DE3741584A1 - Elektromagnetischer stroemungsmesser mit alternierendem permanentmagnetfeld - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft generell elektromagnetische Strömungs­ messer, insbesondere einen Strömungsmesser, der aus einer Stan­ dard-Wechselstromnetzleitung betrieben wird und dessen elektro­ magnetisches Feld durch Polstücke aus hartmagnetischem Material erzeugt wird, die in der Magnetisierung durch zugeordnete Spulen abwechselnd umgekehrt werden, an die Treiberimpulse angelegt werden, die von der Leitungsspannung in einer Weise abgeleitet werden, die relativ kleine Energie erfordert.

Bei einem elektromagnetischem Strömungsmesser wird das Fluid, dessen Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit zu messen ist, durch ein Strömungsrohr geleitet, das mit einem Paar voneinander dia­ metral gegenüberliegenden Elektroden versehen ist, wobei ein magnetisches Feld senkrecht zur Längsachse des Rohres durch Elektromagnete hergestellt wird. Wenn die strömende Flüssigkeit das Feld schneidet bzw. durchdringt, wird darin eine Spannung induziert, die an die Elektroden übertragen wird, um ein Aus­ gangssignal zu erzeugen. Dieses Signal ist proportional zur mittleren Geschwindigkeit der Flüssigkeit und folglich auch zu deren mittleren volumetrischen Rate, wird dann verstärkt und verarbeitet, um ein Aufzeichnungsgerät oder eine Anzeige zu betätigen.

Das magnetische Feld kann seiner Natur nach entweder direkt bzw. gerichtet oder alternierend sein, wobei in jedem Fall die Amplitude der in der durch das Feld hindurchgehenden Flüssig­ keit induzierten Spannung eine Funktion deren Strömungsrate ist. Wenn jedoch mit einem gerichteten magnetischen Fluß gear­ beitet wird, wirkt das durch die Flüssigkeit strömende Gleich­ stromsignal polarisierend auf die Elektroden, wobei die Größe der Polarisation proportional zum Zeitintegral des Polarisa­ tionsstromes ist. Bei Betrieb mit alternierendem magnetischem Fluß wird die Polarisation vernachläßigbar gemacht, weil das resultierende Stromsignal alterniert und sich deshalb sein Integral mit der Zeit nicht aufbaut.

Obwohl ein Wechselstrombetrieb deutliche Vorteile hat, weil eine Polarisation verhindert wird und das wechselflußinduzierte Signal leichter verstärkt werden kann, hat er deutliche Nach­ teile. Die Verwendung eines alternierenden Flusses führt Scheinspannungen ein, die nicht auf die Strömungsrate bezogen sind und die, wenn sie unbehandelt bleiben, ungenaue Anzeigen verursachen.

Die bei einem Wechselbetrieb bzw. Wechselstrombetrieb des elek­ tromagnetischen Strömungsmessers auftretenden nachteiligen Effekte können der Rate (d⌀)/dt der Änderung des Flußfeldes Feldflusses zugeschrieben werden, die für ungewollte induzierte Signale in der Aufnahmeschleife günstig sind. Wenn deshalb die Rate der Änderung des Flußfeldes auf den Wert "0" reduziert werden könnte, würde die Größe der Quadratur und ihrer gleich­ phasigen Komponente nicht existent werden. Nulldrift-Effekte würden verschwinden.

Wenn das magnetische Flußfeld ein stationäres Feld ist, wie beispielsweise bei kontinuierlichem Gleichstrombetrieb, wird die Idealbedingung d⌀/dt = 0 befriedigt. Jedoch ist, wie schon erwähnt, der Gleichstrombetrieb zur Erzeugung eines stationären Feldes nicht akzeptabel, weil galvanische Potentiale erzeugt werden und Polarisation auftritt.

Aus dem US-Patent 37 83 687 von Mannherz et al und aus meinem US-Patent 43 70 892, deren ganze Offenbarung hier aufgenommen sein soll, gehen elektromagnetische Strömungsmesser hervor, bei denen der Erregungsstrom für die elektromagnetische Spule eine niederfrequente Welle ist, die zur Erzeugung eines periodisch umgekehrten stationären Flußfeldes dient, wodurch ungewollte Gleichphasen- und Quadraturkomponente minimiert werden, ohne daß Polarisation und galvanische Effekte hervorgerufen werden. Diese niederfrequente Welle wird mittels eines voreinstellbaren Frequenzteilers gemacht, der an die Standard-Wechselstromnetz­ leitung (60 Hz) gekoppelt ist und auf eine Frequenz in der Größenordnung von 1-⁷/₈, 3-³/_{4, 7-¹/2 oder 15 Hz bzw. 1⁷/8, 3³/4, 7¹/2 oder 15 Hz eingestellt ist. Bei herkömmlichen elektromagnetischen Strömungsmessern wird das elektromagnetische Feld durch ein Paar Elektromagneten herge­ stellt, die an einander gegenüberliegenden Stellen des Rohres angeordnet sind. Jeder Elektromagnet besteht aus einem Kern aus "weichem" magnetischem bzw. weichmagnetischem Material, um den eine Spule gewunden ist, die bei Stromzufuhr den Kern stark magnetisiert. Wenn der Stromfluß unterbrochen wird, dann wird der Kern fast vollständig entmagnetisiert. Kommerzielle magnetische Materialien sind in zwei Gruppen unterteilt: (1) Magnetisch "weiche" bzw. weichmagnetische Materialien, und (2) magnetisch "harte" bzw. hartmagnetische Materialien. Die unterscheidende Eigenschaft von "weichen" mag­ netischen Materialien ist die hohe Permeabilität. Diese Mate­ rialien werden gewöhnlich als Kerne oder die magnetischen Schaltkreise von Elektromagneten bzw. als Kerne für die mag­ netischen Schaltkreise von Elektromagneten verwendet. "Harte" magnetische Materialien sind durch ein hohes maximales magne­ tisches Energieprodukt (BH) max gekennzeichnet. Diese Materialien werden als Permanentmagnete verwendet, um ein konstantes magnetisches Feld zu erzeugen, wenn es unbequem oder unwirtschaftlich ist, dieses Feld durch einen Elektromagneten zu erzeugen. Die Hauptunzulänglichkeit des konventionellen elektromagneti­ schen Strömungsmessers, der weiche magnetische Materialien ver­ wendet, liegt darin, daß sein Leistungs- bzw. Energiebedarf beträchtlich ist. Um diesen Leistungsbedarf zu reduzieren, schlägt das US-Patent 44 09 846 einen Messer vor, der Gebrauch von harten magnetischen Materialien in Verbindung mit Spulen macht, an die Impulse alternierender Polarität angelegt werden, um die Magnete periodisch zu entmagnetisieren. Die aus diesem Patent hervorgehende Anordnung bringt zwar eine Reduzierung des Leistungs- bzw. Energieverbrauchs herbei, ist jedoch nicht so ausgebildet, daß sie von einer Standard-Wechselstromnetzleitung betrieben werden kann und von dem Vorteil der Frequenz des Lei­ stungsstroms zur Erzeugung alternierender Erregungsimpulse für die Spulen Gebrauch macht.}

Im Hinblick auf das Vorstehende ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromagnetischen Strömungsmesser anzugeben, bei dem ein alternierendes elektromagnetisches Feld durch Pol­ stücke aus "hartem" magnetischen Material erzeugt wird, die in ihrer Magnetisierung mittels Spulen alternierend umgekehrt wer­ den, die den Polstücken zugeordnet sind, und die durch alter­ nierende Impulse erregt werden, die von zugeordneten Magnet­ treibern zugeführt werden, welche durch Impulse getriggert werden, die von einer Standard-Wechselstromnetzleitung abge­ leitet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem elektromagnetischen Strömungsmesser, in welchem das zu messende Fluid durch ein Strömungsrohr geleitet wird, das ein Paar Elek­ troden aufweist, das Fluid ein Magnetfeld schneidet bzw. durch­ dringt, wobei die resultierende, in dem Fluid induzierte Span­ nung auf die Elektroden übertragen wird, um ein die Strömungs­ rate anzeigendes Signal zu erzeugen. Das magnetische Feld wird durch ein Paar Polstücke erzeugt, die aus "hartem" magnetischem Material gebildet sind. Diese Stücke sind an einander gegen­ überliegenden Stellen angeordnet und magnetisch miteinander verbunden, um einen magnetischen Kreis bzw. magnetischen Schaltkreis zu definieren. Erregungsimpulse, die in ihrer Polarität alternieren bzw. wechseln, werden durch zugeordnete Magnettreiber periodisch an Spulen angelegt, die um die Pol­ stücke gewunden sind, um diese Stücke abwechselnd bzw. alter­ nierend in einer Richtung zu magnetisieren und in der umgekehr­ ten Richtung erneut zu magnetisieren, wodurch das gewünschte Feld hergestellt wird. Das Tastverhältnis der Impulse ist so gewählt, daß der mittlere Leistungs- bzw. Energiebedarf auf einen sehr niedrigen Pegel reduziert wird. Zum Betrieb des Strömungsmessers von einer Standard-50-Hz- oder 60-Hz-Netz­ leitung zu betreiben, wird die Leitungsspannung durch eine ungerade ganze Zahl dividiert, damit die Magnettreiber ab­ wechselnd an den positiven und negativen Scheitelpunkten der Netzleitungsspannung getriggert werden.

Ein signifikanter Vorteil des erfindungsgemäßen elektromagne­ tischen Strömungsmessers liegt darin, daß er zum Betrieb eine relativ kleine mittlere Leistung benötigt, jedoch ein starkes Ausgangssignal erzeugt.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung sowie weiterer Eigenschaften und Vorteile der Erfindung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung Bezug genommen, die in Verbindung mit den Zeichnungen zu lesen ist. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektro­ magnetischen Strömungsmessers,

Fig. 2 die Wellenform von Erregungsimpulsen, die für den Strömungsmesser verwendet sind,

Fig. 3 ein Schaltbild des magnetischen Antriebssystems, das in dem Strömungsmesser enthalten ist, und

Fig. 4 die Wellenform an verschiedenen Punkten in dem Magnetantriebssystem.

In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Strömungsmesser darge­ stellt, der durch einen Haupt- bzw. Primärteil mit einem Strö­ mungsrohr 10, durch welches das zu messende Fluid geleitet wird, und durch einen Sekundärteil mit einem Signalprozessor 11 gebildet ist, wobei der Primärteil ein Niederfrequenz-Ausgangs­ signal liefert, dessen Ausgangsleistung bzw. -größe proportio­ nal zur Strömungsrate des Fluids ist, und wobei der Signalpro­ zessor 11 das niedrigpegelige Wechselstromsignal in ein dazu proportionales Gleichstrom-Ausgangssignal in einem Strombereich umwandelt, der in einer industriellen Prozeßsteuerung verwend­ bar ist, beispielsweise 4 bis 10 mA. Der Sekundärteil kann von einem Typ, wie er in dem obengenannten Mannherz-Patent offen­ bart ist, oder von irgendeinem anderen bekannten Typ sein und bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung.

Das Strömungsrohr 10 ist mit einem Paar Elektroden 12 und 13 versehen, die in Kontakt mit dem Fluid stehen. Diese Elektroden sind an einander diametral gegenüberliegenden Stellen an dem Rohr längs einer Elektrodenachse befestigt, die senkrecht zur Längsströmungsachse ist.

An einem weich-ferromagnetischen zylindrischen Gehäuse 14, das zum Strömungsrohr 10 konzentrisch ist, sind in dem Ringbereich zwischen dem Gehäuse 14 und dem Rohr 10 ein Paar Polstücke 15 und 16 gehalten, die aus hartmagnetischem Material gebildet sind. Diese Stücke liegen an einander diametral gegenüberlie­ genden Stellen in bezug auf das Strömungsrohr auf einer Achse, die senkrecht zur Elektrodenachse ist. Das Gehäuse verbindet die Polstücke 15 und 16 magnetisch und bildet damit einen magnetischen Schaltkreis.

In der Praxis kann die körperliche Struktur für den Primärteil ähnlich dem des flanschlosen Strömungsmessers sein, der aus meinem älteren Patent 41 81 018 hervorgeht und bei dem das Strömungsrohr aus nicht magnetischem Material gebildet und koaxial in einem zylindrischen, ferromagnetischen Gehäuse an­ geordnet ist, auf dem Elektromagnete gehalten sind, wobei der ringförmige Bereich zwischen dem Rohr und dem Gehäuse mit einer Vergußmasse gefüllt ist, um die Struktur zu stabilisieren und zu schützen. Auch geht aus diesem Patent eine Anordnung hervor, bei welcher anstelle eines Metallgehäuses die Elektromagnete in einem zylindrischen, isolierenden Körper eingebettet sind, der das Rohr umgibt, wobei bei dieser Anordnung die Kerne durch Streifen, Stege oder Bänder magnetisch miteinander verbunden sind.

Um das Polstück 15 ist eine Spule 17 und um das Polstück 16 eine Spule 18 gewunden. Diese Spulen sind in Serie miteinander verbunden bzw. geschaltet, wobei ein Ende zu der unter Strom bzw. Spannung stehenden Seite L einer Standard-Wechselstrom­ netzleitung geht. Das andere Ende der in Serie geschalteten Spulen ist mit einem (+)-Treiber 19 und mit einem (-)-Treiber 20 verbunden, die abwechselnd in einer später erklärten Weise getriggert werden, um Erregungsimpulse an die Spulen anzulegen, die in der Polarität wechseln.

Die Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials ist eine Funktion des daran angelegten magnetischen Feldes (H). Die Induktion beginnt beim Nullfeld und erreicht die maximale In­ duktion (B _m ) und ein maximales Feld (H _m ), wenn das Material gesättigt ist. Wenn das magnetische Feld verringert wird, folgt die Induktion einer Kurve mit höheren Werten als die ursprüng­ liche Kurve. Bei H = 0 bleibt eine Induktion B _h , welche die Restinduktion, Remanenz bzw. zurückbleibende Magnetisierung ist.

Die maximale Restinduktion bei vollmagnetisiertem, ferro­ magnetischem Material wird als maximale Remanenz bezeichnet. Um die maximale Remanenz zu entfernen, legt man ein negatives Magnetfeld an das Material, bis die Induktion bei H _c , der Koerzitivkraft oder deren Maximum, die als maximale Koerzitiv­ kraft bezeichnet wird, vollständig entfernt wird. Dieser Pro­ zeß der Entfernung der Restinduktion wird als Entmagnetisierung bezeichnet.

Permanentmagnete, die aus hochremanenten bzw. hochbewahrenden Materialien gebildet sind, werden in verschiedenen Klassen gruppiert, wie beispielsweise ausscheidungsgehärtete Legierun­ gen, abschreckungshärtere Legierungen, verfestigungs- bzw. kaltgehärtete Legierungen oder Keramiken. Für Permanentmagnete sind hohe Werte der Restinduktion und Koerzitivkraft erforder­ lich.

Alnico ist eine Ausscheidungslegierung bzw. ausscheidungsge­ härtete Legierung, welche die höchste Energie pro Volumenein­ heit unter den kommerziell erhältlichen Permanent­ magnetenmaterialien hat. Unter den abschreckungsgehärteten Legierungen sind Chrommagnet- und Kobaltmagnetstähle. Bariumferrit ist typisch für die für keramische Permanentmagnete verwendete Materialien.

Ein hartmagnetisches Material kann beliebig oft in einer Rich­ tung magnetisiert, dann entmagnetisiert und in der entgegen­ gesetzten Richtung wieder magnetisiert werden, ohne daß das Material ungünstig beeinflußt wird. Die Magnetisierung findet fast augenblicklich statt, vorausgesetzt, daß ausreichend viel Amperewindungen zur Überwindung der Koerzitivkraft verwendet werden. Die tatsächliche Magnetisierungszeit wird deshalb nicht durch das magnetische Material effektiv begrenzt, sondern nur durch die Zeitkonstante der Magnetisierungsspule.

Wenn beim Betrieb ein positiver Impuls mit hoher Energie (Am­ perewindungen) an eine Spule angelegt wird, die ein "hartes" Polstück bzw. Polstück aus hartmagnetischem Material um­ gibt, hat dies eine Magnetisierung des Polstücks in einer Polarität bzw. Polung zur Folge. Dieser Einwirkung folgt ein negativer Impuls hoher Energie, um die Entmagnetisierung und erneute Magnetisierung in der umgekehrten Polung des Polstücks zu bewirken.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung bewirkt das Anlegen eines positiven Impulses durch den (+)-Treiber 19 an die in Serie geschalteten Spulen 17 und 18 die entgegengesetzte Magnetisierung der Polstücke 15 und 16, so daß die Stücke dem Strömungsrohr 10 einen Nordpol (N) bzw. einen Südpol (S) prä­ sentieren. Die Flußlinien, welche diese Pole durch das Rohr 10 überbrücken, erzeugen ein magnetisches Feld, dessen Linien normal zur Richtung des Fluidstromes sind. Wenn danach ein negativer Impuls von dem (-)-Treiber 20 an die Spulen angelegt wird, werden die Polstücke entmagnetisiert und in der umgekehr­ ten Polung wieder magnetisiert, so daß jetzt das Polstück 15 Süd (S) und das Polstück 16 Nord (N) und der Feldfluß umgekehrt ist.

Indem jeder hoher Amperewindungsimpuls in seiner Dauer extrem kurz, beispielsweise ein oder mehrere 10 oder ein oder mehrere 100 µs gemacht wird, und indem vier- bis zehnmal pro Sekunde eine Umkehr des magnetischen Flusses zustande gebracht wird, hat die mittlere Eingangsleistung in die Spulen einen sehr niedri­ gen Wert.

Wenn beispielsweise angenommen wird, daß 20 Ampere in eine 250 Windungen aufweisende Spule oder 5000 Amperewindungen (5000 N.I.) eine Periode von 100 µs lang fließen und daß die Erregung zehnmal pro Sekunde umgekehrt wird, dann wird das Tastverhältnis 0,0001/0,1 oder 0,001, und 0,001mal 20 Ampere resultieren in einer mittleren Stromeingabe von 0,02 Ampere oder einer mittleren Amperewindungszahl von 0,25 AW bzw. Amperewindungen (0,25 N.I.). Bei einem totalen Spulenwider­ stand von beispielsweise 1 Ohm wäre bei dem obigen Beispiel die Spitzenleistung 400 Watt und die mittlere Leistung betrüge 0,4 Watt.

Bei einer Arbeitsausführungsform waren die Polstücke aus Alnico # V gefertigt, das eine Koerzitivkraft von 700 Oersted, ent­ spricht 700/4 π A/cm, aufweist. Dies ist zehnmal höher als bei einem 3,5%-Chromeisenmagneten. Wenn ein 3,5%-Cr-Fe-Magnet benutzt würde, würde die Amperewindungszahl auf 2 Ampere bzw. Amperewindungen reduziert werden, was eine Spitzenleistung von 4 Watt und eine mittlere Leistung von 0,0004 Watt zur Folge hätte.

Folglich bestimmen die Wahl des hartmagnetischen Materials und die Konstruktion der Spulen sowie das gewählte Tastverhältnis der Impulse den mittleren Ausgangspegel.

Ein erfindungsgemäßes System verwendet zum Bewirken der magne­ tischen Umkehr der das magnetische Feld in dem Strömungsmesser herstellenden Magnete Hochenergieimpulse kurzer Dauer. Um eine Umkehr einer Gaußzahl X bzw. Teslazahl X · 10^-4 zu bewirken, be­ nötigt man eine Amperewindungszahl Y. Je kürzer die Zeit zur Erzielung von YNA bzw. Y Amperewindungen gemacht werden kann, desto niedriger wird die mittlere Leistung. In anderen Worten ausgedrückt, ist die mittlere Leistung in Watt gleich der Spitzenleistung in Watt mal dem Tastverhältnis.

In einem System, in welchem Erregungsimpulse für das Magnet­ system aus einer Standard-Wechselstromnetzleitung (120 Volt, 50 oder 60 Hz) abgeleitet werden, sind ziemlich große Speicher­ kondensatoren bzw. Kapazitäten und relativ große Transforma­ toren zu diesem Zweck erforderlich. Um sich von diesem Er­ fordernis zu befreien, wird bei einem erfindungsgemäßen System, das aus einer Standard-Wechselstromnetzleitung betrieben wird, die Netzleitungsfrequenz durch eine ungerade ganze Zahl, bei­ spielsweise 3, 5, 7, dividiert. Dadurch können die Magnet­ treiber 19 und 20 abwechselnd bei positiven und negativen Scheitelpunkten der Netzleitungsspannung getriggert werden.

Die Spitzen- bzw. Scheitelpunktspannung ist beispielsweise gleich 120 V _eff (Sin R) √. Folglich sind bei den folgenden Phasenwinkeln bei 60 Hz die sich jeweils ergebenden Spannungen folgende:

•  80° - 167 vp
   85° - 169 vp
   90° - 170 vp
   95° - 169 vp
  100° - 167 vp.

Auch wird bei einer 60 Hz-Netzleitungsfrequenz die Zeit 46,3 µs pro Grad. Folglich hat eine Phasenverschiebung um 10 Grad einen Impuls von 463 µs mit einer Spannungsänderung von nur 1 Volt zur Folge, wenn seine Mitte bei 90 Grad liegt.

Um mit einem minimalen Energiebetrag die gewünschten Ampere­ windungen bei einem gegebenen Spulenvolumen und bei permanent­ magnetischem BH-Produkt (Entmagnetisierungsenergie) zu er­ reichen, sollte das Tastverhältnis so niedrig wie möglich sein. Das bedeutet, daß wenn das Tastverhältnis 0 ist bzw. gegen 0 geht, dann auch die Watt 0 sind bzw. gegen 0 gehen. Dies kann durch Reduzierung der Spulenwindungen auf eine Windung und durch Anheben der Spannung auf einen Pegel von tausenden von Volt erzielt werden. Jedoch ist dies natürlich unpraktisch, weil die gegenwärtige Technologie und Wirtschafts-, Arbeits- bzw. Betriebsgrenzen in der Größenordnung von 10 Ampere und in der Größenordnung von 100 Volt diktieren.

Um deshalb ein erfindungsgemäßes Antriebssystem, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist, in welchem der Leistungsverbrauch des Strömungsmessers beträchtlich reduziert ist, wird die 60 Hz- Wechselstromleitungsspannung reduziert und in einer Gleich­ richterleistungsversorgung bzw. einem Gleichrichternetzgerät 21 gleichgerichtet, deren bzw. dessen momentanes 6 Volt-Gleich­ spannungsausgangssignal den verschiedenen Stufen des Systems eine Gleichspannungsbetriebsleistung zuführt.

Die 60 Hz-Leitungsspannung wird auch an einen Phasenschieber 22 angelegt, welcher die Phase (- 85°) verschiebt. Das Ausgangs­ signal des Phasenschiebers 22 wird durch einen Wellenformer 23 in eine rechteckförmige Welle umgewandelt, die an einen Frequenzteiler 24 angelegt wird. Dieser Teiler 24 teilt die an­ kommende Welle durch eine ungerade ganze Zahl (beispielsweise 3, 5, 7 usw.). Das Ausgangssignal des Teilers 24 geht in eine Impulslogik 25, die so wirkt, daß sie Triggerimpulse für den (+)-Treiber 19 und den (-)-Treiber 20 zu den richtigen Zeiten und für die gewünschten kurzen Zeitdauern erzeugt.

In der Fig. 2 zeigt die Sinuswellenform 1 die 60 Hz-Spannung der Netzleitungsspannung. Wenn von der 60 Hz-Leitungsspannung an deren positiven und negativen Spitzen abwechselnde Impulse erzeugt werden, würden die positiven und negativen Antriebs­ impulse P + bzw. P - mit den positiven bzw. negativen Spitzen jedes Wechselstromzyklus der Leitungsspannung zusammenfallen, so wie es in II gezeigt ist. Unter der Annahme jedoch, daß die Leitungsfrequenz durch eine ungerade ganze Zahl 3 dividiert worden ist, fallen die positiven Impulse P + mit der positiven Spitze des ersten positiven Halbzyklus der 60 Hz-Welle zusam­ men, während der folgende negative Impuls P - mit dem zweiten negativen Halbzyklus der 60 Hz-Welle zusammenfällt, wie es in der Wellenform III gezeigt ist.

Das Magnetantriebssystem:

In der Fig. 3 ist ein Schaltbild des im ersten Teil bzw. Hauptteil des in Fig. 1 dargestellten Strömungsmessers ent­ haltenes Magnetantriebssystem gezeigt und die Fig. 4 stellt Wellenformen von Spannungen dar, die an verschiedenen Punkten des Systems in Erscheinung treten.

Es ist zu sehen, daß die Spulen 17 und 18 des elektromagneti­ schen Strömungsmessers in Serie geschaltet sind. Ein Ende die­ ser in Serie geschalteten Spulen ist mit dem unter Strom bzw. Spannung stehenden Leiter L der ankommenden 60 Hz - 120 V- Netzleitung verbunden. Das andere Ende ist durch einen Konden­ sator 26, der in Reihe mit einem Widerstand 27 geschaltet ist, mit dem neutralen oder geerdeten Leiter N der Netzleitung ver­ bunden. Die 60 Hz-Sinuswellenform der ankommenden Netzspannung ist durch A in Fig. 4 dargestellt.

Quer zu den Leitern L und N ist das Gleichrichternetzgerät 21 geschaltet. Die Wechselstromleitungsspannung ist Diodennetz­ werke bzw. Diodenschaltkreise 28 und 29 durch Kapazitäten 30 bzw. 31 angelegt. Diese Kondensatoren dienen eher als her­ kömmliche Widerstände für diesen Zweck zur Reduzierung der Spannung, denn bei diesen Kondensatoren besteht ein verschwin­ dender Leistungsverlust, wenn die Spannung von 120 V _eff (120 Vrms) auf 6 V Gleichspannung abfällt. Das 6 V-Ausgangs­ signal der Leistungsversorgung bzw. des Netzwerks 21 dienen zum Antrieb der verschiedenen Festkörperstufen des Strömungsmes­ sers. Mit der positiven Seite des 6 V-Ausgangssignals ist ein Filterkondensator 32 verbunden und mit der negativen Seite ein Filterkondensator 33.

Auch ist quer bzw. parallel zur 60 Hz-Leitung ein Phasenschie­ ber 22 geschaltet, der in der Darstellung so ausgebildet ist, daß ein Widerstand 34 in Reihe mit einem Kondensator 35 ge­ schaltet ist, zu dem ein Widerstand 36 parallel geschaltet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Phasenver­ schiebung -85°, obwohl die Erfindung nicht auf diesen speziel­ len Wert begrenzt ist.

Das phasenverschobene 60-Hz-Ausgangssignal des Phasenschiebers 22 wird an den Wellenformer 23 angelegt. Dieser ist durch einen Komparator 37 gebildet, der so funktioniert, daß die 60 Hz- Sinuswelle in eine Rechteckwelle B umformt, deren Form in der Fig. 4 gezeigt ist. Die Rechteckwelle B wird einem Frequenz­ teiler 24 zugeführt, der bei der bevorzugten Ausführungsform durch die ungerade ganze Zahl 3 teilt, wobei eine 20 Hz-Recht­ eckwelle erzeugt wird. Der Frequenzteiler weist zwei Ausgänge auf, an denen zwei Ausgangssignale entnehmbar sind, die gegen­ einander um 180° phasenverschoben sind, wobei ein Ausgang eine Rechteckwelle C und der andere Ausgang eine Rechteckwelle D liefert, wie es in der Fig. 4 gezeigt ist.

Die 20 Hz-Rechteckwellen C und D werden einer Impulslogik 25 zugeleitet. Die Rechteckwelle C wird an einen integrierten Schaltkreischip 38 gegeben, der in Abhängigkeit davon positive Impulse E (siehe Fig. 4) liefert, wobei ein Impuls an der Vorderflanke und ein Impuls an der Rückflanke jeder Rechteck­ welle C erzeugt wird.

Die Impulse E werden an einen Eingang eines Gatters 39 ange­ legt, an dessen anderem Eingang die 20 Hz-Rechteckwelle D aus dem Frequenzteiler 24 angelegt wird. Die Impulse E werden auch an einen Eingang eines Gatters 40 angelegt, an dessen anderen Eingang die 20 Hz-Rechteckwelle C aus dem Teiler angelegt wird. Das Gatter 40 liefert negative Impulse F (siehe Fig. 4), die mit den abwechselnden positiven Impulsen E zusammenfallen. Das Ausgangssignal des Gatters 39 wird an einen Inverter 41 angelegt, der positive Impulse G (siehe Fig. 4) liefert, die mit jenen positiven Impulsen E zusammenfallen, die nicht mit negativen Impulsen F zusammenfallen. Die negativen Impulse F und die positiven Impulse G aus der Impulslogikschaltung bzw. Impulslogik 25 werden an den (+)-Magnettreiber 19 und den (-)- Magnettreiber 20 angelegt, der Transistoren 42, 43, 44 und 45 umfaßt.

Das Ausgangssignal der Treiber wird an die Verbindung des Kon­ densators 26 mit den in Reihe geschalteten Spulen 17 und 18 an­ gelegt, wobei die resultierende Wellenform H in der Fig. 4 dargestellt ist. Die Wellenform J stellt die Spannung dar, die an dem anderen Ende des Widerstandes 27 im Spulenschaltkreis entwickelt wird.

Folglich werden die (+)- und (-)-Treiber 19 und 20 an den po­ sitiven und negativen Scheitelpunkten der ankommenden Leitungs­ spannung getriggert, um Hochenergieimpulse kurzer Dauer zum Bewirken einer magnetischen Umschaltung bzw. Umkehr der hart­ magnetischen Kerne 15 und 16 zu bewirken, wobei der mittlere resultierende Leistungsverbrauch außergewöhnlich niedrig ist. Wenn das System bei 60 Hz zu betreiben ist, würde der Teiler­ abschnitt des Schaltkreises eliminiert.

Claims (14)

1. Elektromagnetischer Strömungsmesser, gekennzeichnet durch

• 1. ein Strömungsrohr (10), durch welches das zu messende Fluid leitbar ist und das ein Paar Elektroden (12, 13) aufweist, die mit dem Fluid in Kontakt stehen,
• 2. eine Einrichtung (14, 15, 16, 17, 18) zum Herstellen eines magnetischen Feldes quer zum Rohr (10), das von dem durch das Rohr (10) strömenden Fluid geschnitten wird, um im Feld eine Spannung zu erzeugen, die auf die Elektroden (12, 13) übertragen wird und einen Wert hat, der eine Funktion der Strömungsrate bzw. Geschwindigkeit ist, wobei die Einrich­ tung durch einen magnetischen Magnetschaltkreis gebildet ist, der ein Paar Polstücke (15, 16) aus hartmagnetischem Material aufweist, die an einander diametral gegenüberlie­ genden Stellen angeordnet sind und von denen jedes von einer Spule (17, 18) umgeben ist,
• 3. einen positiven Treiber (19) und einen negativen Treiber (20) zum periodischen Anlegen von Erregungsimpulsen wechseln­ der Polarität an die Spulen (17, 18) zum wechselweisen Magnetisieren der Polstücke (15, 16) in der einen Richtung und Remagnetisieren der Polstücke (15, 16) in der umgekehr­ ten Richtung, wobei das gesamte Feld hergestellt wird, und
• 4. eine Einrichtung zum abwechselnden Triggern der Treiber (19, 20) an den positiven und negativen Scheitelpunkten einer Standard-Wechselstromleitung (L, N).

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Impulse ein Tastverhältnis aufweisen, das einen niedrigen mittleren Leistungspegel zur Folge hat.

3. Strömungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Schaltkreis (14, 15, 16, 17, 18) ein zylindrisches, zum Rohr (10) konzen­ trisches, ferromagnetisches Gehäuse (14) aufweist, an dem die in dem ringförmigen Bereich zwischen dem Rohr (10) und dem Gehäuse (14) angeordneten Polstücke (15, 16) angebracht sind.

4. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse jeweils eine Dauer von mehreren Mikrosekunden haben, wobei ein Impuls während eines Intervalls mit Millisekundendauer erzeugt wird, wobei das Tastverhältnis des Impulses derart ist, das es die mittlere Erregungsleistung auf einen sehr niedrigen Wert reduziert.

5. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke (15, 16) als Alnico gebildet sind.

6. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (17, 18) in Reihe geschaltet sind.

7. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiber (19, 20) durch Impulse getriggert werden, die durch eine Im­ pulslogikschaltung (25) mit einem Eingang erzeugt werden, an den Rechteckimpulse angelegt sind, die von einem Wellenformer mit einem Eingang geliefert sind, an den eine Sinuswelle ange­ legt ist, die von der Wechselstromnetzleitung (L, N) abgeleitet sind.

8. Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein zwischen der Wechselstrom­ netzleitung (L, N) und der Impulslogikschaltung (25) ange­ ordneter Phasenschieber (22) vorgesehen sind, der eine Ver­ schiebung um annähernd - 90 Grad bewirkt.

9. Strömungsmesser nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verschiebung - 85 Grad beträgt.

10. Strömungsmesser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen dem Wellenfor­ mer (23) und der Impulslogikschaltung (25) angeordneter Fre­ quenzteiler (24) zum Teilen der Frequenz der Rechteckwellen­ impulse durch eine ungerade ganze Zahl vorgesehen ist.

11. Strömungsmesser nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ungerade ganze Zahl gleich der Zahl 3 ist.

12. Strömungsmesser nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenformer (23) ein Komparator ist.

13. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleich­ richter-Leistungsversorgung (21) vorgesehen ist, die quer oder parallel zur Wechselstromleitung (L, N) geschaltet ist, um ein niedriges Gleichspanungsausgangssignal zum Antrieb der Treiber (19, 20) zu erzeugen.

14. Strömungsmesser nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Versorgung (21) Gleich­ richternetzwerke (28, 29) aufweist, die durch Kondensatoren (32, 33) mit der Wechselstromleitung (L, N) verbunden sind, um die an diese Netzwerke angelegte Spannung zu reduzieren.