DE2619971C3

DE2619971C3 - Induktiver Durchflußmesser

Info

Publication number: DE2619971C3
Application number: DE19762619971
Authority: DE
Inventors: Jacob 5158 Horrem Rolff
Original assignee: TURBO-WERK FRITZ HAMMELRATH 5000 KOELN DE; Turbo Werk Fritz Hammelrath 5000 Koeln
Current assignee: Turbo-Werk Messtechnik 5000 Koeln De GmbH
Priority date: 1976-05-06
Filing date: 1976-05-06
Publication date: 1983-03-17
Also published as: NL7704971A; DE2619971A1; FR2350585A1; FR2350585B1; DE2619971B2

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Durchflußmesser mit einem Elektromagneten, der an eine Erregerstrom mit periodisch wechselnder Polarität erzeugende Stromquelle angeschossen ist, mit zwei Spannungsabtastspeichern, die derart gesteuert sind, daß sie in jeder Periode des Magnetfeldes je einen Wert der Elektrodenspannung innerhalb der positiven bzw. negativen Halbwelle kurzzeitig aufnehmen, und mit einer Schaltung zur Bildung einer Differenz aus Werten der beiden Speicher.

Derartige DurchfJußmesser arbeiten nach dem Faradayschen Induktionsgesetz, wonach bei einer Bewegung von Ladungsträgern in einem Magnetfeld eine elektrische Spannung erzeugt wird. In der Praxis wird dies realisiert, indem in unmittelbarer Nähe eines Rohres, durch das die zu messende Flüssigkeit hindurchfließt, ein Elektromagnet angeordnet wird, so dessen Magnetfeld quer durch das Rohr hindurchgeht. An dem Rohr sind zwei Elektroden angeordnet, die einander gegenüberliegen, und an denen die auszuwertende Spannung abgenommen wird. Diese Spannung Unuu ist der magnetischen Flußdichte B, der Strömungsgeschwindigkeit ν und dem Rohrdurchmesser d proportional, was durch folgende Beziehung ausgedrückt werden kann:

uu- B- ν- d

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Dabei ist vorausgesetzt, daß die Vektoren der Spannung Unuu, der Flußdichte Bund der Strömungsgeschwindigkeit vjeweils senkrecht zueinander stehen.

Die praktische Durchführung derartiger Durchflußmengen verursacht trotz des einfachen physikalischen Grundprinzips erhebliche Schwierigkeiten, da die Meßspannung Unuu durch eine Reihe von Störspannungen verfälscht wird. Wenn der Elektromagnet mit Wechselstrom betrieben wird, ergeben sich folgende Arten von Störspannungen:

1. Induktive Störspannungen, die durch induktive Kopplung der Magnetspulen mit dem ElektrodenstromkreiE entstehen.

2. Kapazitive Störströme, hervorgerufen durch die Kapazitäten zwischen den Elektroden und dem Magnetsystem. Diese Störungen sind u. a. abhängig vom Aufbau des Gebers und von der Leitfähigkeit zwischen den Elektroden (Leitfähigkeit der Flüssigkeit).

3. Polarisationsspannungen, hervorgerufen durch chemische Potentiale, die bei Berührung der Flüssigkeit mit den Rohrwänden bzw. den Elektroden entstehen.

4. Vagabundierende Fremdströme, die z. B. durch die Flüssigkeit nach Erde abfließen. Diese Fremdströme haben in der Regel die Frequenz des jeweiligen Netzes von 50 Hz oder 16²/3 Hz.

Diese Spannungen überlagern sich der Nutzspannung Unuu, so daß zur Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit des Nutzsignals eine Eliminierung der verschiedenen Störspannungen unerläßlich ist

Neben den herkömmlichen, mit 50 Hz betriebenen Durchflußmessern, ist bereits ein induktiver Durchflußmesser bekannt, dessen Magnet ein mit niedriger Frequenz getaktetes, d. h. periodisch ein- und ausgeschaltetes GleichfeU erzeugt (DE-OS 24 10 407; DE-AS 20 52 175; (ATM) Archiv für technisches Messen, Blatt V 1249-11 (Aug. 1971), S. 153-156). Die Verwendung eines getakteten Gleichfeldes hat den Vorteil, daß jeweils nach Erreichen des stationären Magnetisierzustandes die induktiven und kapazitiven Störspannungen Null sind. Da der zeitliche Verlauf des Magnetstromes annähernd einer Rechteckfunktion entspricht, erfolgen jedoch bei jedem Schaltvorgang Einschwingvorgänge, deren Ausschwingen erst abgewartet werden muß, bevor die Messung durchgeführt werden kann. Die Messung der Nutzspannung erfolgt kurzzeitig, und zwar durch Differenzbildung der Auge^bückswerte, die in den stationären Phasen der Einschalt- und Ausschaltzeit des Magnetfeldes ermittelt und in Spannungsabtastspeichern gespeichert werden. Die Störgleichspannung, die das Tausendfache der Nutzspannung betragen kann, wird von der Nutzspannung getrennt, indem die Differenz zweier nahezu gleichgroßer Spannungsbeträge gebildet wird, was von einer genauen Auswertung her schwierig ist. Der Magnetisierungsstrom muß durch geeignete Regeleinrichtungen von dem Netz und vom ohmschen Widerstand der Magnetspulen unabhängig gemacht werden. Bei Durchflußrohren mit unterschiedlichen Durchmessern ergeben sich unterschiedliche Anstiegszeiten bis zur Erreichung der stationären Phase des Magnetisierungsstromes.

Ferner ist es bekannt, ein sinusförmiges Wechselfeld zu erzeugen und die induktive und kapazitive Störspannung von dem Nutzsignal dadurch zu trennen, daß die Phasenverschiebung zwischen Nutz- und Störsignalen, die ca. 90° beträgt, ausgenutzt wird. Bei Verwendung eines Wechselfeldes werden außerdem die Polarisationsspannungen eliminiert (DE-OS 21 51 381). Bei diesen Verfahren ist jedoch die Kompensation der Störspannungen nicht mit ausreichender Genauigkeit und Stabilität durchführbar.

Weiterhin ist ein induktiver Durchflußmesser bekannt (US-PS 35 50 446), bei dem eine Stromquelle abwechselnd zwischen den Enden der das Magnetfeld

erzeugenden Spule umgeschaltet wird. Die Elektroden sind an einen Differenzverstärker angeschlossen, dessen Ausgang zeitlich verzögert gegenüber den Umschaltungen der Magnetspule mit einem ersten Speicher und einem zweiten Speicher verbunden wird. Die Ausgänge der beiden Speicher sind an die Eingänge eines weiteren Differenzverstärkers angeschlossen, der das strömungsabhängige Ausgangssignal erzeugt. Auch bei diesem Durchflußmesser wird die Richtung des Magnetfeldes periodisch umgekehrt, wobei nach jeder Umkehrung erst der stationäre Zustand des Magneten einschließlich des Abklingens der Einschwingvorgänge abgewartet werden muß, bevor Messungen mit statischem Magnetfeld durchgeführt werden können.

Schließlich ist ein induktiver DurchfluQmesser bekannt (US-PS 33 16"762), bei dem der Magnei.isierungsstrom in Form von Impulsen unterschiedlicher Polaritäten erzeugt wird, zwischen denen sich jeweils eine Impulslücke befindet. Nachdem das Magnetfeld während der einzelnen Stromimpulse seinen stationären Zustand erreicht hat, wird von den Elektroden eine Kombination aus Fehlersignal und Nutzsignal abgenommen, von der eine dem Feh'ersigna! entsprechende Spannung subtrahiert wird. Da hier ebenfalls ; echteckförmige Magnetisierungsströme benutzt werden, treten die gleichen Fehlerquellen und Nachteile auf, wie bei den zuvor beschriebenen Durchflußmessern.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Durchflußmesser der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem sich die vorgenannten Störspannungen auf einfache Weise kompensieren bzw. beseitigen lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Stromquelle einen mit der Zeit abwechselnd linear ansteigenden und linear abfallenden Erregerstrom erzeugt

Der lineare zeitliche Verlauf des Erregerstromes hat den Vorteil, daß die induktive Störspannung L di/dt konstant und bei geringer Frequenz des Erregerstromes auch sehr niedrig ist. Der Eingangsverstärker der Meßschaltung wird daher nicht bei jedem Aufbau des Magnetfeldes in die Sättigung getrieben und es ist keine Ausblendung bestimmter Kurventeile der Meßspannung erforderlich. Darüber hinaus entstehen bei dieser Art der Stromregelung keine Stromschwing'ingen, wie sie beim Anschalten einer Spule an eine Spannungswelle auftreten. Es entstehen also auch keine durch Einschwingvorgänge eingeschränkten Bedingungen hinsichtlich des Meßzeitpunktes.

Da der Wert L di/dt über die gesamte ansteigende Flanke bzw. die gesamte abfallende Flanke des Magnetisierungsstromes konstant ist, ist eine Kompensation dieser Störspamrungen mit verhältnismäßig einfachen Mitteln möglich.

Der zeitlich linear ansteigende und linear abfallende Erregerstrom muß nicht notwendigerweise ein dreieckförmiger Strom sein, sondern es kann sich auch beispielsweise um einen trapezförmigen Verlauf handeln. Bei einem trapezförmigen Verlauf des Erregerstromes werden die oberen und unteren Extremwerte jeweils über einige Zeit aufrechterhalten. Die Abtastung kann hierbei während der Gleichstromphase erfolgen.

Die Signalauswertung wird wegen gleichzeitiger Kompensation der in dem Nutzsignal enthaltenen Störspannungen in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung so vorgesehen, daß die in die Speicher eingegebenen Spannungen jeweils bis zur nächsten Abtastung am Ausgang der Speicher anstehen und kontinuierlich einem Differenzverstärker zugeführt sind, dessen Ausgang über einen Mittelweribildner mit einem Anzeigegerät verbunden ist.

Da die induktiven und u. U. auch die kapazitiven Störspannungen der ersten Ableitung der Kurve des Erregerstromes entsprechen, die linear ist, sind sit konstant. Der Differenzverstärker bildet daher die Differenz zwischen zwei Nutzspannungen mit jeweils überlagerten, einander entgegengesetzten Störspannungen. Hieraus kann durch Mittelwertbildung auf

ίο einfache Weise die Nutzspannung ermittelt werden, die der Durchflußmenge entspricht.

Der Durchflußmesser ermöglicht es, die Messung der Elektrodenspannung auch im ansteigenden oder im abfallenden Ast des Erregerstromes auszuführen.

Ib Hierzu ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß bei einem dreieckigen Verlauf des Erregerstromes die Punkte zum Abtasten der Elektrodenspannung entweder nur auf dem ansteigenden oder nur auf dem abfallenden Ast des Erregerstromes in der Nähe der Spitzenwerte liegen. Bei einer Differenzbildung zwischen den Werten der beiden Abtastpunkte wird dabei dip konstante Stör-Summenspannung eliminiert.'

Die Synchronisierung der Abtastzeitpunkte kann ebenso wie die Erzeugung der Wellenform des Magnetfeldes durch Teilung der Netzfrequenz erfolgen. Da das Magnetfeld sehr niederfrequent sein soll, bietet die Netzfrequenz, deren Halbwelle eine Zeitdauer von 10 ms hat, ein Zeitinkrement, das ausreichend fein für die zeitliche Bestimmung des Abtastzeitpunktes ist. Die Auswahl der Abtastinkremente kann durch geeignete Zusammenfassung der Ausgänge der Frequenzteilerstufen in logischen Schaltgliedern erfolgen, die jeweils ansprechen, wenn die Frequenzteilerstufen eine bestimmte Signalkombination annehmen.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
F i g. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines induktiven Durchflußmessers bekannter Bauart.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiei einer Auswerteschaltung nach der Erfindung.

F^;g. 3 zeigt verschiedene Spannungsverläufe und veranschaulicht die Eliminierung des Einflusses einer

*5 Spannungsdrift, und

F i g. 4 zeigt verschiedene Spannungsdiagramme zur Veranschaulichung der Eliminierung induktiver und kapazitiver Störspannungen.
Gemäß Fig. 1 ist an einem Meßrohr 10 aus amagnetischem Material eine Magnetspule 11 angebracht, die ein durch das Rohr 10 hindurchgehendes Magnetfeld erzeugt. Im Inneren des Rohres sind zwei Elektroden 12, 13 angeordnet, die einander diametral gegenüberliegen und deren gedachte Verbindungslinie das Magnetfeld senkrecht schneidet. Die Elektroden 12, 13 sind mit dem Eingang der Auswerteschaltung 14 verbunden. Die Meßspannung wird an dem an die Auswerteschaltung 14 angeschlossenen Meßinstrument 15 abgelesen. Zur Erzeugung des Magnetfeldes ist die

so Magnetspule 11 mit einer Steuerschaltung 46 verbunden, die der Magretwicklung einen Strom bestimmter Kurvenform einprägt und nach der Erfindung darüber hinaus auch die Abtastzeitpunkte in der Auswerteschaltung 14 steuert.

Ein Blockschaltbild der Auswerteschaltung 14 und der Steuerschaltung 46 ist in F i g. 2 abgebildet. Die von den Elektroden 12, 13 kommenden Eingangsleitupgen der Auswerteschaltung 14 sind über jeweils einen Blockkon-

densator 16 bzw. 17 mil einem [-!ingangsanschluß ties Verstärkers 18 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 18 ist über einen Tiefpaß 19, dessen Grenzircquenz unterhalb 16 Hz liegt, mil der, beiden Spannungsaliusl· speichern 20 und 21 verbunden, jedem der Spannungs- > abtastspeicher ist ein lli'ltekondensator 22 bzw 23 vorgeschaltet und die Steuerung des Abtastzeitpunktes erfolgt über jeweils einen Schaller 24 und 25. der von der Steuerschaltung 15 aus gesteuert wird. Die Schalter 24 und 25 sind aus Gründen der Einfachheit der m Darstellung als mechanische Schalter angedeutet. Bei der praktischen Realisierung der Schaltung wird man jedoch elektronische Schalter verwenden.

Die Ausgangsleitung der Spannungsabtastspeicher 20 und 21 sind mit den Eingängen eines Differenzverstär- r> kers 26 verbunden und diesem ist ein Mittelwertbildner 27 nachgeschaltet. Der Ausgang des Mittelweribildners 27 bildet gleichzeitig den Ausgang der Auswerteschaltung 14, so daß das entsprechende Ausgangssignal dem Anzeigegerat 15 zugeführt wird. :o

Das Steuergerät 46 wird im lukt der 50 Hz-Netzirequenz betrieben. Zu diesem Zweck ist der Eingang eines mehrstufigen Frequenzteilers 28 an die Netzfrequenz angeschlossen. An einem Ausgang des binären Frequenzteilers 28 wird eine Rechteckspannung mit einer r> Frequenz von 50/64 Hz = 0,78 Hz abgenommen. Diese Rechteckspannung wird einem Integrator 30, bestehend aus einem kapazitiv rückgekoppelten Verstärker, zugeführt, so daß am Ausgang des Integrators eine Dreieckspannung entsteht. Diese Dreieckspannung si wird dem Verstärker 31 zugeführt, der einen hohen Ausgangswiderstand aufweist und somit imstande ist. der Spule des Elektromagneten 11 den Dreieckstrom mit einer Frequenz von 0.78 Hz einzuprägen.

Die Steuerung des Schalters 24 und 25 erfolgt über die UND-Tore 32 und 33. Sofern die Eingänge dieser Tore mit einem Punkt versehen sind, handelt es sich um Negierungseingänge.

In den Eingängen der Tore 32 und 33 sind die Ausgänge der Stufen des Frequenzteilers 28 derart -ίο zusammengefaßt, daß das Ausgangssignal jedes Tores 32, 33 nur in einem kurzen Intervall innerhalb einer jeden Periode des dreieckförmigen Magnetisierungsstromes vorhanden ist.

Der Frequenzteiler 28 könnte auch als Zähler ·>; betrachtet werden und die Ausgangsleitungen der verschiedenen Stufen könnten einem Digital/Analog-Urnsetzer zugeführt werden, der dann die Funktion des Integrators 30 wahrnehmen würde.

Zum besseren Verständnis und unter Bezugnahme auf so Fig.3 sei zunächst angenommen, daß der Schalter 24 durch das Tor 32 stets bei dem oberen Spitzenwert des Dreieckstromes kurzzeitig schließt, und daß der Schalter 25 von dem Tor 33 bei dem unteren Spitzenwert der Dreieckspannung schließt- Dabei ist zu berücksichtigen, daß der zeitliche Verlauf der magnetischen Flußdichte ßund der zeitliche Verlauf der an den Elektroden 12 und 13 entstehenden Nutzspannung Usuu gleich dem Verlauf des am Ausgang des Verstärkers 31 erzeugten Dreieckstromes ist.

Zur Erläuterung, wie die Störeinflüsse infolge langsamer Änderungen des Gieichspannungspotentials eliminiert werden, sei für den Augenblick angenommen, daß induktive und kapazitive Kopplungen nicht auftreten bzw. vernachlässigbar klein sind, und daß vagabundierende Fremdströme, die von außen eingestreut werden, durch das Tiefpaßfilter J9 ferngehalten werden. Die somit noch verbleibenden Störeinflüsse sind die Polarisationsspannungen. die sich zeillich sehr langsam verändern sowie die Drift des Eingangsverstärkers 18.

In F i g. 3 ist mit Kurve a) der Verlauf des Nutzspannungssignals / '\_M/ dargestellt. Diesem Nut/-spanmingssignal überlagert sich die bei b) dargestellte Störspannung, die sich aus den Polarisationsspannungcn und der Verstärkerdrift zusammensetzt und sich zeitlich nur sehr langsam ändert. Das Kombinationssignal aus Störspannung und Nutzspannung, so wie es am Ausgang des Verstärkers 18 auftritt, ist in F i g. 3 durch die Kurve c) veranschaulicht. Bei d) sind diejenigen Abtastzeitpunkte angegeben, in denen die jeweiligen Schalter 24 und 25 kurz/t ig geschlossen werden, um den betreffenden Amplitudenwert in den Spannungsabtastspeicher 20 bzw. 21 einzugeben, wo er bis zur nächsten Schließung des betreffenden Schalters beibehalten w ird. In F i g. 3 sind in der Darstellung e) die Spannungsverläufe dargestellt, die sich an den beiden Spannungsabtastspeichern 20 und 21 ergeben, wenn das Eingangssignal den in Darstellung c) dargesieiiien Verlauf hai. Man erkennt, daß an den Ausgängen der beiden Spannungsabtasispeicher 20 und 21 Treppenkurven entstehen, die amplitudenmäßig und zeitmäßig gegeneinander versetzt sind. In der Darstellung / ist der zeitliche Verlauf des Ausg.ingssignals des Differenzverstärker 26 dargestellt. Die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der Verstärker 20 und 21 schwankt nach Art einer Rechteckkurve um den Mittelwert 39 herum. Dieser Mittelwert wird in dem arithmetischen Mittelwertbildner 27 gewonnen, bei dem es sich beispielsweise um ein RC-Glied handelt. Der Mittelwert 39 ist der Nutzspannung U\_uu proportional. Man erkennt leicht, daß die Rechteckkurve in Fig. 3f) verschwindet und direkt in die konstante Spannung 39 übergeht, wenn keine zeitlich veränderliche Störspannung, wie sie in b) dargestellt ist. vorhanden ist. In diesem Falle ist nämlich die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Spitzenwert des auszuwertenden Signals stets konstant.

Da wegen der zeitlichen Änderung der Störgleichspannung die Frequenz des Magnetstromes nicht wesentlich unter den Wert von ca. 1 Hz gelegt werden kann, können noch induktive und kapazitive Störspannungen vorhanden seir, die das Maßergebnis verfälschen. Unter a) ist der zeitliche Verlauf des Magnetisierungsstromes angegeben, der dem zeitlichen Verlauf der Flußdichte B und des Nutzsignals Usu-.r entspricht. Die induktive Störspannung beträgt bekanntlich

und ist somit der zeitlichen Ableitung des Magnetisierungsstromes proportional. Da der Magnetisierungsstrom eine Dreiecksfunktion ist, wird die induktive Störspannung zu einer Rechteckfunktion. Das gleiche gut für den kapazitiven 5 törstrom Ic, für den gilt:

/ = C ■— ^c ar

Diese beiden Störgrößen, die einander phasengleich und beide rechteckförmig sind, lassen sich zu der in Fig.4 unter b) dargestellten Störspannung Usiär zusammenfassen.

Unter c) ist das kombinierte Nutz-Störsignal dargestellt, das sich aus einer Überlagerung der dreieckförmigen Nutzspannung Usaa mit der rechteckförmigen

Störspannung U.s_m ergibt. Um aus dem unter c) dargestellten Kombinationssignal nur den Nutzanteil auszuwerten, sind die Abtastzeitpunkte gemäß F i g. 4d) so gelegt, daß die Auswertung des Kombinationssignals stets entweder nur auf dem ansteigenden Ast 40 oder nur auf dem abfallenden Ast 4t erfolgt. Im vorliegenden Falie wurde der ansteigende Ast 40 gewählt. Die Eingänge der Tore 32 und 33 (F i g. 2) sind so geschaltet, daß die Ausgangssignale 42 des Tores 32 stets um 50 ms hinter „em Zeitpunkt des unteren Umkehrpunktes der Dreiecksspannung liegen, während die Eingänge des Tores 33 so geschaltet sind, daß das Ausgangssignal 43 dieses Tores jeweils um 50 ms vor atm oberen Umkehrpunkt der Dreiecksspannung liegt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Abtastung jeweils nur auf dem ansteigenden Ast 40 des Gesamtsignals erfolgt.

Man erkennt leicht, daß bei der anschließenden Differenzbildung zwischen den Spannungen 44 und 45 die Störspannung herausfällt, da sie zu beiden Zeitpunkten jeweils gleich groß ist.

Die Verwendung eines dreieckförmigen Magnetisierungsstromes hat den Vorteil, daß die induktiven und kapazitiven Störeinflüsse rechleckförmig werden und sich durch eine geeignete Lage der Abtastzeitpunkte eliminieren lassen. Ferner ist.wegen des eingeprägten Stromes sichergestellt, daß Einschwingvorgänge bei der Ummagnetisierung vermieden werden. Schließlich läßt sich die Dreiecksform des Magnetisierungsstroms schaltungstechnisch einfach realisieren und aus der Netzfrequenz herleiten, wobei gleichzeitig noch die Zeitsteuerung der Schalter 24 und 25 mit der Steuerschaltung 15 vorgenommen werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichinimicn

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Claims

Patentansprüche:

1. Induktiver Durchflußmesser mit einem Elektromagneten, der an eine Erregerstrom mit periodisch wechselnder Polarität erzeugende Stromquelle angeschlossen ist, mit zwei Spannungsabtastspeichern, die derart gesteuert sind, daß sie in jeder Periode des Magnetfeldes je einen Wert der Elektrodenspannung innerhalb der positiven bzw. negativen Halbwelle kurzzeitig aufnehmen, und mit einer Schaltung zur Bildung einer Differenz aus Werten der beiden Speicher, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (46) einen mit der Zeit abwechselnd linear ansteigenden und linear abfai- !enden Erregerstrom erzeugt

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Speicher (20, 21) eingegebenen Spannungen jeweils bis zur nächsten Abtastung am Ausgang der Speicher anstehen und kontinuierlich einem Differenzverstärker (26) zugeführt sinit, dessen Ausgang über einen Mittelwertbildner (27; mit einem Anzeigegerät verbunden ist.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem dreieckförmigen Verlauf des Erregerstroms die Punkte (42,43) zum Abtasten der Elektrodenspannung entweder nur auf dem ansteigenden oder nur auf dem abfallenden Ast des Erregerstromes in der Nähe der Spitzenwerte liegen. J0