DE2714142A1

DE2714142A1 - Einrichtung zur messung eines magnetflusses

Info

Publication number: DE2714142A1
Application number: DE19772714142
Authority: DE
Inventors: Jun Harry L Trietley
Original assignee: Sybron Corp
Current assignee: Sybron Transition Corp
Priority date: 1976-05-19
Filing date: 1977-03-30
Publication date: 1977-12-01
Also published as: US4106337A; CA1072636A; GB1584458A

Description

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TELEX: 52 I73O

Meine Akte: S-4218

Sybron Corporation Rochester, N.Y.,USA

Einrichtung zur Messung eines Magnetflusses

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung eines Magnetflusses.

Es sind bereits verschiedene Einrichtungen zur Messung des Magnetflusses mit Nullabgleichsystemen bekannt, die rein mechanischen Aufbau haben und Anordnungen zur physikalischen bzw. körperlichen Bewegung einer Elektroden-Drahtleitung in einem Magnetfeld bis zum Erreichen eines minimalen Ausgangs signales, welches das Vorliegen keines Magnetflusses anzeigt, aufweisen. Bei einer abgewandelten Einrichtung dieser Art werden anstelle der Bewegung von Leitungsdrähten leitende

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oder magnetische Elemente bewegt, um Wirbelströme oder andere Veränderungen des Magnetfeldes in der Nachbarschaft der Elektrodenleitungen zu induzieren. Auch diese Elemente werden so bewegt, daß ein minimales Signal erzeugt wird, wenn kein Magnetfeld vorliegt. Bei mechanischen Einrichtungen muß das einzustellende Element im Magnetfeld angeordnet sein. Daher muß das Meßgerät bzw. die Meßeinrichtung entweder dann auf Null abgeglichen werden, wenn es nur teilweise zusammengebaut ist oder es müssen entfernt angeordnete Einrichtungen, die mechanisch mit den einstellbaren Elementen gekoppelt sind_/ fUr die Einstellung im zusammengebauten Zustand vorgesehen werden. Andere Systeme zum Nullabgleich verwenden elektronische Mittel, welche die Einstellung bei in üblicher Weise angeordneten Potentiometern ermöglichen.

Die einfachste derartige Lösung unter Verwendung von Potentiometern, die Elektrodenleitungsschleifen enthalten, versuchen, elektrisch das "virtuelle Zentrum" der Drähte oder der Elektroden selbst einzustellen, um ein minimales Null-Signal zu erhalten. Obgleich diese Systeme arbeitsfähig sind, sind sie nicht zufriedenstellend, da nur eine Amplitudenein- oder -nachstellung möglich ist, jedoch keine Phasenverstellung bzw. Phasenabgleich. Bei dem Nullwert besteht somit eine geringe Phasendifferenz zwischen dem Elektrodensignal für die Anzeige des Nichtvorliegens eines Magnetflusses und dem in der Leitungsschleife induzierten Signal. Auf diese Weise ist eine vollständige Beseitigung, d.h. ein tatsächliches Null-Signal nicht erhältlich.

Bei anderen elektronischen Systemen ist sowohl eine Amplituden- als auch eine Phasen-Einstellung möglich. Solche Systeme sind jedoch Überaus komplex und erfordern einen oder

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mehrere Wandler oder auch drei Leitungen zu jeder Elektrode, wobei zwei Leitungen fUr die Signal-Aufnahmeschleife und eine Leitung zur direkten Elektrodenverbindung vorgesehen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen eines elektromagnetischen Flusses zu schaffen, die unter Ausschaltung der bestehenden Schwierigkeiten und Nachteile bekannter Einrichtungen einen optimalen Nullabgleich ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung schafft insbesondere eine Einrichtung zum Messen eines elektromagnetischen Flusses mit einem System zum Nullabgleich des bei Nichtvorliegen eines Magnetflusses auftretenden Signales, d.h. dieses Signal wird auf ein Minimum abgeglichen. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist jede Elektrode mit einem Netzwerk zur Einstellung der phasenrichtigen und phasenverschobenen Spannung verbunden. Dabei ist jede Elektrode an eine Schleife mit einem Schleifdraht eines Potentiometers verbunden, wobei der Schleifer eines Potentiometers direkt mit der Detektor- und Meßschaltung in Verbindung steht; der Schleifdraht eines Potentiometers ist dabei mit dem Schleifdraht eines dritten Potentiometers parallelgeschaltet; der Schleifer eines Potentiometers ist direkt mit der Detektor- und Meßschaltung verbunden, während der Schleifer des dritten Potentiometers Über einen Kondensator mit der Detektor- und Meßschaltung in Verbindung steht.

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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Messung des Magnetflusses gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 eine detaillierte Schaltung für das Blockschaltbild nach Fig. 1.

Das in Fig. 1 gezeigte Nullabgleichsystem fUr ein Meßgerät für den Magnetfluß bzw. die Magnetflußdichte weist eine Leitung auf, durch die eine zumindest gering leitende Flüssigkeit strömt. Einander gegenüberliegend sind in der Leitung 1 Elektroden 2 und 3 vorgesehen, welche die Flüssigkeit berühren. Eine Wicklung 4 oderein ähnliches, geeignetes Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes liefert ein Magnetfeld, welches sich normalerweise bezüglich seiner Richtung ändert und das quer zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden 2 und 3 sowie quer zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit in der Leitung oder dem Rohr liegt. Diese Wicklung 4 ist das Primärelement eines herkömmlichen Geräts zur Messung des elektromagnetischen Flusses. Die Elektroden 2,3 sind in bekannter Weise mit Anschlüssen eines geeigneten Geräts zur Erfassung und Messung einer V/echselspannung angeschlossen, wobei dieses Gerät ein Ausgangssignal erzeugt, welches zu der Spannung im Verhältnis steht, die in der Flüssigkeit induziert wird, welche zwischen den beiden Elektroden vorbeifließt. In Fig. 1 ist ein derartiges Gerät mit 5 bezeichnet.

Durch ein Paar von Drahtleitungen 6,7 liegt die Elektrode 2

im Kreis einer Schleife zum Nullabgleich. Aus Fig. 1 ergibt sich,

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daß die Leitungen 6 und 7 mit Ausnahme an denjenigen Enden, die sich in direkter Nachbarschaft der Elektrode befinden, Miteinander verdrillt sind; die Schleife ist in der dargestellten rechteckigen Form beispielsweise dadurch befestigt, daß jeder Punkt des Drahtes in der Schleife direkt an der Außenoberfläche der Leitung 1 befestigt ist. Vorzugsweise wird die Elektrode 2 in der Mitte der unteren Seite der rechteckigen Schleifen angeordnet und auf jeden Fall durch ein elektrisch leitfähiges Eleatent der Schleife gebildet, die ihrerseits durch die Enden der Leitungen 6,7 geformt ist. Der verdrillte Abschnitt der Leitungen 6,7 verläuft zu einen Abgleich-Netzwerk für die phasenrichtige Spannung, welches durch den Block 8 dargestellt ist und welches Eingängen 9,10 und einen Ausgang 11 aufweist. Die Leitungen 6,7 sind außerdem zu einem Netzwerk 12 weitergeleitet, welches Eingänge 13,14 und einen Ausgang 15 aufweist und zum Abgleich einer phasenverschobenen Spannung vorgesehen ist.

Die Elektrode 3 ist in gleicher Weise wie die Elektrode 2 vorgesehen bzw. ausgebildet; Drahtleitungen 16 und 17 sind ■it ihre· einen Ende an diese Elektrode 3 angeschlossen und bilden die Schleife, welche die Elektrode enthält; ein verdrillter Teil dieser Drahtleitungen ist mit einen Metzwerk zur Einstellung der phasenrichtigen Spannung und außerdem mit einem Netzwerk 19 zur Einstellung bzw. zum Abgleich der phasenverschobenen Spannung verbunden. Die Ausgänge der Netzwerke 8 und 12 sind mit einem Eingang 20 der Detektor- und der Heßschaltung verbunden, während die Ausgänge der Netzwerke 18,19 mit dem anderen Eingang 21 der Schaltung 5 in Verbindung stehen. Die Netzwerke oder Schaltungen 18,19 sind genauso wie die entsprechenden Netzwerke 8,12 mit Eingangs- und Ausgongsanschlüssen ausgerüstet. 709848/0733

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Es wird nuntaehr angenommen, daß in jeder Elektroden-Leitungsschleife durch ein wechselndes iiognetfeld eine Spannung induziert wird und daß ferner jedes Netzwerk die Eigenschaft hat, aus der induzierten Spannung eine algebraische Summe aus zwei Spannungen zu liefern, von denen eine sich in Phase »it der induzierten Spannung befindet, während die andere gegenüber der induzierten Spannung phasenverschoben ist, wobei diese beiden Spannungen einstell- oder abgleichbor sind.

Demzufolge läßt sich ein solches Gerät zur Messung des Magnetflusses unabhängig von der Tatsache vollständig zusammengebaut herstellen, ob der zusammengebaute Zustand dieses Geräts eine in wesentlichen Null darstellende Spannung bei Nichtvorliegen eines Magnetflusses ergibt oder nicht. Wenn festgestellt wird, daß das fertiggestellte Prinäreleaent bei Vorliegen keines Magnetflusses (Magnetfluß = Null) keine Spannung Null liefert, dann ist es lediglich erforderlich, eines oder mehrere der Netzwerke 8,12,13 und 19 abzugleichen, ua die unerwünschte Spannung bei einen den Wert Null entsprechenden Kognetfluß abzugleichen.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 1 beinhaltet ein einigermaßen komplexes System von Netzwerken; aus Fig. 2 ist jedoch ersichtlich, daß dies in der Praxis nicht dar Fall ist. Bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltung wird nicht nur der Vorteil ausgenützt, daß ia allgemeinen Phasenverschiebungen dadurch berücksichtigt werden können, daß nur eine phasenverschobene, einstellbare Quelle benutzt wird, sondern daß auch eine eine phasenrichtige Spannung liefernde Quelle in den Elektrodenschleifen richtig eingestellt ist. Die durch die Drahtleitungen 16,17 gebildet« Schleife

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der Elektrode wird somit durch einen Schleifdraht 22 eines Potentiometers 23 vervollständigt, so daß eine Einstellung eines Schleifers 24 des Potentiometers auf einen Punkt des Schleifdrahtes 22 möglich ist, an welchem bei Nichtvorliegen eines Magnetflusses eine Null-Schleifenspannung erhalten wird. Die durch die Drahtleitungen 6,7 gebildete Schleife wird in gleicher Weise durch ein Potentiometer 25 vervollständigt, dessen Schleifdraht 26 zwischen diesen Drahtleitungen liegt und wobei ein Schleifer bzw. Schiebekontakt 27 auf einen Punkt auf dem Schleifdraht eingestellt werden kann, an welchem die Schleiferspannung bei Nichtvorliegen eines Magnetflusses gleich Null ist.

Die beiden Potentiometer 23 und 25 können somit Streuspannungen kompensieren, wenn keine Phasenverschiebung vorliegt. Um die Phasenprobleme zu vermeiden, wird ein Schleifdraht 28 eines Potentiometers 29 parallel zum Schleifdraht 26 geschaltet und ein Schleifer 30 des Potentiometers 29 wird Über einen Kondensator 31 an den Anschluß 20 gefuhrt, an den auch der Schleifer 27 des Potentiometers 25 angeschlossen ist.

Die Leitung oder das Rohr 1, die gleichmäßigen Durchmesser hat und deren Länge ein Vielfaches ihres Durchmessers ist, ist an beiden Enden abgeschlossen und vollständig mit einer leitenden Flüssigkeit gefüllt. Die Wicklung 4 zur Erzeugung eines Magnetfeldes wird erregt und ein geeignetes, nicht dargestelltes Gerät ist mit dem Schleifer 24 verbunden, um die Spannung zwischen diesem Schleifer und einem geeigneten Bezugspunkt zu messen, beispielsweise dem Fluid- oder Flüssigkeitspotential an den Enden des Rohres. Nunmehr wird der Schleifer 24 so lange verstellt, bis die Spannung zwischen dem Schleifer und dem Bezugspunkt ein Minimum wird. Da diese Ein- oder Nachstellung sich

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nicht auf ein Netzwerk zur Nachstellung einer phasenverschobenen Spannung auswirkt, wird die Minimalspannung im wesentlichen nicht gleich Null sein. In ähnlicher V/eise wird die Restspannung des Schleifers 27, welche die durch den Kondensator 31 phasenverschobene Spannung des Schleifers enthält, gemessen, jedoch diesmal in üezug auf die vorher eingestellte Spannung am Schleifer 24. Die Schleifer 27,30 werden nunmehr so eingestellt, daß sich ein minimales Uestsignal ergibt, was in der Praxis bedeutet, daß diese beiden Schleifer leicht so eingestellt werden können, daß das zwischen den Anschlüssen 21,20 gemessene, einen Magnetfluß anzeigende Signal praktisch vollständig auf Null abgeglichen werden kann. Obgleich einige Harmonische der Feldspeisefrequenz, d.h. der Frequenz der Speisequelle, nicht vollständig auf Null reduziert werden können, werden diese Harmonischen im allgemeinen durch die Meßschaltung 5 abgeblockt, die im allgemeinen so ausgelegt ist, daß Harmonische der Üblichen 60-Hz-Speisequelle gesperrt werden.

Die beschriebene Anordnung zur Einstellung ist somit imstande, praktisch vollständig das im Falle keines Magnetflusses auftretende Differentialsignal auf Null abzugleichen, d.h. das zwischen den Anschlüssen 21 und 20 gemessene Signal. Dies ist deswegen möglich, weil das vorgesehene Netzwerk zur Einstellung der phasenverschobenen Spannung es ermöglicht, die Spannung am Anschluß 20 praktisch gleich derjenigen am Anschluß einzustellen. Da kein Netzwerk zur Einstellung der phasenverschobenen Spannung an den Anschluß 21 angeschlossen ist, ist es im allgemeinen nicht möglich, die bei Nichtvorliegen eines Magnetflusses auftretende Gleichtakt-Störspannung auf Null abzugleichen, d.h. diejenige Spannung, die entweder zwischen dem Anschluß 21 oder dem Anschluß 20 und dem vorstehend genannten

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Bezugspunkt gemessen wird. Dies hat im allgemeinen keine Folge, da die Meßschaltung 5 so ausgelegt ist, daß Gleichtakt-Störspannungen abgeblockt werden und nur auf die Differenzspannung zwischen den Anschlüssen 21 und 20 anspricht.

Wenn es notwendig ist, die Gleichtakt-Störspannung bei Nichtvorliegen eines Magnetflusses vollständig auf Null abzugleichen, können ein Kondensator und ein zweites Potentiometer dem Netzwerk zum Nullabgleich hinzugefügt werden, welches in gleicher Weise an den Anschluß 21 angeschlossen ist, wie das zugeordnete Netzwerk an den Anschluß 20. Jedes Netzwerk kann somit unabhängig voneinander eingestellt werden, um die Spannung bei Vorliegen keines Magnetflusses zwischen jedem Anschluß und dem Bezugspunkt praktisch auf den Wert Null abzugleichen.

Die Ein- oder Nachstellung ist unkritisch und kann als empirische Technik bezeichnet werden. Bei einer typischen Ausführungsforro der Erfindung betrug der Widerstand des Schleifdrahtes 22 1 kCl, der des Schbifdrahtes 26 1 kfi, der Widerstand des Schleifdrahtes 28 10 kß und die Kapazität des Kondensators 31 0,2 ^F. Wenn bei dieser Anordnung der Schleifer 24 zuerst eingestellt wurde und anschließend die Schleifer 27, 30 in abwechselnder Weise, konnte die Spannung zwischen den Anschlüssen 20 und 21 bei Nichtvorliegen eines Magnetfeldes bis auf 100 fuV oder noch weniger abgeglichen werden, wobei diese Spannung im allgemeinen beinahe vollständig aus Harmonischen der όΟ-Hz-Speisequelle besteht. Unter genau den gleichen Umständen, jedoch bei Verwendung einer Üblichen Nullabgleichtechnik ergeben sich bei Nichtvorliegen eines Magnetfeldes Signale von 150(\jV oder mehr, die einen wesentlichen Teil der 60-Hz-Speisequelle beinhalten. Die bisher Übliche Form eines Systems zum Nullabgleich, welches z.B.

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in 1lOOL-Primärelementen verwendet wird, erfordert häufig eine Nacheinstellung auf Null, wenn die Einstellung der Wählscheibe fUr den Meßbereich in dem Gerät bzw. der Schaltung 5 geändert wird. Bei Primärelementen bzw. Primärwicklungen mit einem Durchmesser von 0,25 bzw. 0,5 cm (0,1 bzw. Q2 inch), die in Verbindung mit dein beschriebenen, bekannten Nullabgleichssystem benutzt werden, ergibt sich typischerweise eine 22 Jiige Verschiebung gegenüber Null nach dem Nullabgleich des

wobei . . . . »

Meßbereichs, die Einstellung von 0,9 m/sec auf 9 m/sec (3 bis 30ft/secy erfolgt. Wenn der gleiche Übertrager an die gleichen Primärelemente angeschlossen wird, die in die Nullabgleichschaltung nomäß Fig. 2 eingesetzt sind, ergibt sich bei der gleichen Änderung des Meßbereichs, d.h. von 0,9 auf 9 m/sec eine Nullverschiebung von weniger als 2 %.

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Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Messung eines Magnetflusses, dadurch gekennzeichnet, daß ein Primärelement(2,3,6,7,16,17) zur Erzeugung einer elektrischen Potentialdifferenz, die proportional zur Strömungsgeschwindigkeit eines elektrisch leitenden Materials ist, und eine Schaltung (5) vorgesehen sind, welche einen Heßwert für die Strömungsgeschwindigkeit des durch das Primürelement strömenden Materials entsprechend der gemessenen elektrischen Potentialdifferenz liefert, daß das Primärelement ein Element (4) zur Erzeugung eines Wechselfeldes in dem elektrisch leitfähigen Material aufweist, wobei das Feld quer zur Strömungsrichtung des Materials gerichtet wird, daß das Primürelement eine erste Elektrode (2) enthält, deren elektrisches Potential von einer ersten Stelle in dem Material und von der Strömung des Materials durch und quer zur Richtung des Wechselfeldes abhängt, daß die Primäreinrichtung eine zweite Elektrode (3) aufweist, deren elektrisches Potential von der Spannung an einer

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zweiten Stelle in dem Material sowie von der Strömung des Materials abhängt, wobei die zweite Stelle Abstand zur ersten Stelle aufweist und entlang einer quer zur Strömungsrichtung liegenden Linie liegt, daß das Primärelement einen ersten Leitungskreis (6,7) enthält, der mit der ersten Elektrode (2) verbunden ist und einen ersten Ausgang zur Lieferung einer dem Potential der ersten Elektrode entsprechenden ersten Ausgangsspannung bildet, daß das Primärelement einen zweiten Leitungskreis(16,17)aufweist, der mit der zweiten Elektrode (3) verbunden ist und einen zweiten Ausgangsanschluß liefert, an dem eine dem Potential der zweiten Elektrode entsprechende zweite Ausgangsspannung abgegeben wird, daß der erste Leitungskreis {6,7) und der zweite Leitungskreis (16,17) jeweils ein Element (8 bzw. 18) zur Einstellung der Amplitude der ersten bzw. zweiten Ausgangsspannung gegenüber dem Potential der ersten bzw. zweiten Elektrode (2 bzw. 3) aufweisen,und daß der erste Leitungskreis {6,7) ein Element 09) zur Phaseneinstellung der ersten Ausgangsspannung gegenüber der Phase der zweiten Ausgangsspannung enthält.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leitungskreis eine Aufnahme-Schleife aufweist, welche die entsprechende Elektrode (2,3) enthalt und daß in Entfernung zur jeweiligen Elektrode ein Potentiometer (23 bzw. 25) angeordnet ist, dessen Schleifdraht (22 bzw. 26) in Serienschaltung zu der Schleife liegt, wobei jeder Schleifdraht mit einem Eingang der Detektor- und Keßschaltung (5) verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Leitungskreise {6,7) ein zweites Potentiometer (29)

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aufweist, dessen Schleifdraht (28) parallel zum Schleifdraht (26) des ersten Potentiometers (25) der Schleife geschaltet ist und daß ein Element (31) zur Phasenverschiebung vorgesehen ist, welches die Schleifer (27,30) der beiden Potentiometer (25,29) miteinander verbindet.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (31) zur Phasenverschiebung ein Kondensator ist.

5. Einrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leitungskreis (6, 7; 16,17) eine Aufnahmeschleife zur Erzeugung von Spannungen in dem Leitungskreis abhängig von neben dem Leitungskreis erzeugten Wechselfeldern (4) enthält und daß einstellbare Elemente (8,12,19) vorgesehen sind, die jeweils einstellbare Impedanzen zur Nachstellung der Amplituden und Phasen von Spannungen enthalten.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Aufnahmeschleife in Entfernung zur zugeordneten Elektrode (2 bzw. 3) ein Potentiometer (25,23) aufweist, dessen Schleifdraht (27 bzw. 22) in Serienschaltung zur Aufnahmeschleife liegt und daß jeder Schleifdraht mit einem Eingang(20, 21) der Detektor- und Neßschaltung (5) verbunden ist.

7. Einrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden AnsprUche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Leitungskreise (6,7) ein zweites Potentiometer (29) enthält, dessen Schleifdraht (30) parallel zum ersten Schleifdraht (26) des gleichen Leitungskreises liegt und daß ein Element (31) zur Phasenverschiebung vorgesehen ist, welches die Schleifer (27,30) der

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Potentiometer (25,30) des zugehörigen Leitungskreises {6,7) miteinander verbindet.

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