DE2744845A1

DE2744845A1 - Verfahren und vorrichtung zur induktiven durchflussmessung

Info

Publication number: DE2744845A1
Application number: DE19772744845
Authority: DE
Inventors: Juerg A Boss
Original assignee: Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 1977-10-05
Filing date: 1977-10-05
Publication date: 1979-04-19
Also published as: JPS5489658A; FR2405466B1; DE2744845C3; IT7828477A0; IT1099763B; BE870876A; NL7809681A; GB1586417A; DE2744845B2; CH634408A5; FR2405466A1; DD139762A5; JPS6250764B2; US4210022A

Description

- 4 -Patentanwälte

Oipl-Inc) Dipl.-Chem. Dipl-Ing

E.Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser2 7 A A 8 A 5

f r n *: () (· r q t¹ r s ! t π s s e 1 <)

0 München 60

Flowtec AG 5. Oktober 1977

Sternenhofstraße 21a

^t 153 Reinach BL 1 / Schweiz

Unser Zeichen: E 921

Verfahren und Anordnung zur induktiven Durchflußmessung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur induktiven Durchflußmessung mit periodisch umgepoltem Magnetfeld, bei welchem das Nutzsignal dadurch erhalten wird, daß die Signalspannung bei einander gleichen gegenpoligen Induktionswerten des Magnetfelds abgetastet und gespeichert wird und die Differenz der gespeicherten Abtastwerte gebildet wird, sowie auf eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der magnetisch-induktiven Durchflußmeesung besteht bekanntlich das Problem, daß der den Durchfluß anzeigenden Meßspannung eine Störgleichspannung (Unsymmetriespannung) überlagert ist, die ihre Ursache in unterschiedlichen elektrochemischen GleichKowichtspotentialen hat. Die Störgleichspannung kann Werte erreichen, die wesentlich größer als die Meßspannung sind.

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Außerdem können der Meßspannung auch Störwechselkomponenten überlagert sein, die insbesondere vom Netz herrühren können und Frequenzen haben, die der Netzfrequenz oder deren Harmonischen entsprechen.

Bei den bekannten Verfahren der eingangs angegebenen Art wird das Magnetfeld periodisch zwischen zwei gleichen Induktionswerten entgegengesetzten Vorzeichens umgeschaltet. Man nutzt dabei die Tatsache, daß die Meßspannung mit dem Magnetfeld ihre Polarität wechselt, während die Unsymmetriespannung ihre Polarität beibehält. Man erhält somit durch die Abtastung bei dem einen Induktionswert die Summe aus Meß- und Unsymmetriespannung und durch die Abtastung bei dem anderen Induktionswert die Differenz von Unsymmetriespannung minus Meßspannung. Aus der Differenz der beiden gespeicherten Abtastwerte erhält man dann da3 von Unrymraetriespannungen befreite Meßsignal. Dieses Verfahren setzt aber voraus, daß sich die Unsymmetriespannung innerhalb des Meßzyklus nicht merklich ändert, da sonst die Änderung als Meßfehler eingeht. Ferner darf die Unsymmetriespannung keine zu großen Werte annehmen, weil sonst der Linearitätsbereich des Meßverstärkers überschritten wird. Auch werden bei großen Werten der Unsymmetriespannung hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Differenzbildung gestellt, weil sich jeder Fehler voll auf den als Differenz erhaltenen Meßwert auswirkt.

Es ist auch bekannt, anstelle eines zwischen zwei entgegengesetzten Induktionswerten umgepolten Magnetfeldes ein periodisch ein- und ausgeschaltetes Gleichfeld anzuwenden. In diesem Fall wird bei ausgeschaltetem Magnetfeld die Unsymmetriespannung abgetastet und gespeichert, und bei eingeschaltetem Magnetfeld wird die Summe aus Meß- und Unsymmetriespannung gleichfalls abgetastet und gespeichert.

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Die Differenz der beiden gespeicherten Signa Le ergibt dann wieder die Meßspannung. Auch dieses Verfahren setzt aber voraus, daß sich die Unsymmetriespannung während den Meßzyklus nicht ändert. Gegenüber dem mit Urapolung des Magnetfelds arbeitenden Verfahren weist dieses Verfahren den zusatzlichen Nachteil auf, daß sich bei stehender Flüssigkeit beträchtliche elektrochemische Potentiale an den Elektroden aufbauen können, die sich dann, wenn die Messung beim Einsetzen der Strömung beginnt, besonders störend bemerkbar machen.

Aus der DT-AS 24 10 407 ist ein Verfahren zur Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung mit periodisch zwischen zwei Induktionswerten hin- und hergeschaltetem Gleichfeld bekannt, mit dem auch Störgleichspannungen kompensiert werden können, die sich innerhalb des Meßzyklus merklich ändern. Dabei wird die zulässige Annahme gemacht, daß die vorkommenden Änderungen, die gewöhnlich nach einer Exponentialfunktion mit sehr großer Zeitkonstante erfolgen, innerhalb des Meßzyklus als näherungsweise linear angesehen werden können. Die Kompensation erfolgt dann dadurch, daß bei Vorliegen eines der beiden Induktionswerte mindestens zweimal zu verschiedenen Zeitpunkten die Summe aus Nutzspannung und sich langsam ändernden Werten der überlagerten Störgrößen erfaßt und gespeichert wird, daß aus diesen gespeicherten Werten der Wert der Summe aus Nutzspannung und Störspannung inter- oder extrapoliert wird, der zum Zeitpunkt der Messung von Summe aus Nutzspannung und Störspannung bei dem anderen Induktionswert besteht, und daß von dem zu diesem Zeitpunkt gemessenen Signal der Inter- oder Extrapolationswert, der aus den zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelten Werten gewonnen wurde, subtrahiert wird. Dieses Verfahren ist offensichtlich verhältnismäßig kompliziert, und die zu seiner Durchführung erforderliche Schaltung i3t entsprechend aufwend ig.

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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit dem die elektrochemische Störgleichspannung bei der induktiven Durchflußmessung auf einfache Weise und mit geringem Aufwand auch dann automatisch kompensiert wird, wenn sie sich innerhalb des Meßzyklus ändert, bei dem sich keine elektrochemischen Spannungen bei stehender Flüssigkeit aufbauen und bei dem eine Übersteuerung der VerstSrker durch zu große Unsymmetriespannungen verhindert is*-..

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs angegebenen Art wird dies nach der Erfindung dadurch erreicht, daß zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Magnetfeldimpulsen entgegengesetzter Polarität eine Pause gebildet wird, in der das Magnetfeld Null ist, daß in einem in jeder Magnetfeldpause im gleichen Zeitabstand vor der nächsten Abtastung der Signalspannung liegenden Kompensationszeitintervall eine Kompensationsspannung erzeugt wird, welche die Signalspannung im Kompensationszeitintervall auf den Wert Null kompensiert, und daß der im Kompensationszeitintervall erzeugte Kompensationsspannungswert gespeichert und bis zum nächsten Kompensationszeitintervall angewendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß eine sich zeitlich ändernde Unsymmetriespannung, wenn eine lineare Änderung vorausgesetzt wird, ausgehend von dem Wert Null am Ende des Kompensationszeitintervalls bis zu dem nächsten Abtastintervall stets den gleichen Wert erreicht. Die bei den entgegengesetzten Induktionswerten zeitlich nacheinander abgetasteten Signalspannungen enthalten somit stets den gleichen Anteil an Unsymmetriespannung, der bei der Differenzbildung eliminiert wird. Da ferner sich die Unsymmetriespannung zwischen zwei KompensationszeitIntervallen, die voneinander in einem Zeitabstand liegen, welche der Hälfte des Meßzyklus entspricht, keine allzu großen Werte erreichen kann, ist eine Übersteuerung der Verstärker durch die Unsymmetriespannung verhindert. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit periodisch umgepoltem Magnetfeld gearbeitet wird, bleibt der Vorteil erhalten, daß sich bei stehender Flüssigkeit

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keine elektrochemischen Spannungen aufbauen, wie es bei der Anwendung eines reinen Gleichfelds oder bei ein- und ausgeschaltetem Gleichfeld der Fall ist. Da ferner der Anteil an Unsymmetriespannung in jedem Abtastwert klein gegen den Anteil an Meßspannung ist, bestellen nur geringe Genauigkeitsanforderungen an die Differenzbildung.

Hin weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß bei gleicher Empfindlichkeit im Vergleich zu den bekannten Verfahren mit umgeschaltetem Gleichfeld oder ein- und ausgeschaltetem Gleichfeld wegen der Pausen, in denen das Magnetfeld Null ist, ein geringerer Leistungsverbrauch besteht,.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung für die induktive Durchflußmessung einer in eine Rohrleitung fließenden elektrisch leitenden Flüssigkeit enthält in bekannter Weise einen Magnetfelderzeuger, der ein die Rohrleitung senkrecht zur Strömungsrichtung durchsetzendes, periodisch umgepoltes Magnetfeld erzeugt, zwei in der Rohrleitung angeordnete Elektroden, die mit den Eingängen eine3 Meßverstärkers verbunden sind, Abtast- und Speicherschaltungen, die an den Ausgang des Meßverstärkers angeschlossen sind und von einer Steueranordnung so gesteuert werden, daß sie die Ausgangsspannung des Meßverstärkers bei einander gleichen Induktionswerten entgegengesetzten Vorzeichens abtasten und die Abtastwerte bis zur nächsten Abtastung speichern, und eine Schaltung zur Bildung der Differenz der gespeicherten Induktionswerte; sie ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelderzeuger so gesteuert wird, daß zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Magnetfeldimpulsen entgegengesetzter Polarität eine Pause besteht, in der die Induktion Null ist, und daß ein Kompensationseingang des Meßverstärkers mit dem Ausgang einer speichernden Regelschaltung verbunden ist,

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die in jedem Kompenoationazeitintervall mit dem Ausgang des Meßveretärkers verbunden wird, einen die Aungangsspannunf; des Meßveratärkers auf den Wert Null regelnden Kompensationsspannungnwert bildet und diesen Kompensat ionnspannun£;swert biu zum nächsten Kompennationszeitintervall om Kompensntionseingang des Meßverutärkers aufrechterhält.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Anordnung nach der Erfindung besteht darin, daß die Regelschaltung den Kompensationaspannungswert durch Integration der im Kompensationszeitintervall bestehenden Ausgangsspannung des Meßverstärkers bildet, und daß die Dauer des Kompensationszeitintervalls gleich einer Periode der Netzfrequenz oder eines Vielfachen davon ist. Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß Störwechselkomponenten mit der Meßfrequenz oder einer ihrer Harmonischen sowie gegebenenfalls auch Stürwechaelkotnponenten, deren Frequenz ein Bruchteil der Netzfrequenz ist, automatisch eliminiert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Übersiohtsschema einer Anordnung zur induktiven Durchflußmessung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein vereinfachtes Schema der Spulensteuerung bei der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 3 das Schaltbild der Signalverarbeitungsanordnung der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 4 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung von Fig. 1 bis 3 und

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Fig. 5 Diagramme in größerem Zeitmaßstab zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Rohr 1, durch da3 eine elektrisch leitende Flüssigkeit senkrecht zur Zeichenebene strömt. Eine Magnetfeldspule 2, die aus Syrametriegründen aus zwei gleichen, zu beiden Seiten uns Rohres 1 angeordneten Hälften bestellt, erzeugt im Rohr ein senkrecht zur Rohrachse gerichtetes Magnetfeld B1,B2.Im Innern des Rohres 1 sind zwei Elektroden 3 und 4 angeordnet, an denen eine induzierte Spannung abgegriffen werden kann, die der mittleren Durchflußgeschwindigkeit der elektrisch leitenden Flüssigkeit durch das Magnetfeld proportional ist. Die Elektroden 3 und 4 sind mit den beiden Eingängen 5 bzw. 6 einer Signalverarbeitungsanordnung 7 verbunden, die an ihrem Ausgang 8 ein für die Weiterverarbeitung geeignetes Signal liefert, das ein Maß für die Durchflußgeschwindigkeit ist. Die Signalverarbeitungs- und Steueranordnung liefert an zwei weiteren Ausgängen 9 und IO Steuersignale, die den beiden Eingängen 11 bzw. 12 einer Spulensteueranordnung 13 zugeführt werden. An die Ausgänge 14 und 15 der Spulensteueranordnung 13 sind die beiden Spulenhälften 2 in Reihe angeschlossen.

Ein Ausführungsbeispiel der Spulensteueranordnung 13 ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Sie enthält vier Schalter 16,17, 18, die nach Art einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, wobei die Magnetspule 2 in der einen Brückendiagonale liegt, während die andere Brückendiagonale in Reihe mit einem Kon-Btantstromgenerator 20 an eine Gleichepannungsquelle 21 angeschlossen ist. Die Gleichspannungsquelle 21, die beispielsweise eine Spannung von 24 Volt liefert, kann entweder ein Netzgerät oder eine Batterie sein.

Die Schalter U> bis 19, die in Wirklichkeit natürlich elelctronischo .Schalter sind, werden paarweise durch die

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den Eingangsklemmen 11 und 12 zugeführten Signale betätigt. Wenn am Eingang 11 ein Impuls anliegt, werden die beiden Schalter 16 und 18 geschlossen, die in diametral entgegengesetzten Zweigen der Brücke liegen; in diesem Fall fließt der von dem Konstantstromgenerator 20 gelieferte eingeprägte Strom I in der Richtung des Pfeils B1 durch die Magnetspule 2, so daß diese in der Rohrleitung 1 ein Magnetfeld B1 erzeugt, dessen Richtung durch die in vollen Linien gezeichneten Pfeile angegeben ist. Wenn am Eingang 12 ein Impuls anliegt, werden die beiden Schalter 17 und 19 geschlossen, so daß die Magnetspule 2 von dem eingeprägten Strom I in der entgegengesetzten Richtung durchflossen wird, wie durch den gestrichelten Pfeil B2 angedeutet ist; demzufolge hat das im Rohr 1 erzeugte Magnetfeld B2 die durch die gestrichelten Pfeile angedeutete entgegengesetzte Richtung. Die Induktionswerte B1 und B2 haben den gleichen Betrag, aber entgegengesetzte Vorzeichen. Wenn an keinem der Eingänge 11 und 12 ein Impuls anliegt, sind alle Schalter geöffnet, und das Magnetfeld im Rohr 1 hat den Induktionswert Null.

Fig. 3 zeigt ein genaueres Schaltbild der Signalverarbeitungs- und Steueranordnung 7 von Fig. 1. Die beiden Eingangsklemmen 5 und 6 sind die Eingänge eines durch einen Differenzverstärker gebildeten Meßverstärkers 22, an dem somit die zwischen den Elektroden 3 und 4 entstehende Signalspannung anliegt. An den Ausgang des Meßverstärkers 22 sind zwei Abtast- und Speicherschaltungen 23 und 24 angeschlossen, und zwar die Abtast- und Speicherschaltung 23 direkt und die Abtast- und Speicherschaltung 24 über einen Inverter 25, der die Polarität des Ausgangssignals des Meßverstärkers 22 umkehrt. Zur Vereinfachung ist angedeutet, daß die Abtast- und Speicherschaltung 23 einen Schalter S1 enthält, der durch ein an einen Steuereingang 26 angelegtes Signal geschlossen wird und dann einen Speicherkondensator C1 über einen Widerstand R1 mit dem Ausgang des Meßverstärkers 22 verbindet, so daß sich der Speicherkondensator C1 auf eine

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— I ί. —

Spannung auflädt, die von der Aungangsspannung den Moßverstürkors 22 abhängt. Die Schaltungselemente HI, 0 1 bilden zunammen ein Integriorglied, dna die Ausgongsapannung de« Mnßverutärkorii 22 während der Schließzeit des Schallers SI integriert. Der Ausgang der Abtaut- und Speichersohal lung 23 ist mit dem Eingang eines Tronnvorntärkern '-"Λ verbunden, der verhindert, dnß nioh der K"iidonnutor (] I nach dom ÖJi'nnn den Schulter:; i>1 entladen kann; der auJ' dom Kondonf?ator 01 /^enpeicherte Abtantwert atolit i t bis? '/.um nächnton !3οΙι] inUon doe Schalters S1 am Ausi; dou Trennvorntärkera 2H zur Verfiigunf;.

]n gleicher Weiüe enthält die Abtaot- und Gpeicheraohaltung 7'j einen iiclialter Γ₃2, der durch ein an einen Steueroingnng ungelogtca üteuoj'nignal geachlouoon wird, aowie einen Spoichei'kondennator (Ji', der zunammon mit einem Wideratand ein Integrierenod bildet, dna dio Auugnngaspnnnung dos lnvertera 2^lj während der üuhl ioßzei t doa üchaltora S? integriert. Die nach dem Öffnen doa üchaltoi'3 52 erreichto Ladenpannung doo Kondonaatorn 02 ateht bia ?,um nüchston Schließen den

ern U7. am Ausgang eines der Abtußt- und Speicherochal-{; 2Ί nnohgeochalteten Trennveratärkers 2⁽J zur Verfügung.

]Jie Auagänge der beiden Trennverstärker 2Ü und 29 sind über iiummierwiderstände 30 bzw. 31 mit dem invertierenden Eingang eines als Summiervorstärker wirkenden Operationsveratürkora 32 verbunden, in dessen RUckkopplungskreifi ein Widerstand 33 parallel zu einem Kondensator 34 liogt. Der Ausgang dea 0porutionuverstärker3 32 entspricht dem Ausgang H der !Ji gnalverarbei tungo- und Steueranordnung.

Der Moßveratärker 22 weist einen zusätzlichen Kompensations-βingang Vj auf, der an den Ausgang einer speichernden Regelschaltung 3(j angeschlossen ist. Als Ueispiol ist angedeutet,

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daß die speichernde hugeJscha llung einen Opurnl ionsvorstarker 37 onthält, der durch einen im Riiokkopplungfikro i n 1 Logendon Kondensator 3ii in Verbindung mit oLnum KiM/;ring.'iwidorstand 3D uIb Integrator goschaltot Uit. Uor al» Hetfugselngang dionondo nicht invertiorendo Klngang do» Operationsverstärkern 37 int an Mause gologt.'Per Kingangswldorntand 3'J ist in iiurio mit einem Johaitor Wj an den Ausgang do«j Mnßver»jtärkoru <-'<l angeochloüüon. Kn int nomit zu erkennen, daI3 dann, wenn der Schulter 115 goochloouen iut, der Operationuverutärker 37 oino Aiuigang»- npannung annimmt, die am Kompenoat tonne ingang 35 des Me(J-verntärkero 22 anliegt und uo bemessen ist, dai3 die Ausgangespannung des Meßverstärkors 22 auf den Wert Null geregelt wird. Wenn der .Schalter S3 geöffnet wird, hält der Operationsverstärker 37 den erreichten Kompensationospannungswert bis zum nächsten Schließen dea Schalters S3 fest.

Kine von einem Taktgeber 40 gesteuerte Steuerschaltung 41 liefert an drei Ausgängen die Steuersignale für die Schalter SI, S2, S3; zwei weitere Ausgänge der Steuerschaltung 4 1 entsprechen den Ausgängen ^CJ und 10 von Flg. I, an denen die Steuersignale für die Spulen3teueranordnung 15 abgegeben werden.

Wenn die beschriebene Anordnung vom Net/, gespeist wird, kann der Taktgeber 40 einen Synchronisiereingang 42 haben, an dem er durch die Netzspannung synchronisiert werden kann. Diese Synchronisierung kann bei einem batteriebetriebenen Gerät entfallen.

Die Funktionsweise der zuvor beschriebenen Schaltung soll anhand der Diagramm von Flg. 4 und 5 erläutert werden.

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Dran Diagramm Λ von Fig. Ί zeigt die Steuer impulse am Ausgang ⁽J, und das Diagramm I? zeigt die Steuerimpulse am Ausgang K) dor SignaIverarbeitunga-und Steueranordnung 7 von Fig. 1. Infolge der zuvor geschilderten Funktionuwoise dor Spulonsteueranordnung 13 (Fig· 2) nimmt somit da ο Magnetfeld im Rohr 1 abwechselnd die im Diagramm (J von Fig. 4 dargestellten Induktionswerte Hl, Ü2 an, zwischen denen jeweils eine Pause besteht, in der das Magnetfeld die Induktion Null hat. Die Periode, die gleich der Dauer Ί' eines Meßzyklus ist, i3t groß gegen die Periode der Netzfrequenz; die Signale werden vorzugsweise durch digitale Frequenzteilung mit dem Teilerfaktor 32 aus der Netzfrequenz gewonnen, so daß bei einer Netzfrequenz von 50 Hz der Meßzyklue eine Dauer T„ von 640 ms hat; die3 entspricht einer Frequenz der Felderregung von 1,5625 Hz. Bei dem dargestellten Beispiel ist angenommen, daß innerhalb jeder Periode die beiden Magnetfeldimpulse sowie auch die dazwischenliegenden Pausen jeweils die gleiche Dauer haben, die bei dem zuvor angegebenen Zahlenbeispiel also 160 ms beträgt.

Die Diagramm SI, 22 und S3 zeigen die Steuerimpulse, die von der Steuerschaltung 41 zur Betätigung der Schalter Si, S2 bzw. S3 von Fig. 3 abgegeben werden. Diese Steuerimpulse sind wesentlich kürzer als die für die Magnetfeldsteuerung erzeugten Steuerimpulse der Diagramme A und B und demzufolge auch wesentlich kürzer als die von der Magnetspule 2 erzeugten Magnetfeldimpulue. Vorzugsweise steht die Dauer der Abtaststeuerimpulse SI, S2 und der Kompensationasteuerimpulne S3 gleichfalls in Beziehung zu der Periode der Netzspannung; nie beträgt bei einem bevorzugten Ausführungsboispiel 40 ms, also das Doppelte der Netzperiode. Der Deutlichkeit wegen sind im Diagramm A von Fig. 5 die gegenseitigen zeitlichen Lagen der Magnetfeld impulse BI, B2 und dor Steuerimpulse Sl, 32, S3 für eine Periode in größerem

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Maßstab dargestellt. Die Abtaststeuer impulse Sl fallen in die positiven Magnet JeId impulse 131 und die Abtaststeuorimpulse S2 fallen in die negativen Magnetfeld impulse Bi?. Sie liegen vorzugsweise in der Nähe des Hintorendes dieser Impulse, damit 3ich im AbtastzeitIntervall stationäre Verhältnisse eingestellt haben und eventuelle Kinschwingvorgänge abgclOungen sind. Bei dem zuvor angegebenen I'ahlonbeispiel kann joder Abtaststeuerimpuls S1, li'ti in einem Zeitabstand von 100 mn nach dom Beginn des entsprechenden Magnetfeld impulses B1 bzw. WA beginnen, so daß er ;'() mn vor dem Ende des Magnetfeld impulses endet.

Die Kompensations3teuerimpulse S3 fallen in die Tausen zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Magnotfeldimpulsen. Sie beginnen beispielsweise gleichfalls in einem Zeitabstand von 100 ms nach dem Ende des vorhergehenden Magnetfeld impulses, so daß nach dem Ende jedes Kompensntionssteuerimpul3es S3 noch ein Zeitintervall von i'O ms bis zum Beginn des nächsten Magnetfeldimpulses besteht. Zwischen dem Ende jedes Kompensationssteuerimpulses S3 und dem Beginn des nächsten Abtaststeuerimpulses S1 besteht somit ein stets gleiches Zeitintervall von 1ΊΌ ms.

Das Diagramm D von Fig. 4 zeigt den Verlauf der aus der Überlagerung von Störgleichspannung U_Q und von Moüspannung U₁,

D Im

erhaltenen Signalspannung für den Fall einer zeitlich konstanten Störgleichspannung Ug, von der angenommen ist, daß sie kleiner als die Meßspannung U„ ist. In dieses Diagramm sind auch die durch die Abtaststeuerimpulse S1, S? bewirkten Abtastungen eingetragen, wobei zunächst angenommen ist, daß der Kompensationskreis mit der speichernden Regelschaltung 3k nicht vorhanden ist. Das Diagramm E von Fig. 4 zeigt unter den gleichen Voraussetzungen die Verliäl tnisse für den Fall einer sich zeitlich ändernden Stürgleichepannung U,,. Schließlich ist im Diagramm F von

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Pig. 4 Tür den dem Diagramm E entsprechenden Fall die Wirkungsweise des Kompensationskreises dargestellt. Der Deutlichkeit wegen sind die Diagramme D, E und F in Fig. 5 nochmals in größerem Maßstab für einen Meßzyklus dargestellt.

Im F₈Il des Diagramms D besteht während der Magnetfeldpausen jeweils die konstante Störgleichspannung Ug, der sich während der Dauer des positiven Magnetfeldimpulses B1 eine positiv gerichtete Meßspannung U« und während der Dauer des Magnetfeld impulses B2 die negativ gerichtete Meßspannung U« überlagert. Da sich die Abtastung stets auf den Nullwert bezieht, wird während der Dauer des Abtaststeuerimpulses S1 ein Abtastwert U₃ + U_M und während der Dauer des Abtaststeuerimpulses S2 ein Abtastwert U_g - U_M abgetastet. Durch die Invertierung im Invertierer 25 und die anschließende Summierung wird die Differenz der beiden Abtastwerte gebildet:

U_{s +} u_m . (U₃ - U_M) - 2 U_M

Durch diese Differenzbildung ist somit die Störgleichspannung Uo kompensiert worden.

Wenn sich dagegen die Störgleichspannung U₃ zeitlich ändert, wie im Diagramm E dargestellt ist, ist eine vollständige Kompensations der Störgleichspannung durch die Differenzbildung nicht mehr möglich. Während der Abtastung durch den Abtaststeuerimpuls S1 besteht eine Störgleichspannung U₃-, so daß der Abtastwert U₃₁+ U_M gespeichert wird. Bei der Abtastung durch den Abtaststeuerimpuls S2 hat sich die Störgleichspannung um den Wert AU_g vergrößert; es wird somit der Abtastwert U₃ + AU₃ - U_M abgetastet. Die anschließende Differenzbildung ergibt somit:

^UM - <^US1^{+ AU}S - V = ^{2 U}M -

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Die Messung ist also mit einem Fehler behaftet, der gleich der Änderung AUg der Störgleichspannung zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Abtastungen ist. Das Diagramm ^E von Fig. 4 läßt noch eine weitere nachteilige Folge der sich ändernden Störgleichspannung erkennen: Die Summe aus Störgleichspannung und Meßspannung kann schnell sehr große Werte annehmen, die den linearen Aussteuerungsbereich des Meßverstärkers überschreiten. Eine Messung ist dann nicht mehr möglich. Wenn ferner die Störgleichspannung groß gegen die Meßspannung ist, wirken sich Fehler in der Differenzbildung sehr stark auf die Genauigkeit des erhaltenen Meßergebnisses aus.

Die Diagramme F von Fig. 4 und 5 zeigen, wie die geschilderten Erscheinungen durch die Wirkungsweise der speichernden Regelschaltung 36 in Verbindung mit der angewendeten besonderen Art der Feldsteuerung vermieden werden. Durch jeden Kompensationssteuerimpuls S3 wird während eines Kompensationszeitintervalls T_vf das kurz vor dem Beginn

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jedes Magnetfeld impulses liegt, die Ausgangsspannung des Meßverstärkers 22 auf Null geregelt. Da diese Regelung während der Magnetfeldpausen erfolgt, wirkt sie sich nur auf die in diesem Zeitpunkt bestehende Störgleichspannung aus. Nach dem Ende des Kompensationszeitintervalls T„ ändert sich dann die Störgleichspannung entsprechend den herrschenden Bedingungen, ausgehend von dem Wert Null. Bei der Abtastung durch den Abtaststeuerimpuls S1 hat sie dann einen gewissen Wert AU» erreicht. Somit wird in diesem Abtastzeitintervall der Abtastwert AU_g + U-. abgetastet und gespeichert.

Vor dem darauffolgenden negativen Magnetfeld impuls B2 wird die Ausgangsspannung des Meßverstärkers 22 erneut in einem Kompensationszeitintervall T„ auf Null geregelt. Sie steigt

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anschließend, ausgehend von diesem Wert Null, wieder an. Wenn eine gleichbleibend lineare Änderung der Störgleich spannung angenommen wird, erreicht sie bei der Abtastung durch den Abtaststeuerimpuls S2 wieder den gleichen Wert so daß in diesem Abtastzeitintervall der Abtastwert AUg abgetastet und gespeichert wird. Die anschließende Diffe renzbildung ergibt dann:

- U_M) = 2 U_M

Es ist somit zu erkennen, daß die Störgleichspannung vollständig kompensiert wird, obwohl sie sich zeitlich ändert.

Ferner ist zu erkennen, daß die Störgleichspannung stets nur sehr kleine Werte erreichen kann, da sie jeweils nach der Hälfte einer Meßzyklusdauer wieder auf den Wert Null geregelt wird und davon ausgegangen werden kann, daß sie sich in diesem Zeitraum nicht sehr ändert. Es besteht somit keine Gefahr einer Übersteuerung des Meßverstärkers.

Schließlich bleibt die bei jeder Differenzbildung zu eliminierende Störgleichspannung AU_C stets klein im Verhältnis zur Meßspannung U_M, so daß die Genauigkeit der Differenzbildung voll in die Meßgenauigkeit eingeht.

Dadurch, daß die durch die Steuerimpulse S1, S2 und S3 abgetasteten Signale jeweils über die Dauer eines Zeitintervalls von 40 ms integriert werden, das gleich zwei Perioden der Netzfrequenz ist, werden die überlagerten Störfrequenzen, die ein Vielfaches der halben Netzfrequenz (25 Hz) sind, unwirksam gemacht, da ihr Gleichstrom-Mittelwert für das getastete Signal zu Null wird.

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Die Wahl der sehr niedrigen Arbeltsfrequenz, die nur ein Bruchteil der Netzfrequenz ist und bei dem angegebenen Beispiel 1,5625 Hz für eine Netzfrequenz von 50 Hz betrögt, ergibt mehrere Vorteile. Einerseits besteht nach dem Einschalten der Spulenströme bis zur Abtastung der Signalspannung ausreichend Zeit, daß die Einschwingvorgänge abklingen können und sich stationäre Verhältnisse einstellen. Andrerseits können die Spulen bei so niedrigen Frequenzen praktisch als reine Widerstände angesehen werden, so daß keine große Blindleistung erforderlich ist.

Die Spulenströme und die durch sie erzeugten Magnetfelder sind zur Vereinfachung als Rechteckimpulse dargestellt worden. Das beschriebene Verfahren ist aber unabhängig von der Kurvenform der Spulenströme und Magnetfelder. Selbst bei rechteckigen Ansteuerimpulsen wird sich wegen der Selbstinduktivität der Spulen im allgemeinen ein mehr trapezförmiger Verlauf der Spulenströme einstellen.

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Claims

PatentanwälteBL 1 / SchweizDtp!-·"«•T/44845Dipl.-lng.Dipl.-ChemG. LeiserE. PrinzDr. G. Hauser5. Oktober 1977Ernsbergerstrasse 198 München 60Flowtec AGSternenhofstraße 21aU153 Reinach Unser Zeichen: £ 921 Patentansprüche

1.)Verfahren zur induktiven Durchflußmeasung mit periodisch umgepoltem Magnetfeld, bei welchem das Nutzsignal dadurch erhalten wird, daß die Signalspannung bei einander gleichen, gegenpoligen Induktionswerten des Magnetfelds abgetastet und gespeichert wird und die Differenz der gespeicherten Abtastwerte gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Magnetfeld impulsen entgegengesetzter Polarität eine Pause gebildet wird, in der das Magnetfeld Null ist, daß in einem in jeder Magnetfeldpause im gleichen Zeitabstand vor der nächsten Abtastung der Signalspannung liegenden Kompenaationazeitintervall eine Kompensationsspannung erzeugt wird, welche die Signalspannung im Kompensationszeitintervall auf den Wert Null kompensiert, und daß der im Kompensationszeitintervall erzeuge Kompensationsspannungswert gespeichert und bis zum nächsten Kompensat ions^zei*ⁱⁿ'^tervall angewendet wird.

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Lei/Gl

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 fur die induktive Durchflußmessung einer in einer Rohrleitung fließenden elektrisch leitenden Flüssigkeit, mit einem Magnetfelderz^uger, der ein die Rohrleitung senkrecht zur Strömungsrichtung durchsetzendes, periodisch umgepoltes Magnetfeld erzeugt, zwei in der Rohrleitung an eordneten Elektroden, die mit den Eingängen eines Meßverstärkers verbunden sind, Abtast- und Speicherschaltungen, die an den Ausgang den Meßverstärkers angeschlossen sind und von einer Steueranordnung so gesteuert werden, daß sie die Ausgangsspannung des Meßverstärkers bei einander gleichen Induktionswerten entgegengesetzten Vorzeichens abtasten und die Abtastwerte bis zur nächsten Abtastung speichern, und mit einer Schaltung zur Bildung der Differenz der gespeicherten Induktionswerte, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelderzeuger so gesteuert wird, daß zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Magnetfeld impulsen entgegengesetzter Polarität eine Pause besteht, in der die Induktion Null ist, und daß ein Kompensationseingang des Meßverstärkers mit dem Ausgang einer speichernden Regelschaltung verbunden ist, die in jedem Kompensationszeitintervall mit dem Ausgang des Meßverstärkers verbunden wird, einen die Ausgangsspannung des Meßverstärkers auf den Wert Null regelnden Kompensationsspannungswert bildet und diesen Kompensationsspannungswert bis zum nächsten Kompensations zeitintervall am Kompensationseingang des Meßverstärkers aufrechterhält.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung den Kompensationsspannungswert durch Integration der im Kompensationszeitintervall bestehenden Ausgangsspannung des Meßverstärkers bildet, und daß die Dauer des Kompensationszeitintervalls gleich einer Periode der Netzfrequenz oder eines Vielfachen davon ist.

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27U8A5

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeictinet, daß jede Abtast- und Speicherschaltung den gespeicherten Abtastwert durch Integration der während eines Abtastzeitintervalls bestehenden Ausgangsspannung des Meßverstärkers bildet, und daß die Bauer jedes Abtastzeitintervalls gleich einer Periode der Netzfrequenz oder eines Vielfachen davon ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelderzeuger eine Magnetspule enthält, die in einer Diagonale einer Brückenschaltung angeordnet ist, die in jedem Brückenzweig einen Schalter enthält, daß die andere Brückendiagonale an eine Konstantstromquelle angeschlossen ist, und daß eine Steueranordnung abwechselnd jeweils zwei in diametral entgegengesetzten Brückenzwei gen liegende Schalter schließt und in dazwischenliegenden Pausen alle Schalter öffnet.

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