DE3919126A1 - Verfahren und einrichtung zur kompensation der transformatorischen stoerspannung eines magnetisch-induktiven durchflussmessgeraetes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Kompensation der transformatorischen Störspannung eines magnetisch-induktiven Durchflußmeßgerätes, dessen Erreger­ spulen mit Spannungs- oder Stromimpulsen gespeist werden und dessen Nutzsignal mittels eines Mikrorechners aus dem Elektrodensignal und kompensatorischen Vergleichswerten er­ mittelt wird.

Bei den bekannten magnetisch-induktiven Durchflußmeßgeräten erfolgt die Erzeugung eines Meßsignals mit Hilfe eines ge­ schalteten magnetischen Gleichfeldes oder eines periodi­ schen magnetischen Wechselfeldes, wobei insbesondere das periodische Wechselfeld zu einer Nullpunktdrift neigt (vgl. DE-AS 24 10 407). Beide Erregerarten werden verwendet, um die nachteiligen Einflüsse der transformatorischen und der elektrochemischen Störspannung zu beseitigen. Beim geschal­ teten Gleichfeld wird das Meßsignal aus der Differenz eines vor dem Umschalten der Feldamplitude erzeugten Meßwertes und eines nach dem Umschalten der Feldamplitude gewonnenen Meßwertes gebildet. Der zeitliche Abstand beider Meßwerte wird durch die Einschwingzeiten des Spulenstromes und der Meßwertverarbeitungselektronik bestimmt. Diese Meßaufnehmer arbeiten üblicherweise mit einer Frequenz von 12,5 Hz. In­ folge der relativ langen Periodendauer sind diese Meßgeräte für schnell veränderliche Vorgänge, beispielsweise Dosie­ rungszwecke, ungeeignet. Andererseits entsteht durch das Um­ schalten der Stromquelle ein großer Leistungsbedarf, der den Einsatz dieser Meßgeräte in der Wärmemengenmessung stark einschränkt.

Zur Erhöhung der Meßrate wird in der DE-OS 30 37 305 und der DE-OS 29 34 990 eine Schwingkreisanordnung vorgeschla­ gen, die den Umschaltvorgang des Spulenstromes von einem Amplitudenwert auf den anderen durch Ausnutzung eines Um­ schwingvorganges in einem Schwingkreis beschleunigt. Da­ durch werden die Einschwingzeiten des geschalteten Gleich­ stromes verkürzt und es steht ein längerer Zeitabschnitt zur Verfügung, bei dem die erste Ableitung des Spulenstro­ mes nach der Zeit und damit auch die transformatorische Störspannung den Betrag Null annimmt. Durch diese Maßnah­ me wird zusätzlich eine Mehrfachabtastung und damit eine Berücksichtigung von Strömungsgeschwindigkeitsschwankungen möglich.

Sowohl beim periodischen Wechselfeld als auch beim geschal­ teten Gleichfeld lassen sich nur Teile des zur Verfügung stehenden Meßsignals zur Erzeugung des Anzeigewertes ver­ wenden. Bei Meßaufnehmern mit geschaltetem Gleichfeld dient dazu der Signalbereich, in dem die erste Ableitung des Spu­ lenstromes nach der Zeit den Betrag Null annimmt.

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Kompensation der transformatorischen Störspannung eines magnetisch-induktiven Durchflußmeßgerätes, bei dem der ge­ samte von der Strömungsgeschwindigkeit abhängige Anteil des Elektrodensignals zur Bestimmung der Strömungsgeschwindig­ keit ausgenutzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor der Bestimmung der Durchflußgeschwindigkeit aus dem bei der Strömungsgeschwindigkeit Null gewonnenen Elektrodensignal U_E und einer mittels einer parallel zu den Elektrodenzulei­ tungen angeordneten Leiterschleife gebildeten, der transfor­ matorischen Störspannung U_T proportionalen Referenzspannung U_TR ein Faktor R₁ nach dem LSQ-Verfahren berechnet und ge­ speichert wird und zur Bestimmung des Nutzsignals U_N aus der anliegenden Referenzspannung U_TR und dem Faktor R₁ die transformatorische Störspannung U_T berechnet und diese von der anliegenden Elektrodenspannung U_E abgezogen wird.

Mit diesem Verfahren wird in vorteilhafter Weise der gesamte Signalverlauf, der an den Elektroden eines magnetisch-induk­ tiven Meßwertaufnehmers gemessen werden kann, zur Berechnung der aktuellen Strömungsgeschwindigkeit ausgenutzt. Die Erre­ gerstromeinschaltzeiten werden erheblich verkürzt und damit die Einsatzmöglichkeiten von magnetisch-induktiven Meßauf­ nehmern für Dosierungszwecke erheblich vergrößert. Durch die Auswertung des gesamten Signals ist es ebenfalls mög­ lich, bei einer geringen Meßrate die Energieaufnahme des Meß­ gerätes in den Bereich unter 500 mW zu senken.

Nach diesem Verfahren wird die transformatorische Störspan­ nung mittels einer zusätzlichen Leiterschleife ermittelt und als Kompensationsgröße verwendet. Hierfür wird zunächst vor der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ein Faktor R₁ gebildet, der gespeichert wird und für alle folgenden Durchflußmessungen ständig zur Verfügung steht. Bei den folgenden Bestimmungen der Strömungsgeschwindigkeit werden Elektrodenspannung U_E und Referenzspannung U_TR gemessen, verstärkt, gefiltert, gespeichert und in digitalisierter Form vom Mikrorechner abgerufen, der in Verbindung mit dem Faktor R₁ das Nutzsignal U_N berechnet. Das berechnete Nutz­ signal U_N kann direkt verwendet werden.

Um eventuell durch einen abweichenden zeitlichen Verlauf des Spulenstroms verursachte Störungen zu eliminieren, ist nach einer Weiterbildung vorgesehen, daß aus der Nutzspan­ nung U_N und einer den zeitlichen Verlauf des Erregerstromes darstellenden Meßspannung U_M, die mittels eines im Netzwerk der Erregerspule enthaltenen steuerbaren Generators erzeugt wird, ein der Strömungsgeschwindigkeit proportionaler Fak­ tor R₂ nach dem LSQ-Verfahren berechnet wird. Ist die Ein­ richtung mit einem schnellen Analog-/Digitalwandler ausge­ rüstet, können bei jedem Abtastzyklus die augenblicklichen Werte der Elektrodenspannung U_E und der Meßspannung U_M mit Hilfe eines Multiplexers kurz nacheinander abgefragt werden. Es entsteht dann kein Fehler durch Änderungen des Stromver­ laufs.

Zweckmäßig wird der Verlauf der Meßspannung U_M mittels eines Tiefpaßfilters an den Verlauf der Nutzspannung U_N angegli­ chen. Als Ergebnis steht die gefilterte Meßspannung U_MF zur Verfügung. Zur Berechnung des der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Faktors R₂ findet der LSQ-Algorithmus in der gleichen Weise Anwendung, wie es für die Ermittlung des Faktors R₁ vorgesehen ist.

Nach der Berechnung des Faktors R₂ wird festgestellt, ob Abweichungen im zeitlichen Verlauf zwischen der Nutzspan­ nung U_N und dem Produkt aus der gefilterten Meßspannung U_MF und dem der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Faktor R₂ vorliegen und gegebenenfalls wird der Filterko­ effizient 1 für die Meßspannung U_M nachgestellt. Zur Be­ wertung können beispielsweise die Differenzflächen beider Signale oder von Flächenteilen dienen. Danach wird der Wert des Faktors R₂ kalibriert und zur Anzeige gebracht.

Die Meßwertverarbeitung beginnt nun einen neuen Meßzyklus, um einen neuen Faktor R₂ zu berechnen. Der zeitliche Ab­ stand zwischen zwei Meßwerten wird durch das Programm vor­ gegeben. Damit steht ein Meßwertverarbeitungsalgorithmus zur Verfügung, der die Realisierung kurzer Stromimpulse in der Spule des Meßaufnehmers zuläßt. Die neuartige Meßwert­ verarbeitung ermöglicht bei der magnetisch-induktiven Durch­ flußmessung, die Impulsfrequenz zu senken und somit die be­ nötigte Energie zu reduzieren. Die Grenzen bei der Verkür­ zung der Signalimpulse hängen von der Geschwindigkeit ab, mit der die analogen Meßsignale abgetastet und verarbeitet werden können. Der Kompensationsaufwand für die Kapazität der Flüssigkeit steigt mit der Verkürzung des Stromimpul­ ses.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Einrichtung besteht aus einem Meßwertgeber mit Meßelektroden und Erre­ gerspulen, einem Generator zur Bildung eines Erregerstroms, elektronischen Bauteilen zur Verstärkung, Filterung, Spei­ cherung und Digitalisierung des Elektrodensignals sowie einem Mikrorechner zur Berechnung eines der Durchflußge­ schwindigkeit proportionalen Nutzsignals, wobei der Meß­ wertgeber mit einer parallel zu den Elektrodenzuleitungen angeordneten Leiterschleife versehen ist, die über einen Verstärker an einen Schalter angeschlossen ist, welcher vom Mikrorechner derart gesteuert wird, daß wechselweise die Elektrodenspannung U_E oder die transformatorische Störspan­ nung U_T an den Signalverarbeitungskanal angeschlossen wird.

Um die vom Erregerstrom abgeleitete Meßspannung U_M zu bil­ den, ist in der Erregerstromleitung ein steuerbarer Meß­ widerstand angeordnet, der über einen Verstärker an den Schalter angeschlossen ist, welcher vom Mikrorechner der­ art gesteuert wird, daß wechselweise die Elektrodenspannung U_E, die transformatorische Störspannung U_T oder die Meßspan­ nung U_M des Meßwiderstandes an den Signalverarbeitungskanal angeschlossen wird.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise darge­ stellt; es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Kom­ pensation eines magnetisch-induktiven Durchfluß­ meßgerätes und

Fig. 2 ein Flußdiagramm der Meßsignalverarbeitung.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Meßwertgeber 1 ist mit zwei Meßelektroden 2 und zwei in Reihe geschalteten Er­ regerspulen 3 sowie einer Leiterschleife 4 versehen. Die Leiterschleife 4 verläuft parallel zu den Elektrodenzulei­ tungen und erzeugt eine der transformatorischen Störspan­ nungen U_T proportionale Referenzspannung U_TR. Die Meßelek­ troden 2 und die Leiterschleife 4 sind an Vorverstärker 5 bzw. 6 angeschlossen. Die Erregerspulen 3 werden über eine Erregerstromleitung 17 von einem Generator gespeist, der von einem Mikrorechner gesteuert wird. In der Erregerstrom­ leitung 17 ist ein steuerbarer Meßwiderstand 18 angeordnet, der eine vom Erregerstrom abgeleitete Meßspannung U_M lie­ fert und an einen Vorverstärker 7 angeschlossen ist. Die Ausgänge der Vorverstärker 5 bis 7 sind an einen Schalter 8 angeschlossen, der in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, von dem Mikrorechner über eine Steuerleitung 13 gesteuert wird, um entsprechend dem Programm einen der Vorverstärker 5 bis 7 an einen Signal-Verarbeitungskanal 16 anzuschlie­ ßen. Im Signalverarbeitungskanal 16 werden die Signale über einen Verstärker 9 und einen Bandpaßfilter 10, der vom Ana­ logsignal die Hochfrequenzspitzen beseitigt, einem Sample- and Holdglied 11 zugeführt, das über eine Leitung 14 vom Mikrorechner angesteuert wird. Vom Sample- and Holdglied 11 werden die Signale über einen Analog-/Digitalwandler 12 dem Mikrorechner zugeführt, der den Analog-/Digitalwandler 12 über eine Leitung 15 steuert.

Das in Fig. 2 gezeigte Flußdiagramm zeigt den Ablauf der Meßsignalverarbeitung. Die oberen drei Kästchen betreffen die vor der Bestimmung der Durchflußgeschwindigkeit vorge­ sehenen Verfahrensschritte zur Darstellung eines Faktors R₁ durch Einlesen der Elektrodenspannung U_E, die, da keine Strömung des Mediums vorliegt, nur die transformatorische Störspannung U_T und das Rauschen erfaßt. Bei der Berechnung nach dem LSQ-Verfahren (Least Square-Verfahren) werden nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate die Amplituden von U_E und U_TR zur Deckung gebracht, und aus den gewichteten Werten wird der Faktor R₁ berechnet, der gespeichert wird und für alle folgenden Durchflußmessungen abgerufen werden kann.

Zur Ermittlung einer Durchflußgeschwindigkeit wird das Elektrodensignal U_E gemessen und die Referenzspannung U_TR zur transformatorischen Störspannung U_T eingelesen. Daraus wird die Nutzspannung U_N nach der Formel U_N = R₁×U_TR be­ rechnet. Die von der transformatorischen Störspannung U_T befreite Nutzspannung U_N kann unmittelbar zur Anzeige oder für Regelzwecke verwendet werden.

Um Störeinflüsse, die von dem zeitlichen Verlauf des Erre­ gerstroms herrühren, auszuschalten, wird die am Meßwider­ stand 18 vorhandene Meßspannung U_M eingelesen und gefil­ tert. Die gefilterte Meßspannung U_MF dient der Berechnung des Faktors R₂ mit dem LSQ-Verfahren nach der Gleichung U_N = R₂×U_MF. Auch in diesem Verfahrensschritt werden die Amplituden von U_N und U_MF zur Deckung gebracht und aus den gewichteten Werten wird der Faktor R₂ berechnet. Schließlich werden zur Ermittlung von Abweichungen im zeitlichen Verlauf die Abweichungen der Integrationsflächen von U_N und R₂ U_MF berechnet und der Filterkoeffizient τ proportional zur Feh­ lerfläche nachgestellt. Schließlich wird der mit dem Kali­ brierfehler multiplizierte Faktor R₂ zur Anzeige gebracht. Danach beginnt durch Abfragen des Elektrodensignals U_E und Einlesen der Referenzspannung U_TR ein folgender Meßzyklus.

Claims (6)

1. Verfahren zur Kompensation der transformatorischen Stör­ spannung eines magnetisch-induktiven Durchflußmeßgerätes, dessen Erregerspulen mit Spannungs- oder Stromimpulsen gespeist werden und dessen Nutzsignal mittels eines Mi­ krorechners aus dem Elektrodensignal und kompensatori­ schen Vergleichswerten ermittelt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• a) vor der Bestimmung der Durchflußgeschwindigkeit wird aus dem bei der Strömungsgeschwindigkeit Null gewon­ nenen Elektrodensignal U_E und einer mittels einer parallel zu den Elektrodenzuleitungen angeordneten Leiterschleife gebildeten, der transformatorischen Störspannung U_T proportionalen Referenzspannung U_TR ein Faktor R₁ nach dem LSQ-Verfahren berechnet und gespeichert und
• b) zur Bestimmung des Nutzsignals U_N wird aus der anlie­ genden Referenzspannung U_TR und dem Faktor R₁ die transformatorische Störspannung U_T berechnet und diese von der anliegenden Elektrodenspannung U_E ab­ gezogen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Nutzspannung U_N und einer den zeitlichen Verlauf des Erregerstroms darstellenden Meßspannung U_M, die mit­ tels eines im Netzwerk der Erregerspule enthaltenen steuerbaren Generators erzeugt wird, ein der Strömungs­ geschwindigkeit proportionaler Faktor R₂ nach dem LSQ- Verfahren berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Meßspannung U_M mittels eines Tiefpaßfil­ ters an den Verlauf der Nutzspannung U_N angeglichen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung im zeitlichen Verlauf zwischen der Nutz­ spannung U_N und dem Produkt aus der gefilterten Meßspan­ nung U_MF und dem der Strömungsgeschwindigkeit proportio­ nalen Faktor R₂ ermittelt und der Filterkoeffizient τ für die Meßspannung U_M nachgestellt wird.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus einem Meßwertgeber mit Meßelektroden und Erregerspulen, einem Generator zur Bildung eines Erregerstroms, elektronischen Bauteilen zur Verstärkung, Filterung, Speicherung und Digitalisie­ rung des Elektrodensignals sowie einem Mikrorechner zur Berechnung eines der Durchflußgeschwindigkeit proportio­ nalen Nutzsignals, dadurch gekennzeichnet, daß der Meß­ wertgeber (1) mit einer parallel zu den Elektrodenzulei­ tungen angeordneten Leiterschleife (4) versehen ist, die über einen Verstärker (6) an einen Schalter (8) ange­ schlossen ist, welcher vom Mikrorechner derart gesteuert wird, daß wechselweise die Elektrodenspannung U_E oder die transformatorische Störspannung U_T an den Signalver­ arbeitungskanal (16) angeschlossen wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Erregerstromleitung (17) ein steuerbarer Meßwi­ derstand (18) angeordnet ist, der über einen Verstärker (7) an den Schalter (8) angeschlossen ist, welcher vom Mikrorechner derart gesteuert wird, daß wechselweise die Elektrodenspannung U_E, die transformatorische Störspan­ nung U_T oder die Meßspannung U_M des Meßwiderstandes (18) an den Signalverarbeitungskanal (16) angeschlossen wird.