DE3029791C3 - Elektromagnetischer Strömungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Strömungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In magnetischen Strömungsmessern ist zwar die Verwendung ei­ nes Permanentmagneten zum Ausbilden des magnetischen Kreises ideal, wenn man nur auf die Verminderung des Leistungs- bzw. Strombedarfs achtet. Jedoch wird ein solcher Permanentmagnet aus verschiedenen Gründen selten verwendet, weil die Span­ nungspolaritäten der beiden Elektroden unveränderlich sind und eine Kontaktspannung sowie eine polarisierte Spannung durch eine elektrochemische Wirkung erzeugt werden, so daß infolgedessen eine große Nullpunktsverschiebung oder -drift hervorgerufen wird.

Diese Schwierigkeit wird dadurch überwunden, daß man einen elektromagnetischen Strömungsmesser verwendet, dessen magne­ tischer Kreis mittels Wechselstrom erregt wird. Diese Maß­ nahme wird jedoch von einem 90°-Rauschen begleitet. Die Sum­ mierung desselben mit dem in üblicher Weise auftretenden Rauschen ergibt nicht notwendigerweise einen Phasenunter­ schied von 90°. Daher ist es schwierig, den Nullpunkt während des Verlaufs der Fluidströmung zu überprüfen.

Wenn ein magnetischer Kreis verwendet wird, der mittels eines Rechteckwellenstroms mit sich abwechselnd ändernden Polari­ täten magnetisch erregt wird, dann tritt die Schwierigkeit, die sich im Falle der Verwendung eines Permanentmagneten er­ gibt, nicht auf, und der Betrag der Nullpunktsverschiebung während der Strömung des Fluids läßt sich aus dem Mittel der­ jenigen Werte erhalten, die sich ergeben, wenn keine Fluß­ änderung mit Bezug auf beide Stromrichtungen vorhanden ist. Daher kann sie durch Benutzung der er­ haltenen Nullpunkts­ drift korrigiert werden. Jedoch erfordert es diese Maßnahme, daß der Erregungsstrom konstant fließt. Das Ergebnis ist ein großer Leistungs- bzw. Stromverbrauch.

Die vorerwähnten Strömungsmesser nach dem Stande der Technik sind in den US-Patentschriften 37 83 687, 38 02 262, 38 94 430, 40 10 644 und 37 77 561 beschrieben.

Aus der vorgenannten US-PS 37 83 687 ist ein elektromagnetischer Strömungsmesser der eingangs genannten Art bekannt, wie auch aus der DE-AS 27 44 845, wobei jedoch bei dem Strömungsmesser nach der zuletzt genannten Druckschrift im Gegensatz zu dem Strömungsmesser nach der US-PS 37 83 687 kein ferromagnetisches Material in dem magnetischen Kreis enthalten ist. Im einzelnen erfolgt bei dem Strömungsmesser nach der DE-AS 27 44 845 eine Kompensation der elektrochemischen Störgleichspannung bei der magnetisch-induktiven Durchflußmessung mit periodisch umgepoltem magnetischem Gleichfeld, indem das Nutzsignal dadurch erzeugt wird, daß die Signalspannung jeweils bei den einander gleichen, gegenpoligen Werten des Magnetfeldes abgetastet und gespeichert und die Differenz der gespeicherten Abtastwerte gebildet wird. Die beiden Teilperioden des Magnetfeldes sind jeweils durch eine Magnetfeldpause von­ einander getrennt, in der jeweils zu einem gleichen Zeitab­ stand vor der nächsten Abtastung der Signalspannung während eines Kompensationszeitintervalls eine der Signalspannung entgegengesetzte Kompensationsspannung erzeugt wird, welche die Signalspannung innerhalb dieses Kompensationszeitinter­ valls auf den Wert Null kompensiert und bis zum nächsten Kom­ pensationszeitintervall beibehalten wird. Hierzu wird der magnetische Kreis mittels eines Rechteckwellenstroms mit sich abwechselnd ändernden Polaritäten erregt. Das hat zwar den Vorteil, daß sich der Betrag der Nullverschiebung während der Strömung des Fluids aus dem Mittel derjenigen Werte er­ halten läßt, die sich ergeben, wenn keine Flußänderung mit Bezug auf beide Stromrichtungen vorhanden ist, so daß sie daher durch Benutzung der erhaltenen Nullpunktsdrift korri­ giert werden kann. Jedoch hat dieser Aufbau des magnetischen Kreises den Nachteil, daß der Erregungsstrom verhältnismäßig lange fließt, so daß sich ein großer Leistungs- bzw. Strom­ verbrauch ergibt. Insoweit gehört der elektromagnetische Strömungsmesser nach der DE-AS 27 44 845 zu der Gruppe von Strömungsmessern, wie sie in den obengenannten US-Patent­ schriften und auch in der US-PS 39 55 413 beschrieben sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektromagnetischen Strömungsmesser der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er einen geringen Leistungs- bzw. Stromverbrauch hat und zugleich eine geringe Nullpunktsverschiebung oder -drift auf­ weist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß die Strömungsmessung aufgrund des Restmagnet­ flusses im erregungsstromlosen Zustand des magnetischen Krei­ ses erfolgt, brauchen nur kurzzeitige Erregungsstrom­ impulse verwendet zu werden, wodurch sich ein geringer Lei­ stungs- bzw. Strombedarf ergibt. Aufgrund der alternieren­ den Änderung der Polarität des Erregungsstroms wird in dem magnetischen Kreis ein Rechteckwellen-Magnetfluß mit sich abwechselnd ändernden Polaritäten erzeugt, der während einer kurzen Zeitdauer in jedem Zyklus fortdauert, jedoch inter­ mittierend ist, so daß auf diese Weise gleichzeitig der Vor­ teil einer geringen Nullpunktsverschiebung oder -drift des elektromagnetischen Strömungsmessers sichergestellt wird.

Zwar sind aus der DE-OS 23 26 116, den deutschen Auslegeschriften 16 23 951, 20 40 682 und der DE-OS 27 56 873 sowie aus der britischen Patentschrift 10 40 025 und ferner aus den US-Patentschriften 33 16 762, 37 83 687, 38 94 430, 39 81 190 und 40 65 965 sowie 42 14 477 magnetisch-induktive Strömungsmesser bekannt, deren Magnetkreis mindestens teilweise ferromagnetische Materialien enthält und in denen ein Restmagnetfluß auftritt, jedoch wird selbst bei gepulstem Magnetfeld in keinem dieser seit langem bekannten Strömungsmesser der Restmagnetfluß dazu ausgenutzt, die Fluidströmungsgeschwindigkeit im erregungsstromlosen Zustand des magnetischen Kreises aufgrund des Restmagnetflusses zu ermitteln, so daß auch diese Strömungsmesser einen relativ großen Leistungs- bzw. Stromverbrauch haben.

Eine erste Weiterbildung des elektromagnetischen Strömungs­ messers nach der Erfindung mißt die Fluidströmungsgeschwin­ digkeit gleichbleibend stabil und frei von einem Fehler, der von einer Änderung der Umgebungstemperatur herrührt, und ei­ ne zweite Weiterbildung ist gegenüber einer Änderung der Stromquellenspannung unempfindlich.

Die Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung sei nachfolgend anhand einiger in den Fig. 1 bis 13 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders be­ vorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektro­ magnetischen Strömungsmessers näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausfüh­ rungsform eines elektromagnetischen Strömungsmessers nach der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwi­ schen einem magnetischen Feld und einem magnetischen Fluß repräsentiert;

Fig. 3 ein Schaltbild der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 Wellenformen, die zur Erläuterung der Betriebsweise der Schaltungsanordnung der ersten Ausführungsform dienen;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausfüh­ rungsform eines elektromagnetischen Strömungsmes­ sers nach der Erfindung;

Fig. 6 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwi­ schen einem magnetischen Feld und einem magneti­ schen Fluß in Verbindung mit der zweiten Ausfüh­ rungsform veranschaulicht;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht einer Abwandlung der zwei­ ten Ausführungsform;

Fig. 8 eine Längsschnittansicht längs der Linie VIII-VIII in Fig. 7;

Fig. 9 eine Querschnittsansicht einer weiteren Abwandlung der zweiten Ausführungsform;

Fig. 10 eine Längsschnittansicht längs der Linie X-X in Fig. 9;

Fig. 11 einen Schaltungsaufbau einer dritten Ausführungs­ form eines elektromagnetischen Strömungsmessers nach der Erfindung, worin die Elektroden und die Fluid­ strömungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit weg­ gelassen sind, da diese die gleichen wie in der er­ sten Ausführungsform sind;

Fig. 12 eine Kurvendarstellung des Erregungsstroms in der dritten Ausführungsform; und

Fig. 13 einen teilweise abgewandelten Schaltungsaufbau der Fig. 11.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform in einer Quer­ schnittsansicht senkrecht zur Strömungsrichtung eines Fluids schematisch dargestellt. Eine Leitung 1 für ein Fluid, die aus nichtmagnetischem und nichtleitfähigem Material herge­ stellt ist, hat auf ihren inneren Wänden zwei Elektroden 2a und 2b, 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-Berechnungs­ einheit 3 zum Berechnen der Geschwindigkeit der Fluidströmung verbunden. Diese Fluidströmungsgeschwindigkeit wird unter Verwendung einer Spannung zwischen den beiden Elektroden 2a und 2b berechnet, die der Fluidströmungsgeschwindigkeits- Berechnungseinheit 3 über elektrische Leiter zugeführt wird, welche jeweils was­ serdicht durch die Seitenwände der Leitung 1 hindurchgeführt sind.

Ein magnetischer Kreis 4 mit Magnetpolen 4a und 4b, zwischen denen die Leitung 1 angeordnet 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.

Ein bevorzugtes Material des magnetischen Kreises 4 hat eine leicht magnetisierbare Charakteristik mit einer hohen rela­ tiven Permeabilität, jedoch mit einer relativ hohen Koerzi­ tivkraft. In dem Ausführungsbeispiel wird gewöhnlich Stahl verwendet.

Die Magnetpole 4a und 4b haben jeweils Erregungsspulen 5a und 5b, die zur Erregung des magnetischen Kreises 4 um die Magnetpole 4a, 4b herumgewickelt sind. Die Erregungsspulen 5a und 5b haben je einen großen Durchmesser, wobei der Ge­ samtwiderstand klein ist.

Beide Erregungsspulen 5a und 5b sind in Reihe geschaltet und an eine Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6 angekoppelt, die ihnen einen Erregungsstrom zuführt, der intermittierend und augenblicklich (für eine kurze Zeit) fließt, und dessen Strom­ richtung sich abwechselnd entgegengesetzt ändert.

Wenn der Erregungsstrom magnetische Felder +Hp und -Hp er­ zeugt, die im magnetischen Kreis 4 aufgebaut werden, dann verändert sich die magnetische Flußdichte 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 O und sinkt auf einen Punkt P oder P′ in der Fig. 2 ab, weil der magnetische Leitwert zwischen den Magnetpolen 4a und 4b klein ist. Unter dieser Bedingung wird die magnetische Fluß­ dichte B durch Linienabschnitte und in der Fig. 2 wiedergegeben.

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 eng zu machen, so daß man dadurch einen großen magnetischen Leitwert erhält.

Die Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6 und die Fluidströmungs­ geschwindigkeits-Berechnungseinheit 3 sprechen beide auf Im­ pulse 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 arbeitet.

Die Steuereinheit 7 besteht aus einem Oszillator 72 zum Er­ zeugen eines Signals mit einer vorgegebenen Frequenz, einem Frequenzteiler 74 zum Teilen der Frequenz und einer Tor­ schaltung 76. Signale PS₁ und PS₂ zum Steuern von Schaltern S₁ und S₂, die unten beschrieben sind, ein Signal SP zum Steu­ ern 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 Frequenzteilers 74 erzeugt. Diese Signale werden durch die Torschaltung 76 übertragen.

Im einzelnen umfaßt die Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6, die wie die Schaltung in der oberen Hälfte der Fig. 3 aus­ gebildet sein kann, einen festen Widerstand r, der einen viel größeren Widerstandswert hat, als es derjenige der Erregungs­ spulen 5a und 5b ist, und der in Reihe in eine Reihenschal­ tung der Erregungsspulen 5a und 5b eingefügt ist, damit im wesentlichen ein nachteiliger Einfluß durch eine temperatur­ bedingte Änderung des Kupferwiderstandswerts der Erregungs­ spulen 5a und 5b ausgeschaltet wird. Weiterhin ist eine Rei­ henschaltung vorgesehen, die einen Kondensator C und einen normalerweise offenen Schalter S₁ mit einer kurzen Schließ­ zeit umfaßt. Beide Enden der Reihenschaltung sind zwischen beiden Enden der anderen Reihenschaltung geschaltet, welche die Erregungsspulen 5a und 5b und den festen Widerstand r umfaßt, und zwar über einen die Polarität umkehrenden Schal­ ter S₂. Der Kondensator C ist parallel zu einer weiteren Rei­ henschaltung geschaltet, die einen Widerstand R mit einem hohen Widerstandswert und eine stabilisierte Gleichstromquel­ le Eo umfaßt. In der praktischen Ausführung können der Schal­ ter S₁, dessen Schließdauer eine kurze Zeitdauer beträgt, und der die Polarität umkehrende Schalter S₂ durch elektro­ nische Schaltungen gebildet sein, die äquivalente Funktionen haben und von periodischen Impulsen als Signale PS₁ und PS₂ gesteuert werden, die von der Steuereinheit 7 erzeugt wer­ den. Die Betriebszustände dieser Schalter S₁ und S₂ sind in den Fig. 4(A) und 4(B) dargestellt, in denen die Abszissen die Zeit repräsentieren, während die Ordinaten die Betriebs­ zustände der Schalter S₁ und S₂ repräsentieren. Wie darge­ stellt, wird die polaritätsmäßige Verbindung, die durch den Schalter S₂ hergestellt wird, periodisch umgekehrt, und der kurzzeitig geschlossene Schalter S₁ wird während einer sehr kurzen Zeit in der Mitte jeder Periode gleich­ bleibender Polarität geschlossen und dann sofort geöffnet.

Aufgrund dieses Schaltbetriebs 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 Kur­ vendarstellung der Fig. 2 sieht, daß ein magnetischer Restfluß in den Magnetspulen 4a und 4b erzeugt wird, des­ sen Wellenform eine im wesentlichen feste Amplitude hat, die auf eine scharfe Wellenform bzw. eine Spitze dersel­ ben folgt, wie in Fig. 4(D) gezeigt ist.

In dem Fall, in dem beispielsweise die Strömungsgeschwin­ digkeit des Fluids in der Leitung 1 allmählich abnimmt, ändert sich die zwischen den Elektroden 2a und 2b erzeug­ te Spannung im Verhältnis zu dem Produkt des magnetischen Flusses der Fig. 4(D) und der Strömungsgeschwindigkeit, wie in Fig. 4(E) gezeigt ist.

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 Verstär­ ker A₁ verstärkt und an die Abfrageschaltung 32 ange­ legt. Die Abfrageschaltung 32 erhält Abfrageimpulse als Si­ gnale SP, wie in Fig. 4(F) gezeigt, und diese Abfrageimpulse haben eine solche Wechselbeziehung zu den als Impulse vor­ liegenden Signalen PS₁ und PS₂ bzw. stehen in solcher zeitli­ chen Beziehung zu letzteren Impulsen, daß der Teil der Wellenform der Fig. 4(E), in dem der Restmagnetismus be­ reits stabil ist, abgefragt werden kann, daß aber der Teil der Wellenform der Fig. 4(E), in dem sich der Rest­ magnetismus scharf ändert, nicht abgefragt werden kann. Aufgrund dieser Abfrageimpulse erzeugt die Abfrageschal­ tung 32 aus dem Ausgangssignal des ersten Verstärkers A₁ ein Ausgangssignal So, das in Fig. 4(G) dargestellt ist, dessen Wellenform unterschiedliche Amplituden und ab­ wechselnd sich ändernde Polarität hat. Das Ausgangssignal von der Abfrageschaltung 32 wird mittels eines zweiten Verstärkers A₂ verstärkt und mittels des Synchrongleich­ richters 34 synchron gleichgerichtet, so daß man inter­ mittierende Ausgangssignale erhält, die sich proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ändern, wie durch die Ausgangssignale SR der Fig. 4(H) angedeutet ist. Diese intermittierenden Ausgangssignale SR mit einer festen Pola­ rität 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 Strö­ mungsgeschwindigkeit an ein Meß- bzw. Anzeigeinstrument 38 ab. In den Fig. 4(D), 4(E), 4(G) und 4(H) sind in gestrichel­ ten Linien die Änderungstendenzen der oberen und unteren Grenzwerte angedeutet.

Mit dem obigen Aufbau ist es durch geeignete Auswahl der Frequenz des Erregungsstroms, die durch die Ausgangsim­ pulse von der Steuereinheit 7 bestimmt wird, möglich, die Nullverschiebung, die sich aufgrund einer elektro­ chemischen Reaktion an den Elektroden 2a und 2b ergibt, wenn kein Erregungsstrom fließt, auf einen praktisch zu­ lässigen 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.

In dem elektromagnetischen Strömungsmesser nach der er­ sten Ausführungsform ist die Dauer des Fließens des Erregungs­ stroms eine sehr kurze Zeitdauer, so daß der Leistungsver­ brauch außerordentlich klein ist, wodurch das obenerwähnte Ziel erreicht wird.

Da die Polarität der Spannung zwischen den Elektroden 2a und 2b in jedem Zyklus umgekehrt wird, ist nicht zu be­ fürchten, 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 prakti­ schen Gesichtspunkten heraus vernachlässigbar ist. Daher ist es leicht, den Nullpunkt selbst dann zu kontrollieren, wenn das Fluid fließt.

Der Einfluß einer Änderung des Widerstandswertes der Erre­ gungsspule bzw. -spulen, der durch eine Änderung der Um­ gebungstemperatur verursacht wird, auf die Größe des ma­ gnetischen Restflusses kann so weit vermindert werden, daß er außerordentlich klein ist, und zwar dadurch, daß die Erregungsspule bzw. -spulen in Reihe mit einem Tem­ peraturkompensationswiderstand geschaltet werden, der einen kleinen Widerstands-Temperaturkoeffizienten, jedoch einen großen Widerstandswert hat. Wenn jedoch das Mate­ rial, das den magnetischen Kreis bildet, nicht angemessen ausgewählt worden ist, ändert sich der magnetische Rest­ fluß aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur selbst dann, wenn eine Einrichtung verwendet wird, die den Erre­ gungsstrom konstant hält. Das führt zu einem Fehler in der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit.

Die zweite Ausführungsform nach Fig. 5 dient dazu, die vorerwähnte Schwierigkeit des elektroma­ gnetischen Strömungsmessers vom intermittierenden, d. h. kurze Zeit, invertierenden und erregenden Typ zu über­ winden. In dieser Ausführungsform besteht der magnetische Kreis aus einem Joch, das aus einem Material hoher relativer Permea­ bilität mit niedrigem magnetischem Restfluß hergestellt ist, und ein magnetisches Teil aus Permanentmagnetmaterial ist in Reihe mit diesem Joch verbunden.

Die Fig. 5 zeigt ein schematisches Diagramm der zweiten Ausführungsform, wobei die gezeigte Querschnittsansicht senk­ recht 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, verwen­ det. Die Leitung 1 für ein Strömungsmittel, die nichtmagne­ tisch und nichtleitend ist, hat zwei Elektroden 2a und 2b, die einander gegenüberliegend angeordnet sind und zwischen denen wenigstens ein Teil des Flusses des Fluids direkt ver­ läuft und die zum Inneren der Leitung 1 hin frei liegen. Die Elektroden 2a und 2b sind über elektrische Leiter, die was­ serdicht durch die Wände der Leitung 1 hindurchgehen, mit der Fluidströmungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 3 ver­ bunden, welche die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids berech­ net.

Joche 4c und 4d, die Magnetpole 4a und 4b haben, zwischen denen die Leitung 1 verläuft, sind aus einem Material ho­ her relativer 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, bei­ spielsweise ein Gußstück aus Alnico, dessen Koerzitivkraft nicht so groß ist, dessen magnetischer Fluß steil ansteigt und dessen magnetische Sättigung rapid erfolgt; auf diese Wei­ se wird ein einziger magnetischer Kreis 4 gebildet.

Die Erregungswicklung 5 zum Erregen des magnetischen Krei­ ses 4, deren Durchmesser groß und deren Gesamtwiderstands­ wert 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-Erzeugungsein­ heit 6 verbunden, die gleichartig wie diejenige ist, wel­ che in Fig. 3 gezeigt ist.

Die Beziehung, die sich zwischen dem Magnetfeld und der Flußdichte ergibt, wenn das Permanentmagnetmaterial, wel­ ches das magentische Teil 8 bildet, im magnetischen Feld angeordnet wird, das sich reziprok mit einer genügend gro­ ßen Breite ändert, ist in diesem Beispiel durch eine kon­ tinuierliche Linie in Fig. 6 dargestellt.

In dem magnetischen Kreis 4 der Ausführungsform der Fig. 5 beträgt die relative Permeabilität der Joche 4c und 4d das 8000- bis 12 000fache derjenigen des Spalts zwischen den Magnet­ polen 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 magneti­ schen 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 magneti­ schen Leitwertkoeffizienten Pm des magnetischen Teils 8 ist und sich unter Verwendung der Beziehung Pm = Pg × lm/Sm er­ gibt, worin lm und Sm die Länge bzw. die Querschnittsflä­ che des magnetischen Teils 8 sind. Der magnetische Leit­ wert zwischen den Magnetpolen 4a und 4b wird geometrisch bestimmt, und infolgedessen ist die Beziehung der Fluß­ dichte des ma­ gnetischen Teils 8 zu dem davon bewirkten Magnetfeld festgelegt und kann durch die geneigte Linie P-P′ in Fig. 6 ausgedrückt werden.

Wenn die Änderung des magnetischen Feldes H, das durch den Erregungsstrom, der von der Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6 durch die Erregungsspule 5 fließt, erzeugt wird, in dem magetischen Teil 8 in einen Bereich von +h bis -h′ in Fig. 6 fällt, dann ändert sich die Beziehung zwischen dem magne­ tischen Feld H und dem magnetischen Teil 8 längs einer strich­ punktierten 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′, stabil, und der magneti­ sche Restfluß beträgt zu dieser Zeit B oder -B′. Wenn beide Erregungsströme einander gleich sind, gilt B = B′.

Wie man aus der Beziehung Pm = Pg × lm/Sm ersieht, ist 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 ma­ gnetischen Restdichten B und B′ werden größer.

Wie oben beschrieben, wird der magnetische Kreis 4 in der zweiten Ausführungsform des magnetischen Strömungsmessers durch Reihenkopplung der Joche 4c und 4d, die aus einem Ma­ terial hoher relativer Permeabilität mit hohem magnetischen Restfluß hergestellt sind, mit dem Teil 8 aus Permanentmagnet aufge­ baut. Demgemäß wird der Einfluß der Temperaturänderung auf den magnetischen Restfluß nur durch das magnetische Teil 8 bestimmt. Im Falle der Auswahl von permanentmagnetischem Ma­ terial für das magnetische Teil 8 ist die Änderung der Rest­ flußdichte außerordentlich klein, beispielsweise -(0,06 bis 0,02)%/°C. Daher ist die Änderung des magnetischen Flusses in dem Spalt zwischen den Magnetpolen 4a und 4b klein. Infol­ gedessen wird die Schwierigkeit der ersten Ausführungsform, die darin besteht, daß eine Änderung der Umgebungstemperatur einen Fehler in der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit be­ wirkt, ausgeschaltet.

Die Ausführungsform der Fig. 5, in der ein einziger magneti­ scher Kreis 4 vorhanden ist, in den ein einziges permanentma­ gnetisches Teil 8 eingefügt ist, kann beispielsweise durch einen solchen Aufbau abgewandelt werden, bei dem zwei ma­ gnetische Kreise vorgesehen sind, wobei in jedem dieser bei­ den magnetischen Kreise ein jeweiliges permanentmagnetisches Teil eingefügt ist, und wobei die beiden magnetischen Krei­ se symmetrisch zu einer mittig angeordneten Leitung ange­ ordnet sind, und zwar in der Form einer Acht.

Eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform, wie sie vor­ stehend erwähnt wurde, ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt, die diese Abwandlung in einer Querschnitts- und einer Längs­ schnittansicht zeigen. Wie man sieht, ist der Spalt zwischen den Magnetpolen 4a und 4b eng gemacht, indem der Querschnitt des Fluidabschnitts der Leitung 1 teilweise abgeflacht 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 Erregungs­ spulen 5a, 5b vorgesehen. Das gesamte Joch besteht aus Jochen 4c und 4d, die zwischen den Magnetpolen 4a und 4b einerseits und den einen Enden der magnetischen Teile 8a und 8b anderer­ seits angeordnet sind, sowie aus einem Joch 4e, das zwischen den anderen Enden der magnetischen Teile 8a und 8b vorgesehen ist. Die Joche 4c, 4d und 4e wie auch die Leitungsdrähte der Erregungsspulen 5a und 5b und die Elektroden 2a und 2b werden, wenn die Leitung 1 mittels Kunststoff aus nichtmagnetischem und isolierendem Material geformt, gepreßt oder gegossen wird, gleichzeitig mittels eines Einlageform- oder -preß- oder -gießverfahrens an Ort und Stelle gehalten. Auf der oberen Seite der Leitung 1 wird eine einzige Signalverarbeitungs­ einheit 9 vorgesehen, die die Eregungsstrom-Erzeugungsein­ heit 6, welche mit den Erregungsspulen 5a und 5b verbunden ist, die Fluidströmungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 3, die mit den Elektroden 2a und 2b verbunden ist, eine Batte­ rie und einen Oszillator integral umfaßt.

Die Leitung 1 ist an beiden Enden dicht in ein aus Metall bestehendes Kopplungsteil 10 eingeschraubt und mittels des Außengewindes der Kopplungsteile 10 an die zugehörige Rohr­ leitung angekoppelt. Die Leitung 1 hat eine Zugfestigkeit, die genügend groß ist, daß sie einer Streckung in der Längs­ richtung widersteht, wenn sie installiert wird oder ist.

In dieser Abwandlung kann, wie obenerwähnt, der magneti­ sche 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 Ko­ stenverminderung.

Die erste und zweite Ausführungsform sind in einer solchen Anordnung als elektromagnetische Strömungsmesser anwendbar, in der die Elektroden 2a und 2b und die Magnetpole 4a und 4b symmetrisch bezüglich des Querschnitts der Leitung 1, horizontal gesehen, angeordnet sind, außer einer asymme­ trischen Anordnung, vertikal gesehen. Eine solche asymme­ trische Anordnung ist in Fig. 9 im Querschnitt und in Fig. 10 im Längsschnitt dargestellt.

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 Erre­ gungsstrom-Erzeugungseinheit 6 keine stabilisierte Gleich­ stromquelle verwendet wird, der Spitzenwert des Erre­ gungsstroms (Fig. 4(D)) und infolgedessen der Mittelwert (Fig. 4(I)) aufgrund einer Änderung der Spannung unabhän­ gig von einer tatsächlichen augenblicklichen Strömungsge­ schwindigkeit des Fluids variiert.

Mit einer nachstehend beschriebenen dritten Ausführungs­ form wird die eben erwähnte Schwierigkeit in einem elektromagnetischen Strömungsmesser des inter­ mittierend, invertierend und augenblicklich (kurzzeitig) erregendes Typs überwunden. In dieser Ausführungsform wird im Vorgang des augenblicklichen Anstiegs des Erre­ gungsstroms in jedem Zyklus, wenn der absolute Wert des Erregungsstroms einen festgelegten Wert überschreitet, dieser sofort auf Null herabgesetzt.

Die Fig. 11, die sich auf die dritte Ausführungsform be­ zieht, zeigt die Schaltung der Erregungsstrom-Erzeugungs­ einheit 6 zusammen mit der Steuereinheit 7 und der Erre­ gungsspule 5.

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 als Ausgangssignale vorhandenen Signale SP und SR′ der Steuereinheit 7 an die Abfrageschaltung 32 bzw. den Synchrongleichrichter 34 gegeben.

Die Steuereinheit 7 umfaßt eine Impulserzeugungs­ schaltung, die ihrerseits den Oszillator 72 zum Erzeugen von Impulsen mit einer vorbestimmten Frequenz, den Frequenzteiler 74 und die Torschaltung 76 sowie eine erste und zweite Flip-Flop- Schaltung 78 und 80 umfaßt. Das Signal SP zum Steuern der Abfrageschaltung 32 der Fluidströmungsgeschwindigkeits-Be­ rechnungseinheit 3 und das Signal SR′ zum Steuern des Syn­ chrongleichrichters 34 werden mittels des Frequenzteilers 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 Ab­ frageschaltung 32 und zum Synchrongleichrichter 34 übertra­ gen. Die erste und zweite Flip-Flop-Schaltung 78 und 80 er­ halten abwechselnd ein Setzsignal mit einem festen Zeitinter­ vall durch den Frequenzteiler 74 und die Torschaltung 76 in Übereinstimmung mit einem ersten und zweiten Schalter S_{1 a} und S_{1 b}. Die Flip-Flop-Schaltungen 78 und 80 erhalten ein Überschreitungssignal von einer Bezugswertüberschreitungs- Detektorschaltung 6-2, das nachstehend als Rücksetzsignal bezeichnet wird. Infolgedessen erhält der erste oder zweite Schalter S_{1 a} oder S_{1 b} ein Signal von der entsprechenden Flip- Flop-Schaltung, so daß er nur während der Zeitdauer vom Emp­ fang des Setzsignals zum Empfang des Rücksetzsignals geschlos­ sen wird.

In der Erregerstrom-Erzeugungseinheit 6 ist ein Ende P der Erregungsspule 5 zu zwei Leitungswegen verzweigt. Der erste und zweite Schalter S_{1 a} und S_{1 b}, die normaler­ weise offen und in ihrem betätigten Zustand während einer kurzen Zeit geschlossen sind, sind über einen ersten bzw. zweiten Kondensator Ca bzw. Cb mit Masse verbunden. Die Verbindungsstelle des ersten Schalters S_{1 a} mit dem Konden­ sator Ca und des zweiten Schalters S_{1 b} mit dem Kondensator Cb ist jeweils über einen ersten bzw. zweiten Widerstand Ra bzw. Rb von hohem Widerstandswert und eine erste bzw. zweite Gleichstromquelle Eoa bzw. Eob, die ihrerseits, gesehen von der Erregerspule 5, mit entgegengesetzter Pola­ rität miteinander verbunden sind, mit Masse verbunden. Die Schalter S_{1 a} und S_{1 b} werden durch die Signale von den Flip-Flop-Schaltungen der Steuereinheit 7 in der Weise ge­ steuert, daß dieselben intermittierend und abwechselnd während einer kurzen Zeitdauer geschlossen werden. Im vorliegenden Fall sind der erste und zweite Schalter S_{1 a} und S_{1 b} in der praktischen Ausführung als elektronische Schalter aufgebaut. Um den Stromstoß, der durch die Erregungsspule 5 verursacht wird, sofort nach dem Öffnen des ersten und zweiten Schalters S_{1 a} und S_{1 b} zum zweiten bzw. ersten Kon­ densator Cb bzw. Ca zurückzuführen, ist eine erste und zweite Diode Da und Db parallel zum ersten bzw. zweiten Schalter S_{1 a} bzw. S_{1 b} geschaltet, und zwar so, daß sie jeweils ent­ gegengesetzte Polarität zur ersten bzw. zweiten Gleichstrom­ quelle Eoa bzw. Eob hat. Das andere Ende Q der Erregungs­ spule 5 ist über einen Widerstand Rs mit Masse verbunden.

Bei dieser Schaltung ändert sich das Potential am anderen Ende Q der Erregungsspule 5 proportional zum Erregungsstrom.

In der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform wird das Po­ tential 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 zu­ geführt. Dem Plus-Eingangsanschluß dieses Komparators CP wird von einer Bezugsspannungsquelle E_c eine feste Be­ zugsspannung relativ zum Massepotential zugeführt. Der Komparator CP erzeugt ein Ausgangssignal, wenn das Ein­ gangssignal am Minus-Eingangsanschluß das Eingangssignal am Plus-Eingangsanschluß überschreitet. Jedesmal, wenn die Flip-Flop-Schaltungen 78, 80 der Steuereinheit 7 dieses Ausgangssignal vom Komparator CP erhalten, steuert dieses den ersten oder zweiten Schalter S_{1 a} oder S_{1 b} so, daß der Schalter S_{1 a} bzw. S_{1 b}, wenn er geschlossen ist, sofort öff­ net. Der Absolutgleichrichter AR₁, der Komparator CP und die Bezugsspannungsquelle Ec bilden die Bezugswertüberschreitungs- Detektorschaltung 6-2, die ermittelt, ob der Erregungs­ strom die Bezugsspannung überschreitet.

In Fig. 11 können die erste und zweite Gleichstromquelle Eoa und Eob, deren Verbindungsstelle an Masse gelegt ist, und die Widerstände R_a und R_b, die einen hohen Wider­ standswert besitzen, durch eine einzige Gleichstromquelle E und einen einzigen Widerstand R mit hohem Widerstands­ wert ersetzt werden, um die gleichen Vorteile zu erzielen, wie sie die Schaltung nach Fig. 11 hat.

Bei einer solchen Schaltungsanordnung nimmt, hauptsächlich aufgrund der Induktanz der Erregungsspule 5, der Absolut­ wert des Erregungsstroms von Null über einen gegebenen Verlauf zu und über einen gegebenen Verlauf nach Null hin ab, wenn der erste oder zweite Schalter S_{1 a} oder S_{1 b} ge­ schlossen oder geöffnet wird, wie in Fig. 12 gezeigt ist, in der die Wellenformen in einer gedehnten Zeitskala dar­ gestellt sind. Der Absolutwert des Erregungsstroms ist in dem Augenblick, in dem der Schalter S_{1 a} oder S_{1 b} ge­ öffnet wird, auf einem Maximum, und er ist in jedem Zyklus mit Bezug auf die Spannung der Bezugsspannungsquelle Ec festgelegt.

Die Bezugswertüberschreitungs-Detektorschaltung 6-2 in Fig. 11 kann durch die in Fig. 13 gezeigte Schaltungsan­ ordnung ersetzt werden. In der Schaltung nach Fig. 13 wird dadurch, daß eine Schmitt-Trigger-Schaltung Sch vor­ gesehen ist, eine rechteckige Wellenform erzeugt, deren Polarität jedesmal umgekehrt wird, wenn der Erregungs­ strom einen konstanten Wert überschreitet, der durch die Widerstände r1 und r2 bestimmt ist. Diese rechteckige Wel­ lenform wird durch eine Differentialschaltung DIF weiter­ verarbeitet, 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 des Komparators CP in der in Fig. 11 gezeigten Schaltung entspricht. Das so gebildete Ausgangssignal wird den Flip-Flop-Schaltungen der Steuereinheit 7 zugeführt.

Gemäß der Erregungsstrom-Erzeugungseinheit 6, wie sie in Fig. 11 oder 13 gezeigt ist, in denen sie gegenüber der Fig. 3 abgewandelt ist, ist der Maximalwert des Erregungs­ stroms selbst dann unveränderlich, wenn sich die Spannung der ersten oder zweiten Gleichstromquelle Eoa oder Eob ändert. Infolgedessen kann eine Verminderung der Meßge­ nauigkeit aufgrund von Spannungsänderungen vermieden wer­ den, ohne daß man eine stabilisierte Gleichstromquelle ver­ wendet, wodurch die obenerwähnte Schwierigkeit ausgeschal­ tet wird.

Kurz zusammengefaßt wird mit der Erfindung ein elektroma­ gnetischer Strömungsmesser mit geringem Strom- bzw. Lei­ stungsbedarf zur Verfügung gestellt, in dem ein momenta­ ner pulsierender Erregungsstrom mit sich abwechselnd ändern­ der Polarität in gegebenen Intervallen einer Erregungsspule zugeführt wird, und die Geschwindigkeit einer Fluidströmung wird berechnet, indem eine Spannung verwendet wird, die zwi­ schen Elektroden durch einen Restmagnetfluß eines magneti­ schen Kreises aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, wenn kein Erregungsstrom fließt, erzeugt wird.

Claims (8)

1. Elektromagnetischer Strömungsmesser, umfassend: eine Leitung (1) aus nichtmagnetischem und nichtleitfähigem Material, durch die leitfähiges Fluid strömt; ein Paar Elektroden (2a, 2b), die gegenüberliegend auf bzw. in der Leitung (1) senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids und in Kontakt mit dem Fluid vorgesehen sind; einen ferromagnetisches Material enthaltenden Kreis (4) zum Einführen eines magnetischen Flusses in der Richtung, die senkrecht zur Strömungsrichtung und zu einer geraden Linie, welche die Elektroden (2a, 2b) verbindet, ist; eine Erregungsspule (5) zum Erzeugen des in den magnetischen Kreis (4) einzuführenden magnetischen Flusses; eine Erregungsstrom-Erzeugungseinheit (6) zum Erzeugen von der Erregungsspule (5) zuzuführendem Erregungsstrom; und eine Fluidströmungsge­ schwindigkeits-Berechnungseinheit (3) zum Berechnen der Fluidströmungsgeschwindigkeit auf der Basis der zwischen den Elektroden (2a, 2b) aufgrund des magnetischen Flusses und der Fluidströmung erzeugten Spannung; wobei die Polarität des in der Erregungsspule (5) fließenden Erregungsstroms alternierend geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis (4) teilweise oder vollständig aus einem Material aufgebaut ist, das Koerzitivkraft besitzt und die Erregungsspule (5) mit gepulstem Erregungsstrom wechselnder Polarität beaufschlagt wird, so daß in dem magnetischen Kreis (4) ein alternierender Restmagnetismus zwischen den Erregungsstrompulsen vorhanden ist, und daß die Ermittlung der Fluidströmungsgeschwindigkeit mittels der Fluidströmungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit (3) aufgrund des Restmagnetflusses im erregungsstromlosen Zustand des magnetischen Kreises (4) erfolgt.

2. Elektromagnetischer Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magneti­ sche Kreis (4) ein Joch ist, das aus einem Material hoher relativer Permeabilität mit verhältnismäßig hoher Koerzitiv­ kraft hergestellt ist.

3. Elektromagnetischer Strömungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis (4) eine Reihenkopplung bzw. -anordnung aus einem Joch (4c, 4d, 4e), das aus einem Material hoher relativer Permeabilität mit niedrigem magnetischen Restfluß hergestellt ist, und einem magnetischen Teil (8, 8a, 8b), das aus Permanentmagnetmaterial hergestellt ist, umfaßt.

4. Elektromagnetischer Strömungsmesser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt der Leitung (1) wenigstens in der Nähe der Stelle, an der die Elektroden (2a, 2b) vorgesehen sind, im wesentlichen rechteckig ist.

5. Elektromagnetischer Strömungsmesser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt der Leitung (1) wenigstens in der Nähe der Stelle, an der die Elektroden (2a, 2b) vorgesehen sind, im wesentlichen kreisförmig ist.

6. Elektromagnetischer Strömungsmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (1) aus Kunstharzmaterial hergestellt und wenigstens in der Nähe der Stelle der Elektroden (2a, 2b) teilweise ab­ geflacht ist; und daß die Elektroden (2a, 2b), das magneti­ sche Teil (8a, 8b) und die magnetischen Pole (4a, 4b), wel­ che beide den magnetischen Kreis (4) bilden, sowie die Erre­ gungsspule (5) mit dem Kunstharz umpreßt oder umspritzt sind.

7. Elektromagnetischer Strömungsmesser nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des magnetischen Kreises (4) und die Teile der Erregungsspule (5) bezüglich einer geraden Linie, welche die beiden Elektroden (2a, 2b) verbindet, im wesentlichen symmetrisch angeordnet sind.

8. Elektromagnetischer Strömungsmesser nach einem der An­ sprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung des Jochs (4c, 4d, 4e), des magnetischen Teils (8) und der Erregungsspule (5) im wesentlichen symme­ trisch mit Bezug auf eine Halbierungslinie einer geraden Li­ nie ist, welche die Elektroden (2a, 2b) verbindet und durch die Mitte der Leitung (1) hindurchgeht.