Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Signalverarbeitung von Spannungssignalen von Elektroden eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungsschaltung für Spannungssignale von Elektroden eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts.
[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.
[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.
[0004] Die DE19716151C1 beschreibt die Herstellung eines Bezugspotentials. Der Differenzverstärker wird dazu mit einer Bezugselektrode oder einer Messelektrode verbunden.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[0013] Eine Verstärkung des Differenzsignals, welches aus den
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.
[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.
[0016] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind die Verstärkerausgänge mit einem nachgeschalteten A/D-Wandler mit differentiellen Eingängen verbunden.
[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.
[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.
[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.
[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.
[0021] Zur Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung weiterhin in einem
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.
[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.
[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 zeigt
Fig. 1 eine Darstellung einer Signalverarbeitungsschaltung, wie sie dem Stand der Technik entspricht, ohne eine Unterdrückung bzw. Ausfilterung
der niederfrequenten Störsignale.
Fig. 2 eine zur Fig. 1 zugehörige Darstellung zeitlicher Spannungsverläufe,
Fig. 3 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen
Signalverarbeitungsschaltung,
Fig. 4 eine zur Fig. 3 zugehörige Darstellung zeitlicher Spannungsverläufe.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
[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.
Bezugszeichenliste
1. Messrohr
2. Feldspulen
3. Erste Messelektrode
4. Zweite Messelektrode
5. Differentiell arbeitender Verstärker
6. Referenzelektrode
7. Volldifferentiell arbeitender Verstärker
8. A/D-Wandler
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