DE3525413A1 - Elektromagnetischer stroemungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Strömungsmesser, bei dem ein Erregungsstrom einer Rechteckwellenform zu einer Erregerspule für deren Erregung geliefert wird, und insbesondere eine(n) Erregerschaltung oder -kreis für einen elektromagnetischen Strömungsmesser des Erregungstyps, in welcher (welchem) das Tastverhältnis der Steuerimpulse für die Ein/Aus- Steuerung des Erregungsstroms zur Lieferung eines konstanten Erregungsstroms varriiert wird.

Bei bisherigen elektromagnetischen Strömungsmessern wird eine Wechselspannung von Netzfrequenz unmittelbar an eine Erregerspule angelegt; um die Wirkung einer zwischen Elektroden erzeugtem Polarisationsspannung auszuschalten, wird mit einem resultierenden Magnetfeld von Netzfrequenz (dann) ein zu messendes Strömungsmittel (dessen Strömungs- oder Durchsatzmenge gemessen werden soll) beaufschlagt. Die Strömungsmenge wird hierauf in Abhängigkeit von der Wechselspannung gemessen, die zwischen den mit dem zu messenden Strömungsmittel in Berührung stehenden Elektroden erzeugt wird.

Bei diesem Strömungsmesser des Erregungstyps besteht jedoch eine Grenze für die Genauigkeit der Strömungsmessung, weil sich aufgrund der Schwankung des Magnetfelds induzierte Störsignale ergeben, welche den Nullpunkt verändern.

Im Hinblick hierauf wurde bereits ein Erregungssystem angewandt, das einen Wechselstrom einer niedrigeren Frequenz als Erregungsstrom zur Anlegung an die Erregerspule verwendet, um den Einfluß oder die Auswirkung der Polarisation zu vermeiden, wobei die Wellenform des Erregungsstroms in eine Rechteckwelle einer Periode, bei welcher der Pegel des Stroms sich nicht ändert, umgewandelt und die Signalspannung während dieser Periode abgegriffen (sampling) wird, so daß der Einfluß der induzierten Störsignale ausgeschaltet werden kann.

Es sind verschiedene Arten von Erregungssystemen unter Verwendung der niederfrequenten Welle einer rechteckigen Wellenform für die Erregung bekannt (vgl. z. B. US-PS 44 62 060).

Beim Erregungssystem gemäß dieser US-PS wird eine Netzwechselspannung nach Vollweg-Gleichrichtung an zwei mit einer Erregerspule in Reihe geschaltete Umschalt- oder Schalt(er)elemente angelegt, die durch einen Tastverhältniswandler mit Komparator (an)gesteuert werden, welcher das Tastverhältnis entsprechend der Größe des Erregungsstroms variiert, um letzteren konstantzuhalten. Dabei wird einerseits eine Torsteuerspannung (gate voltage) einer niedrigen Frequenz und einer Wellenform, die derjenigen eines gewünschten Erregungsstroms analog ist, an den Tastverhältniswandler angelegt, um einen niederfrequenten Erregungsstrom mit einer Rechteckwellenform zu erhalten, deren flacher Abschnitt konstantgehalten wird.

Da jedoch Pegel (Größe) und Wellenform des Erregungsstroms bei diesem Erregungssystem von Pegel und Wellenform der Torsteuerspannung abhängen, müssen sie genau aufrechterhalten werden, so daß die entsprechende Steuerung sich schwierig gestaltet.

Da zudem dieses Erregungssystem so ausgelegt ist, daß die durch Vollweg-Gleichrichtung der Netzwechselspannung erhaltene Spannung unmittelbar (wie sie ist) über eine Steuerschaltung für den Erregungsstrom an die Erregerspule angelegt wird, besteht ein Nachteil dahingehend, daß allgemein im Hinblick auf den Dynamikbereich der Steuerschaltung das für eine Stromversorgung einer Nennspannung von z. B. 110 V ausgelegte System nicht ohne weiteres unmittelbar auf eine solche mit einer Nennspannung von z. B. 220 V anwendbar ist.

Im Hinblick auf die geschilderten Mängel des Stands der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die bei einfachem Aufbau die Wellenform des Erregungsstroms zu steuern oder einzustellen vermag, ohne die Wellenform des Erregungsstroms mit einer Spannung einer der Wellenform des Erregungsstroms analogen Wellenform zu steuern.

Die Erfindung bezweckt auch die Schaffung eines Mehrzweck- Erregungssystem zum Anlegen einer durch Gleichrichten einer Netzspannung erhaltenen Spannung an die Erregungsstrom-Steuerschaltung über einen Schalterkreis.

Zudem bezweckt die Erfindung eine Erregerschaltung mit schnellem Ansprechen und hohem Wirkungsgrad.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß werden eine Netzwechselspannung einer Vollweg-Gleichrichtung unterworfen und eine mittels eines Schalterkreises erhaltene geregelte Gleichspannung an eine Erregerschaltung angelegt, die eine durch eine Erregungsstrom-Steuerschaltung gesteuerte Erregerspule aufweist und bei welcher ein erstes Schalterelement und ein Meßwiderstand zum Messen (detecting) des Erregungsstroms mit der Erregerspule in Reihe geschaltet sind, während weiterhin ein zweites Schalterelement zur Lieferung eines Erregungsstroms in der entgegengesetzten Richtung zur Reihenschaltung aus der Erregerspule und den Meßwiderstand parallelgeschaltet ist. Die Steuerschaltung erfaßt oder mißt dabei die Größe des Erregungsstroms als über den Meßwiderstand erzeugte Rückkopplungsspannung, und sie bildet die Absolutgröße derselben, leitet eine Differenz zwischen der Absolutgröße und einer den Pegel bzw. die Größe des Erregungsstroms bestimmenden Bezugsspannung ab, wandelt die Differenz in eine Reihe von Impulsen variierenden Tastverhältnisses um und schaltet danach die Impulsreihe mit einem Zeitsteuer- oder Taktsignal zum Umschalten des Erregungsstroms, um erstes und zweites Schalterelement zu steuern bzw. anzusteuern.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Wellenformen in den einzelnen Abschnitten der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Wellenformen in den einzelnen Abschnitten der Anordnung nach Fig. 3,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Wellenform des Erregungsstroms bei Tri-State- oder Dreizustands-Erregung,

Fig. 6 ein Schaltbild eines Differenzverstärkers zur Gewinnung des Erregungsstroms nach Fig. 5,

Fig. 7 ein Schaltbild einer Anordnung, bei welcher Zener-Dioden anstelle des Glättungskondensators gemäß Fig. 1 und 2 verwendet werden,

Fig. 8 ein Schaltbild eines Abschnitts einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 9 ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 8.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird eine über die Klemmen einer Netzstromquelle 10 anliegende Spannung in einem Gleichrichter 11 einer Vollweg-Gleichrichtung unterworfen. Eine dadurch erhaltene Gleichspannung wird durch einen Kondensator 12 gefiltert und dann über Klemmen T 1, T 2 einem Schalterkreis 13 eingespeist.

Der Schalterkreis 13 umfaßt einen Transformator 14, einen Transistor 15 als Schalter- oder Umschaltelement, Gleichrichter- und Glättungskreis 15 a, 16 b, 17, einen Fehlerverstärker 18, einen eine Dreieckswellenspannung ausgebenden Oszillator 19, einen Komparator20, einen Schalterelement-Treiber- oder -Ansteuerkreis 21 und eine Bezugsspannungsquelle 22 zur Lieferung einer Bezugsspannung Er. Der Transformator 14 umfaßt eine Primärwicklung n 1. Sekundärwicklungen n 2 a, n 2 b, eine Tertiärwicklung n 3 und eine Quaternärwicklung n 4.

Die Spannung von der Stromquelle 10 wird über den Glättungskondensator 12 an eine Reihenschaltung aus der Primärwicklung n 1 und dem Transistor 15 angelegt. Bei durchgeschaltetem Transistor 15 fließt ein Primärstrom i 1; wenn der Transistor 15 sperrt, wird die im Kern des Transformators 14 durch den Primärstrom i 1 gespeicherte Energie in Form von Sekundärströmen i 2 a, i 2 b und eines Tertiärstroms i 3 zur Seite der Sekundärwicklungen n 2 a, n 2 b bzw. der Tertiärwicklung n 3 entladen. Die Sekundärströme i 2 a, i 2 b werden durch ersten und zweiten Gleichrichter- und Glättungskreis 16 a bzw. 16 b geglättet und dem Erregerkreis 23 für einen elektromagnetischen Strömungsmesser eingespeist, um einen Erregungsstrom Io zu liefern.

Weiterhin wird der Tertiärstrom i 3 von der Tertiärwicklung n 3 durch den Gleichrichter- und Glättungskreis 17 zu einer Rückkopplungsspannung Ef gleichgerichtet und geglättet, die an die invertierende Klemme (-) des Fehlerverstärkers 18 angelegt wird.

Der Fehlerverstärker 18, an dessen nicht-invertierender Eingangsklemme (+) eine Sollspannung (set voltage) Er anliegt, verstärkt die Differenz zwischen der Soll- oder Bezugsspannung Er und der Rückkopplungsspannung Ef, und sein Ausgangssignal Ea wird im Kompensator 20 mit einer Dreieckswellenspannung Eb vom Oszillator 19 verglichen. Auf der Grundlage des Ergebnisses dieses Vergleichs läßt die Treiberschaltung 21 den Transistor 15 durchschalten oder sperren. Auf diese Weise wechselt der Transistor 15 wiederholt zwischen dem Durchschalt- und dem Sperrzustand, so daß sich der Zustand Ef = Er ergibt und die Ausgangssignale Va 1, Va 2 sowie die Ausgangsspannung über die Klemmen T 5 und T 6 des Schalterkreises 13 konstantgehalten werden.

Der eine Diode Da und einen Glättungskondensator Ca aufweisende erste Gleichrichter- und Glättungskreis 16 a bewirkt das Gleichrichten und Filtern der über die Sekundärwicklung n 2 a des Transformators 14 erzeugten Spannung zwecks Lieferung einer positiven Gleichspannung Va 1 zwischen den Klemmen T 3 und T 0.

Der aus einer Diode Db und einem Glättungskondensator Cb bestehende zweite Gleichrichter- und Glättungskreis 16 b bewirkt das Gleichrichten und Filtern der über die Sekundärwicklung n 2 b des Transformators 14 erzeugten Spannung zwecks Lieferung einer negativen Gleichspannung Vb 1 zwischen den Klemmen T 4 und T 0.

Die beiden Seiten der Quaternärwicklung n 4 sind mit Klemmen T 5 bzw. T 6 verbunden, wobei die über diese beiden Seiten erzeugte Spannung als Stromversorgung für andere Kreise oder Schaltungen im elektromagnetischen Strömungsmesser benutzt wird.

Zwischen den Klemmen T 3 und T 0 sind ein Schalter 24 a, eine Erregerspule 25 und ein Meßwiderstand Rs zur Erfassung bzw. Messung des Erregungsstroms Io in Reihe geschaltet, wobei die Verzweigung zwischen der Erregerspule 25 und dem Meßwiderstand Rs mit einem gemeinsamen oder Sammelpotentialpunkt COM verbunden ist. Zwischen den Klemmen T 4 und T 0 ist über einen Schalter 24 b eine Reihenschaltung aus der Erregerspule 25 und dem Meßwiderstand Rs parallelgeschaltet. Die Schalter 24 a, 24 b sind jeweils parallel zu Dioden 26 a bzw. 26 b geschaltet, welche bewirken, daß die in der Erregerspule 25 gespeicherte Energie von Kondensatoren Cb bzw. Ca absorbiert wird, wenn die Schalter 24 a bzw. 24 b jeweils offen sind. Die Schalter 24 a, 24 b werden durch Steuersignale Sfl, Sfl geöffnet und geschlossen.

Die Schalter 24 a, 24 b, die Erregerspule 25, der Meßwiderstand Rs, die Dioden 26 a, 26 b usw. bilden einen Erregerkreis 23.

Durch den über die Erregerspule 25 fließenden Erregungsstrom Io wird ein Magnetfeld erzeugt, das einer Leitung 27 aufgeprägt wird, durch welche das zu messende Strömungsmittel strömt. Die Leitung 27 ist mit zwei an Masse liegenden Elektroden 28 a, 28 b versehen, wobei eine über die Elektroden erzeugte Spannung über eine Signalverarbeitungsschaltung 29 als Durchsatz- bzw. Strömungsmengensignal Va ausgegeben wird.

Die Spannung zwischen dem Meßwiderstand Rs und dem Sammelpotentialpunkt COM wird einer Regel- oder Steuerschaltung 30 zur Regelung bzw. Steuerung des Erregungsstroms Io eingespeist. Die Steuerschaltung 30 umfaßt einen Absolutwertkreis 31, einen Differenzverstärker 32, einen Tastverhältnis-Schwingkreis 33 und einen Rechenoperationskreis 34.

Die aufgrund des über den Meßwiderstand Rs fließenden Erregungsstroms Io erzeugte Spannung wird dem Absolutwertkreis 31 eingespeist und in der Form ihres Absolutwerts dem Eingang des Differenzverstärkers 32 aufgeprägt, an dessen anderem Eingang eine Bezugsgleichspannung Es 1 anliegt. Infolgedessen wird eine Spannung entsprechend der Differenz zwischen der Bezugsspannung Es 1 und dem Absolutwert der Spannung über den Meßwiderstand Rs an der Ausgangsklemme des Differenzverstärkers 32 ausgegeben. Die Ausgangsklemme des Differenzverstärkers 32 ist mit der Eingangsklemme des Tastverhältnis-Schwingkreises 33 verbunden, dessen Ausgangsklemme wiederum mit der Eingangsklemme des Rechenoperationskreises 34 verbunden ist. Der Rechenoperationskreis 34 wird mit einem Zeitsteuer- bzw. Taktsignal St beschickt, und er berechnet ein Produkt zwischen bzw. aus dem Signal St und dem Steuersignal Sd als Ausgangssignal des Tastverhältnis-Schwingkreises 33. Der Rechenoperationskreis 34 liefert Steuersignale Sf 1, Sf 2, die das Öffnen und Schließen der Schalter 24 a bzw. 24 b steuern.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der beschriebenen Schaltung anhand des Wellenformdiagramms gemäß Fig. 2 erläutert.

Der Schalter 24 a oder 24 b wird durch das Steuersignal Sf 1 bzw. Sf 2 geschlossen, um der Erregerspule 25 den Erregungsstrom Io zuzuführen. Der Erregungsstrom Io wird durch den Meßwiderstand Rs abgegriffen oder gemessen und dann dem Absolutwertkreis 31 eingespeist. Die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Absolutwertkreises 31 und einer vorbestimmten Bezugsspannung Es 1 im Differenzverstärker 32 verstärkt und dann von diesem abgegeben. Da der Absolutwert (oder die Absolutgröße) des Erregungsstoms aufgrund der Induktivität L der Erregerspule 25 während der Einschwingperiode t 1 nach dem Einschalten des Erregungsstroms Io durch das Taktsignal St gemäß Fig. 2(1) vergleichsweise klein ist, wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 32 vergrößert, wobei das Steuersignal Sd des Tastverhältnis-Schwingkreises 33 gemäß Fig. 2(2) die Wellenform einer Impulsreihe einer längeren EIN- Periode annimmt. Während sich der Erregungsstrom Io einer konstanten Stromgröße Ioc annähert, wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 32 kleiner, wobei das Steuersignal Sd die Wellenform einer Impulsreihe einer kürzeren EIN-Periode annimmt.

Die Rechenoperationsschaltung 34 bildet ein logisches Produkt aus dem Steuersignal Sd (Fig. 2(2)) vom Tastverhältnis-Schwingkreis 33 und dem Taktsignal St, welches den Takt (timing) für den Erregungsstrom (Fig. 2(5)) vorgibt, und sie liefert das Steuersignal Sf 1 oder sf 2 gemäß Fig. 2(3) oder 2(4). Die Schalter 24 a, 24 b werden durch das Steuersignal Sf 1 bzw. Sf 2 (an)gesteuert.

Wenn der Schalter 24 a oder 24 b mit dem Tastverhältnis gemäß Fig. 2(3) oder 2(4) geöffnet oder geschlossen wird, wird die an der Erregerspule 25 anliegende mittlere Erregungsspannung während der Einschwingperiode t 1 des Erregungsstroms (Fig. 2(1)) erhöht, um den Anstieg des Erregungsstroms Io zu beschleunigen. Auch wenn der Schalter 24 a oder 24 b geschaltet wird, wird der Erregungsstrom Io aufgrund der Induktivität der Erregerspule 25 geglättet, so daß ein Erregungsstrom Io geliefert wird, der gemäß Fig. 2(5) mit niedriger Frequenz variiert. Die Erregungsstromgröße Ioc, bei welcher sich der Erregungsstrom Io auf eine konstante Größe eingstellt, kann durch Einstellung der Bezugsspannung Es 1 des Differenzverstärkers 32 bestimmt werden.

Da der flache Abschnitt des Erregungsstroms Io, wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, durch die Bezugsspannung Es 1 als konstante Gleichspannung bestimmt werden kann, und da das Umschalten des Erregungsstroms Io durch einfache Anlegung des Zeitsteuer- oder Taktsignals St bestimmt werden kann, kann mithin die Wellenform des Erregungsstroms Io durch die Bezugsspannung Es 1 und das Taktsignal St bestimmt werden. Bei dieser Ausführungsform kann somit die Wellenform des Erregungsstroms Io mit einer einfachen Anordnung geregelt oder gesteuert werden, wobei es nicht erforderlich ist, ein Steuersignal zu erzeugen, das in Pegel bzw. Größe und Wellenform dem Erregungsstrom analog ist, wie dies bei der eingangs beschriebenen bisherigen Anordnung nötig ist.

Da weiterhin bei dieser Ausführungsform die Netz- Wechselspannung durch den Schalterkreis 13 einer wirksamen Spannungsregelung unterworfen und dem Erregerkreis 23 eingespeist wird, ist die beschriebene Schaltung in der Lage, den erheblichen Unterschied in der Nennspannung von der Stromquelle, z. B. 110 V auf 220 V, ohne wesentliche Abwandlung auszugleichen.

Da weiterhin bei dieser Ausführungsform die zwischen den beiden Klemmen T 5 und T 6 erhaltene Spannung zusammen mit anderen Schaltungs-Stromversorgungen im elektromagnetischen Strömungsmesser verwendet werden kann, ergibt sich der Vorteil einer Vereinfachung des Aufbaus ohne die beim Stand der Technik vorliegende Notwendigkeit für die Anordnung eines exklusiven Stromversorgungsteils für den Erregerkreis.

Bei der in Fig. 3 dargestellten anderen Ausführungsform der Erfindung sind den Bauteilen von Fig. 1 entsprechende Bauteile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen erläutert.

Eine aufgrund des Flusses des Erregungsstroms Io über den Meßwiderstand Rs erzeugte Spannung wird einem Absolutwertkreis 35 eingespeist, welcher den Absolutwert der Eingangsspannung durch Durchschalten eines Transistors Q 1, wenn die Eingangsspannung positiv ist, und Durchschalten einer Diode D 1, wenn die Eingangsspannung negativ ist, berechnet. Ein Differenzverstärker (oder Differentialverstärker) 32 verstärkt die Differenz zwischen dem Ausgangssignal eA des Absolutwertkreises 35 und der Bezugsspannung Es 1, und er liefert die verstärkte Differenz zu einem Tastverhältnis- Wandlerkreis 36, welcher seinerseits das Ausgangssignal vom Differenzverstärker 32 mit einer Dreieckswellenformspannung eT hoher Frequenz vergleicht und eine Spannung eP in Form einer Impulsreihe, deren Tastverhältnis dem Ausgangssignal vom Differenzverstärker 32 proportional ist, zu dem (Rechen-)Operationskreis 37 abgibt. Dem Operationskreis 37 wird beispielsweise eine Stromquellenfrequenz f 0 zugeführt, die in einem Frequenzteiler Q 2 zur Lieferung eines Zeitsteuer- oder Taktsignals St auf eine niedrigere Frequenz geteilt wird. Das Taktsignal St wird über einen Inverter Q 3 einem NAND-Glied Q 4 eingespeist. Eine Ausgangsspannung eP des Tastverhältnis-Wandlerkreises 36 wird der anderen Eingangsklemme des NAND- Glieds Q 4 aufgeprägt, an dessen Ausgang ein Steuersignal Sf 2 erhalten wird. Weiterhin werden das Taktsignal St und die Ausgangsspannung eP des Tastverhältnis- Wandlerkreises 36 einem NAND-Glied Q 5 eingespeist, dessen Ausganssignal über einen Inverter Q 6 als Steuersignal Sf 1 abgegeben wird. Der Absolutwertkreis 35, der Differenzverstärker 32, der Tastverhältnis- Wandlerkreis 36 und der Operationskreis 37 bilden eine Regel- oder Steuerschaltung 38, die auf zu beschreibende Weise das Taktsignal St und die Steuersignale Sf 1, Sf 2 zum Erregerkreis abgibt.

Ein Erregerkreis 39 wird mit einer positiven Gleichspannung Va 1 und einer negativen (negate) Gleichspannung Vb 1 von einem Schalterkreis 13 beschickt und er liefert einen Erregungsstrom Io zu einer Erregerspule 25 unter der Steuerung des Taktsignals St sowie der Steuersignale Sf 1, Sf 2 von der Steuerschaltung 38. Die Klemme T 3 des Schalterkreises 13 ist mit der Drain-Elektrode D eines Schalterelements SW 1 in Form eines N-Kanal-Feldeffekttransistors (MOSFETs) verbunden. Die Sourceelektrode S des Feldeffekttransistors ist an die eine Seite des Meßwiderstands Rs und den Sammelpotentialpunkt COM angeschlossen. Die andere Seite des Meßwiderstands Rs liegt an der einen Seite der Erregerspule 25. Zwischen Drain-Elektrode D und Source-Elektrode S des Schalterelements SW 1 ist eine Diode 26 a geschaltet, deren Kathode an der Seite der Klemme T 3 liegt. Die Gate-Elektrode G des Schalterelements SW 1 ist an die Ausgangsklemme des Inverters Q 6 angeschlossen. Weiterhin ist die Klemme T 4 des Schalterkreises 13 mit der Drain-Elektrode D eines Schalterelements SW 2 in Form eines P-Kanal-Feldeffekttransistors (MOSFETs) verbunden. Die Source-Elektrode S dieses Feldeffekttransistors ist mit der Source- Elektrode S des Schalterelements SW 1 zusammengeschaltet. Zwischen Drain-Elektrode D und Source-Elektrode S des Schalterelements SW 2 ist eine Diode 26 b geschaltet, deren Anode an der Seite der Klemme T 4 liegt. Die Gate-Elektrode des Schalterelements SW 2 ist mit der Ausgangsklemme des NAND-Glieds Q 4 verbunden. Die Klemme T 0 des Schalterkreises 13 liegt an der anderen Seite der Erregerspule 25. Zwischen die Klemme T 0 und die Source-Elektrode S des Schalterelements SW 1 sind in Reihe ein Schalterelement SW 3 in Form eines N- Kanal-Feldeffekttransistors (MOSFETs) und eine Diode D 2 geschaltet, deren Anode an der Seite der Klemme T 0 liegt, so daß ein Schalterkreis gebildet wird, in welchem die Gate-Elektrode G des Schalterelements SW 3 mit der Ausgangsklemme des Frequenzteilers Q 2 verbunden ist. Auf dieselbe Weise sind zwischen Klemme T 0 und Schalterelement SW 2 in Reihe ein Schalterelement SW 4 in Form eines P-Kanal-Feldeffekttransistors (MOSFETs) und eine Diode D 3 geschaltet, deren Kathode an der Seite der Klemme T 0 liegt, so daß ein weiterer Schalterkreis gebildet wird, in welchem die Gate-Elektrode G des Schalterelements SW 4 auf dieselbe Weise wie die Gate-Elektrode des Schalterelements SW 3 mit der Ausgangsklemme des Frequenzteilers Q 2 verbunden ist.

Die Arbeitsweise des Erregerkreises mit dem beschriebenen Aufbau ist im folgenden anhand der Wellenformen gemäß Fig. 4 erläutert.

Entsprechend dem Taktsignal St niedriger Frequenz (Fig. 4(1)), durch Frequenzteilung der Stromquellenfrequenz f 0 im Frequenzteiler Q 2 erzeugt, fließt ein Erregungsstrom Io (Fig. 4(2)), der durch den Meßwiderstand Rs gemessen oder abgegriffen wird und von dem dann im Absolutwertkreis 35 der Absolutwert (Fig. 4(3)) gebildet und durch den Differenzverstärker 32 dem Tastverhältnis-Wandlerkreis 36 eingespeist wird. Dieses Eingangssignal wird im Tastverhältnis-Wandlerkreis 36 mit der Dreieckswellenformspannung eT (Fig. 4(4)) verglichen und als Ausgangsspannung eP (Fig. 4(5)), die dem Pegel der Ausgangsspannung eA proportional ist, vom Absolutwertkreis 35 ausgegeben.

Das Schalterelement SW 1 wird durch das Steuersignal Sf 1 geöffnet und geschlossen, das durch eine NAND- Verknüpfung zwischen der Ausgangsspannung eP und dem Zeitsteuer- oder Taktsignal St und anschließende Invertierung im Inverter Q 6 erzeugt wird (vgl. Fig. 4 (6)). In dem Zustand, in welchem der Absolutwert des Erregungsstroms Io vergleichsweise klein ist, wird die EIN- oder Durchschaltperiode des Schalterelements SW 1 vergrößert, um den Anstieg des Erregungsstroms Io zu beschleunigen. Weiterhin wird das Schalterelement SW 2 durch das Steuersignal Sf 2 geöffnet und geschlossen, das durch eine NAND-Verknüpfung zwischen dem im NAND-Glied Q 4 invertierten Taktsignal St und der Ausgangsspannung eP gebildet wird (vgl. Fig. 4(7)).

Wenn der Absolutwert des Erregungsstroms Io vergleichsweise kleiner ist, wird die Durchschaltperiode des Schalterelements SW 2 ebenfalls vergrößert, um den Erregungsstrom Io schneller ansteigen zu lassen.

Weiterhin wird das Taktsignal St (Fig. 4(1)) an jede Gate-Elektrode G der Schalterelemente SW 3 und SW 4 angelegt, wobei das Schalterelement SW 3 durchgschaltet, wenn an der Gate-Elektrode G ein positiver Zustand (logische "1") anliegt (vgl. Fig. 4(8)), während das Schalterelement SW 4 durchschaltet, wenn an der Gate- Elektrode G ein Zustand entsprechend einer logische "0" besteht (vgl. Fig. 4(9)).

In der Periode T 1, in welcher das Taktsignal St den positiven Pegel besitzt (Fig. 4(1)), wechselt somit das Schalterelement SW 1 wiederholt zwischen dem Durchschalt- und dem Sperrzustand unter Lieferung einer Impulsreihe hoher Frequenz. In jeder Durchschaltperiode wird der Erregungsstrom Io durch die positive Gleichspannung Va 1 der Erregerspule 25 geliefert. Wenn dagegen das Schalterelement SW 1 sperrt, fließt ein Strom über die Diode D 2, das Schalterelement SW 3 in dessen Durchschaltzustand und den Meßwiderstand Rs aufgrund der in der Erregerspule 25 gespeicherten elektromagnetische Energie, wobei dieser Stromfluß bis zum nächsten Durchschalten des Schalterelements SW 1 andauert. Wenn sodann das Schalterelement SW 1 durchschaltet, wird der Erregungsstrom Io erneut durch die positive Gleichspannung Va 1 geliefert, so daß der Erregungsstrom Io kontinuierlich fließt. Die Amplitude des Erregungsstroms Io wird durch das durch die Bezugsspannung Es 1 bestimmte Tastverhältnis begrenzt.

Wenn beim Übergang auf die Periode T 2 das Taktsignal St auf Null übergeht, wird das Schalterelement SW 3 synchron mit dem Umschalten des Taktsignals St in den Sperrzustand versetzt. In diesem Fall fließt der über die Erregerspule 25 geleitete Erregungsstrom Io über die Diode 26 b (Fig. 3) zum Kondensator Cb im Schalterkreis 13, um in diesem elektrische Ladungen zu sammeln, durch welche die Spannung über die Klemmen T 0 und T 4 erhöht wird, um den Anstieg des Erregungsstroms beim Umschalten zu beschleunigen.

Nach der Invertierung oder Umkehrung des Taktsignals ST (Periode T 2) geht das Schalterelement SW 2 unter Lieferung einer Impulsreihe hoher Frequenz wiederholt abwechselnd in den Durchschalt- und Sperrzustand über, wobei auch das Schalterelement SW 4 durchgeschaltet wird. In diesem Zustand wird die Erregung in negativer Richtung auf dieselbe Weise wie die vorstehend beschriebene Erregung in positiver Richtung erreicht.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3, bei welcher die Schalterelemente SW 1 - SW 4 für den Erregerkreis durch MOS-Transistoren des Anreicherungstyps gebildet sind, kann ein Kurzschluß der Stromquelle durch Verwendung des Steuersignals für jedes Schalterelement in einer einfachen Logikschaltung unter Heranziehung des Sammelpotentialpunkts COM als Bezugspotential verhindert werden.

Die Wellenform des Erregungsstroms gemäß Fig. 5 veranschaulicht den Fall einer Tri-State- oder Dreizustandserregung, bei welcher ein nicht-erregter Zustand zwischen der positiven und der negativen Erregung vorliegt. Ein derartiger Erregungsstrom kann erzielt werden, indem der Differenzverstärker 32 gemäß Fig. 3 durch einen Bezugs- bzw. Differenzverstärker 40 gemäß Fig. 6 ersetzt wird.

Insbesondere kann die Dreizustandserregung (tristate excitation) durch Umschalter der Spannung an der nicht-invertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers Q 7 mit einem Schalterelement SW 5 zwischen der Bezugsspannung Es 1 und 0 V durch ein Steuersignal Sf 3 mit einer Frequenz entsprechend dem Doppelten der Erregungsfrequenz erzielt werden. Da die Größe des Erregungsstroms beim Umschalten auf den Null-Volt-Zustand auf Null gesetzt wird, kann eine Dreizustandserregung, d. h. positive Erregung, Null-Erregung und negative Erregung, durchgeführt werden.

Fig. 7 ist ein Schaltbild einer tatsächlichen bzw. praktischen Ausführungsform des Schalterkreises. Der Schalterkreis 41 gemäß Fig. 7 verwendet Zener-Dioden ZD 1, ZD 2 anstelle der Kondensatoren Ca, Cb beim Schalterkreis 13 gemäß Fig. 1. Bei dieser Anordnung resultiert der bei der Umkehrung der Polarität des Erregungsstroms über die Zener-Dioden ZD 1, ZD 2 fließende Strom in einem Leistungsverlust. Da jedoch die Welligkeit in der Stromversorgung am Ausgang des Transformators 14 aufgrund der Induktivität der Erregerspule 25 geglättet wird, kann der Erregungsstrom Io (auch) ohne die Kondensatoren Ca, Cb geglättet werden, so daß auf dieselbe Weise der Erregungsstrom gemäß Fig. 2(5) oder Fig. 5 gewonnen werden kann.

Fig. 8 ist eine Blockschaltbild einer Schaltung, bei welcher die Dioden D 2, D 3 gemäß Fig. 3 weggelassen sind. Im (Rechen-)Operationskreis 42 sind zusätzlich zur Anordung des Operationskreises 37 ein UND-Glied Q 8 sowie ein NAND-Glied Q 9 vorgesehen. Die Ausgangsklemme des Frquenzteilers Q 2 und die Ausgangsklemme des NAND-Glieds Q 5 sind an die Eingangsklemme des UND-Glieds Q 8 angeschlossen, dessen Ausgangsklemme zur Anlegung eines Steuersignals Sf 4 mit der Gate- Elektrode G des Schalterelements SW 3 verbunden ist. Die Ausgangsklemme des NAND-Glieds Q 4 und die Ausgangsklemme des Inverters Q 3 sind an die (jeweiligen) Eingangsklemmen des NAND-Glieds Q 9 angeschlossen, dessen Ausgangsklemme zur Anlegung eines Steuersignals Sf 5 mit der Gate-Elektrode G des Schalterelements SW 4 verbunden ist.

Der Erregerkreis 43 besitzt andererseits denselben Aufbau wie der vorher beschriebene Erregerkreis 39, nur mit dem Unterschied, daß die beiden Schalterelemente SW 3 und SW 4 unmittelbar parallel zur Reihenschaltung aus der Erregerspule 25 und dem Meßwiderstand Rs eingeschaltet sind.

Die Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 8 ist nachstehend anhand des Zeitsteuerdiagramms von Fig. 9 erläutert.

Im NAND-Glied Q 5 erfolgt eine logische Operation (Verknüpfung) an dem bzw. mit dem Taktsignal als Ausgangssignal des Frequenzteilers Q 2 (Fig. 9(1) und der Ausgangsspannung eP vom Tastverhältnis-Wandlerkreis 36 (Fig. 9(2)), so daß die Wellenform gemäß Fig. 9(3) erhalten wird. Im UND-Glied Q 8 erfolgt eine NAND-Verknüpfung dem Taktsignal St und dem Ausgangssignal des NAND-Glieds Q 5 zwecks Lieferung eines Steuersignals Sf 4 gemäß Fig. 9(4), um damit das Schalterelement SW 3 anzusteuern. Andererseits wird das Ausgangssignal des NAND-Glieds Q 5 im Inverter A 6 zu einem Steuersignal Sf 1 invertiert, mit dem das Schalterelement SW 1 angesteuert wird. Wenn daher das Schalterelement SW 1 mit hoher Frequenz durchgeschaltet wird, sperrt das Schalterelement SW 3, während beim Sperren des Schalterelements SW 1 mit hoher Frequenz das Schalterelement SW 3 in den Durchschaltzustand versetzt wird, in welchem die Erregungsenergie in der Erregerspule 25 über das Schalterelement SW 3 fließen kann. Die Diode D 2 gemäß Fig. 3 kann somit weggelassen werden. Da andererseits die Schalterelemente SW 2, SW 4, wie aus den Wellenformdiagrammen gemäß Fig. 9(6) und 9(7) hervorgeht, ebenfalls in einer den Schalterelementen SW 1 und SW 3 komplementären Weise arbeiten, führen diese Schalterelemente dieselbe Operation aus, so daß die Diode D 3 weggelassen werden kann.

Die vorstehend anhand von Ausführungsformen im einzelnen beschriebene Erfindung bietet verschiedene, nachstehend aufgeführte Wirkungen bzw. Vorteile:

1) Da der Erregungsstrom einfach durch Anwendung des Umschalttakts durch das Zeitsteuer- oder Taktsignal St umgeschaltet werden kann, während sich der Pegel oder die Größe des Erregungsstroms durch die Bezugsgleichspannung Es 1 bestimmen läßt, kann die Wellenform des Erregungsstroms mit höherer Genauigkeit gesteuert werden, als dies bei der bisherigen Anordnung der Fall ist.

2) Da durch den zu einer Spannungssteuerung oder -einstellung befähigten Schalterkreis eine Stromquellenspannung an den Erregerkreis angelegt wird, kann die Anordnung unmittelbar und ohne spezielle Abwandlung an Stromquellen unterschiedlicher Spannungsgrößen angeschlossen werden, so daß damit ein einfach zu handhabender Erregerkreis realisiert werden kann.

3) Da die Stromquelle für den Erregerkreis mittels des Schalterkreises vorgesehen wird, kann die Stromversorgung für den Erregerkreis gemeinsam mit anderen Schaltungs-Stromversorgungen im elektromagnetischen Strömungsmesser benutzt werden, so daß der Aufbau des Stromquellenteils unter entsprechender Kostensenkung vereinfacht werden kann.

4) Da die Stromquellenspannung mit hoher Frequenz zerhackt wird, so daß ein über die Induktivität der Erregerspule fließender Strom während des Sperrens des Schalterelements aufrechterhalten werden kann, ist die Verwendung eines Kondensators einer hohen Aushalte- oder Stehspannung nicht mehr nötig, wodurch wiederum ein Beitrag zur Kostensenkung geleistet wird.

5) Da der durch die Erregerspule geflossene Erregungsstrom beim Umschalten seiner Polarität mit der entgegengesetzten Polarität in den Kondensator der Stromversorgung geleitet und damit die Spannung über den Kondensator erhöht wird, kann der Anstieg des Erregungsstroms beim Umschalten beschleunigt werden, wodurch die Ansprechgeschwindigkeit verbessert und eine Energieeinsparung für die Erregung erreicht werden.

Claims (16)

1. Elektromagnetischer Strömungsmesser, der eine Leitung mit zwei (darin) einander diametral gegenüberstehenden Elektroden, einen Elektromagneten mit einer Erregerspule zur Erzeugung eines Magnetfelds in der Leitung sowie eine Treiber- oder Steuereinheit zum Erregen des Elektromagneten aufweist und der ein Durchsatz- oder Strömungsmengensignal für ein die Leitung durchströmendes Strömungsmittel zu erzeugen vermag,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit
A) eine Spannungsregeleinrichtung, die mit einer Gleichspannung beschickt wird, welche durch Gleichrichten einer eine vorbestimmte Frequenz besitzenden Spannung von einer Wechselstromquelle unter Anwendung einer Spannungsregelung zur Bildung einer vorbestimmten Erregungsspannung gebildet ist,
B) eine erste, zwischen die Erregerspule und die Spannungsregeleinrichtung eingeschaltete Umschalt- oder Schaltereinheit zum Anlegen der Erregungsspannung mit einer der beiden Polaritäten an die Erregerspule,
C) eine zweite, zwischen die Erregerspule und die Spannungsregeleinrichtung eingeschaltete Umschalt- oder Schaltereinheit zum Anlegen der Erregungsspannung mit der anderen Polarität an die Erregerspule,
D) eine in Reihe zwischen die Spannungsregeleinrichtung und die Erregerspule geschaltete Stromabgreif- oder -meßeinheit zum Abgreifen oder Messen (detecting) des durch die Erregerspule fließenden Erregungsstroms,
E) eine Differenzoperationseinheit zum Berechnen der Differenz zwischen der Absolutgröße eines Signals, entsprechend dem durch die Strommeßeinheit abgegriffenen oder gemessenen Erregungsstrom, und einer Bezugsspannung einer vorbestimmten Größe zwecks Bestimmung eines konstanten Pegels (bzw. einer konstanten Größe) des Erregungsstroms,
F) eine Tastverhältnis-Wandlereinheit zum Umwandeln des Ausgangssignals der Differenzoperationseinheit in ein Steuersignal mit einer Impulsreihe entsprechend der Amplitude des Ausgangssignals und
G) eine mit dem Steuersignal und einem Zeitsteuer- oder Taktsignal zum Umschalten des Erregungsstroms mit niedriger Frequenz gespeiste Logikprodukt- Operationseinheit zum Verarbeiten des logischen Produkts zwischen bzw. aus beiden Signalen und zum Steuern von erster und zweiter Schaltereinheit nach Maßgabe des Verarbeitungsprodukts aufweist.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregeleinrichtung mit einer Bezugsspannung speisbar (applied) und einer Umschaltsteuerung unterwerfbar ist, um die Erregungsspannung entsprechend der Bezugsspannung zu liefern.

3. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Schaltereinheit jeweils Feldeffekttransistoren sind.

4. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregeleinrichtung mit einer gleichgerichteten Gleichspannung von einem Gleichrichter beschickt wird und die Erregungsspannung abzugeben vermag, während sie durch einen Transformator gleichstrommäßig vom Gleichrichter isoliert bzw. getrennt ist.

5. Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator Wicklungen aufweist, die auch für andere Schaltungs-Stromversorgungen im elektromagnetischen Strömungsmesser benutzbar sind.

6. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitsteuer- oder Taktsignal durch Frequenzteilung der Netzstromquellenfrequenz mittels eines Frequenzteilers gebildet ist.

7. Elektromagnetischer Strömungsmesser, der eine Leitung mit zwei (darin) einander diametral gegenüberstehenden Elektroden, einen Elektromagneten mit einer Erregerspule zur Erzeugung eines Magnetfelds in der Leitung sowie eine Treiber- oder Steuereinheit zum Erregen des Elektromagneten aufweist und der ein Durchsatz- oder Strömungsmengensignal für ein die Leitung durchströmenden Strömungsmittel zu erzeugen vermag,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit
A) eine Spannungsregeleinrichtung, die mit einer Gleichspannung beschickt wird, welche durch Gleichrichten einer eine vorbestimmte Frequenz besitzenden Spannung von einer Wechselstromquelle unter Anwendung einer Spannungsregelung zur Bildung einer vorbestimmten Erregungsspannung gebildet ist,
B) eine erste, zwischen die Erregerspule und die Spannungsregeleinrichtung geschaltete Schaltereinheit, die durch ein erstes Steuersignal mit einer Impulsreihe, deren Tastverhältnis durch den Pegel oder die Größe des Erregungsstroms entsprechend der Erregungsperiode bestimmt wird und die in Synchronismus mit der Erregungsperiode ein- und ausgeschaltet wird, geöffnet oder geschlossen wird,
C) eine zweite, zwischen die Erregerspule und die Spannungsregeleinrichtung geschaltete Schaltereinheit, die durch ein zweites Steuersignal mit einer der Phase des ersten Steuersignals entgegengesetzten Phase entsprechend der Erregungsperiode geöffnet und geschlossen wird,
D) zwei Dioden, die parallel zu erster bzw. zweiter Schaltereinheit mit der Fließrichtung des Erregungsstroms entgegengesetzter Polarität geschaltet sind,
E) einen ersten, parallel zur Erregerspule geschalteten Umschalt- oder Schalterkreis, der während der AUS-Periode, in welcher die Impulsreihe des ersten Steuersignals fortlaufend ein- und ausgeschaltet wird, durchschaltbar und in der AUS- Periode des ersten Steuersignals sperrbar ist, und
F) einen zweiten, parallel zur Erregerspule geschalteten Umschalt- oder Schalterkreis, der während der AUS-Periode, in welcher die Impulsreihe des zweiten Steuersignals fortlaufend ein- und ausgeschaltet wird, durchschaltbar und während der AUS-Periode des zweiten Steuersignals sperrbar ist, aufweist.

8. Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregeleinrichtung mit einer Bezugsspannung speisbar (applied) und einer Umschaltsteuerung unterwerfbar ist, um die Erregungsspannung entsprechend der Bezugsspannung zu liefern.

9. Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregeleinrichtung mit einer gleichgerichteten Gleichspannung von einem Gleichrichter beschickt wird und die Erregungsspannung abzugeben vermag, während sie durch einen Transformator gleichstrommäßig vom Gleichrichter isoliert bzw. getrennt ist.

10. Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Schaltereinheit jeweils Feldeffekttransistoren sind.

11. Strömungsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator Wicklungen aufweist, die auch für andere Schaltungs-Stromversorgungen im elektromagnetischen Strömungsmesser benutzbar sind.

12. Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß erster und zweiter Schalterkreis jeweils Reihenschaltungen aus jeweils ersten und zweiten Feldeffekttransistoren und paarweise angeordneten, im Sinne eines Sperrens des Stroms aufgrund der Erregungsspannung geschalteten Dioden aufweisen und daß erster und zweiter Feldeffekttransistor jeweils durch die Zeitsteuer- oder Taktsignale (an)steuerbar sind.

13. Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß erster und zweiter Schalterkreis jeweils erste und zweite Feldeffekttransistoren umfassen, von denen der erste Feldeffekttansistor durch ein drittes Steuersignal (an)steuerbar ist, das während der AUS-Periode der Impulsreihe des ersten Steuersignals anliegt ( is rendered conductive), und der zweite Feldeffekttransistor durch ein viertes Steuersignal (an)steuerbar ist, das während der AUS-Periode der Impulsreihe des zweiten Steuersignals anliegt (is rendered conductive).

14. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzoperationseinheit eine Tri-State- oder Dreizustands-Erregung durch Berechnen der Differenz zwischen dem Ausgangssignal entsprechend der Absolutgröße des Erregungsstroms und dem Ausgangssignal, das durch Umschalten der Bezugsspannung und der Null-Spannung mit einer doppelt so hohen Frequenz wie die Erregungsfrequenz gebildet worden ist, durchführt.

5. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregeleinrichtung einen Transformator aufweist, wobei die in den Sekundärwicklungen des Transformators erzeugte (induzierte) Wechselspannung in einem Gleichrichter gleichgerichtet und dann durch einen Kondensator gefiltert wird.

16. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregeleinrichtung einen Transformator aufweist, wobei die in den Sekundärwicklungen des Transformators erzeugte (induzierte) Wechselspannung in einem Gleichrichter gleichgerichtet und dann durch eine Zener-Diode gefiltert wird.