DE3410798C2 - Elektromagnetischer Strömungsmesser - Google Patents
Elektromagnetischer StrömungsmesserInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Strömungsmesser mit einer Strömungsmengen-Detektorschaltung (10), einer Erregungsschaltung (23) zur Lieferung eines Erregungsstroms zur Detektorschaltung (10), einer Signalverarbeitungseinheit (25, 26) zum Abtasten (sampling) eines Ausgangssignals der Detektorschaltung (10) und zum Glätten dieses abgetasteten Ausgangssignals sowie einer Signalerzeugungsschaltung (31, 32) zur Lieferung eines Abtastsignals und eines Erregungssteuersignals zur Erregungsschaltung (23) bzw. zur Signalverarbeitungseinheit (25, 26). Die Signalerzeugungsschaltung (31, 32) liefert ein Signal mit einer Frequenz, die in einem Bereich von 0,5-10% von der Frequenz der Netzstromquelle abweicht, zur Signalverarbeitungseinheit (25, 26).
Description
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Strömungsmesser nach dem Oberbegriffdes Patentanspruches
1. Ein solcher Strömungsmesser arbeitet nach einem Rechteckwellen-Anregungsverfahren zur Messung
der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels.
Bei bisherigen, nach dem Rechteckwellen-Anregungsverfahren arbeitenden elektromagnetischen Strömungsmessern
wird ein Rechteckwellenstrom einer niedrigen Frequenz, die einen Bruchteil der Wechselstrom-Netzfrequenz
darstellt, durch eine Erregerspule eines Strömungsgeschwindigkeits-Detektors geleitet, und die
über zwei im Strömungsmittel angeordnete Elektroden induzierte Spannung wird abgegriffen, wobei ein sog.
Strömungsgeschwindigkeitssignal ohne 90°-Störsignal und ohne gleichphasiges Störsignal erhalten wird. Bei
ei nem elektromagnetischen Strömungsmesser dieser Art tritt keine Nullpunktschwankung auf, und sein Betrieb
ist stabil.
Fig. 1 veranschaulicht einen bisherigen, nach dem Rechteckwellen-Anregungsverfahren arbeitenden Strömungsmesser
mit einem Strömungsgeschwindigkeits-Detektor 10 zur Erzeugung eines Strömungsgeschwindigkeitssignales,
das proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit ist, und einem Signalprozessor 20 zur
Verarbeitung des Ausgangssignals dieses Strömungsgeschwindigkeits-Detektors 10. Der Strömungsgeschwindigkeits-Detektor
10 umfaßt eine vom leitfahigen Strömungsmitte' durchströmte Rohrleitung 11, zwei Elektroden
12 und 13, die im Rohr 11 einander gegenüberstehend angeordnet sind, und zwei Erregerspulen 14 und 15
zur Erzeugung eines das Rohr 11 schneidenden Magnetflusses. Der Signalprozessor 20 umfaßt andererseits eine
Signalquelle 21 mit Netzstromfrequenz, eine Erregersteuerschaltung 22 zur Erzeugung eines Rechteckwellcn-Abtastsignals
durch Formung der Wellenform des Signals von der Signalquelle 21 und zur Frequenzteilung dieses
Abtastsignals zwecks Lieferung eines Erregungssteuersignals mit einer Frequenz gleich einem ganzzahligcn
Bruchteil der Netzstromfrequenz, eine Anregungs- oder Erregungsschaltung zur abwechselnden Lieferung
zweier konstanter Ströme mit zueinander unterschiedlichen Polaritäten oder Größen zu den Erregerspulen 14
so und 15 nach Maßgabe des Erregungssteuersignals von der Erregungssteuerschaltung 22, eine VerstärkerMnverterschaltung
24 zum Verstärken der zwischen den Elektroden 12,13 induzierten Spannung und zum Invertieren
der verstärkten Spannung in jeder Halbperiode, eine Abtastschaltung 25 zum Abtasten eines Ausgangssignals
von der Schaltung 24 nach Maßgabe eines Abtastsignals von der Steuerschaltung 22 sowie eine Wandlerschaltung
26 zum Umwandeln oder U msetzen des durch die Abtastschaltung 25 abgetasteten Signals in einen G leichstrom
im Bereich von 4-20 mA, um dabei ein der Strömungsgeschwindigkeit proportionales Strömungsgeschwindigkeitssignal
zu liefern. Auf diese Weise bilden die Schaltungen 24,25 und 26 zusammen eine Signalverarbeitungsschaltung
zum Verarbeiten eines Ausgangssignales vom Strömungsgeschwindigkeits-Detektor 10.
Fig. 2 zeigt ein praktisches Schaltbild der Abtastschaltung 25. Diese umfaßt einen Integrierkreis 25 A zum
Integrieren des von der Verstärkerschaltung 24 über einen Schalter 25B und einen Widerstand 25 C gelieferten
Signals und ein Flipflop 25 D (Setzeingang hoher Priorität), das an seiner Rücksetzeingangsklemme ein Ausgangssignal
des Integrierkreises ISA über einen Komparator 25 £ abnimmt. Der Q-AusganguesI?!ipi!Gps25Z>
ist an die eine Eingangsklemme eines UND-Glieds 25/"angeschlossen, das an seiner anderen Eingangsklemme
das Abtastsignal von der Erregungssteuerschaltung 22 über einen Inverter 25 G abnimmt. Zudem wird das
Abtastsignal von der Steuerschaltung 22 einer Setzeingangsklemme des Flipflops 25 D zugeführt. Ein Schalter
25 H und eine Bezugsspannungsquelle 25/ sind zwischen Masse und die Verzweigung zwischen dem Schalter
255 und dem Widerstand 25 C eingeschaltet. Die Schalter 255 und 25 H werden durch das Abtastsignal der
Steuerschaltung 22 bzw. ein Ausgangssignal des UND-Glieds 25F angesteuert.
Beim elektromagnetischen Strömungsmesser nach Fig. 1 und 2 wird das Signal mit Netzstromlrequenz
Beim elektromagnetischen Strömungsmesser nach Fig. 1 und 2 wird das Signal mit Netzstromlrequenz
-dfifc.
(Fig. 3 A) von der Signalquelle 21 zur Erregungssteuerschaltung 22 geliefert; letztere bewirkt eine Wellenformung
an diesem Eingangssignal und erzeugt ein Rechteckwellen-Abtastsignal einer Frequenz entsprechend der
Netzstrorafrequenz (Fig. 3 B) und bewirkt gleichzeitig die Frequenzteilung dieses Abtastsignals zwecks Lieferung
des Erregungssteuersignals gem?5 Fig. 3 C, dessen Frequenz ein ganzzahliger Bruchteil, z. B. 1/2, der
Netzstromfrequenz ist. Die Erregungsschaltung23 liefert selektiv zwei konstante Ströme verschiedener Polaritat
oder Größe zu den Erregerspulen 14,15 entsprechend dem niedrigen oder hohen Pegel dieses Erregungssteuersignals.
Infolgedessen wird zwischen den Erregerspulen 14,15 ein wechselnder Magnetfluß erzeugt, so
daß zwischen den Elektroden 12,13 eine Spannung induziert wird. Diese induzierte Spannung wird durch die
Verstärker/In verterschaltung 24 verstärkt, in einer Halbperiode invertiert und der Abtastschaltung 25 als Signalspannung
gemäß F i g. 3 D zugeführt Die Abtastschaltung 25 tastet die Ausgangsspannung von der Verstärker/
Inverterschaltung, ausgelöst durch die Vorderflanke des Abtastsignals gemäß Fig. 3 B, ab, d. h. zu einem Zeitpunkt,
zu dem die Magnetfeldstärke konstant ist, und sie liefert damit eine der Strömungsgeschwindigkeit proportionale
Ausgangsspannung. Die auf diese Weise abgetastete Spannung wird durch die Wandlerschaltung 26
geglättet und danach in einen Gleichstrom im Bereich von 4-20 mA umgewandelt.
Wenn das Abtastsignal des hohen Pegels gemäß Fig. 3 B von der Erregungssteuerschaltung 22 zur Abtast- is
schaltung 25 geliefert wird, wird der Schalter 25 S für eine Zeitspanne entsprechend einer Periode der Netzstromfrequenz
geschlossen, so daß die in F i g. 3 D dargestellte Ausgangsspannung von der Verstärker/Inverterschaltung
24 zum Integrierkreis 25 A geliefert wird. Daraufhin integriert letzterer die Ausgangsspannung von der
Schaltung 24 für eine Zeitspanne bzw. ein Intervall entsprechend einer Periode der Netzstromfrequenz,
wodurch eine gemäß Fi g. 3 E monoton ansteigende Ausgangsspannung erzeugt wird. Diese Ausgangsspannung
des Integrierkreises 25 Λ wird über den Komparator 25 £ dem Rücksetzeingang des Flipflops 25 D zugeführt.
Wenn dann das Abtastsignal auf einen niedrigen Pegel geht, werden das Flipflop 25 D gesetzt und ein hochpege-I
iges Signal vom UND-Glied 25 F geliefert, so daß der Schalter 25 H schließt. Infolgedessen wird eine Spannung
einer der Ausgangsspannung von der Schaltung 24 entgegengesetzten Polarität von der Bezugsspannungsquelle
25/ dem Integrierkreis 25 Λ zugeführt. Während letzterer die Ausgangsspannung von der Bezugsspannungsquelle
25 / integriert, fallt gemäß F i g. 3 E die Ausgangsspannung des Integrierkreises 25 A allmählich ab. Wenn
festgestellt wird, daß die Ausgangsspannung des Integrierkreises 25 A den Pegel 0 erreicht hat, liefert der Komparator
25 E ein Ausgangssignal zum Rücksetzen des Flipflops 25 D. Demzufolge kann das UND-Glied 25 F ein
niedrigpegeliges Signal erzeugen, wodurch der Schalter 25 H geöffnet wird. Die Schließzeit des Schalters 25 H
ist bekanntlich dem Pegel der Ausgangsspannung der Schaltung 24 proportional, während sie dem Ausgangsspannungspegel
der Bezugsspannungsquelle 25/ umgekehrt proportional ist. Da der Ausgangsspannungspegel
der Bezugsspannungsquelle 25 / konstant ist, kann ein Ausgangssignal des UND-Glieds 25 F, das die Zeitspanne
bzw. das Intervall, während der bzw. dem der Schalter ZSH geschlossen ist, angibt, als Strömungsgeschwindigkeitssignal
einer der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Impulsbreite abgenommen werden.
Da bei diesem elektromagnetischen Strömungsmesser die Frequenz des Erregungssteuersignals von der Netz-Stromfrequenz
verschieden ist, kann der Einfluß eines Störsignals aufgrund der Netzstromquelle auf ein Mindestmaß
reduziert werden. Da zudem das Integrationsabtastintervall gleich einer Periode der Netzstromfrequenz
gesetzt ist, wird auch dann, wenn auf die z. B. in F i g. 3 F gezeigte Weise das Störsignal von der Netzstromquelle
mit dem Strömungsgeschwindigkeitssignal vermischt bzw. diesem überlagert ist, die Störsignalkomponente durch Integrieren dieses Signals ausgeschaltet, so daß der Einfluß der Überlagerung dieses Störsignals auf
das Strömungsgeschwindigkeitssignal auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird.
Wenn andererseits die mit der Netzstromfrequenz arbeitende Signalquelle 21 zur Gewinnung des Erregungssteuersignals
verwendet wird, kann die Strömungsgeschwindigkeit bei einem Ausfall der Stromversorgung nicht
gemessen werden. Beim Auftreten einer augenblicklichen Unterbrechung der Stromversorgung schwanken außerdem
der Erregungszyklus und der Abtasttakt, so daß hierdurch ein Meßfehler eingeführt wird. Weiterhin beeinfiußt
eine Schwankung der Stromfrequenz den Frequenzgang des Verstärkers unter Einführung eines Meßfehlers.
Üblicherweise werden daher ein Gleichstrom-Ansteuerverfahren angewandt und eine Schwingschaltung zur
Erzeugung eines Schwingungssignals einer der Netzstromfrequenz entsprechenden Schwingfrequenz sowie
eine HilfsStromversorgung verwendet.
Wenn andere, elektrischen Strom führende Geräte, Kabel o. dgl. in der Nähe des elektromagnetischen Strömungsmessers
angeordnet sind, wird in vielen Fällen das von der Netzstromquelle induzierte Störsignal einem
Ausgangssignal des Strömungsgeschwindigkeits-Detektors 10 zugemischt bzw. überlagert. Wenn dabei die
Netzstromfrequenz genau der Schwingfrequenz der Schwingschaltung entspricht, ergeben sich keine besonderen
Probleme. Dagegen kann die Netzstromfrequenz je nach Bezirk oder Land in einem Bereich von z. B.
48-52 Hz schwanken. Aus diesem Grund ist es praktisch unmöglich, die Schwingfrequenz der Schwingschaltung
jederzeit genau auf die Netzstromfrequenz einzustellen, und es ist auch schwierig, das Abtastintervall so
einzustellen, daß es einer Periode der Netzstromfrequenz entspricht. Bei Verwendung der Schwingschaltung ist
es daher schwierig, durch die Netzstromquelle induzierte Störsignale wirksam auszuschalten oder zu unterdrücken;
demzufolge ist auch eine genaue Messung der Strömungsgeschwindigkeit schwierig zu gewährleisten.
Aus der US-FS 42 06 641 ist ein elektromagnetischer Strömungsmesser bekannt, bei dem da? Ausgangssignal
einer durch einen Rechteckimpuls angeregten Detektoreinheit in einen Impulsbreiten-Modulator eingespeist
und aus der Impulsbreite des von diesem erhaltenen Signales auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen
wird. Auf mit Schwankungen der Netzfrequenz zusammenhängende Probleme wird aber nicht eingegangen.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines elektromagnetischen Strömungsmessers, bei dem der
Einfluß eines Störsignals aufgrund der Netzstromquelle auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden kann und der
die Strömungsgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit zu messen vermag.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein elektromagnetischer Strömungsmesser mit einer Strömungsgeschwindigkeits-Detektoreinheit
zur Erzeugung eines Strömungsgeschwindigkeitssignales, das proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines leitfähigen Strömungsmittels ist, einer Erregungsschaltung zur Lieferung
eines Erregungsstroms zu dieser Strömungsgeschwindigkeits-Detektoreinheit, einer Signalverarbeis
tungseinheit zum Abtasten eines Ausgangssignals der Strömungsgeschwindigkeits-Detektoreinheit und zum
Glätten des abgetasteten Signals sowie einer Signalerzeugungseinheit zur Lieferung eines Abtastsignals einer
Frequenz, die um 0,5-10% von dem Nennwert der Netzstromfrequenz abweicht, zur Signalverarbeitungseinheil
und zur Lieferung eines Erregungssteuersignals einer Frequenz entsprechend einem ganzzahligen Bruchteil der
Frequenz dieses Abtastsignals zur Erregungsschaltung.
Da die Frequenz des von der Signalerzeugungseinheit gelieferten Abtastsignals erfindungsgemäß um
0,5-10% von dem Nennwert der Netzstromfrequenz abweichend gewählt ist, kann auch dann, wenn ein von der
Netzstromquelle herrührendes Störsignal mit dem Strömungsgeschwindigkeitssignal von der Strömungsgeschwindiigkeits-Detektoreinheit
vermischt bzw. diesem überlagert ist, die überlagerte Störsignalkomponente
durch Glättung des Strömungsgeschwindigkeitssignals in der Signalverarbeitungseinheit zufriedenstellend ausis
geschaltet oder beseitigt werden.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bisherigen, durch eine Netzstromquelle angesteuerten elektromagnetischen
Strömungsmessers,
Fig. 2 ein Schaltbild einer Abtastschaltung beim Strömungsmesser nach Fig. 1,
Fig. 2 ein Schaltbild einer Abtastschaltung beim Strömungsmesser nach Fig. 1,
Fi g. 3 A bis 3 F graphische Darstellungen von Signalwellenformen zur Veranschaulichung der Arbeitsweise
des Strömungsmessers nach Fig. 1 und 2,
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines elektromagnetischen Strömungsmessers gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung, der eine Schwingschaltung aufweist, die auf einer von dem Nennwert der Netzstromfrequenz verschiedeinen
Frequenz schwingt,
F i g. 5 A bis 5 G Wellenformdiagramni e zur Erläuterung der Arbeitsweise des Strömungsmessers nach F i g. 4,
Fig. 6 eine graphische Darstellung eii ter Änderung des Ausgangsstroms des Strömungsmessers für den Fall,
daß beim Strömungsmesser nach Fig. 4 die Frequenz der Schwingschaltung geändert wird,
Fig. 7 A und 7 B graphische Darstellungen der Ausgangskennlinien der elektromagnetischen Strömungsmesser
nach Fig. 1 bzw. Fig. 4 und »,
Fig. 8 ein Schaltbild einer Schwingschaltung, die anstelle der Schwingschaltung nach Fig. 4 eingesetzt wer- |||
den kann. $
Die Fig. 1 bis 3 sind eingangs bereits erläutert worden. jj
Der in Fi g. 4 dargestellte elektromagnetische Strömungsmesser besitzt einen ähnlichen Aufbau wie derjenige *
nach Fi g. 1, mit dem Unterschied, daß eine Schwingschaltung 31 und eine Erregungssteuerschaltung 32 anstelle
der Signalquelle 21 und der Erregungssteuerschaltung 22 (gemäß Fig. 1) vorgesehen sind. Die Schwingschaltung
31 enthält einen astabilen Multivibrator, der durch in Reihe geschaltete Inverter 31A und 315, einen
Widerstand 31C und einen Kristall-Resonator 31D gebildet wird, sowie einen Frequenzteiler 31E zur Frequenzteilung
eines Schwing-Ausgangssignals vom astabilen Multivibrator zwecks Lieferung eines Ausgangssignals
einer Frequenz, die in einem Bereich von 0,5 -10% von dem Nennwert der Netzstromfrequenz abweicht,
zur Erregungssteuerschaltung 32. Somit bilden die Schaltung 31 und 32 zusammen eine Signalerzeugungseinheit
zum Erzeugen eines Abtastsignales und eines Anregungssteuersignales.
Beim elektromagnetischen Strömungsmesser nach F i g. 4 sei nun vorausgesetzt, daß das von der Netzstrom- _'
quelle herrührende Störsignal dem der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen, zwischen zwei Elektroden 12
und 13 abgenommenen Signal überlagert ist In diesem Fall wird ein Signal E 3, von dem eine StÖrsignalkomponente
El sin ω t (mit ω = Winkelfrequenz der Netzstromquelle) einer Strömungsgeschwindigkeitssignalkomponente
E1 überlagert ist, von der Verstärker/Inverterschaltung 24 geliefert. Dabei läßt sich E 2 durch folgende
Gleichung ausdrücken:
£3 =E\ +£2sini»/ (D
Es sei nun angenommen, daß der Integrierkreis 25 A (F i g. 2 in der Abtastschaltung 25 das Eingangssignal E 3
ab einem Zeitpunkt 11 für ein Abtastintervall T integriert, das sich in Abhängigkeit von der Schwingfrequenz ^
der Schwingschaltung 31 bestimmt; in diesem Fall liefert der Integrierkreis 25 A ein integriertes Ausgangssignal '
EA, das sich durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:
ii + r '
1 FI F?
£4=1 -!-(£1 +£2sin<ar)d/ = ^7-T--Z-=-{cos(a>T + <otl) - costotl] (2)
* RC RC (U RC <
wobei RC die Zeitkonstante des Integrierkreises 25Λ darstellt
Wenn in Gleichung (2) T = —.> d. h. das Abtastintervall T gleich einer Periode der Netzstromfrequenz, gesetzt V
werden kann, wird der zweite Ausdruck auf der rechten Seite von Gleichung (2) zu 0, so daß die der Strömungs- '
geschwindigkeitssignaikomponente E1 überlagerte Störsignalkomponente £2 sin ω t vollständig ausgeschaltet ja
werden kann. Da jedoch in der Praxis die Netzstromfrequenz schwankt, ist die Vorgabe der Bedingung T=- ~§
unmögl ich; der zweite Ausdruck an der rechten Seite von Gleichung (2) kann daher nicht vernachlässigt werden. f
Wenn nun vorausgesetzt wird, daß T = —-^-— gilt, so bestimmt sich der zweite Ausdruck N an der rechten
ω + Δω
Seile durch folgende Gleichung:
Fl
N = -—- [cos(<oT + ω/1) - cos ω/1}
ω RC
ω RC
a>RC
-2 ·
El
(uRC
2· El
. ωΤ . (ωT , , \
in—— · sin (-τ— + ω/1 J
in—— · sin (-τ— + ω/1 J
. (ω 1π \ . (ω Γ , Λ
in I — · ) ■ sin ( + ω 11
\2 ω +AmJ \ 2 /
-2£2 sin
sin ^- ^f *)■ smhL + ωΐΛ
Wenn nun angenommen wird, daß die Zeit ti die Anfangszeit des Abtastzyklus zum «-ten Zeitpunkt (mit
η = eine positive ganze Zahl) ist, ergibt sich 11 = 2 nT, und Gleichung (3) läßt sich weiter wie folgt umschreiben:
N = · sin ( π · sin — + 2 η
\
0RC
\ ω J \\2
J ω+ Δω Jf
2 El
■ Sin ι π ι· sin j I-^ ι— τ zn ιι ι ι ;
El . (Δω \ . L /\ , - \Αω \
= —-— ■ sin I π · sin 2π (— + In )
foRC
\ ω J
I V 2 J ω j
El Δω . (. Δω \ ...
-—· π-smUnn
) (4)
O)RC ω \ ω J
ΔωΙω<\.
Wie sich aus Gleichung (4) ergibt, ist die Störsignal komponente W der Differenz Δ ω zwischen der Netzstromfrequenz
und der Schwingfrequenz proportional, und sie wird als Schwebungssignal niedriger Frequenz durch
Multiplizieren der Differenz A ω mit der Anregungsfrequenz 4 η π erhalten. Wenn in diesem Fall die Netzstromfrequenz
und die Schwingfrequenz der Schwingschaltung 31 einander gleich sind, so gilt A ω = 0, so daß die Stör-Signalkomponente
vollständig beseitigt werden kann. Wenn dagegen die Differenz A ω klein ist, obgleich die
Störsignalamplitude klein ist, bleibt die Störsignalkomponente als Schwebungssignal extrem niedriger Frequenz
zurück. Falls die Differenz A ω jedoch eine bestimmte Größe besitzt, verbleibt das Störsignal als Schwebungssignal
hoher Frequenz.
Andererseits weist die Wandlerschaltung 26 eine Dämpfungsschaltung erster Ordnung auf, die üblicherweise
eine Zeitkonstante von mindestens einer Sekunde besitzt, um das Ausgangssignal der Abtastschaltung 25 zu
glätten. Obgleich eine solche Schaltung das Hochfrequenz-Eingangssignal merklich zu dämpfen vermag, kann
sie das niederfrequente Eingangssignal kaum dämpfen. Genauer gesagt: wenn die Störsignalkomponente
äußerst niedriger Frequenz und mit kleiner Differenz Δ ω dieser Dämpfungsschaltung erster Ordnung zugeführt
wird, wird diese Störsignalkomponente kaum gedämpft, so daß sie der Strömungsgeschwindigkeitssignalkomponcnte
überlagert bleibt. Wenn andererseits die Differenz Δ ω eine bestimmte Größe besitzt und die Störsignalkomponente
mit hoher Schwebungsfrequenz der Dämpfungsschaltung erster Ordnung zugeführt wird, wird
diese Störsignalkomponente beträchtlich gedämpft und somit in dieser Dämpfungsschaltung beseitigt, so daß
das Ausgangssignal entsprechend der Strömungsgeschwindigkeitssignalkomponente erhalten wird.
Der Einfluß dieser Störsignalkomponente ist nachstehend anhand der Fig. 5 A bis SG beschrieben.
F i g. 5 A ist ein Wellenformdiagramm der üblichen Netzspannung von 50 Hz, und Fi g. 5 B veranschaulicht ein
Abtastsignal, dessen Frequenz auf 49,9 Hz eingestellt ist und das der Abtastschaltung 25 zugeliefert wird. Wenn
dabei das Ausgangssignal des Integrierkreises 25 A der Abtastschaltung 25 keine Störsignalkomponente enthält,
steigt es mit einer von der Strömungsgeschwindigkeit abhängenden Geschwindigkeit oder Rate an, wie in F i g. 5
durch die gestrichelten Linien angedeutet Für den Fall, daß jedoch das Störsignal aufgrund der Netzstromquelle
überlagert ist, wird z. B. das in ausgezogenen Linien dargestellte Ausgangssigna], dessen überlagerte
Größe der Strömungsgeschwindigkeitssignalkomponente und der Störsignalkomponente integriert ist, vom
Integrierkreis 25 A geliefert (ausgezogene Linien). Hierbei ist zu beachten, daß die Frequenz der Störsignal-
komponente außerordentlich klein ist, weil die Differenz Λ ω klein ist, und der Einfluß, den die Störsignalkomponente
auf das integrierte Ausgangssignal ausübt, schwankt daher nicht über eine ziemlich lange Zeit. Wenn
nämlich z. B. auf die in Fig. 5 C gezeigte Weise eine Tendenz dahingehend besteht, daß die Störsignal komponente
das integrierte Ausgangssignal in einem bestimmten Integrationszyklus erhöht, ändert sich diese Tendenz
S auch bei einer ziemlich großen Zahl folgender Integrationszyklen nicht, so daß das integrierte Ausgangssignal
durch die Störsignalkomponente auch bei diesen folgenden Integrationszyklen verstärkt wird. Wenn daher das
Ausgangssignal der Abtastschaltung 25 in der Wandlerschaltung 26 auf die in Fig. S D gezeigte Weise geglättet
wird, wird das Ausgangssignal mit dem höheren als dem normalen Pegel, in den Wellenformdiagrammen durch
die gestrichelten Linien dargestellt, erhalten, wenn keine Störsignalkomponente überlagert ist.
ίο Wenn dagegen gemäß F i g. 5 E die Schwingschaltung 31 ein Schwingsignal mit einer Frequenz von 48 Hz und
mit einer um 2 A t längeren Periode als der des Abtastsignals gemäß Fig. 5 B erzeugt, wird die Frequenz der im
integrierten Ausgangssignal enthaltenen Störsignalkomponente hoch, weil die Differenz A ω groß ist. Infolgedessen
wird gemäß Fig. SF das integrierte Ausgangssignal bei der normalen Größe beispielsweise in jedem
Integrationszyklus aufgrund des Einflusses der Störsignalkomponente groß oder klein. Wenn daher das Aus-
IS gangssignal der Abtastschaltung 25 in der Wandlerschaltung 26 geglättet wird, können die Einflüsse aufgrund
der Störsignalkomponenten in folgenden Integrationszyklen aufgehoben werden, so daß gemäß Fig. 5G ein
Ausgangssignal eines Pegels, der nahezu dem Normalpegel gleich ist, von der Wandlerschaltung 26 erhalten
Fig. 6 veranschaulicht die Beziehung zwischen der maximalen Schwankung des Ausgangssignals der Wandlerschaltung
26 nach F i g. 4 in bezug auf seinen mittleren Pegel oder Wert und der Differenz A f zwischen der
Störsignal- und der Schwingfrequenz für den Fall, daß die Frequenz des Störsignals aufgrund der Netzstromquelle
mit 50 Hz festgelegt ist und ein Strömungsmittel mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit durch das
Rohr 11 geleitet wird, während die Schwingfrequenz der Schwingschaltung 31 geändert wird. In diesem Fall ist
zudem die Frequenz des Erregungssteuersignals auf Ve der Abtastfrequenz gesetzt.
Aus den obigen Versuchsdaten geht folgendes hervor: Wenn die Differenz A / zwischen der Schwingfrequenz
der Schwingschaltung 31 und der Störsignalfrequenz auf 0,25-5 Hz, nämlich wenn das Verhältnis der
Differenz .d/ zur Störsignalfrequenz auf (den Bereich von) 0,5-10% eingestellt wird, wird die maximale
Schwankung (bzw. Welligkeit) des Ausgangssignals der Wandlerschaltung 26 in bezug auf seinen Mittelwert auf
weniger als 0,1% unterdrückt, so daß die Wandlerschaltung 26 ein Ausgangssignal liefern kann, das der Strömungsgeschwindigkeit
mit hohem Genauigkeitsgrad proportional ist.
Die F i g. 7 A und 7 B veranschaulichen die Ergebnisse einer 2 min langen Messung des von der Wandlerschaltung
26 gelieferten Ausgangsgleichstroms in einem Skalenbereich von 4-20 mA für den Fall, daß eine Netzstromquelle
von 50 Hz verwendet und ein Strömungsmittel mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit durch
das Rohr 11 geleitet wird. F i g. 7 A zeigt die Meßdaten oder -werte bei einer Abtastfrequenz von 50 Hz und einer
Erregungsfrequenz von 6,25 Hz. F i g. 7 B zeigt die mit einer Abtastfrequenz von 48,56 Hz und einer Erregungsfrequenz von 6,07 Hz erzielten Meßdaten.
Beim Beispiel gemäß Fig. 7 A schwankt die Netzstromfrequenz, und sie besitzt eine geringe Frequenzdifferenz
gegenüber der Abtastfrequenz, so daß der Ausgangsgleichstrom der Wandlerschaltung 26 auf vorher
erwähnte Weise einem großen Einfluß durch Störsignale aufgrund der Netzstromquelle unterworfen wäre. Da
beim Beispiel gemäß F i g. 7 B dagegen die Abtastfrequenz so eingestellt oder vorgegeben ist, daß sie einen Frequenzunterschied
von etwa 1,5 Hz gegenüber der Netzstromfrequenz besitzt, ist der Einfluß des Störsignals aufgrund
der Netzstromquelle auf den Ausgangsstrom der Wandlerschaltung 26 aus dem vorher angegebenen
Grund minimiert.
Wenn beispielsweise Genauigkeit und Stabilität des der Erregungssteuerschaltung 32 einzuspeisenden Schwingsignais nicht so groß zu sein brauchen, kann anstelle der Schwingschaitung 31 z. B. die in F i g. 8 dargestellte Schwingschaltung verwendet werden. Diese umfaßt einen Operationsverstärker 40, in Reihe zwischen eine Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 40 und Masse geschaltete Widerstände 41 und 42 sowie einen Widerstand 43 und einen Kondensator 44, die zwischen der Ausgangsklemme d es Operationsverstärkers 40 und Masse in Reihe geschaltet sind. Die Verzweigung zwischen den Widerständen 41 und 42 ist an eine nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 40 angeschlossen, während die Verzweigung zwischen Widerstand 43 und Kondensator 44 an seiner invertierenden Eingangsklemme liegt Die Schwingfrequenz dieser Schwingschaltung kann in an sich bekannter Weise durch entsprechende Wahl der Werte der Widerstände 41-43 und des Werts des Kondensators 44 selektiv eingestellt werden.
Wenn beispielsweise Genauigkeit und Stabilität des der Erregungssteuerschaltung 32 einzuspeisenden Schwingsignais nicht so groß zu sein brauchen, kann anstelle der Schwingschaitung 31 z. B. die in F i g. 8 dargestellte Schwingschaltung verwendet werden. Diese umfaßt einen Operationsverstärker 40, in Reihe zwischen eine Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 40 und Masse geschaltete Widerstände 41 und 42 sowie einen Widerstand 43 und einen Kondensator 44, die zwischen der Ausgangsklemme d es Operationsverstärkers 40 und Masse in Reihe geschaltet sind. Die Verzweigung zwischen den Widerständen 41 und 42 ist an eine nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 40 angeschlossen, während die Verzweigung zwischen Widerstand 43 und Kondensator 44 an seiner invertierenden Eingangsklemme liegt Die Schwingfrequenz dieser Schwingschaltung kann in an sich bekannter Weise durch entsprechende Wahl der Werte der Widerstände 41-43 und des Werts des Kondensators 44 selektiv eingestellt werden.
Obgleich die Schwingschaltung 31 und die Erregungssteuerschaltung 32 getrennt voneinander ausgebildet
sind, können sie auch in einer einzigen Schaltkreiseinheit zusammengefaßt sein. Beispielsweise ist es möglich,
eine Schaltung zur Erzeugung eines Abtastsignals mit einer um m% (0,5 SmSlO) von der Nennfrequenz der
Netzstromquelle abweichenden Frequenz, eine Schaltung zur Erzeugung eines Erregungssteuersignals mit
einer um m% von der Frequenz entsprechend einem ganzzahligen Bruchteil der Netzstromnennfrequenz abweichenden
Frequenz und eine Synchronisierschaltung, um diese beiden Signalerzeugungsschaltungen synchron
miteinander arbeiten zu lassen, zu verwenden.
Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform die Netzstromfrequenz mit 50 Hz angegeben ist, kann eine
ähnliche Wirkung auch mit einer anderen Frequenz, z. B. einer solchen von 60Hz, erzielt werden. Obgleich weiterhin
zur Erläuterung vorstehend der Fall beschrieben ist, bei dem die Frequenz des Erregungssteuersignals
auf'/2 oder Vs der Abtastfrequenz festgelegt ist, kann diese Frequenz auch auf einen von V2 und Ve verschiedenen
ganzzahligen Bruchteil oder einen in einer ganzen Zahl enthaltenen Faktor der Abtastfrequenz eingestellt
sein.
Bezüglich des Ausgangsstroms der Erregungsschaltung 23 ist der Fall beschrieben worden, in welchem
Ströme verschiedener Polaritäten oder Größen abwechselnd angelegt werden. Anstelle dieser Erregungsschal-
f'i tung 23 kann jedoch auch eine solche verwendet werden, die selektiv z. B. Ströme dreier verschiedener Größen
If liefert.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
K 20
Claims (4)
- Patentansprüche:L Elektromagnetischer Strömungsmesser mit einer Strömungsgeschwindigkeits-Detektoreinheit (10) zur Erzeugung eines Strömungsgeschwindigkeitssignales, das proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines leitfahigen Strömungsmittels ist, einer Erregungseinheit (23) zur Lieferung eines Erreger-Stroms zur Strömungsgeschwindigkeits-Detektoreinheit (10), einer Signalverarbeitungseinheit (24,25,26/ zum Abtasten eines Ausgangssignals der Strömungsgeschwindigkeits-Detektoreinheit (10) und zum Glätten dieses abgetasteten Signals und einer Signalerzeugungseinheit (21,22) zur Lieferung eines Abtastsignals zur Signalverarbeitungseinheit (24,25,26) und zur Lieferung eines Erregungssteuersignals mit einer Frequenz, ίο die einen ganzzahligen Bruchteil der Frequenz des Abtastsignals darstellt, zur Erregungseinheit (23), dadurch gekennzeichnet, daß das von der Signalerzeugungseinheit (31, 32) zur Signalverarbeitungseinheit (24,25,26) gelieferte Abtastsignal eine Frequenz aufweist, die sich um 0,5-10% vom Nennwert der Netzstromfrequenz unterscheidet
- 2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (24, 25,26) eine Abtasteinheit (25) zum Integrieren des Ausgangssignals von der Strömungsgeschwindigkeits-Detektoreinheit (10), ausgelöst vom Abtastsignal der Signalerzeugungseinheit (31,32), und zur Lieferung eines Ausgangssignals nach Maßgabe der Strömungsgeschwindigkeit.
- 3. Strömungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungseinheit (31,32) eine Schwingschaltung (31) und eine Erregungssteuerschaltung (32) zur Erzeugung des Abtastsignals und des Erregungssteuersignals in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Schwingschaltung (31) aufweist.
- 4. Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingschaltung (31) eine Kristall-Schwing- oder Resonanzschaltung (vgl. 31 D) ist.
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