DE4423169C2 - Verfahren zur Messung des Durchflusses eines strömenden Mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Durchflusses eines strömenden Mediums nach dem magnetisch-induktiven Prinzip, mit Hilfe eines das strömende Medium führenden Meßrohrs, mit Hilfe zweier Feldspulen und mit Hilfe zweier Elek­ troden, bei welchen von einem die Feldspulen durchströmenden umpolbaren Feld­ strom ein eine Komponente senkrecht zur Strömungsrichtung des strömenden Medi­ ums aufweisendes entsprechend umpolbares magnetisches Gleichfeld erzeugt wird und bei welchen von den durch eine eine Komponente senkrecht zur Strömungsrich­ tung des strömenden Mediums und senkrecht zur Richtung des magnetischen Gleichfeld aufweisende Verbindungslinie verbundenen Elektroden eine Meßspan­ nung als Maß für den Durchfluß geliefert wird.

Ein solches Verfahren ist z. B. aus der US 4 709 583 bzw. der DE 41 19 372 A1 be­ kannt. Diesen bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß sich das magnetische Gleich­ feld nur mit einer gewissen Verzögerung relativ zum Feldstrom aufbaut. Aus diesem Grund werden bei solchen Verfahren die Meßspannungen an den Elektroden vor­ zugsweise in einem Intervall gemessen, in dem das magnetische Gleichfeld nach dem Umpolen im wesentlichen konstant ist, nachdem also die Umpoleffekte auf das ma­ gnetische Gleichfeld abgeklungen sind, um so zu gewährleisten, daß die Meßspan­ nungen möglichst stabil sind. Es ist bekannt, daß bei dem oben geschilderten Verfah­ ren eine gute Nullpunktstabilität der Meßspannungen dadurch gewährleistet wird, daß man den Feldstrom mit einer relativ geringen Frequenz umpolt. Durch eine sol­ che Umpolung mit geringer Frequenz reduzieren sich auch die in einem Korrekturfak­ tor zusammengefaßten Einflüsse des Meßsystems auf die Meßspannung. Dies gilt ins­ besondere für den Einfluß von parasitären Kapazitäten, die eine Drift des Nullpunkts verursachen, und für die Temperaturabhängigkeit des Meßsystems.

Dieser Tendenz zu niedrigen Frequenzen für die Umpolung des Feldstroms steht ent­ gegen, daß das unvermeidbare Rauschen, das einerseits einer zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Meßelektronik entstammt und andererseits durch das strö­ mende Medium selbst, vor allem bei strömenden Medien mit Festkörpern, verursacht wird, überwiegend niederfrequentes Rauschen ist, das hin zu höheren Frequenzen in seiner Intensität stark abnimmt. Das der Meßelektronik entstammende Rauschen ist insbesondere deshalb problematisch, da die hohe Impedanz des Meßsignals hohe An­ forderungen an die Eingangsimpedanz eines in der Meßelektronik vorgesehenen Eingangsverstärkers stellt, damit die Signalverluste nicht zu groß werden, was dazu führt, daß die Rauschempfindlichkeit des Eingangsverstärkers relativ groß ist. Um den Einfluß der beiden genannten Rauschquellen möglichst gering zu halten, wird es stets angestrebt, mit einer höheren Frequenz für die Umpolung des Feldstroms zu arbeiten, beispielsweise mit einer Frequenz in der Größenordnung von 25 bis 200 Hz. Wie be­ reits oben geschildert worden ist, folgt jedoch aus einer solchen höheren Frequenz für die Umpolung des Feldstroms und damit des magnetischen Gleichfeldes eine ge­ ringere Nullpunktstabilität und eine größere Variation des Korrekturfaktors der Meß­ spannungen.

Um das zuvor aufgezeigte Problem zu bewältigen, ist es aus der Praxis bekannt, eine Kombination aus hochfrequenter und niederfrequenter Umpolung des Feldstroms zu verwenden. So wird bei einem solchen Verfahren einem niederfrequenten, rechteck­ förmigen, die Feldspulen durchfließenden Feldstrom ein hochfrequenter Feldstrom überlagert. Alternativ ist ebenfalls bekannt, eine hochfrequente Umpolung des Feld­ stroms regelmäßig mit einer niederfrequenten Umpolung des Feldstroms abzuwech­ seln. Die beschriebenen Verfahren sind jedoch aufwendig und erfordern aus diesem Grund einen erheblichen apparativen Aufwand auf Seiten der Meßelektronik.

Aus dem Stand der Technik (vgl. DE-OS-20 54 624) ist weiter ein Verfahren zur Messung des Durchflusses eines strömenden Mediums nach dem magnetisch-induk­ tiven Prinzip bekannt, bei dem die Feldspulen netzgespeist werden. Um in einem sol­ chen Fall netzsynchrone Störgrößen eliminieren zu können, werden in gleichbleiben­ den Zeitabständen von mehreren Perioden der Netzwechselspannung jeweils beim Nulldurchgang der Netzwechselspannung die Feldspulen umgepolt. Das Verfahren der netzgespeisten Feldspulen ist problematisch, da bei diesem Verfahren nicht si­ chergestellt wird, daß die Meßspannungen an den Elektroden in einen stabilen Be­ reich gelangen. Außerdem liefert dieses Verfahren auch nach der Umpolung keine stabileren Meßspannungen, da das magnetische Feld auch in einem Intervall mit Um­ polung stark schwankt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zur Mes­ sung des Durchflusses eines strömenden Mediums nach dem magnetisch-induktiven Prinzip derart weiterzugestalten, daß eine hohe Meßgenauigkeit unter nur geringem Einfluß von Rauschen ohne aufwendige Maßnahmen möglich wird.

Die zuvor aufgezeigte und dargelegte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Umpolung in bestimmten Abständen zu einem im Gegensatz zur periodischen Umpolung die nächste Umpolung hinausschiebenden Zeitpunkt einem Phasensprung von mindestens 180° und weniger als 360° unterworfen wird, daß die in dem durch die hinausgeschobene Umpolung verlängerten Intervall eines konstanten magneti­ schen Gleichfelds gelieferten Meßspannungen als Referenzspannungen verwendet werden und daß aus der Referenzspannung ein Korrekturfaktor und/oder ein Null­ punktkorrektursignal zur Korrektur der nicht als Referenzspannung verwandten Meß­ spannungen abgeleitet werden. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme entstehen zwei unterschiedliche Intervalle zwischen zwei Umpolungen, nämlich eines mit kur­ zer Dauer und eines mit langer Dauer, wobei die Meßspannung im Intervall mit langer Dauer zur Ableitung der Referenzspannung mit einem stabilem Nullpunkt und einem Korrekturfaktor nahe 1 herangezogen wird. Gleichzeitig ist das kurze Intervall so kurz, daß eine Unterdrückung des Rauschens gewährleistet wird. Insbesondere las­ sen sich die erfindungsgemäße Verfahrensschritte besonders einfach verwirklichen.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Ver­ fahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Be­ schreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2a den zeitlichen Verlauf eines Feldstroms, wie er aus dem Stand der Tech­ nik bekannt ist,

Fig. 2b den zeitlichen Verlauf von Abtast-Intervallen, während derer die Meß­ spannungen aufgenommen werden,

Fig. 2c den zeitlichen Verlauf eines Feldstroms gemäß einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2d den zeitlichen Verlauf eines Feldstroms gemäß einem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 3 ein Flußdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Diese Vorrichtung weist ein das strö­ mende Medium führendes Meßrohr 1, zwei Feldspulen 2, 3 und zwei Elektroden 4, 5 auf. Bei der bevorzugten Ausführungsform dieser Vorrichtung wird von einem die Feldspulen 2, 3 durchströmenden Feldstrom senkrecht zur Strömungsrichtung des strömenden Mediums ein magnetisches Gleichfeld erzeugt. Die durch eine senkrecht zur Strömungsrichtung des strömenden Mediums und senkrecht zur Richtung des magnetischen Gleichfeldes verlaufende Verbindungslinie verbundenen Elektroden 4, 5 liefern eine Meßspannung als Maß für den Durchfluß des strömenden Mediums durch das Meßrohr 1. Es ist sowohl für das magnetische Gleichfeld als auch für die Verbindungslinie der Elektroden 4, 5 nicht zwingend notwendig, daß diese relativ zueinander und zur Strömungsrichtung des strömenden Mediums senkrecht stehen. Es ist hingegen ausreichend, wenn die jeweiligen Richtungen eine Komponente senkrecht zu den jeweils verbleibenden Richtungen aufweist.

Weiter zeigt die Fig. 1 eine Meßelektronik 6, die verschiedene Schaltungseinheiten umfaßt. Die Meßelektronik 6 umfaßt zum einen eine Generatorschaltung 7, mit Hilfe derer die Feldspulen 2, 3 mit dem ein magnetisches Gleichfeld erzeugenden Feldstrom versorgt werden. Weiter weist die Meßelektronik 6 einen Eingangsverstärker 8 auf, der die von den Elektroden 4, 5 mit hoher Impedanz gelieferte Meßspannung mit ge­ ringen Signalverlusten verstärkt. Hierzu weist der Eingangsverstärker 8 eine mög­ lichst hochohmige Eingangsstufe auf. Schließlich weist die Meßelektronik 6 eine Ver­ arbeitungsschaltung 9 auf, an der die von dem Eingangsverstärker 8 verstärkte Meß­ spannung der Elektroden 4, 5 anliegt und die ein Steuersignal an die Generatorschal­ tung 7 abgibt, wobei die Frequenz des Steuersignals beispielsweise von der Netzfre­ quenz abgeleitet wird. Die Verarbeitungsschaltung 9 besteht zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise aus einem Mikroprozessor.

Um eine gewünschte Rauschunterdrückung zu verwirklichen, gibt die Verarbei­ tungsschaltung 9 ein Steuersignal mit einer Frequenz vorzugsweise zwischen 25 und 200 Hz an die Generatorschaltung 7 für den Feldstrom ab. In Fig. 2a ist der zeitliche Verlauf eines solchen Feldstromes mit der besagten hohen Frequenz dargestellt. Wei­ ter ist in der Fig. 2b dargestellt, in welchen Abtast-Intervallen, beispielsweise jeweils in dem zweiten oder dritten Drittel eines konstanten magnetischen Gleichfeldes, eine Signalabstastung durch Integration der Meßspannung in der Verarbeitungsschaltung 9 erfolgt. Die während dieser Abtast-Intervalle aufgenommenen Abtastwerte werden zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums im Meß­ rohr 1 verwendet. Hierbei wird beispielsweise jeweils nach drei aufeinanderfolgenden Umpolungen ein Abtastwert bestimmt und gespeichert, wobei die Strömungsge­ schwindigkeit derart berechnet wird, daß von der Summe des ersten und des dritten gespeicherten Abtastwertes zweimal der zweite Abtastwert abgezogen wird. Durch dieses Verfahren werden Fehler, wie DC-Störungen durch das elektrochemische Po­ tential und dessen linear in der Zeit zunehmende Drift, unterdrückt. Bei dem zuvor geschilderten, in den Fig. 2a und 2b dargestellten aus dem Stand der Technik be­ kannten Verfahren ist zwar eine gute Rauschunterdrückung gewährleistet, jedoch leidet bei diesem Verfahren die Nullpunktstabilität und die Kenntnis des Korrektur­ faktors.

In den Fig. 2c und 2d sind nun unterschiedliche Varianten des zeitlichen Verlaufs ei­ nes Feldstroms gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Bei diesen er­ findungsgemäß ausgestalteten Verfahren wird also die periodische Umpolung des Feldstroms und damit des magnetischen Gleichfeldes zu einem die nächste Umpolung hinausschiebenden Zeitpunkt einem Phasensprung von mindestens 180° und weni­ ger als 360° unterworfen und die in dem durch die hinausgeschobene Umpolung verlängerten Intervall eines konstanten magnetischen Gleichfeldes gelieferten Meß­ spannungen als Referenzspannungen verwendet. Durch die erfindungsgemäße Maß­ nahme wird gewährleistet, daß das magnetische Gleichfeld in einem Intervall, in wel­ chem die periodische Umpolung des Feldstroms einem Phasensprung unterworfen wird, maximal doppelt so lange konstant gehalten wird. Wird die periodische Umpo­ lung beispielsweise, nachdem der Feldstrom bereits ein Viertel der Zeit einer vollstän­ digen Periode anliegt, einem Phasensprung von 270° unterworfen, so verlängert sich das Intervall eines konstanten magnetischen Gleichfeldes auf ungefähr das 1,5-fache des Wertes ohne Phasensprung. Erfindungsgemäß kann also die Länge des Intervalls mit konstantem Feldstrom kontinuierlich im Bereich zwischen seiner Länge ohne Phasensprung und dem Doppelten seiner Länge ohne Phasensprung variiert werden.

In den Fig. 2c und 2d ist eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens verwirklicht, bei dem die periodische Umpolung unmittelbar vor einem Um­ polzeitpunkt einem Phasensprung von genau 180° unterworfen wird. Durch dieses Verfahren wird, wie aus den Fig. 2c und 2d ersichtlich, gewährleistet, daß sich die Länge des Intervalls mit konstantem Feldstrom durch den Phasensprung relativ zur Länge des Intervalls mit konstantem Feldstrom ohne Phasensprung verdoppelt. Da die Abtast-Intervalle zur Aufnahme der Signalspannungen an den Elektroden 4, 5 je­ weils in einem hinteren Abschnitt der Intervalle mit einem konstanten Feldstrom, also jeweils kurz vor der nächsten Umpolung, liegen, ist gewährleistet, daß in den Interval­ len, in denen das magnetische Gleichfeld durch einen Phasensprung der periodischen Umpolung des Feldstroms länger konstant anliegt, eine aussagekräftige Referenz­ spannung ermittelt werden kann.

In der Fig. 2c ist der zeitliche Verlauf eines Feldstroms für ein erfindungsgemäßes Ver­ fahren dargestellt, das weiter vorteilhaft dadurch ausgestaltet ist, daß die periodische Umpolung nach einem ganzzahligen Vielfachen einer Periode nach dem vorangegan­ genen Phasensprung um genau 180° einem Phasensprung von wiederum genau 180° unterworfen wird. Durch diese Maßnahme wird besonders vorteilhaft gewährleistet, daß jeweils abwechselnd die Intervalle mit entgegengesetzten magnetischen Gleich­ feldern durch den Phasensprung der periodischen Umpolung verlängert werden, so daß die Referenzspannung abwechselnd für die unterschiedlichen Ausrichtungen des magnetischen Gleichfeldes bestimmt werden.

In Fig. 2d ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens darge­ stellt, bei der das ganzzahlige Vielfache regelmäßig variiert wird, im dargestellten Bei­ spiel abwechselnd zwischen drei und vier. Durch eine solche Variation des ganzzah­ ligen Vielfachen wird gewährleistet, daß weitere einfach periodische Störeinflüsse zu­ sätzlich reduziert werden.

Um sämtliche periodischen Störeinflüsse zu eliminieren, wird das erfindungsgemäße Verfahren weiter dadurch ausgestaltet, daß das ganzzahlige Vielfache zufällig variiert wird. Durch diese Maßnahme wird eine Regelmäßigkeit des Phasensprungs und somit der Aufnahme des Nullpunktkorrektursignals bzw. des Korrekturfaktors verhindert und somit der Einfluß regelmäßiger Störeinflüsse stark reduziert bzw. vollständig eli­ miniert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden aus der Referenzspannung ein Kor­ rekturfaktor und ein Nullpunktkorrektursignal abgeleitet. Das Nullpunktkorrektursi­ gnal und der Korrekturfaktor werden von der Verarbeitungsschaltung 9 dadurch be­ stimmt, daß die in den kurzen Intervallen eines konstanten magnetischen Gleichfeldes aufgenommenen Meßwerte mit den in den Intervallen mit einem durch einen Phasen­ sprung verlängert anliegenden magnetischen Gleichfeld verglichen werden. Zur Er­ höhung der Meßgenauigkeit des Verfahrens zur Messung des Durchflusses eines strömenden Mediums nach dem magnetisch-induktiven Prinzip wird das Nullpunkt­ korrektursignal und/oder der Korrekturfaktor zur Korrektur der vor einer nicht hin­ ausgeschobenen Umpolung aufgenommenen Meßspannung verwandt.

Besonders vorteilhaft wird dieses Verfahren dadurch weitergebildet, daß, wie in Fig. 3 dargestellt, bei hohen Durchflußmengen die Korrektur der nicht als Referenzspan­ nungen verwandten Meßspannungen anhand des Korrekturfaktors vorgenommen wird, während bei geringen Durchflußmengen die Korrektur anhand des Nullpunkt­ korrektursignals vorgenommen wird. Dies ist vorteilhaft, da bei hohen Geschwindig­ keiten der Fehler in der Nullpunktstabilität gegenüber dem Fehler im Korrekturfaktor vernachlässigbar ist und da dies bei niedrigen Geschwindigkeiten des strömenden Mediums umgekehrt gilt. Selbstverständlich ist jedoch auch eine gleichzeitige Kor­ rektur der nicht als Referenzspannungen verwandten Meßspannungen anhand des Korrekturfaktors und des Nullpunktkorrektursignals möglich.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung des Durchflusses eines strömenden Mediums nach dem magnetisch-induktiven Prinzip, mit Hilfe eines das strömende Medium führenden Meßrohres, mit Hilfe zweier Feldspulen und mit Hilfe zweier Elektroden, bei welchem von einem die Feldspulen durchströmenden umpolbaren Feldstrom ein eine Kompo­ nente senkrecht zur Strömungsrichtung des strömenden Mediums aufweisendes ent­ sprechend umpolbares magnetisches Gleichfeld erzeugt wird und bei welchem von den durch eine eine Komponente senkrecht zur Strömungsrichtung des strömenden Mediums und senkrecht zur Richtung des magnetischen Gleichfeldes aufweisende Verbindungslinie verbundenen Elektroden eine Meßspannung als Maß für den Durchfluß geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Umpolung in bestimmten Abständen zu einem im Gegensatz zur periodischen Umpolung die nächste Umpo­ lung hinausschiebenden Zeitpunkt einem Phasensprung von mindestens 180° und weniger als 360° unterworfen wird, daß die in dem durch die hinausgeschobene Um­ polung verlängerten Intervall eines konstanten magnetischen Gleichfeldes gelieferten Meßspannungen als Referenzspannungen verwendet werden und daß aus der Refe­ renzspannung ein Korrekturfaktor und/oder ein Nullpunktkorrektursignal zur Kor­ rektur der nicht als Referenzspannung verwandten Meßspannungen abgeleitet wer­ den.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umpolung unmittel­ bar vor einem gemäß einer periodischen Umpolung anstehenden Umpolzeitpunkt ei­ nem Phasensprung von mindestens 180° und weniger als 360°, vorzugsweise genau 180°, unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umpolung nach einem ganzzahligen Vielfachen einer Periode nach dem vorangegangenen Pha­ sensprung um genau 180° einem Phasensprung von genau 180° unterworfen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ganzzahlige Vielfa­ che regelmäßig variiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das ganzzahlige Vielfa­ che zufällig variiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei ho­ hen Durchflußmengen die Korrektur der nicht als Referenzspannung verwandten Meßspannungen anhand des Korrekturfaktors vorgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei niedrigen Durchflußmengen die Korrektur der nicht als Referenzspannung verwand­ ten Meßspannungen anhand des Nullpunktkorrektursignals vorgenommen wird.