DE2636576A1 - Elektromagnetischer stroemungsmesser - Google Patents

Description

Elektromagnetischer Strömungsmesser

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Strömungsmesser mit einem Paar von auf einem Eohr angeordneten Meßelektroden, einer durch einen Strom angesteuerten Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes, durch welches die Fluidströmung im Eohr hindurchgeht, um zwischen den Elektroden ein Spannungssignal zu erzeugen, und mit einer Einrichtung zur Stromspeisung, wobei der Strom dieser Einrichtung die Form einer Welle aufweist.

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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Gerät zur Messung der Fluidgeschwindigkeit und insbesondere auf einen
elektromagnetischen Strömungs- bzw» Mengenmesser.

Elektromagnetische Strömungsmesser sind allgemein bekannt und werden zum Messen der Tolumenströmungsgeschwindigkeit bei einer Vielzahl von Fluiden angewandt. Das Fluid ist im üblichen eine Flüssigkeit und kann abschleifende oder nicht abschleifende, chemisch korrodierende bzw. ätzende oder
passive Eigenschaften haben; die einzige Beschränkung besteht darin, daß das Fluid bzw. die Flüssigkeit eine bestimmte Leitfähigkeit haben muß. Elektromagnetische Strömungsmesser bieten größere Vorteile gegenüber anderen
strömungsanzeigenden Einrichtungen„ da sie durch das sich bewegende Fluid nicht zerstörbar sind und keine beweglichen Teile enthalten.

Das Prinzip der Arbeitsweise eines elektromagnetischen
Strömungsmessers basiert auf dem Faraday'sehen Gesetz:
Wenn ein Leiter sich durch ein magnetisches Feld bewegt,
wird ein elektrisches Potential am Leiter in einer Richtung erzeugt, die bezüglich des Leiters und dem Magnetfeld die gleiche ist. Bei einem elektromagnetischen Strömungsmesser stellt das Fluid den Leiter dar, der sich durch eine Leitung oder ein Rohr bewegt, wobei ein Magnetfeld mit mehr
oder weniger parallelen Flußlinien quer zur Fluidströmung erzeugt wird.

wahrend das Prinzip elektromagnetischer Strömungsmesser
vergleichbar einfach ist, so sind die bekannten Strömungsmesser dieser Art doch verbesserungswürdig. TTm das erzeugte Potential zu messen, werden diametral einander gegenüberliegende Elektroden jenseits des Feldes in Eontakt mit dem Fluid angeordnet» Die Elektroden werden üblicherweise am Umfang eines Sohrabschnitts-und in rechtem Winkel sowohl zum Magnetfeld als auch zur Richtung der" Fluidströ-

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nrang angeordnet. Der Rohrabschnitt kann aus nichtleitendem Material bestehen, wobei dann die Elektroden direkt in dieses Material eingesetzt bzw. eingebettet werden und eine Oberfläche der Elektroden dem Fluid bzw. der Flüssigkeit ausgesetzt ist. Venn jedoch der Rohrabschnitt aus leitendem Material besteht, müssen die Elektroden gegenüber dem Rohr isoliert sein.

Da das Fluid durch das Rohr strömt, schneidet es die magnetischen Flußlinien und ruft ein Potential hervor, welches zwischen den Elektroden gemessen werden kann. Dieses elektrische Potential stellt eine Funktion sowohl der magnetischen Feldstärke als auch_ der Geschwindigkeit des Fluids dar. Wenn das Magnetfeld konstantgehalten wird, ist das elektrische Potential idealerweise nur eine Funktion der Fluidgeschwindigkeit. Die Leitfähigkeit des Fluids stellt keinen Faktor dar, vorausgesetzt, daß. sie einen Minimalwert überschreitet.

Die Spannung zwischen den Elektroden wird üblicherweise durch einen bekannten Verstärker verstärkt, beispielsweise einen "Übertrager™ oder eine Sekundäreinrichtung. Der Magnetfluß wird vorzugsweise dureh einen Elektromagneten hervorgerufen. Die Strömung durch das Rohr ist nicht gleichmäßig, so daß Wirbelströme an der Grenzfläche zwischen dem Fluid und dem Rohr auftreten können. Die Wirkung dieser Ströme bei Vorliegen eines konstanten Magnetfeldes bewirkt eine allmähliche Polarisierung der Elektroden wegen der elektrolytischen Wirkung, so daß eine fehlerhafte elektrische Vorspannung erzeugt wird. Es wurden bereits Versuche angestellt, um die Elektroden im Hinblick auf die Polarisation bei Vorliegen eines konstanten Magnetflusses weniger empfindlich zu gestalten, jedoch haben sich die betreffenden Verfahren als wenig zufriedenstellend erwiesen.

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Aus diesem Grund wurde bei solchen Strömungsmessern der Magnetfluß mit der Zeit geändert, so daß eine Polarisation der Elektroden verhindert wurde. Üblicherweise wird der Magnetfluß sinusförmig variiert. Wegen eines sich mit der Zeit ändernden Magnetfeldes ergeben sich jedoch hier Sekundäreffekte. Ein sich mit der Zeit änderndes Magnetfeld induziert Spannungen an stationären Leitern, die sich innerhalb des Feldes befinden, so daß eine Spannung zwischen den Elektroden hervorgerufen wird, die von der Fluidgeschwindigkeit unabhängig ist. Zusätzlich zu diesem Elektrodensignal besteht auch eine Mehrweg-Wechselstromkopplung zwischen den Magnetspulen und den von Fluid bedeckten Elektroden. Diese beiden Effekte rufen Signale hervor, die sich kombinieren, um ein Signal zu liefern, welches gegenüber dem Strömungssignal etwa um 90° phasenverschoben ist und als Quadratursignal bezeichnet wird. Das Quadratursignal kann durch sorgfältige Wahl bzw. Konzipierung der Meßelektroden sowie des die Scharf-Einstellung bewirkenden Schaltkreises auf ein Minimum reduziert werden, jedoch kann dieses Quadratursignal nicht vollständig beseitigt werden.

Anstelle der Benutzung des Üblichen, sinusförmigen Stromes zur Änderung der Magnetflußrichtung wurden elektromagnetische Strömungsmesser entwickelt, die durch rechteckwellenförmige Ströme angesteuert bzw. betrieben werden; ein derartiger Strömungsmesser ist in der US-PS 3 763 687 beschrieben. Bei einem derartigen Strom mit Eechteckwellenverlauf erfolgt die Zeitänderung augenblicklicher als bei der sinusförmigen Welle, .so daß das Quadratursignal wesentlich reduziert wird.

Ein Problem bei einem Spulenstrom mit Rechteckwellenverlauf ergibt sich auf Grund der Tatsache, daß die Spulen induktiv sind und einen oder eineinhalb Joule der Energie spei-

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ehern können. Bei der Entladung kann ein Hochspannungsfunken mit etwa 25 kV erzeugt werden. Die elektromagnetischest euer schaltung muß gegenüber solchen Beanspruchungen geschützt werden oder es kann ein elektrischer Lichtbogen auftreten. Darüber hinaus müssen auch Anordnungen getroffen werden, um elektrische Störungen bzw. Geräusche zu unterdrücken, die auftreten, wenn die Spulen augenblicklich entladen werden.

Ein weiterer, wesentlicher Nachteil der reinen Rechteckwelle besteht darin, daß die plötzliche Diskontinuität des Magnetflusses Einschwing-Spannungssignale hervorruft, die zwischen den Elektroden auftreten. In der US-PS 3 894- 430 wird ein abgeschnittener sinusförmiger Spulenstrom benützt. Da dieser Spulenstrom keine reine Rechteckwelle ist, ist es möglich, daß die Einschwingzustände bzw. -übergänge an Punkten erzeugt werden, an welchen der Strom abgeschnitten bzw. begrenzt ist. Um die wirkung dieser Übergänge oder Einschwingzustände zu vermeiden, werden Abtast- und Haltetechniken eingesetzt, um die Spannungen zwischen den Elektroden während demjenigen Intervall abzutasten, in welchem der Strom konstant ist. Es besteht jedoch das Problem, daß. die Übergänge oder Einschwingzustände nicht vollständig zu der Zeit gedämpft werden können, zu welcher die Abtastung erfolgt und somit immer noch unrichtige Spannungen erzeugt werden können.

Somit ist es erwünscht, sich noch mehr einer kontinuierlichen Überwachung anzunähern, so daß die Zeit für die Abtastrate sehr kurz sein muß„ damit der Übergangszustand bzw. Einschwingzustand nicht abklingt, d.h. nicht vollständig auftritt. Es ist ferner äußerst wünschenswert, einen elektromagnetischen Strömungsmesser zu schaffen, dessen Hagnetfluß sich ändert, so daß die Polarisierung der Elektroden sowie Quadratrursignal verhindert werden und bei dem Übergangsspannungen eliminiert werden, die in den Elektroden induziert werden, wodurch eine äußerst hohe Abtastrate ermöglicht wird.

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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsmesser zu schaffen, der ein möglichst geringes Quadratursignal liefert und bei dem die Erzeugung von Übergängen bzw. Einschwingzuständen verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst.

¥eitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den TJnteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Strömungsmesser weist eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetwechselfeldes auf, welches über einem Rohr in einer quer zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit im Rohr liegenden Richtung erzeugt wird. Die Bewegung der Flüssigkeit, die durch das Rohr strömt, ruft Spannunr gen hervor, welche in der Flüssigkeit induziert werden und aufgenommen werden. Die Wellenform des Magnetfeldes weist erfindungsgemäß Segmente mit konstanten Größen bzw. Amplituden auf. Diese flachen Wellensegmente sind durch gleichförmig ab- bzw. zunehmende, krummlinige Segmente verbunden.

Die Erfindung schafft somit einen Strömungsmesser, dessen Spulen einen Strom mit einer Wellenform erhalten, die einer zusammengesetzten sinusförmigen und rechteckförmigen Welle entspricht. Die induzierte Spannung wird während konstanter Zustände abgetastet, wodurch Einschwingspannungsspitzen oder Fehlersignale vermieden werden.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Erläuterung weiterer Merkmale anhand von Zeichnungen besclirieben» Es zeigern

Fig» 1 ein Blockschaltbild eines elektromagnetischen Strömungsmessers mit der zugehörigen Schaltung,

Fig. 2 Wellenformen, die "bei der Schaltung nach Fig. 1 auftreten, und

Fig. 3 eine detaillierte, schematische Ansicht der Schaltung nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines elektromagnetischen Strömungs- oder Mengenmessers 10 sowie die zugeordnete Schaltung gemäß der Erfindung dargestellt. Eine Leitung oder ein Rohr 12 hat einen kreisförmigen Querschnitt, ist jedoch nicht auf diese Form beschränkt. Diagonal einander gegenüberliegende Elektroden 14 und 16 sind an der Wand des Rohres befestigt, so daß ein elektrischer Kontakt mit dem Fluid 18 oder einer Flüssigkeit erhalten wird, welches bzw. welche durch das Rohr strömt. Feldspulen 20 sind derart angeordnet, daß sie ein Magnetfeld erzeugen, welches orthogonal sowohl zur Fluidströmung wie auch zu der Diagonalen der Elektroden 14 und 16 ist.

Gemäß der Erfindung sind die Ausgänge der Elektroden 14 und 16 an den Eingang eines Sekundärkreises 22, d.h. einer Verstärkungsschaltung angeschlossen, die einen Abtast- und Haltestromkreis 24 enthält, dessen Ausgang an einen Gleichstromverstärker 26 angeschlossen ist. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugt ein Synthesizer für eine Wellenform ein Ausgangssignal, das eine mit 30 bezeichnete Wellenform aufweist.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, stellt das durch die Wellenform repräsentierte Signal einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung dar, die flache Abschnitte 3OA mit gleicher Amplitude enthält, die jedoch entgegengesetzte Richtung aufweisen und kontinuierlich durch zwischenliegende, gleichmäßig ansteigende oder abnehmende Teile 3OB von sinusförmigen Impulsen mit halber Zyklusdauer verbunden sind. Die Spitzen der sinusförmigen Impulse kennzeichnen somit bei einer

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Steig—ung von null den Anfang und das Ende der flachen Abschnitte der Welle, so daß die Erzeugung höherer Frequenzen vermieden wird.

Die Frequenz der Wellenform 30 ist vorzugsweise geringer als die Netzfrequenz 32, um ein Ansprechen auf 60 Zyklen zu vermeiden.

Der Ausgang des Wellenform-Synthesizers 28 wird durch einen Stromverstärker 34 geführt und dort verstärkt, um die Feldspulen mit einem Spitzenwert von etwa 3 bis 5 Ampere anzusteuern. Der daraus resultierende Magnetfluß weist eine alternierende Wellenform mit im wesentlichen der gleichen Gestalt wie die Wellenform 40 des Stromes auf. Zwischen den Elektroden 14 und 16 wird eine Spannung erzeugt, die ebenfalls eine der Welle 30 ähnliche Wellenform hat.

Gemäß Fig. 1 enthält der Wellenform-Synthesizer 28 eine Einrichtung zur Erzeugung eines Gate- bzw. Steuersignals für einen Zeitabschnitt, während welchem die Welle 30 flach verläuft. Dieses Steuersignal wird an eine Gate-Schaltung angelegt, welche den Abtast- und Haltestromkreis 24 derart steuert, daß die Spannung zwischen den Elektroden 14, 16 nur während derjenigen Periode abgetastet wird, während welcher der Magnetfluß eine konstante Größe hat. Sekundärwirkungen, wie beispielsweise die Wechselstromkopplung zwischen den Spulen 20 und den Elektroden 14, 16 sind zeitabhängig und werden durch Änderungen des Magnetflusses erzeugt; diese Sekundärwirkungen liegen während der Periode konstanten Magnetflusses nicht vor. Die Amplitude der abgetasteten Spannung zwischen den Elektroden stellt demzufolge eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit durch das Rohr dar.

Das Gleichstrom-Abtastsignal des Abtast- und Haltekreises wird vom Gleichstromverstärker 26 verstärkt, der ebenfalls

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durch ein Gatter 34 gesteuert werden kann. Das verstärkte Abtastsignal ist dem abgetasteten Spitzensignal zwischen den Elektroden proportional und repräsentiert die Geschwindigkeit des Fluids.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß der Magnetfluß periodisch seine Richtung ändert, wodurch eine Polarisierung der Elektroden verhindert wird. Die kontinuierlich verlaufenden Anstiegs- und Abfallkanten der elektromagnetischen Welle beseitigen eine unerwünschte Übergangs- oder Einschwingspannung zwischen den Elektroden. Infolgedessen wird ein Ausgangssignal erhalten, welches praktisch keine Wechselstromdrift aufweist, wodurch die Konzeption des Verstärkers vereinfacht und verbessert wird und darüber hinaus die Zuverlässigkeit der Fluid-Strömungsmessungen erhöht wird. Da die Stromamplitude vom Synthesizer 28 gesteuert wird, ist das Strömungssignal unabhängig von Schwankungen der Netzspannung und in dem Sekundärkreis 22 muß keine Kompensation der Netzschwankungen erfolgen.

Der Synthesizer oder Wellenform-Generator 28 kann unter Verwendung bekannter Digitalschaltungen aufgebaut sein; aus Gründen der niederen Frequenzen, die mit auftreten, wird als bevorzugte Ausführungsform die in Fig. 3 gezeigte elektromechanische Anordnung verwendet.

Ein Übertrager 50 koppelt eine sinusförmige Spannung 52 von einer Speise- bzw. Netzquelle 46 zu einem Widerstand Diese Spannung wird zur Aufladung einer Kapazität 48 benützt. Zwischen der Kapazität 48 und dem Widerstand 44 ist ein Paar von gleichrichtenden Dioden 5OA und 5OB parallel zueinander mit entgegengesetzter Polung angeordnet. In Serie zu jeder dieser Dioden 5OA und 5OB liegt ein Schalter 52A und 52B. Die beiden Schalter 52A und 52B werden durch ein Schrittschaltrelais 54 derart betätigt, daß ein

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Sehalter geschlossen ist, wenn der andere Schalter geöffnet ist. Das Schrittschaltrelais 54 ändert die Schalterstellungen abhängig vom Ausgang eines Differenzverstärkers 56. Die Eingangssignale zum Differenzverstärker 56 werden durch die am Widerstand 44 anliegende Spannung 42 und die am Kondensator 48 anliegende Spannung 30 dargestellt, wogegen der Ausgang die durch die Kurve 38 in Fig. gezeigte Differenz darstellt.

Die Arbeitsweise des Wellenform-Generators 28 wird im folgenden erläutert. Dabei wird angenommen, daß die sinusförmige Spannung 42 am Widerstand 44 gerade den Nullpunkt durchlaufen hat und zu einer positiven Spitze ansteigt. Die Schalteranordnung ist derart getroffen, daß der Schalter 52A geschlossen ist, wodurch die Diode 5OA leitend wird, d.h. der Weg über die Diode 5OA geschlossen ist. Die Kapazität 48 wird demzufolge auf ein Potential aufgeladen, welches nahezu gleich der Spitzenspannung bzw. Scheitelspannung am Widerstand 44 ist. Wenn die sinusförmige Spannung sich bezüglich ihrer Steigung umkehrt, wird die Spannung an der Kapazität 48 daran gehindert, sich über die Diode 5OA zu entladen.

Die Spannungen am Kondensator 48 und Widerstand 44 liegen ständig an den Eingängen des Differenzverstärkers 56 an. Wenn die Differenzspannung 58 den Nullwert erreicht, gibt der Differenzverstärker 56 das Relais 54 frei, welches die Schalterstellungen derart verändert, daß der Schalter 52A geöffnet und der Schalter 52B geschlossen wird. Die Spannung 30 am Kondensator 48 folgt dann der negativen Steigung der Spannung am Widerstand 44, bis die negative Spitzenspannung erreicht wird. Diese Spannung wird so lange gehalten, bis die Schalterstellungen wiederum geändert werden. Somit weist die Spannung 30 am Kondensator 48 eine Form auf, die der in Fig. 2 ähnlich ist, die ihrerseits

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in eine Strom-Wellenform gleicher Gestalt auf Grund des Verstärkers 44 umgewandelt wird. Ein Trennverstärker 66 mit hoher Impedanz ist vorgesehen, um eine Entladung des Kondensators 48 zu verhindern.

Ein Steuersignal 60 wird von einem Komparator 58 geliefert, um die Sekundärverstärker 24 und 26 nach Fig. 1 anzusteuern. Der Komparator 58 erzeugt als Ausgangssignal das Gate- oder Auftastsignal 60, wenn die Spannung des Differenzverstärkers 56 einen Schwellwert überschreitet, der durch Zenerdioden 64A und 64B "bestimmt ist. Die abgetastete Spannung weist eine Wellenform auf, welche der Auftastspannung 60 ähnlich ist.

Durch die Erfindung ergibt sich somit ein Strömlingssignal, welches praktisch frei von Störungen auf Grund der Vermeidung von Einschwingvorgängen und dem Einfluß des Netzes ist, wodurch die Verwendung von Verstärkern, d.h. Sekundärverstärkern möglich ist, die gegenüber den üblicherweise in elektromagnetischen Strömungsmessern benützten Verstärkern höhere Verstärkungsfaktoren haben. Demzufolge ist eine geringere Spannung.an den Elektroden für ein bestimmtes Ausgangssignal· erforderlich, welches die Anwendung eines niedrigeren Spulenstroms gestattet.

Wie beschrieben wurde, wird das Spannungspotential an den Elektroden periodisch abgetastet. Demzufolge treten Zeitperioden auf, während welcher die Elektroden nicht für Meßzwecke benützt-werden. Diese ungenützten Zeitperioden, können zur Reinigung der Elektroden von Ablagerungen mittels Ultraschallreiniger oder dergleichen verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Strömungsmesser oder Mengenmesser bringt alle Vorteile eines Strömungsmessers mit einem Gleichstromfeld mit sich, wogegen alle Vorteile eines Strömungsmessers mit Wechselstromfeld beibehalten werden.

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Der erfindungsgemäße Strömungsmesser hat demzufolge eine verbesserte Nullstabilität, die Elektroden sind verbessert beständig gegen Verschmutzung und die Sekundärkosten, d.h. die Kosten für Sekundärgeräte sind verringert.

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Claims (4)

Patentansprüche

1. Elektromagnetischer Strömungsmesser mit einem Paar von auf einem Rohr angeordneten Meßelektroden, einer durch einen Strom angesteuerten Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes, durch welches die Fluidströmung im Rohr hindurchgeht, um zwischen den Elektroden ein Spannungssignal zu erzeugen, und mit einer Einrichtung zur Stromspeisung, wobei der Strom dieser Einrichtung die Form einer Welle aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenform des Stromes aus mehreren, sich abwechselnden sinusförmigen Segmenten einer Sinuswelle besteht, wobei jedes sinusförmige Segment eine dem halben Zyklus entsprechende Dauer hat und mit einer Steigung von null endet, und daß die Strom-Wellenform eine Serie von abwechselnden, flachen Segmenten (30A) aufweist, wobei jedes flache Segment zwischen jedem sinusförmigen Segment (30B) liegt.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinuswelle eine unter der Netzfrequenz liegende Frequenz aufweist.

3. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Segmente (30A) der Strom-Wellenform eine größere Dauer als die sinusförmigen Segmente (30B) haben.

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4. Strömungsmesser nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden (14, 16) und an eine Torschaltung (36) ein Verstärker (24) angeschlossen ist, wobei die Tor-/bzw. Steuerschaltung (36) den Verstärker (24) für denjenigen Zeitabschnitt in Betrieb setzt, innerhalb welchem das flache Segment (30A) des Stromes vorliegt, so daß der Verstärker ein Ausgangssignal liefert, dessen Amplitude eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit ist.

5· Strömungsmesser nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Stromspeisung eine Quelle (46) zur Erzeugung sinusförmiger Wellen und einen Haltekreis (24) aufweist, welcher wechselweise die maximalen und minimalen Werte der Sinuswelle zwischen zwei Spitzenwerten für einen Zyklus der Sinuswelle hält und ein aus flachen Segmenten mit einer Zyklusdauer bestehendes Ausgangssignal liefert, wobei diese flachen Segmente durch einer halben Zyklusdauer entsprechende Zeitperioden getrennt sind, und daß der Haltekreis (24) ein sinuswellenförmiges Ausgangssignal erzeugt, welches den.den flachen Segmenten entsprechenden Ausgangssignalen während der einem halben Zyklus entsprechenden Zeitperioden nachfolgt.

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