DE102013112373A1

DE102013112373A1 - Verfahren zum Betrieb einer magnetisch-induktiven Messeinrichtung

Info

Publication number: DE102013112373A1
Application number: DE201310112373
Authority: DE
Inventors: Thomas Budmiger; Simon Stingelin
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-05-13
Also published as: WO2015067455A1; EP3069107A1; US20160290842A1; CN105793675A

Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb einer magnetisch-induktiven Messeinrichtung, insbesondere eines magentisch-induktiven Strömungsmessgerätes, bei dem ein Magnetfeld durch ein stromdurchflossenes Feldspulensystem (1) erzeugt wird, wobei der elektrische Strom ein getakteter Gleichstrom ist und das Feldspulensystem (1) während eines Taktes mit einer zeitlich veränderlichen Gleichspannung beaufschlagt werden und wobei die magnetische Energie des Feldspulensystems (1) zyklisch oder sporadisch bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer magnetisch-induktiven Messeinrichtung, insbesondere eines magnetisch-induktiven Strömungsmessgerätes, sowie eine entsprechend angepasste Vorrichtung.
Das dabei verwendete Messprinzip weist eine Reihe von Vorteilen auf, insbesondere die Unabhängigkeit des Messergebnisses von einer Reihe von physikalischen Einflussgrößen. Speziell zur Messung von Strömungen, insbesondere in Rohrleitungen, hat das Messverfahren weite Verbreitung in der Prozesstechnik gefunden. Gemäß des Faraday’schen Induktionsgesetzes wird in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Spannung induziert. Bei der Strömungsmessung wird dabei der bewegte Leiter durch den fließenden Messstoff gebildet. Das Magnetfeld wird durch zwei stromdurchflossene Feldspulen erzeugt. Bei der Messung des Durchflusses in einem Rohr werden an der Rohrinnenwand zwei Messelektroden senkrecht zu den Feldspulen angeordnet. Die Messelektroden greifen die beim Durchfließen des Messstoffes durch das Magnetfeld induzierte Spannung ab. Die induzierte Spannung ist proportional zur Durchflussgeschwindigkeit.
Über die bekannte Querschnittsfläche des Rohres im Bereich der Messelektroden wird aus der Durchflussgeschwindigkeit rechnerisch der Volumenstrom abgeleitet. Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit ist bei diesem Messprinzip praktisch unabhängig von Druck, Temperatur, Dichte und Viskosität des Messstoffes. Weiterhin können auch feststoffbeladene Flüssigkeiten gemessen werden, z.B. Erzschlämme oder Zellstoffbreie. Das Messprinzip kann mit einem freien Rohrquerschnitt realisiert werden, dadurch ist auch eine einfache Reinigung mit Reinigungslösungen möglich oder das Rohr molchbar. Ferner werden dadurch Druckverluste vermieden. Messeinrichtungen, die mit diesem Messprinzip arbeiten, weisen keine bewegten Teile auf und benötigen daher wenig Wartung und Pflege. Bei solchen Messeinrichtungen wird die hohe Messdynamik, die hohe Messsicherheit, Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität hervorgehoben.
Solche Messeinrichtungen werden häufig in der Prozesstechnik, z.B. in der chemischen Industrie, und für Dosieranwendungen eingesetzt. In vielen Fällen ist dabei die dauerhafte Zuverlässigkeit des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messwertes von besonderer Wichtigkeit, z.B. bei Dosierungen von Komponenten in einen Reaktor bei der Herstellung von Chemikalien, um Unfälle oder Umweltschäden zu vermeiden. Messeinrichtungen solcher Art sind beispielsweise bei der Anmelderin erhältlich.
Im Stand der Technik sind viele Ansätze zur Verbesserung der Zuverlässigkeit, insbesondere der Langzeitzuverlässigkeit, des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messwertes bekannt.
In der WO 98/20469 A1 ist ein Verfahren und eine Messeinrichtung beschrieben, bei der das aktuelle Messsignal mit einem erwarteten abgespeicherten Messsignal verglichen und daraus eine Restnutzungsdauer des Sensors bestimmt wird. Eine ähnliche Anordnung ist aus der US 6,654,697 B1 bekannt, jedoch für eine Differentialdrucksensor.
Aus der DE 101 34 672 C1 ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bekannt, bei dem die Sensoreinheit eine Sensordatenspeichereinheit aufweist, in der spezifische Kenngrößen der Sensoreinheit abgespeichert sind und von der die abgespeicherten spezifischen Kenngrößen an eine Auswerte- und Versorgungseinheit übertragbar sind. Solche magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräte sind ferner z. B. aus der EP 0 548 439 A1 sowie aus der US 5,469,746 bekannt. Bei der Sensoreinheit einerseits und der Auswerte- und Versorgungseinheit andererseits soll es sich um zwei körperlich voneinander verschiedene Einheiten handeln. Die wesentlichen Elemente der Sensoreinheit sind dabei das Messrohr, die Feldspulen und die Messelektroden, also all die Einrichtungen, die für die Erzeugung und Erfassung des Messeffekts erforderlich sind. Die Auswerte und Versorgungseinheit dient dabei einerseits der Versorgung der Feldspulen und andererseits der Auswertung des Messeffektes, nämlich der zwischen den Messelektroden induzierten Spannung. Um eine quantitative Auswertung der zwischen den Messelektroden induzierten Spannung zu ermöglichen, also um letztendlich einen Wert für den Durchfluss des durch das Messrohr strömenden Mediums zu ermitteln, sind spezifische Kenngrößen der Sensoreinheit erforderlich. Bei den oben genannten aus dem Stand der Technik bekannten magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten sind diese spezifischen Kenngrößen der Sensoreinheit in einer in der Sensoreinheit vorgesehenen Sensordatenspeichereinheit hinterlegt. Die Sensordatenspeichereinheit soll mittels der Feldspulenversorgungsleitungen mit der Auswerte- und Versorgungseinheit verbunden sein. Damit soll es möglich sein, die abgespeicherten spezifischen Kenngrößen von der Sensordatenspeichereinheit über die Feldspulenleitungen an die Auswerte- und Versorgungseinheit zu übertragen. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die in der Sensoreinheit vorgesehene Sensordatenspeichereinheit von einem nichtflüchtigen elektrisch überschreibbaren Speicher, wie einem EEPROM, gebildet wird.
Aus der DE 10 2006 006 152 A1 ist ein Verfahren zur Regelung und Überwachung des Messsystems, insbesondere eines Durchflussmessgerätes, bekannt, bei dem in zyklischen Zeitabständen neben der Messung einer Klemmenspannung U_k und des Klemmenstromes I_k auch der ohmsche Widerstand, die Induktivität, sowie die Größe eines Referenzwiderstandes und der Magnetisierungsstrom in zyklischen wiederkehrenden Abständen gemessen und mit Referenzwerten aus einer zuvorigen Kalibrierungsmessung verglichen und gespeichert werden. Der funktionale Kern soll dabei sein, dass zur Regelung und Überwachung des Messsystems nicht nur die Klemmenspannung U_k und der Klemmenstrom I_k verwendet wird. Um Veränderungen im System zu erkennen, werden Elemente zyklisch bestimmt, um gegebenenfalls entsprechend reagieren zu können. Es ist somit möglich, den Magnetisierungsstrom durch Regelung der Größe von I_k konstant zu halten. Die Kenndaten der einzelnen Größen der Elemente werden bei der Kalibrierung als Referenzgrößen gespeichert.
Aus der EP 2 074 385 B1 und der US 7,750,642 B2 ist ein Durchflussmessgerät bekannt, bei dem in einem Speicher bei der Herstellung eine Reihe von Nominaldaten von verschiedenen Parametern in einem Speicher abgelegt werden. Eine Überprüfungsschaltung ist vorgesehen, um eine Mehrzahl von Parametern des Durchflussmessgerätes zu messen und ein Ausgangssignal zu erzeugen in Abhängigkeit eines Vergleichs der gemessenen Werte mit den gespeicherten Werten.
Der Vergleich soll basiert werden z.B. auf Schwellwerten oder zeitlichen Änderungen. Die überwachten Parameter sollen z.B. den elektrischen Widerstand der Erregerspulen, die Induktivität der Erregerspulen, den Widerstand der Messelektroden, den analogen Ausgang, Wellenform und Pegel des Erregerstroms, Puls-Ausgangssignal, digitale Ein- und Ausgänge umfassen. Die Induktivität oder Kapazität soll anhand einer Testfunktion mit einem zeitvarianten Signal bestimmt werden. Die Testfunktion kann das Ansteuersignal für die Erregerspulen umfassen, das für den normalen Betrieb verwendet wird. Der Erregerspulenstrom soll über den Spannungsabfall an einen Sensorwiderstand gemessen werden, der in Reihe zu den Erregerspulen geschaltet ist. Nähere Einzelheiten sind nicht offenbart.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Lösungen bekannt, die insbesondere die Langzeitzuverlässigkeit einer Messeinrichtung der eingangs erwähnten Art verbessern sollen oder Korrekturwerte für die erhaltenen Messwerte bereitstellen sollen, um Veränderungen der Empfindlichkeit während der Nutzungsdauer einer solchen Messeinrichtung zu liefern. Solche Veränderungen können beispielsweise durch einen erhöhten Widerstandswert der Feldspulen entstehen, z.B. bei einem Betrieb bei veränderten Temperaturen oder einem Windungsschluss in der Feldspule. Vor allem im letzteren Fall ist die Generierung eines Alarmsignals vorteilhaft, um auf einen solchen Defekt hinzuweisen, durch den verfälschte Messwerte erzeugt werden.
Die beschriebenen Verfahren sind teilweise recht aufwendig und erfordern eine aufwendigere Bauweise der Messeinrichtung, insbesondere zusätzliche Sensorik oder benötigen eine angepasste Prozesssteuerung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung einer magnetisch-induktiven Messeinrichtung, insbesondere eines magnetisch-induktiven Strömungsmessgerätes, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, bei dem ein Magnetfeld durch ein stromdurchflossenes Feldspulensystem erzeugt wird, wobei der elektrische Strom ein getakteter Gleichstrom ist und das Feldspulensystem während eines Taktes mit einer zeitlich veränderlichen Gleichspannung beaufschlagt werden, wobei ferner die Spannung U über dem Feldspulensystem und der durch das Feldspulensystem fließende Strom I gemessen und wobei die magnetische Energie im Feldspulensystem zyklisch oder sporadisch bestimmt wird.
Als Feldspulensystem sind dabei eine oder mehrere Feldspulen zu verstehen, insbesondere jedoch eine gerade Anzahl an Feldspulen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es insbesondere möglich, auch solche Veränderungen der Empfindlichkeit einer solchen Messeinrichtung zu erkennen oder zu kompensieren, die nicht durch Veränderungen oder Defekte in der Messeinrichtung selbst verursacht sind, sondern die durch die Umgebungsbedingungen des Betriebsortes der Messeinrichtung bedingt sind. Solche können beispielsweise Fremdfelder oder ferromagnetische Stoffe im Nahbereich der Messeinrichtung umfassen. Veränderungen der Empfindlichkeit einer solchen Messeinrichtung führen zwangsläufig zu entsprechenden Messfehlern.
Durch die Messung der magnetischen Energie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich so einfach sowohl gerätebedingte Abweichungen als auch umgebungsbedingte Abweichungen gegenüber den Bedingungen, bei denen die Messeinrichtung kalibriert wurde, qualitativ und quantitativ erkennen und bestimmen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Bestimmung der magnetischen Energie wird die Anstiegszeit t_rise des Stroms ermittelt, wobei t_rise der Zeitbereich ist den der Strom benötigt bis eine Spule des Feldspulensystems oder das Feldspulensystem im eingeschwungenen Zustand ist.
Die bestimmte magnetische Energie des Feldspulensystems weist vorzugsweise die folgende Abhängigkeit auf: E ~ I². Die gemessene Stromstärke wird dabei in die Bestimmung der magnetischen Energie des Feldspulensystems einbezogen.
Die bestimmte magnetische Energie des Feldspulensystems weist zudem die folgende Abhängigkeit auf: E = K·t_rise·I². K ist dabei als eine Konstante zu verstehen. Bei der Bestimmung der magnetischen Energie wird somit zusätzlich zur gemessenen Stromstärke auch die Anstiegszeit mit einbezogen.
Die Konstante K ist proportional zu folgendem Ausdruck
wobei R der ohmsche Widerstand des Feldspulensystems, U₀ die Spannung über des Feldspulensystems sind, während I₀ der Strom durch die Spule im eingeschwungenen Zustand ist.
Die Bestimmung der magnetischen Energie des Feldspulensystems kann insbesondere nach folgender Formel erfolgen:
wobei R der ohmsche Widerstand des Feldspulensystems,
U₀ die Spannung über dem Feldspulensystem ist,
während t_rise und I₀ der Strom durch die Spule im eingeschwungenen Zustand ist.
Dadurch, dass die Feldspulen während eines Taktes mit einer zeitlich veränderlichen Gleichspannung beaufschlagt werden, kann das Magnetfeld bereits zu einem früheren Zeitpunkt seinen konstanten Magnetfeld-Endwert erreichen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die zeitlich veränderliche Gleichspannung eine Spannungsüberhöhung umfasst, und die Dauer t_shot der Spannungsüberhöhung erfasst wird.
Um die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringe Leitfähigkeit der Flüssigkeit zu machen und um einen stabilen Nullpunkt bei der Messung zu gewährleisten, wird das Magnetfeld vorzugsweise durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anstiegszeit t_rise aus der Summe der Dauer t_rev eines Rückstromes, der Dauer t_fwd eines Vorwärtsstromes und der Dauer t_drop des Übergangs des Vorwärtsstromes auf einen stationären Wert bestimmt, insbesondere die Dauer t_rev des Rückstromes aus der zeitlichen Abfolge der für den Rückstrom erfassten Messwerte durch lineare Interpolation, die Dauer t_fwd des Vorwärtsstromes aus der Differenz der Anstiegszeit t_rise und der Dauer der Spannungsüberhöhung t_shot und die Abfallzeit t_drop aus der zeitlichen Abfolge der für den Vorwärtsstrom erfassten Messwerte bestimmt.
Für eine einfache Auswertung ist es vorteilhaft, wenn die Spannung U₀ über der Feldspule gebildet wird aus den Mittelwerten der erfassten Spannung während der Anstiegszeit t_rise des Stroms, insbesondere nach der Formel U₀ = (U_rev·t_rev + U_fwd·(t_fwd + t_drop))/t_rise wobei U_rev die Spannung über der Feldspule während t_rev und U_fwd die Spannung über der Feldspule während der Zeiträume t_fwd und t_drop ist.
Der ohmsche Widerstand R der Feldspule wird bestimmt nach der Formel
R = U_stat/I₀, wobei U_stat die Klemmenspannung über der Feldspule im eingeschwungenen stationären Zustand ist.
Für eine gute Erfassung der Induktivität ist es zweckmäßig, wenn die Erfassungsrate der Werte für Spannung und Strom wenigstens etwa 10 kHz beträgt. Höhere Sampleraten verbessern zwar die Genauigkeit, erfordern jedoch auch leistungsfähigere Elektronik.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine magnetisch-induktive Messeinrichtung, insbesondere ein magnetisch-induktives Strömungsmessgerät, zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Gleichspannungsquelle enthaltend einen Taktgenerator, wobei die Gleichspannungsquelle mit den Anschlüssen einer Feldspulenanordnung verbunden ist und zwischen Gleichspannungsquelle und Feldspule ein Messwiderstand R_i in Serie zu der Feldspulenanordnung geschaltet ist, und wobei eine erste Spannungsmesseinrichtung mit den Anschlüssen der Feldspuleneinrichtung zur Messung der Spannung U über der Feldspuleneinrichtung verbunden ist, und wobei eine weitere Spannungsmesseinrichtung zur Messung des Spannungsabfalls über dem Messwiderstand R_i zur Erfassung des elektrischen Stromes I durch die Feldspuleneinrichtung mit dem Messwiderstand R_i verbunden ist, und wobei jede der Spannungsmesseinrichtungen mit einem Analog-Digital-Wandler verbunden ist zur Digitalisierung der erfassten Spannungswerte, wobei ferner der Analog-Digital-Wandler mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, wobei die Gleichspannungsquelle mit der Auswerteschaltung verbunden ist zur Übermittlung des Taktsignals, und die Auswerteschaltung ferner mit einer Zeitreferenz verbunden ist zur Erfassung der Zeitdauer der Spannungszustände zur Bestimmung der Induktivität nach dem Verfahren.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen an einem Beispiel erläutert werden Es zeigen:
1 ein Diagramm eines beispielhaften zeitlichen Verlaufes der Spannung über einer Feldspule;
2 ein Diagramm eines beispielhaften zeitlichen Verlaufes des Erregerstromes durch eine Feldspule in Form des Spannungsabfalls über einem Strom-Messwiderstand; und
3 eine schematische Darstellung einer beispielsweisen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft bei einer magnetisch-induktiven Messeinrichtung realisieren, insbesondere einem magnetisch-induktiven Strömungsmessgerät, bei dem die Feldspulenanordnung 1 mit einem getakteten Gleichstrom I wechselnder Polarität erregt wird. Die Feldspulenanordnung 1 umfasst zweckmäßig ein paar Feldspulen 1 zur Erzeugung des Magnetfeldes. Die Feldspulen 1 werden während eines Taktes mit einer zeitlich veränderlichen Gleichspannung U beaufschlagt, um ein rasches Erreichen des konstanten Strom-Endwerts und damit des Magnetfeldes zu erreichen.
Aus der US 3,634,733 A ist eine Schaltung zur Erregung einer induktiven Last bekannt, mit zwei Stromquellen unterschiedlicher Ausgangsspannungen, wobei eine Schaltverstärkerahnordnung die induktive Last zunächst mit der Stromquelle höherer Spannung für eine vorbestimmte Zeitspanne verbindet, nach deren Ablauf eine Triggerschaltung die Umschaltung auf eine Stromquelle niedrigerer Ausgangsspannung bewirkt, so dass die induktive Last zunächst für eine vorbestimmte Zeitdauer mit einem maximalen Strom angesteuert wird, und anschließend mit einem Stromquelle niedrigerer Spannung versorgt wird.
Aus der US 4,144,751 A ist eine Rechteckgeneratorschaltung zur Erregung, insbesondere zur Anwendung auf eine Feldspule einer elektromagnetischen Durchflussmesseinrichtung mit einem Polaritätswechsel des Stromes, bekannt. Während der Übergangszeit nach dem Schaltvorgang wird eine höhere Spannung von der Stromversorgung verwendet, um die Anstiegs- und -abfallzeiten zu verringern, und eine niedrigere Spannung wird während eines stationären Zustands des Erregerstromes verwendet zur Energieeinsparung. Ein Schaltverstärker wird verwendet, um die höhere Spannung bereitzustellen, während eine in Sperrrichtung gepolte Diode verwendet wird, um unmittelbar die niedrigere Spannung bereitzustellen, sobald der Erregerstrom einen stationären Wert angenommen hat. Eine Spannungskomparatorschaltung wird verwendet, um die von dem Erregerstrom erzeugte Spannung mit einer Referenzspannung zu vergleichen, um ein Ausgangssignal zum Betrieb des Schaltverstärkers zwischen seinen ein- und ausgeschalteten Zustand während der Übergangszeit und des stationären Zustands zu erzeugen.
Aus der EP 0 969 268 A1 ist Verfahren zum Regeln des Spulenstroms von magnetisch-induktiven Durchflussaufnehmern bekannt. Grundgedanke der beiden beschriebenen Varianten des Verfahrens ist es, die für die Erzeugung des Spulenstroms in jeder Halbperiode benötigte Spannung und deren zeitlichen Verlauf unter Heranziehung des nach dem Maximum des Spulenstroms bis zur Erreichung des konstanten Strom-Endwerts auftretenden Verlaufs des Spulenstroms in der vorhergehenden Halbperiode gezielt vorauszuberechnen. Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass dadurch erreicht wird, dass der Anstieg des Magnetfelds exakt dem Anstieg des Spulenstroms folgt, wie dies bei Spulensystemen ohne Spulenkerne und/oder Polschuhe der Fall ist. Somit erreicht das Magnetfeld bereits zu einem früheren Zeitpunkt seinen konstanten Magnetfeld-Endwert.
Das in 3 schematisch dargestellte magnetisch-induktive Strömungsmessgerät, das angepasst ist zur Durchführung des Verfahrens, umfasst eine Gleichspannungsquelle 2 enthaltend einen Taktgenerator. Die Gleichspannungsquelle 2 ist mit den Anschlüssen einer Feldspulenanordnung 1 verbunden. Zwischen Gleichspannungsquelle 2 und Feldspule 1 ist ein Messwiderstand (R_i) 3 in Serie zu der Feldspulenanordnung 1 geschaltet. Eine erste Spannungsmesseinrichtung 4 ist mit den Anschlüssen der Feldspuleneinrichtung 1 zur Messung der Spannung U über der Feldspuleneinrichtung 1 verbunden. Eine weitere Spannungsmesseinrichtung 5 ist mit dem Messwiderstand R_i 3 zur Messung des Spannungsabfalls über dem Messwiderstand R_i 3 verbunden zur Erfassung des elektrischen Stromes I durch die Feldspuleneinrichtung 1. Jede der Spannungsmesseinrichtungen 4, 5 ist mit einem Analog-Digital-Wandler 6 verbunden zur Digitalisierung der erfassten Spannungswerte. Ferner ist der Analog-Digital-Wandler 6 mit einer Auswerteschaltung 7 verbunden. Die Auswerteschaltung 7 ist verbunden mit der Gleichspannungsquelle 2 ist zur Übermittlung des Taktsignals, und die Auswerteschaltung 7 ist ferner mit einer Zeitreferenz 8 verbunden zur Erfassung der Zeitdauer der Spannungszustände zur Bestimmung der Induktivität nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Beim Betrieb einer solchen Messeinrichtung wird erfindungsgemäß durch die erste Spannungsmesseinrichtung 4 die Spannung U über der Feldspule 1 gemessen. Der durch die Feldspule 1 fließende Strom I wird dadurch gemessen, dass mit der zweiten Spannungsmesseinrichtung 5 der Spannungsabfall über dem Strom-Messwiderstand 3 Ri gemessen wird. Diese Messungen erfolgen zyklisch oder sporadisch, um die Induktivität der Feldspule 1 zu bestimmen. Die Spannungswerte der Spannungsmesseinrichtungen 4, 5 werden durch den Analog-Digital-Wandler 6 digitalisiert, zweckmäßig mit einer Samplerate von wenigstens etwa 10 kHz.
Der Spannungsverlauf über den Klemmen der Feldspule 1 ist in 1 dargestellt. Der Spannungsverlauf über dem Strom-Messwiderstand R_i 3 und damit der Verlauf des elektrischen Stromes durch die Feldspule 1 ist in 2 gezeigt. Auf der Ordinate ist jeweils die Spannung U aufgetragen, auf der Abszisse die Zeit t.
Die Feldspulen 1 werden während eines Taktes mit einer zeitlich veränderlichen Gleichspannung beaufschlagt. Die zeitlich veränderliche Gleichspannung umfasst eine Spannungsüberhöhung und die Dauer t_shot der Spannungsüberhöhung wird erfasst. Der Begin eines Taktes ist bestimmt durch den Polaritätswechsel der Spannung über der Feldspuleneinrichtung 1. Dieser Polaritätswechsel wird erfasst durch ein Signal der Gleichspannungsquelle 2 an die Auswerteschaltung 7. Der Taktbeginn kann aber auch aus dem Signal der ersten Spannungsmesseinrichtung 4 gewonnnen werden durch Messung der Spannung U über der Feldspuleneinrichtung 1.
Die Anstiegszeit t_rise des Erregerstromes I wird aus der Summe der Dauer t_rev des Rückstromes, der Dauer t_fwd des Vorwärtsstromes und der Dauer t_drop des Übergangs des Vorwärtsstromes auf einen stationären Wert bestimmt. Durch den Spannungssprung der Gleichspannung am Beginn des Taktes wird in der Feldspule 1 ein Rückstrom induziert. Die Bezeichnung Rückstrom ergibt sich daraus, dass der induzierte Rückstrom entgegen der Polarität der angelegten Gleichspannung gerichtet ist. Der Rückstrom ist einfach über die zweite Spannungsmesseinrichtung 5 feststellbar und durch einen negativen Spannungswert gekennzeichnet. Die Dauer t_rev des Rückstromes ist der Zeitraum, bis der Strom von dem negativen Anfangswert den Wert 0 erreicht. Der weitere Anstieg des Stromes I entsprechend der Polarität der angelegten Gleichspannung erfolgt während der Zeitdauer t_fwd. Das Ende der Zeitdauer t_fwd wird durch den steilen Spannungsabfall an der Feldspule 1 am Ende der Ausgabe der überhöhten Gleichspannung über die erste Spannungsmesseinrichtung 4 detektiert.
Die Länge der Zeitdauer t_fwd lässt sich daher aus der Dauer t_shot der Spannungsüberhöhung abzüglich der Dauer t_rev des Rückstromes ermitteln. Die Dauer t_drop des Übergangs des Vorwärtsstromes auf einen stationären Wert beginnt am Ende der Ausgabe der überhöhten Gleichspannung und wird über die erste Spannungsmesseinrichtung 4 detektiert.
Für eine erhöhte Genauigkeit ist es vorteilhaft, dass die Dauer t_rev des Rückstromes aus der zeitlichen Abfolge der für den Rückstrom durch die zweite Spannungsmesseinrichtung 5 erfassten Messwerte durch lineare Interpolation der erfassten Einzelwerte bestimmt wird.
Aus dem Signal der ersten Spannungsmesseinrichtung 4 wird die Spannung über der Feldspule 1 abgenommen. Die Bestimmung eines Wertes für die Spannung U₀ über der Feldspule 1 erfolgt aus den Mittelwerten der erfassten Spannung während der Anstiegszeit t_rise des Stroms nach der Formel
U₀ = (U_rev·t_rev + U_fwd·(t_fwd + t_drop))/t_rise, wobei U_rev die Spannung über der Feldspule während t_rev und U_fwd die Spannung über der Feldspule während der Zeiträume t_fwd und t_drop ist.
Der ohmsche Widerstand R der Feldspule 1 wird bestimmt nach der Formel
R = U_stat/I₀, wobei U_stat die Klemmenspannung über der Feldspule 1 im eingeschwungenen (stationären) Zustand und I₀ der Strom durch die Spule im eingeschwungenen Zustand ist.
Nun kann aus der Anstiegszeit t_rise nach der Formel
E = 0.5 × ((t_rise × R)/ln((U₀ + I₀ × R)/(U₀ – I₀ × R))) × I² die magnetische Energie bestimmt werden.
Veränderungen des Wertes der magnetischen Energie der Feldspuleneinrichtung bzw. des Feldspulensystems 1 gegenüber dem Wert bei Kalibrierung oder zeitlich vorhergehenden Werten, die wie zuvor beschrieben ermittelt wurden, können zur Korrektur des Messwertes durch die Auswerteschaltung 7 oder zur Ausgabe eines Warnsignals verwendet werden, um die Verwendung fehlerhafter Messwerte in einer Prozessteuerung zu vermeiden.
Für eine genaue Erfassung der Zeitdaten ist die Auswerteschaltung 7 mit einer Zeitreferenz 8 verbunden. Eine solche Zeitreferenz 8 kann auch in die Auswerteschaltung 7 integriert sein, wurde hier der Deutlichkeit halber jedoch als separates Element dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 98/20469 A1 [0006]
US 6654697 B1 [0006]
DE 10134672 C1 [0007]
EP 0548439 A1 [0007]
US 5469746 [0007]
DE 102006006152 A1 [0008]
EP 2074385 B1 [0009]
US 7750642 B2 [0009]
US 3634733 A [0036]
US 4144751 A [0037]
EP 0969268 A1 [0038]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer magnetisch-induktiven Messeinrichtung, insbesondere eines magentisch-induktiven Strömungsmessgerätes, bei dem ein Magnetfeld durch stromdurchflossene Feldspulensystems (1) erzeugt wird, wobei der elektrische Strom ein getakteter Gleichstrom ist und das Feldspulensystem (1) während eines Taktes mit einer zeitlich veränderlichen Gleichspannung beaufschlagt werden, wobei ferner die Spannung U über dem Feldspulensystem (1) und der durch das Feldspulensystem (1) fließende Strom I gemessen werden und wobei die magnetische Energie in dem Feldspulensystem (1) zyklisch oder sporadisch bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstiegszeit t_rise des Stroms ermittelt wird und die Bestimmung der magnetischen Energie anhand der ermittelten Anstiegszeit t_rise erfolgt, wobei t_rise der Zeitbereich ist den der Strom benötigt bis die Spule im eingeschwungenen Zustand ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte magnetische Energie des Feldspulensystems die folgende Abhängigkeit aufweist: E ~ I²
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte magnetische Energie des Feldspulensystems die folgende Abhängigkeit aufweist: E = K·t_rise·I²
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass K folgende Abhängigkeit aufweist:
wobei R der ohmsche Widerstand des Feldspulensystems (1), U₀ die Spannung über des Feldspulensystems (1) sind, während I₀ der Strom durch die Spule im eingeschwungenen Zustand ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zeitlich veränderliche Gleichspannung eine Spannungsüberhöhung umfasst, und die Dauer t_shot der Spannungsüberhöhung erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Strom ein getakteter Gleichstrom ist, insbesondere ein Gleichstrom wechselnder Polarität.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anstiegszeit t_rise aus der Summe der Dauer t_rev eines Rückstromes, der Dauer t_fwd eines Vorwärtsstromes und der Dauer t_drop des Übergangs des Vorwärtsstromes auf einen stationären Wert bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dauer t_rev des Rückstromes aus der zeitlichen Abfolge der für den Rückstrom erfassten Messwerte durch lineare Interpolation, die Dauer t_fwd des Vorwärtsstromes aus der Differenz der Anstiegszeit t_rise und der Dauer der Spannungsüberhöhung t_shot und die Abfallzeit t_drop aus der zeitlichen Abfolge der für den Vorwärtsstrom erfassten Messwerte bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Spannung U₀ über dem Spulensystem (1) gebildet wird aus den Mittelwerten der erfassten Spannung während der Anstiegszeit t_rise des Stroms.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Spannung U₀ nach der Formel U₀ = (U_rev × t_rev + U_fwd × (t_fwd + t_drop))/t_rise wobei U_rev die Spannung über dem Feldspulensystem während t_rev und U_fwd die Spannung über der Feldspule während der Zeiträume t_fwd und t_drop ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ohmsche Widerstand R des Feldspulensystems (1) bestimmt wird nach der Formel R = U_stat/I₀, wobei U_stat die Klemmenspannung über dem Feldspulensystem (1) im eingeschwungenen Zustand ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassungsrate der Werte für Spannung und Strom wenigstens etwa 10 kHz beträgt.
Magnetisch-induktive Messeinrichtung, insbesondere magnetisch-induktives Strömungsmessgerät, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Gleichspannungsquelle (2) enthaltend einen Taktgenerator, wobei die Gleichspannungsquelle (2) mit den Anschlüssen eines Feldspulensystems (1) verbunden ist und zwischen Gleichspannungsquelle (2) und Feldspulensystem (1) ein Messwiderstand R_i (3) in Serie zu dem Feldspulensystem (1) geschaltet ist, und wobei eine erste Spannungsmesseinrichtung (4) mit den Anschlüssen des Feldspulensystems (1) zur Messung der Spannung U über dem Feldspulensystem (1) verbunden ist, und wobei eine weitere Spannungsmesseinrichtung (5) zur Messung des Spannungsabfalls über dem Messwiderstand R_i (3) zur Erfassung des elektrischen Stromes I durch das Feldspulensystem (1) mit dem Messwiderstand R_i (3) verbunden ist, und wobei jede der Spannungsmesseinrichtungen (4, 5) mit einem Analog-Digital-Wandler (6) verbunden ist, zur Digitalisierung der erfassten Spannungswerte, wobei ferner der Analog-Digital-Wandler (6) mit einer Auswerteschaltung (7) verbunden ist, wobei die Gleichspannungsquelle (2) mit der Auswerteschaltung (7) verbunden ist zur Übermittlung des Taktsignals, und die Auswerteschaltung (7) ferner mit einer Zeitreferenz (8) verbunden ist zur Erfassung der Zeitdauer der Spannungszustände zur Bestimmung der magnetischen Energie insbesondere nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1.