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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen eines elektromagnetischen
Durchflussmessers nach dem Obergriff des Anspruchs 1 sowie eine
elektromagnetische Durchflussmessanordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 4.
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Ein
Verfahren und eine Durchflussmessanordnung dieser Art sind bereits
aus der
DE 199 17 268
B4 bekannt. Zur Überprüfung des
Durchflussmessers wird die Anstiegszeit des Stromes in der Spulenanordnung
ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen. Dadurch werden
insbesondere die magnetischen Eigenschaften der Spulenanordnung überwacht.
Der Anstieg des Stromes wird als eine Art „Fingerabdruck” für den jeweiligen
Durchflussmesser bezeichnet. Solange der Durchflussmesser ungestört, das
heißt
fehlerfrei, arbeiten kann, sind die Anstiegsverläufe mit einer sehr geringen
Streubreite praktisch identisch. Erst bei Auftreten eines Fehlers elektrischer
oder magnetischer Art wird sich der Anstiegsverlauf ändern. Dies
ist dann ein Zeichen dafür, dass
der Durchflussmesser möglicherweise
ungenaue Messergebnisse liefert und überprüft oder ausgetauscht werden
muss. Die bekannte Überwachung des
Durchflussmessers hat den Vorteil, dass sowohl die elektrischen
Eigenschaften als auch die magnetischen Eigenschaften überprüft werden,
denn der Anstieg des Stromes wird sowohl von elektrischen als auch
von magnetischen Einflüssen
geprägt.
Die Überprüfung findet
während
des Messens eines Durchflusses statt. Man muss also die Durchflussmessung
nicht einmal unterbrechen und ist trotzdem in der Lage, praktisch
laufend oder permanent eine Überprüfung vornehmen
zu können.
Dies hat darüber
hinaus den Vorteil, dass der Durchflussmesser genau in dem Zustand überprüft wird,
in dem er auch arbeitet. Dabei wird bevorzugt der Referenzwert am Durchflussmesser
selbst zu einem früheren
Zeitpunkt ermittelt. Man bestimmt den gewünschten Parameter beispielsweise
bei der Inbetriebnahme und legt diesen als Referenzwert ab, so dass
er für
künftige Überprüfungsvorgänge zur
Verfügung
steht. Damit bekommt jeder Durchflussmesser einen individuellen
Referenzwert, so dass die Überprüfung sehr
genau erfolgen kann. Fehler, die sich aufgrund eines fehlerhaft
vorgegebenen Referenzwertes ergeben können, kommen praktisch nicht
vor.
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Zur
Bestimmung der Anstiegszeit als Parameter werden zwei Alternativen
angegeben. Bei der ersten wird die Zeitspanne gemessen, die zwischen zwei
vorbestimmten Stromwerten verstreicht. Bei der zweiten Alternative
misst man als Parameter die Zeitspanne, die zwischen dem Umschalten
der Stromrichtung und dem Erreichen eines vorbestimmten Stromwertes
verstreicht. In nachteiliger Weise ist bei beiden Alternativen eine
Zeitmessung erforderlich, die immer mit einem gewissen Aufwand verbunden ist.
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Aus
der bereits eingangs genannten
DE 199 17 268 B4 ist zudem bekannt, nach
dem Umschalten der Stromrichtung eine erhöhte Spannung, eine so genannte
Boost-Spannung, zu verwenden, die den Aufbau des Magnetfeldes beschleunigt.
Diese Boost-Spannung verändert
den Stromanstieg und damit den gemessenen Parameter. Es können somit auch
Fehler der Schaltung zur Erzeugung der Boost-Spannung detektiert
werden. Andererseits führen
in nachteiliger Weise bereits Fehler dieser Schaltung zu einem Ansprechen
des Überwachungsverfahrens,
obwohl sich derartige Fehler nicht immer negativ auf das Messergebnis
des elektromagnetischen Durchflussmessers auswirken müssen.
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Bezüglich weiterer
Einzelheiten des bekannten Verfahrens zum Überprüfen eines elektromagnetischen
Durchflussmessers sowie der bekannten Durchflussmessanordnung wird
auf die oben genannte
DE
199 17 268 B4 verwiesen.
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Aus
der
US 6 697 742 B1 ist
ein Verfahren zur Überprüfung und
Kalibrierung von elektromagnetischen Durchflussmessern bekannt,
das auf einer Auswertung eines exponentiellen Abfalls des Spulenstroms
beruht. Aus dem Verlauf der Abfallkurve werden die Induktivität und der
Widerstand der Spule bestimmt.
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Aus
der
DE 10 2004
057 680 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung von magnetisch induktiven Durchflussmessern
bekannt, bei welchem aus der Messung der Induktion in zusätzlichen
Spulen auf die Funktion der das Magnetfeld erzeugenden Spulen geschlossen
wird.
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Die
DE 199 17 261 C2 beschreibt
ein Verfahren zur Überprüfung einer
elektromagnetischen Durchflussmessanordnung, bei welchem die Spulen der
Durchflussmessanordnung mit einer Spannung beaufschlagt werden ohne
dabei ein Magnetfeld zu erzeugen. Zur Überwachung wird die Kopplung
zwischen den Spulen und der Auswerteeinrichtung der Durchflussmessanordnung
ermittelt und ausgewertet.
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Die
DE 10 2006 006 152
A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung der Spulen eines
Messsystems, bei welchem verschiedene Kenngrößen der Spulen in zyklisch
wiederkehrenden Abständen
gemessen und mit Referenzwerten aus einer vorherigen Kalibrierungsmessung
verglichen werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf noch einfachere Art und
Weise eine Überprüfung des
Durchflussmessers zu ermöglichen,
ohne dabei Einbußen
bezüglich
der Zuverlässigkeit
des Überprüfungsverfahrens
hinnehmen zu müssen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der eingangs genannten Art
die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
auf. In den weiteren Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und eine neue Durchflussmessanordnung
angegeben.
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In
vorteilhafter Weise werden durch die Erfindung die oben genannten
Nachteile des bekannten Verfahrens zum Überprüfen eines elektromagnetischen
Durchflussmessers und der bekannten Durchflussmessanordnung weitgehend
vermieden. Dabei treffen die Vorteile des bekannten Verfahrens mit Überprüfung anhand
der Anstiegszeit in entsprechender Weise auch auf das neue Verfahren
zu. Insbesondere hat die Erfindung den Vorteil, dass auf eine Zeitmessung
verzichtet werden kann und sich somit der Aufwand zur Erfassung
eines Parameters, der sich bei Veränderungen der elektrischen
oder magnetischen Eigenschaften der Spulenanordnung ebenfalls merklich ändert, reduziert.
Ein Parameter, der von der in einem Kondensator zwischengespeicherten
Energie abhängig
ist, kann in elektronischen Schaltungen besonders einfach gemessen
werden, beispielsweise wenn dazu die am Kondensator anliegende Spannung
erfasst und ausgewertet wird.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur
periodischen Änderung der
Stromrichtung eine Brückenschaltung
mit elektronischen Schaltern verwendet, die jeweils mit einer Freilaufdiode
versehen sind. Wenn der Kondensator am Einspeisepunkt der Brückenschaltung
angeschlossen ist, wird die vor einer Änderung der Stromrichtung in
der Spulenanordnung vorhandene induktive Energie, wenn man einmal
von ohmschen Verlusten absieht, weitgehend vollständig beim
Abschalten der elektronischen Schalter in kapazitive Energie überführt, die
im Kondensator zwischengespeichert wird. Wenn danach zum Wechsel
der Stromrichtung die beiden anderen elektronischen Schalter der
Brückenschaltung
geöffnet
werden, die zuvor geschlossen waren, wirkt die im Kondensator zwischengespeicherte
Energie in vorteilhafter Weise quasi als eine Boost-Spannungsquelle
für einen
schnelleren Stromanstieg in der neuen Stromrichtung. Die kapazitive
Energie wird vergleichweise schnell wieder in induktive Energie
in der Spulenanordnung umgeformt. Diese Art der Verschaltung eines
Kondensators zeichnet sich somit zudem durch einen besonders niedrigen
Energieverbrauch bei den Änderungen
der Stromrichtung in der Spulenanordnung aus.
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Wenn
als Parameter, der von der im Kondensator zwischengespeicherten
Energie abhängig
ist, der Spitzenwert der Kondensatorspannung verwendet wird, hat
dies den Vorteil, dass ein schaltungstechnisch besonders einfacher
Spitzenwertdetektor zur Erfassung des Parameters genutzt werden
kann und dass die Auswertung völlig
ohne Zeitmessungen durchführbar
ist. Bei der Auswertung genügt
vielmehr ein einfacher Vergleich des Pegels des Spitzenwerts und
des Referenzwerts. Ergibt der Vergleich Abweichungen, die einen
vorgegebenen Schwellwert übersteigen,
so kann auf Veränderungen
der elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften der Spulenanordnung
geschlossen werden, die unzulässig
sind und zu Messfehlern führen
können.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und
Vorteile näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild einer Durchflussmessanordnung und
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2 einen
Zeitverlauf des Spulenstroms und einen Zeitverlauf der Kondensatorspannung.
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1 zeigt
Teile eines elektromagnetischen Durchflussmessers, die zur Erläuterung
der Erfindung von Bedeutung sein können. Ein Messrohr 2 wird
senkrecht zur Zeichenebene von einem Medium durchströmt, dessen
Fließgeschwindigkeit
gemessen werden soll. Senkrecht zur Strömungsrichtung ist eine Spulenanordnung
aus zwei Spulen 3, 4 angeordnet, die ein Magnetfeld
senkrecht zur Durchströmungsrichtung
erzeugen, wenn die Spulen 3, 4 von einem Strom
I durchflossen werden. Im Messrohr 2 sind Messelektroden 5, 6 und
Erdungselektroden 7, 8 vorgesehen. Die Messelektroden 5, 6 sind
so angeordnet, dass sie eine Potenzialdifferenz oder Spannung senkrecht
zur Durchströmungsrichtung
und senkrecht zum Magnetfeld erfassen. In bekannter Weise steigt
die Spannung zwischen den Elektroden 5, 6 mit
zunehmender Geschwindigkeit des strömenden Mediums im Messrohr 2 und
mit zunehmender Stärke
des Magnetfelds an. Die Messelektroden 5, 6 sind
mit einem Differenzverstärker
verbunden, dem ein Analog-/Digital-Wandler nachgeschaltet ist. Differenzverstärker und
Wandler sind in der Figur der Übersichtlichkeit
wegen nicht dargestellt. Die durch den Analog-/Digital-Wandler gewonnenen
digitalen Werte entsprechen der Fließgeschwindigkeit und werden
als Messwerte durch den elektromagnetischen Durchflussmesser ausgegeben,
beispielsweise über
einen Feldbus an eine Leitstation in einer automatisierungstechnischen
Anlage.
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Die
Spulen 3, 4 sind in Reihe geschaltet und werden
durch eine Betriebsspannung 9 gespeist, zu der eine Diode
in Serie geschaltet sein kann, damit keine Ströme zurück in die Betriebsspannungsquelle fließen. Die
Richtung des Spulenstromes I wird durch eine H-Brückenschaltung
mit vier elektronischen Schaltern 10 bis 13 bestimmt,
wobei jeder Schalter von einer Freilaufdiode 14 bis 17 geschützt ist.
Wenn der Strom I in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung
durch die Spulenanordnung 3, 4 fließen soll,
dann werden die Schalter 10 und 13 geschlossen.
Die Schalter 11 und 12 sind dabei geöffnet. Wenn
die Stromrichtung umgekehrt werden soll, werden die Schalter 11 und 12 geschlossen,
während
die Schalter 10 und 13 geöffnet sind. Der zeitliche Ablauf der Öffnungs-
und Schließvorgänge stellt
dabei sicher, dass zu keinem Zeitpunkt mehr als zwei elektronische
Schalter geschlossen sind, so dass ein Kurzschluss der Betriebsspannung
vermieden wird.
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Der
Spulenstrom I wird in den Messphasen durch einen Regler 25 mit
Hilfe einer einstellbaren Stromquelle 18 und eines Messwiderstands 19 auf einen
konstanten Wert eingestellt.
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Am
Einspeisepunkt der Brückenschaltung
ist ein Kondensator 27 angeschlossen, dessen Spannung mit
U bezeichnet ist. Dieser Kondensator 27 dient zur Zwischenspeicherung
der Energie, die vor Umschaltvorgängen aufgrund des Stromes I,
welcher durch die Spulenanordnung 3, 4 fließt, als
induktive Energie vorhanden ist. Die Energie E kann berechnet werden
nach der Formel E = 1/2·L·I2,wobei
L die Induktivität
der Spulenanordnung 3, 4 ist.
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Zur
Umkehrung der Stromrichtung werden zunächst alle vier Schalter 10 bis 13 geöffnet. Die
Induktivität
der Spulenanordnung 3, 4 verhindert eine sprungförmige Änderung
des Stromes I und dieser fließt über die
Freilaufdioden 14 bis 17 zunächst weiter, bis die induktive
Energie in kapazitive Energie auf dem Kondensator 27 überführt ist.
Die daraus resultierende Spitze der Spannung U wird in einer Auswerteeinrichtung 28 durch
einen Spitzenwertdetektor ermittelt und mit einer Referenzspannung
verglichen. Weicht der Spitzenwert beispielsweise um mehr als 2%
von der Referenzspannung ab, wird ein Signal auf einer Leitung 29 zur
Anzeige eines Fehlers ausgegeben.
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Die
beim Umschaltvorgang im Kondensator 27 zwischengespeicherte
kapazitive Energie dient in vorteilhafter Weise nach dem Schließen der
für die neue
Stromrichtung erforderlichen Schalter, beispielsweise der Schalter 11 und 12,
zum schnellen Aufbau des gewünschten
Stroms I, da nun die zwischengespeicherte kapazitive Energie wieder
in eine induktive Energie in der Spulenanordnung 3, 4 überführt wird.
Eine gesonderte Schaltung zur Erzeugung einer Boost-Spannung, die
bis her zum schnelleren Aufbau des Spulenstroms diente, kann daher
nun eventuell entfallen.
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Zur
Verdeutlichung der Umschaltvorgänge sind
in 2 oben ein Zeitverlauf 30 des Spulenstromes
I und in 2 unten ein Zeitverlauf 31 der
Kondensatorspannung U dargestellt, die durch Simulation von Schaltungsteilen
gewonnen wurden. Auf der Abszisse ist die Zeit t mit einem Wertebereich
von 2,5 s bis 3,4 s aufgetragen. Umschaltvorgänge treten jeweils zu den Zeiten
t = 2,57 s, 2,89 s und 3,21 s auf. Der Betrag des Stroms I ist in
beiden Richtungen 60 mA, das heißt in einer Stromrichtung ist
der Strom I = 60 mA, in der anderen Richtung I = –60 mA.
Bei konstantem Strom beträgt
die am Kondensator 27 abgreifbare Betriebsspannung U etwa
U = 14,6 V. Während
der Umschaltvorgänge
steigt die Spannung U kurzzeitig wegen der bereits oben beschriebenen Zwischenspeicherung
der zuvor in der Spulenanordnung vorhandenen induktiven Energie
auf etwa den Wert U = 21 V an. Die sich bei den einzelnen Umschaltvorgängen jeweils
einstellenden Spitzenwerte werden durch die Auswerteeinrichtung 28 (1)
erfasst und mit einem beispielsweise bei der Inbetriebnahme vorbestimmten
Referenzwert verglichen. Dieser beträgt beispielsweise 21 V. Treten
zwischen Spitzenwert und Referenzwert Abweichungen auf, die größer als
beispielsweise 0,2 V sind, wird eine Fehlermeldung erzeugt und ausgegeben,
da an der Spulenanordnung Veränderungen
ihrer elektrischen oder magnetischen Eigenschaften aufgetreten sind, welche
die Genauigkeit des Messergebnisses einer Durchflussmessung beeinträchtigen
können.