DE2837113A1

DE2837113A1 - Anordnung zur erregung eines elektromagneten eines magnetischen stroemungsmessers

Info

Publication number: DE2837113A1
Application number: DE19782837113
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Hokushin Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1977-08-24
Filing date: 1978-08-24
Publication date: 1979-03-15
Also published as: US4193298A; JPS5756008B2; DE2837113C2; JPS5434863A

Description

Patentanwälte D1PL.-ING. H. Weickmann, D1P1..-PHYS. Dr.K. Fincke D1PL.-ING. R A/Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber DXIIIH I MÖNCHEN 86, DEN 2 H. Äug.

POSTFACH 860820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22* ~

HOKÜSHIN ELECTRIC WORKS, LTD.

30-1, 3-chome, Shimomaruko, Ohta-ku, Tokio 146, Japan

Anordnung zur Erregung eines Elektromagneten eines magnetischen Stromungsmessers

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erregung eines Elektromagneten eines magnetischen Strömungsmessers, bei dem ein zu messendes strömendes Medium durch· ein mit Detektorelektroden versehenes Strömungsrohr geleitet wird, wobei das strömende Medium mit einem vom Elektromagneten erzeugten Magnetfeld in Wechselwirkung tritt, wodurch an den Elektroden ein Signal induziert wird, das ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit sowohl in einem Hoch-Strömungsgeschwindigkeitsbereich.als auch in einem Nieder-Strömungsgeschwindigkeitsbereich ist.

In einem elektromagnetischen Strömungsmesser wird durch einen·eine Erregerspule besitzenden Elektromagneten ein magnetisches Feld erzeugt, das mit einem durch ein Strömüngsrohr strömenden Medium in Wechselwirkung tritt, wodurch zwischen einem Paar von sich diametral gegenüberliegenden Elektroden ein Signal erzeugt wird, das ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist.

Bei der Messung von Strömungsgeschwindigkeiten mittels eines magnetischen Strömungsmessers wurde bisher von einem Erregerwechselstrom Gebrauch gemacht, um Polarisationseffekte zu eliminieren, welche zwischen den Elektroden und dem zu messenden strömenden Medium auftreten. Bei Verwendung eines magnetischen Wechselfeldes treten jedoch Wirbelströme auf, welche gegen den magnetischen Fluß um 90° in der Phase verschoben sind.

Im Idealfall fließen diese Wirbelströme in einer die beiden Elektroden enthaltenden Querschnittsebene des Strömungsrohres symmetrisch zur Rohrachse; in der Praxis sind diese Ströme jedoch aufgrund von üngenauigkeiten in der

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Geometrie des Strömungsrohrs in Bezug auf die genannte Achse asymmetrisch. Dies führt zu nicht abgeglichenen Wirbelströmen, welche durch die Kapazität zwischen den

Elektroden und dem strömenden Medium in Komponenten überführt werden, welche mit dem gemessenen Signal in Phase sind. Diese in Phase befindlichen Komponenten führen zu einer Mullpunktsverschiebung, da sich die Wirbelströme zeitlich ändern.

Um den vorgenannten Machteil zu vermeiden, hat man in der Praxis ein Erregersystem verwendet, in dem die Erregerfrequenz auf einen Wert unterhalb der Frequenz des kommerziellen Stromnetzes abgesenkt ist,, um den Wert der im Strömungsmesser erzeugten Wirbelströme zu reduzieren. Wird jedoch die Erregerfrequenz in dieser Weise abgesenkt, so ist es nicht mehr möglich, Geschwindigkeiten des strömenden Mediums in einem Hoch-Strömungsgeschwindigkeitsbereich zu messen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung zur Erregung eines Elektromagneten eines magnetischen Strömungsmessers anzugeben, welche im Boch-Strömungsgeschwindigkeitsbereich ein besseres Ansprechvermögen und im Nieder-Strömungsgeschwindigkeitsbereich eine gute Stabilität besitzt.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst: Eine an die Elektroden gekoppelte Schaltung zur Erzeugung eines Steuersignals aus dem an den Elektroden induzierten Signal, wobei die Frequenz des Steuersignals eine Funktion der Geschwindigkeit des durch das Strömungsrohr strömenden Mediums ist, eine Erregerstromquelle für den Elektromagneten und eine Einrichtung zur Steuerung der Frequenz des Erregerstroms als Funktion des Steuersignals,

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derart, daß die Erregerstromfrequeiiz im Hoch-Strömungsgeschwindigkeitsbereich größer und im. Hfieder-Strömungsgeschwindigkeitsbereich kleiner ist.

Ausgestaltungen des vorstehend definierten Erfindungsgedankens sind in Efeteransprüchen. gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtζ

Fig. 1 ein. Schaltbild eines magnetischen Strömungsmessers mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Erregersystem;

Fig. 2&\ bis 2F jeweils einen Signalverlauf zur Erläuterung der Wirkungsweise des magnetischen Strömungsmessers; und

Fig. 3 ein den Zusammenhang zwischen der Erreger frequenz und der mittleren Strömungsgeschwindigkeit darstellendes Diagramm.

Figur 1 zeigt schematisch einen magnetischen Strömungsmesser mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Erregersystem. Die Anordnung enthält einen magnetischen Strömungsmesser 1 mit einem Strömungsrohr 2, durch das ein zu messendes strömendes Medium geleitet wird. An sich diametral gegenüberliegenden Stellen des Strömungsrohres 2 ist ein Paar von Elektroden 3 und 4 vorgesehen, während ein Elektromagnet mit einer Erregerspule 5 ein Magnetfeld erzeugt, das senkrecht sowohl auf der Längsströmungsachse des Strömungsrohres als auch auf einer Querachse zwischen den Elektroden 3 und 4 steht.

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In Serie zum Erregerkreis, welcher die Spule 5, eine kommerzielle Netzspannungsquelle 6 sowie einen Schalter 7 enthält, liegt ein Widerstand 8, der zur Erfassung von Schwankungen des Erregerstromes sowie zur Erzeugung eines" entsprechenden Referenzsignals dient. Eine im Erregerkreis liegende Diode 9 dient zur Abführung von Energie, welche durch die in der Erregerspule 5 erzeugte elektromotorische Gegenkraft hervorgerufen wird. Ein Signalempfänger 10 dient zur Verstärkung des am Widerstand 8 erzeugten Referenzsignals zwecks Erzeugung eines Referenzsignals V .

Wenn das durch das Strömungsrohr 2 strömende Medium mit dem Magnetfeld in Wechselwirkung tritt, „wird im strömenden Medium eine der volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit proportionale Spannung erzeugt, welche zur Bildung eines Strömungsgeschwindigkeitssignals auf die Elektroden 3 und 4 übertragen wird. Ein gemessenes Signal V. wird durch einen an die Elektroden angekoppelten Vorverstärker 11 verstärkt und sodann in den nicht invertierenden Eingang eines Aussteuerverstärkers 12 eingespeist, dessen invertierender Eingang über einen Halbleiterschalter 13 an den Signalempfänger 10 angekoppelt ist.

Das Ausgangssignal des Aussteuerverstärkers 12 wird über einen elektronische Halbleiterschalter 14 und 15 enthaltenden Tastkreis in die Eingänge eines Differenzverstärkers 16 eingespeist, welcher zur Festlegung der. Differenz zwischen den in ihn eingespeisten Signalen sowie zur Glättung dient. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers 16 wird auf einen Spannungs-Frequenzwandler 17 gegeben, dessen Ausgänge an einen Frequenz-Stromwandler 18 bzw. an einen Eingang eines UND-Gatters 22 angekoppelt sind, wobei der andere Eingang dieses UND-Gatters an einen stabilen Oszillator 21 angekoppelt ist. Der Ausgang des UND-Gatters 22 ist an einen Frequenzteiler 19 angekoppelt, dessen Ausgänge ihrerseits

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an einen Zeittaktsignal-Generator 20 angekoppelt sindr

Die Anordnung ist so getroffen, daß der Erregerkreis-Schalter 7, der Halbleiterschalter 13 sowie die Tasthalbleiterschalter 14 und 15 durch entsprechende Ausgangssignale des Frequenzteilers 19, des Spannungs-Frequenzwandlers 17 und des Zeittaktsignal-Generators 20 auf- und zugesteuert werden.

Die Wirkungsweise des magnetischen Strömungsmessers nach Fig. 1 wird im folgenden anhand der Figuren 2A bis F beschrieben. Fig. 2A zeigt ein Signal, das durch die Ein- und Ausschaltung des Schalters 7 entsteht. Figur 2B zeigt das vom Empfänger 10 erzeugte Signal V . Die Figuren 2C und 2D zeigen Signale, welche durch das Ein- und Ausschalten der Tastschalter 14 und 15 entstehen. Fig. 2E zeigt das am Ausgang des Vorverstärkers 11 entstehende Strömungsgeschwindigkeitssignal V., während Fig. 2F das Signal am Ausgang des Differenzverstärkers 16 zeigt. Obwohl dieses letztgenannte Signal aufgrund der Zeitkonstanten des Verstärkers 16 tatsächlich nicht exakt die treppenförmige Gestalt nach Fig. 2F besitzt, kann diese Signalform jedoch zur Vereinfachung der Erläuterung zugrundegelegt werden..

Die grundsätzliche Wirkungsweise eines magnetischen Strömungsmessers mit einem erfindungsgemäßen Erregerkreis ist die folgende:

Wird der Schalter 7 ein- und ausgeschaltet, wie dies durch das Signal nach Fig. 2A angegeben ist, so entsteht ein durch die Erregerspule 5 fließender Erregerstrom mit der Signalform nach Fig. 2B sowie ein dem Erregerstrom proportionales Referenzsignal V, dessen Schwankungen durch den Widerstand 8 und den Empfänger 10 erfasst werden.

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Am Vorverstärker 11 wird gleichzeitig ein Strömungsgeschwindigkeitssignal V. gewonnen, das proportional zu der an den Elektroden 3 und 4 induzierten Spannung ist. Dieses Strömungsgeschwindigkeitssignal V. wird im Differenz--* Verstärker 16 durch das Referenzsignal V geteilt, so daß am Frequenz-Stromwandler 18 ein Stromsignal erhalten" wird, das proportional zur volumetrisehen Strömungsgeschwindigkeit ist.

Im folgenden soll nun die Wirkungsweise des Erregerkreises näher erläutert werden. In den Aussteuerverstärker 12 werden das Strömungsgeschwindigkeitssignal V. vom Vorverstärker 11 sowie das Produkt des Referenzsignals V und der Ausgangsfrequenz F des Spannungs-Frequenzwandlers eingespeist. Der Zusammenhang der Signale am Eingang des Verstärkers 12 kann daher durch folgende Beziehung angegeben werden:

V_± = V_r · F (1)

Diese Beziehung (1) kann folgendermaßen umgeschrieben werden:

F = V_±/V_r (2)

Es wird also ein Frequenz signal F erhalten, das frei von Schwankungen des Erregerstromes ist.

Die Ausgangssignale des Aussteuerverstärkers 12 in der Erregungsperiode sowie in der erregungsfreien Periode werden über die Tastschalter 14 und 15 selektiv derart in den Differenzverstärker 16 eingespeist, daß das in der Erregungsperiode getastete Strömungssignal von dem in der erregungsfreien Periode getastete Strömungssignal abgezogen wird, wodurch ein unerwünschtes Gleichstromrauschen im Ausgangssignal des Aussteuerverstärkers 12 eliminiert wird. Zu diesem Zweck ist der Zeittakt der durch den Halbleiterschalter 14 oder 15 erfolgenden Tastung so gewählt, daß

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das Strömungssignal bei konstanter Amplitude getastetwird.

Die Frequenz des in Fig. 3 durch eine ausgezogene Kurve A dargestellte Steuersignal CS zur Steuerung des Schalters 7 wird dadurch festgelegt, daß die Summe der durch den Oszillator 21 gelieferten konstanten Frequenz F„ und der Ausgangsfrequenz F des Spannungs-Frequenzwandlers 17 heruntergeteilt wird. Dies erfolgt dadurch, daß die Schwebungsfrequenz F + F- in den Frequenzteiler 19 eingespeist wird. Wie Fig. 3 zeigt, ändert sich die durch die Frequenz des Steuersignals CS bestimmte Erregerfrequenz als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit. Die Frequenz F_n des Oszillators 21 dient zur Festlegung der Erregerfrequenz in der Weise, daß die Erregung mit einer festen tiefen Frequenz auch dann erhalten bleibt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit gleich Null ist.

Bei Zunahme der mittleren Strömungsgeschwindigkeit werden das Intervall zur Tastung des Strömungsgeschwindigkeitssignals und das Intervall zur Tastung des Referenzsignals schmal gemacht, während das Tastintervall bei einer Abnahme der mittleren Geschwindigkeit erweitert wird.

Ein magnetischer Strömungsmesser mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Erregersystem hat daher die folgenden Eigenschaften:

1. Wenn die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des im Strömungsrohr 2 strömenden Mediums in einem Nieder-Strömungsgeschwindigkeitsbereich liegt und die erforderliche Genauigkeit für die Strömungsgeschwindigkeitsmessung nicht ohne wesentliche Reduzierung der Nullpunktsverschiebung erreicht werden kann, wird die Erregerfrequenz klein gemacht, wodurch die Einschaltperiode des Schalters 7 vergrößert wird. Damit wird es möglich, das Strömungssignal im Bereich seiner konstanten Amplitude

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zu tasten, so daß die sich aus Schwankungen des Erreger Stroms ergebende Rauschspannung minimal wird. Auf diese Weise wird eine hochgenaue Strömungsgeschwindigkeitsmessung möglich.

2. Wenn die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in einem Hoch-Strömungsgeschwindigkeitsbereich liegt, und die erforderliche Genauigkeit für die Strömungsgeschwindigkeitsmessung erreicht werden kann, ohne daß die Nullpunktsverschiebung bis zu einem für den Nieder-Strömungsgeschwindigkeitsbereich erforderlichen Grad unterdrückt wird, liegt die Erregerfrequenz hoch, was ein schmales Tastintervall zur Folge hat. Daraus ergibt sich eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung mit einem höheren Ansprechvermögen und einer Genauigkeit, welche mit der Genauigkeit im Nieder-Strömungsgeschwindigkeitsbereich im wesentlichen identisch ist.

Auf diese Weise kann eine sehr genaue Strömungsgeschwindigkeitsmessung mit einem Fehler durchgeführt werden, der für jeden Meßbereich innerhalb einer festen Grenze liegt. Dies bedeutet jedoch nicht, daß der Fehler im vollen Bereich des Strömungssignals auf einen festen Wert reduziert wird.

Da das Ansprechvermögen des Meßinstrumentes sich proportional zur volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit ändert, kann ein vorteilhaftes Ansprechvermögen erreicht werden, auch wenn das Strömungsgeschwindigkeitssignal großen Schwankungen unterliegt.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gelten nicht nur für den Fall, daß sich die Erregerfrequenz linear proportional mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit ändert, wie dies durch die ausgezogen dargestellte Kurve A in Fig. 3

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zum Ausdruck kommt. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gelten auch für die Fälle, daß sich der Zusammenhang zwischen der Erregerfrequenz und der mittleren Strömungsgeschwindigkeit stufenförmig (strichpunktierte Kurve B in Fig. 3) oder kontinuierlich (gestrichelte Kurve C in Fig. 3) ändert.

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Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zur Erregung eines Elektromagneten eines magne-' *'.~ tischen Strömungsmessers, bei dem ein zu messendes strömendes Medium durch ein mit Detektorelektroden versehenes ·. Strömungsrohr geleitet wird, wobei das strömende Medium mit einem vom Elektromagneten erzeugten Magnetfeld in Wechselwirkung tritt, wodurch an den Elektroden ein Signal induziert wird, das ein Maß für die Stromungsgeschwindigkeit sowohl in einem Hoch-Strömungsgeschwindigkeitsbereich als auch in einem Nieder-Strömungsgeschwindigkeitsbereich ist, gekennzeichnet. durch eine an die Elektroden (3, 4} gekoppelte Schaltung il7_f 21, 22, 19! zur Erzeugung eines Steuersignals aus dem an den Elektroden (3, 4} induzierten Signal, wobei die Frequenz dies Steuersignals eine Funktion der Geschwindigkeit des durch das Strömungsrohr (2) strömenden Mediums ist, durch eine Erregerstromquelle (6, 7) für den Elektromagneten £5) mud durch eine Einrichtung (7) zur Steuerung der Frequenz des Erregerstroms als Funktion des Steuersignals, derart, daß die Erregerstromfrequenz im Hoch-Strömungsgeschwindigkeitsbereich größer und im Nieder-Strömungsgeschwindigkeitsbereich kleiner ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerstromquelle (6, 7) für den Elektromagneten (5) durch eine Spannungsquelle (6) und einen zwischen dieser Spannungsquelle (6) und dem Elektromagneten (5) geschalteten, vom Steuersignal periodisch betätigten Ein-Aus-Schalter (7) gebildet ist.

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3. Anordnung nach Anspruch. 1 and/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung Π7, 21, 22, 19) zTiir Erzeugung des Steuersignals aos des an den Elektroden. (3, 4J induzierten Signal einen Spannungs-Frequenz-Wandler (1 7) zur Überführung des am dem Elektroden {3-_r 4 J induzierten. Signals in ein. erstes Signal, einen ein zweites Signal mit konstanter Frequenz erzeugenden Oszillator (21) , eine das erste und zweite Signal zxir Erzeugung eines positiven Schwebungssigmals aisclieii<äe Mischerstufe (22J sowie einen Teiler (19) zur Teilung des Schwebungssignals zwecks Erzemginümg des Sfcemersignals aufweist.

4. anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadttrdEu gekennzeichnet, daß die Frequenz des ersten Signals proportional zu dem an den Elektroden (3, 4) indimzier— ten Signal ist.

5. Anordnung nach einem, der Ansprüche Ί bis 4, dadmurck gekennzeichnet, daS die Frequenz des Steuersignals !bei StrönKutgsgeschwindigkeit Mull gleich der Frecpienz des zweiten Signals ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Kreis (8_r 10) zur Erzeugung eines Referenzsignals (V ), das ein Maß für Schwankungen des E-rregerstronB ist, und durch einen vom Referenzsignal Wl angesteuerten Kreis (12, 13, 17)_r der das erste Signal unabhängig von Erregerstromschwankungen macht.

809811/0768 - ORIGINAL INSPECTED