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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Strömungsmesser,
der ein Paar Elektroden hat, die einander zugewandt sind, so daß sie direkt zwischen
sich wenigstens einen Teil eines leitfähigen Fluids aufnehmen, und der weiter einen
magnetischen Kreis zum Erzeugen eines magnetischen Flusses hat, der seinerseits
eine gerade, die beiden Elektroden verbindende Linie und den Fluß des leitfähigen
Fluids kreuzt, wobei die Geschwindigkeit der Fluidströmung aus einer Spannung berechnet
wird, die sich entsprechend dem magnetischen Fluß des magnetischen Kreises und der
Strömung des Fluids zwischen den beiden Elektroden aufbaut.
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In dem elektromagnetischen Strömungsmesser ist die Verwendung eines
Permanentmagneten zum Ausbilden des magnetischen Kreises ideal, wenn man nur auf
die Verminderung des Leistungs- bzw. Strombedarfs achtet. Ein solcher Permanentmagnet
wird jedoch aus verschiedenen Gründen selten verwendet, da die Spannungspolaritäten
der beiden Elektroden unveränderlich sind und eine Kontakt spannung sowie eine polarisierte
Spannung durch eine chemische Wirkung erzeugt werden, so daß infolgedessen eine
große Nullverschiebung oder -drift hervorgerufen wird.
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Die eben erwähnte Schwierigkeit wird dadurch überwunden, daß man einen
magnetischen Kreis verwendet, der mittels Wechselstrom erregt wird. Diese Maßnahme
wird jedoch von einem 9o°-Rauschen begleitet. Die Summierung desselben mit dem in
üblicher Weise auftretenden Rauschen ergibt nicht notwendigerweise einen Phasenunterschied
von 9o0, dieserist von einer Änderung begleitet. zahler ist es schwieirig, den Nullpunkt
während des Verlaufs der Fluidströmung
zu überprüfen.
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Wenn ein magnetischer Kreis verwendet wird, der mittels eines Rechteckwellenstroms
mit sich abwechselnd ändernden Polaritäten magnetisch erregt wird, dann tritt die
Schwierigkeit, die sich im Falle der Verwendung eines Permanentmagneten ergibt,
nicht auf, und der Betrag der Nullverschiebung während der Strömung des Fluids läßt
sich aus dem Mittel derjenigen Werte erhalten, die sich ergeben, wenn keine Flußänderung
mit Bezug auf beide Stromrichtungen vorhanden ist. Daher kann sie durch Benutzung
der erhaltenen Nulldrift korrigiert werden. Jedoch hat diese Maßnahme einen Kreisaufbau
zur Folge, aufgrund dessen der Erregungsstrom konstant fließt. Als Ergebnis erhält
man einen großen Leistungs- bzw. Stromverbrauch.
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Die vorerwähnten Strömungsmesser nach dem Stande der Technik sind
in den US-Patentschriften 3 783 687, 3 802 262, 3 894 430, 4 olo 644 und 3 777 561
beschrieben.
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Demgemäß soll mit der vorliegenden Erfindung ein elektromagnetischer
Strömungsmesser mit geringerem Leistungs-bzw. Stromverbrauch zur Verfügung gestellt
werden.
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Weiterhin soll mit der vorliegenden Erfindung ein elektromagnetischer
Strömungsmesser geschaffen-werden, der in der Lage ist, die Geschwindigkeit einer
Fluidströmung gleichbleibend bzw. stabil frei von einem Fehler zu messen, der von
einer Anderung der Umgebungstemperatur herrührt.
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Außerdem wird mit der vorliegenden Erfindung ein elektromagnetischer
Strömungsmesser zur Verfügung gestellt, der gegenüber einer Anderung der Stromquellenspannung
unempfindlich ist.
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Gemäß einem der Merkmale der vorliegenden Erfindung wird in einem
magnetischen Kreis ein Rechteckwellen-Magnetfluß mit sich abwechselnd ändernden
Polaritäten erzeugt, der während einer kurzen Zeitdauer in jedem Zyklus fortdauert,
jedoch intermittierend ist, so daß auf diese Weise der Vorteil des konventionellen
elektromagnetischen Strömungsmessers sichergestellt wird. Ein weiteres Merkmal,
durch das eine Verminderung des Leistungs- bzw. Stromverbrauchs erzielt wird, besteht
darin, daß in einer magnetischen Erregungsspule ein magnetischer Erregungsstrom
bzw. ein Magnetfeld-Erregungsstrom bewirkt wird, der intermittierend und augenblicklich
(d. h. kurzzeitig) in jedem Zyklus ist, und zwar mit sich abwechselnd ändernden
Polaritäten; und die Geschwindigkeit einer Fluidströmung wird unter Verwendung einer
Spannung berechnet, die gemäß einem in dem magnetischen Kreis aufrechterhaltenen
Restmagnetfluß und der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, wenn kein magnetischer
Erregungsstrom dadurch fließt, erzeugt wird.
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Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung
seien nachfolgend anhand einiger in den Fig. 1 bis 13 der Zeichnung im Prinzip dargestellter,
besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung; Fig. 2 eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen einem
magnetischen Feld und einem magnetischen Fluß repräsentiert; Fig. 3 eine Schaltbild
der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 einen
Satz von Wellenformen, die zur Erläuterung der Betriebsweise der Schaltungsanordnung
der ersten Ausführungsform dienen; Fig. 5 eine schematische Darstellung einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 6 eine Kurvendarstellung, die die
Beziehung zwischen einem magnetischen Feld und einem magnetischen Fluß in Verbindung
mit der zweiten Ausführungsform veranschaulicht; Fig. 7 eine Querschnittsansicht
einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform; Fig. 8 eine Längsschnittansicht längs
der Linie VIII-VIII in Fig. 7; Fig. 9 eine Querschnittsansicht einer weiteren Abwandlung
der zweiten Ausführungsform; Fig. 1o eine Längsschnittansicht längs der Linie X-X
in Fig. 9; Fig. 11 einen Schaltungsaufbau einer dritten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, worin die Elektroden und eine die Geschwindigkeit des Strömungsflusses
berechnende Einheit weggelassen sind, da diese die gleichen wie in der ersten Ausführungsform
sind; Fig. 12 eine Kurvendarstellung des Erregungsstroms in der dritten Ausführungsform;
und Fig. 13 ein Schaltbild einer Abwandlung eines Teils der dritten Ausführungsform.
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In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar genauer gesagt in einer Querschnittsansicht senkrecht zur
Strömungsrichtung eines Fluids. Eine Leitung 1 für ein Fluid, die aus nichtmagnetischem
und nichtleitendem Material hergestellt ist, erstreckt sich über einen extremen
Bereich in der Nähe des querverlaufenden Abschnitts außer entlang der Längsrichtung
relativ zu dem querverlaufenden Abschnitt. Auf den inneren Wänden der Leitung 1
sind zwei Elektroden 2a und 2b vorgesehen, die einander gegenüberliegend angeordnet
sind und direkt zwischen sich einen Teil der Fluidströmung enthalten sowie dem Fluid
ausgesetzt sind. Die Elektroden 2a und 2b sind mit einer Fluidströmungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit
3 zum Berechnen der Geschwindigkeit einer Fluidströmung verbunden, und zwar wird
diese Fluidströmung unter Verwendung einer Spannung zwischen den beiden Elektroden
2a und 2b berechnet, die über leitende Teile zugeführt wird, welche jeweils wasserdicht
durch die Seitenwände der Leitung 1 hindurchgeführt sind.
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Ein magnetischer Kreis 4 mit Magnetpolen 4a und 4b, zwischen denen
die Leitung 1 eingelegt ist, dient dazu, zwischen den Magnetpolen 4a und 4b einen
Magnetfluß aufzubauen, der eine gerade Linie, die die beiden Elektroden 2a und 2b
verbindet, und den Fluß des Fluids kreuzt.
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Ein bevorzugtes Material des Magnetkreises 4 hat eine leicht magnetisierbare
Charakteristik mit einer hohen Permeabilität, jedoch mit einer relativ hohen Koerzitivkraft.
In dem Ausführungsbeispiel wird gewöhnlich Stahl verwendet.
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Die Magnetpole 4a und 4b haben jeweils Erregungsspulen 5a und 5b,
die zur Erregung des Magnetkreises 4 um dieselben herumgewickelt sind. Die Erregungsspulen
haben je einen
großen Durchmesser, wobei der Gesamtwiderstand klein
ist.
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Beide Erregungsspulen 5a und 5b sind in Reihe geschaltet und an eine
Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6 angekoppelt, die den Spulen einen Erregungsstrom
zuführt, der intermittierend und augenblicklich (für eine kurze Zeit) ist, und dessen
Stromrichtung sich abwechselnd entgegengesetzt ändert.
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Wenn der Erregungsstrom magnetische Felder +Hp und -Hp erzeugt, die
im Magnetkreis 4 aufgebaut werden, dann verändert sich die magnetische Dichte B,
die zwischen den Magnetpolen 4a und 4b aufgebaut wird, wie durch die Kurve in Fig.
2 angedeutet ist. Wenn der Erregungsstrom auf Null vermindert wird, dann geht das
Magnetfeld durch den Punkt 0 und sinkt auf einen Punkt P oder P' in der Figur ab,
weil der magnetische Leitwert zwischen den Magnetpolen 4a und 4b klein ist. Unterdieser
Bedingung wird die magnetische Flußdichte B durch Linienabschnitte Ob und Ob' in
der Figur wiedergegeben.
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Um den Restmagnetfluß groß zu machen, ist es zu bevorzugen, den Querschnitt
der Leitung 1 rechteckig auszubilden und den Spalt zwischen den Magnetpolen 4a und
4b schmal bzw. eng zu machen, so daß man dadurch einen großen magnetischen Leitwert
erhält.
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Die Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6 und die Fluidströmungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit
3 sprechen beide auf Impulse an, die von einer Steuereinheit 7 abgegeben werden,
welche vorgegebene Signale in Ansprechung auf Impulse erzeugt, die von einem einzigen
Oszillator erzeugt werden, und die periodisch mit einer festen Zeitrelation bzw.
-beziehung arbeitet.
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Die Steuereinheit 7 besteht aus einem Oszillator 72 zum Erzeugen eines
Signals mit einer gegebenen Frequenz, einem Frequenzteiler 74 zum Teilen der Frequenz,
und einer Torschaltung 76. Signale PS1 und PS zum Steuern von 1 2 Schaltern 1 und
S2, die unten DeschrieDen sind,ein Signal SP zum Steuern einer Sampling- bzw. Abfrageschaltung
32 und ein Signal SR' zum Steuern eines Synchrongleichrichters 34 werden mit einer
vorbestimmten gegenseitigen Beziehung in der Zeitgebung mittels des Teilers 74 erzeugt.
Diese Signale werden durch die Torschaltung 76 übertragen.
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Im einzelnen umfaßt die Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6, die wie
die Schaltung in der oberen Hälfte der Fig. 3 ausgebildet sein kann, einen festen
Widerstand r, der einen viel größeren Widerstandswert hat, als es derjenige der
Spulen 5a und 5b ist, und der in Reihe in eine Reihenschaltung der Erregungsspulen
5a und 5b eingefügt ist, damit im wesentlichen ein nachteiliger Einfluß durch eine
temperaturbedingte Änderung des Kupferwiderstandswerts der Erregungsspulen ausgeschaltet
wird. Weiterhin ist eine Reihenschaltung vorgesehen, die einen Kondensator C und
einen normalerweise offenen Schalter 1 mit einer kurzen Schließzeit umfaßt. Beide
Enden der Reihenschaltung sind zwischen beide Enden der anderen Reihenschaltung
geschaltet, welche die Spulen 5a und 5b und den festen Widerstand r umfaßt, und
zwar über einen die Polarität umkehrenden Schalter S2. 2 Der Kondensator C ist parallel
zu einer weiteren Reihenschaltung geschaltet, die einen Widerstand R mit einem hohen
Widerstandswert und eine stabilisierende bzw. stabilisierte Gleichstromquelle Eo
umfaßt. In der praktischen Ausführung können der Schalter S1, dessen Schließdauer
eine kurze Zeitdauer beträgt, und der die Polarität umkehrende Schalter S2 durch
elektronische Schaltungen gebildet sein, die äquivalente
Funktionen
haben und von periodischen Impulsen PS1 und PS2 gesteuert werden, die von der Steuereinheit
7 erzeugt werden. Die Betriebszustände dieser Schalter S1 und S3 S2 sind in den
Fig. 4(A) und 4(B) dargestellt, in denen die Abszissen die Zeit repräsentieren,
während die Ordinaten die Betriebszustände der Schalter S1 und S2 repräsentieren.
Wie dargestellt, wird die polaritätsmäßige Verbindung, die durch den Schalter 2
hergestellt wird, periodisch umgekehrt, und der kurzzeitig geschlossene Schalter
S1 wird während einer sehr kurzen Zeit in der Mitte jeder Periode gleichbleibender
Polarität geschlossen und dann sofort geöffnet.
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Aufgrund dieses Schalterbetriebs fließt ein Erregungsstrom I durch
die Erregungsspulen 5a und 5b, der eine periodisch auftretende pulsierende Wellenform
mit außer den gleichen Polaritäten auftretenden abwechselnden entgegengesetzten
Polaritäten hat. Das Ergebnis ist, wie man aus der Kurvendarstellung der Fig. 2
sieht, daß ein magnetischer Restfluß in den Magnetpulen 4a und 4b erzeugt wird,
dessen Wellenform eine im wesentlichen feste Amplitude hat, die auf eine scharfe
Wellenform bzw. eine Spitze derselben folgt, wie in Fig. 4(D) gezeigt ist.
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In dem Fall, in dem beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des
Fluids in der Leitung 1 allmählich abnimmt, ändert sich die zwischen den Elektroden
2a und 2b erzeugte Spannung im Verhältnis zu dem Produkt des magnetischen Flusses
der Fig. 4(D) und der Strömungsgeschwindigkeit, wie in Fig. 4(E) gezeigt ist.
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Die Fluidströmungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 3 ist in näheren
Einzelheiten in Blockform in der unteren Hälfte der Fig. 3 dargestellt. Die Spannung
zwischen den Elektroden 2a und 2b wird durch einen ersten Verstärker A1 verstärkt
und an eine Abfrageschaltung 32 angelegt.
Die Abfrageschaltung
32 erhält Abfrageimpulse SP, wie in Fig. 4(F) gezeigt, und diese Abfrageimpulse
SP definieren bzw. haben eine solche Wechselbeziehung zu den Impulsen PS1 und PS2
bzw. stehen in solcher zeitlichen Beziehung zu letzteren Impulsen, daß der Teil
der Wellenform der Fig. 4(E), in dem der Restmagnetismus bereits stabil ist, abgefragt
werden kann, daß aber der Teil der Wellenform der Fig. 4(E), in dem sich der Restmagnetismus
scharf ändert, nicht abgefragt werden kann.
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Aufgrund dieser Abfrageimpulse erzeugt die Abfrageschaltung 32 aus
dem Ausgangssignal des ersten Verstärkers A1 ein Ausgangssignal So, das in Fig.
4(G) dargestellt ist, dessen Wellenform unterschiedliche Amplituden und abwechselnd
sich ändernde Polarität hat. Das Ausgangssignal von der Abfrageschaltung 32 wird
mittels eines zweiten Verstärkers A2 verstärkt und mittels des Synchrongleichrichters
34 synchron gleichgerichtet, so daß man intermittierende Ausgangssignale erhält,
die sich proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ändern,wie durch SR
der Fig. 4(H) angedeutet ist. Die intermittierenden Ausgangssignale mit einer festen
Polarität werden mittels einer Glättungsschaltung 36 zeitlich gemittelt, so daß
man eine glatte Änderung erhält, wie durch m in Fig. 4(I) angedeutet, und diese
Glättungsschaltung 36 gibt ihrerseits die Information der augenblicklichen Strömungsgeschwindigkeit
an ein Meß- bzw. Anzeigeinstrument 38 ab.
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In den Fig. 4(D), 4(E), 4(G) und 4(H) sind in gestrichelten Linien
die Änderungstendenzen der oberen und unteren Grenzwerte angedeutet.
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Mit dem obigen Aufbau ist es durch geeignete Auswahl der Frequenz
des Erregungsstroms, die durch die Ausgangsimpulse von der Steuereinheit 7 bestimmt
wird, möglich, die Nullverschiebung, die sich aufgrund einer elektrochemischen Reaktion
an den Elektroden 2a und 2b ergibt,
wenn kein Erregungsstrom fließt,
auf einen praktisch zulässigen Wert zu beschränken und die ermittelte mittlere Strömungsgeschwindigkeit
über den gesamten Bereich der Strömungsgeschwindigkeits-Meßzeit gleich der mittleren
Strömungsgeschwindigkeit zu machen, die nur während des Abfrageimpulses auftritt,
und zwar selbst dann, wenn eine Strömungsgeschwindigkeitsänderung während der Zeitdauer
auftritt, die außerhalb der Zeitdauer des Auftretens des Abfrageimpulses liegt.
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In dem elektromagnetischen Strömungsmesser nach der ersten Ausführungsform
gemäß der Erfindung ist die Dauer des Fließens des Erregungsstroms eine sehr kurze
Zeitdauer, so daß der Leistungsverbrauch außerordentlich klein ist, wodurch das
oben erwähnte Ziel erreicht wird.
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Da die Polarität der Spannung zwischen den Elektroden 2a und 2b in
jedem Zyklus umgekehrt wird, ist nicht zu befürchten, daß durch die elektrochemische
Wirkung eine große Nullverschiebung verursacht wird. Weiter wird die Messung der
Änderung des magnetischen Restflusses nur während einer Zeitdauer durchgeführt,
die aus praktischen Gesichtspunkten heraus vernachlässigbar ist. Daher ist es leicht,
den Nullpunkt selbstdannzu kontrollieren bzw. zu überprüfen, wenn das Fluid fließt.
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Der Einfluß einer Änderung des Widerstandswerts der Erregungsspule
bzw. -spulen, der durch eine Änderung der Umgebungstemperatur verursacht wird, auf
die Größe des magnetischen Restflusses kann so weit vermindert werden, daß er außerordentlich
klein ist, und zwar dadurch, daß die Erregungsspule bzw. -spulen in Reihe mit einem
Temperaturkompensationswiderstand geschaltet werden, der einen kleinen Widerstands-emperatiirkoeffizienten
jedoch einen großen Widerstandswert hat. Wenn jedoch das Material,
das
den magnetischen Kreis bildet, nicht angemessen ausgewählt worden ist, ändert sich
der magnetische Restfluß aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur selbst
dann, wenn eine Einrichtung verwendet wird, die den Erregungsstrom konstant hält.
Das führt zu einem Fehler in der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit.
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Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient dazu,
die vorerwähnte Schwierigkeit des elektromagnetischen Strömungsmessers vom intermittierenden
(d. h.
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kurze Zeit), invertierenden und erregenden Typ zu überwinden. In dieser
Ausführungsform besteht der magnetische Kreis aus einem Joch, das aus einem Material
hoher Permeabilität mit niedrigem magnetischem Restfluß hergestellt ist,und ein
magnetisches Teil aus Permanentmagnetmaterial ist in Reihe mit diesem Joch gekoppelt
bzw. angeordnet.
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Die Fig. 5 zeigt ein schematisches Diagramm der zweiten Ausführungsform
der Erfindung, wobei die gezeigte Querschnittsansicht senkrecht zur Strömung eines
leitfähigen Fluids ist. In dieser Figur werden die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung
gleichartiger oder äquivalenter Teile und Baueinheiten, wie sie in der ersten Ausführungsform
vorgesehen sind, verwendet. Die Leitung 1 für ein Strömungsmittel, die nichtmagnetisch
und nichtleitend ist, erstreckt sich über einen erforderlichen langen Bereich in
der Längsrichtung des Querschnitts und in der Nähe der- bzw. desselben. Es sind
zwei Elektroden 2a und 2b vorgesehen, die einander gegenüberliegend angeordnet sind
und zwischen denen wenigstens ein Teil des Flusses des Fluids direkt verläuft und
die zum Inneren der Leitung 1 hin frei liegen. Die Elektroden 2a und 2b sind über
leitende Teile, die wasserdicht durch die Wände der Leitung 1 hindurchgehen, mit
der Fluidströmungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 3 verbunden, die die Strömungsgeschwindigkeit
des
Fluids berechnet.
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Joche 4c und 4d, die Magnetpole 4a und 4b haben, zwischen denen die
Leitung 1 verläuft, sind aus einem Material hoher Permeabilität und mit niedrigem
magnetischem Restfluß hergestellt, wie beispielsweise aus elektromagnetischem Weicheisen
oder Siliciumstahlblech. Der magnetische Fluß, der zwischen den Magnetpolen 4a und
4b aufgebaut wird, kreuzt eine gerade Linie, die die beiden Elektroden 2a und 2b
verbindet, sowie die Fluidströmung. Die Joche 4c und 4d halten zwischen sich ein
magnetisches Teil 8, beispielsweise ein Gußstück aus Alnico, dessen Koerzitivkraft
nicht so groß ist, dessen magnetischer Flußsteil ansteigt und dessen magnetische
Sättigung rapid erfolgt; auf diese Weise wird ein einziger magnetischer Kreis 4
gebildet.
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Die Erregungswicklung 5 zum Erregen des magnetischen Kreises 4, deren
Durchmesser groß und deren Gesamtwiderstandswert klein ist, wie das in dem ersten
Ausführungsbeispiel der Fall ist, ist um das magnetische Teil 8 gewickelt. Die Erregungsspule
5 ist mit der Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6 verbunden, die gleichartig wie
diejenige ist, welche in Fig. 3 gezeigt ist.
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Die Beziehung, die sich zwischen dem Magnetfeld und der Flußdichte
ergibt, wenn das Permanentmagnetmaterial, welches das magnetische Teil 8 bildet,
im magnetischen Feld angeordnet wird, das sich reziprok mit einer genügend gro-Ben
Breite ändert, wird in diesem Beispiel durch eine kontinuierliche Linie in Fig.
6 dargestellt.
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In dem magnetischen Kreis 4 der Ausführungsform der Fig.
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5 beträgt die Permeabilität der Joche 4c und 4d das 8000-bis 12000-fache
derjenigen des Spalts zwischen den Magnetpolen 4a und 4b. Daher ist die magnetomotorische
Kraft,
die durch den Strom, welcher durch die Erregungsspule 5
fließt, in dem Spalt entwickelt wird, praktisch gleich derjenigen, die zwischen
den Endoberflächen des magnetischen Teils 8 angewandt wird bzw. wirkt. Demgemäß
wird die Beziehung des magnetischen Flusses zu dem durch den magnetischen Fluß bewirkten
Magnetfeld durch einen Wert bestimmt, der eine Umwandlung des magnetischen Leitwerts
Pg zwischen den Magnetpolen 4a und 4b in einen magnetischen Leitwertkoeffizienten
Pm des Magnetteils 8 ist und sich unter Verwendung der Beziehung Pm = Pg x lm/Sm
ergibt, worin Im und Sm die Länge bzw. die Querschnittsfläche des magnetischen Teils
8 sind. Der magnetische Leitwert zwischen den Magnetpolen 4a und 4b wird geometrisch
bestimmt, und infolgedessen ist die Beziehung der Flußdichte des magnetischen Teils
8 zu dem davon bewirkten Magnetfeld festgelegt und kann durch die geneigte Linie
P - P' in Fig. 6 ausgedrückt werden.
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Wenn die Änderung des Magnetfeldes H, das durch den Strom, der von
der Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6 durch die Erregungsspule 5 fließt, in dem
magnetischen Teil 8 in einen Bereich von +h bis -h' in Fig. 6 fällt, dann ändert
sich die Beziehung zwischen dem Magnetfeld H und dem magnetischen Teil längs einer
Zweipunkt-Strich-Linie Q - Q' in Fig. 6. Wenn sie aus dem Bereich herausfällt jedoch
in den Bereich +H bis -H, dann ändert sie sich längs der gestrichelten Linie R-P-R'-P'.
Daher sind, wenn kein Erregungsstrom durch die Erregungsspule 5 fließt, die Punkte
P und P', die Kreuzungspunkte der Linie R-P-R'-P' und der geneigten Linie P-P' sind,
stabil, und der magnetische Restfluß beträgt zu dieser Zeit B oder -B'. Wenn beide
Erregungsströme einander gleich sind, gilt B = B'.
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Wie man aus der Beziehung Pm = Pg x lm/Sm ersieht, ist der magnetische
Leitwert Pm größer, wenn die Querschnittsfläche
Sm des magnetischen
Teils 8 kleiner gewählt wird, und die geneigte Linie P-P' verläuft mit einer steileren
Neigung, und die absoluten Werte der magnetischen Restdichten B und B' werden größer.
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Wie oben beschrieben, wird der Magnetkreis 4 in der zweiten Ausführungsform
des magnetischen Strömungsmessers durch Reihenkopplung bzw. -anordnung der Joche
4c und 4d, die aus einem Material hoher Permeabilität mit hohem magnetischem Restfluß
hergestellt sind, mit dem Magnetteil 8 aus Permanentmagnet aufgebaut. Demgemäß wird
der Einfluß der Temperaturänderung auf den magnetischen Restfluß nur durch das magnetische
Teil 8 bestimmt. Im Falle der Auswahl von permanentmagnetischem Material für das
magnetische Teil 8 ist die Änderung der Restflußdichte außerordentlich klein, beispielsweise
-(o,o6 bis o,o2) %/°C.
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Daher ist die Änderung des magnetischen Flusses in dem Spalt zwischen
den Magnetpolen 4a und 4b klein. Infolgedessen wird die Schwierigkeit der ersten
Ausführungsform, die darin besteht, daß eine Änderung der Umgebungstemperatur einen
Fehler in der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit bewirkt, ausgeschaltet.
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Die Ausführungsform der Fig. 5, in der ein einziger magnetischer Kreis
vorhanden ist, in den ein einziger Permanentmagnet eingeschoben ist, kann beispielsweise
durch einen solchen Aufbau abgewandelt werden, bei dem zwei magnetische Kreise vorgesehen
sind, wobei in jedem dieser beiden magnetischen Kreise ein jeweiliger Permanentmagnet
eingeschoben ist, und wobei die beiden magnetischen Kreise symmetrisch zu einer
mittig angeordneten Leitung angeordnet sind, und zwar in der Form einer Acht.
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feine Abwandlung der zweiten Ausführungsform, wie sie vorstehend erwähnt
wurde, ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt,
die diese Abwandlung
in einer Querschnitts- und einer Längsschnittansicht zeigen. Wie man sieht, ist
der Spalt zwischen den Magnetpolen 4a und 4b eng gemacht, indem der Querschnitt
des Fluidabschnitts des Fluidwegs der Leitung 1 teilweise flachgemacht worden ist,
um dadurch den magnetischen Leitwert des magnetischen Kreises 4 zu erhöhen. Es sind
zwei magnetische Teile 8a und 8b sowie zwei hintereinander in Reihe geschaltete
Erregungswicklungen vorgesehen. Das Joch besteht aus Teilen 4c und 4d, die zwischen
den Magnetpolen 4a und 4b einerseits und den einen Enden der magnetischen Teile
8a und 8b andererseits angeordnet sind, sowie aus einem Teil 4e, das zwischen den
anderen Enden der magnetischen Teile 8a und 8b vorgesehen ist. Die Teile 4c, 4d
und 4e wie auch die Leitungsdrähte der Erregungswicklungen 5a und 5b und die Elektroden
2a und 2b werden, wenn die Leitung 1 mittels Kunststoff aus nichtmagnetischem und
isolierendem Material geformt bzw. gepreßt oder gegossen wird, gleichzeitig mittels
eines Einlageform- bzw. -preß-bzw. -gießverfahrens an Ort und Stelle gehalten. Auf
der oberen Seite der Leitung 1 wird eine einzige Signalverarbeitungseinheit 9 vorgesehen,
die die Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6, welche mit den Erregungsspulen 5a und
5b verbunden ist, die Fluidströmungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 3, die mit
den Elektroden 2a und 2b verbunden ist, eine Batterie und einen Oszillator integral
umfaßt.
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Die Leitung 1 ist an beiden Enden dicht in ein Metallkopplungsteil
1o eingeschraubt und mittels des Außengewindes der Kopplungsteile 1o an die zugehörige
Rohrleitung angekoppelt. Die Leitung 1 hat eine Zugfestigkeit, die genügend groß
ist, daß sie einer Streckung in der Längsrichtung widersteht, wenn sie installiert
wird bzw. ist.
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In dieser Abwandlung kann, wie oben erwähnt, der magnetische
Kreis
4 so ausgebildet sein, daß er insgesamt klein ist und eine zufriedenstellende Restflußdichte
behält, indem man die magnetischen Teile 8a und 8b und die Joche 4e, 4c und 4d angemessen
auslegt. Das führt zu einer Kostenverminderung.
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Die erste und zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind
in einer solchen Anordnung als elektromagnetische Strömungsmesser anwendbar, in
der die Elektroden 2a und 2b und die magnetischen Elektroden bzw. Pole 4a und 4b
symmetrisch bezüglich des Querschnitts der Leitung 1, horizontal gesehen, angeordnet
sind, außer einer asymmetrischen Anordnung, vertikal gesehen. Eine solche asymmetrische
Anordnung ist in Fig. 9 im Querschnitt und in Fig. lo im Längsschnitt dargestellt.
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Die erste Ausführungsform nach den Fig. 1 und 3 sowie die zweite Ausführungsform
nach den Fig. 5, 7 und 8 hat die Schwierigkeit, daß dann, wenn als Stromquelle Eo
der Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6 keine stabilisierte Gleichstromquelle verwendet
wird, der Spitzenwert des Erregungsstroms (Fig. 4(D)) und infolgedessen der Mittelwert
(Fig. 4(I)) aufgrund einer Änderung der Spannung unabhängig von einer tatsächlichen
augenblicklichen Strömungsgeschwindigkeit des Fluids variiert.
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Mit einer nachstehend beschriebenen dritten Ausführungsform der Erfindung
wird die eben erwähnte Schwierigkeit in einem elektromagnetischen Strömungsmesser
des intermittierend, invertierend und augenblicklich (kurzzeitig) erregenden Typs
überwunden. In dieser Ausführungsform wird im Vorgang des augenblicklichen Anstiegs
des Erregungsstroms in jedem Zyklus, wenn der absolute Wert des Erregungsstroms
einen festgelegten Wert überschreitet, dieser sofort auf Null herabgesetzt.
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Die Fig. 11, die sich auf die dritte Ausführungsform bczieht, zeigt
die Schaltung der Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6 zusammen mit der Steuereinheit
7 und der Erregungsspule 5.
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Die dritte Ausführungsform weist außerdem Elektroden und eine Fluidströmungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit
auf, die gleichartig denjenigen der Fig. 1 sind, so daß diese Komponenten in Fig.
11 weggelassen sind. Demgemäß werden die Ausgangssignale SP und SR' der Steuereinheit
7 an die Abfrageschaltung 32 bzw. den Synchrongleichrichter 34 gegeben.
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Die Steuereinheit 7 umfaßt eine Impulserzeugungsschaltung, die ihrerseits
den Oszillator 72 zum Erzeugen von Impulsen mit einer vorbestimmten Frequenz, den
Teiler 74 zum Teilen der Frequenz und die Torschaltung 76 sowie eine erste und zweite
Flip-Flop-Schaltung 78 und 80 umfaßt.
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Das Signal SP zum Steuern der Abfrageschaltung 32 der Fluidströmungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit
3 und das Signal SR' zum Steuern des Synchrongleichrichters 34 werden mittels des
Teilers 74 mit einer vorbestimmten zeitlichen Beziehung zwischen ihnen erzeugt,
wie unter Bezugnahme auf Fig. 4 ausgeführt, und diese Signale werden durch die Torschaltung
76 zur Abfrageschaltung 32 und zum Synchrongleichrichter 34 übertragen. Die erste
und zweite Flip-Flop-Schaltung 78 und 80 erhalten abwechselnd ein Setzsignal mit
einem festen Zeitintervall durch den Teiler 74 und die Torschaltung 76 in Ubereinstimmung
mit einem ersten und zweiten Schalter S1a und 52a Die Flip-Flop-Schaltungen 78 und
80 erhalten ein Uberschreitungssignal von einer Bezugswertüberschreitungs-Detektorschaltung
6-2, das nachstehend als Rücksetzsignal bezeichnet wird. Infolgedessen erhält der
erste oder zweite Schalter S1a oder 51b ein Signal von der entsprechenden Flip-Flop-
Schaltung,
um nur während der Zeitdauer vom Empfang des Setzsignals zum Empfang des Rücksetzsignals
geschlossen zu werden.
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In der Erregerstrom-Erzeugungseinheit 6 ist ein Ende P der Erregungsspule
5 zu zwei Leitungswegen verzweigt.
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Der erste und zweite Schalter S1a und S1b, die normalerweise offen
und in ihrem betätigten Zustand während einer kurzen Zeit geschlossen sind, sind
über einen ersten bzw.
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zweiten Kondensator Ca bzw. Cb mit Masse verbunden. Die Verbindungsstelle
des ersten Schalters S1a mit dem Konden-1a sator Ca und des zweiten Schalters S
mit dem Kondensator Cb ist jeweils über einen ersten bzw. zweiten Widerstand Ra
bzw. Rb von hohem Widerstandswert und eine erste bzw.
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zweite Gleichstromquelle Eoa bzw. Eob, die ihrerseits, gesehen von
der Erregerspule 5 mit entgegengesetzter Polarität miteinander verbunden sind, mit
Masse verbunden. Die Schalter S1a und S werden durch die Signale von den Flip-Flop-Schaltungen
der Steuereinheit 7 in der Weise gesteuert, daß dieselben intermittierend und abwechselnd
während einer kurzen Zeitdauer geschlossen werden. Im vorliegenden Fall sind der
erste und zweite Schalter in der praktischen Ausführung als elektronische Schalter
aufgebaut. Um den Stromstoß, der durch die Erregungsspule 5 verursacht worden ist,
sofort nach dem öffnen des ersten und zweiten Schalters Sra und S zum zweiten bzw.
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ersten Kondensator Cb bzw. Ca zurückzuführen, ist eine erste und zweite
Diode Da und Db parallel zum ersten bzw.
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zweiten Schalter S1a bzw. S geschaltet, und zwar so, daß sie jeweils
entgegengesetzte Polarität zur ersten bzw. zweiten Gleichstromquelle Eoa bzw. Eob
hat. Das andere Ende Q der Erregungsspule ist über einen Widerstand Rs mit Masse
verbunden.
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Bei dieser Schaltung ändert sich das Potential am anderen
Ende
Q der Erregungsspule 5 proportional zum Erregungsstrom.
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In der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform wird das Potential an
der Stelle Q einem Absolutgleichrichter AR1 zugeführt, der es in ein positives Potential
umwandelt, das seinem Absolutwert unabhängig von seiner Polarität proportional ist.
Das Ausgangssignal des Gleichrichters wird dem Minus-Eingangsanschluß eines Komparators
CP zugeführt. Dem Plus-Eingangsanschluß dieses Komparators CP wird von einer Bezugsspannungsquelle
E eine feste Bec zugsspannung relativ zum Massepotential zugeführt. Der Komparator
CP erzeugt ein Ausgangssignal, wenn das Eingangssignal am Minus-Eingangsanschluß
das Eingangssignal am Plus-Eingangsanschluß überschreitet. Jedesmal, wenn die Flip-Flop-Schaltungen
der Steuereinheit 7 dieses Ausgangssignal vom Komparator CP erhalten, steuert dieses
den ersten oder zweiten Schalter S1a oder S1b so, daß der Schalter, wenn er geschlossen
ist, sofort öffnet. Der Absolutgleichrichter AR1, der Komparator CP und die Bezugsspannungsquelle
Ec bilden eine Bezugswertüberschreitungs-Detektorschaltung 6-2, die ermittelt, ob
der Erregungsstrom die Bezugsspannung überschreitet.
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In Fig. 11 können die erste und zweite Gleichstromquelle Eoa und Eob,
deren Verbindungsstelle an Masse gelegt ist, und die Widerstände R a die und Rb,
die einen hohen Widerstandswert besitzen, durch eine einzige Gleichstromquelle E
und einen einzigen Widerstand R mit hohem Widerstandswert ersetzt werden, um die
gleichen Vorteile zu erhalten, wie sie die Schaltung nach Fig. 11 hat.
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Bei einer solchen Schaltungsanordnung nimmt, hauptsächlich aufgrund
der Induktanz der Erregungsspule 5, der Absolutwert des Erregungsstroms von Null
über einen gegebenen
Verlauf zu und über einen gegebenen Verlauf
nach Null zu ab, wenn der erste oder zweite Schalter S1a oder S1b geschlossen oder
geöffnet wird, wie in Fig. 12 gezeigt ist, in der die Wellenformen in einer gedehnten
Zeitskala dargestellt sind. Der Absolutwert des Erregungsstroms ist in dem Augenblick,
in dem der Schalter S1a oder S1b geöffnet wird, auf einem Maximum, und er ist in
jedem Zyklus mit Bezug auf die Spannung der Bezugsspannungsquelle Ec festgelegt.
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Die Bezugswertüberschreitungs-Detektorschaltung 6-2 in Fig. 11 kann
durch die in Fig. 13 gezeigte Schaltungsanordnung ersetzt werden. In der Schaltung
nach Fig. 13 wird dadurch, daß eine Schmitt-Trigger-Schaltung Sch vorgesehen ist,
eine rechteckige Wellenform erzeugt, deren Polarität jedesmal umgekehrt wird, wenn
der Erregungsstrom einen konstanten Wert überschreitet, der durch die Widerstände
rl und r2 bestimmt ist. Diese rechteckige Wellenform wird durch eine Differentialschaltung
DIF weiterverarbeitet, die einen Impuls liefert, dessen Polarität jedesmal wechselt,
wenn die Polarität der rechteckigen Wellenform wechselt. Der jeweils gebildete Impuls
wird von dem Absolutwert-Gleichrichter AR2 verarbeitet, so daß ein Ausgangssignal
erzeugt wird, das dem Ausgangssignal vom Komparator CP in der in Fig. 11 gezeigten
Schaltung entspricht. Das so gebildete Ausgangssignal wird den Flip-Flop-Schaltungen
der Steuereinheit 7 zugeführt.
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Gemäß der Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6, wie sie in Fig. 11 oder
13 gezeigt ist, in denen die Einheit 6 der Fig. 3 abgewandelt ist, ist der Maximalwert
des Erregungsstroms selbst dann unveränderlich, wenn sich die Spannung der ersten
oder zweiten Gleichstromquelle Eoa oder Eob ändert. Infolgedessen kann eine Verminderung
der Meßgenauigkeit aufgrund von Spannungsänderungen vermieden werden,
ohne
daß man eine stabilisierte Gleichstromquelle verwendet, wodurch die oben erwähnte
Schwierigkeit ausgeschaltet wird.
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Kurz zusammengefaßt wird mit der Erfindung ein elektromagnetischer
Strömungsmesser mit geringem Strom- bzw. Leistungsbedarf zur Verfügung gestellt,
in dem ein momentaner pulsierender Strom mit sich abwechselnd ändernder Polarität
in gegebenen Intervallen einer Erregungsspule zugeführt wird, und eine Geschwindigkeit
einer Fluidströmung wird berechnet, indem eine Spannung verwendet wird, die zwischen
Elektroden gemäß einem Restmagnetfluß eines Magnetkreises erzeugt wird und einer
Strömungsgeschwindigkeit des Fluids,wenn kein Erregungsstrom fließt.
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Ende der Beschreibung.