DE3037173A1

DE3037173A1 - Magnetischer durchflussmesser mit mehrstufigem verstaerkersystem

Info

Publication number: DE3037173A1
Application number: DE19803037173
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: US4262543A; JPS5661613A; NL8005509A; FR2467390B1; DE3037173C2; FR2467390A1

Description

Emerson Electric Co. St. Louis, Mo. 63136, V.'St. A.

Magnetischer Durchflußmesser mit mehrstufigem Verstärkersystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verstärkersystem eines magnetischen Durchflußmessers und betrifft insbesondere ein mehrstufiges Verstärkersystem mit einer verbesserten automatischen Nullstellfunktion.

In einem elektromagnetischen Durchflußmesser erzeugt ein Magnetfeld in einem Durchflußrohr eine Spannung in einem durch das Rohr strömenden Fluid. Die Spannung, die zu der Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflußleistung proportional ist, wird durch zwei Elektroden abgefühlt, welche mit dem Fluid in Kontakt sind, und durch ein Signalverarbeitungssystem verstärkt, damit ein Ausgangssignal· erzeugt wird, das zu der Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflußleistung proportional ist.

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Es ist nun üblich, das Magnetfeld durch einen gepulsten Gleichstrom zu erzeugen, der den dem Durchflußmesser zugeordneten Spulen zugeführt wird. Der Durchflußmesser erzeugt deshalb eine Reihe von Ausgangsimpulsen, die durch Zeitspannen voneinander getrennt sind, in welchen das Ausgangssignal null ist.

Um die Ausgangs Signalabweichung (Off set) des Verstärkers auf einem geeigneten niedrigen Wert zu halten, ist es erwünscht, den Verstärker mit einer automatischen Nullstellschaltung zu versehen, damit das Ausgangssignal auf einen Nullreferenzwert getrieben wird, wenn dessen Eingangswert nominell null ist, d.h. während der Intervalle zwischen Impulsen, in denen kein einen Durchfluß darstellendes Signal vorhanden ist.

Eine Schaltung zum automatischen Nullstellen enthält typischerweise einen Schalter zum Einschalten der Nullstellschaltung in eine um den Verstärker herumführende Rückkopplungsschleife und einen integrierenden Operationsverstärker, der das Ausgangssignal des Verstärkers auf null treibt, wenn der Schalter geschlossen ist. Wenn der Schalter offen ist, bleibt das Ausgangssignal des integrierenden Operationsverstärkers auf derselben Spannung, solange die Eingangsspannung dieselbe bleibt, wodurch die Referenzspannung des Verstärkers auf demselben Wert gehalten wird.

Die Verstärkung eines Signalverarbeitungssystems eines magnetischen Durchflußmessers erfolgt vorzugsweise durch ein in Kaskade geschaltetes mehrstufiges Verstärkersystem, das wenigstens einen ersten Verstärker und einen zweiten Verstärker enthält. Wenn beide Verstärker, von denen jeder mit einer solchen automatischen Nullstellschaltung versehen ist, in Kaskade geschaltet sind, wird jedoch ein wesentlicher Fehler (typischerweise in der Größenordnung von 50 mV) hervorgerufen. Ein Fehler dieser Größe ist in einem magnetischen Durchflußmesser nicht akzeptabel.

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Ziel der Erfindung ist es, einen magnetischen Durchflußmesser zu schaffen, in welchem das Signalverarbeitungssystem einen mehrstufigen Verstärker enthält, der immer automatisch nullgestellt wird.

Weiter soll ein solches System geschaffen werden, in welchem kein wesentlicher Fehler durch das automatische Nullstellsystem hervorgerufen wird, selbst' wenn das Verstärkersystem eine hohe Verstärkung liefert.

Gemäß der Erfindung wird, allgemein gesagt, ein magnetischer Durchflußmesser geschaffen, mit einem Körper, der in ein Durchflußsystem geschaltet werden kann, um den Durchfluß eines Fluids zu messen, mit einer elektromagnetischen Spulenanordnung zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem durch den Körper strömenden Fluid, mit zwei Elektroden zum Erzeugen einer Spannung, die von dem elektrischen Feld abhängig ist, das in dem durch das Magnetfeld strömende Fluid erzeugt wird, und mit Signalverarbeitungseinrichtungen zum Umwandeln der Ausgangsspannung in ein Ausgangssignal, wobei die Signalverarbeitungseinrichtungen ein mehrstufiges Verstär-kersystem mit einer ersten Verstärkeranordnung und einer zweiten Verstärker anordnung, die mit der ersten Verstärkeranordnung in Kaskade geschaltet ist, enthält. Die erste Verstärkeranordnung enthält einen Verstärker, eine automatische Nullstellschaltung, die in einen Rückkopplungskreis um den Verstärker geschaltet ist, und eine Schalteinrichtung zum Ein- und Ausschalten der Nullstellschaltung. Die zweite Verstärkeranordnung enthält ebenfalls einen Verstärker, eine in einen Rückkopplungskreis um den Verstärker geschaltete automatische Nullstellschaltung und eine Schalteinrichtung zum Ein- und Ausschalten der Nullstellschaltung. Eine Zeitsteuereinrichtung schaltet sequentiell die Nullstellschaltung der ersten Verstärkeranordnung ab und schaltet dann die Nullstellschaltung der zweiten Verstärkeranordnung ab, wodurch in dem Eingangssignal der zweiten Verstärkeranordnung jedweder Fehler, der dur^h Abschalten der Nullstellschaltung der ersten

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Stärkeranordnung erzeugt wird, zu null gemacht wird.

In der bevorzugten Ausführungsform enthalten die Nullstellschaltungen jeweils einen integrierenden Operationsverstärker. Vorzugsweise steuert die Zeitsteuereinrichtung die elektromagnetischen Spulen, so daß ein intermittierendes Magnetfeld in dem durch den Körper strömenden Fluid erzeugt und bewirkt wird, daß die Nullstellschaltungen eingeschaltet sind, während das Magnetfeld abgeschaltet ist. In einer Ausführungsform schaltet die Zeitsteuereinrichtung die Nullstellschaltungen zusammen ein, während sie in einer anderen Ausführungsform die Nullstellschaltung der ersten Verstärkeranordnung abschaltet, bevor sie die Nullstellschaltung der zweiten Verstärkeranordnung einschaltet.

Es hat sich gezeigt, daß der Fehler, der in einem mehrstufigen Verstärker erzeugt wird, wenn automatische Nullstellschaltungen benutzt werden, an jeder Stufe hauptsächlich in dem Zeitpunkt des Trennens der Nullstellschaltung von dem Ausgang des Verstärkers der ersten Stufe auftritt. Der Fehler erscheint als eine Abweichung von etwa 1 mV auf der Ausgangsseite des Verstärkers der ersten Stufe, wird aber mit dem Verstärkungsfaktor der nächsten Stufe multipliziert. Dabei handelt es sich nicht um eine Tastspeicherdrift oder einen Tastspeicherabfall des Integrierkondensators, sondern vielmehr um eine einmalige Änderung, wenn der Schalter zwischen dem Verstärkerausgang und dem Rückkopplungsverstärkereingang geöffnet wird. Die Ursache für diese einmalige Änderung kann eine Ladungsinjektion oder eine geringfügige Änderung in der Kondensatorspannung sein, wenn die aktive Nullrückkopplung beseitigt wird.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines magnetischen Durchfluß

messers mit dem mehrstufigen Verstärker mit

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automatischer Nullstel'lung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Steuerungsdiagramm einer ersten Aus

führungsform des Durchflußmessers von Fig.1 und

Fig. 3 ein Steuerungsdiagramm einer zweiten Aus

führungsform des Durchflußmessers von Fig.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 ein magnetisches Durchflußmessersystem, das die Erfindung enthält. Das Durchflußmessersystem 1 enthält ein Durchflußrohr 3, zwei entgegengesetzt zueinander angeordnete elektromagnetische Spulen 5, die aus einer Quelle 7 gespeist werden, und zwei Elektroden 9, die eine Spannung abfühlen, welche durch den Durchfluß eines elektrisch leitenden Fluids durch das durch die Spulen 5 in dem Rohr 3 erzeugte Magnetfeld erzeugt wird. Die Spannung an den Elektroden 9 wird durch einen Differenzvorverstärker 11 verstärkt, wird weiter durch ein zweistufiges Verstärkersystem 13 nach der Erfindung verstärkt und wird einer Signalverarbeitungsschaltung 15 zugeführt, die ein Ausgangssignal erzeugt, welches den Durchfluß durch das Rohr 3 anzeigt. In dieser als Beispiel gewählten Ausführungsform wird die Spulentreiberschaltung 7 durch einen Sequenzer 17 gesteuert/ so daß in den Spulen 5 Gleichstromimpulse von kontrollierter Dauer in kontrollierten Intervallen erzeugt werden. Sämtliche Schaltungselemente können, mit Ausnahme des Verstärkersystems 13 und des Sequenzers 17, von herkömmlicher Bauart sein.

Die erste Stufe des Verstärkersystems 13 enthält einen invertierenden Standardoperationsverstärker 19, der einen Verstärkungsfaktor hat, welcher durch die Beziehung zwischen Widerständen 21 und 23 festgelegt ist. Der nichtinyertierende Eingang des Verstärkers 19 liegt über einen Ableitungswiderstand 25 an Masse. Zwischen den Ausgang des Verstärkers 19 der ersten Stufe und dessen nichtinvertierenden Eingang ist

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eine Nullstellschaltung geschaltet, die aus einem Festkörperschalter 27, der durch den Sequenzer 17 gesteuert wird, einem Operationsverstärker 29, Widerständen 31 und 33, einem Integrierkondensator 35 und einem Widerstand 37 besteht. Es wird sich zeigen, daß diese Anordnung eine typische Nullstellschaltung ist, in der der Rückkopplungsoperationsverstärker 29 als Integrator geschaltet ist.

Der Ausgang des Verstärkers 19 der ersten Stufe ist mit einer zweiten invertierenden Verstärkerstufe verbunden, die den gleichen Aufbau wie die erste Stufe haben kann. Entsprechende Teile der zweiten Verstärkerstufe sind mit entsprechenden Bezugszahlen mit einem hochgesetzten Strich versehen.

Wenn im Betrieb des Verstärkersystems 13 der Sequenzer 17 den zu der Spule fließenden Strom abschaltet und die an den Elektroden 9 erzeugte Spannung abgeschaltet wird, schließt der Sequenzer den ersten Schalter 27 und die Nullstellschaltung des ersten Verstärkers 19 treibt die Spannung an dem Kondensator 35 auf einen Wert, der ausreicht, um das Ausgangssignal des Verstärkers 19 auf O V zu halten. Wenn der Schalter 27 geöffnet wird, hält die Ladung auf dem Kondensator 35 die Nulleinstellung an dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 19 aufrecht, mit Ausnahme einer geringfügigen Abweichung, die in dem Zeitpunkt des öffnens des Schalters 27 hervorgerufen wird.

Der Verstärker 19' der zweiten Stufe wird durch seine Nullstellschaltung auf genau dieselbe Weise auf Null gestellt.

Gemäß Fig. 2 beseitigt in der bevorzugten Ausführungsform der Sequenzer 17 den durchflußabhängigen Spannungsimpuls Vg , an dem invertierenden Eingang des Verstärkers 19 der ersten Stufe und schaltet gleichzeitig beide Schalter 27 und 27' der Nullstellschaltungen der ersten und der zweiten Stufe ein. Nach einer vorbestimmten Nullstellzeitspanne schaltet der Sequenzer die Nullstellschaltung der ersten Stufe durch öffnen des Schalters 27 ab, wodurch eine feste Referenzspan-

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nung für den Verstärker 19 aufrechterhalten und das Ausgangssignal des Verstärkers 19 so lange konstant gehalten wird, wie das Eingangssignal dasselbe bleibt. Die Nullstellschaltung des Verstärkers der zweiten Stufe wird jedoch für eine zusätzliche Zeitspanne eingeschaltet gehalten, um ihr zu gestatten, den Fehler zu kompensieren, der in dem Zeitpunkt des Abschaltens des ersten Schalters 27 hervorgerufen wird. Wenn der zweite Schalter 27' geöffnet wird, wird eine gleiche kleine Abweichung erzeugt; diese kleine Abweichung ist jedoch in bezug auf die Größe des verstärkten durchflußabhängigen Signals unbedeutend.

Zahlreiche Abwandlungsmöglichkeiten in dem magnetischen Durchflußmessersystem nach der Erfindung sind im Rahmen der Erfindung möglich. Beispielsweise kann gemäß Fig. 3 der Sequenzer nur den ersten Schalter 27 gleichzeitig mit dem Abschalten der durchflußabhängigen Spannung an dem Verstärkersystem schließen und ihn gleichzeitig mit dem Schließen des zweiten Schalters 27' öffnen, um das aktive Nullstellen des Verstärkers der zweiten Stufe einzuleiten. Es können Beruhigungszeiten vor dem Schließen von einem oder beiden Schaltern 27 und 27' vorgesehen werden. Andere Nullstellschaltungen können benutzt .werden. Diese Abwandlungsmöglichkeiten dienen lediglich -als Beispiel.

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Claims

Patentansprüche :

1. Magnetischer Durchflußmesser mit einem Körper, der in ein Durchflußsystem geschaltet werden kann, um den Durchfluß eines Fluids zu messen, mit Einrichtungen zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem durch den Körper strömenden Fluid, mit zwei Elektroden zum Erzeugen einer Spannung, die von dem elektrischen Feld abhängig ist, das in dem durch das Magnetfeld strömenden Fluid erzeugt wird, und mit Signalverarbeitungseinrichtungen zum Umwandeln der Ausgangsspannung in ein Ausgangssignal,

dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen ein mehrstufiges Verstärkersystem (13) mit einer ersten Verstärkereinrichtung und einer mit dieser in Kaskade geschalteten zweiten Verstärkereinrichtung enthalten,

wobei die erste Verstärkereinrichtung einen Verstärker (19), eine automatische Nullstellschaltung (27, 29, 31, 33, 35, 37), die in einem Rückkopplungskreis um den Verstärker liegt, und eine Schalteinrichtung (17, 27) enthält, die die Nullstellschaltung einschaltet, um eine aktive Nullstellung zu bewir-

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ken, und abschaltet, um eine nullgestellte Referenzspannung für den Verstärker zu speichern,

wobei die zweite Verstarkereinrichtung einen Verstärker (19¹), eine automatische Nullstellschaltung (27', 29', 31', 33', 35", 37') in einem Rückkopplungskreis um den Verstärker und eine Schalteinrichtung (17, 27') enthält zum Einschalten der NuIlstellschaltung, um eine aktive Nullstellung zu bewirken, und zum Abschalten derselben, um eine nullgestellte Referenzspannung für den Verstärker zu speichern, und

eine Zeitsteuereinrichtung (17) zum sequentiellen Abschalten der Nullstellschaltung der ersten Verstarkereinrichtung und anschließenden Abschalten der Nullstellschaltung der zweiten Verstarkereinrichtung, wodurch in der zweiten Verstarkereinrichtung jedweder Fehler zu Null gemacht wird, der durch das Abschalten der Nullstellschaltung der ersten Verstarkereinrichtung erzeugt wird.

2. Durchflußmesser nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullsteilschaltungen jeweils einen, integrierenden Operationsverstärker (29, 29") enthalten.

3· Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuereinrichtung Einrichtungen enthält, die die Einrichtungen zum Erzeugen eines Magnetfeldes so steuern, daß ein intermittierendes Magnetfeld in dem durch den Körper strömenden Fluid erzeugt wird, und daß die Zeitsteuereinrichtung mit den Schalteinrichtungen (27, 27') der ersten und der zweiten Verstarkereinrichtung so verbunden ist, daß die Schalteinrichtungen bewirken, daß die Nullstellschaltungen eingeschaltet sind, während das Magnetfeld abgeschaltet ist.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuereinrichtung die Nullstellschaltungen gemeinsam einschaltet.

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5. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuereinrichtung die Nullstellschaltung der ersten Verstarkereinrichtung abschaltet, bevor sie die Nullstellschaltung der zweiten Verstarkereinrichtung einschaltet.

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