DE3829564A1 - Verfahren zur erzeugung eines signals, das der stromstaerke eines fliessenden, elektrisch leitenden mediums entspricht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Signals, das der Stromstärke eines fließenden, elektrisch leitenden Mediums entspricht, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Verfahren dieser Art berührt das fließende Medium die kapa­ zitiven Elektroden nicht, wodurch Galvanik-Störsignale, ins­ besondere bei Mehrphasenmedien, vermieden werden.

Um solche Verfahren nullpunktstabil durchführen zu können, ist es von Vorteil, eine relativ niedrige Erregerfrequenz zur Er­ zeugung des Magnetfeldes anzuwenden, da dann das Magnetfeld kaum störende Wirbelströme hervorruft. Insbesondere ist es vorteilhaft, ein geschaltetes, magnetisches Gleichfeld anzuwenden. Durch Wahl einer geeigneten Erregerfrequenz, die zu der Netzfrequenz in einem geeigneten Verhältnis steht, können netzfrequente Störeinflüsse unterdrückt werden.

Die Anwendung einer niedrigen Erregerfrequenz, insbesondere Recht­ eckfrequenz, ist jedoch ungünstig für den Abgriff der Signale von den kapazitiven Elektroden. Diese Signale werden in einem Ver­ stärker verstärkt und die sehr hohe Impedanz der Signalkopplung stellt daher sehr hohe Anforderungen an die Eingangsimpedanz des Verstärkers, um Signalverluste zu vermeiden: der Eingangswider­ stand des Verstärkers bildet zusammen mit der Koppelkapazität der kapazitiven Elektroden zum Medium einen Hochpaß.

Aufgabe der Erfindung ist es, Signalverluste an einem solchen Hochpaß bei niedriger Erregerfrequenz zuzulassen, um kapazi­ tive Elektroden mit verhältnismäßig kleiner Elektrodenfläche verwenden zu können, um neben einer Kostensparung eine Optimierung des Magnetfeldes und des von dem Magnetfeld und den geometrischen Abmessungen bestimmten Wertigkeitsfeldes zu erzielen und um überdies eine weitgehende Unabhängigkeit des verstärkten Signals vom Strömungsprofil des Mediums zu erreichen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im wesentlichen in Anspruch 1 angegeben.

Bei Ausführung der Erfindung ergibt sich ein niedrigerer Signalverlust durch den Hochpaß wegen der zusätzlichen Anwen­ dung des magnetischen Wechselfeldes verhältnismäßig hoher Frequenz; der von dem Wechselfeld herrührende Anteil des Signals kann daher zur Kompensation von Signalverlusten herangezogen werden, die man durch die niedrige Impedanz der Koppelkapazität erhält.

Besonders wirkungsvoll ist das Verfahren bei Ausführung des Gleichfeldes gemäß Anspruch 2.

Das Gleichfeld kann gemäß Anspruch 3 bzw. Anspruch 4 mono­ polar oder bipolar sein.

Bei monopolarem Gleichfeld erhält man den Vorteil, daß die Schaltung mit einfachsten Schaltmitteln ausgeführt werden kann.

Bei bipolarem Gleichfeld erhält man den Vorteil, daß die installierte Leistung zur Erzeugung der gleichen Signal­ amplitude wie bei monopolarem Feld erheblich geringer sein kann (kleineres Netzteil).

Eine besonders einfache Ausführung der Korrektur ist in Anspruch 5 angegeben.

Um den Nullpunkt des von dem Wechselfeld herrührenden Anteils zu korrigieren, wird bevorzugt gemäß Anspruch 6 vor­ gegangen.

Um bei Ableitung des Signals aus den von dem Gleich­ feld herrührenden Anteilen möglichst unabhängig von Ein­ schwingvorgängen zu sein, wird bevorzugt gemäß Anspruch 7 vorgegangen.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 1 erhält man bei Ab­ leitung des Signals aus den dem Wechselfeld entsprechenden Anteilen ein besonders störungsfreies Signal, wenn man gemäß Anspruch 7 vorgeht.

Die Steuerung wird dabei besonders einfach, wenn man gemäß Anspruch 9 vorgeht.

Die dem Wechselfeld entsprechenden Anteile stören die Ableitung der dem Gleichfeld entsprechenden Anteile beson­ ders wenig, wenn man gemäß Anspruch 10 vorgeht.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung der beiden Verfahren;

Fig. 2 zeigt Taktsignal-, Magnetfeld- und Spannungs­ verläufe in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 bei Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.

In Fig. 1 ist schematisch ein Rohr 4 dargestellt, durch das ein elektrisch leitendes Medium fließt. An das elektrisch leidende Medium sind von einander gegenüber­ liegenden Seiten des Rohrs 4 kapazitive Elektroden 5 gekoppelt, die zu je einem über je einen Eingangswider­ stand Ri geerdeten Eingang eines Eingangsverstärkers 6 führen. Die kapazitiven Elektroden 5 bilden im Zusammen­ wirken mit den ihnen zugeordneten Eingangswiderständen Ri Hochpässe. Die kapazitiven Elektroden 5 erfassen Potentiale in dem fließenden Medium, die voneinander verschieden sind, wenn das Medium von einem durch Spulen 3 a, 3 b erzeugten Magnetfeld durchsetzt wird. Der Eingangsverstärker 6 gibt dann eine Spannung

U _f = u _g + u _w

ab, in der
u _g einen Spannungsanteil, der von einem magnetischen Gleichfeld Φ 1 herrührt, und
u _w einen Spannungsanteil, der von einem magnetischen Wechselfeld Φ 2 herrührt,
bedeuten.

Zur Erzeugung des magnetischen Gleichfelds Φ 1 ist ein Gleichstromgenerator 1, zur Erzeugung des magnetischen Wechselfelds Φ 2 ist ein Wechselstromgenerator 2 vorge­ sehen. Beide Generatoren 1, 2 liegen parallel zueinander mit den Spulen 3 a und 3 b in einem Stromkreis. Die Steuerung der Generatoren erfolgt durch einen Taktge­ ber 15, in dem aus Fig. 2 ersichtlichen Takt A 1 bzw. B 1. Die Spannung U _f gelangt an die Eingänge von zwei Synchrongleichrichtern 7 und 8. Der Synchrongleich­ richter 7 dient zur Gleichrichtung des dem Wechselfeld Φ 2 entsprechenden Spannungsanteils u _w . Der Synchron­ gleichrichter 8 dient zur Gleichrichtung des dem Gleich­ feld Φ 1 entsprechenden Anteils u _g . Auch diese Gleich­ richter 7, 8 werden von dem Taktgeber 15 gesteuert, und zwar in dem aus Fig. 2 ersichtlichen Takt A 2 bzw. B 2.

Der Synchrongleichrichter 7 gibt den von ihm gleichge­ richteten Spannungsanteil u _w an eine Auswerteschaltung 9 für das Wechselfeld Φ 2. Der Synchrongleichrichter 8 gibt den von ihm gleichgerichteten Spannungsanteil u _g an eine Auswerteschaltung 10 für das Gleichfeld Φ 1.

Die Generatoren 1 und 2 erzeugen ein bipolares Gleich­ feld Φ 1 der Periode Tg und ein Wechselfeld Φ 2 der Periode Tw, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Diese Felder Φ 1, Φ 2 werden zu einem Feld Φ überlagert. Die Spannung U _f hat im wesentlichen den gleichen Verlauf wie das Feld Φ. Die Auswertung von dem Gleichfeld Φ 1 entsprechenden Anteilen der Spannung U _f erfolgt in den Abschnitten t _{g 1} und t _{g 2}. Diese Abschnitte liegen an den Enden der Halbperioden T _{g /2} des Gleichfelds Φ 1.

In der Auswerteschaltung 10 werden die von dem Gleich­ feld Φ 1 herrührenden Anteile der Spannung U _f in jeweils zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten t _{g 1} und t _{g 2} vorzeichenrichtig voneinander subtrahiert. Man erhält

(+u _g ) _{tg 1} - (-u _g ) _{tg 2} = 2u _g .

In der Auswerteschaltung 9 werden die von dem Wechsel­ feld Φ 2 herrührenden Anteile der Spannung U _f vorzeichen­ richtig addiert. Man erhält für die erste Halbperiode T _{g /2}

(u _g + u _w ) _{tw 1} - (u _g - u _w )_{tw 2} = 2u _w

und für die zweite Halbperiode T _{g/ 2}

(u _g + u _w )_{tw 3} - (-u _g -u _w )_{tw 4} = 2u _w .

Wegen der Hochpaßeinwirkung des Eingangsverstärkers 6 ist u _g niedriger als u _w , an den Ausgängen der Auswerte­ schaltungen 9 bzw. 10 gemessen.

Über Diskriminatoren 13 und 16 werden signifikante Werte von u _w und u _g in eine Korrekturschaltung 17 ein­ gegeben, die den Verstärkungsfaktor eines Ausgangsver­ stärkers 14 für u _g in der Weise beeinflußt, daß die Ausgangsgröße S von u _g vom Signalverlust von u _g befreit wird, d. h., die Spanne des niederfrequenten Signals korrigiert wird.

Ist 2u _g gleich Null, so wird dies von einem Detektor 11 erfaßt, der daraufhin einen Schalter 18 vor einem Subtraktionsglied 12 schließt, das an einen Eingang der Auswerteschaltung 9 angeschlossen ist und den ausgangs­ seitigen Nullpunkt der Auswerteschaltung 9 korrigiert.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung eines Signals (S), das der Stromstärke eines fließenden, elektrisch leitenden Mediums entspricht, mittels eines das Medium durchsetzenden Magnet­ feldes (Φ), Erfassung von Potentialen in dem Medium an wenigstens zwei Stellen mittels kapazitiver Elektroden (5) und Ableitung des Signals (S) aus einer Spannung (U _f ), die Differenzen zwischen diesen Potentialen entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (Φ) ein sich mit verhältnismäßig langer Periode (T _g ) periodisch änderndes Gleichfeld (Φ 1) ist, dem ein Wechselfeld (Φ 2) verhältnismäßig kurzer Periode (T _w ) über­ lagert ist, daß aus der Spannung (U _f = u _w + u _g ), die von dem Gleichfeld (Φ 1) und die von dem Wechselfeld (Φ 2) herrührenden Anteile (u _g bzw. u _w ) getrennt ermittelt werden und daß das Signal (S) in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf dieser Anteile (u _g bzw. u _w ) aus de von dem Gleichfeld (Φ 1) herrührenden Anteilen (u _g ) nach Korrektur mit den von dem Wechselfeld (Φ 2) herrührenden Anteile (u _w ) zur Kompensation von Signalver­ lusten in den von dem Gleichfeld (Φ 1) herrührenden Anteilen (u _g ) abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gleichfeld (Φ 1) einen wenigstens angenähert rechteckigen Verlauf hat.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleich­ feld (Φ 1) monopolar ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichfeld (Φ 1) bipolar ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß mit signifikan­ ten Werten beider Anteile (u _g und u _w ) eine Korrekturschaltung (17) gesteuert wird, die nach Maßgabe dieser signifikanten Werte den Verstärkungsfaktor eines Ausgangsverstärkers (14) für den von dem Wechselfeld (Φ 2) herrührenden Anteil (u _w ) steuert.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus Null­ zuständen der von dem Gleichfeld (Φ 1) herrührenden Anteile (u _g ) Signale zur Korrektur des Nullpunkts der von dem Wechselfeld (Φ 2) herrührenden Anteile (u _w ) abgeleitet werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Gleichfeld (Φ 1) herrührenden Anteile (u _g ) aus zeitlichen Abschnitten (t _{g 1}, t _{g 2}) des Gleichfeldes (Φ 1) ermittelt werden, die nächst den Enden der Halb­ perioden (T _{g/ 2}) des Gleichfeldes (Φ 1) liegen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Wechselfeld (Φ 2) herrührenden Anteile (u _w ) aus zeit­ lichen Abschnitten (tw ₁, tw ₂; tw ₃, tw ₄) des Wechselfeldes (Φ 2) ermittelt werden, die innerhalb jeder Halbperiode (T _{g/ 2}) des Gleichfeldes (Φ 1) liegen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Abschnitte (t _{g 1}, t _{g 2}) des Gleichfeldes (Φ 1) mit den zeitlichen Abschnitten (tw ₁, tw ₂; tw ₃, tw ₄) des Wechselfeldes (Φ 2) koinzi­ dieren.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Gleichfeld (Φ 1) herrührenden Anteile (u _g ) aus zeit­ lichen Abschnitten (tg ₁, tg ₂) des Gleichfeldes (Φ 1) ermittelt wird, die gleich einer ganzen Anzahl von Perioden (T _w ) des Wechselfeldes (Φ 2) sind.