DE3512921C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Induktive Durchflußmesser dienen zur Messung der Durch­ flußmenge einer Flüssigkeit durch eine Rohrleitung. Sie weisen eine Erregerspule auf, die im Innern der Rohr­ leitung ein pulsierendes Magnetfeld erzeugt. Durch die in der strömenden Flüssigkeit enthaltenen Ladungsträger entsteht in der Flüssigkeit ein elektrisches Potential­ gefälle, das durch an der Rohrwand im gegenseitigen Abstand angeordnete Eletroden gemessen und ausgewertet wird. Die gemessene Potentialdifferenz bildet ein Maß für die pro Zeiteinheit fließende Flüssigkeitsmenge.

Eine Schaltungsanordnung, von der der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeht, ist aus der DE-OS 30 37 305 be­ kannt. Bei dieser bekannten Schaltung werden die beiden Pole einer Gleichspannungsquelle über Transistoren unter Steuerung durch eine Steuer- und Regelschaltung abwechselnd an eine Spule angeschlossen. Jeder der Transistoren ist mit einer Diode in Reihe geschaltet, wobei an den Verbindungspunkt zwischen Transistor und Diode ein Energiespeicher in Form eines Kondensators angeschlossen ist. Wenn in der positiven Halbwelle des Spulenstroms der eine Transistor leitend ist und einen positiven Strom durch die Spule schickt, bleibt die Spannung am Kondensator des anderen Zweiges un­ verändert. Die Spannung an diesem Kondensator wird erst negativ, wenn die positive Halbwelle beendet ist und der entsprechende Transistor sperrt. Dann versucht die Spule den bisher fließenden Strom aufrechtzuerhalten. Da dies über den gesperrten Transistor und dessen Frei­ laufdiode nicht möglich ist, fließt der Strom über den anderen Kondensator zur Spule, wodurch dieser andere Kondensator auf ein noch negativeres Potential als das­ jenige der negativen Klemme der Gleichspannungsquelle aufgeladen wird. Diese Kondensatorladung entlädt sich noch während des Aufbaus des negativen Spannungs­ impulses, so daß dieser Aufbau beschleunigt wird. Da der Kondensator sich auf eine möglichst hohe Spannung aufladen soll, muß er klein dimensioniert sein. Infolge der geringen Kondensatorkapazität kann der Kondensator nur eine geringe Energiemenge speichern. Andererseits ist auch die Aufladespannung des Kondensators wegen der geringen für die Aufladung zur Verfügung stehenden Zeit begrenzt. Erst nach Beendigung eines Impulses des Spulenstroms baut sich die Kondensatorspannung auf, die erst anschließend den Spulenstrom in die entgegen­ gesetzte Richtung ziehen kann, aber bereits wieder ab­ geklungen ist, wenn der Umschaltvorgang des Kondensator­ stroms beendet ist. Die Kondensatoren können durch ihre Entladung den Umschaltvorgang des Spulenstroms nur geringfügig und mit zeitlich variierender Wirkung unter­ stützen.

DE 33 41 357 A1 beschreibt eine Ansteuereinrichtung zur Erzeugung eines konstanten Stromes durch ein Tast­ verhältnis für einen elektromagnetischen Strömungs­ messer. Dabei wird der Spulenstrom durch einen Schalt­ regler konstant gehalten, der den die jeweilige Spulen­ stromrichtung durchlassenden Transistor in Abhängigkeit von der Höhe des Spulenstroms ein- und ausschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, die zu Anfang eines jeden Erregerstromimpulses eine Stoßerregung durch Spannungsüberhöhung ermöglicht, wodurch die Haupt­ umschaltung des Spulenstroms schneller wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen.

Durch die Anwendung eines Schaltreglers bei einer Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Art, wird der nicht zu er­ wartende überraschende Effekt erzielt, daß der die Hauptumschaltung beschleunigende Kondensator vor der Hauptumschaltung stufenförmig aufgeladen wird und somit dann, wenn seine Ladung benötigt wird, bereits voll aufgeladen ist. Die durch die Schaltregelung des Spulenstromes auftretenden Energieüberschüsse werden also nicht verheizt, sondern für die polaritätsrichtige Aufladung desjenigen Kondensators benutzt, der bei der bekannten Schaltung erst viel später in einer Zeit auf­ geladen werden muß, in der seine Ladung eigentlich be­ reits verfügbar sein sollte.

Der überraschende Vorteil, der durch die Erfindung er­ reicht wird, besteht darin, daß bei Verwendung des Schaltreglers die Hauptumschaltung des Spulenstroms schneller wird. Die Kondensatorspannung steht bereits bei Beginn der Hauptumschaltung zur Verfügung und hält über die gesamte Umschaltdauer an. Damit wird die Haupt­ umschaltung kürzer. Hierzu muß man beachten, daß der Signal-Rauschabstand eines induktiven Durchflußmessers mit zunehmender Taktfrequenz vergrößert wird. Anderer­ seits bilden die horizontalen Bereiche des Spulenstroms die eigentlichen Meßbereiche, die eine bestimmte Dauer haben müssen. Die Taktfrequenz wird daher durch die Dauer der Umschaltzeiten wesentlich beeinflußt. Mit der Erfindung gelingt es, diese Umschaltzeiten zu verkürzen und außerdem die Leistungsverluste bei der Schalt­ regelung des Spulenstromes zu verringern. Die er­ findungsgemäße Kombination führt zu der überraschenden Wirkung, daß bei der Schaltregelung auftretende Energieüberschüsse nicht verlorengehen, sondern treppenförmig akkumuliert werden, um bei der Haupt­ umschaltung eine hohe Spannung und Energie im Konden­ sator zur Verfügung zu stellen. Damit kann die Takt­ frequenz des Durchflußmessers erhöht werden, so daß man die Meßwerte in schnellerer Folge erhält. Der Durch­ flußmesser hat somit ein schnelleres Ansprechverhalten, was für schnelle Durchflußmengenregelungen wichtig ist.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der dem positiven Potential der Gleichspannungsquelle zuge­ ordnete Energiespeicher dann, wenn der zugehörige Schalter stromdurchlässig ist, auf das positive Poten­ tial der Gleichspannungsquelle aufgeladen. Während der negativen Halbperiode des Erregerstromes ist der posi­ tive Schalter geöffnet, jedoch versucht die Erreger­ spule 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 nächst­ folgenden positiven Halbwelle des Erregerstromes ent­ lädt sich der dem positiven Potential zugeordnete Ener­ giespeicher über den jetzt geschlossenen positiven Schal­ ter, wodurch der Erregerspule das überhöhte positive Spannungspotential zugeführt wird. Das gleiche orfolgt mit umgekehrtem Vorzeichen auch bei den negativen Halb­ wellen des Erregerstromes. Zu Beginn einer jeden Halb­ welle des Erregerstromes ist der betreffende Energie­ speicher auf ein Potential aufgeladen, das weit über dem Potential des betreffenden Poles der Gleichspan­ nungsquelle liegt. Dadurch wird die Ummagnetisierung der Erregerspule beschleunigt.

Nach der Erfindung werden weder die Energieüberschüsse während des hochfrequenten Taktens noch diejenige Energie, die die Erregerspule bei einer Umpolung des Erregerstromes noch liefert, in Wärme umgesetzt, sondern in dem Energiespeicher gespeichert, um an­ schließend bei dem nächstfolgenden gleichpoligen Er­ regerimpuls wieder in die Erregerspule eingeführt zu werden. Es findet also lediglich eine Umschichtung der Spulenenergie und eine Zwischenspeicherung in dem Ener­ giespeicher statt.

Als Energiespeicher wird zweckmäßigerweise ein Konden­ sator benutzt. Je kleiner die Kapazität dieses Konden­ sators ist, um so größer ist die Spannung, auf die die­ ser Kondensator durch die Energie der Erregerspule auf­ geladen wird. Die Kapazität dieses Kondensators sollte in der Größenordnung von 10 bis 100 µF liegen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Gleichspannungsquelle zwei Kon­ densatoren 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 Kon­ densatoren der Gleichspannungsquelle. Die Kondensatoren der Gleichspannungsquelle sind Glättungskondensatoren hoher Kapazität von z. B. 1000 bis 10 000 µF. 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 Ener­ giespeicher bildenden Kondensatoren, deren Kapazität maximal etwa ¹/₁₀ der Kapazität der Gleichspannungs­ quellenkondensatoren 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 Ener­ giespeicher 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 zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der Schaltungs­ anordnung und

Fig. 2 Diagramme der zeitlichen Verläufe von Span­ nungen und Strömen bei der Schaltung nach Fig. 1.

Die dargestellte Schaltungsanordnung weist eine Gleich­ spannungsquelle 10 auf, die einen mit Wechselstrom ge­ speisten 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 Gleichspan­ nungsquellen 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 posi­ tive Pol 15 ist über die Reihenschaltung einer Diode 19 und eines Transistors 20 mit dem einen Anschluß der Er­ regerspule 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 Durch­ laßrichtung 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 Gegen­ takt-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 parallelgeschal­ tet.

Die Erregerspule 21 ist in Reihe mit einem niederoh­ migen Strommeßwiderstand 27 von z. B. 0,5 Ohm an Masse geschaltet. Das Potential U _i am Strommeßwiderstand 27 wird dem einen Eingang eines als Komparator arbeitenden Differenzverstärkers 28 zugeführt. Der andere Eingang dieses Differenzverstärkers empfängt das Soll-Signal U _s , das von einem Potentiometer 29 abgegriffen wird. Der eine Anschluß des Potentiometers 29 ist an Masse gelegt und der andere Anschluß ist mit einem Impuls­ generator 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 Spannungsab­ fall am Strommeßwiderstand 27 den eingestellten Wert U _s 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 Erreger­ spule 21, die nunmehr über den Transistor 23 und die Diode 22 mit dem negativen Pol 16 verbunden ist. Wenn der Spulenstrom I _sp wieder unter den Sollwert abgefal­ len ist, wird Transistor 20 wieder geschlossen und Tran­ sistor 23 geöffnet. Auf diese Weise entsteht der posi­ tive Impuls 31 des Spulenstromes I _sp , der zunächst im Bereich 31 a nach einer e-Funktion ansteigt und anschlie­ ßend in dem sägezahnförmigen Bereich 31 b um den am Po­ tentiometer 29 eingestellten Sollwert herum oszilliert.

Während der negativen Halbwelle des vom Impulsgenerator 30 kommenden Impulses nimmt der Spulenstrom I _sp den Verlauf des negativen Impulses 32 an, der aus dem An­ stiegsbereich 32 a und dem sägezahnförmig oszillierenden Bereich 32 b besteht.

Die Kathode der Diode 19 ist über den als Energiespei­ cher wirkenden Kondensator 33 mit Masse verbunden und die Anode der Diode 22 ist über den ebenfalls als Ener­ giespeicher wirkenden Kondensator 34 mit Masse verbun­ den, während der positiven Halbwelle steht am Kondensa­ tor 33 das Potential des positiven Poles 15 an, das beispielsweise 20 V beträgt. Die Spannung am Kondensa­ tor 33 ist in Fig. 2 mit U _{C +} bezeichnet und die Span­ nung am Kondensator 34 mit U _{C -}.

Während der positiven Halbwelle erhöht sich die Span­ nung U _{C -} treppenförmig, wobei jeweils dann eine stufen­ weise Erhöhung eintritt, wenn der Transistor 20 geöff­ net 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 31 b 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 kon­ stant auf der Höhe U ₁₅, d. h. der Spannung des positiven Pols 15. Die Spannung U _{C -} steigt auf einen negativen Wert an, der erheblich größer ist als die Spannung U ₁₆ am Pol 16. Bei Beendigung der positiven Halbwelle hat die Spannung U _{C -} ihren Maximalwert erreicht, der an­ schließend zur schnellen Ummagnetisierung der Erreger­ spule 21 während der negativen Halbwelle zur Verfügung steht. Der Kondensator 34 entlädt sich dann nämlich über den geschlossenen Transistor 23 auf die Erreger­ spule. Auf diese Weise wird die Dauer des Anstiegsbe­ reichs 32 a der negativen Stromhalbwelle verkürzt. Bei der negativen Stromhalbwelle nimmt die Spannung U _{C +} am Kondensator 23 einen treppenförmig ansteigenden Verlauf an, während die Spannung U _{C -} auf dem Wert U ₁₆ verbleibt.

Während die Spannungen U ₁₅ und U ₁₆ + bzw. -20 V betra­ gen, betragen die Maximalwerte der Spannungen U _{C +} bzw. U _{C -} ±60 V. Durch die Energiespeicher 33 und 34 wird somit am Anfang einer jeden Halbwelle des Spulenstromes eine Spannungsüberhöhung erreicht, durch die eine schnel­ lere Ummagnetisierung der Erregerspule bewirkt wird. Die an der Erregerspule herrschende Spannung U _sp ist gleich der Differenz der Spannungen U _{C +} und U _{C -}.

Zur Begrenzung der Spannungsüberhöhung, die je nach Größe der Induktivität 21 und Taktfrequenz U _s sehr hohe Werte erreichen kann, können Leistungszenerdioden an Stelle der Dioden 19 und 22 verwendet 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 hohen Spannungen.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines pulsieren­ den magnetischen Feldes in der Erregerspule eines induktiven Durchflußmessers, mit

• - einer Gleichspannungsquelle (10), deren Pole (15, 16) über je einen elektronischen Schalter (20, 23) mit der Erregerspule (21) in Reihe ge­ schaltet sind, wobei beide Schalter derart ge­ steuert sind, daß zu jedem Zeitpunkt immer nur einer leitend ist,
• - einem Regler zum Konstanthalten des Spulen­ stromes bei jedem von den Schaltern (20, 23) erzeugten Impuls,
• - und Dioden (19, 22), die jeweils in Durchlaß­ richtung zwischen einen Pol (15, 16) der Gleich­ spannungsquelle (10) und den zugehörigen Schalter geschaltet sind und an deren Ver­ bindung mit dem zugehörigen Schalter ein Energiespeicher angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Regler einen Differenzverstärker (28) auf­ weist, der den jeweils geöffneten Schalter (20, 23) schließt, wenn der Spulenstrom (I _sp ) einen Sollwert (U _s ) übersteigt, und ihn wieder öffnet, wenn der Spulenstrom unter dem Sollwert (U _s ) ab­ fällt.

2. Schaltunganordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Energiespeicher ein Kon­ densator (33, 34) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (10) zwei Kondensatoren (17, 18) enthält, von denen je­ der zwischen einen Pol (15, 16) der Gleichspan­ nungsquelle (10) und Masse geschaltet ist, und daß die Kapazitäten der die Energiespeicher bildenden Kondensatoren (33, 34) viel kleiner sind als die­ jenigen der Kondensatoren (17, 18) der Gleich­ spannungsquelle.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schalter (20, 23) durch eine invers zu seiner Durchlaßrich­ tung gepolte Freilaufdiode (25, 26) überbrückt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dioden (19, 22) Zenerdioden sind.