DE3037172A1

DE3037172A1 - Automatisches bereichseinstellsystem fuer einen magnetischen durchflussmesser

Info

Publication number: DE3037172A1
Application number: DE19803037172
Authority: DE
Inventors: William R. Hatfield Pa. Freund jun.; John C. Norristown Pa. Grebe jun.
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Emerson Electric Co
Priority date: 1979-10-09
Filing date: 1980-10-01
Publication date: 1981-04-23
Also published as: US4283958A; NL8005484A; JPS5661615A

Description

Automatisches Bereichseinstellsystem für einen magnetischen

Durchflußmesser

Die Erfindung bezieht sich auf ein Signalverarbeitungssystem für einen magnetischen Durchflußmesser und betrifft insbesondere ein System dieser Art, das die innere Genauigkeit des Systems über einem breiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten und insbesondere bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten selbsttätig aufrechterhält»

In einem magnetischen Durchflußmessersystem ist das Ausgangssignal des Durchflußmessers eine Spannung,.die zu der Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflußmenge eines durch den Durchflußmesserkörper strömenden Fluids proportional ist. Dieses Signal hat im allgemeinen einen ziemlich niedrigen Wert und wird durch ein Signalverarbeitungssystem verstärkt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. In bekannten magnetischen Durch-

130017/0618

flußmessersystemen nimmt die Genauigkeit des Signalverarbeitungssystems in Prozent des Durchflusses stark ab, wenn die Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflußmenge unter beispielsweise 10% des Gesamtmeßbereiches sinkt. Zum Kompensieren dieses Effekts enthält das Signalverarbeitungssystem eine manuelle Bereichseinstellung, die dem System gestattet, in einem "normalen" Bereich bei Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 10% des Gesamtmeßbereiches und dem Bereichsendwert und in einem "niedrigen" Bereich für Strömungsgeschwindigkeiten unter 10% zu arbeiten. Diese Anordnung hat eine Anzahl von Nachteilen. Beispielsweise erfordert sie, daß Bedienungspersonal das Ausgangssignal des Systems überwacht und die geeignete Änderung in der Einstellung vornimmt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit die kritische Einstellung erreicht. In ihr wird in beiden Arbeitsbereichen kein ausreichend hoher Grad an Genauigkeit aufrechterhalten. Sie erfordert eine Eichung beider Skalen. Ferner erfordert sie das Umrechnen des angezeigten Ausgangssignals des Systems aus einem Bereich in die Einheiten des anderen Bereiches (z.B. Dividieren durch zehn).

Ziel der Erfindung ist es, ein Signalverarbeitungssystem für einen magnetischen Durchflußmesser zu schaffen, das die Genauigkeit des Ausgangssignals in einem ausgedehnten Bereich automatisch aufrechterhält, ohne daß irgendein Eingriff von außerhalb des System erforderlich ist.

Das System soll so ausgebildet sein, daß es ein Ausgangssignal liefert, welches sich kontinuierlich mit dem durchflußabhängigen Eingangssignal ändert.

Weiter soll das System in der Lage sein, eine größere Genauigkeit in einem ausgedehnten Durchflußbereich aufrechtzuerhalten als bekannte Systeme.

Weitere Ziele und Merkmale werden sich aus der folgenden Beschreibung ergeben.

130017/0618

§037172

Ein automatisches Bereichseinstellsystem für einen magnetischen Durchflußmesser mit einem Körper, der in ein Durchflußsystem geschaltet werden kann, um den Durchfluß eines Fluids zu messen, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem durch den Körper strömenden Fluid, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines durchflußabhängigen Signals in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld, das in dem Fluid erzeugt wird, welches durch das Magnetfeld strömt, mit einer Verstärkeranordnung zum Verstärken des durchflußabhängigen Signals, um ein verstärktes durchflußabhängiges Signal zu erzeugen, und mit weiteren Signalverarbeitungseinrichtungen zum Empfangen des verstärkten durchflußabhängigen Signals und zum Erzeugen eines davon abhängigen Ausgangssignals, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch erste Einrichtungen zum Vergrößern der Verstärkung der Verstärkeranordnung, wenn das durchflußabhängige Signal abnimmt, und durch zweite Einrichtungen zum Erzeugen eines Signals in den weiteren Signalverarbeitungseinrichtungen, welches die Zunahme der Verstärkung angibt.

Dadurch, daß die zweiten Einrichtungen die Größe des Ausgangssignals proportional zu der Zunahme der Verstärkung der Verstärkeranordnung verringern", wird ein Ausgangssignal· erzeugt, das in bezug auf das durchflußabhängige Signal im wesentlichen kontinuierlich ist, während die interne Genauigkeit bewahrt wird.

Vorzugsweise enthalten die ersten Einrichtungen eine Einrichtung zum Abfühlen der Größe des verstärkten durchflußabhängigen Signals und zum Halten der Größe innerhalb eines vorbestimmten Bereiches über einem ausgedehnten Wertebereich des durchflußabhängigen Signals. Außerdem enthält die Verstärkeranordnung vorzugsweise einen Operationsverstärker und die ersten Einrichtungen enthaiten mehrere Widerstände sowie Einrichtungen zum Schalten der Widerstände in den und aus dem Stromkreis des Operationsverstärkers _/Um dessen Verstärkung in

130017/0618

Stufen zu verändern.

Weiter enthalten vorzugsweise die weiteren Signalverarbeitungseinrichtungen eine Einrichtung zum Erzeugen eines frequenzveränderlichen Signals, das von dem verstärkten durchflußabhängigen Signal abhängig ist, und die zweiten Einrichtungen enthalten eine digitale Teilerschaltung, die die Frequenz des frequenzveränderlichen Signals in ganzzahligen Schritten ändert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Schaltbild eines magnetischen Durchflußmessersystems, das die bevorzugte Ausführungsform des automatischen Bereichseinstellsystems nach der Erfindung enthält.

In der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 1 ein magnetisches Durchflußmessersystem, das die Erfindung enthält. Das Durchflußmessersystem 1 enthält ein Durchflußrohr 3, zwei einander gegenüber angeordnete elektromagnetische Spulen 5, die aus einer Quelle 7 gespeist werden, und zwei Elektroden 9, welche eine Spannung abfühlen, die durch den Durchfluß eines elektrisch leitenden Fluids durch das Magnetfeld erzeugt wird, welches durch die Spulen 5 in dem Rohr 3 erzeugt wird. Die Spannung an den Elektroden 9 wird durch einen Vorverstärker 11 verstärkt. Alle diese Schaltungselemente können von herkömmlicher Bauart sein.

Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 11 wird durch einen Gleichrichter 13 gleichgerichtet und durch einen Verstärker 15 verstärkt. Der Verstärker 15 enthält vorzugsweise einen Operationsverstärker und einen Rückkopplungsverstärker. Das Eingangssignal des Operationsverstärkers wird periodisch auf null gestellt, und der Rückkopplungsverstärker wird zwischen dem Operationsverstärkerausgang und dessen Eingangsreferenzpunkt in den Stromkreis geschaltet, um den Ausgangsoffset

130017/0618

— O ""

des Operationsverstärkers auf einen festen Minimalwert zu verringern. Solche Schaltungen sind Stand der Technik. Eine geeignete Schaltung ist beispielsweise in einer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 82 762 , vom 9. Oktober 1979, in Anspruch genommen worden ist. Die Verstärkung des Operationsverstärkers 15 wird durch das Verhältnis des Rückkopplungswiderstandes zu dem Eingangswiderstand gesteuert. Diese Widerstandswerte werden durch ein Netzwerk 17 von Rückkopplungswiderständen 17a, 17b, 17c und 17d eingestellt, das durch eine Gruppe 19 von Halbleiterschaltern 19a, 19b, 19c bzw. 19d gesteuert wird, und durch ein Netzwerk 21 von Eingangswiderständen 21a, 21b, 21c und 21d, das durch eine zweite Gruppe 23 von Ha Ib leiter schalter η 23a, 23b, 23c bzw. 23d gesteuert wird. Die Widerstandsnetzwerke 17 und 21 können verhältnisangepaßte Präzisionswiderstände sein, wie beispielsweise eine angepaßte 0,1%-Widerstandsgruppe, die von der Fa. Beckman Instruments, Inc. unter deren Nummer 699-3-RIOOK-D.bzw. 699-3-R2OK-D vertrieben wird. Die Halbleiterschalter 19 und 23 können integrierte Schaltungen sein, wie beispielsweise die Schaltung Motorola MC14O66BCP. Die Steueranschlüsse der Schalter 19 und 23 sind mit einer Verstärkungssteuerschaltung 25 verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 15 wird an einen .A/D-Wandler 27 angelegt. Zahlreiche geeignete Wandler sind bekannt. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Wandler 27 ein Spannungs-Frequenz-Wandler. Das Ausgangssignal des A/f-Wandlers 27 wird über eine durch N dividierende Schaltung 29 an eine Ausgangsstufe 31 zur Anzeige oder Steuerung angelegt. Der Wert von N wird durch die Verstärkungssteuerschaltung 25 in im folgenden beschriebener Weise gesteuert. Geeignete durch N teilende Schaltungen sowie Ausgangsstufen sind bekannt.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 15 wird außerdem an eine H-L(high-low)-Abfühlschaltung 33 angelegt. Die Abfühlschaltung 33 vergleicht das Ausgangssignal des Verstärkers 15 mit einer hohen (H) und einer niedrigen (L)

13 0 017/0618

Referenzspannung und signalisiert der Verstärkungssteuerschaltung 25, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 15 außerhalb des Bereiches liegt. Geeignete Komparatoren sind bekannt.

Im Betrieb des Systems sind, wenn kein Durchfluß vorhanden ist, sämtliche Eingangswiderstände parallel geschaltet, so daß in dem Eingangspfad zu dem Verstärker 15 ein minimaler Widerstand vorhanden ist. Das wird durch Steuersignale über eine erste Steuerleitung 35 und eine zweite Steuerleitung 37 an den Schaltern 23a, 23b und 23c des Schaltnetzwerkes 23erreicht. Der vierte Schalter 23d ist mit einer Spannungsquelle verbunden und immer geschlossen. Die drei Schalter 19a, 19b und 19c, die den Stromfluß durch die parallelen Rückkopplungswiderstände 17a, 17b bzw. 17c steuern, werden durch die Verstärkungssteuerschaltung 25 in dem durchflußlosen Zustand offengehalten. Der vierte Schalter 19d ist mit einer Spannungsquelle verbunden und ist immer geschlossen. Das Rückkopplungswiderstandsnetzwerk 17 bildet deshalb einen maximalen Widerstand und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 15 hat seinen Maximalwert zwanzig.

Wenn der Durchfluß durch das Durchflußrohr 3 zunimmt, nimmt die Größe des Ausgangss'ignals des Verstärkers 15 zu, bis sie den hohen Schwellenwert der H-L-Abfühlschaltung 33 erreicht. Beispielsweise kann diese Schwellenwertspannung einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,61 m/s entsprechen. An diesem Punkt signalisiert die H-L-Abfühlschaltung 33 der Verstärkungssteuerschaltung 25, die Verstärkung des Verstärkers 15 zu verringern. Die Verstärkungssteuerschaltung 25 beseitigt daraufhin das Steuersignal von der Leitung 35, wodurch die Schalter 23a und 23b geöffnet werden und der Eingangswiderstand an dem Verstärker 15 verdoppelt wird. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 15 wird deshalb auf zehn halbiert.

Wenn die mittlere Geschwindigkeit des Durchflusses durch den

130017/0618

Durchflußmesser 3 verdoppelt wird, überschreitet das Ausgangssignal des Verstärkers 15 wieder den oberen Schwellenwert der H-L-Abfühlschaltung 33. Diese Schaltung signalisiert dann der Verstärkungssteuerschaltung 25, den Verstärkungsfaktor zu verringern, und zwar durch Beseitigen des Steuersignals von der Leitung 37, wodurch der Schalter 23c geöffnet, der Eingangswiderstand verdoppelt und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 15 halbiert wird.

Wenn die Durchflußgeschwindigkeit wieder verdoppelt wird, wird in gleicher Weise ein Signal über die Leitung 39 angelegt, um den effektiven Rückkopplungswiderstandswert zu halbieren. Wenn die Durchflußgeschwindigkeit wieder verdoppelt wird und sich dem Maximaldurchfluß nähert, schließt ein Signal über eine Steuerleitung 41 die Schalter 19a und 19b und halbiert wieder den effektiven Rückkopplungswiderstandswert, um den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 15 auf einen Wert von 1,25 zu verringern.

Wenn die Durchflußgeschwindigkeit auf einen Punkt abnimmt, an welchem der niedrige Schwellenwert der H-L-Abfühlschaltung 33 erreicht wird, werden die an die Steuerleitungen angelegten Signale sequentiell umgekehrt, beginnend mit der Steuerleitung 41, um den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 15 zu verdoppeln. Der hohe und der niedrige Schwellenwert werden vorzugsweise so eingestellt, daß die H-L-Abfühlschaltung 33 für eine Hysterese sorgt und ein Schwingen der Verstärkurigssteuerschaltung 25 verhindert.

Derjenige Teil des Systems nach der Erfindung, der sich vorderhalb des A/D-Wandlers 27 in der Signalverarbeitungsschaltung befindet, bietet wenigstens zwei Hauptvorteile. Erstens wird das Ausgangssignal· des Verstärkers 15 auf einem aus^· reichend hohen Wert gehalten, um jedweden restlichen Offsetfehler, der durch automatisches Nullstellen nicht kompensiert worden ist, zu minimieren. Zweitens wird das Eingangssignal an dem A/D-Wandler 27 innerhalb eines relativ schmalen

130017/0618

Bereiches gehalten, so daß der Wandler 27 in seinem Bereich
optimaler Genauigkeit arbeiten kann.

Das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 27 wird durch eine ganze Zahl N dividiert, die ebenfalls durch die Verstärkungssteuerschaltungen eingestellt wird. Wenn der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 15 auf dessen Minimalwert eingestellt ist, ist
der zweckmäßigste Wert von N eins. Wenn der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 15 verdoppelt wird, wird der Wert von N
verdoppelt, so daß bei maximaler Verstärkung der Wert von N
sechzehn ist. Das an die Ausgangsschaltung 31 abgegebene Signal ist deshalb bezüglich des von dem Vorverstärker 11 gelieferten Eingangssignals und damit bezüglich der Strömungsgeschwindigkeit kontinuierlich. Das automatische Bereichs—
einstellsystem nach der Erfindung ist von außerhalb des Signalverarbeitungssystems nicht zu bemerken, ausgenommen eventuell für einen extrem kurzen Übergangszustand an den Umschaltpunkten. Diese Übergangszustände lassen sich in der
Ausgangsschaltung leicht unterdrücken.

Zahlreiche Abwandlungsmöglichkeiten in dem automatischen Bereichseinstellsystem nach der Erfindung sind im Rahmen der
Erfindung möglich. Lediglich als Beispiel sei angegeben, daß die Werte der angepaßten Widerstände 17 und 21 sich von denen der bevorzugten Ausführungsform unterscheiden können und daß größere oder kleinere Werte der Verstärkung benutzt werden können. Verschiedene Verstärker mit niedrigem Offset
oder automatischer Nulleinstellung können, wie oben erwähnt, für den Verstärker 15 benutzt werden. Andere Analog/Digital-Wandler, beispielsweise solche, die ein Digitalwortausgangssignal statt eines Frequenzausgangssignals haben, können benutzt werden, obgleich das Frequenzausgangssignal gegenwärtig bevorzugt wird, weil es leicht zu übertragen und durch vorhandene Ausgangsschaltungen benutzt werden kann. Diese Änderungsmöglichkeiten dienen lediglich zur Veranschaulichung.

130017/0618

Claims

Patentansprüche ;

Automatisches Bereichseinstellsystem für einen magnetischen Durchflußmesser mit einem Körper, der in ein Durchflußsystem geschaltet werden kann, zum Messen des Durchflusses eines Fluids, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem durch den Körper strömenden Fluid, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines durchflußabhängigen Signals, das von dem elektrischen Feld abhängig ist, welches in dem Fluid erzeugt wird, das durch das Magnetfeld strömt, mit einer Verstärkeranordnung zum Verstärken des durchflußabhängigen Signals, um ein verstärktes durchflußabhängiges Signal zu erzeugen, und mit weiteren Signalverarbeitungseinrichtungen zum Empfangen des verstärkten durchflußabhängigen Signals und zum Erzeugen eines davon abhängigen Ausgangssignals, gekennzeichnet durch erste Einrichtungen (25, 33) zum Vergrößern der Verstärkung der Verstärkeranordnung (15), wenn das durchflußabhängige Signal abnimmt, und durch zweite Einrichtungen (29) zum Erzeugen eines Signals in den weiteren Signalverarbeitungseinrichtungen, welches

130017/0818

ORiGlNAL INSPECTED

die Zunahme der Verstärkung angibt.
2. Bereichseinstellsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Einrichtungen eine Schaltung (29) zum Verringern der Größe des Ausgangssignals proportional zu der Zunahme der Verstärkung der Verstärkeranordnung (15) enthalten, wodurch ein Ausgangssignal erzeugt wird, das in bezug auf das durchflußabhängige Signal im wesentlichen kontinuierlich ist, während die interne Genauigkeit erhalten bleibt.
3. Bereichseinstellsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Einrichtungen (25, 33) Schaltungen enthalten zum Ab-fühlen der Größe des verstärkten durchflußabhängigen Signals und zum Halten der Größe innerhalb eines vorbestimmten Bereiches über einem ausgedehnten Bereich von Werten des durchflußabhängigen Signals.
4. Bereichseinstellsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkeranordnung einen Operationsverstärker (15) enthält und daß die ersten Einrichtungen mehrere Widerstände (17, 21) und Einrichtungen (19, 23) zum Schalten der Widerstände in den und-aus dem Stromkreis des Operationsverstärkers, um dessen Verstärkung in Stufen zu verändern, enthalten.
5. Bereichseinstellsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Signalverarbeitungseinrichtungen einen A/D-Wandler (27) enthalten und daß die zweiten Einrichtungen eine Schaltung (29) zum digitalen Teilen des Ausgangssignals des Wandlers durch eine von der Verstärkung der Verstärkeranordnung (15) abhängige Zahl enthalten.
6. Bereichseinstellsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der A/D-Wandler (27) eine Einrichtung enthält zum Erzeugen eines frequenzveränderlichen Signals, das von dem verstärkten durchflußabhängigen Signal abhängig ist,

130017/061 8

und daß die zweiten Einrichtungen eine Schaltung enthalten zum Verändern der Frequenz des frequenzveränderlichen Signals in integralen Schritten.

130017/0618