EP2205946A1 - Device and method for signal processing of voltage signals of electrodes of a magnetically induction flowmeter - Google Patents

Device and method for signal processing of voltage signals of electrodes of a magnetically induction flowmeter

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EP2205946A1
EP2205946A1 EP08846924A EP08846924A EP2205946A1 EP 2205946 A1 EP2205946 A1 EP 2205946A1 EP 08846924 A EP08846924 A EP 08846924A EP 08846924 A EP08846924 A EP 08846924A EP 2205946 A1 EP2205946 A1 EP 2205946A1
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EP
European Patent Office
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voltage
amplifier
converter
signal
output
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08846924A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Bier
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Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP2205946A1 publication Critical patent/EP2205946A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/58—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters
    • G01F1/60—Circuits therefor

Definitions

  • the present invention relates to a signal processing circuit for voltage signals from electrodes of a magnetic inductive flowmeter.
  • Electromagnetic flowmeters make use of the principle of electrodynamic induction for volumetric flow measurement.
  • Charge carriers of the medium moved perpendicular to a magnetic field induce a measurement voltage in substantially perpendicular to the flow direction of the medium and perpendicular to the direction of the magnetic field arranged measuring electrodes.
  • the measuring voltage induced in the measuring electrodes is proportional to the flow velocity of the medium, averaged over the cross section of the measuring tube, ie proportional to the volume flow. If the density of the medium is known, the mass flow in the pipeline or in the measuring tube can be determined.
  • the measuring voltage is usually tapped via a pair of measuring electrodes, which is arranged with respect to the coordinate along the measuring tube axis in the region of maximum magnetic field strength and where consequently the maximum measuring voltage is to be expected.
  • the measuring electrodes are usually galvanically coupled to the medium.
  • magnetically inductive flowmeters with capacitively coupling measuring electrodes have also become known.
  • the magnetic field is usually reversed periodically, so that successive measuring voltages with opposite signs occur at the measuring electrodes.
  • a magneto-inductive flowmeter may also have measuring medium monitoring electrodes for detecting partially filled or empty measuring tubes and / or reference or grounding electrodes for the electrical reference potential between the measuring device and the measuring medium.
  • the voltage signals of the electrodes of a magneto-inductive flowmeter are called a differentially operating amplifier, called differential amplifier for short.
  • differential amplifier This amplifies the difference of the two voltage signals of the electrodes with a gain G.
  • the output of the differential amplifier is additionally raised by an amplifier-related offset signal and is a downstream analog to digital converter, hereinafter referred to as A / D converter, fed.
  • the voltages refer to a certain, fixed reference potential, such as ground or a reference electrode of the electromagnetic flowmeter, with which both differential amplifier and A / D converter work.
  • DE19716151C1 describes the production of a reference potential.
  • the differential amplifier is connected to a reference electrode or a measuring electrode.
  • the useful signals of the two electrodes in comparison to superimposed interference signals which e.g. Common-mode signals are, are very small
  • the useful signals are conventionally in the range of a few microvolts, while the noise can reach up to a few V, either a high quality of the A / D converter, in particular with respect to its noise and / or its resolution, necessary in order to be able to process the useful signals as well as possible, or a suppression or filtering of the interference signals and subsequent amplification of the remaining useful signals.
  • High resolution A / D converters are comparatively expensive components.
  • a suppression or filtering out of a common-mode signal is indicated by suppression of low-frequency components in the differential signal.
  • a preamplifier is a high-pass, but its practical implementation leads to an asymmetry between the signal paths.
  • a resistor network is described. By suppressing the low-frequency components in the differential signal using the high-pass filter, a high gain is then possible.
  • the amplified signals are then fed to a differential input A / D converter.
  • the object of the invention is a simple and inexpensive signal processing circuit of a magneto-inductive Suggest flow meter, which has a large ratio between useful signals and noise.
  • the object is achieved in that a signal processing circuit for voltage signals of electrodes of a magneto-inductive flowmeter is proposed, wherein in each case two measuring electrodes are connected to a fully differential amplifier, which amplifier has two inputs and two outputs. In this case, no suppression or filtering of the low-frequency interference signals is required and thus do not arise the problems of the asymmetry of the signal paths described in the prior art.
  • Such an amplifier has both differential inputs and differential outputs or an inverting and a non-inverting input and an inverting and a non-inverting output. It is therefore a "fully differential amplifier" known in English, which expression can be translated into German as a fully differential amplifier or full differential amplifier two outputs with antiphase amplified difference of the input signals and nominally equal amplitude. At the output of a differential amplifier is only the amplified by a gain G difference of the input signals.
  • the essential idea of the invention is to increase the signal amplitude through the use of a fully differential amplifier to increase the signal-to-noise ratio. Instead of a fixed reference voltage and a differential voltage between two measuring electrodes, the full differential amplifier outputs a respective voltage signal in phase and one in opposite phase to the differential voltage. As a result, a double-ended useful signal can be fed to a downstream A / D converter.
  • the device According to an advantageous embodiment of the device according to the invention it is proposed that at a first output of the fully differential amplifier one with a gain + G amplified difference of the two voltage signals of the measuring electrodes is applied and that at a second output of the fully differential amplifier one with a gain factor -G increased difference of the two voltage signals of the measuring electrodes is applied.
  • the two outputs provide signals of nominally equal amplitude, but in antiphase, that is, inverted signals.
  • Input signals is formed, is in opposite phase. Since no high pass is realized with this circuit, ie low-frequency components are retained, interfering signals significantly limit the amplification factor, ie. The gain can not be increased arbitrarily. The symmetry and thus the common-mode rejection on the other hand is very good. The signal-to-noise ratio of a thus only slightly amplified differential signal is increased by the fact that twice the signal amplitude is generated in the full differential amplifier and is applied to a downstream A / D converter. The inherent noise of the A / D converter is thus less significant. Thus, that is, by the fully differential control of the A / D converter, the problem of asymmetry described in the prior art does not occur.
  • the high demands on the downstream A / D converter are hereby lower.
  • a cheaper A / D converter can be used in comparison with the prior art, which leads to a similar performance of the circuit, or a standard A / D converter is used, which leads to an increase in performance.
  • a further advantageous embodiment of the device according to the invention suggests that applied to the outputs of the amplifier unipolar signals, ie raised by a voltage u OffSet - If the input signals in the full differential amplifier bipolar, ie they move, for example, between -2.5V and + 2.5V, they must be raised to a unipolar range, eg OV ... 5V, as a downstream A / D Converter usually has a unipolar input area. This makes according to the invention the fully differential amplifier with two inputs and two outputs and an offset input.
  • the amplifier outputs are connected to a downstream A / D converter with differential inputs.
  • the double signal amplitude is further processed.
  • an amplifier-related offset is filtered out. Equal parts of the amplifier offset subtract out. Due to the larger signal amplitude, the noise generated by the A / D converter is less significant as a disturbance.
  • a further advantageous embodiment of the device according to the invention is that the amplifier connected downstream of the A / D converter is an integrated A / D converter.
  • the amplifier connected downstream of the A / D converter is an integrated A / D converter.
  • a further advantageous embodiment of the invention Device provides that the amplifier connected downstream of the A / D converter has at least a resolution of 16 bits. Particularly advantageous is a higher resolution, for example, 24 bits.
  • the invention further consists in a
  • Method for processing voltage signals from electrodes of a magneto-inductive flowmeter wherein a voltage signal U 1 of a first measuring electrode of a magneto-inductive flowmeter is applied to a first input of a fully differential amplifier and that to a second input of the fully differential amplifier, a voltage signal U 2 of a second Measuring electrode of a magnetic inductive flowmeter is applied and at a first output of the fully differential amplifier amplified with a gain + G differential voltage U 1 -U 2 of the input voltage signals is output and at a second output of the fully differential amplifier amplified with a gain -G differential voltage U 1 -U 2 of the input voltage signals is output. Both outputs can be raised by a voltage u Offset .
  • Fig. 1 is a representation of a signal processing circuit, as in the prior art, without a suppression or filtering the low-frequency interference signals.
  • FIG. 2 shows an illustration of temporal voltage curves associated with FIG. 1, FIG.
  • Fig. 3 is an illustration of an inventive
  • FIG. 4 shows a representation of temporal voltage profiles associated with FIG.
  • Fig. 1 shows a signal processing circuit as in the prior art.
  • Fig. 2 shows the associated voltage waveforms of the measuring electrode voltages and the A / D converter input voltage.
  • a magneto-inductive measuring device is shown schematically. It consists of two opposite field coils 2, which are attached to a measuring tube 1 and generate a magnetic field. Two opposing measuring electrodes 3 and 4 are connected to two inputs of a differential amplifier 5. The measuring electrode voltage signals U 1 and U 2 are based on ground or on the potential of a reference electrode 6.
  • the measuring electrode voltages U 1 and U 2 sit down in turn from interference voltages u A , u B and useful signals u a , u b together. u a and u b are out of phase for symmetry reasons.
  • u OffSet indicates an amplifier offset voltage .
  • the time profiles of the voltages are caused by the periodic reversal of the magnetic field. If the magnetic field is positively polarized, one measuring voltage of one measuring electrode becomes positive and the other negative. Negatively poled magnetic field, the voltages behave reversed.
  • the useful signals are in the range of a few microvolts, while the interference voltages can reach a few volts.
  • the output signal is fed to a first input of an A / D converter 8, at whose second input the signal of the reference electrode is applied.
  • the time profile of the signal to be digitized is again shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a signal processing circuit according to the invention and FIG. 4 shows the associated voltage waveforms of the measuring electrode voltages and the A / D converter input voltage.
  • FIG. 4 shows the associated voltage waveforms of the measuring electrode voltages and the A / D converter input voltage.
  • the opposing measuring electrodes 3 and 4 are connected to the inputs of a differential amplifier 7.
  • the amplifier 7, in contrast, is a fully differential amplifier with two outputs.
  • the measuring electrode voltages U 1 and U 2 are equally composed of interference voltages u A , u B and useful signals u a , u b .
  • u OffSet indicates an amplifier offset voltage .
  • the output signals of the amplifier are supplied to the differential inputs of an A / D converter 8.
  • the voltages are in turn related to the reference electrode 6.
  • the time profile of the signal to be digitized is again shown in FIG. It has twice the signal amplitude.

Abstract

A signal processing circuit for voltage signals of electrodes of a magnetically inductive flowmeter, each two measuring electrodes being connected to an amplifier which operates with full differentiation, said amplifier having two inputs and two outputs.

Description

Beschreibung description
Vorrichtung und Verfahren zur Signalverarbeitung von Spannungssignalen von Elektroden eines magnetisch induktiven DurchflussmessgerätsApparatus and method for signal processing of voltage signals from electrodes of a magnetic inductive flowmeter
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungsschaltung für Spannungssignale von Elektroden eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts.The present invention relates to a signal processing circuit for voltage signals from electrodes of a magnetic inductive flowmeter.
[0002] Magnetisch induktive Durchflussmessgeräte nutzen für die volumetrische Strömungsmessung das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus. Senkrecht zu einem Magnetfeld bewegte Ladungsträger des Mediums induzieren in im Wesentlichen senkrecht zur Durchflussrichtung des Mediums und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes angeordneten Messelektroden eine Messspannung. Die in die Messelektroden induzierte Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, also proportional zum Volumenstrom. Ist die Dichte des Mediums bekannt, lässt sich der Massestrom in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr bestimmen. Die Messspannung wird üblicherweise über ein Messelektrodenpaar abgegriffen, das bezüglich der Koordinate entlang der Messrohrachse in dem Bereich maximaler Magnetfeldstärke angeordnet ist und wo folglich die maximale Messspannung zu erwarten ist. Die Messelektroden sind üblicherweise galvanisch mit dem Medium gekoppelt. Es sind jedoch auch magnetisch induktive Durchflussmessgeräte mit kapazitiv koppelnden Messelektroden bekannt geworden. Das Magnetfeld wird meist periodisch umgepolt, so dass an den Messelektroden aufeinanderfolgende Messspannungen mit umgekehrten Vorzeichen entstehen. Neben den Messelektroden kann ein magnetisch induktives Durchflussmessgerät noch Messstoffüberwachungselektroden zur Erkennung teilgefüllter oder leerer Messrohre und/oder Bezugs- bzw. Erdungselektroden für das elektrische Referenzpotential zwischen Messgerät und Messstoff aufweisen.Electromagnetic flowmeters make use of the principle of electrodynamic induction for volumetric flow measurement. Charge carriers of the medium moved perpendicular to a magnetic field induce a measurement voltage in substantially perpendicular to the flow direction of the medium and perpendicular to the direction of the magnetic field arranged measuring electrodes. The measuring voltage induced in the measuring electrodes is proportional to the flow velocity of the medium, averaged over the cross section of the measuring tube, ie proportional to the volume flow. If the density of the medium is known, the mass flow in the pipeline or in the measuring tube can be determined. The measuring voltage is usually tapped via a pair of measuring electrodes, which is arranged with respect to the coordinate along the measuring tube axis in the region of maximum magnetic field strength and where consequently the maximum measuring voltage is to be expected. The measuring electrodes are usually galvanically coupled to the medium. However, magnetically inductive flowmeters with capacitively coupling measuring electrodes have also become known. The magnetic field is usually reversed periodically, so that successive measuring voltages with opposite signs occur at the measuring electrodes. In addition to the measuring electrodes, a magneto-inductive flowmeter may also have measuring medium monitoring electrodes for detecting partially filled or empty measuring tubes and / or reference or grounding electrodes for the electrical reference potential between the measuring device and the measuring medium.
[0003] Üblicherweise werden die Spannungssignale der Elektroden eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts einem differentiell arbeitendem Verstärker, kurz Differenzverstärker genannt, zugeführt. Dieser verstärkt die Differenz der beiden Spannungssignale der Elektroden mit einem Verstärkungsfaktor G. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers ist zusätzlich noch um ein verstärkerbezogenes Offsetsignal angehoben und wird einem nachgeschalteten Analog Digital Wandler, im Folgenden kurz A/D-Wandler genannt, zugeleitet. Die Spannungen beziehen sich dabei auf ein bestimmtes, festes Bezugspotential, wie z.B. Masse oder eine Referenzelektrode des magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts, mit welchem sowohl Differenzverstärker als auch A/D-Wandler arbeiten.Usually, the voltage signals of the electrodes of a magneto-inductive flowmeter are called a differentially operating amplifier, called differential amplifier for short. This amplifies the difference of the two voltage signals of the electrodes with a gain G. The output of the differential amplifier is additionally raised by an amplifier-related offset signal and is a downstream analog to digital converter, hereinafter referred to as A / D converter, fed. The voltages refer to a certain, fixed reference potential, such as ground or a reference electrode of the electromagnetic flowmeter, with which both differential amplifier and A / D converter work.
[0004] Die DE19716151C1 beschreibt die Herstellung eines Bezugspotentials. Der Differenzverstärker wird dazu mit einer Bezugselektrode oder einer Messelektrode verbunden.DE19716151C1 describes the production of a reference potential. The differential amplifier is connected to a reference electrode or a measuring electrode.
[0005] Da die Nutzsignale der beiden Elektroden im Vergleich zu überlagerten Störsignalen, welche z.B. Gleichtaktsignale sind, sehr klein sind, die Nutzsignale liegen herkömmlicherweise im Bereich von wenigen μV, während die Störsignale bis zu wenigen V erreichen können, ist entweder eine hohe Güte des A/D-Wandlers, insbesondere bezüglich seines Rauschens und/oder seiner Auflösung, nötig, um die Nutzsignale möglichst gut weiterverarbeiten zu können, oder eine Unterdrückung bzw. Ausfilterung der Störsignale und anschließende Verstärkung der verbleibenden Nutzsignale. A/D-Wandler mit hoher Auflösung sind vergleichsweise teuere Bauteile.Since the useful signals of the two electrodes in comparison to superimposed interference signals, which e.g. Common-mode signals are, are very small, the useful signals are conventionally in the range of a few microvolts, while the noise can reach up to a few V, either a high quality of the A / D converter, in particular with respect to its noise and / or its resolution, necessary in order to be able to process the useful signals as well as possible, or a suppression or filtering of the interference signals and subsequent amplification of the remaining useful signals. High resolution A / D converters are comparatively expensive components.
[0006] In der DE19906004A1 wird eine Unterdrückung bzw. Herausfilterung eines Gleichtaktsignals durch eine Unterdrückung niederfrequenter Anteile im Differenzsignal angegeben. Dazu stellt ein Vorverstärker einen Hochpass dar, dessen praktische Realisierung aber zu einer Unsymmetrie zwischen den Signalpfaden führt. Zur Minderung dieses Problems wird ein Widerstandsnetzwerk beschrieben. Durch die Unterdrückung der niederfrequenten Anteile im Differenzsignal mit Hilfe des Hochpasses ist danach eine hohe Verstärkung möglich. Die verstärkten Signale werden anschließend einem A/D-Wandler mit differentiellen Eingängen zugeführt.In DE19906004A1, a suppression or filtering out of a common-mode signal is indicated by suppression of low-frequency components in the differential signal. For this purpose, a preamplifier is a high-pass, but its practical implementation leads to an asymmetry between the signal paths. To alleviate this problem, a resistor network is described. By suppressing the low-frequency components in the differential signal using the high-pass filter, a high gain is then possible. The amplified signals are then fed to a differential input A / D converter.
[0007] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache und kostengünstige Signalverarbeitungsschaltung eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts vorzuschlagen, welche ein großes Verhältnis zwischen Nutzsignalen und Störsignalen aufweist.The object of the invention is a simple and inexpensive signal processing circuit of a magneto-inductive Suggest flow meter, which has a large ratio between useful signals and noise.
[0008] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Signalverarbeitungsschaltung für Spannungssignale von Elektroden eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts vorgeschlagen wird, wobei jeweils zwei Messelektroden mit einem volldifferentiell arbeitenden Verstärker verbunden sind, welcher Verstärker zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweist. Dabei wird keine Unterdrückung bzw. Ausfilterung der niederfrequenten Störsignale benötigt und somit entstehen auch nicht die im Stand der Technik beschriebenen Probleme der Unsymmetrie der Signalpfade.The object is achieved in that a signal processing circuit for voltage signals of electrodes of a magneto-inductive flowmeter is proposed, wherein in each case two measuring electrodes are connected to a fully differential amplifier, which amplifier has two inputs and two outputs. In this case, no suppression or filtering of the low-frequency interference signals is required and thus do not arise the problems of the asymmetry of the signal paths described in the prior art.
[0009] Ein solcher Verstärker weist sowohl differentielle Eingänge als auch differentielle Ausgänge auf bzw. einen invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang und einen invertierenden und einen nicht invertierenden Ausgang. Es handelt sich somit um einen, im Englischen bekannten „fully differential amplifier", welcher Ausdruck in den deutschen Sprachraum als volldifferentieller Verstärker oder Volldifferenzverstärker übersetzt werden kann. Im Gegensatz zu einem differentiellen Verstärker oder Differenzverstärker, englisch „differential amplifier", verfügt ein Volldifferenzverstärker über zwei Ausgänge mit gegenphasig verstärkter Differenz der Eingangssignale und nominell gleicher Amplitude. Am Ausgang eines Differenzverstärkers liegt lediglich die mit einem Verstärkungsfaktor G verstärkte Differenz der Eingangssignale an.Such an amplifier has both differential inputs and differential outputs or an inverting and a non-inverting input and an inverting and a non-inverting output. It is therefore a "fully differential amplifier" known in English, which expression can be translated into German as a fully differential amplifier or full differential amplifier two outputs with antiphase amplified difference of the input signals and nominally equal amplitude. At the output of a differential amplifier is only the amplified by a gain G difference of the input signals.
[0010] Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die Signalamplitude durch den Einsatz eines volldifferentiellen Verstärkers zu erhöhen, um den Signal/Rausch-Abstand zu erhöhen. Statt einer festen Bezugsspannung und einer Differenzspannung zwischen zwei Messelektroden wird vom Volldifferenzverstärker jeweils ein Spannungssignal in Gleichphase und eines in Gegenphase zur Differenzspannung ausgegeben. Hierdurch wird einem nachgeschalteten A/D-Wandler das doppelte Nutzsignal zuführbar.The essential idea of the invention is to increase the signal amplitude through the use of a fully differential amplifier to increase the signal-to-noise ratio. Instead of a fixed reference voltage and a differential voltage between two measuring electrodes, the full differential amplifier outputs a respective voltage signal in phase and one in opposite phase to the differential voltage. As a result, a double-ended useful signal can be fed to a downstream A / D converter.
[0011] Wie beim Einsatz eines herkömmlichen Differenzverstärkers erfolgt die Auftrennung der Gleichtakt- und Nutzsignale erst nach der Analog-Digital-Wandlung, meist per Software. So ist eine sehr gute Trennung möglich. Jedoch wird im Vergleich dazu beim Einsatz eines volldifferentiell arbeitenden Verstärkers die Nutzsignal-Amplitude verdoppelt.As with the use of a conventional differential amplifier, the separation of the common-mode and useful signals takes place only after the analog-to-digital conversion, usually by software. That's a very good one Separation possible. However, compared to using a fully differential amplifier, the useful signal amplitude is doubled.
[0012] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass an einem ersten Ausgang des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers eine mit einem Verstärkungsfaktor +G verstärkte Differenz der beiden Spannungssignale der Messelektroden anliegt und dass an einem zweiten Ausgang des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers eine mit einem Verstärkungsfaktor -G verstärkte Differenz der beiden Spannungssignale der Messelektroden anliegt. Die beiden Ausgänge liefern Signale mit nominell gleicher Amplitude, aber in Gegenphase, also invertierte Signale.According to an advantageous embodiment of the device according to the invention it is proposed that at a first output of the fully differential amplifier one with a gain + G amplified difference of the two voltage signals of the measuring electrodes is applied and that at a second output of the fully differential amplifier one with a gain factor -G increased difference of the two voltage signals of the measuring electrodes is applied. The two outputs provide signals of nominally equal amplitude, but in antiphase, that is, inverted signals.
[0013] Eine Verstärkung des Differenzsignals, welches aus denA gain of the difference signal, which from the
Eingangssignalen gebildet wird, ist gegenphasig. Da mit dieser Schaltung gerade kein Hochpass realisiert ist, also niederfrequente Anteile erhalten bleiben, beschränken Störsignale maßgeblich den Verstärkungsfaktor, d.h. die Verstärkung ist nicht beliebig vergrößerbar. Die Symmetrie und somit die Gleichtaktunterdrückung dagegen ist sehr gut. Das Signal-/Rausch-Verhältnis eines so nur wenig verstärkten Differenzsignals wird dadurch erhöht, dass die doppelte Signalamplitude im Volldifferenzverstärker erzeugt wird und an einem nachgeschalteten A/D-Wandler anliegt. Das Eigenrauschen des A/D-Wandlers fällt somit weniger ins Gewicht. Damit, also durch die volldifferentielle Ansteuerung des A/D-Wandlers, tritt auch das im Stand der Technik beschriebene Problem der Unsymmetrie nicht auf. Ebenso sind die hohen Anforderungen an den nachgeschalteten A/D-Wandler hiermit geringer. Erfindungsgemäß kann ein, im Vergleich zum Stand der Technik, billigerer A/D-Wandler Verwendung finden, was zu einer ähnlichen Leistung der Schaltung führt oder ein Standard A/D-Wandler wird eingesetzt, was zu einer Performancesteigerung führt.Input signals is formed, is in opposite phase. Since no high pass is realized with this circuit, ie low-frequency components are retained, interfering signals significantly limit the amplification factor, ie. The gain can not be increased arbitrarily. The symmetry and thus the common-mode rejection on the other hand is very good. The signal-to-noise ratio of a thus only slightly amplified differential signal is increased by the fact that twice the signal amplitude is generated in the full differential amplifier and is applied to a downstream A / D converter. The inherent noise of the A / D converter is thus less significant. Thus, that is, by the fully differential control of the A / D converter, the problem of asymmetry described in the prior art does not occur. Likewise, the high demands on the downstream A / D converter are hereby lower. According to the invention, a cheaper A / D converter can be used in comparison with the prior art, which leads to a similar performance of the circuit, or a standard A / D converter is used, which leads to an increase in performance.
[0014] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, dass an den Ausgängen des Verstärkers unipolare Signale anliegen, d.h. angehoben um eine Spannung uOffSet- [0015] Sind die Eingangssignale in den Volldifferenzverstärker bipolar, d.h. sie bewegen sich beispielsweise zwischen -2,5V und +2,5V, müssen sie auf einen unipolaren Bereich, z.B. OV...5V angehoben werden, da ein nachgeschalteter A/D-Wandler meist einen unipolaren Eingangsbereich aufweist. Dies leistet erfindungsgemäß der volldifferentiell arbeitende Verstärker mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen sowie einem Offset-Eingang.A further advantageous embodiment of the device according to the invention suggests that applied to the outputs of the amplifier unipolar signals, ie raised by a voltage u OffSet - If the input signals in the full differential amplifier bipolar, ie they move, for example, between -2.5V and + 2.5V, they must be raised to a unipolar range, eg OV ... 5V, as a downstream A / D Converter usually has a unipolar input area. This makes according to the invention the fully differential amplifier with two inputs and two outputs and an offset input.
[0016] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen[0016] According to an advantageous embodiment of the invention
Vorrichtung sind die Verstärkerausgänge mit einem nachgeschalteten A/D-Wandler mit differentiellen Eingängen verbunden.Device, the amplifier outputs are connected to a downstream A / D converter with differential inputs.
[0017] Hierdurch ist die doppelte Signalamplitude weiterverarbeitbar. Durch die Verwendung eines A/D-Wandlers mit differentiellen Eingängen wird ein verstärkerbezogener Offset herausgefiltert. Gleiche Anteile am Verstärkeroffset subtrahieren sich raus. Durch die größere Signalamplitude fällt das vom A/D-Wandler erzeugte Rauschen als Störung weniger ins Gewicht.As a result, the double signal amplitude is further processed. By using an A / D converter with differential inputs, an amplifier-related offset is filtered out. Equal parts of the amplifier offset subtract out. Due to the larger signal amplitude, the noise generated by the A / D converter is less significant as a disturbance.
[0018] Wird das Spannungssignal einer ersten Messelektrode mit U1 bezeichnet und das Spannungssignal einer zweiten Messelektrode mit U2, liegt am nichtinvertierenden Ausgang des differentiell arbeitenden Verstärkers uop =+G*(u1-u2)+uOffset. mit Uoffset einem verstärkerbezogenem Offsetsignal, an und am invertierenden Ausgang des differentiell arbeitenden Verstärkers wird das Signal uOn=-G*(u1-u2)+uOffset ausgegeben, wobei G einen Verstärkungsfaktor darstellt. Die A/D-Wandler Eingangspannung uADc=uOp -U0n beträgt nullpunktbereinigt 2*G*(ua-ub), wenn u-ι=uA+ua und u2 =uB+ub aus den Störsignalen uA, uB und den Nutzsignalen ua, ub zusammengesetzt sind.If the voltage signal of a first measuring electrode is designated U 1 and the voltage signal of a second measuring electrode is U 2 , the non-inverting output of the differentially operating amplifier is u op = + G * (u 1 -u 2 ) + u O ffset. with Uoffset an amplifier-related offset signal, at and at the inverting output of the differential amplifier, the signal u O n = -G * (u 1 -u 2 ) + u O ffset is output, where G represents a gain factor. The A / D converter input voltage u AD c = u Op -U 0n is zero point adjusted 2 * G * (u A -u b) when u-ι = u A + u a and u 2 = u B + u b of the interference signals u A , u B and the useful signals u a , u b are composed.
[0019] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass der dem Verstärker nachgeschaltete A/D-Wandler ein integrierter A/D-Wandler ist. Durch den Einsatz kommerziell erhältlicher Wandler können geringere Kosten erreicht werden, zudem haben integrierte Schaltungen einen geringeren Platzbedarf.A further advantageous embodiment of the device according to the invention is that the amplifier connected downstream of the A / D converter is an integrated A / D converter. By using commercially available converters lower costs can be achieved, in addition, integrated circuits have a smaller footprint.
[0020] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der dem Verstärker nachgeschaltete A/D-Wandler mindestens eine Auflösung von 16Bit aufweist. Besonders Vorteilhaft ist eine höhere Auflösung, beispielsweise von 24Bit.[0020] A further advantageous embodiment of the invention Device provides that the amplifier connected downstream of the A / D converter has at least a resolution of 16 bits. Particularly advantageous is a higher resolution, for example, 24 bits.
[0021] Zur Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung weiterhin in einemTo solve the problem, the invention further consists in a
Verfahren zur Verarbeitung von Spannungssignalen von Elektroden eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts, wobei an einen ersten Eingang eines volldifferentiell arbeitenden Verstärkers ein Spannungssignal U1 einer ersten Messelektrode eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts angelegt wird und dass an einen zweiten Eingang des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers ein Spannungssignal U2 einer zweiten Messelektrode eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts angelegt wird und an einem ersten Ausgang des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers eine mit einem Verstärkungsfaktor +G verstärkte Differenzspannung U1-U2 der Eingangspannungssignale ausgegeben wird und an einem zweiten Ausgang des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers eine mit einem Verstärkungsfaktor -G verstärkte Differenzspannung U1-U2 der Eingangspannungssignale ausgegeben wird. Beide Ausgänge können dabei um eine Spannung uOffset angehoben sein.Method for processing voltage signals from electrodes of a magneto-inductive flowmeter, wherein a voltage signal U 1 of a first measuring electrode of a magneto-inductive flowmeter is applied to a first input of a fully differential amplifier and that to a second input of the fully differential amplifier, a voltage signal U 2 of a second Measuring electrode of a magnetic inductive flowmeter is applied and at a first output of the fully differential amplifier amplified with a gain + G differential voltage U 1 -U 2 of the input voltage signals is output and at a second output of the fully differential amplifier amplified with a gain -G differential voltage U 1 -U 2 of the input voltage signals is output. Both outputs can be raised by a voltage u Offset .
[0022] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an einen ersten Eingang eines A/D-Wandlers mit differentiellen Eingängen ein Spannungssignal uop des ersten Ausgangs des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers angelegt und an einen zweiten Eingang des A/D-Wandlers mit differentiellen Eingängen wird ein Spannungssignal U0n des zweiten Ausgangs des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers angelegt und der A/D-Wandler mit differentiellen Eingängen wandelt ein zu wandelndes analoges Signal uADC= uOp-uOn in ein digitales Signal.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, a voltage signal u op of the first output of the fully differential amplifier is applied to a first input of an A / D converter with differential inputs and to a second input of the A / D converter with differential inputs a voltage signal U 0n of the second output of the fully differential amplifier is applied and the differential input A / D converter converts an analog signal u ADC = u Op -u On to be converted into a digital signal.
[0023] Die Erfindung und ausgewählte Ausführungsbeispiele werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden. Es zeigtThe invention and selected embodiments will be explained in more detail with reference to the following figures. For simplicity, identical parts have been given the same reference numerals in the drawings. It shows
Fig. 1 eine Darstellung einer Signalverarbeitungsschaltung, wie sie dem Stand der Technik entspricht, ohne eine Unterdrückung bzw. Ausfilterung der niederfrequenten Störsignale.Fig. 1 is a representation of a signal processing circuit, as in the prior art, without a suppression or filtering the low-frequency interference signals.
Fig. 2 eine zur Fig. 1 zugehörige Darstellung zeitlicher Spannungsverläufe,FIG. 2 shows an illustration of temporal voltage curves associated with FIG. 1, FIG.
Fig. 3 eine Darstellung einer erfindungsgemäßenFig. 3 is an illustration of an inventive
Signalverarbeitungsschaltung,Signal processing circuit,
Fig. 4 eine zur Fig. 3 zugehörige Darstellung zeitlicher Spannungsverläufe.FIG. 4 shows a representation of temporal voltage profiles associated with FIG.
[0024] Fig. 1 zeigt eine Signalverarbeitungsschaltung, wie sie dem Stand der Technik entspricht. Fig. 2 zeigt die zugehörigen Spannungsverläufe der Messelektrodenspannungen und der A/D-Wandler Eingangsspannung. Der Einfachheit halber werden beide Figuren zusammen betrachtet und erläutert. Ein magnetisch induktives Messgerät ist schematisch dargestellt. Es besteht aus zwei gegenüberliegenden Feldspulen 2, die an einem Messrohr 1 angebracht sind und ein Magnetfeld erzeugen. Zwei gegenüberliegende Messelektroden 3 und 4 sind mit zwei Eingängen eines differentiell arbeitenden Verstärkers 5 verbunden. Die Messelektrodenspannungssignale U1 und U2 sind dabei auf Masse bzw. auf das Potential einer Referenzelektrode 6 bezogen.Fig. 1 shows a signal processing circuit as in the prior art. Fig. 2 shows the associated voltage waveforms of the measuring electrode voltages and the A / D converter input voltage. For the sake of simplicity, both figures will be considered and explained together. A magneto-inductive measuring device is shown schematically. It consists of two opposite field coils 2, which are attached to a measuring tube 1 and generate a magnetic field. Two opposing measuring electrodes 3 and 4 are connected to two inputs of a differential amplifier 5. The measuring electrode voltage signals U 1 and U 2 are based on ground or on the potential of a reference electrode 6.
[0025] Der Verstärker 5 verstärkt das Differenzsignal mit dem Verstärkungsfaktor V und somit liegt am Ausgang des Verstärkers das Spannungssignal U0 =V*(u-|-U2)+uOffset an- Die Messelektrodenspannungen U1 und U2 setzen sich ihrerseits aus Störspannungen uA, uB und Nutzsignalen ua, ub zusammen. ua und ub sind aus Symmetriegründen gegenphasig. uOffSet kennzeichnet eine Verstärkeroffsetspannung. Die zeitlichen Verläufe der Spannungen sind durch die periodische Umpolung des Magnetfelds bedingt. Ist das Magnetfeld positiv gepolt, wird eine Messspannung einer Messelektrode positiv, die andere negativ. Bei negativ gepoltem Magnetfeld verhalten sich die Spannungen umgekehrt. Die Nutzsignale bewegen sich im Bereich von wenigen μV, während die Störspannungen wenige V erreichen können.The amplifier 5 amplifies the difference signal with the amplification factor V and thus lies at the output of the amplifier, the voltage signal U 0 = V * (u- | -U2) + u O ffset a n - The measuring electrode voltages U 1 and U 2 sit down in turn from interference voltages u A , u B and useful signals u a , u b together. u a and u b are out of phase for symmetry reasons. u OffSet indicates an amplifier offset voltage . The time profiles of the voltages are caused by the periodic reversal of the magnetic field. If the magnetic field is positively polarized, one measuring voltage of one measuring electrode becomes positive and the other negative. Negatively poled magnetic field, the voltages behave reversed. The useful signals are in the range of a few microvolts, while the interference voltages can reach a few volts.
[0026] Das Ausgangssignal wird einem ersten Eingang eines A/D-Wandlers 8 zugeführt, an dessen zweitem Eingang das Signal der Referenzelektrode anliegt. Der zeitliche Verlauf des zu digitalisierenden Signals ist wiederum in Fig. 2 dargestellt.The output signal is fed to a first input of an A / D converter 8, at whose second input the signal of the reference electrode is applied. The time profile of the signal to be digitized is again shown in FIG.
[0027] Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Signalverarbeitungsschaltung und Fig. 4 zeigt die zugehörigen Spannungsverläufe der Messelektrodenspannungen und der A/D-Wandler Eingangsspannung. Der Einfachheit halber werden wieder beide Figuren zusammen betrachtet und erläutert. Wie zuvor werden die gegenüberliegenden Messelektroden 3 und 4 mit den Eingängen eines differentiell arbeitenden Verstärkers 7 verbunden. Der Verstärker 7 ist im Gegensatz dazu jedoch ein volldifferentieller Verstärker mit zwei Ausgängen.FIG. 3 shows a signal processing circuit according to the invention and FIG. 4 shows the associated voltage waveforms of the measuring electrode voltages and the A / D converter input voltage. For the sake of simplicity, both figures will be considered and explained together again. As before, the opposing measuring electrodes 3 and 4 are connected to the inputs of a differential amplifier 7. The amplifier 7, in contrast, is a fully differential amplifier with two outputs.
[0028] Der Verstärker 7 verstärkt das Differenzsignal mit dem Verstärkungsfaktor G und somit liegt am ersten Ausgang des Verstärkers das Spannungssignal Uop=G*(u1-u2)+Uoffset an und am zweiten Ausgang liegt das Signal uOn=-G*(u1-u2)+uOffset an. Die Messelektrodenspannungen U1 und U2 setzen sich gleichermaßen aus Störspannungen uA, uB und Nutzsignalen ua, ub zusammen. uOffSet kennzeichnet eine Verstärkeroffsetspannung.The amplifier 7 amplifies the difference signal with the gain G and thus is at the first output of the amplifier, the voltage signal U o p = G * (u 1 -u 2 ) + U offset and at the second output the signal u On = -G * (u 1 -u 2 ) + u Offset on. The measuring electrode voltages U 1 and U 2 are equally composed of interference voltages u A , u B and useful signals u a , u b . u OffSet indicates an amplifier offset voltage .
[0029] Die Ausgangssignale des Verstärkers werden den differentiellen Eingängen eines A/D-Wandlers 8 zugeführt. Die Spannungen sind wiederum auf die Referenzelektrode 6 bezogen. Der zeitliche Verlauf des zu digitalisierenden Signals ist wiederum in Fig. 2 dargestellt. Es hat die doppelte Signalamplitude.The output signals of the amplifier are supplied to the differential inputs of an A / D converter 8. The voltages are in turn related to the reference electrode 6. The time profile of the signal to be digitized is again shown in FIG. It has twice the signal amplitude.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1. Messrohr1st measuring tube
2. Feldspulen2. Field coils
3. Erste Messelektrode3. First measuring electrode
4. Zweite Messelektrode4. Second measuring electrode
5. Differentiell arbeitender Verstärker5. Differential amplifier
6. Referenzelektrode6. Reference electrode
7. Volldifferentiell arbeitender Verstärker7. Fully differential amplifier
8. A/D-Wandler8. A / D converter
U1 Spannung der ersten Messelektrod U2 Spannung der zweiten Messelektrode ua Nutzsignal der ersten Messelektrode ub Nutzsignal der zweiten Messelektrode uA Störsignal der ersten Messelektrode uB Störsignal der zweiten Messelektrode Uoffset Störsignal des Verstärkers U 1 voltage of the first measuring electrode U 2 voltage of the second measuring electrode u a useful signal of the first measuring electrode u b useful signal of the second measuring electrode u A Interference signal of the first measuring electrode u B Interference signal of the second measuring electrode U offset Interference signal of the amplifier

Claims

Ansprüche claims
1. Signalverarbeitungsschaltung für Spannungssignale von Elektroden eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Messelektroden mit einem volldifferentiell arbeitenden Verstärker verbunden sind, welcher Verstärker zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweist.1. Signal processing circuit for voltage signals from electrodes of a magneto-inductive flowmeter, characterized in that in each case two measuring electrodes are connected to a fully differential amplifier, which amplifier has two inputs and two outputs.
2. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an einem ersten Ausgang des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers eine mit einem Verstärkungsfaktor +G verstärkte Differenz der beiden Spannungssignale der Messelektroden anliegt und dass an einem zweiten Ausgang des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers eine mit einem Verstärkungsfaktor -G verstärkte Differenz der beiden Spannungssignale der Messelektroden anliegt.2. Signal processing circuit according to claim 1, characterized in that applied to a first output of the fully differential amplifier with a gain + G amplified difference of the two voltage signals of the measuring electrodes and that at a second output of the fully differential amplifier amplified one with a gain -G Difference of the two voltage signals of the measuring electrodes is applied.
3. Signalverarbeitungsschaltung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgängen des Verstärkers unipolare Signale anliegen.3. Signal processing circuit according to claims 1 and 2, characterized in that applied to the outputs of the amplifier unipolar signals.
4. Signalverarbeitungsschaltung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerausgänge mit einem nachgeschalteten A/D-Wandler mit differentiellen Eingängen verbunden sind.4. Signal processing circuit according to claims 1 to 3, characterized in that the amplifier outputs are connected to a downstream A / D converter with differential inputs.
5. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Verstärker nachgeschaltete A/D-Wandler ein integrierter A/D-Wandler ist.5. signal processing circuit according to claim 4, characterized in that the amplifier downstream of the A / D converter is an integrated A / D converter.
6. Signalverarbeitungsschaltung nach Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Verstärker nachgeschaltete A/D-Wandler mindestens eine Auflösung von 16Bit aufweist.6. Signal processing circuit according to claims 4 and 5, characterized in that the amplifier downstream of the A / D converter has at least a resolution of 16 bits.
7. Verfahren zur Verarbeitung von Spannungssignalen von Elektroden eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts, dadurch gekennzeichnet, dass an einen ersten Eingang eines volldifferentiell arbeitenden Verstärkers ein Spannungssignal U1 einer ersten Messelektrode eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts angelegt wird und dass an einen zweiten Eingang des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers ein Spannungssignal U2 einer zweiten Messelektrode eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts angelegt wird und an einem ersten Ausgang des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers eine mit einem Verstärkungsfaktor +G verstärkte Differenzspannung U1-U2 der Eingangspannungssignale ausgegeben wird und an einem zweiten Ausgang des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers eine mit einem Verstärkungsfaktor -G verstärkte Differenzspannung U1-U2 der Eingangspannungssignale ausgegeben wird. 7. A method for processing voltage signals from electrodes of a magnetic inductive flowmeter, characterized in that a voltage signal U 1 of a first measuring electrode of a magneto-inductive flowmeter is applied to a first input of a fully differential amplifier and that a voltage signal U 2 of a second measuring electrode of a magneto-inductive flowmeter is applied to a second input of the fully differential amplifier and to a first output of the fully differential amplifier amplified by a gain factor + G amplified differential voltage U 1 -U 2 of the input voltage signals is output and at a second output of the fully differential amplifier amplified by a gain -G differential voltage U 1 -U 2 of the input voltage signals is output.
8. Verfahren zur Verarbeitung von Spannungssignalen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an einen ersten Eingang eines A/D-Wandlers mit differentiellen Eingängen ein Spannungssignal uop des ersten Ausgangs des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers angelegt wird und dass an einen zweiten Eingang des A/D-Wandlers mit differentiellen Eingängen ein Spannungssignal U0n des zweiten Ausgangs des volldifferentiell arbeitenden Verstärkers angelegt wird und der A/D-Wandler mit differentiellen Eingängen ein zu wandelndes analoges Signal uADC= uOp-uOn in ein digitales Signal wandelt. 8. A method for processing voltage signals according to claim 6, characterized in that a voltage input u op of the first output of the fully differential amplifier is applied to a first input of a differential input type A / D converter and that to a second input of the A / D converter. D-converter with differential inputs, a voltage signal U 0n of the second output of the fully differential amplifier is applied and the A / D converter with differential inputs converts an analog signal to be converted u ADC = u Op -u On into a digital signal.
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