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Verfahren zur Trennung der Nutzspannung von der Störspannung bei der
induktiven Durchflußmnessung mit Gleichfeld Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Trennung der Nutzspannung, die bei der induktiven Durchflußmessung infolge der
i'lüssigkeitsströmung bei Vorhandensein eines Magnetfeldes induziert und mit zwei
Elektroden abgegriffen wird, von einer noch überlagerten elektrochemischen Störgleichspannung.
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Dem Nutzsignal ist eine Störgleichspannung (die Unsymmetriespannung)
überlagert, die ihre Ursache in unterschiedlichen elektrochemischen Gleichgewichtsspannungen
hat. Falls zusätzlich durch einen nichthochohmigen Verstärker ein nicht mehr vernachlässigbarer
Stromfluß zwischen den Elektroden auftritt, kommt als weiterer ,Störeinfluß die
elektrochemische Polarisationsspannung hinzu. Deshalb werden bei induktiven Durchflußmessern
hochohmige Meßschaltungen verwendet, um die elektrochemische Polarisation klein
zu halten. Als Störspannung bleibt dann nur noch die Unsymmetriespannung, die ihre
Ursachen in Unterschieden in den Elektrodenmaterialien durch Verunreinigungen und
Kristallgitter-Verschiebungen, in der Oberflächenbeschaffenheit, der Anlagerung
von Gasblasen- und Teilchen, der Ionenadsorption und Oxyd- bezw. Deckschichtdicke
sowie deren Beschaffenheit haben. Da sich diese Ursachen teilweise langsam mit der
Zeit ändern, ergeben sich bei Messungen nach größeren Zeitabständen und anderen
Betriebsarten sehr unterschiedliche Werte für die Unsymmetriespannung, die also
normalerweise nicht reproduzierbar ist.
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Nach dem Stand der Technik ist der Nutzspannung bei der induktiven
Durchflußmessung die Unsymmetriespannung überlagert.
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Letztere beruht auf elektrochemischen Vorgängen und ändert sich daher
verhältnismäßig langsam.
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Die Pioniere der induktiven Durchflußmessung arbeiteten mit Gleichfeld
und nahmen die Unsymmetriespannung für die Zeit der Versuchsdauer als konstant an
(Thürlemann B.: Zeitschrift "lielv.Phys.Acta" Jahrgang 14 (1941), ,6.383-419: Methode
zur elektr.#eschwindigkeitswmessung von Flüssigkeiten).
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Es wurde die Unsymmetriespannung vor und nach der Meßreihe ermittelt
und falls sich während der Versuchszeit also keine Änderung der Unsymmetriespannung
ergeben hatte, war die Meßreihe gültig und es wurde zur Ermittlung der Nutzspannung
jeweils von der gemessenen Spannung die Unsymmetriespannung abgezogen. Die Meßreihe
lieferte also nur dann verwertbare Ergebnisse, wenn sich während der Versuchszeit
die Unsymmetriespannung nicht geändert hatte.
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Bei kurzen Labormessungen war diese Methode durchaus zufriedenstellend,
jedoch für Betriebsmessungen völlig ungeeignet.
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Nach einem Vorschlag von Kolin A.: tAn alternating field induction
flowmeter of high sensitivity', Zeitschrift: Rev.Sci.Instr., Bd.16, 5.109 - 116,
Mai 1945, wurde statt des Gleichfeldes ein sinusförmiges Wechselfeld verwendet,
wobei nun die Nutzspannung als auf der Unsymmetriespannung (Gleichspannung) aufmoduliertes
Wechselsignal erzeugt wurde. Durch Anschluß einer Kapazität oder eines Transformators
konnte das Gleichsignal abgeblockt werden und es wurde so nur das Wechselsignal
in einem Wechselspannungsverstärker entsprechend verstärkt. Darnach wurde es wieder
gleichgerichtet und in einem Anzeigegerät angezeigt.
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Bei der Verwendung einer sinusförmigen Magnetfelderregung wird jedoch
außer der sinusförmigen Nutzspannung, die linear vom Durchfluß abhängt, durch die
Transformatorwirkung der Anordnung noch eine sinusförmige Störspannung induziert.
In dem Magnetfeld bildet nämlich der Leitungskreis - Zuleitung zur Elektrode, Elektrode,
leitende Flüsaigkeit, Elektrode, Zuleitung zum Verstärker - eine geschlossene Leiterschleife,
die als Sekundärwicklung eines Transformators wirkt. Durch die Transformatorwirkung
erhält man am Eingang des Wechselspannungsverstärkers nicht nur die sinusförmige
Nutzspannung, sondern auch eine bei gut leitenden Flüssigkeiten um 90 ° in der Phase
verschobene Störspannung. Letztere kann wesentlich
größere Werte
als die Nutzspannung annehmen.
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Da die Transformator-Störspannung die Messung verfälschen würde, muß
sie entweder kompensiert oder durch phasenselektive Gleichrichtung eliminiert werden.
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(Kiene w.: 'Induktiver Durchflußmesser mit transistorisiertem Wechselspannungskompensations-Anzeiger',
Zeitschrift ATM, (Mai 1965), V 1249-3, S.97-102, und Diebel H Selbstabgleichende
Kompensations-Meßverfahren mit Heißleitern und Hallgeneratoren', Zeitschr.
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f.Instr.Kunde 71 (1963), Heft 6, S.164-169) Besonders muß man auch
darauf achten, daß der Wechselspannungsverstärker nicht durch die Störspannung aus
seinem Betriebsbereich in die Sättigung gesteuert wird.
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Während dieser Ubersteuerung und in der anschließenden Erholzeit des
Verstärkers würde er falsche Ergebnisse liefern.
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Die induktive Durchflußmessung mit Gleichfeld und die Aufnahme von
Meßreihen ist für eine Betriebsmessung ungeeignet. Bei der Verwendung eines Wechselfeldes
kann man zwar die Nutzspannung von den elektrochemischen Störspannungen trennen,
jedoch muß man die Transformatorstörspannungskomponente mühsam durch aufwendige
Kompensationsmaßnahmen eliminieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zu entwickeln,
mit denen es möglich ist, die Nutz- von der Störspannung zu trennen ohne die Verwendung
eines Wechselfeldes, das eine störende Transformatorwirkung erzeugt.
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Grundsätzlich wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man ein von einem
Elektromagneten erzeugtes Gleichfeld verwendet, das in bestimmten Abständen entweder
ein- und ausgeschaltet oder umgepolt wird. Die eigentliche Messung
besteht
in einer Differenzmessung, wobei automatisch von der Summe Nutz- und Störsignal
das Störsignal abgezogen wird. Man erhält auf diese Weise direkt das Nutzsignal
zur Anzeige.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß man 1.) in
dem Bereich arbeitet, wo die elektrochemischen Störspannungen konstant sind und
daß man das Magnetfeld in größeren Zeitabständen ausschaltet, jeweils die Störspannung
ermittelt,
speichert und sie automatisch der bei eingeschaltetem Magnetfeld wieder im eingeschwungenen
Zustand vorhandenen Summe auß Nutz- und Störspannung entgegenschaltet. Durch diese
Differenzbildung erhält man das Nutzsignal direkt zur Anzeige. Der Zeit punkt der
Einspeicherung läßt sich triggern und man kann während eines Intervalls den genauen
zeitlichen Verlauf des Durchflusses aufzeichnen.
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2.) Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß sich nach Kurzschluß
der Elektroden die Unsymmetriespannung langsam und gleichmäßig aufbaut, Hier kann
der Magnet in bestimmten Abständen entweder ein-und ausgeschaltet oder umgepolt
werden. Dabei wird zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Surzschluß der Elektroden
das Störsignal bezw. die Summe Nutz-und Störsignal gespeichert. Die eigentliche
Messung besteht in einer Differenzbildung dieser zesceicherten Werte. wobei automatisch
von
der Summe Nutz- und Storsignal/abgezogen wird.
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Durch das Kurzschließen erreicht man, daß die elektrochemischen Unsymmetriespannungen
periodisch abgebaut werden vor sie nicht die Größenordnung der Meßspannung erreichen
können. Auch hier läßt sich der Zeitpunkt der Einspeicherung triggern.
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man sich die Tatsache zunutze macht, daX die eleKtrocnemlscnen Störspannungen nach
einem Kurzschluß eine bestimmte Zeit bis zu ihrem Aufbau benötigen, während die
induzierte Nutzspannung ohne Zeit verzögerung entsteht. Es wird also die Nutzspannung
unmittelbar nach Aufhebung eines Kurzschlusses der Elektroden gemessen und gespeichert,
noch bevor sie durch den langsamen Aufbau der elektrochemischen Störspannung verfälscht
worden ist. Der Zeitpunkt des Kurzschließens bezw. der Einspeicherung läßt sich
auch hier triggern.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß man das
Nutzsignal direkt zur Anzeige erhält und sich den Aufwand einer Kompensation der
Transformatorstörspannung ersparen kann. Die Messung erfolgt immer nur im eingeschwungenen
Zustand, wenn die Meßspannung ihr Maximum hat. Dann ist auch das Verhältnis von
Meßspannung zu den Störspannungen am günstigsten und man erreicht eine bessere Genauigkeit.
Die Taktfrequenz wird so gewählt, daß sie der Dynamik des Anzeige-Instrumentes bezw.
der Meßaufgabe angepaßt ist und man erreicht dadurch eine bedeutend niedrigere Umschaltfrequenz,
die auch entsprechend verminderte Ummagnetisierungsverluste im Geber zur Folge hat.
Der tg J der Meßflüssigkeit spielt wegen der geringeren Taktfrequenz keine entscheidende
Rolle und die kleinste zulässige Leitfähigkeit der zu messenden Flüssigkeit ist
nur durch den Eingangswiderstand des angeschlossenen Gleichspannungs-Differenzverstärkers
begrenzt.
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Selbstverständlich besteht bei höheren Anforderungen
an
das dynamische Verhalten die Möglichkeit, entsprechend die Taktfrequenz heraufzusetzen.
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Bei der Lösung nach 1) hat man zusätzlich die Möglichkeit, den genauen
zeitlichen Verlauf eines sich schnell ändernden Durchflusses aufzuzeichnen. Hierbei
begrenzt nur der Meßverstärker die höchstzulässige Grenzfrequenz der Aufzeichnung.
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Figur 1 zeigt den zeitlichen Aufbau der elektrochemischen Unsymmetriespannung
nach einem Kurzschluß.
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Figur 2 und 3 veranschaulichen die Betriebsart bei Ein- und Ausschaltbetrieb
bezw. Umpolbetrieb. Figur 4 und 5 zeigen die zeitliche Aufeinanderfolge der Kurzschlußimpulse.
Figur 6 zeigt die Betriebsart, wenn kein Kurzschließer benützt wird und man im Bereich
konstanter, aber nicht reproduzierbarer Unsymmetriespannung arbeitet.
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In Figur 1 kann man drei Bereiche unterscheiden. Der Bereich I ist
unmittelbar nach dem Kurzschluß und die elektrochemische Unsymmetriespannung hat
noch keinen nennenwerten Betrag erreicht. Im Bereich II baut sich die elektrochemische
Unsymmetriespannung langsam und kontinuierlich auf, während sie im Bereich III ihren
Endwert erreicht hat.
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Figur 2 zeigt das Prinzip der getasteten Differenzmessung. Der Zeitpunkt
der Einspeicherung ist durch einen Pfeil gekennzeichnet, wobei es darauf ankommt,
daß diese Einspeicherung jeweils in einem Zeitpunkt erfolgt, wo die Unsymmetriespannung
dieselbe Größe hat. Dies kann erreicht werden, daß man entweder im Bereich konstanter
Unsymmetriespannung arbeitet oder die Einspeicherung es Summensignals aus
Störspannung und der Störspannung allein in gleichen Abständen nach Kurzschluß der
Meßelektroden erfolgt.
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Figur 3 zeigt dieselbe Anordnung, nur daß hier das Magnetfeld umgepolt
wird und man als Speicherwerte die Summe aus Nutz- und Störspannung und die Differenz
aus Nutz- und Störsignal erhält.
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Figur 4 und 5 geben die zeitlicne Anordnung der Kurzschlußimpulse
zu den Betriebsarten nach Figur 2 und 3.
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Figur 6 zeigt die Betriebsweise bei Ein-und Ausschaltbetrieb des Magnetfeldes,
wobei man im Bereich41rbeitet, in dem die elektrochemischen Störspannungen konstant
sind. Hier wird nach größeren Zeitabständen die elektrochemische Unsymmetriespannung
während der kurzen Ausschaltphasen des Magnetfeldes eingespeichert und während des
langen Meßzeitraums von der Summe Nutz- und Unsymmetriespannung abgezogen.
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figur 7 zeigt die schematische Darstellung eines induktiven Durchflußgebers
(1), dessen ixagnetspule von der Stromversorgung (2) über eine Schaltung (3), die
wahlweise auf Umpol- oder Sin-u.Ausschaltbetrieb gestellt werden kann, gespeist
wird. Diese schaltung (3) wird von einem zentralen taktgeber (4) gesteuert. Aus
demselben Taktgeber (4) wird der Kurzscnließer (5) über verschiedene VerzögerungsstuSen
während der Um-
Magnetfeldes betätigt. Er hat die Aufgabe, die durch das Umschalten inauzierten
Spannungsspitzen unschädlich zu machen und die elektrochemischen Störspannungen
periodisch abzubauen. Er wird dann betätigt, wenn keine Messung erfolgt. Es sind
außerdem Umschalter vorgesehen, die eine Betriebsweise ohne Kurzschließer gestatten,
wobei die Messung erst erfolgen darf, wenn die Spannungsspitzen sich abgebaut haben.
Nach dem Umschalter gelangt das Meßsignal zum Meßverstärker (6) und wird dann in
die Speicher (7) bezw. (8) eingespeichert. Diese Speicher (7) und (8) werden vom
Taktgeber (4) über entsprechende Verzögerungsstufen angesteuert. Der Speicher (7)
enthält die Summe aus Nutz- und elektrochemischer Unsummetriespannung,
während
der Speicher (8) die Unsymmetriespannung allein bezw. die Unsymmetriespannung minus
der Nutzspannung enthält.pie in den Speichern (7) und (8) befindlichen Signale werden
dem Subtrahierer (9) zugeführt, der die Differenzbildung vornimmt und das nun von
Störspannungen getrennte Nutzsignal der Anzeige (10) zuführt.