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Strömungsmesser Die Erfindung bezieht sich auf einen Strömungsmesser
für leitende Medien, mit von der Blüssigkeit isolierten großflächigen Meßelektroden
und diese abdeckenden, potentialgesteuerten Schirmelektroden innerhalb einer ein
Wechselfeld erzeugenden Elektromagnetanordnung, , unter Verwendung von den Meßelektroden
nachgeordneten Impedanzwandlern als das Meßsignal empfangende Operationsverstärker
mit kompensierter Èingangskapazität.
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Die aus der deutschen Patentschrift 1 473 041 bekanntgewordenen Strömungsmesser
dieser Art eignen sich für leitfahige und für dielektrische Medien und weisen hierzu
einen besonders kapazitätsarmen und daher aufwendigen Aufbau auf0 Außerdem müssen
diese Strömungsmesser mit hoher Betriebsfreuenz von mehreren kHz arbeiten, wozu
besondere Hochfrequenzgeneratoren zur Speisung der Elektromagnetanordnung notwendig
sind. Die bei den bekannten Strömungsmessern vorgenommene Kompensation der unvermeidlich
vorhandenen Eingangskapazität Ce der Operationsverstärker über die Schirmkapazität
0 zwischen Meßelektroden durch eine entsprechend überhöhte Nachführspannung setzt
hohe Konstanz der Schirmkapazität Us voraus, die in der Praxis, wo die Meßelektrodenspannung
dem Operationsverstärker über Koaxialkabel zugeführt wird, nicht im erforderlichen
Maße eingehalten werden kann. Dazu kommen Alterungseinflüsse auf die Schirmkapazität
sowie mechanische Beanspruchungen des aus Meß- und Schirmelektroden sowie der Elektromagnetanordnung
gebildeten Gebers, die Mikrophonie-Effekte ähnlich wie bei Kondensatormikrophonen
ergeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsmesser der
eingangs genannten Art für leitende, insbesondere schlecht leitende Medien zu schaffen,
der beispielsweise mit einer netzfrequenzgespeisten Elektromagnetanordnung arbeitet,
wobei Klassengenauigkeit der Meßergebnisse erreicht werden soll.
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Die Lösung der Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß zur
Kompensierung der Wirkung der Kapazität zwischen Schirmelektrode und Meßelektrode
für jede Meßelektrode ein hochverstärkender, widerstandsgegengekoppelter Operationsverstärker
mit hohem Eingangswiderstand und der vorhandenen Eingangskapazität sowie fixiertem
Arbeitspunkt vorgesehen und zur Kompensierung der Wirkung der Eingangskapazität
mit einem Kondensator im Rückkopplungszweig (Rückkopplungskondensator) versehen
ist, der abhängig von der Betriebsverstärkung an die Eingangskapazität angepaßt
ist. Die Eingangskapazität ist verhältnismäßig klein.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß eine genaue Kompensation
sämtlicher schädlicher Kapazitäten und ein sehr hoher Eingangswiderstand eines das
Meßsignal empfangenden Operationsverstärkers bei der Betriebsfrequenz, z.B. Netzfrquenz,
erforderlich ist. Die Spannung jeder Meßelektrode wird hiernach verstärkt einem
differenzbildenden Operationsverstärker zugeführt. Operationsverstärker mit dem
erforderlich hohen Eingangswiderstand weisen vorzugsweise in der ersten Stufe Feldeffekttransistoren
auf.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand eines in
der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Fig. 1 ist stark vereinfacht eine der Meßelektroden samt zugehöriger
Schirmalektrode auf den Operationsverstärker geschaltet gezeigt und
in
Fig. 2 daß Ersatzschaltbild dieser Schaltung nach Fig. 1 wiedergegeben. Für die
andere Meß- und Schirmelektrode ist eine entsprechende Verbindung mit einem gleichen
Operationsverstärker zu denken.
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Gemäß Fig. 1 ist jede Meßelektrode 1 mit dem positiven Eingang eines
Operationsverstärkers Op verbunden, dessen Ausgang in an sich bekannter und daher
nicht weiter dargestellter Weise mit anzeigenden und/oder schreibenden Meß=rorrichtungen
verbunden ist. Außerdem ist der Ausgang des Operationsverstärkers Op über einen
Rückkopplungskondensator sr auf den positiven Eingang rückgeführt, der über eine
hochohmige Widerstandsanordnung mit Masse verbunden ist0 Die Schirmelektrode 2 ist
mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 0p verbunden, der seinerseits
über einen ersten Gegenkopplungswiderstand R2 mit Masse und einem zweiten Gegenkopplungswiderstand
R3 mit seinem Ausgang verbunden ist.
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Der Eingangswiderstand Re des Operationsverstärkers soll möglichst
hoch sein, was durch Einsatz von Feldeffekttransistoren erreicht werden kann. Eine
Schaltung nach rig. 1 hat eine Koppelkapazität Ck von etwa 10 bis 50 pF zwischen
dem strömenden Medium und der Meßelektrode.
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Zwischen der potentialgesteuerten Schirmelektrode 2 und der zugeordneten
Meßelektrode 1 samt Zuleitung herrscht eine Schirmkapazität Cs von etwa 100 bis
300 pF. Die Eingangskapazität e des Operationsverstärkers beträgt gegen Masse etwa
2 bis 6 pF.
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Wegen der in Fig. 2 gezeigten rein kapazitiven Ankopplung der vom
Medium induzierten Meßsignalspannung Ue auf den Operationsverstärker Op muß dessen
Arbeitspunkt fixiert werden, was vorteilhafterweise durch eine hochohmige Widerstandsanordnung
erfolgt, deren Widerstandswert wesentlich größer gewählt ist als ots .
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Bei Verwendung eines hochohmigen Widerstandes in der Größenordnung
des Eingangswiderstandes Re des Operationsverstärkers n (1014~cm) wird der Arbeitspunkt
des Operationsverstärkers gleichstrommäßig ebenfalls hochohmig festgelegt, so daß
er sich nur relativ langsam einstellen kann, was eine verhältnismäßig große Drift
des Operationsverstärkers zur Folge hat.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur merklichen
Verkleinerung der Drift als hochohmige Widerstandsanordnung eine Antiparallelschaltung
von Dioden D1 und D2 vorgesehen, die mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers
0p verbunden sind und darüber hinaus diesen Eingang gegen Überspannungen schützen.
Im Bereich der sehr kleinen Meßsignalspannungen beträgt bei Raumtemperatur der Durchlaßwiderstand
der Dioden D1, D2 etwa 109JL . Insbesondere bei höheren Temperaturen verringert
sich der Durchlaßwiderstand und damit die empfangene Meßspannung. Zur hinreichenden
Erhöhung des Widerstandswertes wird daher der Diodenfußpunkt gegen Masse durch einen
R-C-Hochpaßfilter nachgeführt, der aus einem ohmschen Widerstand R1 und einem zwischen
diesen und dem Widerstand R2 cjngeordneten Nachführkondensator Cl besteht. Die Bemessung
der Grenzfrequenz ct' g m ist wesentlich kleiner als die Arbeitsfrequenz (Netzfrequenz)
gewählt, so daß der Widerstandswert der Widerstandsanordnung ausreichend vergrößert
ist, wobei gleichstrommäßig eine relativ niederohmige Festlegung des Arbeitspunktes
des Operationsverstärkers erfolgt, die eine schnelle Einstellung bei kleiner Drift
und Rauscharmut erlaubt. Durch die Filternachführung des Fußpunktes der Diodenschaltung
wird deren Kapazität für das Nutzsignal eliminiert, wobei der Eingangswiderstand
für das Nutzsignal hinreichend groß wird. Der Widerstand R1 kann ebenfalls durch
zwei antiparallele Dioden ersetzt sein.
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Es kann auf diese Weise ein Operationsverstärker Op mit sehr hoher
Leerlaufverstärkung benutzt werden, dessen Betriebsverstärkung V bestimmt ist durch
die Gegenkopplungswiderstände
nach V = R3 + R2 R3 + R2 nach V =
R ~- Um eine große Betriebsverstärkung zu erreichen, muß R3 » R2 sein.
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Durch die hohe teerlaufverstärkung des Operationsverstärkers Op wird
der Spannungsabfall an der Schirmkapazität Cs klein gehalten und somit die Wirkung
der Schirmkapazität Cs auf das eigentliche Meßergebnis praktisch eliminiert.
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Die Eliminierung der Wirkung der Eingangskapazität 0e des Operationsverstärkers
erfolgt durch entsprechende Bemessung des Rückkopplungskondensators 0r im Verhältnis
zur Betriebsverstärkung V nach der Beziehung 1/Cr + 1/Ce V = 1/Ce woraus sich ergibt,
daß eige optimale Eliminierung von Ce möglich ist bei Cr - Ce . R .
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R3 Somit ist durch EZiminierung der Einflüsse der Schirmkapezität
Cs und der Eingangs kapazität 0e eine sonst in Verbindung mit der Koppelkapazität
Ck wirksame Spannungsteilung unter bunden, was notwendig ist, da die Koppelkapazität
ihren Wert aus Alterungsgründen,durch Verschmutzung u .a. Einflüsse ändern kann.
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Es wird mit der Erfindung ein einwandfreies Arbeiten eines netzbetriebenen
Gebers mit großflächigen Meßelektroden auch für schlecht leitende Medien erreicht.
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4 Patentansprüche 2 Figuren