-
-
Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines pulsierenden
-
magnetischen Feldes in der Erregerspule eines induktiven Durchflußmessers
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines pulsierenden
magnetischen Feldes in der Erregerspule eines induktiven Durchflußmessers, mit einer
Gleichspannungsquelle, deren Pole über je einen elektronischen Schalter mit der
Erregerspule in Reihe geschaltet sind, wobei beide Schalter derart gesteuert sind,
daß zu jedem Zeitpunkt immer nur einer durchgeschaltet ist.
-
Induktive Durchflußmesser dienen zur Messung der Durchflußmenge einer
Flüssigkeit durch eine Rohrleitung. Sie weisen eine Erregerspule auf, die im Innern
der Rohrleitung ein pulsierendes Magnetfeld erzeugt. Durch die in der strömenden
Flüssigkeit enthaltenen Ladungsträger entsteht in der Flüssigkeit ein elektrisches
Potentialgefälle,
das durch an der Rohrwand im gegenseitigen Abstand
angeordnete Elektroden gemessen und ausgewertet wird. Die gemessene Potentialdifferenz
bildet ein Maß für die pro Zeiteinheit fließende Flüssigkeitsmenge.
-
Eine bekannte Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art (DE-OS
32 04 573) weist eine Gleichstromquelle auf, deren positiver und negativer Pol jeweils
über einen elektronischen Schalter mit der Erregerspule in Reihe geschaltet ist.
Die Schalter werden im Gegentakt gesteuert, so daß zu jedem Zeitpunkt einer der
Schalter durchlässig und der andere gesperrt ist. Im Durchlaßzustand werden die
Schalter, bei denen es sich um Transistoren handeln kann, im Sättigungsbereich betrieben,
so daß diese Schalter nicht im linearen Bereich arbeiten und somit eine geringe
Verlustleistung haben. Die Stärke des Erregerstromes wird über einen Stromsensor
gemessen und zur Regelung der Amplitudenhöhe der Erregerstromimpulse benutzt, indem
während eines Erregerstromimpulses die beiden Schalter mehrfach, d.h. mit einer
relativ hohen Taktfrequenz, umgesteuert werden.
-
Damit sich bei jedem der Erregerstromimpulse unterschiedlicher Polarität
das Magnetfeld in der Erregerspule schnell aufbaut, ist es bekannt, zu Beginn eines
jeden Erregerimpulses eine Stoßerregung durch Spannungsüberhöhung vorzunehmen (US-PS
4 204 240). Hierbei hat der Transformator der Gleichstromquelle mehrere Sekundärwicklungen,
die unterschiedlich hohe Spannungen erzeugen. Jede dieser Spannungen kann über einen
eigenen elektronischen Schalter an die Erregerspule gelegt werden. Zu Beginn einer
Umpolung des Erregerstromes wird zunächst die betreffende hohe Spannung angelegt,
so
daß die Umpolung des magnetischen Feldes beschleunigt wird. Wenn der Endwert des
Magnetfeldes erreicht ist, wird die hohe Spannung abgeschaltet und durch eine niedrigere
Spannung gleicher Polarität ersetzt, die das Magnetfeld in der eingenommenen Stärke
aufrechterhGlt.
-
Auf diese Weise wird die Ummagnetisierung beschleunigt, so daß die
Taktung des Magnetfeldes durch Beschleunigung des exponentiellen Anstiegs des Erregerstromes
mit einer höheren Frequenz durchgeführt wird als dies ohne eine Spannungsüberhöhung
möglich ware. Nachteilig ist allerdings, daß eine aufwendige Gleichstromquelle und
eine ebenfalls aufwendige Schalteinrichtung benötigt wird, da während jedes Erregerstromimpulses
zwei unterschiedliche Spannungen nacheinander durchgeschaltet werden müssen, und
daß die während des hochfrequenten Taktes in der Spule anfallenden Energieüberschüsse
in einem aus Diode und Widerstand bestehenden Netzwerk in nutzlose Wärme umgesetzt
werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die zu Anfang eines jeden Erregerstromimpulses
eine Stoßerregung durch Spannungsüberhöhung ermöglicht, und bei der der hierzu erforderliche
schaltungstechnische Aufwand erheblich verringert ist. Ferner sollen die Energieüberschüsse
nicht in Wärme verwandelt, sondern in Form elektrischer Energie gespeichert werden,
bis sie bei der folgenden Stoßerregung wieder in magnetische Energie verwandelt
werden.
-
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß zwischen
jeden Pol der Gleichspannungsquelle (bestehend aus Netztransformator, Gleichrichter
und Glättungskondensatoren) und den zugehörigen Schalter
eine in
Durchlaßrichtung des Schalters gepolte Diode geschaltet ist und daß an die Verbindung
zwischen der Diode und dem Schalter ein Energiespeicher angeschlossen ist.
-
Bei der erfindungsgemtißen Schaltungsanordnung ist der dem positiven
Potential der Gleichspannungsquelle zugeordnete Energiespeicher dann, wenn der zugehörige
Schalter stromdurchlässig ist, auf das positive Potential der Gleichspannungsquelle
aufgeladen. Während der negativen Halbperiode des Erregerstromes ist der positive
Schalter geöffnet, jedoch versucht die Erregerspule zunächst noch, den Strom, der
zuvor geflossen ist, aufrechtzuerhalten. Dadurch wird der dem positiven Pol zugeordnete
Energiespeicher auf ein positives Potential aufgeladen, das über dem positiven Potential
der Gleichspannungsquelle liegt. Zu Beginn der nächstfolgenden positiven Halbwelle
des Erregerstromes entlädt sich der dem positiven Potential zugeordnete Energiespeicher
über den jetzt geschlossen positiven Schalter, wodurch der Erregerspule das überhöhte
positive Spannungspotential zugeführt wird. Das gleiche erfolgt mit umgekehrtem
Vorzeichen auch bei den negativen Halbwellen des Erregerstromes. Zu Beginn einer
jeden Halbwelle des Erregerstromes ist der betreffende Energiespeicher auf ein Potential
aufgeladen, das weit über dem Potential des betreffenden Poles der Gleichspannungsquelle
liegt.
-
Dadurch wird die Ummagnetisierung der Erregerspule beschleunigt.
-
Nach der Erfindung werden sowohl die Energieüberschüsse während des
hochfrequenten Taktens, als auch diejenige Energie, die die Erregerspule bei einer
Umpolung des Erregerstromes noch liefert, nicht in Wärme umgesetzt,
sondern
in dem Energiespeicher gespeichert, um anschließend bei dem nächstfolgenden gleichpoligen
Erregerimpuls wieder in die Erreger spule eingeführt zu werden. Es findet also lediglich
eine Umschichtung der Spulenenergie und eine Zwischenspeicherung in dem Energiespeicher
statt.
-
Als Energiespeicher wird zweckmäßigerweise ein Kondensator benutzt.
Je kleiner die Kapazität dieses Kondensators ist, um so größer ist die Spannung,
auf die dieser Kondensator durch die Energie der Erregerspule aufgeladen wird. Die
Kapazität dieses Kondensators sollte in der Größenordnung von 10 bis 100 F liegen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Gleichspannungsquelle zwei Kondensatoren enthält, von denen jeder zwischen
einen Pol der Gleichspannungsquelle und Masse geschaltet ist, und daß die Kapazitäten
der die Energiespeicher bildenden Kondensatoren viel kleiner sind als diejenigen
der Kondensatoren der Gleichspannungsquelle. Die Kondensatoren der Gleichspannungsquelle
sind Glättungskondensatoren hoher Kapazitat von z.B. 1 000 bis 10 000 IIF. Diese
Kondensatoren dienen der Stabilisierung der Spannung der Gleichspannungsquelle und
sind wegen ihrer hohen Kapazität zur Lieferung der Spannungsüberhöhung nicht geeignet.
Die Spannungsüberhöhung liefern die die Energiespeicher bildenden Kondensatoren,
deren Kapazität maximal etwa 1/10 der Kapazität der Gleichspannungsquellenkondensatoren
ist.
-
Damit die Energiespeicher sich aufladen können, muß jeder der elektronischen
Schalter durch eine invers zu seiner Durchlaßrichtung gepolte Freilaufdiode über-
brückt
sein. Nur so ist es möglich, daß im Sperrzustand des Schalters ein Strom von der
Erregerspule zum Energiespeicher fließt. Es gibt elektronische Schalter, die eine
integrierte Freilaufdiode enthalten. Wenn eine solche Freilaufdiode nicht im Schalter
selbst enthalten ist, muß sie separat vorgesehen werden.
-
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der Schaltungsanordnung
und Fig. 2 Diagramme der zeitlichen Verläufe von Spannungen und Strömen bei der
Schaltung nach Fig. 1.
-
Die dargestellte Schaltungsanordnung weist eine Gleichspannungsquelle
10 auf, die einen mit Wechselstrom gespeisten Transformator 11 enthält. Der Transformator
11 hat zwei in Reihe geschaltete Sekundärwicklungen 12,13, deren Verbindungspunkt
mit Masse verbunden ist. Die anderen Enden der Sekundärwicklungen 12,13 sind mit
einem Doppelweg-Gleichrichter 14 verbunden, dessen Gleichspannungspole die Pole
15 und 16 der Gleichspannungsquelle 10 bilden. Zwischen die Pole 15 und 16 sind
zwei Kondensatoren 17 und 18 in Reihe geschaltet und ihre Verbindung ist an Masse
angeschlossen. Der positive Pol 15 ist über die Reihenschaltung einer Diode 19 und
eines Transistors 20 mit dem einen Anschluß der Erregerspule 21 verbunden und der
negative Pol 16 ist über die Diode 22 und den Transistor 23 mit demselben Pol der
Erregerspule 21 verbunden. Der Transistor 20
ist ein pnp-Transistor
und der Transistor 23 ein npn-Transistor. Die Transistoren 20 und 23 sind in Durchlaßrichtung
in Reihenschaltung an die Pole 15 und 16 angeschlossen, so daß, wenn beide Transistoren
leitend wären, die Pole 15 und 16 kurzgeschlossen wären. Die Diode 19 ist in Durchlaßrichtung
an den Transistor 20 angeschlossen, d.h. ihre Kathode ist mit dem Emitter des Transistors
20 verbunden. Ebenso ist die Diode 22 in Durchlaßrichtung an den Transistor 23 angeschlossen,
d.h. ihre Anode ist mit dem Emitter dieses Transistors verbunden.
-
Die beiden Transistoren 20 und 23 sind von einer Gegentakt-Steuereinrichtung
24 derart gesteuert, daß der eine Transistor leitend ist, wenn der andere gesperrt
ist und umgekehrt. Jedem der Transistoren 20 und 23 ist eine Freilaufdiode 25 bzw.
26 invers parallelgeschaltet.
-
Die Erregerspule 21 ist in Reihe mit einem niederohmigen Strommeßwiderstand
27 von z.B. 0,5 Ohm an Masse geschaltet. Das Potential U. am Strommeßwiderstand
27 wird dem einen Eingang eines als Komparator arbeitenden Differenzverstarkers
28 zugeführt. Der andere Eingang dieses Differenzverstärkers empfängt das Soll-Signal
Us, das von einem Potentiometer 29 abgegriffen wird.
-
Der eine Anschluß des Potentiometers 29 ist an Masse gelegt und der
andere Anschluß ist mit einem Impulsgenerator 30 verbunden, der Rechteckimpulse
wechselnder Polarität liefert.
-
Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 die Funktion der
Schaltung nach Fig. 1 erläutert:
Es sei angenommen, daß der Transistor
20 leitend und der Transistor 23 gesperrt ist. In diesem Fall gelangt das positive
Potential des Pols 15 an die Erregerspule 21, die daraufhin ein positives Magnetfeld
aufbaut.
-
Infolge der Induktivität der Erregerspule steigt der Strom nach einer
e-Funktion an. Wenn der Spannungsabfall am Strommeßwiderstand 27 den eingestellten
Wert U5 erreicht, schaltet der Differenzverstärker 28 durch und bewirkt, daß über
die Steuerschaltung 24 der Transistor 20 geöffnet und der Transistor 23 geschlossen
wird.
-
Daraufhin verringert sich der Strom durch die Erregerspule 21, die
nunmehr über den Transistor 23 und die Diode 22 mit dem negativen Pol 16 verbunden
ist. Wenn der Spulenstrom 1 wieder unter den Sollwert abgefalsp len ist, wird Transistor
20 wieder geschlossen und Transistor 23 geöffnet. Auf diese Weise entsteht der positive
Impuls 31 des Spulenstromes Isp, der zunächst im Bereich 31a nach einer e-Funktion
ansteigt und anschließend in dem sägezahnförmigen Bereich 31b um den am Potentiometer
29 eingestellten Sollwert herum oszilliert.
-
Während der negativen Halbwelle des vom Impulsgenerator 30 kommenden
Impulses nimmt der Spulenstrom Isp den Verlauf des negativen Impulses 32 an, der
aus dem Anstiegsbereich 32a und dem sägezahnförmig oszillierenden Bereich 32b besteht.
-
Die Kathode der Diode 19 ist über den als Energiespeicher wirkenden
Kondensator 33 mit Masse verbunden und die Anode der Diode 22 ist über den ebenfalls
als Energiespeicher wirkenden Kondensator 34 mit Masse verbunden. Während der positiven
Halbwelle steht am Kondensator 33 das Potential des positiven Poles 15 an, das
beispielsweise
20 V beträgt. Die Spannung am Kondensator 33 ist in Fig. 2 mit Uc+ bezeichnet und
die Spannung am Kondensator 34 mit Uc .
-
Während der positiven Halbwelle erhöht sich die Spannung Uc treppenförmig,
wobei jeweils dann eine stufenweise Erhöhung eintritt, wenn der Transistor 20 geöffnet
ist. In diesem Zustand versucht die Erregerspule 21 den positiven Strom aufrechtzuerhalten,
den sie über den gesperrten Transistor 20 nicht erhalten kann und den sie auch vom
negativen Pol 16 nicht erhalten kann.
-
Es fließt daher ein positiver Strom vom Kondensator 34 über die Freilaufdiode
26 zur Erregerspule 21. Wenn im Sägezahnbereich 31b der Transistor 23 gesperrt und
der Transistor 20 leitend wird, dann bleibt die Ladung des Kondensators 34 konstant.
Die Ladung des Kondensators 33 bleibt während der gesamten positiven Halbwelle konstant
auf der Höhe U15, d.h. der Spannung des positiven Pols 15. Die Spannung Uc steigt
auf einen negativen Wert an, der erheblich größer ist als die Spannung U16 am Pol
16. Bei Beendigung der positiven Halbwelle hat die Spannung Uc ihren Maximalwert
erreicht, der anschließend zur schnellen Ummagnetisierung der Erregerspule 21 während
der negativen Halbwelle zur Verfügung steht. Der Kondensator 34 entlädt sich dann
nämlich über den geschlossenen Transistor 23 auf die Erregerspule. Auf diese Weise
wird die Dauer des Anstiegsbereichs 32a der negativen Stromhalbwelle verkürzt. Bei
der negativen Stromhalbwelle nimmt die Spannung Uc+ am Kondensator 23 einen treppenförmig
ansteigenden Verlauf an, während die Spannung Uc auf dem Wert U16 verbleibt.
-
Während die Spannungen U15 und U16 + bzw. - 20 V betragen, betragen
die Maximalwerte der Spannungen Uc+ bzw.
-
UC + 60 V. Durch die Energiespeicher 33 und 34 wird somit am Anfang
einer jeden Halbwelle des Spulenstromes eine Spannungsüberhöhung erreicht, durch
die eine schnellere Ummagnetisierung der Erregerspule bewirkt wird.
-
Die an der Erregerspule herrschende Spannung U ist sp gleich der Differenz
der Spannungen Uc+ und Uc Zur Begrenzung der Spannungsüberhöhung, die je nach Größe
der Induktivität 21 und Taktfrequenz Us sehr hohe Werte erreichen kann, können Leistungszenerdioden
an Stelle der Dioden 19 und 22 verwenden werden, oder es werden solche Zenerdioden
35 und 36 parallel zu den Energiespeichern 33 und 34 geschaltet. Dies geschieht
zum Schutz der elektrischen Bauteile vor Zerstörung durch zu hohe Spannungen.
-
- Leerseite -