DE3106396A1

DE3106396A1 - Wandler, insbesondere analog-zu-digital-wandler fuer einen elektromagnetischen stroemungsmesser

Info

Publication number: DE3106396A1
Application number: DE19813106396
Authority: DE
Inventors: Herbert A Shauger
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1980-02-21
Filing date: 1981-02-20
Publication date: 1981-12-17
Also published as: JPS56153833A; GB2070366A; US4339958A; GB2070366B

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft allgemein Systeme, die einen elektromagnetischen Strömungsmesser aufweisen, dessen Elektromagnet durch einen pulsierenden Strom erregt wird, welcher eine vorbestimmte Steuerfrequenz hat, so daß ein für die Strömungsrate bezeichnendes Analogsignal erzeugt wird, und zwar betrifft die Erfindung insbesondere ein System, in dem dieses Analogsignal in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt wird, welches die augenblicklichen Strömungswerte repräsentiert, die mittels einer intelligenten digitalen Einrichtung, wie beispielsweise einem Mikroprozessor, verarbeitet werden können.

In einem konventionellen elektromagnetischen Strömungsmesser wird das Strömungsmittel, dessen Strömungsrate gemessen werden soll, durch ein Strömungsrohr geleitet, welches mit einem Paar von diametral entgegengesetzten Elektroden versehen ist, wobei mittels eines Elektromagneten ein Magnetfeld erzeugt wird, das senkrecht zur Längsachse des Rohrs ist. Wenn das Strömungsmittel dieses Feld kreuzt, dann wird eine Spannung darin induziert, die auf die Elektroden übertragen wird. Diese Spannung, die der mittleren Geschwindigkeit des Strömungsmittels und demgemäß dessen mittlerer volumetrischen Rate proportional ist, wird dann verstärkt und weiterverarbeitet, so daß man ein Ausgangssignal zum Betätigen einer Aufzeichnungs- oder Anzeigeeinrichtung oder zum Ausführen verschiedener Prozeßsteuer- bzw. -regelvorgänge erhält.

Das magnetische Feld kann nach seiner Art entweder ein Gleichoder Wechselfeld sein; in jedem Falle ist die Spannung, welche in der durch das PeId hindurchgehenden Flüssigkeit induziert wird, eine Funktion von deren Strömungsrate. Wenn man jedoch mit einem durch Gleichstrom erzeugten Magnetfluß

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arbeitet, dann wir&t der Gleichstrom-Signalstrom, der durch die Flüssigkeit fließt, dahingehend, daß er die Elektroden polarisiert, wobei die Größe der Polarisation proportional dem Zeitintegral des Polarisationsstroms ist. Bei einem Betrieb mit einem durch Wechselstrom erzeugten magnetischen Fluß wird die Polarisation vernachlässigbar; der sich ergebende Signalstrom ist ein Wechselstrom, und daher nimmt dessen Integral mit der Zeit nicht zu.

Obwohl ein Wechselstrombetrieb deutlich insofern vorteilhaft ist, als eine Polarisation verhindert wird und das durch die Strömung induzierte Wechselstromsignal leichter verstärkt werden kann, hat er bestimmte Nachteile. Die Verwendung eines Wechselflusses verursacht die Einführung von Störspannungen, die nicht mit der Strömungsrate in Beziehung stehen und die, wenn sie unbehandelt bleiben, ungenaue Anzeigewerte verursachen. Die beiden Störspannungen, die am unangenehmsten sind, sind durch Streukapazität von der Spule des Elektromagneten an die Elektroden angekoppelte Spannungen sowie induzierte Schleifenspannungen in den Eingangsleitungen. Die Elektroden und Leitungen bilden in Kombination mit der sich zwischen ihnen erstreckenden Flüssigkeit eine Schleife, in der eine Spannung aufgrund des sich ändernden Flusses der Magnetspule induziert wird.

Die Storspannungen von der ersteren Quelle können durch elektrostatische Abschirmung minimalisiert werden, sowie dadurch, daß der Magnet mit niedriger Frequenz erregt wird, so daß die Impedanz der Streukopplungskapazxtät groß wird. Aber die Störspannung von der als zweites erwähnten Quelle ist viel schwieriger zu unterdrücken.

Die Störspannung, die aus der Flußkopplung in die Signalleitungen hinein resultiert, wird üblicherweise als Quadraturspannung bezeichnet, weil angenommen wird, daß sie gegen-

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über der strömungsinduzierten Wechselspannung um 9o° phasenverschoben ist. Aktuelle Tests haben gezeigt, daß das insofern nicht richtig ist, als eine Komponente vorhanden ist, die mit der strömungsinduzierten Spannung in Phase ist. Infolgedessen bildet der Teil der "Quadraturspannung", der in Phase mit dem strömungsinduzierten Spannungssignal ist, ein unerwünschtes Signal, das nicht leicht von dem strömungsinduzierten Signal unterschieden werden kann, so daß auf diese Weise ein sich ändernder Nullverschiebungseffekt erzeugt wird.

Die reine "Quadraturspannung" wurde bisher durch eine elektronische Anordnung minimalisiert, welche dazu geeignet war, diese Komponente herauszukompensieren, jedoch konnte man deren in Phase befindliche Komponente nicht erfolgreich ausschalten. Es ist bekannt, daß verfügbare wechselstrombetriebene elektromagnetische Strömungsmesser ihre Eichung in Abhängigkeit von der Temperatur, der Strömungsmittelleitfähigkeit, dem Druck und anderen Effekten ändern, welche die Störspannungen sowohl hinsichtlich der Phase als auch der Größe verändern können. Infolgedessen wird es notwendig, bei einem Meßgerät periodisch eine Nulleinstellung von Hand vorzunehmen, um die Wirkungen, die durch die vorstehend beschriebenen Erscheinungen auf die Lage des Nullpunkts ausgeübt werden, zu korrigieren.

Alle die nachteiligen Wirkungen, die beim Wechselstrombetrieb von elektromagnetischen Strömungsmessern auftreten, können der Änderungsrate im Flußfeld -jj|· zugeschrieben werden, die dahingehend wirkt, daß sie unerwünschte Signale in der Geberschleife induziert. Wenn daher die Änderungsrate des Flußfelds auf den Wert Null vermindert werden könnte, dann würde die Größe der Quadraturspannung und deren in Phase befindliche Komponente verschwinden. NuIldrifteffekte würden verschwinden.

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Wenn das magnetische Flußfeld ein stationäres Feld ist, wie es beispielsweise bei kontinuierlichem Gleichstrombetrieb vorhanden ist, ist die Idealbedingung -^ = O erfüllt. Aber ein Gleichstrombetrieb zum Erzeugen eines stationären Feldes ist nicht akzeptabel, weil galvanische Potentiale erzeugt werden und Polarisation auftritt, wie oben erläutert. Um daher die positiven Vorteile eines stationären Feldes zu erhalten, ohne daß die Nachteile auftreten, welche bei einem kontinuierlichen Gleichstrombetrieb vorhanden sind, wird in der US-Patentschrift 3 783 687 von Mannherz et al. eine Erregungsanordnung vorgeschlagen, in welcher das stationäre Flußfeld periodisch umgekehrt oder unterbrochen wird. Durch diese Bezugnahme wird der gesamte Offenbarungsinhalt dieser Patentschrift zum Offenbarungsinhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Nach der US-PS 3 783 687 wird, um die Störspannungen zu vermeiden, die sich aus Streukopplungen ergeben, ohne daß jedoch eine Polarisation der Elektroden bewirkt wird, der Elektromagnet mittels einer Rechteckwelle niedriger Frequenz erregt. Diese Welle wird dadurch erzeugt, daß die Ausgangsspannung eines ungefilterten Doppelweggleichrichters an den Elektromagneten angelegt wird und daß diese Spannung mittels eines elektronischen Schalters mit einer niedrigfreguenten Rate unterbrochen wird.

Das durch die Rechteckwelle erzeugte Magnetfeld wird durch Schalter-Einschwingvorgänge unterbrochen. In einem Strömungsmesser der in der US-Patentschrift 3 783 687 beschriebenen Art wird das strömungsinduzierte Signal, das an den Elektroden erhalten wird, während eines Abfrageteils jedes "Ein"- und jedes "Aus"-Zustands des magnetischen Felds im Verlaufe eines Erregungszyklus gemessen, um eine Unterscheidung von den Exnschwingvorgangen zu erzielen. Der Wandler, auf den das Signal von.den Elektroden gegeben wird, weist

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einen Synchrondemodulator auf, der so durchlaßgesteuert wird, daß man ein Ausgangssignal nur dann erhält, wenn der Magnetfluß einen stationären Zustand erreicht. Aufeinanderfolgende Unterschiede dieses Signals werden als repräsentativ für die Strömungsrate genommen.

Wenn der elektromagnetische Strömungsmesser nach der US-Patentschrift 3 783 687 ein Bauteil in einer Steuer- bzw. Regelschleife eines industriellen Prozesses ist, wird es notwendig, dessen Strömungsratenanzeige in einer elektronischen Kontrolleinrichtung mit einem Einstellpunkt zu vergleichen, damit ein Ausgangssignal erhalten wird, das von den Abweichungen der"Strömungsrate von dem Einstellpunkt abhängt, welches Ausgangssignal dazu dient, den Betrieb eines Endsteuer- bzw. -regelelements, wie beispielsweise eines Ventils, zu steuern, um die Strömungsrate in einer Richtung und in einem durch den Einstellpunkt bestimmten Ausmaß zu verändern. Zu diesem Zweck ist es zweckmäßig, einen Digitalrechner als elektronische Kontrolleinrichtung zu verwenden» da der Rechner in der Lage ist, das Signal des Strömungsmessers zu verarbeiten und als Multiplexanordnung in Verbindung mit einer Mehrzahl von Prozeßsteuer- bzw. -regelschleifen zu dienen.

Ein Digitalrechner ist ein Instrument, das geeignet ist, arithmetische oder logische Operationen mit digitalen Daten durchzuführen, die dessen Eingang eingegeben werden, so daß man numerische Ergebnisse oder Entscheidungen erhält. Alle Digitalrechner, gleichgültig, ob sie die Form einer in großem Maßstabe ausgeführten und für allgemeine:. Zwecke dienenden Anlage oder die Form eines Mikrocomputers haben, sind im wesentlichen aus einer zentralen Datenverarbeitungseinheit, einem Speichersystem und Eingabe-Ausgabe-Einrichtungen zusammengesetzt.

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Die Aufgabe, die einer zentralen Datenverarbeitungseinheit zugeordnet ist, besteht darin, digitale Daten für eine spätere Datenverarbeitung zu empfangen und zu speichern, arithmetische oder logische Operationen gemäß vorher gespeicherten Instruktion an diesen Daten auszuführen, und die Ergebnisse in der Form eines digitalen Ausgangssignals auszugeben.

Die zentrale Datenverarbeitungseinheit ist diejenige Komponete des Rechners, welche die Interpretation und Ausführung der Instruktionen kontrolliert bzw. steuert. Ein Mikroprozessor ist die zentrale Datenverarbeitungseinheit eines Rechners mit dessen zugehöriger Schaltungsanordnung, welcher durch integrierte Schaltungstechniken auf sehr kleine Abmessungen gebracht worden ist, so daß er auf einen oder mehrere Siliciumchips paßt, der bzw. die tausende von Transistoren, Widerständen oder von anderen elektronischen Schaltungselementen.enthält bzw.. enthalten. Durch Kombinieren eines Mikroprozessors mit anderen Chips integrierter Schaltungen, welche die Zeit- bzw. Taktgebung, einen oder mehrere Speicher mit direktem Zugriff, Schnittstellen für Eingangs- und Ausgangssignale sowie andere Zusatz- bzw. Hilfsfunktionen liefern, kann man alle notwendigen Komponenten eines Mikrocomputers zusammenfügen, dessen Haupt-"komponente der Mikroprozessor ist.

Um das Analogsignal zu verarbeiten, das von einem elektromagnetischen Strömungsmesser abgegeben wird, dessen Elektromagnet durch einen pulsierenden Strom niedriger Frequenz erregt wird, und wie es beispielsweise ein Strömungsmesser der in der US-Patentschrift 3 783 6.87 beschriebenen Art ist, muß man zunächst dieses Signal in ein digitales Ausgangssignal umwandeln, welches die augenblicklichen Strömungswerte repräsentiert. Durch digitale Datenverarbeitung ist man auch in der Lage, den Effekt der Rauschkomponenten auf das strömungsinduzierte Signal auszuschalten oder zu mini-

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malisieren.

Kurz zusammengefaßt soll im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen mit der Erfindung ein Analog-ζu-Digital-Wandler für einen elektromagnetischen Wandler, in dem eine Erregung niedriger Frequenz stattfindet und der ein analoges Ausgangssignal in der Form einer pulsierenden Welle erzeugt, zur Verfügung gestellt werden, wobei die Amplitude der Impulse dieses elektromagnetischen Wandlers eine Variable darstellt. Obwohl die Erfindung im Betrieb in Verbindung mit einem Strömungsmesser beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, daß der Analog-zu-Digital-Wandler auch auf Analogsignale in pulsierenden Wellenformen anwendbar ist, die von anderen Instrumenten abgegeben werden.

Im einzelnen soll mit der Erfindung eine digitale Darstellung eines Augenblickswerts des Elektrodensignals, das von einem elektromagnetischen Strömungsmesser abgegeben wird, in einer Form erzielt werden, die durch eine intelligente digitale Einrichtung, wie beispielsweise einen Mikroprozessor, verarbeitet werden kann.

Außerdem soll mit der Erfindung ein Analog-zu-Digital-Wandler in einem elektromagnetischen Strömungsmessersystern zur Verfügung gestellt werden, der einen relativ einfachen und kostengünstigen Aufbau hat und leistungsfähig sowie zuverlässig arbeitet, wobei dieser Wandler dahingehend wirksam sein soll, daß er mit der Stromzuführungsleitung in Bezieh hung stehendes Rauschen wie auch hochfrequentes Rauschen aus filtert.

Kurz zusammengefaßt werden diese Vorteile in einem Analogzu-Digital-Wandler erzielt, der in Verbindung mit einem elektromagnetischen Strömungsmesser arbeitet, dessen Elektromagnet ein Erregungsstrom zugeführt wird, der mit einer

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Rate niedriger Frequenz abwechselnd "ein" und "aus" geschaltet wird, wobei das resultierende strömungsinduzierte Elektrodensignal während eines vorbestimmten Intervalls in jedem "Ein"- und "Aus"-Feldzustand abgefragt wird und aufeinanderfolgende Unterschiede zwischen diesen Elektrodensignalen dazu dienen, ein Analogsignal hervorzubringen, das die Strömungsrate des gemessenen Strömungsmittels repräsentiert.

Die Umwandlung wird dadurch bewirkt, daß jeder Abfragewert integriert wird, so daß eine ansteigende bzw. abfallende Spannung erzeugt wird, deren Polarität derjenigen des Abfragewerts entspricht und deren Spitzenniveau relativ zum Basisniveau durch die Amplitude des Abfragewerts bestimmt ist. Die ansteigende bzw. abfallende Spannung wird dann in einem Zeitschlitz bzw. in einer frei verfügbaren Zeit, dessen bzw. deren Dauer direkt proportional dem Spitzenniveau des Abfragewerts ist, zurück zum Basisniveau deintegriert; je höher dieses Niveau ist, um so breiter ist der Schlitz. Während dieses Zeitschlitzes wird ein Impulsbündel bzw. eine Impulsfolge von einem stabilen Hochfreguenzoszxllator entnommen, wobei die Impulszahl des Bündels bzw· der Folge durch die Dauer des Schlitzes bestimmt wird, so daß dadurch jeder Abfragewert in einen Digitalwert umgewandelt wird.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wie auch zur Erläuterung weiterer Vorteile und Merkmale derselben sei diese nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 der Zeichnung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines elektromagnetischen Strömungsmessersystems, das einen Analogzu-Digital-Wandler gemäß der Erfindung aufweist;

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Fig. 2A bis F Wellenformen, welche die an verschiedenen Anschlüssen in dem System entstehenden Spannungen repräsentieren;

Fig. 3 eine typische Wellenform der Spannung, die am Ausgang des Integrators in dem Wandler auftritt, und zwar steht diese Wellenform in Beziehung mit Logikzeitimpulsen, die in dem Wandler erzeugt werden; und

Fig. 4 ein Taktdiagramm der Logikeinheit. Das System:

Es sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Strömungsmessersystem gemäß der Erfindung dargestellt ist, das von einem primären System in der Form eines elektromagnetischen Strömungsmessers gebildet wird, welches ein analoges Ausgangssignal niedrigen Niveaus entsprechend der Strömungsrate der gemessenen Flüssigkeit erzeugt, sowie von einem sekundären System, welches dieses Signal niedrigen Niveaus in ein digitales Ausgangssignal umwandelt, das Augenblicksströmungsratenwerte repräsentiert, und dieses digitale Ausgangssignal kann durch, eine intelligente digitale Einrichtung, wie beispielsweise einen Mikroprozessor, verarbeitet werden.

Das primäre Strömungsmessersystem umfaßt ein Strömungsrohr 1o, durch welches das zu messende Strömungsmittel geleitet wird. Ein Elektromagnet, der ein Paar Spulen 11 und 12 auf jeder Seite des Strömungsrohrs bzw. je eine Spule auf je einer Seite des Strömungsrohrs hat, ist dazu vorgesehen, ein magnetisches Feld zu erzeugen, das quer zur Richtung der Strömung verläuft. Elektroden 13 und 14, die sich in Kontakt mit dem fließenden Strömungsmittel befinden, sind

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an diametral entgegengesetzten Stellen auf bzw. in dem Strömungsrohr auf einer Achse angeordnet, die sowohl zur Längsrichtung der Strömung als auch zu dem querverlaufenden Magnetfeld senkrecht verläuft. In an sich bekannter Weise wird in dem Strömungsmittel, dessen Strömung das Magnetfeld kreuzt, eine Spannung erzeugt, und diese Spannung wird auf die Elektroden übertragen, so daß ein Signal an den Ausgangsanschlüssen des Strömungsmessers erzeugt wird, das die Strömungsrate wiedergibt.

Die elektromagnetischen Spulen 11 und 12 sind in Reihe geschaltet, und werden mittels einer Rechteckwelle von relativ niedriger Frequenz erregt, die ihrerseits von einer Stromversorgungseinheit abgegeben wird, welche eine Doppelweggleichrichterbrücke 15 aufweist, deren Eingangsanschlüsse über einen elektronischen Schalter 16 mit einem Standard-Wechselstromnetz verbunden sind, von dem ein Wechselstrom mit 6o Hz (oder 5o Hz) zugeführt wird. Die Ausgangsanschlüsse der Brücke 15 sind mit den Spulen des Elektromagneten über einen Widerstand 17 verbunden, an dem eine Bezugsspannung abfällt, die von dem durch denselben fließenden Erregungsstrom abhängt, und diese Bezugsspannung tritt am Anschluß R auf.

Obwohl der Schalter 16 und alle anderen in Fig. 1 gezeigten Schalter als mechanische Einrichtungen dargestellt sind, sind diese Schalter in der Praxis elektronische Schalter, und sie können durch Triacs oder andere elektronische Schalterelemente in Festkörper- oder Vakuumröhrenbauweise gebildet sein.

Der Schalter 16 wird mit einer Rate betätigt, die einer in der Wechselstrom-Netzfrequenz enthaltenen Zahl bzw. einer Submultiplen der Wechselstrom-Netzfrequenz entspricht. Das wird mittels eines Frequenzteilers erzielt, der in einer ümwandlungs- und Taktgebungs-Logikschaltung TL enthalten

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ist, die mit dem Wechselstromnetz verbunden ist. Die Netzspannung von 60 Hz (oder 5o Hz) wird dem Teiler als Taktgebungssignal zugeführt, welches geformt und untersetzt wird, so daß man am Anschluß G Rechteckwellen-Torimpulse niedriger Frequenz mit einer Wiederholungsrate von beispielsweise 3,75 Hz erhält. Die Wellenform der Torimpulse ist in Fig. 2A gezeigt.

Der elektronische Schalter 16 unterbricht den Fluß des Gleichstrom-Erregungsstroms zu den elektromagnetischen Spulen 11 und 12 mit einer Rate von 3,75 Hz. Die Logikschaltung der Einrichtung TL liefert außerdem Logiksignale A, B, C und D, die dazu dienen, die anderen Schalter des Analog-zu-Digital-Wandlers in einer Weise zu betätigen, die weiter unten erläutert ist.

Auf diese Weise wird der Elektromagnet durch Torimpulse G periodisch "ein" und "aus" gesteuert, und der Ausgang der Gleichrichterbrücke 15 wird ungefiltert an den Elektromagneten angelegt. Infolgedessen nimmt die Bezugsspannung, die am Widerstand 17 abfällt, welcher als Fühler für den Erregungsstrom dient, am Anschluß R die Wellenform an, die in Fig. 2B gezeigt ist, woraus ersichtlich ist, daß diese Spannung eine deutliche Welligkeitskomponente hat.

Durch die Wirkung des Magnetfeldes auf das leitfähige Strömungsmittel, das durch das Rohr 1o fließt und das "Ein"- und "Aus"-Magnetfeld kreuzt, wird eine geschwindigkeitsabhängige Spannung zwischen den Elektroden 13 und 14 erzeugt. Diese strömungsmittelinduzierte Elektrodenspannung tritt auf an den Anschlüssen T- und Tj; die Wellenform dieser Spannung ist in Fig. 2C gezeigt. Der Anschluß T₃, der den Anschlüssen T₁ und T_ gemeinsam ist,,ist mit Masse verbunden, und dieser Anschluß T₃ ist in einem Abstand, der wenigstens gleich dem Durchmessers des Rohrs 1o ist, von der Ebene der Elektroden vorgesehen.

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Wie in jedem elektromagnetischen Strömungsmesser ist die Wechselspannung zwischen den Elektroden sowohl der Strömungsmittelgeschwindigkeit als auch der Magnetflußdichte direkt proportional, wobei die Magnetflußdichte ihrerseits direkt von der Intensität des Erregungsstroms abhängt. Da die Bezugsspannung am Anschluß R sowohl aufgrund von Netzspannungsschwankungen als auch aufgrund der Wirkung der Temperatur auf den Widerstand des Elektromagneten Änderungen unterworfen ist, muß eine Einrichtung zum Kompensieren dieser Änderungen vorgesehen sein, damit eine genaue Strömungsmessung erzielt wird.

Das Elektrodensignal an den Anschlüssen T- und T2 wird einem wechselstromgekoppelten Verstärker hoher Impedanz zugeführt, der durch das Element 18 repräsentiert ist und der eine Einrichtung zum Einstellen des Verstärkungsfaktors aufweist, damit eine Anpassung an die verschiedensten Skalenvollausschlag-Geschwindigkeitseinstellungen erfolgen kann. Das Ausgangssignal des Verstärkers 18 wird über einen elek-· tronischen Schalter 19 und einen Kondensator 2o dem nichtinvertierenden Eingang eines Differentialverstärkers 21 zugeführt, der als ein Puffer wirkt. Der Verstärker 21 seinerseits steuert einen integrierenden Verstärker 22, der mit einem R-C-Netzwerk versehen ist, das von einem Widerstand 23 und einem Kondensator 24 gebildet wird.

Das Ausgangssignal des integrierenden Verstärkers 22 wird einem Verstärker 25 hohen Verstärkungsfaktors zugeführt, dessen Ausgangssignal auf den einen Eingang eines Komparators 26 gegeben wird. Das Ausgangssignal dieses Komparators wird als ein Steuersignal der Zeit- bzw. Taktgebungslogik TL zugeführt. Mit der Taktgebungslogik TL ist eine stabile Impulsquelle verbunden, die eine Wiederholungsrate hoher Frequenz hat, beispielsweise ein kristallgesteuerter Oszillator, der durch einen piezoelektrischen Kristall

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Q repräsentiert wird.

Die Bezugsspannung vom Anschluß R wird über ein R-C-Netzwerk, das von einem Kondensator 27 und einem Widerstand 28 gebildet wird, einem Referenzverstärker 29 zugeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 29 wird über einen elektronischen Schalter 3o und einen Widerstand 31 einem Rückkopp lungs integrator 32 zugeführt/ der ein R-C-Netzwerk hat, das von dem Kondensator 44 und dem Widerstand 31 gebildet wird. Das Ausgangssignal des Rückkopplungsintegrators 32 wird einem Präzisionsinverter 34 zugeführt.

Parallel zum Rückkopplungsintegrator 32 ist ein elektronischer Schalter 35 geschaltet. Zwischen den Ausgang des Inverters 34 und den Ausgang des Rückkopplungsintegrators 32 ist ein elektronischer Schalter 36 in Reihe mit einem elektronischen Schalter 37 geschaltet, wobei die Verbindungsstelle dieser Schalter mit einem Ende eines Spannungsteilers verbunden ist, der von einem Widerstand 38 in Reihe mit einem Widerstand 39 gebildet wird; das andere Ende dieses Teilers ist mit Masse·verbunden.

Der Abgriff dieses Spannungsteilers ist über einen elektronischen Schalter 4o mit dem nichtinvertierenden Eingang des Puffers 21 verbunden. Der invertierende Eingang des Puffers 21 ist mit dem Ausgang eines "Null"-Verstärkers 41 verbunden, dessen Eingang über einen elektronischen Schalter 42 mit dem Ausgang des Verstärkers 25 hohen Verstärkungsfaktors verbunden ist; ein Haltekondensator 43 ist zwischen den Eingang des Null-Verstärkers 41 und Masse geschaltet.

Das Logiksignal A dient, wenn es hoch ist, dazu, gleichzeitig beide Schalter 19 und 3o zu aktivieren. Das Logiksignal B ist das Komplement des Logiksignals A und dieses Signal dient, wenn es hoch ist, dazu, den Schalter 4o zu aktivie-

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ren. Der Schalter 43 wird aktiviert, wenn das Logiksignal C hoch ist; der Schalter 37 wird aktiviert, wenn das Logiksignal D hoch ist; und der Schalter 42 wird aktiviert, wenn das Logiksignal E hoch ist.

Betriebsweise:

Wenn der elektronische Schalter 17, der zwischen den Verstärker 18 für das Elektrodensignal und den Pufferverstärker 21 geschaltet ist, durch das Logiksignal A von der Taktgebungslogik TL aktiviert wird, dann erreicht das geformte Analogsignal vom Verstärker 18 den Verstärker 21. Das tritt nur während eines Intervalls auf, in dem das Elektrodensignal in einem stationären Zustand ist, so daß dadurch Einschwingvorgänge, die im Signal vorhanden sind, durch Diskriminierung ausgeschlossen werden. In der Praxis kann dieses Intervall wenigstens 25 % jeder Halbperiode des Erregungszyklus betragen, dessen Dauer durch das Torsignal G bestimmt wird. Das Logiksignal A wird in dem letzten 25 %-Intervall der Halbperioden aktiviert, die durch das Torsignal G erzeugt werden.

In Ansprechung auf den resultierenden 25 %-Intervall-Abfragewert steuert der Pufferverstärker 21 den Integrator 22 in der Richtung der augenblicklichen Eingangssignalpolar ität, wie durch die Wellenformdarstellung in Fig. 2D angedeutet, welche die Form der Spannung darstellt, die am Ausgangsanschluß Y des Integrators 22 erzeugt wird. Am Ende des Abfrageintervalls, das durch das Logiksignal A . bestimmt wird, wird der Schalter 19 deaktiviert, so daß der Eingang zum Puffer 21 unterbrochen wird, und zu diesem Zeitpunkt wird der Schalter 4o dann durch das Logiksignal B aktiviert, welches das Komplement des Logiksignals A ist.

Der aktivierte Schalter 4o führt dann in Kombination mit

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dem Schalter 36 oder dem Schalter 37, welcher durch das Logiksignal C bzw. D aktiviert worden ist, eine Bezugsspannung zu dem nichtinvertierenden Eingang des Puffers 21 von der Polarität zu, welche erforderlich ist, um das Ausgangssignal des Integrators 22 auf Null zu bringen. Mit anderen Worten bedeutet das, daß auf jedes Abfragewert-Integrationsintervall unmittelbar eine Deintegrationsphase folgt.

Das Ausgangssignal des Integrators 22 wird dann über den Verstärker 25 hohen Verstärkungsfaktors dem Komparator 26 zugeführt, der eine Hysteresischarakteristik besitzt, so daß auf diese Weise eine Anordnung gebildet wird, die es ermöglicht, den Zeitpunkt genau zu bestimmen, in dem das Ausgangssignal des Integrators durch Null geht. Diese Information wird der Taktgebungs logik TL mittels des !Comparators 26 zugeführt.

Während des Zeitschlitzes, in dem der Integrator 22 auf Null zurückgeführt wird, wird der Hochfrequenzoszillator Q in der Taktgebungslogik TL torgesteuert, so daß von demselben ein Impulsbündel bzw. eine Impulsfolge entnommen wird, das bzw. die am Ausgangsanschluß Z erscheint. Die .Zahl von Oszillatorzyklen oder -impulsen in dem Bündel bzw. der Folge ist daher der Amplitude des Abfragewerts direkt proportional, wie in Fig. 2F angedeutet. Es ist aus dieser Figur ersichtlich, daß die aufeinanderfolgenden Ausgangsbündel bzw. -folgen am Anschluß Z innerhalb der durch die Deintetrationsintervalle definierten Zeitschlitze liegen. Infolgedessen ist das Ausgangssignal eine kontinuierliche Folge aufeinanderfolgender Impulsbündel.

In dem Ausgangssignal sind außerdem die Polarität angebende Impulse P-, P^, P,₍ etc. vorgesehen, welche während eines Teils der Torhalbperiode hoch bleiben, wenn die vorhergehende Polarität des Eingangssignals negativ gewesen ist.

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Infolgedessen erscheint der Impuls P- in Fig. 2F. nachfolgend auf eine ins Negative gehende geneigt verlaufende Spannung in der Integrationswellenform in Fig. 2D-. Jedoch ist die nächste geneigt verlaufende Spannung in dieser Integrationswellenform positiv; infolgedessen wird kein polaritätsanzeigender Impuls bis zum Impuls P, erzeugt, der auf.die nächste ins Negative gehende, geneigte Spannung folgt.

Das Signal, welches dazu dient, den Integrationsverstärker 22 auf seine Null-Basislinie zurückzuführen, wird von der Bezugsspannung am Anschluß R abgeleitet, die mittels des R-C-Netzwerks 27-28 entkoppelt und dann im Verstärker 29 verstärkt wird. Während des Intervalls, das durch das Logiksignal A definiert ist, wird, wenn das analoge Eingangssignal integriert wird, weil dann der Schalter 19 aktiviert ist, der Schalter 3o gleichzeitig durch das Signal A aktiviert, damit eine gleichzeitige Integration der Bezugsspannung durch den Rückkopplungsintegrator 32 ermöglicht wird. Am Ende der Integration des Eingangssignal wird der Schalter 3o deaktiviert, so daß der Rückkopp-lungsintegrator 32 seinen integrierten Wert der Bezugsspannung halten kann, bis der Integrationsverstärker 22 auf Null zurückgekehrt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Integrationskondensator 44, der dem Rückkopplungsintegrator 32 parallel geschaltet ist, durch den Schalter 35, welcher durch das Logiksignal E aktiviert wird, kurzgeschlossen. Auf diese Weise wird der Kondensator 44 in seinem entladenen Zustand gehalten, bis erneut eine Integration erforderlich ist.

Das Ausgangssignal des Rückkopplungsintegrators 32 wird außerdem durch den Inverter 34 genau invertiert, so daß ein Anlegen der Bezugsspannung mit der Polarität ermöglicht wird, welche zum Bewirken der Deintegration erforderlich ist. Die Ausgangswellenform der integrierten Rückkopplungs-

spannung, die am Anschluß X am Ausgang des Integrators 32 erscheint, ist in Fig. 2E dargestellt.

Außerdem findet während des Intervalls, welches durch das Logiksignal E definiert ist, das den Schalter 42 aktiviert, eine Null-Korrektur des Pufferverstärkers 21 und des integrierenden Verstärkers 22 statt. Wenn der Schalter 42 durch das Logiksignal E aktiviert wird, wird dann der Kondensator 43 mit dem Ausgang des Verstärkers 25 verbunden und auf dessen Ausgangsspannung aufgeladen. Dieser Spannungswert, der durch den Null-Verstärker 41 gepuffert wird, wird als eine negative Rückkopplungsspannung zum invertierenden Anschluß des Puffers 21 für den integrierenden Verstärker 22 zurückgeführt, um das Ausgangssignal des Verstärkers 25 nach Null zu treiben.

Wenn der Schalter 42 während der Signalspannungs- und Bezugsspannungs-Integration deaktiviert ist, wird der Null-Korrekturwert, der sich im Kondensator 43 befindet, gehalten, wodurch eine genauere Messung, als sie sonst möglich wäre, ermöglicht wird, während ein wiederhol- bzw. reproduzierbarer Startpunkt für die Integration erzielt wird.

Die Beziehungen zwischen den Logiksignalen A, B, C, D und E und den integrierten sowie deintegrierten geneigt verlaufenden Spannungen sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß das Integrationsneigungs-Intervall durch das Logiksignal A definiert wird, daß die Deintegrationsneigung durch das Logiksignal C oder D definiert wird, daß das Intervall zwischen dem Ende der Deintegrationsneigung und dem Beginn des nächsten Integrationsvorgangs durch das Logiksignal E definiert wird und daß das Intervall zwischen dem Ende einer Integration und dem Beginn eines nächsten Integrationsvorgangs durch das Signal B definiert wird.

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Um Strömungsmessungen unter Verwendung dieses Systems durchzuführen, werden Torimpulse G, die auch am Ausgangsanschluß G_Q der Taktgebungslogik TL verfügbar sind, und die Impulsbündel, die am Ausgangsanschluß Z abgegeben werden, durch optische Schnittstellen oder andere Isolationsbzw. Trenneinrichtungen an einen digitalen Zähler und eine Datenverarbeitungs-Schaltungsanordnung DC gegeben.

Die augenblickliche Strömung wird repräsentiert durch die Summe des Werts, der gezählt worden ist, während das Torsignal G hoch war, und dem Inversen bzw. Entgegengesetzten des Werts, der gezählt worden ist, während das Torsignal G niedrig war. Beispielsweise ergibt ein Ablesewert von +1ooo für ein hohes Torsignal und ein solcher von -5oo für ein niedriges Torsignal einen Nettowert für die Strömung von +15oo; wohingegen ein Wert von -2ooo bei hohem Torsignal und von -75o bei niedrigem Torsignal einen Wert von -125o für die Strömung ergeben. Infolgedessen ist das Strömungsmeßsystem gemäß der Erfindung inhärent doppelseitig gerichtet.

Vorteile:

Ein wesentlicher Vorteil des vorstehend beschriebenen Systems besteht darin, daß es nur zwei leicht von der Messung isolierbare Logikleitungen erfordert, um eine Wechselstromströmunsmessung durchzuführen, welche das Verhältnis des Strömungssignals zum Bezugssignal wiedergibt. Diese Technik ist auf jedes Wechselstromsystem anwendbar, in dem man ein genaues Verhältnis von Signal-zu-Bezugswert erzielen will.

Die Einfachheit des Systems, vermindert außerdem die Kompliziertheit der Schaltungen, die zum weiteren Verarbeiten des digitalen Ausgangssignals unter Verwendung eines Mikroprozessors erforderlich sind. Man kann Durchschnittspro-

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gramme auf mit Rauschen behaftete Strömungssignale unter Verwendung eines Mikroprozessors minimaler Kompliziertheit für diesen Zweck anwenden.

Insgesamt ermöglicht es ein Analog-zu-Digital-Wandler gemäß der Erfindung, die folgenden Vorteile zu erzielen:

(1) Eine wirkliche Integration des Strömungseingangssignals über eine Vielzahl von Netzperioden ergibt ein Maximum an Ausscheidung von auf das Stromnetz bezogenem Rauschen wie auch von Hochfrequenzrauschen.

(2) Die Deintegration unter Verwendung eines wirklichen, vom Fluß abgeleiteten Signals, das über das gleiche ■ Intervall hinweg wie das Eingangssignal integriert worden ist, macht genaue Messungen möglich.

(3) Die Angabe des Polaritätszustands ermöglicht eine Verwendung bei umgekehrten Strömungszuständen oder Zuständen, in denen dem Strömungssignal Gleichstrom-Einschwingvorgänge überlagert sind.

(4) Das Ausgangssignal kann leicht einer weiteren digitalen Signalverarbeitung unterworfen werden, ohne daß die Ausgaberate bzw. -geschwindigkeit einer Änderung übermäßig langsam gemacht wird. Im einfachsten Sinne ist das Strömungsausgangssignal-gleich der Summe von zwei aufeinanderfolgenden Ablesewerten entgegengesetzter Polarität.

Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform eines Analog-zu-Digital-Wandler s für einen elektromagnetischen Strömungsmesser gemäß der Erfindung dargestellt und beschrieben worden ist, sind im Rahmen des Gegenstands der Erfindung und des allgemeinen Erfindungsgedankens viele Änderungen und Abwandlungen möglich.

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Infolgedessen ist die Erfindung, obwohl sie in Verbindung mit einer bipolaren pulsierenden Erregungswelle in einem magnetischen Strömungsmesser, in dem der Erregungsstrom abwechselnd "ein" und "aus" geschaltet wird, beschrieben wurde, auch auf eine pulsierende Welle anwendbar, die intermittierend positiv und dann negativ bzw. ins Positive und dann ins Negative gepulst wird.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H.^WeickMaInTn', DVpl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.Ing. H.Liska 3106396

8000 MÜNCHEN 86, DEN 2 0, Feb, 1981

POSTFACH 860 820 FP-383 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

FISCHER & PORTER COMPANY Warminster, Pennsylvania 18974, V.St.A.

Wandler, insbesondere Analog-zu-Digital-Wandler für einen elektromagnetischen Strömungsmesser

Patentansprüche

Wandler, insbesondere Analog-zu-Digitalr-Wandler für einen elektromagnetischen Strömungsmesser, welcher Wandler auf ein pulsierendes Analogsignal anspricht, dessen Wellenform von aufeinanderfolgenden Impulsperioden, die eine Amplitude haben, welche eine Punktion einer Variablen ist, gebildet wird, um ein Digitalsignal zu erzeugen, welches die Variable repräsentiert, dadurch gekennzeichnet , daß der Wandler folgendes umfaßt: (A). eine Einrichtung (19) zum Abfragen der aufeinanderfolgenden Impulsperioden des Analogsignals während eines vorbestimmten Intervalls zum Zwecke des Erzeugens einer kontinuierlichen Folge von Signal-Abfrage-

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werten;

(B) eine Einrichtung (22) zum Integrieren jedes Abfragewerts in der Folge der Abfragewerte, insbesondere in der kontinuierlichen Folge der Abfragewerte, während des Intervalls zum Erzeugen einer geneigt verlaufenden Spannung, die sich von einem Basisniveau zu einem Spitzenniveau erstreckt, das von der Amplitude des Abfragewerts abhängt, und dann zum Deintegrieren des Abfragewerts zurück zum Basisniveau in einem Zeitschlitz, dessen Dauer dem Spitzenniveau direkt proportional ist;

(C) eine stabile Quelle (Q) von Hochfrequenzimpulsen; und

(D) eine Einrichtung (TL) zum Abnehmen eines Bündels von Impulsen von der Quelle (Q) während jedes Zeitschlitzes zum Erzeugen einer kontinuierlichen Folge von Impulsbündeln, von denen jedes einen Zählwert bzw. eine Anzahl von Impulsen hat, der bzw. die von der Dauer des zugehörigen Zeitschlitzes abhängt, so daß dadurch das gewünschte Digitalsignal zur Verfügung steht.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Quelle (Q) ein kristallgesteuerter Oszillator ist.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Folge von Impulsbündeln polaritätsanzeigende bzw. -angebende Impulse aufweist, so daß dadurch die Polarität des durch das Bündel repräsentierten Abfragewerts angezeigt bzw. angegeben wird.
4. Wandler nach Anspruch 1/2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Polarität der geneigt verlaufenden Spannung derjenigen des Abfragewerts entspricht.
5. Wandler, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet , daß er in Kombination einen elektromagnetischen Strömungsmesser (1o bis 14) aufweist, in dem ein zu messendes Strömungsmittel durch ein Strömungsrohr (1o) hindurchgeht, so daß es ein Magnetfeld kreuzt, wobei die in dem Strömungsmittel induzierte Spannung auf ein Paar Elektroden (13, 14) übertragen und der Elektromagnet (11, 12) mit einem Erregungsstrom versorgt wird, der mit einer niedrigen Frequenzrate bzw. mit einer niedrigen Frequenz abwechselnd "ein" und "aus" geschaltet wird; wobei das resultierende strömungsinduzierte Signal während eines vorbestimmten Intervalls in jeder "Ein"- und "Aus"-Feldperiode abgefragt wird, so daß eine kontinuierliche Folge von Abfragewerten erzeugt wird, wobei aufeinanderfolgende Unterschiede zwischen den Abfragewerten zum Hervorbringen eines die Strömungsrate repräsentierenden Analogsignale dienen; und wobei ferner ein in Kombination mit dem elektromagnetischen Strömungsmesser (1o bis 14) vorgesehener Analog-zu-Digital-Wandle'r folgendes umfaßt:

(A) eine Einrichtung (22) zum Integrieren jedes Abfragewerts in der Folge der Abfragewerte, insbesondere in der kontinuierlichen Folge der Abfragewerte, während des Intervalls zum Erzeugen einer geneigt verlaufenden Spannung, die sich von einem Basisniveau zu einem Spitzenniveau erstreckt, das von der Amplitude des Abfragewerts abhängt, und dann zum Deintegrieren des Abfragewerts zurück zum Basisniveau in einem Zeitschlitz, dessen Dauer dem Spitzenniveau direkt proportional ist;

(B) eine stabile Quelle (Q) von Hochfrequenzimpulsen; und

(C) eine Einrichtung (TL) zum Abnehmen eines Bündels von Impulsen von der Quelle (Q) während jedes Zeitschlitzes zum Erzeugen, einer kontinuierlichen Folge von Impulsbündeln, von denen jedes einen Zählwert bzw. eine Anzahl von Impulsen hat, der bzw. die von der Dauer des zugehörigen Zeitschlitzes abhängt, so daß dadurch

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das gewünschte Digitalsignal zur Verfügung steht.
6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß bei dem in Kombination mit dem Wandler vorgesehenen elektromagnetischen Strömungsmesser (1o bis 14) der Erregungsstrom mittels eines Doppelweggleichrichters (15) zugeführt wird, der über einen elektronischen Schalter (16) an ein Standard-Wechselstromnetz angekoppelt ist, wobei der elektronische Schalter (16) mit einer Rate aktiviert wird, die ein in der Netzfrequenz enthaltener Paktor bzw. ein Submultiples der Netzfrequenz ist, so daß ein strömungsinduziertes Elektrodensignal in den abwechselnden "Ein"- und "Aus"-Perioden jedes Zyklus erzeugt wird.
7. Wandler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Integrations- und Deintegrationseinrichtung einen Integrationsverstärker (22) umfaßt oder ein Integrationsverstärker (22) ist, wobei das Elektrodensignal dem Verstärker (22) durch einen zweiten elektronischen Schalter (19) zugeführt wird, der während des vorbestimmten Intervalls in jeder der abwechselnden "Ein"- und "Aus"-Perioden aktiviert wird, so daß der Verstärker (22) die resultierenden Abfragewerte integriert.
8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er weiter eine Einrichtung (17) zum Hervorbringen einer Bezugsspannung aus dem Erregungsstrom, deren Größe von dem Strom abhängt, umfaßt, sowie eine Einrichtung (3o bis 4o, 44) zum Steuern der Deintegration des Integrationsverstärkers (22) entsprechend der Bezugsspannung.
9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugsspannung einem Rückkopp-

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lungsintegrator (32) über einen dritten elektronischen Schalter (3o) zugeführt wird, der synchron mit dem zweiten Schalter (19) arbeitet, so daß eine integrierte Rückkopplungsspannung zum Deintegrieren des Integrationsverstärkers (22) erzeugt wird.

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