DE2164106A1 - Stroemungsmesser - Google Patents

Stroemungsmesser

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DE2164106A1
DE2164106A1 DE19712164106 DE2164106A DE2164106A1 DE 2164106 A1 DE2164106 A1 DE 2164106A1 DE 19712164106 DE19712164106 DE 19712164106 DE 2164106 A DE2164106 A DE 2164106A DE 2164106 A1 DE2164106 A1 DE 2164106A1
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operational amplifier
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resistance
capacitance
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DE19712164106
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Rainer Dipl Ing Hentschel
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Fischer and Porter GmbH
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Fischer and Porter GmbH
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/56Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/58Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 .
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 .
  • 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.
  • Es wird mit der Erfindung ein einwandfreies Arbeiten eines netzbetriebenen Gebers mit großflächigen Meßelektroden auch für schlecht leitende Medien erreicht.
  • 4 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (4)

  1. Patentansprüche 1. Strömungsmesser für leitende Medien, mit von der Flüssigkeit 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 Eingangskapazität, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensierung der Wirkung der Kapazität (cis) zwischen Schirmelektroden und Meßelektroden für jede Meßelektrode ein hochverstärkender, widerstandsgegengekoppelter Operationsverstärker (op) mit hohem Eingangswiderstand (Re) uatd der vorhandenen Eingangskapazität (Ce) sowie fixiertem Arbeitspunkt vorgesehen und zur Eómpensierung der Wirkung der Eingangskapazität (Ce) mit einem Kondensator (0r> im Rückkopplungszwieg (Rückkopplungskondensator) versehen ist, der abhängig von der Betriebsverstärkung (V) an die Eingangskapazität (Ce) angepaßt ist.
  2. 2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Eingangskapazität (Ce) belastete Eingang des Operationsverstärkers (top) durch eine für netzfrequente Ströme hochohmige Widerstands anordnung, die wesentlich größer als i/w Ck (Ck = Koppelkapazität zwischen strömendem Medium und Meßelektrode) ist, an Masse gelegt ist.
  3. 3. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsanordnung antiparallele Dioden (D1, D2) enthält, die durch einen RC-Hochpaßfilter (R1, C1) an Masse gelegt sind, dessen Durchlaßfrequenz wesentlich größer als die Betriebsfrequenz ist.
  4. 4. Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Widerstand (R1) des Hochpaßfilters ebenfalls aus antiparallelen Dioden gebildet ist.
    Leerseite
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DE2164106A1 true DE2164106A1 (de) 1973-08-02
DE2164106B2 DE2164106B2 (de) 1977-11-17
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2454469A1 (de) * 1974-11-16 1976-05-26 Fischer & Porter Gmbh Induktiver durchflussmesser
DE3323798A1 (de) * 1982-07-03 1984-01-05 Hokushin Electric Works, Ltd., Tokyo Elektromagnetische vorrichtung zum messen der stroemung eines fluids

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2454469A1 (de) * 1974-11-16 1976-05-26 Fischer & Porter Gmbh Induktiver durchflussmesser
DE3323798A1 (de) * 1982-07-03 1984-01-05 Hokushin Electric Works, Ltd., Tokyo Elektromagnetische vorrichtung zum messen der stroemung eines fluids

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DE2164106C3 (de) 1978-06-29
DE2164106B2 (de) 1977-11-17

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