DE10317456B4 - Method for operating a magneto-inductive flowmeter - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben eines magnetisch-induktiven Durchflußmessers, bei dem man senkrecht zu einer Durchflußrichtung ein Magnetfeld erzeugt, das zu einer ersten Gruppe von Zeitpunkten eine erste Richtung und zu einer zweiten Gruppe von Zeitpunkten eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung aufweist, wobei man eine erste Sequenz von Magnetfeldblöcken und danach eine zweite, zeitlich gleichartige Sequenz von Magnetfeldblöcken erzeugt, wobei in der zweiten Sequenz das Magnetfeld in jedem Magnetfeldblock entgegengesetzt zum entsprechenden Magnetfeldblock in der ersten Sequenz gerichtet ist, und bei dem man senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Durchflußrichtung ein Meßsignal zwischen zwei Elektroden abnimmt und auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen den Magnetfeldblöcken (V2, V4; V2', V4') einer Sequenz eine Pause (V3; V3') anordnet und man die Meßsignale aus beiden Sequenzen miteinander verknüpft, wobei die Pausen (V3; V3') mitverwendet werden.method for operating a magnetic-inductive flowmeter, in which one generates perpendicular to a flow direction, a magnetic field, the to a first group of times a first direction and to a second group of times a second, the first direction has opposite direction, wherein a first sequence of magnetic field blocks and then generates a second, temporally similar sequence of magnetic field blocks, wherein in the second sequence the magnetic field in each magnetic field block opposite to the corresponding magnetic field block in the first Sequence is directed, and perpendicular to the magnetic field and perpendicular to the flow direction a measuring signal decreases and evaluates between two electrodes, characterized that he between the magnetic field blocks (V2, V4, V2 ', V4') arranges a sequence of a pause (V3, V3 ') and one the measuring signals from both sequences linked, the pauses (V3; V3 ') be used.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines magnetisch-induktiven Durchflußmessers, bei dem man senkrecht zu einer Durchflußrichtung ein Magnetfeld erzeugt, das zu einer ersten Gruppe von Zeitpunkten eine erste Richtung und zu einer zweiten Gruppe von Zeitpunkten eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung aufweist, wobei man eine erste Sequenz von Magnetfeldblöcken und danach eine zweite, zeitlich gleichartige Sequenz von Magnetfeldblöcken erzeugt, wobei in der zweiten Sequenz das Magnetfeld in jedem Magnetfeldblock entgegengesetzt zum entsprechenden Magnetfeldblock in der ersten Sequenz gerichtet ist, und bei dem man senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Durchflußrichtung ein Meßsignal zwischen zwei Elektroden abnimmt und auswertet.The The invention relates to a method for operating a magneto-inductive flowmeter in which a magnetic field is generated perpendicular to a direction of flow, that at a first group of times a first direction and for a second group of times a second, the first Direction opposite direction, where a first Sequence of magnetic field blocks and then generates a second, temporally similar sequence of magnetic field blocks, wherein in the second sequence the magnetic field in each magnetic field block opposite to the corresponding magnetic field block in the first Sequence is directed, and perpendicular to the magnetic field and perpendicular to the flow direction a measuring signal between two electrodes decreases and evaluates.
Ein
derartiges Verfahren ist beispielsweise aus
Eine ähnliche
Vorgehensweise ist aus
In
Durchflußmesser sollten eine möglichst hohe Genauigkeit haben. Insbesondere sollte das Meßsignal den Wert Null anzeigen, wenn kein Durchfluß vorhanden ist. ISO4064 beschreibt eine Fehlergrenze für Durchflußmesser der Klasse C, die z.B. für Analysezwecke benutzt werden können. Solche Durchflußmesser müssen bei einer Strömung von 30 mm/s eine Genauigkeit von ± 2 % aufweisen.flowmeter should be as high as possible Have accuracy. In particular, the measurement signal should indicate the value zero, if there is no flow is. ISO4064 describes an error limit for Class C flow meters, e.g. for analysis purposes can be used. Such flowmeters have to at a current of 30 mm / s have an accuracy of ± 2%.
Dies läßt sich bei einem Durchflußmesser, dessen Auswerteeinrichtung wiederholt an- und abgeschaltet wird, beispielsweise um Energie einzusparen, praktisch nicht erreichen. Insbesondere bei batteriebetriebenen Durchflußmessern wird die Elektronik in solchen Zeiträumen, in denen keine Messung vorgenommen werden soll, abgeschaltet. Jedes Mal, wenn die "Elektronik" wieder eingeschaltet wird, ergibt sich ein unerwünschter exponentieller Einschwingverlauf des Meßsignals. Unter anderem trägt ein Aufbau einer elektrischen Ladungsschicht auf den Elektroden zu diesem Einschwingen des Meßsignals bei. Man nimmt an, daß eine Ladungsschicht auf den Elektroden verschwindet, wenn über eine gewisse Zeit kein Meßsignal abgenommen und kein Magnetfeld erzeugt wird. Wenn die Auswerteeinrichtung wieder eingeschaltet wird, dann läuft ein Vorspannstrom im Vorverstärker und dieser Strom erzeugt eine Spannung an den Elektroden. Hierdurch wird die Ladungsschicht wieder aufgebaut und dadurch folgt das Meßsignal am Beginn der Messung einem exponentiellen Verlauf, d.h. es fängt mit einer höheren Spannung an und fällt dann mit der Zeit ab, oder es fängt mit einer tieferen Spannung an und nimmt mit der Zeit zu. Dieses Einschwingverhalten ist von der Impedanz des strömenden Mediums und dessen Temperatur, aber auch vom Material der Elektrode abhängig.This can be in a flow meter, the evaluation is repeatedly switched on and off, for example, to save energy, practically not reach. Especially with battery-operated flow meters, the electronics in such periods in which no measurement is to be made, switched off. Each time the "electronics" are switched on again, there is an undesirable exponential transient response of the measurement signal. Among other things, a structure of an electric charge layer on the electrodes contributes to this settling of the Measurement signal at. It is believed that a charge layer on the electrodes disappears when no measurement signal is removed over a certain time and no magnetic field is generated. When the evaluation device is switched on again, then a bias current runs in the preamplifier and this current generates a voltage at the electrodes. As a result, the charge layer is rebuilt and thereby follows the measurement signal at the beginning of the measurement an exponential curve, ie it starts with a higher voltage and then decreases with time, or it starts with a lower voltage and increases with time. This transient response depends on the impedance of the flowing medium and its temperature, but also on the material of the electrode.
Wenn man dieses Einschwingverhalten außer acht läßt, ergibt sich ein Fehler des Meßsignals, der während der Einschwingdauer eine Größenordnung von 2 bis 3 mm/s erreichen kann. Mit anderen Worten wäre dies ein Fehler von etwa 10 %.If ignoring this transient response results in an error of the measuring signal, the while the transient time an order of magnitude from 2 to 3 mm / s. In other words, this would be an error of about 10%.
Batteriebetriebene Durchflußmesser haben nur einen geringen Energievorrat zur Verfügung. Dennoch wünscht man, daß sie längere Lebensdauern erreichen sollen, beispielsweise sieben Jahre. Der Strom, mit dem die Magnetfeldspulen erzeugt werden, muß somit sehr niedrig gehalten werden, typischerweise etwa 20 mA. Dies hat wiederum ein sehr kleines Meßsignal zur Folge, d.h. einen geringen Rauschabstand.battery powered flowmeter have only a small amount of energy available. Nevertheless, one wishes that she longer To achieve lifespan, for example seven years. Of the Current with which the magnetic field coils are generated, must thus be kept very low, typically about 20 mA. this has again a very small measuring signal result, i. a low signal to noise ratio.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fehler im Meßergebnis kleinzuhalten.Of the Invention is based on the object, an error in the measurement result small injury.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß man zwischen den Magnetfeldblöcken einer Sequenz eine Pause anordnet und man die Meßsignale aus beiden Sequenzen miteinander verknüpft, wobei die Pausen mitverwendet werden.These Task is characterized by a method of the type mentioned by solved, that one between the magnetic field blocks a sequence is paused and the measurement signals from both sequences linked together, the breaks are shared.
Der Begriff "Magnetfeldblock" wird mit der gleichen Bedeutung verwendet wir der Begriff "Magnetfeldimpuls". Die Magnetfeldblöcke oder -impulse können aber durchaus eine gewisse zeitliche Länge haben. In einem Magnetfeldimpuls wird der Strom für eine vorbestimmte Zeit durch die Magnetspulenanordnung geleitet, um das Magnetfeld zu erzeugen. Für die nachfolgende Betrachtungsweise soll vereinfachend angenommen werden, daß es sich um Rechteck-Blöcke handelt, auch wenn dies nicht vollständig der Realität entsprechen muß.Of the Term "magnetic field block" comes with the same Meaning we use the term "magnetic field pulse". But the magnetic field blocks or pulses can certainly have a certain length of time. In a magnetic field pulse is the electricity for one predetermined time passed through the solenoid assembly to the To generate magnetic field. For the following approach is assumed to be simplistic be that it around rectangle blocks even if this does not fully correspond to reality got to.
In der ersten Sequenz von Magnetfeldblöcken hat das Magnetfeld beispielsweise zuerst die erste Richtung und dann die zweite Richtung. In der zweiten Sequenz hat das Magnetfeld dann zuerst die zweite Richtung und dann die erste Richtung. Wenn man nun diese Anregung auf den exponentiellen Verlauf des Meßsignals überlagert, dann kann man durch eine entsprechende Verknüpfung der Ausgangssignale aus beiden Sequenzen dafür sorgen, daß der durch den exponentiellen Verlauf verursachte Fehler verschwindet. Dieser Fehler macht sich beispielsweise in der ersten Sequenz mit einer positiven Abweichung bemerkbar, während er in der zweiten Sequenz mit einer negativen Abweichung auftritt. Da beide Sequenzen den gleichen Verlauf haben, ist anzunehmen, daß der Fehler in positive Richtung und in negative Richtung jeweils etwa die gleiche Größe hat. Durch eine Zusammenfassung der Meßsignale kann man diesen Fehler daher zumindest weitgehend eliminieren.In For example, in the first sequence of magnetic field blocks, the magnetic field has first the first direction and then the second direction. In the second Sequence, the magnetic field then has the second direction first and then the first direction. If you now take this suggestion to the exponential Superimposed on the course of the measuring signal, then you can by an appropriate linkage of the output signals two sequences for it take care that the Errors caused by the exponential process disappear. For example, this error occurs in the first sequence a positive deviation noticeable while in the second sequence with a negative deviation occurs. Since both sequences the same course, it is to assume that the error in a positive direction and in the negative direction each has about the same size. By summarizing the measurement signals you can get this error therefore at least largely eliminate.
Vorzugsweise verwendet man in jeder Sequenz genauso viele Magnetfeldblöcke mit einem Magnetfeld in die erste Richtung wie Magnetfeldblöcke mit einem Magnetfeld in die zweite Richtung. Mit anderen Worten weist jede Sequenz insgesamt eine gerade Anzahl von Magnetfeldblöcken auf. Damit wird zweierlei erreicht. Zum einen läßt sich bereits innerhalb einer jeden Sequenz eine Nullpunktkompensierung durchführen. Zum anderen wird der durch den exponentiellen Verlauf des Meßsignals auftretende Fehler tatsächlich zuverlässig eliminiert.Preferably you use the same number of magnetic field blocks in each sequence a magnetic field in the first direction like magnetic field blocks with a magnetic field in the second direction. In other words, points each sequence has an even number of magnetic field blocks in total. This achieves two things. On the one hand can be already within one perform zero compensation for each sequence. On the other hand, the errors occurring due to the exponential course of the measuring signal indeed reliable eliminated.
Vorzugsweise verwendet man in jeder Sequenz genau einen Magnetfeldblock in jede Richtung. Eine Sequenz, die genau zwei Magnetfeldblöcke aufweist, reicht aus, um eine Messung mit der erforderlichen Genauigkeit durchzuführen, wenn man zwei Sequenzen miteinander kombiniert.Preferably you use exactly one magnetic field block in each sequence Direction. A sequence that has exactly two magnetic field blocks, is sufficient to perform a measurement with the required accuracy when you combine two sequences.
Vorzugsweise
ordnet man zwischen den Magnetfeldblöcken eine Pause an. Diese entspricht dann
unter diesem Gesichtspunkt im wesentlichen der Vorgehensweise aus
Vorzugsweise beginnt man jede Sequenz mit einer Pause. Mit anderen Worten gibt man beim Einschalten noch keinen Strom auf die Magnetspulen, sondern schaltet zunächst einmal die Verstärkeranordnung ein. Dabei ergibt sich, wie oben geschildert, ein "Leerlaufsignal" mit einem exponentiellen Verlauf. Wenn man die Sequenz mit der Pause beginnen läßt, dann erhält man ein Meßsignal mit einer geringeren Störung durch den exponentiellen Verlauf, kann aber das Leerlaufsignal zur Auswertung mit verwenden.Preferably Start each sequence with a pause. In other words there you do not have power on the solenoids when you turn it on switch first once the amplifier arrangement one. This results, as described above, an "idle signal" with an exponential Course. If you start the sequence with the pause, then receives one measurement signal with a lower disturbance by the exponential course, but can the idle signal to Use evaluation with.
Bevorzugterweise wählt man die Pause zu Beginn der Sequenz genau so lange, wie die Pause zwischen den Magnetfeldblöcken. Damit ergeben sich auch innerhalb einer Sequenz praktisch symmetrische Verhältnisse, die man zur Unterdrückung eines Nullpunktfehlers positiv verwenden kann.preferably, you choose the pause at the beginning of the sequence as long as the pause between the magnetic field blocks. This results in practically symmetrical within a sequence relationships the one to oppression a zero error can use positive.
Auch ist von Vorteil, wenn man jede Sequenz mit einem Magnetfeldblock beginnt und mit einer Pause abschließt. Mit dieser Sequenz erreicht man Meßwerte mit größeren Amplituden. Dies ist bei amplitudenmäßig kleineren Elektrodensignalen günstig.Also is beneficial if you have any sequence with a magnetic field block begins and ends with a break. Achieved with this sequence one readings with larger amplitudes. This is smaller in amplitude Electrode signals low.
Vorzugsweise bildet man für jeden Magnetfeldblock und jede Pause eine Vielzahl von Abtastwerten des Meßsignals. Man beschränkt sich also bei der Auswertung des Meßsignals nicht auf die Zeiten, in denen ein Magnetfeld erzeugt wird. Darüber hinaus wird das Meßsignal analog/digital-gewandelt, was eine Auswertung des Meßsignals durch eine Recheneinrichtung erleichtert.Preferably one forms for each magnetic field block and each pause a plurality of samples of the measuring signal. One limits Thus, in the evaluation of the measurement signal is not on the times in which a magnetic field is generated. In addition, the measuring signal analog / digital-converted, which is an evaluation of the measured signal facilitated by a computing device.
Hierbei ist bevorzugt, daß man in jedem Magnetfeldblock eine Einschwingzeit abwartet, bevor man Abtastwerte bildet. Der Aufbau des Magnetfeldes benötigt eine gewisse Zeit, in der das Meßsignal ohnehin nicht richtig zu gebrauchen wäre. Wenn man nun die Einschwingzeit abwartet, dann umgeht man dieses Problem auf elegante Weise.in this connection is preferred that one In each magnetic field block a settling time waits before you Forms samples. The structure of the magnetic field requires a certain time in which the measurement signal anyway not to use properly. If one waits for the settling time, then one bypasses this Problem in an elegant way.
Bevorzugterweise bildet man für jeden Magnetfeldblock und jede Pause jeweils einen Mittelwert des Meßsignals. Man konzentriert also sozusagen das Meßsignal auf einen Wert. Die wenigen Werte lassen sich später leichter handhaben.preferably, one forms for each magnetic field block and each pause each have an average of Measurement signal. So you concentrate, so to speak, the measurement signal to a value. The few values can be later easier to handle.
Hierbei ist bevorzugt, daß man für jede Sequenz aus den Mittelwerten einen Sequenz-Mittelwert bildet und aus den Sequenz-Mittelwerten von zwei aufeinanderfolgenden Sequenzen einen Meßwert. Dies ist eine relativ einfache Vorgehensweise, um aus dem Meßsignal den Meßwert zu ermitteln.in this connection is preferred that one for every Sequence of the means forms a sequence mean and from the sequence averages of two consecutive sequences a measured value. This is a relatively simple procedure to get out of the measurement signal the measured value to investigate.
Bevorzugterweise wartet man zwischen zwei Sequenzen eine Wartezeit ab, die länger als eine Sequenz ist. Dadurch schafft man für jede Sequenz praktisch wieder die gleichen Bedingungen.preferably, Wait between two sequences for a waiting period longer than a sequence is. This creates practically every sequence again the same conditions.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment described in more detail in connection with the drawing. Herein show:
Ein
magnetisch-induktiver Durchflußmesser
Der
Durchflußmesser
Senkrecht
zum Magnetfeld und senkrecht zur Durchflußrichtung sind zwei Elektroden
Die
Elektroden
Die
Auswerteeinrichtung
Wie
oben erläutert,
wird der Durchflußmesser
Man
verwendet daher eine Vorgehensweise, die anhand von
Nach
dem Einschalten der Elektronik wird dieses Meßsignal M zwar ausgewertet.
Man erzeugt jedoch noch kein Magnetfeld. Man beginnt also jede der
beiden in
Die
beiden Sequenzen entsprechen sich zeitlich, d.h. die Zeiten der
Pausenabschnitte V1, V1' bzw.
V3, V3' und die
Zeiten der Magnetfeldblöcke
V2, V2' bzw. V4,
V4' sind gleich.
Allerdings hat das Magnetfeld in einander entsprechenden Abschnitten
der Sequenzen jeweils eine entgegengesetzte Richtung. In der in
Während der vier Zeitabschnitte V1-V4 bzw. V1'-V4' der beiden Sequenzen wird das Meßsignal M abgetastet, typischerweise hundert Mal in jeder Periode. Aus den abgetasteten Werten wird ein Mittelwert pro Zeitperiode errechnet, also insgesamt vier Mittelwerte pro Sequenz. Diese Mittelwerte sind als Blöcke schraffiert eingezeichnet. An dieser Stelle soll bemerkt werden, daß man zweckmäßigerweise nicht über die gesamten Magnetfeldblöcke V2, V4 bzw. V2', V4' abtastet, sondern eine Einschwingzeit abwartet. Dies ist jeweils durch eine gestrichelte Grenzlinie dargestellt.During the four periods V1-V4 and V1'-V4 'of Both sequences become the measuring signal M is sampled, typically one hundred times in each period. From the sampled values, an average is calculated per period of time, So a total of four means per sequence. These mean values are hatched as blocks located. It should be noted at this point that one expediently no over the entire magnetic field blocks V2, V4 or V2 ', V4 'scans, but a settling time waits. This is indicated by a dashed line Shown borderline.
Man erzeugt also in der ersten Sequenz ein Impulsmuster: Pause-positiver Impuls-Pause-negativer Impuls und später in der zweiten Sequenz ein Impulsmuster Pause-negativer Impuls-Pause-positiver Impuls.you thus generates a pulse pattern in the first sequence: Pause-positive Pulse Pause Negative Pulse and later in the second sequence a pulse pattern pause-negative Pulse-pause-positive pulse.
Die
erste Pause dauert beispielsweise 30 ms. Hier wird den Spulen
Zwischen den beiden Sequenzen kann eine Zeit bis zu 15 s vergehen. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sequenzen sollte aber mindestens so groß sein wie die Dauer einer Sequenz, im vorliegenden Fall also 120 ms.Between the two sequences can take up to 15 s. The distance but between two consecutive sequences should be at least be that big like the duration of a sequence, in this case 120 ms.
In
der ersten Sequenz wird aus den Werten V1 bis V4 ein erster Sequenz-Mittelwert
berechnet nach folgender Formel:
In
der zweiten Sequenz wird ein Mittelwert F' nach folgender Formel berechnet:
Aus
diesen beiden Sequenz-Mittelwerten berechnet man einen Meßwert F'' nach folgender Formel:
Hierdurch wird sowohl ein linearer Drift kompensiert und zwar durch die Mittelwertbildung in einer Sequenz, als auch ein exponentieller Drift, und zwar durch die Mittelwertbildung über zwei Sequenzen. Hierdurch wird ein stabiler Nullpunkt erreicht.hereby both a linear drift is compensated by averaging in a sequence, as well as an exponential drift, through the averaging over two sequences. This achieves a stable zero point.
Natürlich ist es auch möglich, in nicht näher dargestellter Weise jede Sequenz mit einem Magnetfeldblock beginnen zu lassen, um größere Amplituden zu erzielen. Dies ist bei kleinen Signalen von der Elektrodenanordnung von Vorteil.Of course it is also possible in no closer shown to start each sequence with a magnetic field block to achieve larger amplitudes. This is advantageous for small signals from the electrode assembly.
Das Verfahren kann als Algorithmus in einem Mikrocontroller implementiert werden.The Method can be implemented as algorithm in a microcontroller become.
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