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Diese
Erfindung betrifft das Bereitstellen eines Stromes für eine Last.
Insbesondere betrifft diese Erfindung ein System, das die Polarität einer
von einer einzelnen Stromquelle an eine Last angelegten Spannung ändert. Ganz
besonders betrifft diese Erfindung eine Schaltung, die Strom an
ein Treibersystem eines Coriolis-Durchflussmessers liefert.
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Problem
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Einige
Lasten verlangen, dass die Polarität der an die Last angelegten
Stromspannung periodisch umgekehrt wird. Die Umkehr der Polarität der Spannung ändert die
Richtung des durch die Last fließenden Stromes. Diese Richtungsänderung
des Stromflusses kann eine bestimmte, von der Last durchgeführte Funktion
erzielen. Ein Beispiel einer Last, die eine Änderung in der Polarität der angelegten
Spannung erfordert, ist ein Treibersystem für einen Coriolis-Durchflussmesser.
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Ein
Coriolis-Durchflussmesser misst Massenfluss und andere Information
von Materialien, die durch einen Kanal in dem Durchflussmesser fließen. Exemplarische
Coriolis-Durchflussmesser werden in US-Patentnummern 4,109,524 vom
29. August 1978, 4,491,025 vom 1. Januar 1985 und Re. 31,450 vom 11.
Februar 1982, alle an J.E. Smith, offenbart. Diese Durchflussmesser
besitzen einen oder mehrere Kanäle
in gerader oder gekrümmter
Konfiguration. Jede Kanalkonfiguration in einem Coriolis-Durchflussmesser
weist einen Satz von natürlichen
Schwingungsmodi auf, die von einem einfachen Biegungs-, Drehungs-
oder Kopplungstyp sein können.
Jeder Kanal wird getrieben, um bei Resonanz in einem dieser drei natürlichen
Modi zu schwingen. Material fließt in den Durchflussmesser
von einer angeschlossenen Rohrleitung auf der Einlassseite des Durchflussmessers, wird
durch den oder die Kanäle
geleitet und verlässt den
Durchflussmesser durch die Auslassseite des Durchflussmessers. Die
natürlichen
Schwingungsmodi des vibrierenden materialgefüllten Systems werden zum Teil
durch die kombinierte Masse der Kanäle und des in diesen Kanälen fließenden Materials
definiert.
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Wenn
es keinen Fluss durch den Durchflussmesser gibt, schwingen alle
Punkte längs
des Kanals infolge einer angelegten Antriebskraft mit identischer Phase
oder einem kleinen, anfänglichen
festen Phasenoffset, der korrigiert werden kann. Sobald Material
zu fließen
beginnt, bewirken Corioliskräfte,
dass jeder Punkt längs
des Kanals eine andere Phase aufweist. Die Phase auf der Einlassseite
des Kanals eilt dem Treiber nach, während die Pha se auf der Auslassseite
des Kanals dem Treiber voreilt. Abnehmersensoren auf dem oder den
Kanälen
erzeugen sinusförmige
Signale, die die Bewegung des Kanals oder der Kanäle darstellen.
Von den Abnehmersensoren ausgegebene Signale werden verarbeitet,
um die Phasendifferenz zwischen den Abnehmersensoren zu bestimmen.
Die Phasendifferenz zwischen zwei Abnehmersensoren ist proportional
zu der Massenflussrate von Material, das durch den oder die Kanäle fließt.
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Das
Treibersystem eines Coriolis-Durchflussmessers ist an dem oder den
Kanälen
befestigt und bringt den oder die Kanäle als Reaktion auf ein Signal
von der Treibersteuerschaltung zum Schwingen. Ein herkömmlicher
Treiber für
einen Coriolis-Durchflussmesser besitzt einen Magneten, der gegenüber einer
Spule montiert ist. Die Treibersteuerschaltung legt einen elektrischen
Strom oder Treibsignal an die Spule des Treibers an. Der durch die Spule
fließende
Strom erzeugt elektromagnetische Kräfte zwischen der Spule und
dem Magneten. Die Spule wird durch den Magneten abwechselnd angezogen
und abgestoßen.
Das Anziehen und Abstoßen bringt
die Flussrohre zum Schwingen.
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Um
den Magneten abwechselnd anzuziehen und abzustoßen, wird die Polarität der Spannung
des durch den Treiber fließenden
Stromes umgekehrt. Dies erlaubt dem Treiber, eine Kraft an den oder
die Kanäle
durch beide Hälften
eines Schwingungszyklusses anzulegen.
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U.S:
Patent Nr. 4,563,904 offenbart einen elektromagnetischen Durchflussmesser,
der mit einer Feldspule versehen ist, um ein Magnetfeld über dem
Flussrohr zu erzeugen, durch das das zu bemessende Fluid geführt wird,
wobei der Durchflussmesser eine Enegerschaltung aufweist, die einen
periodischen Strom an die Spule in abwechselnder Polarität liefert
und die Stärke
des Stromes auf einem konstanten Pegel hält. Die Schaltung umfasst einen Polaritätsumkehr-Kommutator,
dessen Eingang über einen
zu betätigenden
Schalter mit einer Stromversorgungsquelle verbunden ist, und dessen
Ausgang über
ein Kabel mit der Spule verbunden ist. Der Schalter wird durch einen
Schaltregler betätigt,
der Betätigungsimpulse
erzeugt, deren Tastverhältnis entsprechend
einem angelegten Steuersignal moduliert wird. Ein Bezugssignal wird
aus der Feldspule gewonnen, das proportional zu dem veränderlichen Stromfluss
dorthindurch ist und mit einem Sollpunkt verglichen wird, um ein
Steuersignal zu erzeugen, das von der Differenz dazwischen abhängt. Dieses Steuersignal
wird an den Schaltregler angelegt, um sein Impulstastverhältnis zu
modulieren und dadurch den Schalter so zu betätigen, dass die Stärke des
an die Spule gelieferten Stromes auf einem im Wesentlichen konstanten
Pegel gehalten wird.
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Us.S-Patent
Nr. 4,777,833 offenbart einen Coriolis-Durchflussmesser, der einen
ferromag netischen Treibmechanismus und ferromagnetische Geschwindigkeitssensoren
enthält.
Der Treibmechanismus umfasst eine Treibspule; einen ferromagnetischen
Treiberhalter, der an einem Flusskanal des Durchflussmessers so
befestigt ist, dass der Halter teilweise in dem Feld von der Treibspule
angeordnet ist; einen Magneten zum Ausrichten der ferromagnetischen
Domänen
des Treibehalters und eine Einrichtung zum Anlegen des Treibsignals
an die Treibspule. Der Geschwindigkeitssensor umfasst eine Sensorspule;
einen ferromagnetischen Sensorhalter, der an dem Flusskanal so befestigt
ist, dass der Halter teilweise in dem über die Sensorspule gezogenen Feld
angeordnet ist; einen Magneten zum Ausrichten der ferromagnetischen
Domänen
des Sensorhalters, der so angeordnet ist, dass ein Teil seines Magnetfeldes
durch die Sensorspule läuft,
und eine Einrichtung zum Erfassen eines Stromes, der durch Änderungen in
der Sensorhalterposition in der Sensorspule induziert wird. Der
Treibmechanismus bringt den Flusskanal als Reaktion auf das durch
das Treibsignal erzeugte variable Magnetfeld zum Schwingen. Sobald ein
Seitenschenkel des Flusskanals als Reaktion auf den Treibmechanismus
und Corioliskräfte
schwingt, schwingt auch der ferromagnetische Sensorhalter. Als Folge
verändert
sich das durch die Sensorspule laufende Magnetfeld, und ein Signal
wird dann induziert, das ein Maß der
Geschwindigkeit des Seitenschenkels des Flusskanals bereitstellt.
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Es
ist ein Problem, dass zwei getrennte Versorgungsschienen zu der
Treibersteuerschaltung nötig
sind, um die Polarität
der Spannung in Bezug auf Erde umzukehren. Dies erhöht die Komplexität und die
Kosten der Herstellung der Treibersteuerschaltung.
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Ein
zweites Problem, besonders für
das Treibsystem eines Coriolis-Durchflussmessers, ist, dass die
Ausgangsspannung der Stromversorgung geregelt wird. Die Umwandlung
von elektrischer Energie in an den oder die Kanäle angelegte kinetische Energie
oder Kraft hängt
jedoch von Strom ab, wie durch Faraday's Gesetz gezeigt. Die Beziehung zwischen
angelegter Spannung und der auf den Kanal ausgeübten Kraft ist indirekt. Der
Strom kann daher mit der Bewegung der Kanäle nicht in Phase sein, wenn
die Spannung geregelt wird. Dies verringert die Effizienz der Umwandlung
von Strom in Kraft, um den oder die Kanäle zum Schwingen zu bringen.
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Ein
drittes Problem, das auch besonders auf einen Coriolis-Durchflussmesser
zutrifft, ist das Bewahren der intrinsischen Sicherheit der Treiberschaltung,
während
die Leistungsübertragung
maximiert wird. Die Forderungen der intrinsischen Sicherheit erlegen
der an die Last, z.B. das Treibersystem, angelegten maximalen Momentan-Spannung
und -Strom eine Grenze auf. Die mechanische Bewegung des oder der
Kanäle
hängt von
der an das Treibersystem angelegten mittleren Spannung und Strom ab.
Das Treibsignal muss daher die Differenz zwischen Spitzenwerten
und Mittelwerten minimieren, um die Effizienz des Treibersystems
zu maximieren.
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Lösung
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Die
obigen und andere Probleme werden gelöst, und ein Fortschritt in
der Technik wird erzielt durch eine Schaffung zum Liefern einer
geregelten Rechteckwelle an das Treibsystem dieser Erfindung. Die
Schaltung dieser Erfindung erlaubt einer einzelnen Stromquelle,
Spannung von alternierender Polarität an eine Last zu liefern.
Dies reduziert die Kosten und die Komplexität der Schaltung. Diese Schaltung erlaubt
es auch, den Betrag von an die Last angelegtem Strom anstelle des
Betrags der Spannung zu steuern. Die Schaltung dieser Erfindung
liefert auch Strom in der Form einer Rechteckwelle, was die an die
Last angelegte mittlere Spannung und Strom durch Minimieren der
Differenz zwischen Spitzen- und Mittelwerten für Spannung und Strom maximiert.
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Die
Schaltung dieser Erfindung enthält
eine H-Brücke.
H-Brücken
sind in Anwendungen mit fester Amplitude üblich, um die Polarität einer
Spannung durch eine Last umzukehren. Eine H-Brücke besitzt zwei Sätze von
Schaltern, die mit Anschlüssen
verbunden sind, die die Last mit der Schaltung verbinden. Die Sätze von
Schaltern werden abwechselnd geöffnet
und geschlossen, um den Stromfluss nach der Last umzukehren. Wenn
ein erster und ein zweiter Schalter des ersten Satzes von Schaltern
geschlossen werden, fließt
Strom in einer ersten Richtung über
die H-Brücke
und durch die Last. Wenn ein dritter und ein vierter Schalter des
zweiten Satzes von Schalters geschlossen werden, fließt Strom über die
H-Brücke
und durch die Last in einer zweiten Richtung, die entgegengesetzt
zu der ersten Richtung ist.
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Um
die Amplitude des an die Last angelegten Stromes zu justieren, ist
die H-Brücke
mit einer Stromquelle verbunden, die die Amplitude des an die H-Brücke angelegten
und an die Last gelieferten Stromes justieren kann.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist eine Schaltung, die Wechselstrom an einen
Treiber eines Coriolis-Durchflussmessers liefert, wobei der Coriolis-Durchflussmesser
ein Flussrohr, mit dem Flussrohr verbundene Abnehmer und den mit
dem Flussrohr verbundenen Treiber enthält, wobei die Schaltung umfasst:
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- eine Stromquelle, die eingerichtet ist, eine Amplitude des
Wechselstromes zu steuern;
- einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, die zwischen
den Treiber und die Stromquelle geschaltet sind, und
- einen dritten Schalter und einen vierten Schalter, die zwischen
den Treiber und die Stromquelle geschaltet sind,
- wobei die Schaltung gekennzeichnet ist durch:
- eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist; ein Rückkopplungssignal
zu empfangen, das wenigstens einem Abnehmersignal von den Abnehmern
entspricht, den ersten Schalter und den zweiten Schalter basierend
auf dem Rückkopplungssignal
zu steuern, um den Wechselstrom mit einer ersten Polarität bereitzustellen,
und den dritten Schalter und den vierten Schalter basierend auf
dem Rückkopplungssignal
zu steuern, um den Wechselstrom mit einer zweiten Polarität bereitzustellen.
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Die
Steuerschaltung umfasst vorzugsweise weiter einen Komparator, der
eingerichtet ist, das Rückkopplungssignal
zu empfangen und entgegengesetzte Signale an den ersten Schalter,
den zweiten Schalter, den dritten Schalter und den vierten Schalter
anzulegen, um den Wechselstrom bereitzustellen.
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Vorzugsweise
umfasst der Komparator einen Null-Komparator.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren des Lieferns eines
Wechselstromes an einen Treiber eines Coriolis-Durchflussmessers,
der eine Schaltung verwendet, die aus einem ersten Schalter und
einem zweiten Schalter, die zwischen den Treiber und eine Stromquelle
geschaltet sind, und einem dritten Schalter und einem vierten Schalter
besteht, die zwischen den Treiber und die Stromquelle geschaltet
sind, wobei der Coriolis-Durchflussmesser ein Flussrohr, mit dem
Flussrohr verbundene Abnehmer und den mit dem Flussrohr verbundenen
Treiber enthält,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
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- Steuern einer Amplitude des Wechselstromes unter Verwendung
der Stromquelle;
- Steuern des ersten Schalters und des zweiten Schalters, um den
Wechselstrom mit einer ersten Polarität bereitzustellen, und
- Steuern des dritten Schalters und des vierten Schalters, um
den Wechselstrom mit einer zweiten Polarität bereitzustellen,
- wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet
ist:
- Empfangen eines Rückkopplungssignals,
das wenigstens einem Abnehmersignal von den Abnehmern entspricht;
- Steuern des ersten Schalters und des zweiten Schalters basierend
auf dem Rückkopplungssignal,
um den Wechselstrom mit der ersten Polarität bereitzustellen, und
- Steuern des dritten Schalters und des vierten Schalters basierend
auf dem Rückkopplungssignal,
um den Wechselstrom mit der zweiten Polarität bereitzustellen.
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Vorzugsweise
umfasst das Anlegen von entgegengesetzten Signalen an den ersten
Schalter, den zweiten Schalter, den dritten Schalter und den vierten
Schalter, um den Wechselstrom bereitzustellen, die Verwendung eines
Komparators.
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Vorzugsweise
umfasst der Komparator einen Null-Komparator.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
obigen und andere Merkmale dieser Erfindung sind aus der ausführlichen
Beschreibung und den folgenden Zeichnungen zu ersehen:
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1 veranschaulicht einen
Coriolis-Durchflussmesser mit einer Treiberschaltung, die eine erfindungsgemäße Schaltung
enthält.
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2 veranschaulicht eine Schaltung
des Standes der Technik zum Liefern einer geregelten Rechteckwelle
an eine Last.
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3 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Schaltung
zum Liefern einer geregelten Rechteckwelle an eine Last.
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Ausführliche
Beschreibung
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Diese
Erfindung betrifft das Liefern einer geregelten Wechsel-Rechteckwelle
von einer Stromquelle an eine Last. 1 veranschaulicht
einen Coriolis-Durchflussmesser mit einer Treiberschaltung, die
erfindungsgemäß arbeitende
Schaltkreise beinhaltet. Der Coriolis-Durchflussmesser 100 enthält eine
Durchflussmesseranordnung 110 und Messelektronik 150.
Die Messelektronik 150 ist über Leitungen 120 mit
der Durchflussmesseranordnung 110 verbunden, um z.B., aber
nicht ausschließlich,
Dichte-, Massenflussraten-, Volumenflussraten- und Gesamtmassenflussraten-Information über einen
Pfad 175 bereitzustellen. Eine Coriolis-Durchflussmesserstruktur
wird beschrieben, obwohl für
die Fachleute ersichtlich sein sollte, dass die vorliegende Erfindung in
Verbindung mit jeder Vorrichtung mit Lasten, die Ströme von Wechselspannung
benötigen,
praktiziert werden könnte.
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Eine
Coriolis-Durchflussmesserstruktur wird beschrieben, obwohl für die Fachleute
ersicht lich sein sollte, dass die vorliegende Erfindung in Verbindung
mit jeder Vorrichtung, die einen vibrierenden Kanal hat, um Eigenschaften
von Material, das durch den Kanal fließt, zu messen, praktiziert
werden könnte.
Ein zweites Beispiel einer solchen Vorrichtung ist ein Vibrationsrohr-Densitometer,
das nicht über
die von Coriolis-Massendurchflussmessern bereitgestellte zusätzliche
Messfähigkeit
verfügt.
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Die
Messanordnung 110 enthält
zwei Flansche 101 und 101', einen Verteiler 102 und
Kanäle 103A und 103B.
Ein Treiber 104, Abnehmersensoren 105 und 105' und ein Temperatursensor 107 sind
mit den Kanälen 103A und 103B verbunden.
Klemmblöcke 106 und 106' dienen dazu,
die Achsen W und W' zu
definieren, um die jeder Kanal schwingt.
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Wenn
der Coriolis-Durchflussmeser 100 in ein Rohrleitungssystem
(nicht gezeigt) eingefügt wird,
das das zu messende Prozessmaterial befördert, tritt das Material durch
den Flansch 101 in die Messanordnung 110 ein und
läuft durch
den Verteiler 102, wo das Material so geführt wird,
dass es in die Kanäle 103A und 103B gelangt.
Das Material fließt dann
durch die Kanäle 103A und 103B und
zurück
in den Verteiler 102, von wo es die Messanordnung 110 durch
den Flansch 101' verlässt.
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Die
Kanäle 103A und 103B sind
so ausgewählt
und an dem Verteiler 102 geeignet so befestigt, dass sie
im Wesentlichen die gleiche Massenverteilung, Trägheitsmomente und Elastizitätsmoduli
um die Biegeachsen W-W bzw W'-W' haben. Die Kanäle 103A und 103B erstrecken
sich von dem Verteiler in einer im Wesentlichen parallelen Weise
nach außen.
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Die
Kanäle 103A und 103B werden
durch den Treiber 104 in entgegengesetzten Richtungen um
ihre jeweiligen Biegeachsen W und W' angetrieben, was als der erste Außerphase-Biegemodus
des Flussmessers bezeichnet wird. Der Treiber 104 kann eine
von vielen bekannten Anordnungen umfassen, z.B. einen an dem Kanal 103A angebrachten
Magneten und eine gegenüberliegende,
an dem Kanal 103B angebrachte Spule, durch die ein Wechselstrom
geleitet wird, um beide Kanäle
zum Vibrieren zu bringen. Ein geeignetes Antriebssignal wird von
der Messelektronik 150 an den Treiber 104 über den
Pfad 112 angelegt.
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Die
Abnehmersensoren 105 und 105' sind an wenigstens einem der Kanäle 103A und 103B an gegenüberliegenden
Enden des Kanals befestigt, um die Schwingung der Kanäle zu messen.
Wenn die Kanäle 103A–103B vibrieren,
erzeugen die Abnehmersensoren 105–105' ein erstes und ein zweites Abnehmersignal.
Das erste und zweite Abnehmersignal werden an Pfade 111 und 111' angelegt. Das Treibergeschwindigkeitssignal
wird an Pfad 112 angelegt.
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Der
Temperatursensor 107 ist an wenigstens einem Kanal 103A und/oder 103B befestigt.
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Der
Temperatursensor 107 misst die Temperatur des Kanals, um
Gleichungen für
die Temperatur des Systems zu modifizieren. Der Pfad 111'' befördert Temperatursignale von
dem Temperatursensor 107 zu der Messelektronik 150.
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Die
Messelektronik 150 empfängt
das erste und zweite Abnehmersignal, die auf Pfaden 111 bzw. 111' erscheinen.
Die Messelektronik 150 verarbeitet das erste und zweite
Geschwindigkeitssignal, um die Massenflussrate, Dichte oder andere
Eigenschaften des durch die Durchflussmesseranordnung 110 fließenden Materials
zu berechnen. Diese berechnete Information wird von der Messelektronik 150 über den
Pfad 175 an eine Verwendungseinrichtung (nicht gezeigt)
angelegt.
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Den
Fachleuten in der Technik ist bekannt, dass der Coriolis-Durchflussmesser 100 einem
Vibrationsrohr-Densitometer im Aufbau recht ähnlich ist. Vibrationsrohr-Densitometer
benutzen ebenfalls ein vibrierendes Rohr, durch das Flüssigkeit
fließt,
oder in dem im Fall eines Probentyp-Densitometers Flüssigkeit
gehalten wird. Vibrationsrohr-Densitometer verwenden ebenfalls ein
Treibersystem, das den Kanal zum Vibrieren erregt. Vibrationsrohr-Densitometer
verwenden typischerweise nur ein einziges Rückkopplungssignal, da eine
Dichtemessung nur das Messen der Frequenz erfordert und eine Phasenmessung
nicht nötig
ist. Die Beschreibungen der vorliegenden Erfindung gelten hier gleichermaßen für Vibrationsrohr-Densitometer.
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In
dem Coriolis-Durchflussmesser 100 ist die Messelektronik 150 physikalisch
in 2 Komponenten, ein Hostsystem 170 und einen Signalaufbereiter 160, geteilt.
In der herkömmlichen
Messelektronik sind diese Komponenten in einer Einheit untergebracht.
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Der
Signalaufbereiter 160 enthält eine Treiberschaltung 163 und
eine Sensor-Signalaufbereitungsschaltung 161. Ein Fachmann
wird erkennen, dass in Wirklichkeit die Treiberschaltung 163 und
die Sensor-Signalaufbereitungsschaltung 161 getrennte Analogschaltungen
sein können
oder getrennte Funktionen sein können,
die von einem digitalen Signalprozessor oder anderen digitalen Komponenten bereitgestellt
werden. Die Treiberschaltung 163 erzeugt ein Treibsignal
und legt einen Wechselstrom-Antriebsstrom über den Pfad 112 von
Pfad 120 an den Treiber 104 an. Die Schaltung
der vorliegenden Erfindung kann in der Treiberschaltung 163 enthalten
sein, um einen Wechselstrom an den Treiber 104 zu liefern.
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In
Wirklichkeit besteht der Pfad 112 aus einer ersten und
zweiten Leitung. Die Antriebsschal tung 163 ist über einen
Pfad 162 mit der Sensor-Signalaufbereitungsschaltung 261 verbunden.
Der Pfad 162 erlaubt der Antriebsschaltung, die ankommenden
Abnehmersignale zu überwachen,
um das Antriebssignal zu justieren. Strom zum Betreiben der Antriebsschaltung 163 und
der Abnehmer-Signalaufbereitungsschaltung 161 wird vom
Hostsystem 170 über
eine erste Leitung 173 und eine zweite Leitung 174 geliefert.
Die erste und zweite Leitung 173 bzw. 174 können ein
Teil eines herkömmlichen
2-adrigen, 4-adrigen oder ein Teil eines vielpaarigen Kabels sein.
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Die
Sensor-Signalaufbereitungsschaltung 161 empfängt Eingangssignale
von dem ersten Abnehmer 105, dem zweiten Abnehmer 105' und dem Temperatursensor 107 über Pfade 111, 111' und 111''. Die Abnehmerschaltung 161 bestimmt
die Frequenz der Abnehmersignale und kann auch Eigenschaften eines
durch die Kanäle 103A–130B fließenden Materials
bestimmen. Nachdem die Frequenz der Eingangssignale von den Abnehmersensoren 105 und 105' und Eigenschaften
des Materials bestimmt sind, werden Parametersignale, die diese
Information befördern,
erzeugt und über
Pfad 176 an eine Sekundär-Verarbeitungseinheit 171 in
dem Hostsystem 170 gesendet. In einer bevorzugten Ausführung umfasst
der Pfad 176 zwei Leitungen. Ein Fachmann wird jedoch erkennen,
dass der Pfad 176 über
die erste Leitung 173 und die zweite Leitung 174 oder über jede
Zahl von Leitungen geführt
werden kann.
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Das
Hostsystem 170 enthält
eine Stromversorgung 172 und ein Verarbeitungssystem 171.
Die Stromversorgung 172 empfängt Elektrizität von einer Quelle
und wandelt die empfangene Elektrizität in den richtigen Strom um,
der von dem System benötigt
wird. Das Verarbeitungssystem 171 empfängt die Parametersignale von
der Abnehmer-Signalaufbereitungsschaltung 161 und kann
dann Prozesse durchführen,
die erforderlich sind, um die von einem Benutzer benötigten Eigenschaften
des durch die Kanäle 103A und 103B fließenden Materials
bereitzustellen. Solche Eigenschaften können Dichte, Massenflussrate
und volumetrische Flussrate, ohne darauf beschränkt zu sein, umfassen.
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2 veranschaulicht eine frühere Implementierung
der Treiberschaltung 163, die ein System des Standes der
Technik zum Anlegen eines Wechselstromes an eine Last, die der Treiber 104 ist,
enthält.
Ein Vervielfacher 204 empfängt ein Sinussignal von den
Sensoren 105–105' (1) über den Pfad 162.
Der Vervielfacher justiert die Treibamplitude. Das justierte Signal
von dem Vervielfacher 204 wird an einen Verstärker 201 angelegt.
Der Verstärker 201 verstärkt das
Sinussignal auf einen geeigneten Pegel, um den Treiber 104 (1) zum Schwingen zu bringen.
Eine Versorgungsspannung wird von einem Strombegrenzer 202 oder 203 an
den Verstärker 201 angelegt.
Die Strombegrenzer 202 und 203 versi chern gegen übermäßig niedrige
Impedanz in der Last, z.B. Treiber 104.
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Die
Polarität
der angelegten Spannung wird periodisch in Bezug aus Erde umgekehrt,
die mit dem Treiber 104 verbunden ist. Die Polaritätsumkehr
erlaubt dem Treiber 104, während beider Hälften jedes Schwingungszyklusses
Kraft auf die Flussrohre 103A und 103B auszuüben. Die
Umkehr der Spannungspolarität
erfordert zwei getrennte Versorgungsschienen Vcc und Vee. Die Versorgungsschienen Vcc
und Vee weisen entgegengesetzte Spannungspolaritäten auf.
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Die
Verwendung von getrennten Versorgungsschienen erhöht die Komplexität der Schaltung und
den Stromverbrauch. Der Stromverbrauch wird erhöht, weil einfache Verstärker 201,
die typischerweise in der Treiberschaltung 163 benutzt
werden, einen Ausgang treiben, der nahe bei, aber nicht gleich einer
Versorgungsschiene ist. Dies erfordert zusätzliches Spannungs-Overhead, um dem
Treiber 104 eine bestimmte Spannung zu liefern.
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Ein
zweites Problem ist, dass die Ausgangsspannung der Treiberschaltung 163 geregelt
wird. Die Umwandlung von elektrischer Energie in kinetische Energie
im Treiber 104 hängt
jedoch nach dem Gesetz von Faraday von Strom ab. Obwohl angelegte
Spannung in angelegtem Strom resultiert, ist die Beziehung zwischen
angelegter Spannung und angelegter Kraft indirekt und von anderen
Faktoren abhängig.
Zum Beispiel beeinflussen die Induktivität der Spule und die Bewegung
der Kanäle 103A und 103B die
angelegte Kraft. Es ist daher erwünscht, den Strom anstelle der
Spannung zu regeln.
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Ein
anderes Problem bei der in 2 gezeigten
Treiberschaltung 163 ist die Fähigkeit, die an den Treiber 104 gelieferte
Leistung zu maximieren, während
sie durch Eigensicherheits-Standards
eingeschränkt
wird. Eigensicherheits-Standards werden von verschiedenen Regulierungsbehörden festgelegt,
um sicherzustellen, dass Funken oder Hitze von einer Schaltung flüchtiges
Material in der Umgebung nicht entzünden. Eigensicherheits-Standards
erlegen der maximalen Momentanspannung und -Strom, die an eine Last,
z.B. Treiber 104, geliefert werden können, Grenzen auf. Die an die
Kanäle 103A und 103B angelegte
Kraft hängt
jedoch vom Mittelwert des angelegten Stromes ab. Die maximale Effizienz
wird daher durch Minimieren der Differenz zwischen mittleren Strompegeln
und einem Spitzenstrompegel erzielt. Da der Treiber 104 (1) sinusförmigen Strom benutzt,
ist die erzeugte elektromagnetische Kraft ebenfalls sinusförmig. Das
Produkt aus sinusförmigem
Strom und der erzeugten elektromechanischen Kraft ist ebenfalls
sinusförmig
und ist die brauchbare Leistung des Systems. Da ein Rechteckwellenstrom multipliziert
mit einer Sinusspannung mehr mittlere Leistung erzeugt als das Produkt
von zwei Sinuswellen, wird ein Rechteckwellenstrom niedrigere Stromspitzenwerte
für die
gleiche mittlere Leistung erlauben.
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3 zeigt eine Treiberschaltung 163,
die einen konstanten Rechteckwellen-Wechselstrom unter Verwendung
einer einzigen Stromversorgung bereitstellt. Bei der Treiberschaltung 163 ist
eine einzige Stromquelle 333 vorhanden. Die Polarität der an
eine Last, z.B. Treiber 104 (1),
angelegten Spannung wird durch zwei Sätze von Schaltern in einer
H-Brückenschaltung 350 bestimmt.
Wenn ein erster Satz von Schaltern, der die Schalter 301 und 302 umfasst, geschlossen
ist, fließt
Strom in einer ersten Richtung in den Treiber 104. Wenn
der erste Satz von Schaltern offen ist und ein zweiter Satz von
Schaltern, der die Schalter 303 und 304 umfasst,
geschlossen ist, wird Spannung in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung
an den Treiber 104 angelegt.
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Wenn
die Schalter 301–302 geschlossen und
die Schalter 303–304 offen
sind, fließt
Strom in der folgenden Weise durch den Treiber 104. Die
Versorgungsschiene Vcc liefert Strom über den Pfad 318 an
den geschlossenen Schalter 301. Strom fließt durch
den Schalter 301 zum Pfad 315 und und Pfad 315 zum
Treiber 104. Der Strom fließt dann durch den Treiber und
kehrt über
Pfad 316 zurück.
Der Strom fließt
durch den geschlossenen Schalter 302 und über Pfad 317 zu
der Stromquelle 333. Die Stromquelle 333 ist mit
Ente verbunden.
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Wenn
die Schalter 303–304 geschlossen und
die Schalter 302–301 offen
sind, fließt
Strom in der folgenden Weise in den Treiber 104. Die Versorgungsschiene
Vcc liefert Strom über
Pfad 318 an den Schalter 303. Strom fließt durch
den Schalter 303 und wird über Pfad 316 an den
Treiber 104 angelegt. Der Strom kehrt über Pfad 315 zurück und fließt durch
den geschlossenen Schalter 304 zum Pfand 317.
Dies ist eine Richtung, die entgegengesetzt zu dem durch die Schalter 301 und 302 bereitgestellten Pfad
ist. Die Steuerschaltung 320 öffnet und schließt die Schalter 301–304,
um die Polarität
der an den Treiber 104 angelegten Spannung zu ändern. Die Steuerschaltung 320 empfängt über den
Pfad 162 ein Rückkopplungssignal.
Von dem Rückkopplungssignal ändert die
Steuerschaltung 320 die Richtung des Flusses. In einer
bevorzugten Ausführung
umfasst die Steuerschaltung einen Null-Komparator. Der Null-Komparator
umfasst eine Verzögerung 321 und einen
Inverter 322, die das Rückkopplungssignal 162 empfangen
und abwechselnd entgegengesetzte Signale an die Schalter 301–304 anlegen,
um die Schalter zu öffnen
und zu schließen.
Die Verzögerung 321 legt
Signale über
Pfade 312 und 313 an die Schalter 301 und 302 an.
Der Inverter 322 legt Signale über Pfade 310 und 311 an
die Schalter 303 und 304 an.
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Die
Schalter 301–304 sind
für eine
konstante Impedanz eingerichtet, da dynamisches Ändern der Impedanz von Schaltern
schwierig ist. Die Amplitude wird in wohl bekannter und herkömmlicher
Weise in der Stromquelle 333 geregelt, die ein Amplitudensignal über den
Pfad 331 empfängt.
Dies arbeitet, weil die H-Brücke 350 praktisch
ein Teil der mit der Stromquelle verbundenen Last ist. Da die Schalter 301–304 entweder
vollständig
geöffnet
oder vollständig
geschlossen werden, erscheint der Ausgang als eine Rechteckwellenform.