DE2942412A1 - Treiberschaltungsanordnung fuer einen elektromagneten eines elektromagnetischen stroemungsmessers - Google Patents

Treiberschaltungsanordnung fuer einen elektromagneten eines elektromagnetischen stroemungsmessers

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77 ,, Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl -Phvs. Dr. K. Fincke
DiPL.-InG. F. A.WeICKMANN,
Dr. Ing. H. Liska
8000 MÜNCHEN 86, DEN ' ■-' ■■■'< '■ ■ :'.'.;.9
POSTFACH 860820
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22
FISCHER & PORTER COMPANY,
Warminster, Pennsylvania, V.St.A.
Treiberschaltungsanordnung für einen Elektromagneten eines elektromagnetischen Strömungsmessers
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ORIGINAL INSPECTED Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treiberschaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In elektromagnetischen Strömungsmessern wird ein strömendes Medium, dessen Strömungsgeschwindigkeit zu messen ist, durch ein Strömungsrohr geleitet, an dem ein Paar von sich diametral gegenüberliegenden Elektroden vorgesehen ist, wobei durch einen Elektromagneten ein senkrecht auf der Längsachse des Strömungsrohres stehendes elektrisches Feld erzeugt wird. Wenn das strömende Medium dieses Feld schneidet, wird in ihm eine Spannung induziert, welche auf die Elektroden übertragen wird. Diese Spannung, welche proportional zur mittleren Geschwindigkeit des strömenden Mediums und damit proportional zu dessen mittlerem Volumen ist, wird verstärkt und zur Ansteuerung eines Aufzeichnungsgerätes oder eines Anzeigegerätes verarbeitet.
Das magnetische Feld kann entweder ein Gleichfeld oder ein Wechselfeld sein, da in jedem Falle die Amplitude der Spannung, welche in dem durch das Feld strömenden Medium induziert wird, eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums ist. Wird mit einem magnetischen Gleichfeld gearbeitet, so wirkt das durch das strömende Medium fließende Gleichstromsignal im Sinne einer Polarisierung der Elektroden, wobei die Größe der Polarisation proportional zum Zeitintegral des Polarisationsstromes ist. Bei Betrieb mit einem magnetischen Wechselfeld wird die Polarisation vernachlässigbar, da der resultierende Signalstrom ein Wechselsignal ist und das Integral sich daher als Funktion der Zeit nicht aufbauen kann.
Obwohl ein Wechselbetrieb vorteilhaft ist, weil eine Polarisation vermieden wird und das induzierte Wechselsignal leichter verstärkt werden kann, besitzt ein solcher Betrieb je-
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doch bestimmte Nachteile. Die Verwendung eines magnetischen Wechselflusses führt zu Störspannungen, welche nicht auf die Strömungsgeschwindigkeit bezogen sind. Bleiben diese Störspannungen unbeeinflußt, so führt dies zu ungenauen Messungen. Besonders unangenehme Störspannungen sind:
1. Durch Streukapazitäten aus der Spule des Elektromagneten in die Elektoden eingekoppelte Spannungen, und
2. induzierte Schleifenspannungen in den Eingangsleitungen. Die Elektroden und die Leitungen bilden zusammen mit dem strömenden Medium eine Schleife, in der durch den magnetischen Fluß in der Magnetspule eine Spannung induziert wird.
Die erstgenannten Störspannungen können durch elektrostatische Abschirmung und durch eine niederfrequente Erregung des Magneten zur Erzeugung einer großen Impedanz der Streukopplungskapazität so klein wie möglich gehalten werden. Die zweitgenannte Störspannung ist jedoch weit schwieriger zu unterdrükken.
Die Störspannung, welche sich durch Flußkopplung in die Signalleitung ergibt, wird gewöhnlich als Quadratur-Spannung bezeichnet, da anzunehmen ist, daß sie gegenüber der im strömenden Medium induzierten Spannung um 90° phasenverschoben ist. Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, daß dies nicht zutrifft, da eine mit der im strömenden Medium induzierten Spannung in Phase befindliche Komponente vorhanden ist. Der Teil der "Quadratur-Spannung", welcher mit dem im strömenden Medium induzierten Spannungssignal in Phase ist, bildet daher ein unerwünschtes Signal, das in einfacher Weise aus dem induzierten Signal nicht eliminierbar ist, wodurch ein sich ändernder Nullpunkts-Verschiebungseffekt erzeugt wird.
Eine reine "Quadratur"-Spannung ist bisher durch eine elektroni-
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sehe Schaltung zur Eliminierung dieser Komponente so klein wie möglich gehalten worden. Eine Eliminierung der in Phase befindlichen Komponente ist dabei jedoch nicht möglich gewesen. Bekannte mit Wechselstrom beschriebene elektromagnetische Strömungsmesser ändern auch ihre Eichung als Funktion der Temperatur, der Leitfähigkeit des strömenden Mediums, des Druckes und anderer Effekte, welche die Störspannungen sowohl hinsichtlich der Phase als auch der Amplitude ändern können.
Es ist daher periodisch erforderlich, das Meßinstrument erneut auf Null abzugleichen, um durch die vorgenannten Phenomäne auf die Nullpunkteinstellung wirkenden Effekte zu korrigieren.
Die bei Wechselstrombetrieb von elektromagnetischen Strömungsmessern auftretenden nachteiligen Effekte können auf den Änderungsbetrag des Strömungsfeldes d0/dt zurückgeführt werden, wodurch unerwünschte Signale in der Meßschleife induziert werden. Wenn der Änderungsbetrag des Strömungsfeldes auf einen Wert Null reduziert werden könnte, so wäre die Größe der Quadratur-Spannung und ihrer in Phase befindlichen Komponente nicht existent. Verschiebungen des Nullpunktes würden dann verschwinden.
Wenn das magnetische Flußfeld ein stationäres Feld ist, wie dies beispielsweise bei Gleichspannungsbetrieb der Fall ist, so wäre die ideale Bedingung d0/dt = 0 erfüllt. Wie oben ausgeführt, ist ein Gleichspannungsbetrieb zur Erzeugung eines stationären Feldes jedoch nicht möglich, da galvanische Potentiale erzeugt werden und eine Polarisation in Rechnung zu stellen ist.
In der US-PS 3 783 687 ist ein elektromagnetischer Strömungsmesser beschrieben, bei dem der Erregerstrom für die elektro-
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magnetische Wicklung ein niederfrequentes Signal ist, das zur Erzeugung eines periodisch umgekehrten stationären Flußfeldes dient, wodurch unerwünschte in Phase befindliche und Quadratur-Komponenten ohne Polarisation und galvanische Effekte minimal gehalten werden.
Bei der in dieser Patentschrift beschriebenen Treiberschaltungsanordnung zur Erregung der Wicklung sind Schalter vorgesehen, welche das Ausgangssignal eines aus einem Netz betriebenen ungefilterten Vollweggleichrichters periodisch umkehren. Da der Elektromagnet eine relativ hohe Induktivität besitzt, wirkt er als Filterdrossel, welche einen wesentlichen Prozentsatz der Welligkeit im Ausgangssignal des Gleichrichters ausfiltert, wodurch Filterkondensatoren nicht erforderlich werden. In dieser Treiberschaltungsanordnung ist eine logische Schaltung bzw. ein Teiler vorgesehen, welcher mit Netzfrequenz (d.h., 50 oder 60 Hz) betrieben wird, um niederfrequente Tastimpulse zur Steuerung der elektromagnetischen Umschaltfunktion zu erzeugen.
Treiberschaltungsanordnungen, welche gegenwärtig zur Erzeugung eines Erregerstromes für einen elektromagnetischen Strömungsmesser der in der vorgenannten US-Patentschrift beschriebenen Art verwendet werden, benutzen eine konstante Treiberspannung. Die große L/R-Zeitkonstante des Elektromagneten erzeugt eine relativ langsame Anstiegszeit des Mangetstroms. Daher ist eine lange Erregungsperiode zur Erreichung eines konstanten Flußwertes erforderlich.
Da die Gesamtspannung und der Widerstandswert R groß sind, ist zur Reduzierung der magnetischen Zeitkonstante auf gebräuchliche Werte ein beträchtlicher durch die Treiberschaltungsanordnung zu verarbeitender Leistungsbetrag erforderlich. Es tritt daher ein großer Energieverlust durch Wärme auf, so daß die Schaltung einen schlechten Wirkungsgrad besitzt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treiberschaltungsanordnung mit guten Wirkungsgrad für die Erregung der Wicklung eines elektromagnetischen Strömungsmessers anzugeben, welche periodisch einen Stromfluß mit konstantem Wert in der Wicklung erzeugt.
Diese Aufgabe wird bei einer Treiberschaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Treiberschaltungsanordnung bewirkt eine Schockerregung des Elektromagneten zur Erzeugung eines erhöhten Stromflusses für eine vorgegebene Periode, wonach eine Speisung mit einer reduzierten Spannung erfolgt, welche dann den Strom auf einem konstanten Wert hält. Auf diese Weise wird im Vergleich zu bisher bekannten Treiberschaltungsanordnungen, welche auf der Basis eines konstanten Stromes arbeiten, eine Reduzierung des Leistungsbedarfs um einen Faktor von 2 bis 4 erreicht.
Die erfindungs'emäße Treiberschaltungsanordnung macht weiterhin von einer ungefilterten Wechselstrom-Gleichrichterschaltung zur Stromversorgung Gebrauch und hält unabhängig von Änderungen der Netzspannung einen konstanten Strom in der Wicklung des Magneten des Strömungsmessers aufrecht.
Um Störspannungen, welche sich aus Streukopplungen zwischen dem Elektromagneten und der Schleife, welche durch die Elektroden am Strömungsrohr und das zwischen diesen strömende Medium gebildet wird, ohne Polarisierung der Elektroden zu vermeiden, erregt die erfindungsgemäße Treiberschaltungsanordnung den Elektromagneten im Sinne der periodischen Erzeugung eines Erregerstroms in der Spule. Dieser Strom wird durch Einspeisung der Ausgangsspannung eines ungefilterten Vollweggleichrich-
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ters in die Wicklung in der Weise erzeugt, daß die Wicklung durch einen Hochspannungsstoß erregt wird, um einen Stromfluß in ihr zu erzeugen, welcher während der Erregungsperiode einen im wesentlichen konstanten Wert besitzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltungsanordnung erfolgt eine Steuerung durch periodische Tastimpulse, wobei der ungefilterte Vollweggleichrichter einen Hochspannungsteil und einen Niederspannungsteil besitzt. Ein Spannungsstoß vom Hochspannungsteil wird dabei in einem Zeitpunkt in die Erregerwicklung eingespeist, welcher mit der Vorderflanke des Tastimpulses zur Erregung der Spule zusammenfällt, wobei der resultierende Strom in der Wicklung für die Dauer der Erregungsperiode durch die in die Wicklung während dieser Periode eingespeiste Niederspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird. Durch Ausnutzung einer momentanen Hochspannung ist der Energiebedarf für die erfindungsgemäße Treiberschaltungsanordnung klein im Vergleich zu einer Treiberschaltungsanordnung, in welcher eine konstante Hochspannung benutzt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Treiberschaltungsanordnung;
Fig. 2A, 2B und 2C jeweils ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Treiberschaltungsanordnung;
Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Treiberschaltungsanordnung ;
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Fig. 4A, 4B, 4C, 4D und 4E Signaldiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Treiberschaltungsanordnung nach Fig. 3;
Fig. 5A und 5B jeweils ein Signaldiagramm zur Erläuterung des Zusammenhangs der Treiberspannung und des Magnetstroms in der Schaltungsanordnung nach Fig. 3;
Fig. 6 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Treiberschaltungsanordnung;
Fig. 7A und 7B jeweils ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Treiberschaltungsanordnung nach Fig. 6;
Fig. 8 Kurven zur Erläuterung des Strom-Zeitzusammenhangs in Magnetspulen; und
Fig. 9A und 9B Diagramme, aus denen ersichtlich ist, wie die Treiberspannung erfindungsgemäß zur Reduzierung der zur Erreichung eines stationären Zustandes erforderlichen Zeit dient.
Fig. 1 zeigt eine Treiberschaltungsanordnung für einen elektromagnetischen Strömungsmesser, dessen Primärwicklung durch ein Strömungsrohr 12 gebildet wird, durch das ein zu messendes strömendes Medium 11 geleitet wird. Ein eine Erregerspule besitzender Elektromagnet dient zum Aufbau eines magnetischen Feldes, das quer zur Richtung der Strömung gerichtet ist. Die Strömung ist ihrerseits parallel zur Längsachse des Rohres gerichtet. An sich diametral gegenüberliegenden Stellen sind am Strömungsrohr mit dem strömenden Medium in Kontakt Elektroden 13 und 14 auf einer Achse vorgesehen, welche sowohl auf der Längsrichtung der Strömung als auch auf' dem Quer-Magnetfeld senkrecht steht.
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In an sich bekannter Weise wird in dem das Magnetfeld zu schneidenden strömenden Medium eine Spannung induziert, wodurch an den Elektroden ein Wechselsignal mit kleinem Pegel erzeugt wird, das ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. Dieses durch die Strömung induzierte Signal wird in einen Senkundärkreis 15 eingespeist, welcher gemäß der US-PS 3 783 687 ausgebildet sein kann, um das durch die Strömung induzierte Signal mit niedrigem Pegel in ein proportionales Gleichstrom-Ausgangssignal in einem für die Prozeßtechnik nutzbaren Bereich von beispielsweise 4 bis 20 mA zu überführen.
Die Treiberschaltung zur Erregung der Erregerspule 12 enthält eine Vollweggleichrichter-Spannungsversorgung, welche durch einen Transformator 16 gebildet wird, dessen Primärwicklung 16A an ein Wechselstromnetz angeschaltet ist, das einen gebräuchlichen Strom mit 50 oder 60 Hz liefert. Der Transformator 16 besitzt drei Sekundärwicklungsabschnitte 16B, 16C und 16D, wobei die Sekundärwicklungsabschnitte 16B und 16C mit einem Mittelabgriff versehen sind. Der Sekundärwicklungsabschnitt 16B ist an den Eingang .einer Vollweg-Gleichrichterbrücke 17 angeschaltet, wobei das Untersetzungsverhältnis zwischen dem Sekundärwicklungsabschnitt 16B und der Primärwicklung 16A zur Erzeugung einer ungefilterten Ausgangsgleichspannung von 40 V zwischen dem Ausgang des Gleichrichters 17 an einer Klemme T1 und einem Mittelabgriff T- des Sekundärwicklungsabschnitts 16B führt. Durch diesen Schaltungsteil wird daher ein Hochspannungsteil der Spannungsversorgung gebildet.
Der Sekundärwicklungsabschnitt 16C ist an den Eingang eines Vollweg-Brückengleichrichters 18 angekoppelt, um zwischen einem Mittelabgriff T, dieses Sekundärwicklungsabschnittes und dem Ausgang T1 des Gleichrichters 18 eine ungefilterte Ausgangsgleichspannung von 10 V zu erzeugen. Damit wird ein Niederspannungsteil der Spannungsversorgung gebildet.
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Der Sekundärwicklungsabschnitt 16D ist an den Eingang eines Vollweg-Brückengleichrichters 19 angekoppelt, dessen Ausgangssignal auf einen Filterkondensator 29 gegeben wird, um eine gefilterte Gleichspannung von 6 V zur Speisung der im folgenden noch zu beschreibenden elektronischen Komponente der Treiberschaltungsanordnung zu erzeugen.
Die Klemme T1, welche den ungefilterten Gleichspannungsabschnitten mit 40 V und 10 V gemeinsam ist, ist mit einem Ende der Erregerspule 12 verbunden, dessen anderes Ende über einen Widerstand 20 mit den Ausgängen zweier Darlington-Leistungsverstärker 21 und 22 gekoppelt ist, welche als elektronische Leistungsschalter dienen. Der Eingang des elektronischen Schalters 21 ist an den Mittelabgriff T„ des Hochspannungsteils eingeschlossen, während der Eingang des elektronischen Schalters 22 an den Mittelabgriff T, des Niederspannungsteils angeschlossen ist. Wird der Schalter 21 wirksamgeschaltet, so werden 40 V auf die Erregerwicklung 12 gekoppelt, während 10V auf diese Wicklung gekoppelt werden, wenn der Schalter 22 wirksamgeschaltet wird.
Periodische Tastimpulse, welche vorzugsweise in der in der US-PS 3 783 687 beschriebenen Weise mit einer Folgefrequenz erzeugt werden, welche relativ zur Netzfrequenz niedrig ist, werden in Eingangsklemmen T4 und T,- eingespeist, von denen sie auf eine lichtemittierende Diode 23 eines Optokopplers geleitet werden, wobei das durch diese Diode emittierte Licht von einem Phototransistor 24 aufgenommen wird, um Ausgangs-Tastimpulse zu erzeugen, welche über einen Transistorverstärker 25 auf eine Steuerelektrode G33 eines elektronischen Schalters 22 gekoppelt werden. Der Optokopplers dient zur galvanischen Trennung der die Tastimpulse erzeugenden logischen Schaltung von der Treiberschaltungsanordnung.
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Die Tastimpulse am Ausgang des Verstärkers 25 werden weiterhin über einen zweiten Transistorverstärker 26 auf den Eingang eines monostabilen Multivibrators 27 gekoppelt, dessen Ausgang über einen Transistorverstärker 28 auf eine Steuerelektrode G21 eines elektronischen Schalters 21 gekoppelt ist.
Wird ein Tastimpuls auf den elektronischen Schalter 22 gekoppelt, um diesen leitend zu schalten, so koppelt dieser Schalter 22 die Niederspannung (10 V) von der ungefilterten Gleichrichterquelle für die volle Dauer des Tastimpulses auf die Wicklung 12. Die Vorderflanke des gleichen Tastimpulses dient zur Triggerung des monostabilen Multivibrators 27, welcher dann den elektronischen Schalter 21 leitend-schaltet, um während seines Schaltintervalls die Hochspannung (40 V) auf die Erregerwicklung 12 zu koppeln. Die Zeitkonstante des monostabilen Multivibrators ist im Vergleich der Periode des Tastimpulses sehr kurz.
Der elektronische Schalter 21 bleibt während jeder Erregerperiode für eine relativ kurze Zeit leitend, deren Beginn mit der Vorderflanke des Tastimpulses zusammenfällt und dessen Ende von der Zeitkonstante des monostabilen Multivibrators 27 abhängt. Der Erregerwicklung 12 wird daher ein plötzlicher Treiberspannungsstoß mit hoher Spannung zugeführt, welcher als schockartige Erregung der Erregerwicklung wirkt, um in dieser einen Strömfluß zu erzeugen, welcher für den Rest der Tastimpulsperiode durch die niedrige Treiberspannung auf einem im wesentlichen konstanten Pegel gehalten wird. Das Treiberspannungssignal ist daher durch einen hohen Pegel, auf welchen ein tiefer Pegel folgt, stufenförmig ausgebildet.
Der Erregerwicklung 12 ist ein Rücklauf-Auffangnetzwerk parallelgeschaltet, das durch die Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes 31 gebildet wird. Die Wicklung 12 wird „
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durch einen Hochspannungsstoß schockerregt, um in ihr einen Magnetstromfluß in einer Richtung auszulösen, welcher für den Rest der Tastperiode durch die der Wicklung zugeführte Niederspannung auf einem konstanten Pegel gehalten wird. Am Ende der Tastperiode bricht das magnetische Feld zusammen, wodurch ein Rücklaufstrom in Gegenrichtung erzeugt wird, wodurch die Diode 30 des Rücklauf-Auffangnetzwerks leitendgeschaltet wird. Die Dauer des RücklaufIntervalls wird durch den Wert des Widerstandes 31 in dem genannten Netzwerk festgelegt.
Die Signalform der rechteckförmigen niederfrequenten Tastimpulse G ist in Fig. 2A dargestellt, wobei jeder Impuls eine Impulsdauer T besitzt. Die Zeitkonstante des monostabilen Multivibrators ist durch eine Zeit t. gegeben. Aus Fig. 2B, welche die Signalform der Treiberspannung für den Elektromagneten zeigt, ist ersichtlich, daß der Hochspannungsstoß HV während des Intervalls t.. auftritt, das mit einer Spannung Null an der Vorderflanke des Tastimpulses beginnt und für einen geringen Teil der Tastimpulsperiode T andauert. Im restlichen Teil dieser Tastimpulsperiode liegt die niedrige Treiberspannung LV vor, welche bis zu einem durch die Hinterflanke des Tastimpulses G festgelegten Zeitpunkt andauert.
Gemäß Fig. 2C, welche den durch die Wicklung 12 fließenden Magnetstrom I zeigt, steigt der Strom während des Hochspannungsintervalls t.. von 0 auf einen hohen Pegel an, welcher für den Rest der Tastimpulsperiode konstant gehalten wird. Während eines RücklaufIntervalls t- kehrt der Strom sodann seine Richtung um, und fällt auf 0 zurück, wodurch die Erregungsperiode abgeschlossen und beim Auftreten des nächsten Tastimpulses wiederholt wird.
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Bei der Aueführungsform nach Fig. 1 wird eine Treiberspannung einer Polarität erzeugt, während bei der Ausführungsform nach Fig. 3, welche im wesentlichen gleichartig arbeitet, die Treiberspannung zur Erzeugung eines Erregerstromes führt, welcher in der Elektromagnet-Wicklung 12 des Strömungsmessers in zwei Richtungen fließt.
Dies wird durch eine Schaltungsanordnung erreicht, welche im Grundsatz durch eine Verdopplung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 gebildet wird. Die Treiberschaltungsanordnung nach Fig. 3 erzeugt eine Treiberwechselspannung, deren positive Halbwelle stufenförmig mit einer von einer Niederspannung (-10 V) gefolgten Hochspannung (+50 V) und deren negative Kalbwelle mit entsprechenden negativen Spannungswerten stufenförmig ausgebildet ist (siehe Fig. 5A).
Ebenso wie in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 werden vom Konverter des Strömungsmessers oder von einer geeigneten internen Taktquelle ge..ieferte niederfrequente Taktimpulse gemäß Fig. 3 in die Klemmen T. und T_ eingespeist, welche an die lichtemittierende Diode 23 eines Optokopplers mit einem Phototransistor 24 angekoppelt sind. Die Ausgangsimpulse des Optokopplers werden über einen logischen Kreis in als Darlington-Treiber ausgebildete elektronische Schalter eingespeist, wobei ein Satz von Schaltern 21 und 22 zur Lieferung der Treiberspannung mit einer Polarität und der komplementäre Sat" von Schaltern 21' und 22' zur Zuführung der anderen Polarität dient. Der logische Kreis, welcher NOR-Gatter 32 und 33 enthält, dient zur abwechselnden Inbetriebnahme der beiden Sätze von elektronischen Schaltern.
Die elektronischen Schalter 22 und 22' für die Hochspannung mit positiver und negativer Polarität werden durch den monostabilen Multivibrator 27 und einen komplementären monostabilen Multivibrator 27' gesteuert. Der monostabile Multivibrator
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wird durch die positive Flanke des ankommenden Taktirripulses gesteuert, während der nonostabile Multivibrator 27' durch die negative Flanke dieses Impulses gesteuert wird. Die positive und negative Hochspannung (50 V) v.ird von dem an den Mittelabgriff 16B angekoppelten Vollweggleichrichter 17 abgeleitet. Eine positive und negative Niederspannung zur Ansteuerung der Treiberschaltungsanordnung wird von dem an den Mittelabgriff 16C angekoppelten Vollweggleichrichter 19 abgeleitet. Für einen negativen Treiberbetrieb können alle FiZtorkondensatoren für die Hoch- und Niecerspannungszuführung einschließlich der Kondensatoren 34 und 35 entfallen. Die Welligkeitskomponente mit 120 Perioden der ungefilterten gleichgerichteten Wechselspamung wird dann durch die als Filterdrossel wirkende Erregerwicklung ausgefiltert.
Die Zeittaktsequenz ist graphisch in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4A zeigt die rechteckförmige Signalform der ankommenden Tastinpulse G mit wechselnder Polarität, welche in die Klemmen T. und T- eingespeist werden. Das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 27" ist in Fig. 4B dargestellt. Dieser monostabile Multivibrator wird in einem Zeitpunkt angestoßen, welcher mit dem Zeitpunkt der Vorderflanke eines r. -jativen Tastirr.pulses G zusammenfällt, wodurch die Treiberspannung von +50 V über den elektronischen Schalter 22 in die Erregerwicklung 12 eingespeist wird.
Gemäß dem Signal n^ch Signal 4C wird der elektronische Schalter 21 in einem Zeitpunkt eingeschaltet, welcher mit der Hinterflanke des Zeittaktintervalls des monostabilen Multivibrators 27' zusammenfällt, wodurch eine niedrige Treiberspannung (+10V) in die Wicklung 12 eingespeist wird. Gemäß Fig. 4D wird der monostabile Multivibrator 27 in einem Zeitpunkt angestoßen, welcher mit der Hinterflanke des negativen Tastimpulses G zusammenfällt, wodurch eine Treiberspannung
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von -50 V über den elektronischen Schalter 22' in die Wicklung 12 eingespeist wird. Schließlich wird gemäß Fig.4E der Schalter 21' in einem Zeitpunkt eingeschaltet, welcher mit der Hinterflanke des Zeittaktintervalls des monostabil^n Multivibrators 27 zusammenfällt, wodurch eine niedrige Treiberspannung (-10 V) in die Wicklung eingespeist wird.
Gemäß Fig. 5A besitzt daher die positive Halbwelle der Treiberspannung eine stufenförmige Ausbildung zur Erzeugung eines Treiberspannungsstoßes von +50 V, auf welcher, eine den Strom aufrechterhaltende Treiberspannung von +10 V folgt, wobei die negative Halbwelle eine entsprechende Ausbildung besitzt. Der resultierende Magnetstrom ist in Fig. 5B dargestellt, wobei das Zeitintervall t.. , in dem die Treiberspannung die *:ullinie kreuzt, durch die Dauer des Spannungsstoßes von +50 V festgelegt ist. Das Zeitintervall t2# in dem die Treiberspannung die Nullinie in entgegengesetzter Richtung kreuzt, wird durch die Dauer des Spannungstoßes von -50 V festgelegt.
Geraäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Treiberspannung für die Erregerwicklung 12 geliefert, welche während der Tastperiode anstelle eines Hochspannungsstoßes, auf den eine den Strom aufrechterhaltende Treiberspannung mit niedrigem Pegel für den Rest der Periode folgt, durch intermittierende Hochspar.nungsstöße gebildet, deren entsprechende Dauern so gewählt sind, daß der Magnetstrom während der Treiberperiode auf einem konstanten Pegel gehalten wird. Zu diesem Zweck ist es notwendig, den Stromfluß durch die Wicklung 12 zu erfassen.
Dies erfolgt geraäß der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 durch eine Vergleichsstufe 36 mit hoher Verstärkung, welche den Spannungsabfall an einem in Serie zur Wicklung 12 liegenden
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Widerstand 20 erfaßt, wobei sich dieser Spannungsabfall mit dem Magnetstromfluß ändert. Die variable Eingangsspannung der Vergleichsstufe wird mit einer durch ein Potentiometer 37 eingestellten Sollspannung verglichen, wobei diesem Potentiometer eine niedrige Gleichspannung (+ 5 V) zugeführt wird, welche aus dem durch den Sekundärwicklungsteil 16C des Transformators 16, den Vollweggleichrichter 18 und dem Filterkondensator 38 gebildeten Spannungsversorgungskreis entommen wird.
Das Ausgangssignal der Vergleichsstufe 46 wird in den monostrbilen Multivibrator 27 eingespeist, welcher nach seinem Anstoß den elektronischen Schalter 21 betätigt, um der V.'icklung 12 eine aus dem Sekundärwicklungsteil 16B und dem Vollweggleichrichter 17 entnommene Hochspannung (-40 V) zuzuführen.
Die Vergleichsstufe 36 schaltet den monostabilen Multivibrator 27 so oft ein, wie es notwendig ist, um in der Wicklung des Elektromagneten unabhängig von Änderungen der Netzspannung einen konstanten Strom zuzuführen. Wenn der Magnetstrom unter einen vorgegebenen konstanten Stromwert fällt, wird dies durch die Vergleichsstufe 36 erfaßt, um den monostabilen Multivibrator 27 anzustoßen und den elektronischen Schalter 21 einzuschalten, um die Wicklung erneut zu erregen und den MagnetstrciT. auf den gewünschten Wert zu bringen.
Gemäß Fig. 7A werden während jeder Tastperiode intermittierend Spannungsstöße erzeugt, um eine für die Aufrechterhaltung des Magnetstroms auf einem konstanten Wert ausreichende Energie zu liefern . Gemäß Fig. 7B wird das Zusammenbrechen des Magnetstroms am Ende der Tastperiode wiederum durch das durch die Serienschaltung der Diode 30 und des Widerstandes 31 gebildete Rücklauf-Fangnetzwerk gesteuert.
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Der Vorteil der vorstehend beschriebener, Ausführungsform gegenüber den oben beschriebenen Aus führ ungsfcr-.ien ist darin zu sehen, daß eine automatische Regelschleife gebildet wird, welche Änderungen im Magnetstrom erfaßt und deren Korrektur bewirkt, wodurch Änderungen der Netzspannung und andere Variable in Rechnung gestellt werden können. In den anderen Ausführungsformen sind die durch die Treiberschaltungsanordnung erzeugten Treiberspannungen unabhängig von Magnetstrom. Weiterhin wird auch der effektive Leistungsverbrauch gegenüber den oben beschriebenen Ausführungsformen reduziert.
Ire folgenden wird erläutert, wie mit der erfindungsgemäßen Treiberschaltungsanordnung eine beträchtliche Leistungsersparnis erreicht werden kann. Die durch Erregerwicklungen eines elektromagnetischen Strömungsmessers verbrauchte
Leistung ist durch die Beziehung I R gegeben. Eine Reduzierung der Widerstandwerte des Widerstandes R führt daher in einem direkten Zusammenhang zum Grad der R-Reduzierung zu einer Verminderung des Leistungsverbrauchs. Dies wird am wirksamsten durch Verwendung eines Drahtes mit größerem Durchmesser für die Erregerwicklung erreicht. Dies gilt jedoch für die gleiche Anzahl von Windungen, so daß die Induktivität L der Wicklung die gleiche bleibt, während der Widerstand R reduziert wird.
Diese Reduzierung des Wicklungswiderstandes R ohne Änderung der Wicklungsinduktivität L führt zu einer Erhöhung der L/R-Zeitkonstante, wodurch die zur Erreichung eines stationären Zustandes erforderliche Zeit gedehnt wird. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 8 dargestellt, in welcher der Anstieg des Stromes I in der Erregerwicklung über der Zeit in einer Kurve R aufgetragen ist, welche den normalen Anstieg des Stroms bis zum Erreichen eines stationären Zustandes darstellt. Durch Vergleich mit einer Kurve R , welche den durch
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eine Reduzierung des Wertes des Widerstandes R bedingten Stromanstieg darstellt, wird ersichtlich, daß bei Betrieb mit einem reduzierten Wert von R eine längere Zeit erforderlich ist, bis der Strom einen stationären Zustand erreicht.
Um die durch Reduzierung des Wicklungswiderstandes erreichte Leistungseinsparung ohne eine zu lange Zeit bis zum Erreichen eines stationären Stroms zu gewährleisten, wirkt eine erfindungsgemäße Treiberschaltungsanordnung in der Weise, daß anfänglich eine Treiberspannung in die Erregerspule eingespeist wird, deren Größe weit über dem Normalwert liegt, und daß die Treiberspannung abrupt reduziert wird, wenn der stationäre Zustand erreicht ist.
Dieser Zusammenhang zwischen der Treiberspannung und dem Erregerstrom ist in den Fig. 9A und 9B dargestellt, wobei Fig. 9A den Verlauf der eingespeisten Spannung und Fig. 9B den resultierenden Strom in der Erregerwicklung zeigt. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß der Strom I während des Hochspannungsstoßes V1 stark ansteigt, und daß bei Erreichen eines gewünschten stationären Stromwertes die Spannung scharf auf.einen Wert V„ reduziert wird, um den Strom auf diesem Wert zu halten.
Die einzige praktische Grenze für die erfindungsgemäße Treiberschaltungsanordnung im Sinne einer Reduzierung des Leistungsverbrauches ist durch das Kupfervolumen und die Kupfer-
kosten gegeben. Ist einmal ein brauchbarer I R-Verlust festgelegt, so kann für eine gegebene Anzahl von Windungen jedes Verhältnis von I und R gewählt werden. Dieses Verhältnis legt den Betriebsstrom und die Betriebsspannungen fest.
Im folgenden werden Beispiele für dieses Funktionsprinzip angegeben:
030019/0733
"~ 22 —
2
IR = konstant -L=N - 1/2 Durchmesser = 4 χ R
Windungen I = 2 A R= 10ilL= 1 Henry I2R = 40 Watt Windungen I = 1 A R = 4OiL L = 4 Henry I2R = 40 Watt Windungen I = 0,5 A R =160ÜL =16 Henry I2R = 40 Watt
L/R = 0,1 s
I2R = 40 Kai L/R = 0,1 s
I2R = 40 Wal L/R = 0,1 s
030019/0733

Claims (9)

  1. Patentansprüche
    Treiberschaltungsanordnung für einen Elektromagneten eines elektromagnetischen Strömungsmessers mit einem Strömungsrohr, an dem ein Paar von sich diametral gegenüberliegenden Elektroden vorgesehen ist, und mit einer Erregerspule des Elektromagneten zur Erzeugung eines magnetischen Querfeldes im Strömungsrohr, wobei eine Spannung, welche in einem durch das Strömungsrohr strömenden Medium induziert wird, und welche das magnetische Querfeld schneidet, zur Erzeugung eines durch die Strömung induzierten Signals auf die Elektroden übertragen wird, gekennzeichnet durch einen an eine Wechselspannungsversorgung mit vorgegebener Frequenz anschaltbaren Vollweggleichrichter (17, 18, 19) zur Erzeugung einer gleichgerichteten Spannung, durch von Tastimpulsen angesteuerte Schalter (21, 22; 21, 22, 21', 22'; 21) zur Ankopplung der Ausgangssignale des Vollweggleichrichters (17, 18, 19) an die Wicklung (18) ,
    durch einen Kreis (23, 24) zur Einkopplung von Tastimpulsen mit einer vorgegebenen Periode in die Schalter (21 , 22; 21, 22, 21', 22'; 21) mit einer Folgefrequenz, welche klein im Vergleich zur Frequenz der Spannungsversorgung ist,
    und durch eine während jeder TastImpulsperiode bei Ankopplung des Vollweggleichrichters (17, 18, 19) an die Wicklung (18) angesteuerte Schaltung (25, 26, 27, 28; 27, 27', 32, 33; 27, 36) zur Einspeisung eines Hochspannungstoßes in die Wicklung (18) am Beginn dieser Periode, um in dieser einen Magnetstromfluß zu erzeugen, welcher einen vorgegebenen Stromwert festlegt, sowie zur weiteren Einspeisung einer Spannung in die Wicklung (18) zur Aufrechterhaltung des Magnetstromflusses in der Wicklung (18) auf dem vorgegebenen Wert für den Rest der Tastperiode, wodurch ein stationäres
    030019/0733
    -y -
    •a.
    Feld periodisch im Strömungsrohr (10) aufgebaut wird und unerwünschte in Phase befindliche und quadratische Komponenten ohne Polarisation und galvanische Effekte minimal gehalten werden.
  2. 2. Treiberschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vollweggleichrichter (17, 18, 19) einen Hochspannungsteil (17) und einen Niederspannungsteil (18) aufweist und daß die während der Tastperiode gesteuerte Schaltung (25, 26, 27, 28; 27', 32, 33; 27, 36) der Wicklung (18) die Hochspannung zur Erzeugung eines Spannungsstoßes und die Niederspannung zur Aufrechterhaltung des Magnetstromflußes zuführt.
  3. 3. Treiberschaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (21, 22; 21, 22, 21", 22') durch einen ersten elektronischen Schalter (21), welcher den Hochspannungsteil (16B, 17) an die Wicklung (12) koppelt, und durch einen zweiten elektronischen Schalter (22), welcher die Niederspannung an die Wicklung (12) koppelt, gebildet ist.
  4. 4. Treiberschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen von den Tastimpulsen angesteuerten und an den ersten elektronischen Schalter (21) angekoppelten monostabilen Multivibrator (27), durch den der erste elektronische Schalter (21) für ein vorgegebenes Intervall zur Erzeugung des Spannungstoßes wirksamgeschaltet wird.
  5. 5. Treiberschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Optokoppler (23, 24) zur Ankopplung der Tastimpulse an die elektronischen Schalter (21, 22).
  6. 6. Treiberschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
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    dadurch gekennzeichnet, daß die Tastimpulse alternierende Polarität besitzen und daß der Hochspannungs- und der Niederspannungsteil jeweils Spannungen mit positiver und negativer Polarität liefern, daß während der Periode der Tastimpulse mit einer Polarität Hoch- und Niederspannungen mit positiver Polarität in die Wicklung (12) eingespeist werden und daß während der Periode der Tastimpulse mit entgegengesetzter Polarität Hoch- und Niederspannungen mit negativer Polarität in die Wicklung (12) eingespeist werden.
  7. 7. Treiberschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Stufe zur Erfassung des Wertes des durch die Wicklung (12) fließenden Stroms zur Erzeugung eines Steuersignals und durch eine von diesem Steuersignal gesteuerte Schaltung (21, 27), zur intermittierenden Einspeisung von Spannungstößen in die Wicklung (12) zur Aufrechterhaltung des Wertes des Magnetstroms.
  8. 8. Treiberschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
    7, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wert des Magnetstroms erfassende Stufe durch eine Vergleichsstufe (36) gebildet ist, welche den Magnetstrom mit einem Sollwert vergleicht, um das Steuersignal zu erzeugen, wenn der Strom unter einen vorgegebenen Wert fällt.
  9. 9. Treiberschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
    8, gekennzeichnet durch einen durch das Steuersignal angesteuerten monostabilen Multivibrator (27) , welcher einen Schalter (21) zur Ankopplung des Gleichrichters (17) an die Wicklung (12) aktiviert.
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