DE102017107417A1

DE102017107417A1 - Verfahren zum Regeln eines in einer Spulenanordnung fließenden Spulenstroms und eine Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102017107417A1
Application number: DE102017107417.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Küng; Christian Knapp; André Schaubhut
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Ein Verfahren zum Regeln eines in einer Spulenanordnung (1) eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes fließenden Spulenstroms, welcher in einem ersten Zeitintervall einer Periodendauer positives und in einem zweiten Zeitintervall negatives Vorzeichen aufweist;wobei das Verfahren pro Zeitintervall zumindest die folgenden Schritte umfasst:i Regeln des Spulenstromes durch Vorgabe eines ersten Sollwert Izur Erzeugung eines Magnetfeldes für die Ermittlung eines Durchfluss-Messwertesii Regeln des Spulenstromes durch Vorgabe eines zweiten zum ersten Sollwert betragsungleichen Sollwert Izur Ermittlung eines wirbelstromabhängigen zeitlichen Stromverlaufs i(t) der Spulenanordnungwobei anhand des Stromverlaufs i(t) beim zweiten Sollwert eine Kompensation des Wirbelstromverhaltens der Spulenanordnung (1) bei der Regelung des Spulenstroms in Schritt i) auf den ersten konstanten Sollwert erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines in einer Spulenanordnung fließenden Spulenstroms und eine Schaltungsanordnung.
Ein gattungsgemäßes Verfahren wird in der EP 0 969 268 A1 offenbart. Dieses Verfahren hat sich insgesamt hervorragend zur Regelung eines Spulenstroms bewährt.
Ausgehend von der EP 0 969 268 A1 liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das vorgenannte Verfahren weitergehend zu verbessern, insbesondere die Abtastrate zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Regeln eines in einer Spulenanordnung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes fließenden Spulenstroms i(t), welcher in einem ersten Zeitintervall einer Periodendauer positives und in einem zweiten Zeitintervall negatives Vorzeichen aufweist; umfasst, insbesondere pro Zeitintervall, zumindest die folgenden Schritte:

i Regeln des Spulenstromes durch Vorgabe eines ersten Sollwerts I_c zur Erzeugung eines Magnetfeldes für die Ermittlung eines Durchfluss-Messwertes; und
ii Regeln des Spulenstromes durch Vorgabe eines zweiten zum ersten Sollwert betragsungleichen Sollwerts I_c0 zur Ermittlung eines wirbelstromabhängigen zeitlichen Stromverlaufs i_e0(t) der Spulenanordnung;

_e0

Ein negativer oder positiver Strom-Endwert kann in Schritt i erreicht werden. Diese beiden Stromendwerte sind vorzugsweise betragsgleich und konstant, nur mit unterschiedlichen Vorzeichen.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass jede der beiden Zeitintervalle deutlich verkürzt werden können. Im Ergebnis können in einer Zeiteinheit mehr Umpolungen erfolgen als mit dem bislang bekannten Verfahren.
Eine Spulenanordnung umfasst bekannterweise Spulen. Die Begriffe der Spulenanordnung und der Spulen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung als synonym zu verstehen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der zweite Sollwert kann vorteilhaft bei Null Ampere liegen. Dadurch wird eine exakte Regelung erreicht, da keine Überlagerung des Wirbelstroms mit Gleichanteilen des Spulenstroms erfolgt.
In diesem Kontext ist es ebenfalls von Vorteil, wenn der Sollwert in Schritt i) und/oder ii) konstant ist.
Der Sollwert in Schritt i) kann aufgrund einer Umpolung intermittierend ein positives oder ein negatives Vorzeichen aufweisen. Dadurch wird vorteilhaft eine Unterdrückung von Gleichsignalanteilen in der Elektrodenspannung des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts erreicht.
Es ist insbesondere von Vorteil, wenn das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät eine Schaltungsanordnung umfasst mit einer Schaltung, vorzugsweise einer H-Brückenschaltung, in welcher die Spulenanordnung angeordnet ist und welche mit einem ersten Pol mit einem Schaltungsnullpunkt und mit einem zweiten Pol mit einem ersten und einem zweiten Schalter verbunden ist, sowie eine Spannungsquelle zur Stromversorgung der Spulenanordnung, wobei die Spannungsquelle mit einem ersten Pol mit dem Schaltungsnullpunkt und mit einem zweiten Pol über eine Verbindungsleitung verbunden ist, auf welcher der erste Schalter angeordnet ist und wobei der zweite Pol der Schaltung über den zweiten Schalter mit dem Schaltungsnullpunkt verbindbar ist, wobei in Schritt i) die Schalter derart geschalten sind, dass der zweite Pol der Schaltung mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle verbunden und von dem Schaltungsnullpunkt getrennt ist.
Das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät kann eine Schaltungsanordnung, insbesondere die vorgenannte Schaltungsanordnung, umfassen mit einer Schaltung, vorzugsweise einer H-Brückenschaltung, in welcher die Spulenanordnung angeordnet ist und welche mit einem ersten Pol mit einem Schaltungsnullpunkt und mit einem zweiten Pol mit einem ersten Schalter und einem zweiten Schalter verbunden ist, sowie eine Spannungsquelle zur Stromversorgung der Spulenanordnung, wobei die Spannungsquelle mit einem ersten Pol mit dem Schaltungsnullpunkt und mit einem zweiten Pol über eine Verbindungsleitung verbunden ist, auf welcher der erste Schalter angeordnet ist, und wobei der zweite Pol der Schaltung über den zweiten Schalter mit dem Schaltungsnullpunkt verbindbar ist,
wobei in Schritt ii) die Schalter derart geschalten sind, dass der zweite Pol der Schaltung vom zweiten Pol der Spannungsquelle getrennt und mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden ist.
Das Umschalten von Schritt i) zu Schritt ii) kann vorteilhaft durch Ermittlung eines einzigen Strommesswertes in Schritt i) erfolgt.
Bevorzugt kann in Serie zur Schaltung ein Messwiderstand angeordnet sein, welcher den Spulenstrom misst.
In Schritt i) und/oder Schritt ii) kann nach der Ermittlung des Strommesswerts eine Ermittlung eines Durchflussmesswerts vorteilhaft erfolgen.
Das Verfahren kann vorteilhaft eine Vielzahl von kontinuierlich aufeinander folgende Zeitintervalle, mit den Schritten i und ii des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen.
Weiterhin erfindungsgemäß ist eine Schaltungsanordnung zum Regeln eines Spulenstroms einer Spulenanordnung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes, wobei die Schaltungsanordnung zumindest folgende Bauteile umfasst:

i eine H-Brückenschaltung mit zumindest einem ersten, zweiten, dritten und vierten Transistor, zumindest einer Spulenanordnung und mit zumindest einem ersten, zweiten, dritten und vierten Eckpunkt der H-Brückenschaltung, sowie
- i-a einem ersten Brückenzweig aus dem gesteuerten Strompfad eines ersten Transistors,
- i-b einem zweiten Brückenzweig aus dem gesteuerten Strompfad eines zweiten Transistors,
- i-c einem dritten Brückenzweig aus dem gesteuerten Strompfad eines dritten Transistors,
- i-d einem vierten Brückenzweig aus dem gesteuerten Strompfad eines vierten Transistors,
- i-e einer ersten Brückendiagonale zwischen dem ersten und dem zweiten Eckpunkt, wobei der erste Transistor und der dritte Transistor durch den ersten Eckpunkt miteinander verbunden sind und wobei der zweite Transistor und der vierte Transistor durch den zweiten Eckpunkt miteinander verbunden sind, sowie
- i-f einer zweiten Brückendiagonale zwischen dem dritten und dem vierten Eckpunkt, wobei der erste Transistor und der zweite Transistor durch den dritten Eckpunkt miteinander verbunden sind und wobei der dritte Transistor und der vierte Transistor durch den vierten Eckpunkt miteinander verbunden sind, wobei wobei entweder der erste und der vierte Transistor oder der zweite und der dritte Transistor gleichzeitig leitend gesteuert sind; wobei die Spulenanordnung auf der zweiten Brückendiagonalen zwischen dem dritten und vierten Eckpunkt angeordnet ist;
ii ein Widerstand zur Ermittlung des Spulenstroms, der mit der H-Brückenschaltung eine Serienschaltung bildet und mit einem Schaltungsnullpunkt verbunden ist und durch die der Spulenstrom fließt, und
iii eine gesteuerte Spannungsquelle, die
- iii-a einen Spannungsausgang aufweist und
- iii-b eine über der Serienschaltung liegende Spannung bestimmt,

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn sich der erste Schalter zur Zu- und/oder Abschaltung der Spannungsversorgung der H-Brückenschaltung in einer Verbindungsleitung zwischen der Spannungsquelle und der H-Brückenschaltung befindet.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn sich der zweite Schalter zwischen dem ersten Eckpunkt und dem Schaltungsnullpunkt befindet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Zuhilfenahme mehrerer Figuren näher erläutert. Es zeigen

1: Darstellung des Spulenstroms i(t) und des Magnetfeldes B(t) sowie der an der Spule anliegenden Spannung (u(t) aus dem Stand der Technik);
2: Darstellung des Verlaufs des Spulenstroms i(t) bzw. i₀(t) und des Verlaufs des Magnetfelds B(t) und B₀(t) durch eine Spulenstromregelung mit Kompensation von Wirbelströmen mit I_c = 375 mA bzw. I_c0 = 0 mA;
3: Darstellung eines Spulenstromverlaufs und des Verlaufs des Magnetfeldes über mehrere Messzyklen hinweg; und
4: Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Realisierung der erfindungsgemäßen Spulenstromregelung.

Das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes ist grundsätzlich bekannt. Gemäß dem Faraday'schen Induktionsgesetz wird in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Spannung induziert. Beim magnetisch-induktiven Messprinzip entspricht der fließende Messstoff bzw. das Messmedium dem bewegten Leiter. Ein Magnetfeld kann durch zwei Feldspulen, welche diametral am Messrohr angeordnet sind, erzeugt werden. Senkrecht dazu befinden sich an der Rohrinnenwand des Messrohres zwei Messelektroden, welche die beim Durchfließen des Messstoffes erzeugte Spannung abgreifen. Die induzierte Spannung verhält sich proportional zur Durchflussgeschwindigkeit und damit zum Volumendurchfluss. Das durch die Feldspulen aufgebaute Magnetfeld wird durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlicher gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenität in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Es sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Spulenanordnungen mit mehr als zwei Feldspulen und anderer geometrischer Anordnung bekannt. Ein konstruktiver Aufbau eines gattungsgemäßen Durchflussmessgerätes kann beispielsweise der DE 10 2014 114 289 A1 entnommen werden
Die Geschwindigkeit des Umschaltens des getakteten Gleichstromes ist ein wichtiger Teil der Messperformance des Durchflussmessgerätes. Je schneller das Umschalten erfolgt, umso höher ist die Anzahl an Messpunkten und somit die Abtastrate und die Messperformance des Durchflussmessgerätes.
Allerdings muss beachtet werden, dass beim Umschalten Wirbelströme im Magnetsystem erzeugt werden, welche störend sind bei der Regelung eines konstanten Magnetfelds und damit bei der Ermittlung eines Messpunkts.
Eine Spulenstromsteuerung eines gattungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts wird beispielsweise in der Druckschrift EP 0 969 268 A1 beschrieben, auf welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung vollumfänglich Bezug genommen wird.
Bei bisherigen Spulenstromsteuerungen war man bestrebt, durch die Regelung des Spulenstroms ein während der Messung der an den Elektroden durch den Fluss beweglicher Ladungsträger im Messmedium induzierten Spannung u(t) möglichst konstantes Magnetfeld zu erzeugen, um aus diesem Wert den Volumendurchfluss q(t) zu bestimmen.
1a und 1b zeigen beispielhaft die typischen Strom- und Spannungsverläufe einer solchen Regelung bei einem Sollwert eines Spulenstroms I_c von 375 mA. Diese Art der Spulenstromregelung wird bereits in der EP 0 969 268 A1 erörtert. Sie weist jedoch einige, nachfolgend näher beschriebene gerätespezifische Vereinfachungen auf. Auf Grund der zeitlichen Änderung des Magnetfelds während des Umpolens der Spule, d. h. während dem Anliegen einer sogenannten Anfangsspannung U_a für eine Zeitdauer t_a (vgl. 1b) werden im Magnetkreis Wirbelströme erzeugt, die dadurch kompensiert werden, indem man den Spulenstrom zunächst auf einen Strom-Endwert von I_m ansteigen lässt. Die Differenz aus dem erreichten Strom-Endwert des Spulenstroms I_m und des Sollwerts des Spulenstroms I_c entspricht einer Amplitude des Wirbelstroms $I_{e} = (I_{m} - I_{c})$
Der Wert der Amplitude beträgt im Beispiel der 1a 25 mA. Der Sollwert I_c und die Zeitdauer t_a, über welche die Anfangsspannung anliegt, werden auf Grundlage des Spulenstroms geregelt. Die beiden Messpunkte des Spulenstroms, auf deren Grundlage die Regelung erfolgt, sind in 2 durch zwei Kreuze dargestellt. Die beiden Strommessungen finden erst zu einem Zeitpunkt statt, bei dem die Wirbelströme im Magnetfeld abgeklungen sind. Eine entsprechende Abklingkonstante muss im Vorfeld bekannt sein. Im Unterschied dazu wird bei EP 0 969 268 A1der Stromverlauf während des Abklingens des Wirbelstroms mehrfach, zumindest dreimal abgetastet und daraus Korrekturwerte ermittelt.
Ist der erste Messwert kleiner als der zweite, so ist I_m durch eine Verlängerung von t_a zu vergrössern und umgekehrt, sodass man zwischen den beiden Messpunkten unter der Voraussetzung einer an der Spule anliegenden konstanten und geregelten Spannung (der sogenannten Restspannung U_c ) einen konstanten, dem Sollwert I_c entsprechenden Stromverlauf und damit ein konstantes Magnetfeld hat.
Anhand von 2 und 3 soll nachfolgend nunmehr ein Verfahren zum Regeln eines Spulenstroms beschrieben werden, welches durch eine reduzierte Anzahl an Strommessungen pro Messperiode die Abtastrate und damit die Messperformance des Durchflussmessgeräts erhöht und in welchem eine Regelung einer Anfangsspannung U_a vorteilhaft entfallen kann.
Ausgehend vom in 1 beschriebenen Stand der Technik wird der Spulenstrom alternierend auf zwei unterschiedliche Sollwerte I_c ≠ 0 A und I_c0 = 0 A geregelt. 2 zeigt beispielhaft den typischen Stromverlauf einer solchen Regelung bei einem Sollwert des Spulenstroms I_c von 375 mA (in 2 - oberes Diagramm) und I_c0 von 0 mA (in 2 - unteres Diagramm). Für die Stromverläufe zur Zeit t ≥ 0 s gilt $i (t) = I_{c} + i_{e} (t)$
$i_{0} (t) = I_{c0} + i_{e0} (t) \underline{= i_{e 0} (t)}$
mit i_e(t) und i_e0(t) als Wirbelströme zu den konstanten Sollwerten I_c und I_c0 , welche durch Exponentialfunktionen der Form $i_{e} (t) = i_{e*} e^{-t/ τ}$
$i_{e0} (t) = I_{e0*} e^{-t/ τ}$
angenähert werden können, wobei τ von den elektrischen Eigenschaften der Spule abhängt.
Nach dem Faraday'schen Induktionsgesetz ist die zeitliche Änderung des Magnetfelds bzw. gleichbedeutend die zeitliche Änderung des feldbildenden Spulenstroms Ursache von elektrischen Wirbelfeldern und damit Wirbelströmen im Magnetkreis.
Ist die für den Wechsel zwischen den Sollwerten I_c und I_c0 an der Spule zur Zeit t < 0 s anliegende und als konstant anzunehmende Anfangsspannung U_a deutlich grösser als die Restspannung U_c zur Zeit t ≥ 0 s, dann ist die zeitliche Änderung des Spulenstroms für t < 0 s näherungsweise konstant und damit unabhängig von I_c und I_c0 .
Damit gilt: $i_{e} (t) = i_{e0} (t)$
Ist dies nicht der Fall, so hat man auf Grund der Annahme, dass τ eine Konstante darstellt, einen linearen Zusammenhang zwischen i_e(t) und i_e0(t).
Somit gilt: $i_{e} (t) = {k*i}_{e0} (t)$
mit k als ${k=1-U}_{c} / U_{a}$
U_c und U_a sind entweder durch Messungen zu ermitteln oder von vornherein bekannt.
Aufgrund der Wahl des Sollwerts von I_c0 = 0 A kann der Stromverlauf nach Abklingen von i_e0(t) im Unterschied zum bisherigen Verfahren ohne eine zweite Messung des Spulenstroms am Ende der Messperiode ermittelt werden, welche in 2 im unteren Diagramm durch einen Kreis dargestellt ist.
Unter Anwendung obiger Annahmen ist aufgrund der in Gl. 5 und Gl. 6 dargestellten Zusammenhänge somit auch der Verlauf von i(t) in Gl. 1 mit nur einer Messung des Spulenstroms unmittelbar nach dem Abklingen von i_e(t) bestimmbar, wie dies in 2 im oberen Diagramm durch das linke Kreuz dargestellt ist.
3 stellt den Verlauf des Spulenstroms über mehrere Messzyklen hinweg dar.
Dies ist die Voraussetzung dafür, den Einfluss des Wirbelstroms auf das Magnetfeld zu kompensieren, um ein während der Abtastung der Elektrodenspannung bei der Ermittlung des Durchflussmesswerts konstantes Magnetfeld zu erzeugen.
Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Schaltung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts zeigt eine Brückenschaltung als sogenannte H-Schaltung 2.
In einem ersten Brückenzweig liegt der gesteuerte Strompfad eines ersten Transistors 13, in einem zweiten Brückenzweig der gesteuerte Strompfad eines zweiten Transistors 14, in einem dritten Brückenzweig der gesteuerte Strompfad eines dritten Transistors 15 und in einem vierten Brückenzweig der gesteuerte Strompfad eines vierten Transistors 16.
Durch diesen Aufbau ergeben sich vier Eckpunkte 2a, 2b, 2c, 2d der H-Schaltung: Die Transistoren 13, 14 sind durch den Eckpunkt 2c, die Transistoren 14, 16 durch den Eckpunkt 2b, die Transistoren 15, 16 durch den Eckpunkt 2d und die Transistoren 13, 15 durch den Eckpunkt 2a miteinander verbunden.
Eine erste Brückendiagonale liegt zwischen den Eckpunkten 2a, 2b und eine zweite Brückendiagonale zwischen den Eckpunkten 2c, 2d. In die zweite Brückendiagonale ist eine Spulenanordnung 1 gelegt, d.h. ein erster bzw. ein zweiter Anschluss der Spulenanordnung ist mit dem Eckpunkt 2c bzw. 2d verbunden.
Im Betrieb der Schaltungsanordnung sind entweder der erste und der vierte Transistor 13, 16 oder der zweite und der dritte Transistor 14, 15 gleichzeitig leitend gesteuert. Somit kann im ersten Fall (Transistoren 13, 16 leitend) ein (positiv vorausgesetzter) Strom vom Eckpunkt 2a zum Eckpunkt 2b durch die Spulenanordnung 1 und in der durch den nicht-gestrichelt gezeichneten Pfeil angegebenen Richtung fließen. Sind dagegen die Transistoren 14, 15 leitend, so fließt der gleiche Strom in umgekehrter Richtung durch die Spulenanordnung 1, wie dies durch den gestrichelt gezeichneten Pfeil veranschaulicht ist.
Die Spulenanordnung 1 hat eine Induktivität L und ist Teil eines ein Magnetfeld erzeugenden Magnetsystems eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts, der nicht dargestellt ist, da der mechanische Aufbau solcher Aufnehmer dem Fachmann längst bekannt ist, vgl. die z.B. die US-A 42 04 240 . Dabei weist das Magnetsystem einen Spulenkern und/oder einen Polschuh auf.
Wie dem Fachmann ebenfalls längst geläufig ist, wird der Spulenstrom durch das erwähnte abwechselnde Leitendsteuern der Transistoren 13, 16 bzw. 14, 15 so erzeugt, dass er in dem ersten Zeitintervall positives und in einem zweiten Zeitintervall negatives Vorzeichen aufweist. Pro Zeitintervall wird der Spulenstrom zunächst auf einen konstanten Strom-Endwert I_c0 und anschließend auf einen weiteren konstanten, zum vorhergehenden Strom-Endwert betragsungleichen zweiten Strom-Endwert I_c geregelt. Unter Strom-Endwert wird derjenige konstante Wert des Spulenstroms verstanden, der vor dem Umschalten in die andere Stromrichtung fließt oder derjenige konstante Wert vor dem Wechsel zum nächsten Strom-Endwert innerhalb eines Zeitintervall. Die Strom-Endwerte des zweiten Zeitintervalls sind bezogen auf die des ersten Zeitintervalls vorzugsweise betragsgleich.
Der Eckpunkt 2b liegt in 4 über einen Messwiderstand 10 an einem Schaltungsnullpunkt SN. Der Messwiderstand 10 bildet mit der H-Schaltung 2 eine Serienschaltung und ist vom Spulenstrom durchflossen.
Zusätzlich zu den Bauteilen der Schaltung der EP 0 969 268 A1 für eine H-Brückenschaltung wird ein Sollstrom I_co = 0 A in einer Spule 1 dadurch realisiert, indem mit einem Schalter S2 der Eckpunkt 2a mit dem Schaltungsnullpunkt SN kurzgeschlossen wird.
Gleichzeitig muss ein Schalter S1 geöffnet werden, um einen Kurzschluss einer vorgeschalteten gesteuerten Spannungsquelle 7 mit dem Schaltungsnullpunkt SN zu verhindern
Die gesteuerte Spannungsquelle 7 weist einen Spannungsausgang 7c auf und ist über den Schalter S1 mit dem Eckpunkt 2a der H-Schaltung verbunden und bestimmt damit die zwischen dem Eckpunkt 2a und dem Schaltungsnullpunkt SN liegende, hier positiv vorausgesetzte Spannung, vgl. das Pluszeichen am Ausgang 7c, sofern S1 geschlossen und S2 geöffnet ist, was der Ausgangssituation für die Erzeugung von I_c > 0 A entspricht. Die gesteuerte Spannungsquelle 7 ist über zwei Anschlüsse 7a, 7b vom Netz gespeist; sie liegt ferner über einen Ausgang 7d am Schaltungsnullpunkt SN.
Bei der Erfindung wird ferner der Spannungsabfall am Messwiderstand 10 dazu herangezogen, dass eine Wirkung von Wirbelströmen, die während des Anstiegs des Spulenstroms in den Spulenkernen und/oder den Polschuhen induziert werden und die die Anstiegsflanke des Magnetfelds gegenüber der Anstiegsflanke des Spulenstroms verzögern, kompensiert wird.
Dies wird dadurch erreicht, dass in jedem Zeitintervall die Anstiegsdauern t_a bzw. t_a0 des Spulenstroms und die Höhe des zum Strom-Endwert I_c > 0 A gehörigen Spannungs-Endwertes U_c sowie die Höhe des zum Strom-Endwert I_co = 0 A gehörigen Spannungs-Endwert U_co = 0 V, der durch das Schließen des Schalters S2 und das Öffnen des Schalters S1 eingestellt wird, derart beeinflusst bzw. geregelt werden, dass einerseits nach dem Erreichen eines Strommaximums I_m bzw. I_m0 kein weiterer Anstieg des Spulenstroms auftritt, sodass das Magnetfeld einen dem konstanten Strom-Endwert I_c bzw. I_c0 des Spulenstroms entsprechenden konstanten Magnetfeld-Endwert B_m bzw. B_m0 schon erreicht, wenn der Spulenstrom das Strommaximum I_m bzw. I_m0 erreicht, vgl. 2, und dass andererseits die Höhe des Spannungs-Endwerts U_c immer den konstanten Strom-Endwert I_c von z.B. 375 mA bedingt.
Weitere Elemente der Schaltung können modifiziert oder vereinfacht werden.
In den 4 sind die Transistoren 13, 14, 15, 16 der H-Schaltung immer mit nichtangeschlossener Steuer-Elektrode gezeichnet. Dadurch soll angedeutet werden, dass die Ansteuerung dieser Transistoren im Stand der Technik, z. B. in der eingangs erwähnten US-A 44 10 926 , hinlänglich beschrieben ist und der Fachmann somit weiß, was er wie anzusteuern hat. Ferner ist der gesteuerte Strompfad der Transistoren 13, 14, 15, 16 mit einer Freilaufdiode 17, 18, 19, 20 überbrückt.
Die erwähnten Transistoren sind zwar als Bipolar-Transistoren gezeichnet, jedoch können natürlich auch Feldeffekt-Transistoren, insb. Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren verwendet werden, ähnliches gilt für die Schalter S1 und S2.
Ein Hauptvorteil der Erfindung ist, dass der Volumendurchfluss q(t) mit einer höheren Abtastrate als bisher messbar ist. Dies wird in 1 verdeutlicht: Bisher erfolgt die Messung des Spulenstroms zweimal pro Messperiode, wobei die zweite Messung eine hinreichende Zeitdauer nach der ersten Messung stattfinden muss, um beurteilen zu können, ob der Spulenstrom i(t) und damit das Magnetfeld unter der Voraussetzung einer konstanten Haltespannung zwischen den beiden Zeitpunkten konstant ist, bevor mit der nächsten Messperiode begonnen werden kann. Mit dem neuen Verfahren wird nur noch eine Messung des Spulenstroms pro Messperiode direkt nach Abklingen des Wirbelstroms benötigt, wodurch sich die Messperiode erheblich verkürzt, was gleichbedeutend mit einer höheren Abtastrate von q(t) ist.
Hintergrund ist, dass bei einem Sollwert des Spulenstroms I_c0 = 0 A auch das zugehörige Magnetfeld Null ist und dadurch die Elektrodenspannung u(t) ein reines Störsignal darstellt, weil im Elektrodenkreis keine Induktion stattfindet. Mit diesem Wert lassen sich Störanteile in der Elektrodenspannung u(t) bei einem Sollwert I_c ≠ 0 A kompensieren, sofern eine Korrelation zwischen den beiden Störsignalen vorhanden ist.
Bezugszeichenliste

1: Spulenanordnung
2: H-Brückenschaltung
2a: Eckpunkt
2b: Eckpunkt
2c: Eckpunkt
2d: Eckpunkt
7: Spannungsquelle
7a: Anschlüsse
7b: Anschlüsse
7c: Ausgang
7d: Ausgang
10: Messwiderstand
13: Transistor
14: Transistor
15: Transistor
16: Transistor
17: Freilaufdiode
18: Freilaufdiode
19: Freilaufdiode
20: Freilaufdiode
41: Kontroller
S1: Schalter
S2: Schalter
SN: Schaltungsnullpunkt
t_a: Anstiegszeit des Spulenstroms beim Sollwert I_c
t_a0: Anstiegszeit des Spulenstroms beim Sollwert I_c0
I_c: Sollwert des Spulenstroms
I_c0: Sollwert des Spulenstroms bei 0 A
I_m: erreichter Wert des Spulenstroms in der Zeitdauer t_a beim Sollwert I_c
I_mo: erreichter Wert des Spulenstroms in der Zeitdauer t_a beim Sollwert I_c0
I_e: Amplitude des Wirbelstroms zum Sollwert I_c
I_e0: Amplitude des Wirbelstroms zum Sollwert I_c0
U_a: Anfangsspannung
U_c: Restspannung
i(t): Wert des Spulenstroms bei Zeitpunkt t
i_e(t): Wert des Wirbelstroms bei Zeitpunkt t und Sollwert I_c
I_e0(t): Wert des Wirbelstroms bei Zeitpunkt t und Sollwert I_c0
t: Zeit
L: Induktivität
B_m: Magnetfeld-Endwert beim Sollwert I_c
B_m0: Magnetfeld-Endwert beim Sollwert I_c0

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0969268 A1 [0002, 0003, 0027, 0029, 0052]
DE 102014114289 A1 [0024]
EP 0969268 [0030]
US 4204240 A [0049]
US 4410926 A [0058]

Claims

Verfahren zum Regeln eines in einer Spulenanordnung (1) eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes fließenden Spulenstroms i(t), welcher in einem ersten Zeitintervall einer Periodendauer positives und in einem zweiten Zeitintervall negatives Vorzeichen aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren, insbesondere pro Zeitintervall, zumindest die folgenden Schritte umfasst: i Regeln des Spulenstromes durch Vorgabe eines ersten Sollwerts I_c zur Erzeugung eines Magnetfeldes für die Ermittlung eines Durchfluss-Messwertes (Schritt i); und ii Regeln des Spulenstromes durch Vorgabe eines zweiten zum ersten Sollwert betragsungleichen Sollwerts I_c0 zur Ermittlung eines wirbelstromabhängigen zeitlichen Stromverlaufs i_e0(t) der Spulenanordnung (1) (Schritt ii); wobei anhand des Stromverlaufs i_e0(t) beim zweiten Sollwert eine Kompensation des Wirbelstromverhaltens der Spulenanordnung (1) bei der Regelung des Spulenstroms in Schritt i) auf den ersten konstanten Sollwert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sollwert bei Null Ampere liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert in Schritt i) und/oder ii) konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert in Schritt i) aufgrund einer Umpolung intermittierend ein positives oder ein negatives Vorzeichen aufweisen kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät eine Schaltungsanordnung umfasst mit einer Schaltung, vorzugsweise einer H-Brückenschaltung (2), in welcher die Spulenanordnung (1) angeordnet ist und welche mit einem ersten Pol mit einem Schaltungsnullpunkt (SN) und mit einem zweiten Pol mit einem ersten Schalter (S1) und einem zweiten Schalter (S2) verbunden ist, sowie eine Spannungsquelle (7) zur Stromversorgung der Spulenanordnung (1), wobei die Spannungsquelle (7) mit einem ersten Pol mit dem Schaltungsnullpunkt (SN) und mit einem zweiten Pol über eine Verbindungsleitung verbunden ist, auf welcher der erste Schalter (S1) angeordnet ist, und wobei der zweite Pol der Schaltung über den zweiten Schalter (S2) mit dem Schaltungsnullpunkt (SN) verbindbar ist, wobei in Schritt i) die Schalter (S1) und (S2) derart geschalten sind, dass der zweite Pol der Schaltung mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle (7) verbunden und von dem Schaltungsnullpunkt (SN) getrennt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät eine Schaltungsanordnung umfasst mit einer Schaltung, vorzugsweise einer H-Brückenschaltung (2), in welcher die Spulenanordnung (1) angeordnet ist und welche mit einem ersten Pol mit einem Schaltungsnullpunkt (SN) und mit einem zweiten Pol mit einem ersten Schalter (S1) und einem zweiten Schalter (S2) verbunden ist, sowie eine Spannungsquelle (7) zur Stromversorgung der Spulenanordnung (1), wobei die Spannungsquelle (7) mit einem ersten Pol mit dem Schaltungsnullpunkt (SN) und mit einem zweiten Pol über eine Verbindungsleitung verbunden ist, auf welcher der erste Schalter (S1) angeordnet ist, und wobei der zweite Pol der Schaltung über den zweiten Schalter (S2) mit dem Schaltungsnullpunkt (SN) verbindbar ist, wobei in Schritt ii) die Schalter (S1) und (S2) derart geschalten sind, dass der zweite Pol der Schaltung vom zweiten Pol der Spannungsquelle (7) getrennt und mit dem Schaltungsnullpunkt (SN) verbunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten von Schritt i) zu Schritt ii) durch Ermittlung eines einzigen Strommesswertes in Schritt i) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zur Schaltung ein Messwiderstand (10) angeordnet ist, welcher den Spulenstrom misst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt i) und/oder Schritt ii) nach der Ermittlung des Strommesswerts eine Ermittlung eines Durchflussmesswerts erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Vielzahl von kontinuierlich aufeinanderfolgende Zeitintervallen umfasst.
Schaltungsanordnung zum Regeln eines Spulenstroms einer Spulenanordnung (1) eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes, wobei die Schaltungsanordnung zumindest folgende Bauteile umfasst: i eine H-Brückenschaltung (2) mit zumindest einem ersten, zweiten, dritten und vierten Transistor (13-16), zumindest einer Spulenanordnung (1) und mit zumindest einem ersten, zweiten, dritten und vierten Eckpunkt (2a-2d) der H-Brückenschaltung (2), sowie i-a einem ersten Brückenzweig aus dem gesteuerten Strompfad eines ersten Transistors (13), i-b einem zweiten Brückenzweig aus dem gesteuerten Strompfad eines zweiten Transistors (14), i-c einem dritten Brückenzweig aus dem gesteuerten Strompfad eines dritten Transistors (15), i-d einem vierten Brückenzweig aus dem gesteuerten Strompfad eines vierten Transistors (16), i-e einer ersten Brückendiagonale zwischen dem ersten und dem zweiten Eckpunkt (2a, 2b), wobei der erste Transistor (13) und der dritte Transistor (15) durch den ersten Eckpunkt (2a) miteinander verbunden sind und wobei der zweite Transistor (14) und der vierte Transistor (16) durch den zweiten Eckpunkt (2b) miteinander verbunden sind, sowie i-f einer zweiten Brückendiagonale zwischen dem dritten und dem vierten Eckpunkt (2c, 2d), wobei der erste Transistor (13) und der zweite Transistor (14) durch den dritten Eckpunkt (2c) miteinander verbunden sind und wobei der dritte Transistor (15) und der vierte Transistor (16) durch den vierten Eckpunkt (2d) miteinander verbunden sind, wobei wobei entweder der erste und der vierte Transistor (13, 16) oder der zweite und der dritte Transistor (14, 15) gleichzeitig leitend gesteuert sind; wobei die Spulenanordnung (1) auf der zweiten Brückendiagonalen zwischen dem dritten und vierten Eckpunkt (2c, 2d) angeordnet ist; ii ein Widerstand (10) zur Ermittlung des Spulenstroms, der mit der H-Brückenschaltung eine Serienschaltung bildet und mit einem Schaltungsnullpunkt (SN) verbunden ist und durch die der Spulenstrom fließt, und iii eine gesteuerte Spannungsquelle (7), die iii-a einen Spannungsausgang (7c) aufweist und iii-b eine über der Serienschaltung liegende Spannung bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Spannungsquelle (7) und der H-Brückenschaltung (2) ein erster Schalter (S1) zur Unterbrechung einer Verbindungsleitung zwischen der Spannungsquelle (7) und der H-Brückenschaltung (2) angeordnet ist und dass von der H-Brückenschaltung (2) eine Verzweigung zur Verbindung der H-Brückenschaltung (2) mit dem Schaltungsnullpunkt (SN) besteht, wobei die Verzweigung einen zweiten Schalter (S2) aufweist, mit welchem die H-Brückenschaltung mit dem Schaltungsnullpunkt (SN) verbindbar ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Schalter (S1) zur Zu- und/oder Abschaltung der Spannungsversorgung der H-Brückenschaltung (2) in einer Verbindungsleitung zwischen der Spannungsquelle (7) und der H-Brückenschaltung (2) befindet.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Schalter (S2) zwischen dem Eckpunkt (2a) und dem Schaltungsnullpunkt (SN) befindet.