SE448401B - Forfarande och anordning for kompensation av storlikspenningar i elektrodkretsen vid magnetisk-induktiv genomstromningsmetning - Google Patents

Description

448 401 för observationen av genomströmningen.

På liknande sätt sker vid ett genom DE-AS 24 10 407 känt förfarande en kompensation av ändringar med tiden av störlik- spänningarna genom bildande av en kompensationsspänning, vilken motriktat överlagras signalspänningen. Vid detta kända för- farande omkopplas magnetfältet fram och tillbaka mellan tvâ olika värden, av vilka det ena värdet kan vara noll. I detta fall ligger i varje delperiod, i vilken magnetfältet har det mindre värdet (respektive värdet noll), två mmqxwsathmstidsnfixm- vall, nämligen vid början och vid slutet av delperioden, och mellan dessa båda kompensationstidsintervall ligger ett av- känningstidsintervall, i vilket endast den sedan den senaste kompensationen uppträdande störlikspänningsändringen avkänns och lagras. I den andra delperioden sker däremot ingen kompensa- tion, utan endast en avkänning och lagring av den kompenserade signalspänningen, vilken är lika med summan av nyttosignalen och störlikspänningsändringen. Detta förfarande uppvisar en asymetri i tiden, och de lagrade avkänningsvärdena, vars differens bildas, har olika storleksordningar.

Uppfinningen syftar till erbjudande av ett förfarande för kompensation av störlikspänningar vid magnetisk-induktiv genomströmningsmätning, vilket förfarande möjliggör största möjliga utnyttjande av den till förfogande stående tiden för observation av genomströmningen och erbjuder en i förhållande till effektinsatsen stor nyttosignal, varvid de lagrade avkän- ningsvärden som underkastas differensbildningen är av samma storleksordning.

Enligt uppfinningen uppnås detta därigenom, att varje kompensationstidsintervall ligger inom det mot det inkopplade magnetfältet svarande tidsintervallet, i vilket även före- gående avkänningstidsintervall ligger.

Vid förfarandet enligt uppfinningen sker på helt regel- bundet sätt i varje mot det ena resp. det andra värdet av magnetfältet svarande delperiod först en avkänning och lagring av den kompenserade signalspänningen och därefter en kompensa- tion av signalspänningen till värdet noll. Sålunda innehåller kompensationsspänningen även nyttosignalen i kompensationstid- - 448 401 punkten. Eftersom denna kompensationsspänning i avkännings- intervallet i den följande delperioden förblir överlagrad på den då rådande signalspänningen, avkännes i varje avkännings- tidsintervall i och för bildande av de lagrade avkännings- värdena en spänning, som innehåller summan av nyttosignalen i ett kompensationstidsintervall och i det därpå följande av- känningstidsintervallet. På detta sätt utnyttjas även kompen- sationstidsintervallet för utvinning av mätvärdessignalen och för observation av genomströmningen. Därvid är de lagrade avkänningsvärdena, vars differens bildas, av samma storleks- ordning. Detta förfarande är särskilt lämpligt när magnetfäl- tet kopplas fram och tillbaka mellan två värden av motsatt polaritet, så att ej heller några magnetfältpauser går förlo- rade för observationen av genomströmningen.

En fördelaktig vidareutveckling av förfarandet enligt uppfinningen består däri, att en kortvarig momentanvärdesav- känning och -lagring av signalspänningen sker utan integra- tion vid början av varje avkänningstidsintervall och att den avkända signalspänningen endast i den återstående delen av avkänningstidsintervallet pålägges ett integrerande lagrings- element.

Genom denna vidareutveckling förkortas reaktionstiden väsentligt, så att även mycket snabba genomströmningsändringar omedelbart kan detekteras och indikeras. I En särskild fördel vid förfarandet enligt uppfinningen består däri, att genom typen av signalbildning även inverkan av en på nyttosignalen överlagrad störväxelspänning kan elimineras, utan att en definierad relation mellan avkännings- tidsintervallets varaktighet och perioden av störväxelspän- ningen behöver föreligga.

En föredragen anordning för utförande av denna vidareut- veckling av förfarandet för den induktiva genomströmningsmät- ningen av en i en rörledning flytande, elektriskt ledande vätska, med en magnetfältalstrare, vilken alstrar ett rörled- ningen vinkelrätt mot strömningsriktningen genomträngande, periodiskt polomkastat magnetfält, två i rörledningen anordna- de elektroder, vilka är förbundna med ingångarna av en mätför- 498 401 stärkare, avkännings- och lagringskopplingar, vilka är anslutna till mätförstärkarens utgång och styrs av en styranordning på sådant sätt, att de vid lika induktionsvärden med motsatt förtecken avkänner mätförstärkarens utgångsspänning och lagrar avkänningsvärdena fram till nästa avkänning, en koppling för bildande av skillnaden mellan de lagrade avkänningsvärdena, med en i en reglerkrets mellan mätförstärkarens ingång och ut- gång anordnad lagrande reglerkoppling, vilken i varje kompen- sationstidsintervall är förbunden med mätförstärkarens utgång, bildar ett mätförstärkarens utgångsspänning till värdet nolf reglerande kompensationsspänningsvärde och upprätthåller detta kompensationsspänningsvärde fram till nästa kompensationstids- intervall, är i enlighet med uppfinningen kännetecknad av att varje avkännings- och lagringskoppling innehåller ett inte- grerande RC-element, på vilket signalspänningen anlägges över en under varaktigheten av det tillordnade avkänningstidsinter- vallet sluten omkopplare, och att motståndet i varje RC-element är parallellkopplat med en omkopplare, som vid början av varje tillordnat avkänningstidsintervall kortvarigt slutes.

Ytterligare särdrag och fördelar hos uppfinningen framgår av nedanstående beskrivning av ett utföringsexempel under hän- visning till ritningen. Pâ ritningen visar fig. l ett blockschema av en anordning för genomförande av förfarandet, 4 fig. 2 tidsdiagram av signaler, vilka uppträder vid olika punkter i anordningen enligt fig. 1, fig. 3 ytterligare tidsdiagram av signaler för att för- klara funktionssättet för anordningen enligt fig. 1 och 4, fig. 4 en modifierad utföringsform av anordningen enligt fig. l, fig. 5 tidsdiagram för att förklara funktionssättet för anordningen enligt fig. 4 vid förekomst av en störväxelspän- ning, och fig. 6 tidsdiagram för att förklara en tillkommande modifiering av förfarandet enligt uppfinningen.

Fig. l visar schematiskt ett inuti isolerat rör 1, genom vilket en elektriskt ledande vätska strömmar vinkelrätt 448 401 s _ . mot ritningsplanet. En magnetfältspole 2, som av symmetriskäl är uppdelad i tvâ identiska, på båda sidor om röret l anord- nade halvor, alstrar i röret ett vinkelrätt mot röraxeln riktat magnetfält H. I det inre av röret l är två elektroder 3 och 4 anordnade, på vilka en inducerad spänning kan uttagas, vilken är proportionell mot medelgenomströmningshastigheten för den elektriskt ledande vätskan genom magnetfältet. En spolstyranordning 5 styr den genom magnetfältspolen 2 flytande strömmen i beroende av en styrsignal, som avges av utgången_ 6a av en styrkoppling 6 och pålägges styringången Sa.

Elektroderna 3 och 4 är förbundna med de båda ingångar- na av en differensförstärkare 7. Differensförstärkaren 7 har en liten förstärkning, så att den även vid stora störspän- ningar (i typfallet 1 l V) kan överstyras.

Differensförstärkarens 7 utgång är förbunden med en ingång av en summeringskoppling 8, till vars utgång ingången av en förstärkare 9 med förstärkningsfaktorn v är ansluten.

Till förstärkarens 9 utgång är två avkännings- och lag- ! ringskopplingar 10 och ll parallellt anslutna. För enkelhets skull antyds att avkännings- och lagringskopplingen 10 inne- håller en omkopplare Sl, som manövreras genom en från utgången 6b av styrkopplingen 6 avgiven styrsignal. När omkopplaren Sl är sluten förbinder den en i serie med ett motstånd Rl liggan- de lagringskondensator Cl med förstärkarens 9 utgång, så att lagringskondensatorn Cl uppladdas till en spänning, som beror av förstärkarens 9 utgångsspänning. Kopplingselementen Rl, Cl bildar tillsammans ett integreringselement, som integrerar förstärkarens 9 utgångsspänning under omkopplarens Sl till- slutningstid. När omkopplaren Sl öppnas står det i kondensa- torn Cl lagrade avkänningsvärdet till förfogande på utgången av avkännings- och lagringskopplingen 10 fram till stäng- ningen av omkopplaren Sl. För att förhindra att kondensatorn Cl kan urladdas efter omkopplarens S1 öppnande, kan på kon- ventionellt sätt en impedansomvandlare vara kopplad efter avkännings- och lagringskopplingens 10 utgång. Denna är för enkelhets skull ej visad på ritningen.

På samma sätt innehåller avkännings- och lagringskopp- 448 401 lingen ll en omkopplare S2, som stängs genom en från utgången 6c av styrkopplingen 6 avgiven styrsignal, samt en lagrings- kondensator C2, som tillsammans med ett motstånd R2 bildar ett integreringselement, som integrerar utgångsspänningen från förstärkaren 9 under omkopplarens S2 tillslutningstid. Den efter öppnande av omkopplaren S2 uppnådda laddningsspänningen på kondensatorn C2 står till förfogande på utgången av avkän- nings- och lagringskopplingen ll fram till nästa stängning av omkopplaren S2. Efter nämnda utgång kan ävenledes en icke visad impedansomvandlare vara kopplad.

De båda avkännings- och lagringskopplingarnas 10, ll utgångar är förbundna med de båda ingångarna av en subtrahe- ringskoppling 12, vilken på utgången 13 avger en signal Ua, som motsvarar skillnaden mellan de i avkännings- och lagrings- kopplingarna 10, ll lagrade avkänningsvärdena. Utgångssignalen Ua bildar mätvärdessignalen, vilken är ett mått på medelgenom- strömningshastigheten i röret 1.

Till utgången av förstärkaren 9 är dessutom den inver- terande ingången av en operationsförstärkare 14 ansluten, vars icke inverterande ingång, som tjänar såsom referensingång, är lagd på jord. Till operationsförstärkarens 14 utgång är en tillkommande avkännings- och lagringskoppling l5 ansluten, vilken innehåller en omkopplare S3, en lagringskondensator C3 och ett motstånd R3. Omkopplaren S3 manövreras genom en från utgången 6d av styrkopplingen 6 avgiven styrsignal. Avkän- nings- och lagringskopplingens 15 utgång är förbunden med den andra ingången av summeringskopplingen 8.

Diagrammen A, B, C, D, E, F, G i fig. 2 visar tidsför- loppet av signaler, vilka uppkommer vid de med samma bokstäver betecknade kopplingspunkterna i fig. l.

I fig. 2 är varaktigheten TM av en fullständig mätcykel, som är lika med en period av det av spolen 2 alstrade magne- tiska växelfältet, uppdelad i sex lika tidsavsnitt I, II, III, IV, V, VI, vilka börjar vid tidpunkterna to, tl, t2, t3, t4, ts. Tidsavsnittet VI slutar vid tidpunkten t6, som samman- faller med begynnelsetidpunkten tä för nästa mätcykel. På motsvarande sätt är tidsavsnitten för denna följande mätcykel 448 401 betecknade med I', II', III', IV', V', VI' och motsvarande ändtidpunkter betecknade med tl', t2', t3', t4', t5', t6'.

Diagrammen A, B, C, D visar de av styrkopplingen 6 av- givna styrsignalerna, vilka antingen antager signalvärdet 1 eller signalvärdet 0. Vid de på omkopplarna Sl, S2, S3 anlagda styrsignalerna B, C, D betyder signalvärdet l stängning av Omkopplaren, dvs avkännningsfasen, och signalvärdet 0 öpp- nande av omkopplaren, dvs hållfasen.

Den spolstyrkopplingen 5 tillförda styrsignalen A har under tidsavsnitten I, II, III signalvärdet l och under tids- avsnitten IV, V, VI signalvärdet 0. Spolstyrkopplingen 5 är så utbildad, att den vid signalvärdet l av styrsignalen sänder en likström med konstant amplitud i en riktning genom magnet- fältspolen 2 och vid signalvärdet 0 av styrsignalen sänder en likström med samma amplitud, men i motsatt riktning genom magnetfältspolen 2. Spolstyrkopplingen 5 innehåller en ström- regulator, som vid varje polaritet reglerar strömmen till samma konstanta värde +Im resp. -Im. Förloppet för den genom magnetfältspolen 2 flytande strömmen visas i diagram E. På grund av magnetfältspolens induktivitet uppnår strömmen efter varje omkoppling det konstanta värdet Im för motsatt polari- tet endast med en viss fördröjning. I diagrammet E antages att vid den vid tidpunkten to utlösta omkopplingen från negativt till positivt värde det reglerade positiva värdet +Im uppnås inom tidsavsnittet I, så att strömvärdet +Im föreligger under hela varaktigheten för tidsavsnitten II och III.

På motsvarande sätt uppnås vid den vid tidpunkten t3 utlösta omkopplingen från positivt till negativt värde det konstanta värdet -Im inom tidsavsnittet IV, så att strömvär- det -Im föreligger under hela varaktigheten för tidsavsnitten V och VI. _ Magnetfältet H uppvisar samma tidsförlopp som strömmen I.

Omkopplaren S1 i avkännings- och lagringskopplingen 10 slutes genom styrsignalen B i varje mätcykel under varaktig- heten för tidsavsnittet II. Avkännings- och lagringskopp- lingen 10 avkänner sålunda förstärkarens 9 utgångsspänning i den andra tredjedelen av den positiva delperioden av magnet- 4fi8 401 fältet H och lagrar det över detta tidsavsnitt integrerade avkänningsvärdet.

Omkopplaren S2 i avkännings- och lagringskopplingen ll slutes genom styrsignalen C i varje mätcykel under varaktig- heten för tidsavsnittet V, så att avkännings- och lagrings- kopplingen ll avkänner förstärkarens 9 utgångssignal i den andra tredjedelen av den negativa delperioden av magnetfältet H och lagrar det över detta tidsavsnitt integrerade avkän- ningsvärdet.

Avkännings- och lagringskopplingens 15 omkopplare S3 “ slutes genom styrsignalen D i varje mätcykel under varaktig- heten för tidsavsnitten III och VI, dvs omedelbart i anslut- ning till de genom slutningen av omkopplarna Sl och S2 be- stämda avkänningstidsintervallen. När omkopplaren S3 är sluten föreligger en sluten reglerkrets från förstärkarens 9 utgång över operationsförstärkaren 14, avkännings- och lagringskopp- lingen 15 och summeringskopplingen 8 fram till förstärkarens 9 ingång. Denna reglerkrets bringar spänningen på operationsför- stärkarens 14 inverterande ingång, dvs förstärkarens 9 utgångs- spänning, till den på den icke inverterande ingången anliggan- de referenspotentialen, dvs jordpotentialen. Utgången av av- kännings- och lagringskopplingen 15 antar sålunda i varje genom slutning av omkopplaren S3 bestämt kompensationstids- intervall, dvs i varje tidsavsnitt III och VI i varje mätcykel, en kompensationsspänning Uk, vilken är lika med men motriktad den på den andra ingången av summeringskopplingen 8 samtidigt påliggande, av utgången av differensförstärkaren 7 avgivna signalspänningen Uf, så att summeringskopplingens 8 utgångs- spänning och därmed även förstärkarens 9 utgångsspänning bringas till 0. Efter öppnande av omkopplaren S3, dvs i hållfasen för avkännings- och lagringskopplingen 15 kvarstår kompensationsspänningen Uk på avkännings- och lagringskopp- lingens 15 utgång, och denna lagrade kompensationsspänning Uk adderas kontinuerligt i summeringskopplingen 8 till den aktuel- la anliggande signalspänningen Uf.

Diagram F visar tidsförloppet för signalspänningen U f på differensförstärkarens 7 utgång. Den innehåller en mätspän- 448 401 s ningsdel UM, som beror av genomströmningshastigheten i röret 1 och magnetfältets H fältstyrka. Mätspänningen UM är överlagrad på en störlikspänning US, vilken i synnerhet härrör från olika elektro~kemiska jämviktspotentialer. Störlikspänningen Us är ej konstant i tiden, utan växer och kan under mätningsförloppet uppnå värden, som kan uppgå till tusen gånger mätspänningen UM.

För förenkling av illustrationen och beskrivningen antages i diagrammet F att störlikspänningen US vid tidpunkten to har värdet US/to och stiger linjärt. Den i varje tidsavsnitt upp: nådda tillväxten av störlikspänningen betecknas med AUS.

Signalspänningen Uf har sålunda exempelvis vid tidpunk- ten t värdet: 2 Uf/tz = Us/tz I UM/tz och vid tidpunkten ts värdet: Uf/ts = Us/ts ' UM/ts Kompensationsspänningen Uk har i varje kompensationstidsinter- vall, dvs i tidsavsnitten III och VI i varje mätcykel, samma belopp som signalspänningen Uf, men motsatt förtecken, och den behåller det värde som den uppnått vid slutet av varje kompensationstidsintervall, dvs vid tidpunkterna t ochtö, 3 ända fram till början av nästa kompensationstidsintervall.

Diagram G visar spänningen Ug på summeringskopplingens 8 utgång: Ug = Uf + Uk.

Förstärkarens 9 utgångsspänning skiljer sig från spän- ningen Ug endast genom förstärkningsfaktorn v. Den har sålunda samma tidsförlopp, men värdet v-Ug.

På grund av ovan skildrade kompensationsverkan av regler- slingan har spänningen Ug värdet noll i tidsavsnittet III. Vid tidpunkten t3 har kompensationsspänningen Uk uppnått följande värde: ='-(U +U Uk/ts = 'Uf/ts s/ta M/ts) Vid tidpunkten t3 sker ompolningen av magnetfältet, så att mätspänningen U M snabbt övergår till det mot det negativa 448 401 10 . magnetfältet svarande värdet. Däremot påverkas ej störlikspän- ningen US av ompolningen av magnetfältet. Det vid tidpunkten t3 uppnådda värdet US/t3 för störspänningen kompenseras under tidsavsnitten IV och V till noll genom den i den lagrade kompensationsspänningen Uk ingående störspänningsdelen -US/t3.

I summeringskopplingens 8 utgångsspänning Ug uppträder nu den lagrade mätspänningsdelen -UM/t3 av kompensationsspänningen, vilken numera har samma förtecken som mätspänningsdelen -UM i signalspänningen Uf och adderas till denna. Denna summaspän- ning överlagrar sig på den icke kompenserade delen av stör- ' spänningen, dvs en störspänningsdel, som vid tidpunkten ta har värdet noll och från detta värde stiger linjärt i positiv riktning.

Sålunda har spänningen Ug vid tidpunkten ts följande värde: Üg/ts = Uf/tS + Uk/t3 (Us/ts _ UM/ts) " (Üs/1-.3 + UM/ts) (Us/ts ' Us/ts) " (UM/ts J' UM/ts) Termen (Us/ts - US/t3) svarar mot tillväxten av stör- likspänningen under tidsavsnitten IV och V och har sålunda vid den ovan antagna linjära stigningen värdet 2 ABS.

Termen (UM/t3 + UM/ts) är summan av mätspänningarna vid tidpunkterna t3 och t5. Utgångsspänningen v-Ug från förstärka- ren 9, vilken i tidsavsnittet V avkännes av avkännings- och lagringskopplingen ll i och för utvinning av det integrerade avkänningsvärdet Ull, innehåller sålunda summan av två mät- spänningsvärden, av vilka det ena mätspänningsvärdet utvunnits och lagrats i avkännings- och lagringskopplingen 15 i tids- avsnittet III under den föregående positiva delperioden av magnetfältet H, medan det andra mätspänningsvärdet ingår i signalspänningen Uf i tidsavsnittet V i den löpande negativa delperioden av magnetfältet.

Om det antages att genomströmningshastigheten i röret l förblir konstant under varaktigheten för mätcykeln är de båda mätspänningsvärdena UM/t3 och UM/ts lika stora, så att man ll kan sätta: UM/ts UM/ts = UM' Då gäller för spänningen Ug vid tidpunkten t5: Ug/ts = 2AUS - 2 UM I tidsavsnittet 6 bringas spänningen Ug åter till noll. Vid tidpunkteniäshar kompensationsspänningen Uk antagit följande värde: -(U Uk/ts = "Uf/ts = s/te " Elm/te)- För spänningenügvid tidpunkten t2' gäller då: Ug/tz' = Uf/tz' + Uk/te = Us/tz' * UM/tz' " (Us/te ' UM/ts) +(U M/te J' U (Us/tz' ' Üs/te) M/tr) Motsvarande förstärkta utgångsspänning från förstärkaren 9 avkänns i tidsavsnittet II' genom avkännings- och lagrings- kopplingen 10 i och för utvinning av det integrerade avkän- ningsvärdet Ulo. Den innehåller åter två mätspänningsvärden, nämligen det i tidsavsnittet VI i föregående mätcykel i avkän- nings- och lagringskopplingen 15 utvunna och lagrade värdet och det i tidsavsnittet II' i signalspänningen Uf ingående värdet.

Under de ovan antagna villkoren gäller åter: Ug/tz, = ZAUS + 2 UM Om man nu i och för förenkling sätter de i avkännings- och lagringskopplingarna l0 och ll lagrade integrerade avkännings- värdena Ulo och Ull lika med de ovan betraktade ögonblicks- värdena efter förstärkning i förstärkaren9,gå kan man skriva; U lo v (zAUS + 2 UM) II U v(2AUS-2UM) ll Efter differensbildning i subtraheringskopplingen 12 448 401 12 erhåller man utgångsspänningen: Ua = Ulo - Ull = v (2 AUS + 2 UM) - v (2 AUS - 2 UM) Ua = v - 4 UM I utgångsspänningen Ua är sålunda förutom den absoluta stör- likspänningen även störspänningsdriften fullkomligt eliminerad om denna antages vara linjär. Nyttosignalen motsvarar det fyr- faldiga värdet av mätspänningen. ~_ Vidare bör noteras att de i utgångssignalen ingående F mätspänningarna erhållits genom integration i de fyra tidsav- snitten III, V, VI och II'. Detta motsvarar en signalobserva- tion under två tredjedelar av tiden, dvs praktiskt taget hela den tid under vilken magnetfältet kan betraktas såsom konstant.

Endast de genom ompolningen betingade tiderna av magnetfält- ändringen är uteslutna från signalobservationen.

Vidare bör noteras att den absoluta störlikspänningen hålles borta från förstärkaren 9, vilken förutom mätspänningen endast behöver bearbeta de förhållandevis små störspänningsänd- ringarna mellan kompensationstidsintervallen. Förstärkaren 9 kan sålunda utbildas med stor förstärkningsfaktor utan risk för överstyrning.

Den ovan skildrade fördelaktiga funktionen beror på att varje kompensationstidsintervall fullständigt ligger inom den tidsperiod i vilken magnetfältet är inkopplat och har sitt konstanta värde och i vilken även det föregående avkännings- tidsintervallet ligger. Som följd av denna åtgärd innehåller den lagrade kompensationsspänningen förutom den störlikspän- ning som skall kompenseras även en mätspänningsdel, vilken i nästa avkänningstidsintervall kan medanvändas för utvinning av nyttosignalen. En fördel med detta förfarande består däri, att inga magnetfältpauser, i vilka magnetfältet är noll, används för kompensationen. Förfarandet är därför synnerligen lämpligt i förbindelse med en enkel ompolning av magnetfältet mellan tvâ motsatta värden. Förfarandet är emellertid ej inskränkt till detta fall. Det kan utan vidare även användas när magnetfältpauser föreligger av andra skäl. 448 401 13 _ * Den ovan beskrivna uppdelningen av varje halvperiod i tre lika stora tidsavsnitt, av vilka ett bildar avkänningstids- intervallet och ett tillkommande bildar kompensationstidsinter- vallet, är naturligtvis även att betrakta såsom ett exempel.

I beroende av tidsförloppet för magnetfältet kan även en annan uppdelning företagas. Det är ej heller nödvändigt att avkän- ningstidsintervallet och kompensationstidsintervallet utan lucka ansluter sig till varandra. I regel strävar man dock efter att så fullständigt som möjligt utnyttja den till föfš fogande stående tiden, i vilken magnetfältet har sitt konstanta värde, för signalobservation.

Som framgår av ovanstående beskrivning sluts omkopplaren S1 alltid i tidsavsnittet II i varje mätcykel, i vilket avsnitt strömmen i magnetfältspolen 2 har det konstanta positiva vär- det +Im. Om det antages att störlikspänningen ej ändrar sig och att även genomströmningshastigheten förblir konstant, så har även spänningen Ug i varje tidsavsnitt II samma konstanta värde. Avkännings- och lagringskopplingen 10 påverkas av detta som om en konstant likspänning låg på ingången 10, vilken lik- spänning skulle avkännas av stängningen av omkopplaren Sl. När genomströmningshastigheten ändrar sig yttrar sig detta i av- kännings- och lagringskopplingen l0 som en ändring med tiden av den skenbart på ingången anliggande likspänningen.

Samma sak gäller för avkännings- och lagringskopplingen ll, med den skillnaden att den skenbart anliggande och i tids- avsnittet V i varje mätcykel genom stängning av omkopplaren S2 avkända likspänningen har ett annat värde.

I fig. 3 visas hur detta sakförhållande inverkar på bild- ningen av de lagrade avkänningsvärdena i avkännings- och lag- ringskopplingen 10 vid snabba genomströmningsändringar.

Diagram V i fig. 3 visar genomströmningshastigheten V i röret l. Det fall visas, i vilket strömningen plötsligt inkopplas vid tidpunkten to, så att genomströmningshastighe- ten V mycket snabbt från värdet noll når ett konstant värde V0.

Diagram G i fig. 3 visar för de fyra första, på tid- punkten to följande mätcyklerna TMI, TM2, TM3, TM4 i motsvarig- 448 401 14 het till diagram G i fig. 2 utgångsspänningen v-Ug från för- stärkaren 9, vilken även är ingångsspänningen till avkännings- och lagringskopplingen 10. Endast de positiva spänningspulserna visas, eftersom endast dessa utvärderas av avkännings- och lagringskopplingen 10. Vidare visas spänningen v.Ug för det förenklade fallet att störlikspänningen ej ändrar sig och att genomströmningshastigheten i röret l förblir konstant efter uppnâende av värdet V0. De positiva spänningspulserna av spän- ningen v-Ug uppnår sålunda i de på varandra följande mätcykler- na alltid samma amplitudvärde v~Ug0, vilket motsvarar genom- strömningshastigheten V0 och är konstant i varje mätcykel under hela varaktigheten för avkänningstidsavsnittet II.

I de före tidpunkten to liggande mätcyklerna hade däremot spänningen v.U§ hela tiden värdet noll.

Diagram B i fig. 3 motsvarar diagram B i fig. 2. Det visar styrsignalen B, som avges av utgången 6b av styrkopp- lingen 6 och som i varje mätcykel TM sluter omkopplaren Sl under varaktigheten av tidsavsnittet II. Styrsignalen B bestäm- mer sålunda avkänningstidsintervallen i avkännings~ och lag- ringskopplingen 10.

Eftersom under varje avkänningsintervall efter tidpunk- ten to samma konstanta spänning anligger på avkännings- och lagringskopplingens 10 ingång, uppför sig denna som om dess ingångsspänning vore en konstant likspänning v-Ugo, vilken är lika med amplitudvärdet av de positiva spänningspulserna av spänningen v-Ug, såsom antyds i diagram G i fig. 3 genom en streckad linje.

Diagram H i fig. 3 visar spänningen UC på klämmorna av kondensatorn Cl i avkännings- och lagringskopplingen 10. Vid tidpunkten to har spänningen UC värdet noll. Vid den första stängningen av omkopplaren Sl i tidsavsnittet II i mätcykeln TMl stigerspänningen UC enligt tidskonstanten för RC-elementet Rl, Cl approximativt linjärt. I verkligheten sker spännings- stegringen på känt sätt enligt en exponentialfunktion.

När omkopplaren Sl vid slutet av tidsavsnittet II i mät- cykelnThlöppnas, behåller spänningen UC det senast uppnådda värdet oförändrat tills omkopplaren S1 vid början av tidsav- 15 _. snittet II i nästa mätcykel TM2 åter stängs. Då stiger spän- ningen Uc på nytt, nu dock med en något lägre stegring mot- svarande nästa avsnitt av exponentialfunktionen.

Samma förlopp upprepar sig i följande mätcykler tills slutligen spänningen UC har uppnått fulla värdet av likspän- ningsamplituden v-Ugo. I och för förenkling antages i fig. 3 att detta tillstånd redan uppnåtts i den fjärde mätcykeln TM Från och med denna tidpunkt ändrar sig inte längre kondensa- 4. torns Cl klämspänning UC om amplituden av spänningens v-Ug-= positiva puls förblir oförändrad.

Diagram J i fig. 3 visar utgångsspänningen U från av- kännings- och lagringskopplingen 10. Varje gång omkgpplaren Sl sluts uppkommer en direkt förbindelse mellan ingången och ut- gången, så att ingångsspänningen uppträder oförändrad på ut- gången. Detta följer av att motståndet R1 är anordnat i serie med kondensatorn Cl i den tvärgående grenen och ej den längs- gående grenen.

När omkopplaren Sl är öppnad anligger hela klämspänningen UC av kondensatorn Cl på avkännings- och lagringskopplingens utgång. Såsom redan nämnts är på konventionellt sätt en icke visad högohmig impedansomvandlare kopplad efter utgången av avkännings- och lagringskopplingen 10, vilken omvandlare för- hindrar att kondensatorn Cl urladdas i pauserna mellan avkän- ningstidsintervallen. Då sålunda ingen ström flyter över mot- ståndet Rl i avkänningspauserna föreligger även inget spän- ningsfall över detta motstånd, så att den i kondensatorn Cl lagrade spänningen helt uppträder på utgången och förblir oförändrad fram till nästa avkänningstidsintervall.

Samma funktionssätt erhålles även för avkännings- och lagringskopplingen ll vid de negativa spänningspulserna av spänningen v-Ug.

Såsom visas i diagram J i fig. 3 följer utgångsspänningen i varje avkännings- och lagringskoppling en snabb ändring av genomströmningshastigheten endast med en ansenlig fördröjning, vilken sträcker sig över flera mätcykler. Motsvarande fördröj- ningar uppkommer naturligtvis även när en redan bestående genomströmningshastighet plötsligt ökar eller minskar. De 448 401 16 genom fördröjningen betingade långa stig- och falltiderna fram till uppnående av det stationära driftstillstândet är i många fall mycket oönskade eller till och med otillåtna, i synnerhet vid styr- och regleringsförlopp inom processtekniken.

I fig. 4 visas en föredragen utföringsform av anordningen enligt fig. l, vid vilken den långa stigtiden ásidosatts.

Anordningen enligt fig. 4 skiljer sig från anordningen enligt fig. l, endast därigenom, att en omkopplare S4 resp.

S5 i varje avkännings- och lagringskoppling 10, ll är -= parallellkopplad med motståndet Rl resp. R2. Omkopplaren S4- styrs genom en styrsignal K, vilken avges av styrkopplingen 6 från en tillkommande utgång 6e, och omkopplaren S5 styrs genom en styrsignal L, vilken kommer från en utgång 6f av styrkopp- lingen 6.

Vidare är motståndet R3 utelämnat i avkännings- och lagringskopplingen 15. Övriga element i anordningen enligt fig. 4 är oföränd- rade i förhållande till anordningen enligt fig. l. De är betecknade med samma hänvisningsbeteckningar som i fig. l.

Funktionen av anordningen enligt fig. 4 beskrivs för avkännings- och lagringskopplingen 10 under hänvisning till diagrammen K, M och N i fig. 3.

Diagram K i fig. 3 visar styrsignalen K, som manövrerar omkopplaren S4. Den består av korta pulser, vilka börjar samtidigt med pulserna i styrsignalen B, men har en kortare varaktighet än denna. Omkopplaren S4 sluts sålunda samtidigt med omkopplaren Sl, men öppnas emellertid åter kort därefter, medan omkopplaren Sl ännu förblir sluten.

Genom slutningen av omkopplaren S4 kortslutes motstån- det Rl, så att hela ingångsspänningen anligger på kondensa- torn Cl. Avkännings- och lagringskopplingen 10 arbetar i detta tillstånd såsom ett äkta momentanvärdesminne ("sample & hold"), som avkänner och lagrar ögonblicksvärdet av en pålagd spänning.

Diagrammen M och N i fig. 3 visar hur denna åtgärd på- verkar klämspänningen UC av kondensatorn Cl och utgångsspän- ningen Ulo av avkännings- och lagringskopplingen 10 vid en 448 401 l7 . snabb genomströmningsändring. När omkopplarna Sl och S4 vid början av tidsavsnittet II i mätcykeln TM1 sluts, uppladdas kondensatorn Cl omedelbart till hela íngångsspänningen. Den behåller denna spänning efter öppnande av kondensatorn S4 om ingångsspänningen ej ändrar sig under den återstående tillslut- ningstiden för omkopplaren Sl.

Utgångsspänningen Ulo är såsom tidigare lika med ingångs- spänningen under tillslutningstiden för omkopplaren S1 och är efter öppnande av omkopplaren Sl lika med kondensatorspänningen UC. Eftersom kondensatorspänningen UC nu emellertid från och med första mätcykeln är lika med hela ingångsspänningen, kvar- står denna spänning även efter öppnande av omkopplaren Sl på utgången av avkännings- och lagringskopplingen lO. Det sta- tionära driftstillståndet inställer sig sålunda redan i den första mätcykeln efter genomströmningsändringen. Kopplingen enligt fig. 4 indikerar sålunda snabba ändringar av genom- strömningshastigheten med ringa fördröjning.

Under hänvisning till diagrammen i fig. 5 förklaras hur överlagringen av en störväxelspänning inverkar på avkänningen av mätspänningen vid anordningen enligt fig. 4. Sådana stör- växelspänningar alstras i synnerhet genom vagabonderande ström- mar, vilka härrör från det allmänna växelströmsnätet. De har sålunda nätfrekvensen, men ett godtyckligt fasläge.

Diagram P i fig. 5 visar en sådan störväxelspänning Uw under de båda första tidsavsnitten I och II i en mätcykel för två olika fall, nämligen i den vänstra halvan av diagrammet för det fall, där störväxelspänningen Uw har en fasförskjut- ning av 0° i förhållande till mätcykelns begynnelsetidpunkt to, och i den högra halvan för det fall, där fasförskjutningen uppgår till 1800. Naturligtvis är godtyckliga andra fasförskjut- ningar möjliga. Såsom exempel antages att varaktigheten för varje tidsavsnitt är lika med en period av störväxelspänningen Uw, 20 ms. dvs vid ett nät med frekvensen 50 Hz sålunda uppgår till Såsom i fig. 3 utgör diagrammet B i fig. 5 den omkoppla- ren Sl manövrerande styrsignalen och diagram K den omkopplaren S4 manövrerande styrsignalen. 448 401 18 Diagram Q visar förändringen av spänningen v-Ug på grund av överlagringen av störväxelspänningen Uw för de båda fallen, varvid åter i och för förenkling den linjära ändringen av störlikspänningen ej beaktas.

Diagram R visar ändringen av klämspänningentë pålamdaum- torn(H.under avkänningstidsintervallet, som är bestämt genom slutningstiden för omkopplaren S1 (tidsintervall II).

Vid slutningen av de båda omkopplarna S1 och S4 vid tidpunkten tl går kondensatorspänningen UC omedelbart till_3 ögonblicksvärdet av ingângsspänningen v-Ug i den första mät- cykeln både när kondensatorspänningen innan var noll och när vid stationär drift en spänning från föregående avkännings- förlopp är lagrad i kondensatorn Cl, såsom visas i fig. 5.

Under slutningstiden för omkopplaren S4 (varaktigheten för pulsen K) följer kondensatorspänningen UC fördröjnings- fritt ingàngsspänningen v-Ug. I detta tidsintervall följer en ren momentanvärdesavkänning enligt "sample & hold“-prin- cipen.

Efter öppnande av omkopplaren S4 följer däremot konden- satorspänningen UC under den återstående slutningstiden av omkopplaren Sl ingångsspänningen v-Ug endast med en genom RC- elementet Rl, Cl betingad glättning av de genom den överlag- rade störväxelspänningen förorsakade svängningarna. Amplituden av svängningarna reduceras därigenom väsentligt.

Det vid tidpunkten för öppnande av omkopplaren Sl uppnåd- da värdet av kondensatorspänningen UC lagras fram till nästa avkänningsförlopp i kondensatorn Cl och står såsom utgângsspän- ning Ulo till förfogande på utgången av avkännings- och lag- ringskopplingen 10. Denna lagrade kondensatorspänning inne- håller förutom den avkända mätspänningen en störväxelspännings- rest AUW, vilken förutom av störväxelspänningens amplitud även beror av dess fasläge med avseende på avkänningstidsinterval- let. De båda kurvorna i diagram R visar att under annars samma villkor de båda störväxelspänningsresterna AUW är olika vid de båda antagna faslägena 0 och l80°.

På grund av den genom RC-elementet åstadkomma glättningen är emellertid störväxelspänningsresten AUW även i det ogynn- 19 _ 448 401 sammaste fallet väsentligt mindre än amplituden av den över- lagrade störväxelspänningen.

Störväxelspänningsresten påverkar ej mätnoggrannheten om man sörjer för att även vid avkänningen av de negativa spän- ningspulserna i avkännings- och lagringskopplingen ll en stör- växelspänningsrest med samma storlek och samma förtecken er- hålles. Då upphäver störväxelspänningsresterna sig ömsesidigt vid differensbildningen i subtraheringskopplingen 12.

Detta villkor är uppenbarligen uppfyllt om avkänningsz tidsintervallen (tillslutningstiderna för omkopplarna S1, SÅ och omkopplarna S2, S5) i de båda avkännings- och lagrings- kopplingarna 10 och ll är lika stora, och om störväxelspän- ningen har samma fasläge med avseende på dessa avkänningstids- intervall.

Genom differensbildningen åsidosätts även störväxelspän- ningsandelar, vilka ingår i kompensationsspänningen som bildas och lagras i avkännings- och lagringskopplingen 15 (fig. l och 4) i kompensationskretsen, om man återigen sörjer för att stör- växelspänningsandelarna i de på varandra följande kompensations- tidsintervallen uppträder med samma amplitud och samma för- tecken. Detta villkor är uppfyllt om de på varandra följande kompensationstidsintervallen (slutningstiderna för omkopplaren S3) är lika stora och har samma fasläge med avseende på stör- växelspänningen. Vidare måste naturligtvis såsom tidigare tidsavstånden mellan varje kompensationstidsintervall och nästa avkänningstidsintervall vara lika stora. Däremot är det ej nödvändigt att varaktigheten av kompensationstidsintervallen är lika med varaktigheten av avkänningstidsintervallen.

Avkännings- och lagringskopplingen 15 i kompensations- kretsen (fig. 1 och 4) kan i princip vara utförd på samma sätt som avkännings- och lagringskopplingarna 10 och ll. Den kunde sålunda i fallet enligt fig. 4 ävenledes vara utrustad med en ' tillkommande omkopplare, som i den första delen av varje kompensationstidsintervall överbryggar motståndet R3. Det är dock enklare att helt utelämna motståndet R3, såsom visas i fig. 4, så att avkännings- och lagringskopplingen l5 under hela kompensationstidsintervallet drivs såsom rent momentan- 4_48 401 20 . värdesminne ("sample & hold"). Denna utformning lämpar sig i synnerhet för det fall att kompensationstidsintervallet är mycket kort, vilket förklaras närmare nedan under hänvisning till fig. 6.

För uppnående av sammafasläge räcker det att bringa början av varje avkänningstidsintervall och varje kompensations- tidsintervall till en förutbestämd fasrelation till nätväxel- spänningen, exempelvis att utlösa avkänningsförloppet vid en nollgenomgång av nätväxelspänningen. Visserligen är fasläget av den genom vagabonderande strömmar alstrade störväxelspän; ningen godtyckligt med avseende på nätväxelspänningen och ej förutsebart. Man kan dock utgå ifrån att detta fasläge för- blir konstant över längre tidsperioder.

Pâ grund av det icke förutsebara fasläget av störväxel- spänningen är det däremot ej möjligt att med säkerhet åsido- sätta störväxelspänningsresten genom en bestämd dimensionering av avkänningsförloppens varaktighet. Till och med när avkän- ningstidsintervallet väljes lika med störväxelspänningens period eller lika med en multipel av denna period kan vid ogynnsamt fasläge störväxelspänningsresten uppnå sitt maximum.

Den ovan skildrade elimineringen av störväxelspännings- resten genom differensbildningen ger sålunda en fullständig _frihet i valet av avkänningstiderna, förutsatt att de ovan angivna villkoren vad gäller lika varaktighet och lika fasläge med avseende på nätväxelspänningen beaktas.

Såsom exempel visas i fig. 6 på motsvarande sätt som i fig. 2 signaldiagram för ett utföringsexempel, vid vilket frekvensen av fältompolningen i magnetfältspolen 2 är lika med halva frekvensen av störväxelspänningen, så att alltid ett avkänningstidsintervall och ett kompensationstidsintervall ligger i en period av störväxelspänningen.

Diagrammen A, B, C, D, E i fig. 6 visar såsom motsvarande diagram i fig. 2 de olika styrsignalerna som avges av styr- kopplingen 6 samt spolströmmens I förlopp med tiden.

Diagram P visar såsom i fig. 5 störväxelspänningen Uw med ett godtyckligt fasläge.

För att visa de många möjligheterna för de beskrivna 448 401 21 åtgärderna är vidare avkänningstidsintervallen (diagram B och C) väsentligt längre än kompensationstidsintervallen (diagram D). Man utnyttjar därigenom största möjliga tid för signalav- känningen. l.

Följande villkor måste dock uppfyllas: Varaktigheten av avkänningstidsintervallet i avkännings- och lagringskopplingen 10 (diagram B) är lika med varak- tigheten av avkänningstidsintervallet i avkännings- och lagringskopplingen ll (diagram C). 1 Alla avkänningstidsintervall (diagram B och C) har samma fasläge med avseende på störväxelspänningen (diagram P).

Alla kompensationstidsintervall (diagram D) har samma varaktighet.

Alla kompensationstidsintervall har samma fasläge med avseende på störväxelspänningen.

Tidsavstånden mellan varje kompensationstidsintervall och nästa avkänningstidsintervall är lika stora.

Däremot föreligger inget definierat sammanhang mellan varaktigheten av avkänningstidsintervallen resp. kompensations- tidsintervallen och perioden av störväxelspänningen.

Styrsignalerna för manövreringen av omkopplarna S4 och S5 visas för enkelhets skull ej i fig. 6. De ligger naturligt- vis åter i begynnelsedelen av styrsignalerna B resp. C.

Claims (12)

448 401 22 PATENTKRAV

1. l. Förfarande för kompensering av störlikspänningarna i elektrodkretsen vid magnetisk-induktiv genomströmningsmätning med stationära magnetfält med periodiskt omkastad polaritet, vid vilket nyttosignalen erhålles genom att signalspänningen efter varje ompolning av magnetfältet vid värden av motsatt polaritet av magnetfältet avkännes och lagras under ett av- känningstidsintervall och att skillnaden mellan de lagrade avkänningsvärdena bildas, och vid vilket i ett på varje avïï känningstidsintervall följande kompensationstidsintervall en signalspänningen motriktat överlagrad kompensationsspänning alstras genom avkänning och lagring av signalspänningen, vilken kompensationsspänning inom kompensationstidsintervallet kompen- serar signalspänningen till värdet noll och bibehâlles fram till nästa kompensationsintervall, k ä n n e - t e c k n a t av att varje kompensationstidsintervall ligger inom det tidsintervall som svarar mot det inkopplade magnet- fältet, inom vilket även föregående avkänningstidsintervall ligger.

2. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att kompensationstidsintervallet omedelbart ansluter sig till avkänningstidsintervallet.

3. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att avkänningstidsintervallet och kompensationstidsintervallet tillsammans i huvudsak täcker hela den tidsperiod, under vilken magnetfältet har sitt konstanta värde.

4. Förfarande enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a t av att avkänningstidsintervallet och kompensationstidsinter- vallet är lika stora.

5. Förfarande enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k - n a t av att avkänningstidsintervallet är större än kompensa- tionstidsintervallet.

6. Förfarande enligt något av kraven 1 - 5, k ä n n e - t e c k n a t av att alla avkänningstidsintervallen har samma varaktighet och att början av varje avkänningstidsintervall befinner sig i en för alla avkänningsintervall identisk fast fasrelation till en störväxelspänning. 448 401 23 .

7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att varaktigheten för varje avkänningstidsintervall skiljer sig från perioden av störväxelspänningen eller en multipel av denna period. d

8. Förfarande enligt något av kraven l - 7, k ä n n e - t e c k n a t av att alla kompensationstidsintervallen har samma varaktighet och att början av varje kompensationstids- intervall befinner sig i en för alla kompensationstidsinter- vall identisk, fast fasrelation med avseende på en störväxel- spänning. 0

9. Förfarande enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t av att varaktigheten av varje kompensationstidsintervall skiljer sig från en period av störväxelspänningen eller en multipel av denna period;

10. Förfarande enligt något av kraven l - 9, k ä n n e - t e c k n a t av att den avkända signalspänningen i varje avkänningstidsintervall pålägges ett integrerande lagrings- element i och för bildande av det lagrade avkänningsvärdet.

11. ll. Förfarande enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av att kortvarigt en momentanvärdesavkänning-_och lagring av signalspänningen utan integration sker vid'början av varje avkänningstidsintervall, och att den avkända signalspänningen i endast den återstående delen av avkänningstidsintervallet pålägges det integrerande lagringselementet.

12. Anordning för genomförande av förfarandet enligt krav ll för induktiv genomströmningsmätning på en i en rörledning strömmande elektriskt ledande vätska, innefattande en magnet- fältalstrare, som alstrar ett rörledningen vinkelrätt mot strömningsriktningen genomträngande magnetfält med periodiskt omkastad polaritet, två i rörledningen anordnade elektroder, vilka är förbundna med ingångarna av en mätvärdesförstärkare, avkännings- och lagringskopplingar, vilka är anslutna till utgången av mätvärdesförstärkaren och av en styranordning styrs på sådant sätt, att de vid inbördes lika induktionsvärden med motsatt förtecken avkänner utgângsspänningen från mät- värdesförstärkaren och lagrar avkänningsvärdena fram till nästa avkänning, en koppling för bildande av skillnaden mellan de 448 401 24 ~ lagrade avkänningsvärdena, samt innefattande en i en regler- krets mellan utgången och ingången av mätvärdesförstärkaren anordnad lagrande reglerkoppling, vilken i varje kompensations- tidsintervall är förbunden med mätvärdesförstärkarens utgång, bildar ett utgångsspänningen från mätvärdesförstärkaren till värdet noll reglerande kompensationsspänningsvärde och upprätt- håller detta kompensationsspänningsvärde fram till nästa kompensationstidsintervall, k ä n n e t e c k n a d av att varje avkännings- och lagringskoppling (10, ll) innehåller;; ett integrerande RC-element (Rl, Cl; R2, C2), på vilken signal- spänningen är anlagd över en under varaktigheten för det till- ordnade avkänningstidsintervallet sluten omkopplare (S1, S2), och att en omkopplare (S4, S5) som kortvarigt slutes vid början av varje tillordnat avkänningstidsintervall, är paral- lellkopplad med motståndet (Rl, R2) i varje RC-element (Rl, Cl; R2, C2).