DE2326116A1 - Induktiver stroemungsmesser mit geschalteter gleichfelderregung - Google Patents

Induktiver stroemungsmesser mit geschalteter gleichfelderregung

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Elmer D Mannherz
Hubert A Riester
Roy F Schmoock
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Fischer and Porter GmbH
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Fischer and Porter GmbH
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Description

PP 73/4
Anm. ι I1ISOHER & PORTER GMBH, 3401 Groß Ellershausen
Induktiver Strömungsmesser mit geschalteter Gleiohfelderregung
Die Priorität der US-Patentanmeldung Serial Uo. 257 378 vom 26. Mai 1972 wird in Anspruch genommen.
Die Erfindung betrifft einen induktiven StrÖmung'smesser mit niederfrequent geschaltetem Gleichfeld einer Erregerspule, das in einem von dem zu messenden Medium durchströmten Geberrohr ein strömungsabhängiges Elektrodensignal erzeugt, wobei die Erregerspule über periodisch gesteuerte Schalter mit einer Stromquelle verbunden und ein mit den Schaltern synchron gesteuerter Sekundärteil zum Beseitigen zeitfunktioneller Schalteimflüsse und Umwandeln der Elektrodensignale in strömungsgeschwindigkeitsproportionale Meßsignale vorgesehen ist.
Ein Strömungsmesser dieser Art ist aus der DT-AS 2 052 175 bekannt geworden. Zur Beseitigung der aeitfunktionellen Schalteinflüsse,, das sind beim Umschalten induzierte Spannungsspitzen in den Elektrodensignalen, ist hierbei ein synchron gesteuerter Kurzschließer vorgesehen oder Umschalter, die den Sekundärteil erst nach Abklingen der Spannungsspitzen wirksam machen. Der Sekundärteil enthält außerdem synchron gesteuerte Speicher für die Summe und die Differenz aus Futz- und Störspannungen, die einem nachgeordneten Subtrahierer zugeführt und dort aus der Differenz der Speicherausgangsgrößen das strömungsproportionale Meßsignal (Futzsignal) gebildet wird. Zur Steuerung der Schalter, Kurzschließer und Speicher sind außerdem noch zusätzliche Verzögerungsstufen erforderlich. Die Stromquelle soll dabei mit dem periodisch gesteuerten Schalter in üblicher Weise einen Rechteckimpulsgenerator bilden (US-PS 3 316 762).
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ORIGINAL INSPECTED
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Sowohl der Aufwand für solche Rechteckimpulsgeneratoren als auch für den erwähnten Sekundärteil ist verhältnismäßig groß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsmesser der eingangs genannten Art sowohl "hinsichtlich der Stromversorgung als auch im Selcundärteil zu vereinfachen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung auf "besonders einfache Weise dadurch, daß die Erregerspule über die unternetzfrequent gesteuerten Schalter unmittelbar an den Ausgang eines netzgespeisten Vollweggleichrichters unter Fortfall gesonderter G-lättungsmittel angeschlossen ist und die zeitfunktionellen Schalteinflüsse in den Elektrodensignalen in einem synchron mit den Schaltern gesteuerten Demodulator des Sekundärteils unwirksam gemacht sind und nur die rechteckförmigen stationären Signalanteile als strömungsgeschwindigkeitsproportionale Meßsignale übrig bleiben.
Torteilhafteritfeise ist das Verhältnis von Hetzfrequenz zu Steuerfrequenz mindestens 5 t 1 gewählt. Als Schalter eignen sich besonders schnellschaltende Halbleiterschalter.
Weitere Einzelheiten sind nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
Pig. 1 ein schematisches Schaltbild des Stromversorgungs-(Primärteil) und des Sekundärteils,
Fig. 2 bis 4 Kurven für zeitliche Erregerströme und Magnetfeldverläufe sowie der Steuersignale für Schalter und Demodulatoren.
Ein Strömungsmessersystem nach der Erfindung gemäß Fig. 1 besteht aus einem Primärteil, dessen kleine Wechselspannungsausgangsgröße eine der Strömungsgeschwindigkeit der zu messenden Flüssigkeit proportionale Amplitude aufweist, und einem
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Sekundärteil, der die niedrige Wechselspannungsausgangsgröße in einen der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Ausgleichsstrom und/oder eine proportionale Ausgangsfrequenz umwandelt.
Der Primärteil enthält ein τοη der zu messenden Flüssigkeit 11 durehströmtes Geberrohr 1O9 Das von einer Erregerspule erzeugte Magnetfeld durchsetzt - das Geberrohr 10 quer zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit 11, d.h. quer zu dessen Längsachse. In Berührung mit der strömenden Flüssigkeit 11 stehende Elektroden 13 9 14 sind im G-eberrohr 10 diametral angeordnet, wobei die Elektrodenverbindungsachse senkrecht zur Geberrohrlängsachse und senkreoht zum Magnetfeld gerichtet ist.
Die in der strömenden Flüssigkeit 11 vom Magnetfeld induzierte Spannung wird an den Elektroden 13» 14 abgegriffen: Das Elektrodensignal enthält außer den etrömungsproportionalen Spannungen noch etrömungsunabhängige Störeignalkomponenten.
Die Erregerspule 12 wird τοη dem verhältnismäßig niederfrequenten ungeglätteten Rechteokstrom eines Vollweggleichrichters 18 gespeist, der eingangsseitig über einen Transformator
16 und einen in dessen Primärkreis angeordneten Konstantregler
17 an ein Wechselspannungsnetz (z.B. 117 V, 50/60 Hz) angeschlossen ist. Die Pole des Vollweggleichrichters 18 sind hierzu unmittelbar über je einen einpoligen Schalter 19, von jeweils gegensätzlichem Schaltzustand abwechselnd an das eine Ende der Erregerspule 12 geschaltet. Das andere Ende der Erregerspule ist über einen niederohmigen Widerstand 34 und einen dazu parallel angeordneten Funktionsverstärker 35 ständig mit einer Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Transformators 16 verbunden. Durch synchrones Schalten der beiden Schalter 19, 20 wird der der Erregerspule 12 zugeführte wellige Gleichstrom periodisch umgepolt.
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Die vorzugsweise als elektronische Sohalter in !Form yon Thyratrons, Triacs od.dgl., d.h. als Halbleiterschalter oder Vakuumröhren, ausgebildeten Schalter 19» 20 werden mit einer Geschwindigkeit betätigt, die niedrig im Vergleich zur iFetzfrequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes ist. Zu diesem Zweck ist ein Frequenzteiler 21 rorgesehen, der die als Taktsignal zugefiihrte Netzfrequenz von z.B. 60 Hz in eine niedrigere Sehaltfrequenz von 1 1/8, 3 3/4 oder 7 1/2 Hz umwandelt, d.h. auf 1/32, 1/16 oder 1/8 der Netzfrequens herabsetzt.
Die niederfrequenten Sohaltimpulse des Frequenzteilers 21 werden den Steuerkreisen der Schalter 19, 20, z.B. den Zündelektroden von Triacs, zugeführt, so daß abwechselnd der positive bzw, negative Pol des Vollweggleiehriehters 18 an das eine Ende der Erregerspule 12 geschaltet wird und diese abwechselnd vom Erregerstrom in der einen bzw. der anderen Richtung durchflossen wird.
Die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Vollweggleiehriehters 18 ist ungeglättet und hat daher die in Fig. 2A gezeigte Welligkeit gleicher Polarität. Infolge der niederfrequenten Umpolung der welligen Gleichspannung nach Fig., 2B wird die Erregerspule 12 mit einem periodisch umgepolten welligen Erregerstrom gemäß Fig. 20 gespeist,, der z.B. einen 120 Hz, d.h. doppeinetzfrequenten Welligkeitsanteil, aufweist.
Durch die relativ hohe Induktivität der Erregerspule 12 wird eine Filterwirkung erreicht, die den Klirrfaktor reduziert. Die Restwelligkeit von z.B. 120 Hz erscheint mit im Ausgangssignal des Primärteils (Elektrodensignal) und wird durch die Filterwirkung eines weiter unten beschriebenen Regelabweichungsverstärkers 26 hinter einem Regelvergleichskreis 24 des Sekundärteils beseitigt. Dadurch werden die bei üblichen FiI-teranordnungen erforderlichen Kondensatoren und Drosselspulen überflüssig und Phasendrehungen bei Netzfrequenzänderungen eliminiert.
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Somit arbeitet das erfindungsgemäße Strömungsmeßsystem ao, ala ob es durch einen Reohteckwellenstrom mit im wesentlichen konstanter Amplitude erregt ist.
Daa an den Ausgangsklemmen 15 des Primärteils erscheinende Signal wird einem Meßumformer als. Sekundärteil zugeführt, der im wesentlichen ein weohselstromrückgeführter Verstärker ist, an dessen Ausgang eine der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit proportionale Ausgangsfrequenz erzeugt wird. Wegen der niederfrequenten Rechteckwellenerregung sind die in Phase liegenden und die um 90° phasenversohobenen Störkomponenten so klein, daß gesonderte Maßnahmen zu ihrer Beseitigung überflüssig sind. Die Eingangsstufe des Sekundärteils besteht aus einem Wechselspannungsverstärker 22, dem das in Fig. 2D gezeigte Signal von den Ausgangsklemmen 15 des Primärteiles zugeführt wird. Das Signal hat im wesentlichen reehteckförmige Impulse mit Spitzen an den Stellen der Polaritätswechsel, die eine Folge der Sehaltstöße sind und eine von der Induktivitäts-Widerstands-Zeitkonstante des elektromagnetischen Stromkreises abhängige Dauer aufweisen.
Der gestrichelte stationäre Abschnitt mit konstanter Amplitude gibt den Gleichfeldanteil wieder, wobei seine Amplitude direkt proportional der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit 11 im Geberrohr 10 ist. Daher ist nur der schraffierte Abschnitt des Signals für eine genaue Messung heranzuziehen.
Der Ausgang des Wechselspannungsverstärkers 22 ist über einen Koppelkondensator 23 (oder wahlweise einen Koppeltransformator) mit einem Eingang eines Regelvergleichskreises 24 verbunden, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines im Rückkopplungsweg angeordneten Bereichseinstellers 25 vom Regelabweichungssignaltyp verbunden ist. Durch Vergleich des Ausgangssignals des Wechselspannungsverstärkers 22 Bit dem Rückführsignal des Bereichseinstellers 25 im Regelvergleiohskreis 24 wird ein Regelabweichungssignal erzeugt und im Regelabweiohungsver-
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stärker 26 mit Gegenkopplung 27 verstärkt, um alle tieferen und höheren Frequenzen als die des Regelabweiehungssignals zu dämpfen. Das Weohselstromausgangssignal des Regelabweichungsverstärkers 26 wird über einen invertierenden 1 s 1 - Verstärker 28 einem Vollwegdemodulator 29 zugeführt, der mit der niederfrequenzten Schaltbetätigung der Schalter 19, 20 synchron arbeitet und so betätigt wird, daß er das zugeführte Regelabweichungssignal sperrt, wenn sich die Polarität des Erregerstromes für die Erregerspule umkehrt und gesperrt bleibt während der Induktivitäts-Widerstands-Zeitkonstante des elektromagnetischen Stromkreises» Somit werden die Spitzen der von der strömenden Flüssigkeit induzierten Signale unterdrückt und am G-leichstromausgang des Vollwegdemodulators 29 nur die stationären Anteile durchgelassen.
Zur Synchronisierung des Yollwegdemodulators 29 mit den Schaltern 19, 20 wird der Frequenzteiler 21 unter Verwendung logischer Elemente benutzt. Die dem Vollwegdemodulator 29 vom Impulsteiler 21 zügeführten Steuerimpulse nach Fig. 2B stimmen frequenzmäßig und polaritätsinäßig überein mit der schraffierten stationären Meßspannung nach Fig·. 2D„ Somit prüft der Sekundärteil das strömungsinduzierte Signal nur während der Zeitspanne, in der
•Tt a 0 ist.
Die am Vollwegdemodulator 29 ausgangsseitig auftretenden Gleichatromimpulse sind einem integrierenden RC-Kreis 30 zur Erzeugung eines Gleichspannungsregelabweichungssignals zugeführt, dessen Amplitude eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist. Das G-leichspannungsregelabweichungssignal dient nach Verstärkung in einem Gleichstromverstärker 31 als gesteuerte Vorspannung für einen Gleichstrom-Frequenz-Umformer 32 in Form eines Sperroszillators. Der Sperroszillator 32 wandelt die verstärkten Gleichstromregelabweichungssignale in eine variable Frequenzimpulsfolge VD
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mit einem dem Regelabweichungssignal proportionalen Tastverhältnis
t _ Impulsbreite
Impulsbreite -F Pause9
Die !Frequenzimpulsfolge VD dient als AbleitungsgröBe für d®n Regelabweichungssignalrüekkopplungskreis und speist die Ausgangskreise des Systems ο
Zwecks Rückführung muß die "Frequenzimpulsfolge VD zuerst umgewandelt werden in ein proportionales niederfrequentes Signal (z.B. mit 1 7/8 Hz). Dies wird dureh einen Auswahl-Schaltkreis 33 erreicht, der mit dem Sperroszillator 32 gekuppelt ist und der ein vom elektromagnetischen Stromkreis abgeleitetes phasengleiches Bezugssignal RY abtastet, das an dem niederohmigen Widerstand 34 abgen@mmen und von-dem parallelgeschalteten 3?unkt ions verstärker 35 auf die benötigte G-röße gebracht ist.
Die Ausgangsgröße des Ausv/ahlschaltkreises 33 ist als Rückführsignal aus der frequenzimpulsfolge YD des Sperroszillators 32 und dem sie umhüllenden niederfrequenten rechteckförmigen Bezugssignal RY gebildet und wird dem Regelvergleichskreis 24 über den Bereichseinsteller 25 zugeführt„ Da das Rtickführsignal von der Amplitude des Bezugssigaalgi R? abhängt9 beeinflußt jede Änderung der Netzspannung das Rückftihrsignal entsprechend. Da das Verhältnis des strömungsabhänglgen induzierten Signals zum Rückführsignal das Meßergebnis bestimmt, kann mit einer in zulässigen Grenzen erfolgenden letζSpannungsänderung die Meßgenauigkeit nicht beeinträchtigt werden.
Die Frequenzimpulsfolge YD des Sperroszillators 32 wird einem Tastverhältnis-Gleichstrom-Umformer 36 zur Umwandlung in einen Dauergleichstrom mit einer der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Größe und einem Impulsteiler 37 zur Umwandlung in Größen, die für den Betrieb von angeschlossenen Zählern geeignet sind, zugeführt.
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Bei der Anordnung nach. Pig. 1 sind zum periodischen unterbre-chungslosen Umschalten des ungeglätteten Aus gangs gleichstromes des Vollweggleichrichters, 18 entsprechend große Hochleistungstransistoren notwendig, da einfache Triacs nicht schnell genug schaltbar sind. Um auch einfache Triacs verwenden zu können, muß eine Gieichrichteranordnung vorgesehen werden, die eine unterbrochene Reihe von Halbwellenimpulsen verschiedener Polarität nach Fig. 3A ergibt, wobei die einzelnen Impulse durch Nullspannungsintervalle von einiger Dauer getrennt sind. Dadurch wird die Polarität des die Erregerspule 12 durchfließendes Stromes gemäß Pig-. 3B in entsprechenden Zeitabständen umgekehrt. In den Zwischenzeiten können sich die Triacs für den nächsten Schaltvorgang vorbereiten.
Statt die Polarität umzukehren, können die elektronischen Schalter so eingerichtet sein, daß sie lediglich eine Unterbrechung der gleichgerichteten gleichpoligen Halbwellenstromimpulse zur Erregerspule 12 vornehmer, so daß an Stelle eines Rechteckwellenstromes wechselnder Polarität in der Erregerspule 12 rechteckförmige Stromimpulse gleicher.Polarität gemäß Pig. 4 fließen, was den Vorteil einer einfachen Schaltanordnung ergibt.
9 Patentansprüche
4 Figuren
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Claims (9)

  1. _ 9 —
    Patentansprüche
    '1.' Induktiver Ströurangsmeaser mit niederfrequent geschaltetem -^ Gleiohfeld einer Irregerspule, das in einem von dem zu messenden Medium durchströmten Geberrohr ein strömungsabhängiges Elektrodensignal erzeugt, wobei die Erregerspule über periodisch gesteuerte Schalter mit einer Stromquelle verbunden und ein mit den Schaltern synchron gesteuerter Sekundärteil zum Beseitigen zeitfunktioneller Sohalteinflüsse und Umwandeln der Elektrodensignale in strömungsgeschwindigkeitsproportionale Meßsignale vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (12) über die unternetzfrequent gesteuerten Schalter (19, 20) unmittelbar an den Ausgang eines netzgespeisten Vollweggleichrichters (18) unter Fortfall gesonderter Giättungsmittel angeschlossen ist und die zeitfunktionellen Schalteinflüsse in den Elektrodensignalen in einem synchron mit den Schaltern gesteuerten Demodulator (29) des Sekundärteils unwirksam gemacht sind und nur die reehteckförmigen stationären Signalteile als strömungsgesehwindigkeitsproportionale Meßsignale übrig bleiben. '
  2. 2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Schalter (19, 20) und des Demodulators (29) gemeinsam von einem netzgetakteten Frequenzteiler (21) erfolgt.
  3. 3. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Uetzfrequenz zu Steuerfrequenz mindestens 5:1 gewählt ist.
  4. 4. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärteil einen Regelvergleichskreis (24) aufweist, dem das Elektrodensignal und ein Rückführsignal zur Bildung eines Fehlersignals zugeführt ist.
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  5. 5. Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückführsignal über einen mit dem Ausgang des Sekundärteils verbundenen Auswahl-Schaltkreis (33) dem Regelvergleichskreis (24) zugeführt ist und diesem sowie dem Frequenzteiler (21) eine Bezugsgröße (RV) zugeführt ist, die an einem im Erregerstromkreis (12, 19, 20, 18) angeordneten niederohmigen Widerstand (34) abgenommen wird«,
  6. 6. Strömungsmesser nach Anspruch 5S dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsgröße am Ausgang eines dem Widerstand (34) parallelgeschalteten Funktionsverstärkers (35) abgeleitet ist.
  7. 7. Strömungsmesser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vollweggleichrichter (18) über einen Transformator (16) und einen Konstantregler (17) an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist und der Widerstand (34) zwischen dem einen Ende der Erregerspule (12) und einer sekundärseitigen Mittelanzapfung des Transformators liegt.
  8. 8. Strömungsmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelvergleichskreis (24) über einen Koppelkondensator oder Koppeltransförmator (23) und einen vorgeordneten Wechselspannungsverstärker (22) an die Elektroden (13, 14) angeschlossen und über einen Bereichseinsteller (25) mit dem Auswahl-Schaltkreis (33) verbunden ist, der eingangsseitig mit dem Ausgang eines Sperroszillators (32) in Verbindung steht, dem die integrierte und verstärkte Ausgangsgleichspannung des Vollwegdemodulators (29) zugeführt ist.
  9. 9. Strömungsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Regelvergleichskreises (24) und dem Eingang des Vollwegdemodulators (29) ein Regelabweichungsverstärker (26) mit Gegenkopplung (27) sowie ein in Reihe geschalteter invertierender 1:1- Verstärker (28) angeordnet ist.
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    Leerseit
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