45 ist mit dem zweiten Anschluss 41 der Spulenanordnung 17 verbunden.
Im Messbetrieb wird vorzugsweise abwechselnd der erste Transistor 43 oder der zweite Transistor 45 leitend gesteuert, so dass der die Spulenanordnung 17 durchfließende Strom abwechselnd seine Richtung umkehrt, wie in 3 durch die beiden Pfeile veranschaulicht.
Die Ansteuerung der Transistoren 43, 45 erfolgt durch einen Kontroller 55, der über entsprechende Steuerausgänge mit den Steuereingängen der Transistoren 43, 45 verbunden ist. Als Kontroller 55 eignet sich z.B. ein entsprechend programmierter Mikroprozessor.
In beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Schaltung 15 ist der zur Spulenanordnung 17 in Serie geschaltete Widerstand 29, 47 vom Spulenstrom durchflossen. Der durch die Spulenanordnung 17 fließende Strom ist folglich über einen Spannungsabfall am Widerstand 29, 47 ableitbar. Hierzu ist in beiden Fällen ein Abgriff 57 über dem Widerstand 29 bzw. 47 vorgesehen, der über eine Messschaltung 59 mit dem Kontroller 37 bzw. 55 verbunden ist.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Funktionsübewachung durchgeführt, bei dem mindestens eine der Spulen 3, 5 als Erzeuger dient, welcher ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld erzeugt. Das zeitlich veränderliche Magnetfeld durchsetzt mindestens eine andere als Empfänger dienende Spule 5, 3. Über den Empfänger wird ein durch das zeitlich veränderliche Magnetfeld induziertes Empfangssignal abgeleitet und es wird die Funktion des Durchflussmessaufnehmers anhand des Empfangssignals überwacht.
Der erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmessaufnehmer weist eine an die Spulen 3, 5 angeschlossenen Schaltung zur Funktionsüberwachung auf.
Diese umfasst eine Erzeugerschaltung, die bei der Funktionsüberwachung bewirkt, dass mindestens eine der Spulen 3, 5 von einem zeitlich veränderlichen Strom durchflossen ist.
Die Erzeugerschaltung kann eine eigenständige Schaltung sein, die während der Funktionsüberwachung an die Stelle der Schaltung 15 gesetzt wird. Vorzugsweise wird hierzu jedoch die gleiche Schaltung 15 eingesetzt, die auch im Messbetrieb zur Erzeugung des Magnetfelds eingesetzt wird.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Spulenanordnungen 17 vorgesehen, die jeweils eine Spule 3 bzw. 5 aufweisen. Die Ansteuerung der beiden Spulen 3, 5 erfolgt getrennt über die zugeordneten Schaltungen 15 die beispielsweise gemäß einem der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen, ausgebildet sind. Der Ablauf wird über eine übergeordnete Einheit 61, z.B. einen Mikrokontroller oder einen Taktgeber, synchronisiert.
Im Messbetrieb werden die beiden Spulen 3, 5 z.B. wie oben erläutert, vorzugsweise synchron von einem auf einen konstanten Stromwert, z.B. 85 mA, geregelten Strom durchflossen, dessen Stromrichtung vorzugsweise periodisch umgekehrt wird. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des hierbei die Spule 3 durchströmenden ersten Stroms I₁ und die Spule 5 durchfließenden zweiten Stroms I₂.
Die Funktionsüberwachung findet außerhalb des Messbetriebs statt. Dabei werden nur die als Erreger dienenden Spulen aktiv betrieben, während die als Empfänger dienenden Spulen passiv betrieben werden.
In dem nachfolgenden Beispiel dient die Spule 3 als Erzeuger und die Spule 5 als Empfänger. Zur Erzeugung des zeitlich veränderlichen Magnetfeldes wird die Spule 3 von einem zeitlich veränderlichen Strom I₁ durchflossen. Der zeitliche Verlauf diese Stroms I₁ ist dabei zunächst einmal beliebig, solange er eine zeitliche Veränderung aufweist. Dieser Strom I₁ kann mittels der oben beschriebenen Schaltungen 15 bewirkt werden. Ebenso kann er aber auch auf andere Weise erzeugt werden. Wichtig für die Erfindung ist lediglich, dass er nicht konstant ist. Jeder veränderliche Strom bewirkt ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, das in den Empfängern zu einer vom Magnetfeld bedingten Induktion führt.
Es ist möglich, den zeitlich veränderlichen Strom dadurch zu bewirken, dass die als Erzeuger dienenden Spulen mit einer zeitlich veränderlichen Spannung beaufschlagt werden. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass der Strom im wesentlichen unmittelbar das Magnetfeld bedingt, während die physikalische Beziehung zwischen der Spannung und dem Magnetfeld sowohl von der Temperatur als auch vom im Messrohr befindlichen Medium abhängt, da sich Temperatur und Medium auf das elektrische Verhalten der Spule auswirken. Aufgrund der Induktivität der Spule kann eine zeitlichen Verzögerung zwischen der am Erzeuger anliegenden Spannung und dem resultierenden Strom bzw. dem resultierenden Magnetfeld entstehen.
Der Strom kann beispielsweise einen sägezahn-förmigen Verlauf, ein Verlauf mit konstantem Anstieg und/oder Abfall oder einen sinusförmigen Verlauf als Funktion der Zeit aufweisen. Ebenso ist aber auch ein Verlauf einsetzbar, wie er oben für den Messbetrieb beschrieben ist. Durch die periodische Umkehr der oben beschriebenen Stromrichtung besteht während der Umkehr eine zeitliche Veränderung, die in diesem Zeitraum ein zeitlich veränderliches Magnetfeld bewirkt.
Bei den in den 2 und 3 beschriebenen Schaltungen 15 ist der zeitliche Verlauf des Stroms durch eine entsprechende Ansteuerung der Transistoren 21, 23, 25, 27 bzw. 43, 45 durch den Kontroller 37, bzw. 55 einstellbar. Der zeitliche Verlauf ergibt sich aus der im Kontroller 37 bzw. 55 ablaufenden Ablaufsteuerung. Er ist zusätzlich über den Spannungsabfall an den Widerständen 29 bzw. 47 mittels der Messschaltung 59 messbar.
Das von der Spule 3 erzeugte zeitlich veränderliche Magnetfeld durch setzt die Spule 5. Die als Empfänger dienende Spule 5 wird passiv betrieben, d.h. sie wird während der Funktionsüberwachung nicht von der an sie angeschlossenen Schaltung 15 gespeist. Hierzu können z.B. alle Transistoren 21, 23, 25, 27 bzw. 43, 45 der der Spule 5 zugeordneten Schaltung 15 nicht leitend geschaltet werden. Aufgrund des zeitlich veränderlichen Magnetfelds tritt in der als Empfänger dienenden Spule 5 Induktion auf. Ein entsprechendes induziertes Empfangssignal wird über eine an die Spule 5 angeschlossene in 5 dargestellte Empfangsschaltung 63 aufgezeichnet und einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zugänglich gemacht.
Als Empfangssignal eignen sich hier sowohl eine induzierte Spannung als auch ein induzierter Strom. Während erregerseitig der Strom das Magnetfeld bestimmt, ist es empfängerseitig die induzierte Spannung, die im wesentlichen in unmittelbarer Beziehung zum Magnetfeld steht, während der induzierte Strom sowohl vom Aufbau der Messschaltung als auch von der Temperatur und dem Medium im Messrohr 1 abhängig ist. Unter Berücksichtigung dieser Einflüsse eignet sich auch der Strom als Empfangssignal zur Funktionsüberwachung. Vorzugsweise wird jedoch die induzierte Spannung als Empfangssignal herangezogen.
Hierzu weist die in 5 dargestellte Empfangsschaltung 63 eine Spannungsmessschaltung 65 auf. Diese ist zwischen die beiden Anschlüsse der Spule 5 parallel zur Spule 5 geschaltet, und zeichnet die über die Spule 5 abfallende induzierte Spannung U_ind auf. Ein Ausgangssignal der Messschaltung 65 wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers A/D digitalisiert und einer Überwachungseinheit zugeführt. Vorzugsweise dient die Auswerteeinheit 13 als Überwachungseinheit. Selbstverständlich könnte auch eine separate Einheit vorgesehen sein. Es bietet sich jedoch an die ohnehin für die Durchflussmessung vorhandene Auswerteeinheit 13 zu nutzen.
Die Funktionsüberwachung erfolgt gemäß einer ersten Variante, indem der Erzeuger, hier die Spule 3, mit einer zeitlich veränderlichen Spannung oder einem zeitlich veränderlichen Strom beaufschlagt wird, die im Empfänger, hier die Spule 5, resultierende zeitlich veränderliche induzierte Spannung oder der resultierende induzierte Strom mittels der Empfangsschaltung 63 abgeleitet wird, und die Verläufe dieser beiden Spannungen oder Ströme miteinander verglichen werden. Vorzugsweise wird aus den oben genannten Gründen der Verlauf des den Erzeuger durchfließenden Stroms I₁ mit dem Verlauf der am Empfänger induzierten Spannung U_ind verglichen. Der Verlauf des den Erzeuger durchfließenden Stroms I₁ ergibt sich bei den in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen aus dem im Kontroller 37, 55 ablaufenden Programm. Er kann aber auch über den zur Spule 3 in Serie geschalteten vom Spulenstrom durchflossenen Widerstand 29 bzw. 47 mittels der Messschaltung 59 abgeleitet werden.
Dies bietet den Vorteil, dass die Funktionsüberwachung im wesentlichen unabhängig von der Temperatur und dem im Messrohr 1 befindlichen Medium ist. Die beiden Verläufe sind durch das Magnetfeld unmittelbar miteinander gekoppelt. Besteht keinerlei Störung, so verhält sich der zeitliche Verlauf der induzierten Spannung U_ind wie die Ableitung des Verlaufs des Stromes I₁ nach der Zeit. In den 6 bis 9 sind die zeitlichen Verläufe des den Erzeuger durchfließenden Stroms I₁ und der am Empfänger resultierenden induzierten Spannung U_ind für vier markante Beispiele angegeben.
Bei dem in 6 dargestellten Beispiel weist der den Erreger durchfließende Strom I1 einen sägezahn-förmigen Verlauf auf. Das Empfangssignal, hier die induzierte Spannung U_ind ist in dem Zeitraum, während des Strom I₁ linear ansteigt, konstant und weist zu dem Zeitpunkt zu dem der Strom I₁ auf null abfällt einen negativen Peak auf.
Bei dem in 7 dargestellten Beispiel weist der den Erreger durchfließende Strom I₁ einen Verlauf mit linearem Anstieg und einem unmittelbar daran anschließenden linearen Abfall auf. Während des linearen Anstiegs des Stroms I₁ weist die induzierte Spannung U_ind einen konstanten positiven Wert auf. Während des linearen Abfalls des Stromes I₁ weist sie einen konstanten negativen Wert auf.
Bei dem in 8 dargestellten Beispiel weist der den Erreger durchfließende Strom I₁ einen sinusförmigen Verlauf auf. Entsprechend weist die induzierte Spannung U_ind einen kosinusförmigen Verlauf auf.
Bei dem in 9 dargestellten Beispiel weist der Strom I₁ den bereits anhand von 4 erläuterten Verlauf auf, wie er auch im Messbetrieb eingesetzt werden kann. Die resultierende induzierte Spannung U_ind ist in den Zeitintervallen, wo ein konstanter Strom I₁ fließt gleich null und weist immer dann einen ausgeprägten Peak auf, wenn sich die Stromrichtung umkehrt. Bei einem Stromabfall ist die Peak-Spannung negativ, bei einem Stromanstieg ist sie positiv.
Gemäß der ersten Variante der Funktionsübewachung wird der Verlauf des den Erreger durchfließenden Stroms I₁ wie oben beschrieben ermittelt und der Überwachungseinheit, hier der Auswerteeinheit 13, zugeführt. Diese bestimmt dessen Ableitung nach der Zeit. Eine Zuordnung der Amplituden dieser Ableitung zu den Amplituden der zu erwartenden induzierten Spannung U_ind kann beispielsweise anhand einer zuvor durch Referenzmessungen ermittelten Umrechnungstabelle oder einer hieraus abgeleiteten Umrechnungsvorschrift vorgenommen werden. Die Zuordnung kann ebenfalls von der Auswerteeinheit 13 durchgeführt werden. Hieraus ergibt sich der Verlauf und die Amplituden der zu erwartenden induzierten Spannung.
Ein Vergleich des Verlaufs der zu erwartenden induzierten Spannung mit dem tatsächlich resultierenden Verlauf des Empfangssignal wird von der Überwachungseinheit durchgeführt. Ist nur der Verlauf der zu erwartenden induzierten Spannung ermittelt worden, so kann der Vergleich beispielsweise über eine Berechnung der minimalen Abstandsquadrate der normierten zu erwartenden induzierten Spannung und des normierten Empfangssignals erfolgen. Hieraus ergibt sich ein quantitatives Maß für die Abweichung. Ist zusätzlich eine Zuordnung der Amplituden vorgenommen worden, so können die Abweichungen zwischen dem zu erwartenden und dem tatsächlichen Verlauf des Empfangssignals unmittelbar quantitativ erfasst werden.
Übersteigt die Abweichung eine vorgegebene Toleranzschwelle, so ergibt die Funktionsüberwachung eine Fehlfunktion, die beispielsweise in Form einer Fehlermeldung zur Anzeige gebracht wird, einen Alarm auslöst, eine Störungsmeldung abgibt, und/oder eine sicherheitsgerichtetes Ausgangssignal des Durchflussmessaufnehmers bewirkt.
Zusätzlich kann eine Analyse des Empfangssignals vorgenommen werden. Beispielsweise können anhand der Differenz des zu erwartenden und des tatsächlichen Empfangssignals Rückschlüsse auf eventuell vorliegende Fehlerursachen gezogen werden. Hierzu werden vorzugsweise für bestimmte Fehlerursachen typische Auswirkungen mit einbezogen, von denen einige nachfolgend beispielhaft genannt sind.
Eine mögliche Fehlerursache sind sehr starke Fremdfelder. Sie bewirken, dass magnetisch relevante Werkstoffe in die Sättigung getrieben werden. Dies führt zu einer massiven Reduktion der Amplitude des Empfangssignals. Ergibt die Analyse des Empfangssignals keine messbare Veränderung der Amplitude, so kann im Umkehrschluss davon ausgegangen werden, dass Fremdfelder keinen signifikanten Einfluss haben.
Eine weitere Fehlerquelle sind Windungsschlüsse in den Spulen. Windungsschlüsse führen bei einer hiervon betroffenen Spule zu veränderten Amplitudenverhältnissen, die senderseitig anhand der Amplitude des Stroms I₁ bzw. empfängerseitig anhand der Amplitude des Empfangssignals erkennbar sind.
Durch Korrosion verändern sich die magnetischen Eigenschaften der involvierten Materialien. Daraus resultiert ebenfalls eine Veränderung der Amplitudenverhältnisse.
Eine weitere Fehlerquelle sind Vibrationen. Vibrationen stellen immer dann eine Fehlerquelle dar, wenn mechanische Instabilitäten vorhanden sind. Mechanische Instabilitäten sind beispielsweise lose mechanische Verbindungen im Bereich der Spulen, z.B. zwischen gegebenenfalls vorhandenen Polschuhen und Spulenkernen. Mechanische Instabilitäten führen zu instabilen Amplitudenverhältnissen.
Weitergehende Analysen sind möglich. Diese Analysen bietet den Vorteil, dass durch sie entsprechend genaue Fehlermeldungen oder Fehlervermutungen ableitbar sind, die zur Anzeige gebracht werden können, und dem Anwender eine Hilfestellung bei der Fehlerbehebung bieten.
Vorzugsweise wird anhand der Funktionsüberwachung eine Zustandsmeldung abgeleitet, die einem Benutzer vor Ort über eine Anzeige 67 am Durchflussmessaufnehmer und/oder über eine an den Durchflussmessaufnehmer angebundene übergeordnete Einheit 69 zur Verfügung gestellt wird. Eine solche übergeordnete Einheit 69 ist beispielsweise eine z.B. über eine Busverbindung angebundene Prozessleitstelle, eine speicherprogrammierbare Steuerung oder eine andere zentrale oder dezentrale Steuereinheit.
Gemäß einer zweiten Variante wird der Erzeuger bei der Funktionsüberwachung von einem zeitlich veränderlichen Strom I₁ durchflossen, dessen Verlauf vorgegeben ist. Anders als bei der ersten Variante wird der den Erreger durchfließende Strom nicht jedes mal abgleitet und der Überwachungseinheit zugeführt sondern ist, z.B. durch eine entsprechende Ablaufsteuerung in der dem Erreger zugeordneten Schaltung 15, fest vorgegeben. Dies bietet den Vorteil, dass das zu erwartende induzierte Empfangssignal nicht in jedem Durchlauf neu bestimmt werden muss. Stattdessen kann ein dem zu erwartenden Empfangssignal entsprechendes Referenzsignal vorab z.B. Werkseitig durch einen Testlauf ermittelt werden und im Durchflussmessaufnehmer abgespeichert werden. Bei der Funktionsüberwachung wird dann das tatsächlich erhaltene Empfangssignal mit dem Referenzsignal verglichen.
Bei dem beschriebenen Beispiel dient mindestens eine fest vorgegebenen Spule, hier die Spule 3, als Erzeuger und mindestens eine andere fest vorgegebene Spule, hier die Spule 5, dient als Empfänger. Alternativ kann eine Spule natürlich sowohl als Erzeuger als auch zu einem anderen Zeitpunkt als Empfänger dienen. Entsprechend sind dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beide Spulen 3 und 5 mit der Empfangsschaltung 63 ausgestattet und beide Schaltungen 15 und beide Empfangsschaltungen 63 sind mit der Überwachungseinheit, hier der Auswerteeinheit 13, verbunden, so dass der Auswerteeinheit 13 sowohl der die jeweilige Spule 3, bzw. 5 durchfließende Strom, als auch das jeweils abgeleitete induzierte Empfangssignal zur Verfügung steht.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind nur zwei Spulen 3, 5 vorgesehen. Die beschriebene Funktionsüberwachung ist aber völlig analog auch bei magnetisch-induktiven Durchflussmessaufnehmern mit mehr als zwei Spulen einsetzbar, indem gezielt mindestens eine der Spulen als Erreger und mindestens eine andere Spule als Empfänger eingesetzt wird.
Im Messbetrieb werden wie eingangs beschrieben vorzugsweise beide Spulen gleichsinnig vom gleichen Strom durchflossen. Es bietet sich also an im Messbetrieb beide Spulen in Serie zu schalten und mittels einer einzigen Schaltung 15 zu speisen. In diesem Fall enthalten die in den in 2 und 3 dargestellten Spulenanordnungen 17 im Messbetrieb zwei in Serie geschaltete Spulen 71 und 73.
Es ist möglich die Funktionsüberwachung auch dann durchzuführen, wenn alle Spulen von einer einzigen Schaltung 15 gespeist werden. Hierzu muss jedoch sichergestellt werde, dass während der Funktionsüberwachung mindestens eine der Spulen aktiv und mindestens eine andere der Spulen passiv betrieben werden kann. Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine entsprechende Beschaltung, bei der die Spulen im Messbetrieb in Serie geschaltet sind und von der einzigen Schaltung 15 gespeist werden, und bei der Funktionsüberwachung nur die Erzeuger von der auch als Erzeugerschaltung dienenden einzigen Schaltung 15 gespeist sind, während die Empfänger von dieser Schaltung 15 elektrisch getrennt sind.
10 zeigt eine entsprechende Schaltungsanordnung, wie sie z.B. in Verbindung mit den in den 2 und 3 dargestellten Schaltungen 15 einsetzbar ist. Sie weist eine Spulenanordnung 17 auf, die zwischen den Anschlüssen 39, 41 bzw. zwischen den Eckpunkten 19c, 19d liegt. Die Spulenanordnung 17 enthält die beiden Spulen 71, 73. Zu beiden Seiten jeder Spule 71, 73 befindet sich ein steuerbarer Schalter 75, 77, 79, 81 über den die jeweils dazwischen befindliche Spule 71, 73 in einen die Anschlüsse 39, 41 bzw. die Eckpunkte 19c, 19d verbindenden Längszweig L gelegt werden kann. Die Ansteuerung der Schalter 75, 77, 79, 81 kann über entsprechende Verbindungen beispielsweise über die in den 2 und 3 dargestellten Kontroller 37 bzw. 55 erfolgen. Sind beide Spulen 71, 73 in den Längszweig L zugeschaltet, so sind sie elektrisch in Serie geschaltet. Zu jeder Spule 71, 73 ist ein über die steuerbaren Schalter 75,77, 79, 81 anstelle der jeweiligen Spule 71, 73 zuschaltbarer Parallelzweig 83, 85 vorgesehen, durch den die jeweilige Spule 71 bzw. 73 überbrückt werden kann.
Im Messbetrieb werden beide Spulen 71, 73 in den Längszweig L geschaltet. Bei der Funktionsüberwachung wird dagegen immer nur eine der Spulen 71, 73 in den Längszweig L geschaltet, während die andere durch den statt ihrer zugeschalteten Parallelzweig 83, 85 überbrückt wird.
In 10 sind die Schalterstellungen durch Pfeile eingezeichnet. Die durch durchgezogene Linien dargestellten Pfeile zeigen die Schalterstellungen, bei der die Spule 73 in Längszweig L liegt und damit aktiv betrieben wird, und die Spule 71 überbrückt ist und damit passiv betrieben wird. Die durch gestrichelte Linien dargestellten Pfeile zeigen die Schalterstellungen, bei der die Spule 71 im Längszweig L liegt und damit aktiv betrieben wird, und die Spule 73 überbrückt ist und damit passiv betrieben wird.
Soll bei der Funktionsüberwachung eine der Spulen, z.B. die Spule 71, immer als Erzeuger, und die andere, z.B. die Spule 73, immer als Empfänger dienen, so kann selbstverständlich auf einen Satz steuerbarer Schalter, in dem Beispiel die beiden Schalter 75, 77, und auf einen Parallelzweig, in dem Beispiel der Parallelzweig 83 verzichtet werden.
Für alle durch entsprechende Beschaltung als Empfänger einsetzbare Spulen 71, 73 ist eine Empfangsschaltung 87 vorzusehen, die z.B. analog zu der in 5 dargestellten Empfangsschaltung 63 aufgebaut ist. Dabei ist jede Spule 71, 73 an eine parallel dazu geschaltete Messschaltung 65 angeschlossen, die die über die jeweilige Spule 71, 73 abfallende induzierte Spannung U_ind aufzeichnet. Die Ausgangssignale der Messschaltungen 65 werden mittels des Analog-Digital-Wandlers A/D digitalisiert und der Auswerteeinheit 13 zugeführt.
Im Messbetrieb werden die Spulen 71, 73 in Serie geschaltet, indem die Schalter 75, 77 die in 10 gestrichelt dargestellte Schalterposition einnehmen und die Schalter 79, 81 die in 10 durch durchgezogene Linien dargestellte Schalterpositionen einnehmen.

Claims

Verfahren zur Funktionsüberwachung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessaufnehmers mit – einem Messrohr (1), – einen Magnetfeld-Generator, der mindestens zwei Spulen (3, 5, 71, 73) aufweist, – die im Messbetrieb dazu dienen ein das Messrohr (1) durchsetzendes Magnetfeld zu erzeugen, – die zusätzlich zur Funktionsüberwachung dienen, wobei – bei der Funktionsüberwachung – mindestens eine der Spulen (3, 5, 71, 73) als Erzeuger dient, – welcher ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld erzeugt, das mindestens eine andere Spule (3, 5, 71, 73) durchsetzt, – mindestens eine dieser anderen Spulen (3, 5, 71, 73) als Empfänger dient, über den eine durch das zeitlich verändernde Magnetfeld induziertes Empfangssignal ableitbar ist, und – die Funktion des Durchflussmessaufnehmers anhand des Empfangssignals überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens eine fest vorgegebene Spule (3) als Erzeuger und mindestens eine andere fest vorgegebene Spule (5) als Empfänger dient.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens eine Spule (3, 5, 71, 73) sowohl als Erzeuger als auch zu einem anderen Zeitpunkt als Empfänger dient.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – der Erzeuger bei der Funktionsüberwachung von einem zeitlich veränderlichen Strom (I₁) durchflossen wird, – ein im Empfänger induziertes Empfangssignal abgeleitet wird, und – ein zeitlicher Verlauf des Stroms (I₁) mit einem zeitlichen Verlauf des Empfangssignals verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – der Erzeuger bei der Funktionsüberwachung von einem vorbekannten zeitlich veränderlichen Strom (I₁) durchflossen ist, – das im Empfänger induzierte Empfangssignal abgeleitet wird, und – ein zeitlicher Verlauf des Empfangssignals mit dem Verlauf eines Referenzsignals verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem anhand der Funktionsüberwachung eine Zustandmeldung abgeleitet wird, die einem Benutzer vor Ort und/oder einer übergeordnete Einheit zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Empfangssignal eine über den Empfänger abfallende induzierte Spannung (U_ind) ist.
Magnetisch-induktives Durchflussmessaufnehmers mit – einem Messrohr (1), – einen Magnetfeld-Generator, der mindestens zwei Spulen (3, 5, 71, 73) aufweist, – die im Messbetrieb dazu dienen ein das Messrohr (1) durchsetzendes Magnetfeld zu erzeugen, – einer an die Spulen angeschlossenen Schaltung zur Funktionsüberwachung, – die eine Erzeugerschaltung umfasst, die während der Funktionsüberwachung bewirkt, dass mindestens eine Spule (3, 5,71, 73) von einem zeitlich veränderlichen Strom (I₁) durchflossen ist, durch den ein veränderliches Magnetfeld erzeugt wird, das mindestens eine andere Spule (3, 5, 71, 73) durchsetzt, und – die eine Empfangsschaltung (63, 87) umfasst, die ein in die andere Spule (3, 5, 71, 73) induziertes Empfangssignal aufnimmt, und – einer Überwachungseinheit, die dazu dient, die Funktion des Durchflussmessaufnehmers anhand des Empfangssignals zu überwachen.
Magnetisch-induktives Durchflussmessaufnehmers nach Anspruch 8, das eine mindestens einer Spule (3, 5, 71, 73) aufweist, der eine Schaltung (15) zugeordnet ist, die im Messbetrieb zur Erzeugung des Magnetfelds und bei der Funktionsüberwachung als Erzeugerschaltung dient.
Magnetisch-induktives Durchflussmessaufnehmers nach Anspruch 9, bei dem – die Spulen (71, 73) im Messbetrieb in Serie geschaltet sind und von einer einzigen Schaltung (15) gespeist werden, und – bei der Funktionsüberwachung – die Erzeuger von dieser Schaltung (15) gespeist sind und die Empfänger von der Schaltung (15) elektrisch getrennt sind.