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Induktiver Durchflußmesser
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Die Erfindung betrifft einen induktiven Durchflußmesser mit einem
in einem Durchflußkanal ein getaktetes Magnetfeld mit wechselnder Polarität erzeugenden
Elektromagneten und mit an dem Strömungskanal angeordneten Elektroden, deren Signale
in jedem der wechselnden Magnetisierungszustände des Elektromagneten von einer Auswerteschaltung
abgetastet werden.
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Induktive Durchflußmesser werden dazu benutzt, die in einem Rohr oder
einem Kanal fließende Strömungsmenge einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit zu
ermitteln.
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Die Flüssigkeit fließt durch ein von dem Elektromagneten erzeugtes
Magnetfeld, wodurch quer zur Richtung des Magnetfeldes und quer zur Strömungsrichtung
eine elektrische Potentialdifferenz erzeugt wird, die an den Elektroden abgegriffen
werden kann. Diese Potentialdifferenz ist der Strömungsmenge bzw. der Strömungsgeschwindigkeit
proportional. Das Magnetfeld, das von dem Elektromagneten erzeugt wird, wird mit
einer bestimmten Frequenz umgepolt, um den Einfluß von Störspannungen
und
Spannungsdriften zu eliminieren. Bei jeder Polarität des Magnetfeldes wird ein Abtastvorgang
ausgeführt und der abgetastete Wert wird von einer Halteschaltung so lange festgehalten
bis der nächste Wert derselben Polarität abgetastet wird. Die Taktung des Magnetfeldes
und damit auch diejenige der Abtastung muß mit einer Frequenz durchgeführt werden,
die von der Netzfrequenz (z.B. 50 Hz) abweicht, da anderenfalls durch Störspannungen,
die von der Netz frequenz herrühren, Verfälschungen des Meßergebnisses auftreten
können. Bei den bekannten Durchflußmessern ist die Taktfrequenz niedriger als die
Netzfrequenz. Zu beachten ist ferner, daß sich aus der Taktfrequenz und der Netzfrequenz
möglichst keine Schwebungen ergeben dürfen.
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Wenn dennoch solche Schwebungen auftreten, sollten sie möglichst leicht
durch Filterung aus dem Nutzsignal entfernt werden können. Das sich ergebende Nutzsignal
ist ein Gleichspannungssignal. Daher sollte dafür gesorgt werden, daß Schwebungen,
soweit sie unvermeidbar sind, eine relativ hohe Frequenz haben, so daß sie auf einfache
Weise von dem Nutzsignal getrennt werden können.
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Wenn ein Durchflußmesser die Flüssigkeitsmenge sehr schnell angeben
soll, muß die Meßzeit kurz gewählt werden. Dies ist beispielsweise bei Abfüllsystemen
für Getränke der Fall. Die Flüssigkeit wird in Behälter eingefüllt und, nachdem
eine genau definierte Flüssigkeitsmenge die Fülleitung durchlaufen hat, muß ein
Ventil schließen, um die Zufuhr weiterer Flüssigkeit zu verhindern. Hierbei ist
es erforderlich, die Flüssigkeitsmenge nicht nur sehr genau zu messen, sondern auch
bei Erreichen der vorgegebenen Flüssigkeitsmenge mit geringer Verzögerung das Absperrventil
zu betätigen.
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Diesen Anforderungen werden die bekannten induktiven Durchflußmesser
nicht gerecht, weil bei ihnen die Meßzeit zu groß ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Durchflußmesser
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Meßgeschwindigkeit vergrößert
ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Frequenz
der Taktung des Elektromagneten und der Abtastung über der Netzfrequenz liegt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Durchflußmesser werden die Meßsiqnale mit
einer über der Netz frequenz liegenden Frequenz durch Abtastung ermittelt. Hierdurch
werden direkte Einwirkungen der Netz frequenz auf das Meßergebnis vermieden. Darüber
hinaus wird durch die häufige Abtastung nicht nur die Genauigkeit der Messung, sondern
auch die Schnelligkeit der Messung vergrößert.
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Beispielsweise können Meßzeiten von etwa 8 ms ohne Schwierigkeiten
realisiert werden. Derartige Meßzeiten (vom Auftreten der Meßgröße bis zum Vorliegen
des entsprechenden elektrischen Signals) sind für Abfüllsysteme ausreichend.
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Um das Auftreten störenden Schwebungen zwischen der Netz frequenz
und der Taktfrequenz des Elektromagneten zu vermeiden, ist gemäß einer vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Dauer einer Halbperiode der Taktung
des Elektromagneten T = n 20 2= ms x
beträgt, wobei n eine ganze
Zahl und nx eine ungerade ganze Zahl ist.
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Bei Einhaltung dieser Bedingung entstehen keine niederfrequenten Schwebungen,
die schwer von dem Nutzsignal abzutrennen wären. Es können lediglich relativ hochfrequente
Schwebungen auftreten, die durch Filter eliminiert werden können. Wenn das Meßsignal
ein Filter durchlaufen muß, tritt hierdurch eine Verzögerung ein.
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Diese Verzögerung ist um so kleiner, je höher die Grenzfrequenz des
Filters liegt. Bei Einhaltung der genannten Bedingung können die Schwebungen mit
Filtern herausgefiltert werden, die eine Verzögerung in der Größenordnung von 10
ms bewirken.
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Vorzugsweise beträgt die Frequenz der Taktung des Elektromagneten
etwa 125 Hz. Bei höheren Taktfrequenzen müßte man, um eine hinreichend schnelle
Ummagnetisierung des Magneten zu erreichen, die Induktivität so stark verringern,
daß die magnetische Flußdichte zur Erzeugung eines Meßsignals mit hinreichend großer
Amplitude nicht mehr ausreichen würde. Der Erhöhung der Taktfrequenz sind somit
Grenzen gesetzt.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt eines Durchflußkanals
mit dem induktiven Durchflußmesser, Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II
von Fig. 1,
Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Auswerteschaltung
und Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Meßspannung.
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Der in den Fign. 1 und 2 dargestellte Durchflußmesser 10 weist ein
Gehäuse 11 auf, durch das der Durchflußkanal 12 geradlinig hindurchführt. An jedem
Ende des Gehäuses 11 befindet sich ein Rohrstutzen 12 bzw. 13.
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An den Rohrstutzen 13 ist eine Leitung angeschlossen, in der ein Magnetventil
14 liegt, das durch ein Signal des Durchflußmessers 10 unverzüglich geschlossen
wird, wenn eine vorbestimmte Flüssigkeitsmenge den Durchflußmesser 10 durchlaufen
hat. In dem Gehäuse 11 ist der aus einer Spule 15, einem Eisenkern 16 und Jochblechen
17 bestehende Elektromagnet 18 angeordnet. Die Jochbleche 17 liegen an beiden Enden
des Kernes 16 an und erstrecken sich tangential zu dem Strömungskanal 12, der zwischen
ihnen verläuft. Wenn die Spule 15 von einem elektrischen Strom durchflossen wird,
entsteht zwischen den Jochblechen 17 ein annäherd homogenes Magnetfeld, das quer
durch den Strömungskanal 12 hindurchgeht. Wenn in dem Strömungskanal 12 elektrisch
leitende Teilchen fließen, entsteht eine elektrische Spannung, die an den Elektroden
19,20 abgegriffen werden kann. Von den Elektroden 19,20 führen Leitungen 21 zu einem
Differenzverstärker 22.
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Das in den Fign. 1 und 2 dargestellte Gerät besteht, mit Ausnahme
der für die Leitung des Magnetflusses erforderlichen Teile 16 und 17 sowie der Elektroden
19 und 20, aus nicht-metallischem Material, vorzugsweise aus Kunststoff, um keine
Störungen oder Verfälschungen des Meßsignals hervorzurufen.
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Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 22 wird zwei gegensinnig
getakteten elektronischen Schaltern 23,24 zugeführt, die aus Gründen der Einfachheit
in der Zeichnung als mechanische Schalter dargestellt sind.
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Beide Schalter 23 und 24 werden gegenphasig gesteuert.
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Jedem der Schalter 23,24 ist ein Speicherkondensator 25 nachgeschaltet.
Die Ausgangssignale der elektronischen Schalter 23 und 24 werden einem Verstärker
26 zugeführt, dem ein Tiefpaßfilter 27 nachgeschaltet ist. Der Ausgang des Tiefpaßfilters
27 ist an den Eingang eines Analog/Frequenz-Umsätzers 28 angeschlossen, der an seinem
Ausgang Impulse mit einer Frequenz liefert, die von der Amplitudenhöhe am Eingang
abhängt. Diese Impulse werden in einem Zähler 29 gezählt. Wenn der Zähler 29 einen
vorbestimmten Zählerstand erreicht hat, gibt er ein Ausgangssignal zur Betätigung
des Magnetventils 14 (Fig. 1) aus.
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Die Steuerung der elektronischen Schalter 23 und 24 erfolgt durch
einen Impulsgenerator 30, der Rechteckimpulse einer bestimmten Frequenz liefert.
Der Impulsgenerator 30 kann beispielsweise von einem Quartz gesteuert sein, es ist
aber auch möglich, wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, einen phasenstarren
PLL-Generator (Phase Locked Loop) zu verwenden, der von der Netzfrequenz mit 50
Hz angesteuert wird und an seinem Ausgang Impulse mit der von der Netz frequenz
abweichenden gewünschten Frequenz liefert. Die Impulse des Impulsgenerators 30 werden
der Spule 15 des Elektromagneten 18 zugeführt. Diese Impulse haben abwechselnd positive
und negative Polarität. Die Impulse werden ferner über eine Verzögerungsschaltung
31 zur Steuerung der Schalter 23,24 benutzt.
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Fig. 4 zeigt den Verlauf der Spannung am Ausgang des Verstärkers 22.
Da der Elektromagnet 18 abwechselnd mit positiven und negativen Impulsen angesteuert
wird, besteht auch das Meßsignal 32 in Fig. 4 aus abwechselnd positiven und negativen
Impulsen. Die Anfangsflanken dieser Impulse sind nicht steil, sondern sie verlaufen
nach einer e-Funktion, weil der Elektromagnet 18 von jedem Impuls zunächst ummagnetisiert
werden muß. Nachdem die volle Impulshöhe, die von der Durchflußmenge der Flüssigkeit
bzw. der Durchflußgeschwindigkeit, abhängt, erreicht ist, schließt der betreffende
elektronische Schalter 23 bzw. 24, so daß der betreffende Kondensator 25 von dem
Meßsignal aufgeladen wird. Die Zeitpunkte des Schließens des Schalters sind in Fig.
4 mit 33 bezeichnet. Man erkennt, daß das Schließen des Schalters mit einer durch
das Zeitglied 31 verursachten Verzögerung D in bezug auf den Beginn des Impulses
erfolgt. Der Grund liegt darin, daß infolge der Induktivität des Elektromagneten
18 die Meßspannung sich bei jedem positiven und negativen Impuls erst langsam aufbaut
und daß die Übergabe des betreffenden Potentials an den Speicherkondensator 25 erst
dann erfolgen soll, wenn die Spannungsamplitude, deren Höhe der Durchflußmenge in
dem jeweiligen Augenblick entspricht, sich voll aufgebaut hat. Jeder der Speicherkondensatoren
25 bildet eine Halteschaltung, die das über den Schalter 23 bzw. 24 angelegte Potential
über eine Periode des Impulszuges festhält und an den betreffenden Eingang des Verstärkers
26 legt.
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Das Filter 27 hat die Aufgabe, höherfrequente Schwebungssignale, die
dem Ausgangssignal des Verstärkers 26 überlagert sein könnten, herauszufiltern.
Das gefilterte Analogsignal wird dem Eingang des Analog/Frequenz-
Umwandlers
28 zugeführt, der Impulse erzeugt, deren Frequenz von der Amplitude des Analogsignals
abhängt.
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Diese Impulse werden von dem Zähler 29 gezählt. Der Zähler 29 bildet
somit eine Integrationseinrichtung, die die Durchflußmenge über die Zeit integriert
und das Ventil 14 schließt, wenn eine bestimmte Flüssigkeitsmenge den Durchflußmesser
10 durchlaufen hat. Der Zähler 29 wird auf den Zählerstand Null rückgesetzt, sobald
er den vorgesehenen Endstand erreicht hat.
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Wenn in die Zuleitungen und Komponenten des Durchflußmessers 10 Störspannungen,
die aus der Netzfrequenz hergeleitet sind, eingestreut werden, entstehen in der
Auswerteschaltung Schwebungen, die durch Überlagerung dieser netzfrequenten Störspannungen
mit denjenigen Spannungen entstehen, die durch die Frequenz des Frequenzgenerators
30 erzeugt werden. Die Frequenz dieser Schwebungen hängt von der Impuls frequenz
des Impulsgenerators 30 ab. Diese Impulsfrequenz liegt in jedem Fall über der Netzfrequenz,
damit die jeweils aktuellen Meßwerte dem Verstärker 26 mit einer möglichst geringen
Zeitverzögerung zugeführt werden. Es hat sich herausgestellt, daß niederfrequente
Schwebungen, die das Filter 27 nicht herausfiltern kann, dann vermieden werden,
T wenn die Dauer einer Halbperiode 2 der Taktung des Elektromagneten T - n 20 ms
2 = n x beträgt, wobei n eine ganze Zahl und nx eine ungerade ganze Zahl ist.
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In Tabelle I sind die Werte für T2 und f, die sich bei 2 verschiedenen
Kombinationen von n und nx ergeben, dargestellt, soweit sie in dem hier interessierenden
Bereich von über 50 Hz liegen. Man erkennt, daß eine Reihe von Frequenzen im Bereich
zwischen 62,5 Hz und 225 Hz geeignet ist. Die Frequenzen, deren Felder in Tabelle
I einen Strich enthalten, liegen unter 50 Hz.
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Wenn man als Frequenz des Impulsgerators 30 eine der in Tabelle I
angegebenen Frequenzen wählt, ist sichergestellt, daß bei einer Netz frequenz von
50 Hz das Schwebungssignal, das am Ausgang des Verstärkers 26 entstehen kann, keine
niederfrequenten Anteile enthält, so daß diese Schwebungssignale mit dem Filter
27 beseitigt werden kann.
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TABELLE I 1 1 2 n T T 2 2 (ms) f (Hz) 2 f (Hz) 1 - - -2 3 6,6 75
-4 5 4 125 8 62,5 6 7 2,857 175 5,714 87,5 8 9 2,2 225 4,4 112,5