DE2052175C3

DE2052175C3 - Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung mit Gleichfeld bzw. geschaltetem Gleichfeld

Info

Publication number: DE2052175C3
Application number: DE19702052175
Authority: DE
Inventors: Karl Walter Prof. Dr.- Ing. 5910 Kreuztal Bonfig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-10-23
Filing date: 1970-10-23
Publication date: 1978-12-21
Also published as: DE2052175A1; DE2052175B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung mit magnetischem Gleichfeld und ein anderes Verfahren dieser Art, mit periodisch geschaltetem Gleichfeld, bei dem die Störgleichspannung bei ausgeschaltetem Magnetfeld gespeichert und dann von dem bei eingeschaltetem w· Magnetfeld vorhandenen Summensignal aus Nutz= und Störspannung abgezogen wird.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren dieser Art, bei dem das Magnetfeld abwechselnd umgepolt wird, so daß die Nutzspannung ihre Polarität wechselt, · · während die elektrochemische Störgleichspannung ihre Polarität beibehält und das Summensignal aus Nutzspannung und Störspannung und das Differenzsignal aus Störspannung minus Nutzspannung gespeichert wird und aus der Differenz der beiden gespeicherten Signale das von Störspannungen befreite Nutzsignal bestimmt wird.

Bei der induktiven Durchflußmessung mit magnetischem Gleichfeld ist dem Nutzsignal eine Störgleichspannung (Unsymmetriespannung) überlagert, die ihre Ursache in unterschiedlichen elektrochemischen Gleichgewichtsspannungen hat. Falls zusätzlich Jurch einen nicht hochohmigen Verstärker ein nicht mehr vernachlässigbarer Stromfluß zwischen den Elektroden auftritt, kommt als weiterer Störeinfluß die elektrochemische Polarisationsspannung hinzu. Deshalb werden bei induktiven Durchflußniessern 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 Elektrodenma-terialien durch Verunreinigungen und Kristallgitter-Verschiebungen in der Oberflächenbeschaffenheit, der Anlagerung von Gasblasen und Teilchen, der lonenadsorption und Oxyd- bzw. 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 Unsymmetriespannunp. die normalerweise nicht reproduzierbar ist.

Erfolgt die Durchflußmessung mit einem periodisch umgeschalteten magnetischen Gleichfeld, so wird durch die Transformatorwirkung der Anordnung noch eine weitere Störspannung induziert. In dem Magnetfeld bildet nämlich der Leitungskreis — Zuleitung zur Elektrode, Elektrode, leitende Flüssigkeit, 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. Zur Kompensation solcher transformatorisch verursachten Störspannung ist aus der US-PS 33 16 762 bekannt, bei den beiden Werten des geschalteten Magnetfeldes an den Elektroden entstehende Spannungen zu integrieren und durch Mittelwertbildung das Nutzsignal zu bestimmen. Diese Methode beruht jedoch darauf, daß die transformatorischen Störspannungen mit der Umkehrung des Magnetfeldes umpolen. Die elektrochemische Störspannung, welche stets die gleiche Polarität besitzt und auch bei abgeschaltetem Magnetfeld vorhanden ist, läßt sich damit jedoch nicht ohne weiteres kompensieren, sondern ließe sich nur mit Hilfe eines Wechselspannungsverstärkers in Verbindung mit einer hohen Impulsfrequenz trennen, durch welche jedoch die elektrodynamischen Störspannungen wieder erhöht werden. Daher sieht die US-PS 33 16 762 auch auf umständliche Weise die Bildung eines Intergralmittelwertes aus einer Folge von Einzelmessungen vor.

In ähnlicher Weise erfolgt auch bei einer induktiven Durchflußmessung für ein Schifflog eine Kompensation transformatischer Störspannungen, wobei jedoch vor dem Verstärker Kondensatoren angeordnet sind (vgl. Journal of Navigation, July 1970, 302 — 316). Bei dieser Meßmethode sollen die verstärkten Spannungen nach Umpolung und einem Intervall für das Abklingen der Einschwingspitze kurzzeitig gespeichert werden. Dieses

Intervall IaBt die durch die Umpolung verursachte Induktionsspannung abklingen. Eine solche Arbeitsweise hat jedoch den Nachteil, daß die Folgefrequenz für das Umpolen so niedrig sein muß, daß der Einschwingvorgang der transformatorischen Spannung abgeklungen ist Da der Wechselstromwiderstand der Kondensatoren umgekehrt proportional der Frequenz ist, ist dieser um so größer, je niedriger die Frequenz ist. Dadurch wird der Spannungsabfall am Kondensator immer größer, und entsprechend klein ist auch das ι ο Eingangssignal am Verstärker. Hierdurch wird die Meßgenauigkeit aber erheblich beeinträchtigt.

Um einen solchen, durch die Kondensatoren verursachten Spannungsabfall zn vermeiden, kann man auf die Verwendung von Kondensatoren verzichten. Dieser Verzicht bedeutet aber, daß die elektrochemischen Störspannungen zum Verstärker gelangen. Dieser Nachteil kann aber in Kauf genommen werden, sofern geeignete Maßnahmen zur Kompensation der elektrochemischen Störspannung gefunden werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die elektrochemischen Störspannungen die Größenordnung der Meßspannung erreichen können, wodurch die Meßgenauigkeit bei den bekannten Kompensationsverfahren mit geschaltetem Gleichfeld und Differenzbildung mindestens zweier gespeicherter Meßgrößen erheblich sinkt.

Das Anliegen der Erfindung ist daher, von der an sich bekannten Benutzung magnetischen Gleichfeldes auszugehen, um die transformatorische Störspannung zu vermeiden. Die tragende Idee besteht dabei darin, durch Schaltungsmaßnahmen die Größe der elektrochemischen Störspannung zum Zeitpunkt der Messung möglichst klein zu halten.

Die Erfindung sieht daher bei den eingangs genannten Verfahren mit periodisch geschaltetem oder umgepoltem magnetischen Gleichfeld vor, daß während der Umschaltphasen des Magnetfeldes die Meßelektroden und der Eingangsgleichspannungsverstärker kurzgeschlossen werden und die Speicherung zu einem stets gleichen Zeitpunkt nach Aufhebung des Kurzschlusses erfolgt.

Auf diese Weise erfolgt die Einspeicherung jeweils zu einem Zeitpunkt, wo die Unsymmetriespannung möglichst klein ist und annähernd dieselbe Größe hat.

Im Falle des (nicht geschalteten) magnetischen 4ί Gleichfeldes ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Meßelektroden und der Eingangsgleichspannungsverstärker periodisch kurzgeschlossen werden und die Nutzspannung unmittelbar nach Aufhebung dieses Kurzschlusses kurzzeitig gemessen und gespeichert wird, noch bevor sie durch den langsamen Aufbau der elektrochemischen Störspannung verfälscht worden ist.

Diese Verfahrensweise nutzt die Tatsache, aus, daß die elektrochemischen Störspannunger. nach einem Kurzschluß eine bestimmte Zeit bis zu ihrem Aufbau benötigen, hingegen die induzierte Nutzspannung ohne Zeitverzögerung ansteht.

Die Taktfrequenz wird so gewählt, daß sie der Dynamik des Anzeigeinstrumentes bzw. der Meßaufgabe angepaßt ist, und man erreicht dadurch eine >·■<> bedeutend niedrigere Umschaltfrequenz, die auch entsprechend verminderte Ummagnetisierungsverluste im Geber zur Folge hat. Der tg d der Meßflüssigkeit spielt wegen der geringeren Taktfrequenz keine entscheidende Rolle, und die kleinste zulässige Leitfähigkeit der zu messenJen Flüssigkeit ist nur durch den Eingangswiderstand des angeschlossenen Gleichspannungs-Differenzverstärkers begrenzt.

Selbstverständlich besteht bei höheren Anforderungen an das dynamische Verhalten die Möglichkeit, entsprechend die Taktfrequenz heraufzusetzen. Wenn man im Bereich konstanter Störspannung arbeitet, 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.

Bei allen in Betracht gezogenen Arten des magnetischen Gleichfeldes werden die elektrochemischen Spannungen durch das Kurzschließen in vorteilhafter Weise abgebaut, so daß je nach Art des verwendeten Magnetfeldes die reine Nutzspannung direkt erhalten wird oder Meßwerte gebildet werden, in denen nur ein kleiner Anteil elektrochemischer Spannung enthalten ist, welcher durch Differenzbildung dann mit einer sehr großen Genauigkeit kompensiert werden kann. Ein weiterer wesentlicher Vorteil wird auch dadurch erzielt, daß durch das Kurzschließen die transformatorischen Störspannungsspitzen schneller ausklingen. Folglich können die Meßsignale auch früher abgerufen werden.

Zusätzlich kann der periodische Abk.uf getriggert werden und dadurch die Messung zu einem genau bestimmten Zeitpunkt erfolgen.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt den zeitlichen Aufbau der elektrochemischen Unsymmetriespannung nach einem Kurzschluß;

F i g. 2 und 3 veranschaulichen die Betriebsart bei Ein- und Ausschaltbetrieb bzw. Umpolbetrieb;

F i g. 4 und 5 zeigen die zeitliche Aufeinanderfolge der Kurzschlußimpulse;

Wie Fi g. 1 zeigt, kann man drei Bereiche unterscheiden. Der Bereich I ist unmittelbar nach dem Kurzschluß, und die elektrochemische Unsymmetriespannung hat noch keinen nennenswerten Betrag erreicht. Im Bereich II baut sich die elektrochemische Unsymmetriespannung langsam und kontinuierlich auf, während sie im Bereich III ihren Endwert erreicht hat.

Im Bereich II wird die Tatsache genutzt, 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 Kurzschluß der Elektroden das Störsignal bzw. die Summe Nutz- und Störsignal gespeichert. Die eigentliche Messung besteht in einer Differenzbildung dieser gespeicherten Werte, wobei automatisch von der Summe Nutz- und Störsignal das Störsignal abgezogen wird. Durch das Kurzschließen erreicht man, daß die elektrochemischen Unsymmetriespannungen periodisch abgebaut werden und sie nicht die Größenordnung der Meßspannung er'eiclieii können. Auch hier läßt sich der Zeitpunkt der Einspeicherung triggern.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man nach F i g. 1 im Bereich I sich die Tatsache zunutze macht, daß die elektronischen Störspannungen nach einem Kurzschluß eine besummte Zeit bis zu ihrem Aufbau benötigen, während die induzierte Nutzspannung ohne Zeitverzögerung entsteht. Es wird also die Nutzspan= nung 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 bzw. der Einspeicherung läßt sich auch hier triggern.

F i g. 2 zeigt das Prinzip der getasteten Differenzmes-

sung. 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 damit erreicht werden, daß die Einspeicherung des Summensignals aus Nutz- und Störspannung und der Störspannung allein in gleichen zeitlichen Abständen nach Kurzschluß der Meßelektroden erfolgt.

F i g. 3 zeigt dieselbe Anordnung, nur daß hier das Magnetfeld umgepolt wird und man als Speicherwerte \o die Summe aus Nut/- und .Störspannung und die Differenz aus NuI/- und Störsignal erhält.

I 1 g. 4 und 5 geben die zeitliche Anordnung der kurzsehluöimpiilse /u den Betriebsarten nach I- i g. 2 und 3 an. ii

Fi g. b zeigt die schematische Darstellung eines induktiven Durchflußgebers 1. dessen Magnetspule von der Stromversorgung 2 über eine Schaltung λ. die wahlweise auf Umpol- oder Kin- und Ausschaltbetrieb gestellt werden kann, gespeist wird. Diese Schaltung 3 wird von einem zentraler! Taktgeber 4 gesteuert. Aus demselben Taktgeber 4 wird der Kurzschließer 5 über verschiedene Verzögerungsstufen während der Umschaltphasen des Magnetfeldes betätigt. Er hat die Aufgabe, die durch das Umschalten induzierten 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 Spannungsspit zen sich abgebaut haben. Nach dem Umschalter gelangt tlas Meßsignal zum Meßverslärker β und wird dann in die Speicher 7 b/.w. 8 eingespeichert. Diese Speicher 7 und H weiden vom Taktgeber 4 über entsprechende Ver/ogerungsstufen angesteuert, Di r Speicher 7 enthalt die Summe aus Nut/- und elektrochemischer Unsymmetrii'spannung. während der Speicher 8 die Unsymmetriespannung allein bzw. die Unsymmetriespannung

pmius der Netzspannung enthält. I"¹ den Speichern 7

■;nd 8 befindliche .Signale wen! ^n dem Subtrahierer 9 zugeführt, der die Differenzbildung vornimmt un'¹ das nun von S;'^spannungen getrennte Nutzsignal der Anzeige IOzuführt.

Hierzu 1 Blatt

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung mit periodisch geschaltetem magnetischem Gleichfeld, wobei die Störgleichspannung bei ausgeschaltetem Magnetfeld gespeichert und dann von dem bei eingeschaltetem Magnetfeld vorhandenem Summensignal aus Nutz- und Störsignal abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Umschaltphasen des Magnetfeldes Meßelektroden und der Eingangsgleichspannungsverstärker kurzgeschlossen werden und daß zu einem stets gleichen Zeitpunkt nach Aufhebung des Kurzschlusses gespeichert wird.

2. Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung mit periodisch geschaltetem magnetischem Gleichfeld, wobei das Magnetfeld abwechselnd umgepoh wird, so daß die Nutzspannung ihre Polarität wechselt, während die elektrochemische Störgleichspannung ihre Polarität beibehält, und das Summensignal aus Nutzspannung und Störspannung und das Differenzsignal aus Störspannung minus Nutzspannung gespeichert wird und aus der Differenz der beiden gespeicherten Signale das von Störspannungen befreite Nutzsignal bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Umschaltphasen des Magnetfeldes die Meßelektroden und der Eingangsgleichspannungsverstärker kurzgeschlossen weiden und daß zu einem stets gleichen Zeitpunkt nach Aufhebung -Jes Kurzschlusses gespeichert wird.

3. Verfahren zur Kompensation 'er elektrochemisehen Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung mit magnetischem Gleichfeld, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden und der Eingangsgleichspannungsverstärker periodisch kurzgeschlossen werden und die Nutzspannung unmittelbar nach Aufhebung dieses Kurzschlusses kurzzeitig gemessen und gespeichert wird, noch bevor sie durch den langsamen Aufbau der elektrochemischen Störspannung verfälscht worden ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der periodische Ablauf getriggert wird und dadurch die Messung zu einem bestimmten Zeitpunkt erfolgt.

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