WO2014154395A1 - Magnetic-inductive flow measurement device - Google Patents

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WO2014154395A1
WO2014154395A1 PCT/EP2014/052990 EP2014052990W WO2014154395A1 WO 2014154395 A1 WO2014154395 A1 WO 2014154395A1 EP 2014052990 W EP2014052990 W EP 2014052990W WO 2014154395 A1 WO2014154395 A1 WO 2014154395A1
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WO
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measuring
voltages
electrodes
measurement
pairs
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Application number
PCT/EP2014/052990
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German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas KÜNG
Günther Bähr
Frank Voigt
Original Assignee
Endress+Hauser Flowtec Ag
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Publication date
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    • 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
    • G01F1/584—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 constructions of electrodes, accessories therefor
    • 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 magnetic-inductive flowmeter according to the
  • DE 10 2006 014 679 A1 discloses a measuring tube with a plurality of measuring electrode pairs connected in series with each other.
  • DE 29 500 84 A1 serves the purpose of preventing a reduced measuring voltage, provided that the medium acts as a load outside of the magnetic field.
  • Measuring electrode pairs operated with the potential of the middle measuring electrode pairs.
  • JP 54139756 discloses a filtering of the analog measurement signal for AC / DC components by means of a high-pass or bandpass filter. Such circuits can produce a measurement error due to parasitic effects in components.
  • JP56135118 discloses a multiple electrode arrangement for the purpose of improving the linearity of the meter. In this case, several measuring electrodes are outside the actual magnetic field
  • JP 50 66 138 describes a capacitive tap of a measuring signal at a measuring electrode.
  • the capacitive tap is a different method from the conductive tap - for example, because the capacitive tap always requires a minimum electrode area for the tap.
  • US 5398553 discloses a multiple electrode arrangement which eliminates the occurrence of
  • EP 0 305 609 discloses a multi-electrode arrangement for eliminating the influence of variable flow profiles on the measurement result. Based on the aforementioned prior art, it is now an object of the present invention, the measurement performance in media with low conductivities and / or high
  • a magnetic-inductive flowmeter has components.
  • One of the components of the flowmeter is a measuring tube with a measuring tube axis.
  • This measuring tube may be made of plastic or metal, with an inner insulating plastic coating, the so-called liner or possibly also of ceramic.
  • Further components of the flowmeter are at least two coil systems opposing each other diametrically on the measuring tube for the purpose of forming a magnetic field, which are typically connected to one another by field feedback systems.
  • a coil system may in particular be a magnetic coil, which optionally has a metallic coil core.
  • air coils there are also known air coils.
  • first pair of measuring electrodes with two measuring electrodes diametrically opposite one another on the measuring tube, which form a first connecting axis, which runs essentially perpendicular to the magnetic field.
  • the measuring electrode pair has two measuring electrodes diametrically opposed to the measuring tube, which form a second connecting axis which is arranged substantially along the measuring tube axis parallel to the first connecting axis and which lies within the magnetic field.
  • the flowmeter has a control and / or regulating unit, for generating a magnetic field by a clocked DC alternating polarity through the
  • the flowmeter has a circuit arrangement with an evaluation unit for determining a flow rate and / or the volume flow rate of a measured medium.
  • the measuring electrode pairs are connected to the evaluation unit such that a parallel tapping of measuring voltages takes place from the first and from the second pair of measuring electrodes.
  • Measuring electrodes are thus connected in parallel with each other.
  • the circuit arrangement is designed such that it carries out the following method steps:
  • step I a separate galvanic tapping of measuring voltages of each of the
  • step II the amplification and / or impedance conversion of individual measured voltages of each individual pair of measuring electrodes takes place or by the parallel tapping of a plurality of measuring electrode pairs together.
  • step III an offset correction and optionally further amplification of the
  • step III both AC voltage and DC voltage components of the measuring voltages are offset corrected, wherein by the
  • Circuit arrangement an optimization of the signal-to-noise ratio of the measuring voltage of each individual measuring electrode pair or the common measuring voltage of all measuring electrode pairs takes place;
  • Measuring electrode pair having two diametrically opposed measuring electrodes, which form a third connection axis, which is arranged substantially along the Meßrohrachse parallel to the first connection axis and which lies within the magnetic field.
  • the second and / or the third measuring electrode pair has measuring electrodes which differ in their geometric shape and / or in their material composition from the first measuring electrode pair. As a result, a different weighting of the measured voltages can be achieved with changing medium or flow conditions. It is furthermore advantageous if the evaluation unit comprising the circuit arrangement is configured such that at least measuring voltages of one of the measuring electrode pairs are amplified and offset corrected independently of the measuring voltages of the other measuring electrode pairs. It is advantageous if the evaluation unit comprehensive circuit arrangement is designed such that at least measured voltages of one of the measuring electrode pairs regardless of the measuring voltages of the other measuring electrode pairs amplified, offset corrected and converted analog to digital.
  • the evaluation unit comprehensive circuit arrangement is configured such that the measurement voltages of two of the measuring electrode pairs offset-corrected according to their separate gain as a common measuring voltage and an A D converter are supplied and measuring voltages of a third of the measuring electrode pairs the A D - Converters are supplied separately.
  • evaluation unit comprehensive circuit arrangement is designed such that measuring voltages of each pair of measuring electrodes regardless of the measured voltages of the other pairs of measuring electrodes amplified, offset-corrected and converted analog to digital.
  • the circuit arrangement is advantageously designed such that the circuit arrangement effects a weighted amplification and / or addition of measuring voltages of one of the measuring electrode pairs with respect to the measuring voltages of the further measuring electrode pairs.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a magneto-inductive according to the invention
  • Fig. 2a-f possible circuitry for tapping the measurement voltages to the
  • FIG. 3 shows a schematic representation of various electrode structures.
  • Flow meter are known per se. According to Faraday's law of induction, a voltage is induced in a conductor moving in a magnetic field. Magnetic inductive measuring principle, the flowing medium corresponds to the moving conductor. A magnetic field of constant intensity is generated by two field coils on either side of a measuring tube.
  • Magnetic-inductive flowmeters with coil arrangements with more than two field coils and other geometrical arrangements are known.
  • the quality of a measurement by means of a magnetic-inductive flowmeter can be characterized among other things by the mean measurement deviation and the measured value dispersion.
  • the measured value dispersion is, for example, on the type of medium and the
  • the standard deviation of successive measurements should be as low as possible.
  • Interference signal component which makes up each measuring voltage - leads to a reduction in the measured value spread and to an increase in the bandwidth of the measurement.
  • the solution for optimizing the signal-to-noise ratio of a measuring voltage consists in a redundant tapping of the measuring voltage by means of several measuring electrode pairs.
  • the connecting axes of the respective measuring electrode pairs run along the
  • Fig. 1 shows a schematic structure of a magnetic-inductive according to the invention
  • This flowmeter has a measuring tube 1, which For example, as a plastic measuring tube or as a steel measuring tube is present, which is lined with an insulating plastic layer, the so-called liner.
  • the measuring tube 1 has at least two, preferably three or more measuring electrode pairs 2.1, 2.2, 2.3, which on a common plane, the measuring electrode plane, the
  • Measuring tube axis cuts are arranged.
  • the connecting axes of the measuring electrode pairs 2a, 2b, 2c are arranged parallel to each other one behind the other on the measuring tube 1.
  • the distance between the measuring electrodes is variably selectable. However, it is limited by the effective extent of the magnetic field. This magnetic field is through at least two
  • the measuring electrodes 2.1, 2.2 and 2.3 transmit on signal paths 3 the determined voltage as a function of the flow velocity of the measuring medium to an evaluation unit 4. Furthermore, part of the magnetic-inductive flow meter is a coil current generation, which supplies the coil systems 5.1 and 5.2 with energy.
  • the measuring electrodes can be connected to the evaluation unit in different ways. These diagrams of the signal processing of the tapped at the measuring electrodes
  • FIGS. 2d-f represent preferred embodiments of the invention.
  • FIG. 2d is a particularly preferred embodiment of the invention.
  • FIGS. 2a-2f show interconnected circuit elements.
  • the incoming voltage signals of the measuring electrodes 2.1-2.3 are forwarded via a differential amplifier 10 to an instrument amplifier 11, a so-called adder.
  • the instrumentation amplifier also allows impedance conversion.
  • the instrumentation amplifier is connected to an analog / digital converter 12 and optionally or additionally to a multiplexer.
  • the signal is sent to an evaluation unit 13, e.g. a digital evaluation in the form of a microcontroller passed.
  • an evaluation unit 13 e.g. a digital evaluation in the form of a microcontroller passed.
  • Fig. 4a illustrates a less preferred embodiment of an arrangement
  • the incoming signals are by a single Amplified differential amplifier and successively forwarded to an instrument amplifier, an A / D converter and an evaluation unit.
  • Fig. 2b illustrates a second less preferred embodiment of an arrangement
  • each of the incoming signals is amplified by means of a separate differential amplifier 10.
  • the gain can be weighted so that each individual type of measuring electrode is different in the total value.
  • Fig. 2c illustrates a third less preferred embodiment of an arrangement
  • each incoming signal by means of a separate
  • Amplified differential amplifier and instrumentation amplifier and converted by a common A / D converter. Also in this case, the gain of the signals can be weighted.
  • the weighted gain can be done depending on the measuring medium.
  • the measuring arrangement can have a plurality of different electrodes known per se. Various measuring electrodes used in the field of magnetic-inductive flow measurement are shown schematically in FIG.
  • the measuring electrode 5a is a standard measuring electrode, too
  • Called mushroom head electrode It is characterized by a dome-shaped surface in the direction of the measuring medium, which causes a slight influence on the flow of the medium.
  • the measuring electrode 5b is a tip electrode. This surface of this measuring electrode runs in the direction of the measuring medium pointed.
  • the tapered electrode shape allows a better measurement of scale-forming media.
  • the measuring electrode 5c is a so-called neck electrode. Their surface sticks out a few
  • the neck electrode is used for measuring media with low flow rates or flow rates.
  • the measuring electrode 5d is called a ironing electrode. It has two pin-like end portions, which protrude starting from the electrode body into the measuring medium.
  • Ironing electrode allows the measurement of solids laden liquids, such as fruit mash, and liquids with a high proportion of gas and corresponding gas bubbles.
  • the measuring electrode 5e is a tungsten carbide electrode, which sits flat on the measuring tube wall and is used in particular for the measurement of abrasive liquids, eg abrasive sludge. With larger proportions of solids in the medium, such as coarse sludge, it can cause vibration or damage to a rigid electrode. For this purpose, in particular a
  • Brush electrode 5f the electrode head is designed flexible.
  • other types of electrodes are known, for example, pin electrodes, sintered electrodes or alternating electrodes which can be used in the subject matter of the invention.
  • the measuring electrodes 2.1 and 2.2 are mushroom-head electrodes and a third measuring electrode 2.3 is a pointed electrode and if the medium is milk which can form a fatty coating on the electrodes, then it is advisable to use the signal of the pointed electrode in relation to the signal of FIG To weight or strengthen mushroom head electrodes stronger.
  • FIG. 2 d represents the most variable embodiment.
  • each measuring voltage is separated from the other measuring voltages by a differential amplifier and a
  • Amplified instrument amplifier offset-corrected and each converted by an analog / digital converter.
  • the converted digital signals are then supplied to the microcontroller, which optionally carries out a weighting of these signals.
  • the microcontroller optionally carries out a weighting of these signals.
  • Microcontroller supplied, whereby a separate evaluation of each signal can be done without information is lost by previous addition.
  • Fig. 2e shows an arrangement of circuit elements which allows two signals to be added by means of a single instrumentation amplifier, while another one
  • Measuring voltage is supplied via an independent path to circuit elements independently of the other two signals of the evaluation unit. This measurement signal can be used as
  • FIG. 2f shows an arrangement of circuit elements analogous to FIG. 2e, with the difference that the signals of the two instrument amplifiers are represented by a single A / D converter
  • the present invention enables tapping and addition of the analog AC and DC portions of the measurement voltage to reduce occurrence of measurement errors.
  • the purpose of the invention is to optimize the signal-to-noise ratio of the measured value.
  • the signal-to-noise ratio is generally referred to as the ratio of the useful signal to the interfering signal.
  • this disturbance can be suppressed in a first variant of the invention by superposition of a plurality of measuring voltages of different measuring electrode pairs. This can preferably be done in the case in which the measuring electrode pairs have different geometries (mushroom, pointed, ironing electrodes, etc.).
  • the signal-to-noise ratio can be optimized by mathematically superimposing the redundantly tapped signals.
  • the number of redundant paths multiplies.
  • disturbances in the addition do not necessarily increase to the same extent as the useful signal - for example, but only with the root of the redundant paths.
  • the redundancy of the signal paths can also be used to verify functional safety. This can be done, for example, for an arrangement of the circuit elements as in FIG. 2d in such a way that individual measured voltages of measuring electrodes are compared with one another by the evaluation unit and if a failure is detected if one of the three measured values deviates significantly from the other two measured values. This may mean a defect in the electrode or one of the circuit elements.
  • the measuring range of the magnetic-inductive measuring device can also be extended to media which only have a low conductivity own and therefore are difficult to detect due to the interference signals.
  • a decision software integrated in the evaluation unit can be compared by comparing the
  • Distortion margins of the individual measuring voltages also decide whether only one measuring voltage of a measuring electrode pair is to be used for the measurement or the measuring voltages of several measuring electrode pairs.
  • the voltage differences of the electrode pairs are optionally:
  • Voltage differences is done, a digital combination of the voltage differences with adaptation to the underlying fault.
  • the amount of the measuring voltages of the different pairs of measuring electrodes does not necessarily have to be the same.
  • it may include white noise averaging or median sporadic spiking
  • the coil systems are operated in a conventional manner by a clocked DC alternating polarity.
  • the detection of the measured voltages takes place in the present invention over the entire time measuring range.
  • the period during the switching of the polarity of the magnetic field is measured.
  • the DC component of an interference voltage flows into the measurement voltage.
  • Such an interference voltage can be generated, for example, since, depending on the nature of the electrode and the measuring medium, an electrochemical potential is formed on the surface of the electrode in contact with the medium. This generates a noise voltage, which can be up to 1, 2V and more.
  • the measuring voltages contain DC components and AC components. These are always present in the analog range of the measuring voltages.

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Abstract

The invention relates to a magnetic-inductive flow measurement device having a plurality of pairs of measuring electrodes, which are connected to an evaluation unit such that a parallel tapping of measurement voltages from the first and from the second pair of measurement electrodes is carried out, and wherein the circuit arrangement is configured to execute the following method steps: I. galvanic tapping of measurement voltages in form of signal voltages of each of the pairs of measurement electrodes; II. gain and/or impedance conversion of a measurement voltage of each individual pair of measurement electrodes or one common measurement voltage by way of tapping a plurality of pairs of measurement electrodes jointly; III. offset correction and, if need be, further gain of the measurement voltage of each individual pair of measurement electrodes or the common measurement voltage of the pairs of measurement electrodes; IV. analog to digital conversion of the measurement voltage of each individual pair of electrodes, or the common measurement voltage of the pairs of electrodes; and V. determining a flow rate and/or a volume flow rate based on the signal-to-noise ratio optimized measurement voltage, or measurement voltages, wherein during offset correction and, as the case may be, gain of the measurement voltage according to step III, both AC and DC components of the measurement voltages are added together, and wherein by means of the circuit arrangement, an optimization of the signal-to-noise ratio of the measurement voltages of each individual pair of measurement electrodes, or the common measurement voltages of all pairs of measurement electrodes is achieved.

Description

Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät  Magnetic-inductive flowmeter
Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach dem The present invention relates to a magnetic-inductive flowmeter according to the
Oberbegriff des Anspruchs 1.  Preamble of claim 1.
Es sind bereits magnetisch-induktive D u rc hf I u ssm essg eräte bekannt, welche hintereinander angeordnete Messelektrodenpaare entlang des Messrohres aufweisen. Diese Anordnungen werden allerdings aus unterschiedlichen Gründen ausgewählt, welche sich wesentlich voneinander unterscheiden. There are already magneto-inductive D u rc hf I u ss ss ming devices known, which have successively arranged measuring electrode pairs along the measuring tube. However, these arrangements are chosen for different reasons, which differ substantially from each other.
Die DE 10 2006 014 679 A1 offenbart ein Messrohr mit mehreren in Serie zueinander geschalteten Messelektrodenpaaren. DE 10 2006 014 679 A1 discloses a measuring tube with a plurality of measuring electrode pairs connected in series with each other.
Die DE 29 500 84 A1 dient dem Zweck der Verhinderung einer verminderten Messspannung, sofern das Medium außerhalb des Magnetfeldes als Last wirkt. Hierfür werden die äußeren DE 29 500 84 A1 serves the purpose of preventing a reduced measuring voltage, provided that the medium acts as a load outside of the magnetic field. For this, the outer
Messelektrodenpaare mit dem Potential der mittleren Messelektrodenpaare betrieben. Measuring electrode pairs operated with the potential of the middle measuring electrode pairs.
Die DE 2 226 356 weist Permanentmagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf. Die JP 54139756 offenbart eine Filterung des analogen Messsignals nach AC/DC Anteilen mittels eines Hochpass- bzw. Bandpassfilters. Derartige Schaltungsanordnungen können aufgrund von parasitärer Effekte in Bauteilen einen Messfehler erzeugen. DE 2 226 356 has permanent magnets for generating a magnetic field. JP 54139756 discloses a filtering of the analog measurement signal for AC / DC components by means of a high-pass or bandpass filter. Such circuits can produce a measurement error due to parasitic effects in components.
Die JP56135118 offenbart eine Mehrfachelektrodenanordnung mit dem Zweck der Verbesserung der Linearität des Messgerätes. Dabei liegen mehrere Messelektroden außerhalb des eigentlichen Magnetfeldes JP56135118 discloses a multiple electrode arrangement for the purpose of improving the linearity of the meter. In this case, several measuring electrodes are outside the actual magnetic field
Die JP 50 66 138 beschreibt einen kapazitiven Abgriff eines Messsignals an einer Messelektrode. Der kapazitive Abgriff ist ein anderes Verfahren gegenüber dem konduktiven Abgriff - da der kapazitive Abgriff beispielsweise immer eine Mindestelektrodenfläche für den Abgriff benötigt. JP 50 66 138 describes a capacitive tap of a measuring signal at a measuring electrode. The capacitive tap is a different method from the conductive tap - for example, because the capacitive tap always requires a minimum electrode area for the tap.
Die US 5398553 offenbart eine Mehrfachelektrodenanordnung, weiche das Auftreten von US 5398553 discloses a multiple electrode arrangement which eliminates the occurrence of
Wirbelströmen ermittelt und einer Selbstkalibrierung dient. Die EP 0 305 609 offenbart eine Mehrelektrodenanordnung zur Eliminierung des Einflusses variabler Strömungsprofile auf das Messergebnis. Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Messperformance bei Medien mit geringen Leitfähigkeiten und/oder hohem Eddy currents determined and a self-calibration is used. EP 0 305 609 discloses a multi-electrode arrangement for eliminating the influence of variable flow profiles on the measurement result. Based on the aforementioned prior art, it is now an object of the present invention, the measurement performance in media with low conductivities and / or high
Feststoffanteilen zu verbessern. Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Ansprüche sind Gegenstand der Unteransprüche. To improve solid content. The present invention solves this problem by the features of independent claim 1. Advantageous embodiments of the claims are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß weist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät Bauteile auf. According to the invention, a magnetic-inductive flowmeter has components.
Eines der Bauteile des Durchflussmessgerätes ist ein Messrohr mit einer Messrohrachse. Dieses Messrohr kann aus Kunststoff gefertigt sein oder aus Metall, mit einer innenliegenden isolierenden Kunststoffbeschichtung, dem sogenannten Liner oder ggf. auch aus Keramik. One of the components of the flowmeter is a measuring tube with a measuring tube axis. This measuring tube may be made of plastic or metal, with an inner insulating plastic coating, the so-called liner or possibly also of ceramic.
Weitere Bauteile des Durchflussmessgerätes sind zumindest zwei sich diametral am Messrohr gegenüberstehende Spulensysteme zur Ausbildung eines Magnetfeldes, welche typischerweise mit Feldrückführsystemen miteinander verbunden sind. Ein Spulensystem kann insbesondere eine Magnetspule sein, die ggf. einen metallischen Spulenkern aufweist. Es sind allerdings auch Luftspulen bekannt. Further components of the flowmeter are at least two coil systems opposing each other diametrically on the measuring tube for the purpose of forming a magnetic field, which are typically connected to one another by field feedback systems. A coil system may in particular be a magnetic coil, which optionally has a metallic coil core. However, there are also known air coils.
Weitere Bauteile sind als ein erstes Messelektrodenpaar definiert, mit zwei sich diametral am Messrohr gegenüberstehenden Messelektroden, welche eine erste Verbindungsachse ausbilden, welche im Wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld verläuft. Further components are defined as a first pair of measuring electrodes, with two measuring electrodes diametrically opposite one another on the measuring tube, which form a first connecting axis, which runs essentially perpendicular to the magnetic field.
Ein zusätzliches zweites Messelektrodenpaar ist ebenfalls vorgesehen. Das Messelektrodenpaar weist zwei sich diametral am Messrohr gegenüberstehenden Messelektroden auf, welche eine zweite Verbindungsachse ausbilden, welche im Wesentlichen entlang der Messrohrachse parallel zur ersten Verbindungsachse angeordnet ist und welches innerhalb des Magnetfeldes liegt. An additional second pair of measuring electrodes is also provided. The measuring electrode pair has two measuring electrodes diametrically opposed to the measuring tube, which form a second connecting axis which is arranged substantially along the measuring tube axis parallel to the first connecting axis and which lies within the magnetic field.
Darüber hinaus weist das Durchflussmessgerät eine Steuer- und/oder Regeleinheit, zur Erzeugung eines Magnetfeldes durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität durch die In addition, the flowmeter has a control and / or regulating unit, for generating a magnetic field by a clocked DC alternating polarity through the
Spulensysteme auf. Coil systems on.
Schließlich weist das Durchflussmessgerät eine Schaltungsanordnung mit einer Auswerteeinheit zur Ermittlung einer Durchflussgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines Messmediums auf. Finally, the flowmeter has a circuit arrangement with an evaluation unit for determining a flow rate and / or the volume flow rate of a measured medium.
Die Messelektrodenpaare sind derart mit der Auswerteeinheit verbunden, dass ein paralleler Abgriff von Messspannungen vom ersten und vom zweiten Messelektrodenpaar erfolgt. Die The measuring electrode pairs are connected to the evaluation unit such that a parallel tapping of measuring voltages takes place from the first and from the second pair of measuring electrodes. The
Messelektroden sind somit parallel zueinander geschaltet. Die Schaltungsanordnung ist derart ausgebildet, dass sie folgende Verfahrensschritte auszuführt: Measuring electrodes are thus connected in parallel with each other. The circuit arrangement is designed such that it carries out the following method steps:
In Schritt I erfolgt ein separater galvanischer Abgriff von Messspannungen eines jeden der In step I, a separate galvanic tapping of measuring voltages of each of the
Messelektrodenpaare. Measuring electrode pairs.
In einem darauffolgenden Schritt II erfolgt die Verstärkung und/oder Impedanzwandlung einzelner Messspannungen jedes einzelnen Messelektrodenpaares oder durch parallelen Abgriff mehrerer Messelektrodenpaare gemeinsam. In einem weiteren Schritt III erfolgt eine Offsetkorrektur und ggf. weitere Verstärkung der In a subsequent step II, the amplification and / or impedance conversion of individual measured voltages of each individual pair of measuring electrodes takes place or by the parallel tapping of a plurality of measuring electrode pairs together. In a further step III, an offset correction and optionally further amplification of the
Messspannung eines jeden einzelnen Messelektrodenpaares oder der gemeinsamen Measuring voltage of each individual pair of measuring electrodes or the common
Messspannung der Messelektrodenpaare. Measuring voltage of the measuring electrode pairs.
Im Anschluss an die vorbereitende Offsetkorrektur erfolgt eine Analog zu Digitalwandlung der Messspannung eines jeden einzelnen Messelektrodenpaares oder der gemeinsamen Subsequent to the preparatory offset correction, an analog to digital conversion of the measuring voltage of each individual pair of measuring electrodes or of the common one takes place
Messspannung der Messelektrodenpaare. Measuring voltage of the measuring electrode pairs.
Schließlich erfolgt eine Ermittlung einer Durchflussgeschwindigkeit und/oder eines Finally, a determination of a flow rate and / or a
Volumendurchflusses anhand der störabstandsoptimierten Messspannung bzw. Volumendurchflußes on the basis of the noise margin optimized measuring voltage or
-Spannungen durch die Auswerteeinheit. Voltages through the evaluation unit.
Bei der Offsetkorrektur der Messspannungen, gemäß Schritt III, werden sowohl Wechselspannungs- als auch Gleichspannungsanteile der Messspannungen offsetkorrigiert, wobei durch die In the offset correction of the measuring voltages, according to step III, both AC voltage and DC voltage components of the measuring voltages are offset corrected, wherein by the
Schaltungsanordnung eine Optimierung des Störabstandes der Messspannung eines jeden einzelnen Messelektrodenpaares oder der gemeinsamen Messspannung aller Messelektrodenpaare erfolgt; Circuit arrangement, an optimization of the signal-to-noise ratio of the measuring voltage of each individual measuring electrode pair or the common measuring voltage of all measuring electrode pairs takes place;
Es ist von Vorteil, wenn das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät ein drittes It is advantageous if the electromagnetic flowmeter is a third
Messelektrodenpaar mit zwei sich diametral gegenüberstehenden Messelektroden aufweist, welche eine dritte Verbindungsachse ausbilden, welche im Wesentlichen entlang der Messrohrachse parallel zur ersten Verbindungsachse angeordnet ist und welches innerhalb des Magnetfeldes liegt. Measuring electrode pair having two diametrically opposed measuring electrodes, which form a third connection axis, which is arranged substantially along the Meßrohrachse parallel to the first connection axis and which lies within the magnetic field.
Es ist zudem von Vorteil, wenn das zweite und/oder das dritte Messelektrodenpaar Messelektroden aufweist, welche sich in ihrer geometrischen Form und/oder in ihrer Materialzusammensetzung von dem ersten Messelektrodenpaar unterscheiden. Dadurch kann bei wechselnden Medium oder Strömungsbedingungen eine unterschiedliche Gewichtung der Messspannungen eingehen. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die die Auswerteeinheit umfassende Schaltungsanordnung derart ausgestaltet ist, dass zumindest Messspannungen eines der Messelektrodenpaare unabhängig von den Messspannungen der weiteren Messelektrodenpaare verstärkt und offsetkorrigiert werden. Es ist von Vorteil, wenn die die Auswerteeinheit umfassende Schaltungsanordnung derart ausgestaltet ist, dass zumindest Messspannungen eines der Messelektrodenpaare unabhängig von den Messspannungen der weiteren Messelektrodenpaare verstärkt, offsetkorrigiert und analog zu digital gewandelt werden. Es ist von Vorteil, wenn die die Auswerteeinheit umfassende Schaltungsanordnung derart ausgestaltet ist, dass die Messspannungen von zwei der Messelektrodenpaare nach deren separater Verstärkung als eine gemeinsame Messspannung offset-korrigiert und einem A D- Wandler zugeführt werden und Messspannungen eines dritten der Messelektrodenpaare dem A D- Wandler separat zugeführt werden. It is also advantageous if the second and / or the third measuring electrode pair has measuring electrodes which differ in their geometric shape and / or in their material composition from the first measuring electrode pair. As a result, a different weighting of the measured voltages can be achieved with changing medium or flow conditions. It is furthermore advantageous if the evaluation unit comprising the circuit arrangement is configured such that at least measuring voltages of one of the measuring electrode pairs are amplified and offset corrected independently of the measuring voltages of the other measuring electrode pairs. It is advantageous if the evaluation unit comprehensive circuit arrangement is designed such that at least measured voltages of one of the measuring electrode pairs regardless of the measuring voltages of the other measuring electrode pairs amplified, offset corrected and converted analog to digital. It is advantageous if the evaluation unit comprehensive circuit arrangement is configured such that the measurement voltages of two of the measuring electrode pairs offset-corrected according to their separate gain as a common measuring voltage and an A D converter are supplied and measuring voltages of a third of the measuring electrode pairs the A D - Converters are supplied separately.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die die Auswerteeinheit umfassende Schaltungsanordnung derart ausgestaltet ist, dass Messspannungen eines jeden Messelektrodenpaares unabhängig von den Messspannungen der weiteren Messelektrodenpaaren verstärkt, offset-korrigiert und analog zu digital gewandelt werden. It is also advantageous if the evaluation unit comprehensive circuit arrangement is designed such that measuring voltages of each pair of measuring electrodes regardless of the measured voltages of the other pairs of measuring electrodes amplified, offset-corrected and converted analog to digital.
Die Schaltungsanordnung ist vorteilhaft derart ausgebildet, dass die Schaltungsanordnung eine gewichtete Verstärkung und/oder Addition von Messspannungen eines der Messelektrodenpaare gegenüber den Messspannungen der weiteren Messelektrodenpaaren bewirkt. Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der von einem Ausführungsbeispiel unter Zuhilfenahme von Zeichnungen näher erläutert. The circuit arrangement is advantageously designed such that the circuit arrangement effects a weighted amplification and / or addition of measuring voltages of one of the measuring electrode pairs with respect to the measuring voltages of the further measuring electrode pairs. The object of the invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment with the aid of drawings.
Sie zeigen: Fig. 1 schematischer Aufbau eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven 1 shows a schematic structure of a magneto-inductive according to the invention
Durchflussmessgerätes;  Flowmeter;
Fig. 2a-f mögliche Schaltungsanordnungen zum Abgriff der Messspannungen an den Fig. 2a-f possible circuitry for tapping the measurement voltages to the
Messelektroden des Durchflussmessgerätes; und  Measuring electrodes of the flowmeter; and
Fig.3 schematische Darstellung verschiedener Elektrodenkostruktionen. 3 shows a schematic representation of various electrode structures.
Der grundsätzliche Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven The basic structure and the measuring principle of a magnetic-inductive
Durchflussmessgerätes sind an sich bekannt. Gemäß dem Faraday'schen Induktionsgesetz wird in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Spannung induziert. Beim magnetisch- induktiven Messprinzip entspricht der fließende Messstoff dem bewegten Leiter. Ein Magnetfeld mit konstanter Stärke wird durch zwei Feldspulen zu beiden Seiten eines Messrohres erzeugt. Flow meter are known per se. According to Faraday's law of induction, a voltage is induced in a conductor moving in a magnetic field. Magnetic inductive measuring principle, the flowing medium corresponds to the moving conductor. A magnetic field of constant intensity is generated by two field coils on either side of a measuring tube.
Senkrecht dazu befinden sich an der Rohrinnenwand des Messrohres zwei Messelektroden, welche die beim Durchfließen des Messstoffes erzeugte Spannung abgreifen. Die induzierte Spannung verhält sich proportional zur Durchflussgeschwindigkeit und damit zum Volumendurchfluss. Das durch die Feldspulen aufgebaute Magnetfeld wird durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Es sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Spulenanordnungen mit mehr als zwei Feldspulen und anderer geometrischer Anordnung bekannt. Perpendicular to this are located on the tube inner wall of the measuring tube, two measuring electrodes, which tap the voltage generated when flowing through the medium. The induced voltage is proportional to the flow velocity and thus to the volume flow. The magnetic field built up by the field coils is generated by a clocked DC alternating polarity. This ensures a stable zero point and makes the measurement insensitive to influences by multiphase substances, inhomogeneities in the liquid or low conductivity. Magnetic-inductive flowmeters with coil arrangements with more than two field coils and other geometrical arrangements are known.
Die Qualität einer Messung mittels eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes kann unter anderem durch die mittlere Messabweichung und die Messwertstreuung charakterisiert werden. Die Messwertstreuung wird ist beispielsweise von der Art des Mediums und der The quality of a measurement by means of a magnetic-inductive flowmeter can be characterized among other things by the mean measurement deviation and the measured value dispersion. The measured value dispersion is, for example, on the type of medium and the
Durchflussgeschwindigkeit des Mediums abhängig. Flow rate of the medium dependent.
Bei einem konstanten Durchflusswert sollte die Standardabweichung von aufeinanderfolgenden Messungen möglichst gering sein. Die Mittelung oder eine anderweitige Filterung At a constant flow rate, the standard deviation of successive measurements should be as low as possible. The averaging or another filtering
aufeinanderfolgender Messungen verringert einerseits die Messwertstreuung, geht allerdings zu Lasten der Bandbreite der Messung. On the one hand, successive measurements reduce the measurement spread, but at the expense of the bandwidth of the measurement.
Eine Optimierung des Störabstandes - also des Verhältnisses des Nutzsignal- und des An optimization of the signal to noise ratio - ie the ratio of the useful signal and the
Störsignalanteils, aus welchen sich jede Messspannung zusammensetzt - führt zu einer Reduktion der Messwertstreuung als auch zu einer Erhöhung der Bandbreite der Messung. Diese Interference signal component, which makes up each measuring voltage - leads to a reduction in the measured value spread and to an increase in the bandwidth of the measurement. These
Verbesserung des Störabstandes ist das Ziel der vorliegenden Erfindung. Improving the signal to noise ratio is the aim of the present invention.
Besonders vorteilhaft ist eine Verbesserung des Störabstandes bei schwach-leitfähigen Medien oder auch bei Medien mit starker Partikelbeladung, bei denen diese Störung in erhöhtem Maße auftritt und für welche bislang andere Lösungen etabliert wurden, beispielsweise in der Abfülltechnik. It is particularly advantageous to improve the S / N ratio in low-conductivity media or even in media with heavy particle loading, in which this disorder occurs to a greater extent and for which other solutions have been established, for example in the filling.
Die Lösung zur Optimierung des Störabstandes einer Messspannung besteht in einem redundanten Abgriff der Messspannung mittels mehrerer Messelektrodenpaare. The solution for optimizing the signal-to-noise ratio of a measuring voltage consists in a redundant tapping of the measuring voltage by means of several measuring electrode pairs.
Dabei verlaufen die Verbindungsachsen der jeweiligen Messelektrodenpaare entlang der The connecting axes of the respective measuring electrode pairs run along the
Messrohrachse parallel zueinander. Dabei liegen alle Messelektrodenpaare im Bereich eines einzigen Magnetfeldes. Measuring tube axis parallel to each other. All measuring electrode pairs are in the range of a single magnetic field.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Fig. 1 shows a schematic structure of a magnetic-inductive according to the invention
Durchflussmessgerätes. Dieses Durchflussmessgerät weist ein Messrohr 1 auf, welches beispielsweise als Kunststoff-Messrohr oder als Stahlmessrohr vorliegt, welches mit einer isolierenden Kunststoffschicht, dem sogenannten Liner, ausgekleidet ist. Flowmeter. This flowmeter has a measuring tube 1, which For example, as a plastic measuring tube or as a steel measuring tube is present, which is lined with an insulating plastic layer, the so-called liner.
Das Messrohr 1 weist mindestens zwei, vorzugsweise drei oder mehr Messelektrodenpaare 2.1 , 2.2, 2.3 auf, welche auf einer gemeinsamen Ebene, der Messelektrodenebene, welche die The measuring tube 1 has at least two, preferably three or more measuring electrode pairs 2.1, 2.2, 2.3, which on a common plane, the measuring electrode plane, the
Messrohrachse schneidet, angeordnet sind. Die Verbindungsachsen der Messelektrodenpaare 2a, 2b, 2c sind dabei parallel zueinander hintereinander am Messrohr 1 angeordnet.  Measuring tube axis cuts, are arranged. The connecting axes of the measuring electrode pairs 2a, 2b, 2c are arranged parallel to each other one behind the other on the measuring tube 1.
Der Abstand der Messelektroden ist variabel wählbar. Er wird allerdings durch die wirksame Ausdehnung des Magnetfeldes begrenzt. Dieses Magnetfeld wird durch zumindest zwei The distance between the measuring electrodes is variably selectable. However, it is limited by the effective extent of the magnetic field. This magnetic field is through at least two
Spulensysteme 5.1 und 5.2 erzeugt, wobei das Magnetfeld im Wesentlichen senkrecht zur Spool systems 5.1 and 5.2 generated, wherein the magnetic field substantially perpendicular to
Messelektrodenebene verläuft. Measuring electrode plane runs.
Der Messelektroden 2.1 , 2.2 und 2.3 übertragen auf Signalpfaden 3 die ermittelte Spannung in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums an eine Auswerteeinheit 4. Weiterhin Teil des magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes ist eine Spulenstromerzeugung, welche die Spulensysteme 5.1 und 5.2 mit Energie versorgt. The measuring electrodes 2.1, 2.2 and 2.3 transmit on signal paths 3 the determined voltage as a function of the flow velocity of the measuring medium to an evaluation unit 4. Furthermore, part of the magnetic-inductive flow meter is a coil current generation, which supplies the coil systems 5.1 and 5.2 with energy.
Die Messelektroden können mit der Auswerteeinheit auf unterschiedliche Art und Weise verschalten sein. Diese Schaltbilder der Signalverabeitung von der an den Messelektroden abgegriffenenThe measuring electrodes can be connected to the evaluation unit in different ways. These diagrams of the signal processing of the tapped at the measuring electrodes
Spannung sind in den Ausführungsvarianten 2a-4f dargestellt. Dabei stellen die Varianten der Fig. 2d-f bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dar. Fig. 2d ist dabei eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung. In den Fig. 2a-2f sind jeweils miteinander verbundene Schaltungselemente dargestellt. Voltage are shown in the embodiments 2a-4f. The variants of FIGS. 2d-f represent preferred embodiments of the invention. FIG. 2d is a particularly preferred embodiment of the invention. FIGS. 2a-2f show interconnected circuit elements.
In Fig. 2a-2f werden die einkommenden Spannungssignale der Messelektroden 2.1-2.3 über einen Differenzverstärker 10 an einen Instrumentenverstärker 1 1 , einen sogenannten Addierer, weitergeleitet. Der Instrumentenverstärker ermöglicht zudem eine Impedanzwandlung. In FIGS. 2a-2f, the incoming voltage signals of the measuring electrodes 2.1-2.3 are forwarded via a differential amplifier 10 to an instrument amplifier 11, a so-called adder. The instrumentation amplifier also allows impedance conversion.
Der Instrumentenverstärker ist mit einer Analog/Digital-Wandler 12 verschalten und optional oder zusätzlich mit einem Multiplexer. The instrumentation amplifier is connected to an analog / digital converter 12 and optionally or additionally to a multiplexer.
Schließlich wird das Signal an eine Auswerteeinheit 13 z.B. eine digitale Auswerteeinheit in Form eines Microcontrollers weitergegeben. Finally, the signal is sent to an evaluation unit 13, e.g. a digital evaluation in the form of a microcontroller passed.
Fig. 4a stellt eine weniger bevorzugte Ausführungsvariante einer Anordnung aus Fig. 4a illustrates a less preferred embodiment of an arrangement
Schaltungselementen dar. Die ankommenden Signale werden durch einen einzigen Differenzverstärker verstärkt und nacheinander an einen Instrumentenverstärker, einen A/D Wandler und eine Auswerteeinheit weitergeleitet. Circuit elements. The incoming signals are by a single Amplified differential amplifier and successively forwarded to an instrument amplifier, an A / D converter and an evaluation unit.
Fig. 2b stellt eine zweite weniger bevorzugte Ausführungsvariante einer Anordnung aus Fig. 2b illustrates a second less preferred embodiment of an arrangement
Schaltungselementen dar. Dabei wird jedes der einkommenden Signale mittels eines gesonderten Differenzverstärkers 10 verstärkt. Die Verstärkung kann gewichtet erfolgen, so dass jeder einzelne Messelektrodentyp unterschiedlich in den Gesamtwert eingeht. In this case, each of the incoming signals is amplified by means of a separate differential amplifier 10. The gain can be weighted so that each individual type of measuring electrode is different in the total value.
Fig. 2c stellt eine dritte weniger bevorzugte Ausführungsvariante einer Anordnung aus Fig. 2c illustrates a third less preferred embodiment of an arrangement
Schaltungselementen dar. Dabei wird jedes einkommende Signal mittels eines gesondertenIn this case, each incoming signal by means of a separate
Differenzverstärkers und Instrumentenverstärkers verstärkt und durch einen gemeinsamen A/D- Wandler umgewandelt. Auch in diesem Fall kann die Verstärkung der Signale gewichtet erfolgen. Amplified differential amplifier and instrumentation amplifier and converted by a common A / D converter. Also in this case, the gain of the signals can be weighted.
Die gewichtete Verstärkung kann in Abhängigkeit vom Messmedium erfolgen. Die Messanordnung kann mehrere unterschiedliche an sich bekannte Elektroden aufweisen. Verschiedene im Bereich der magnetisch-induktiven Durchflussmessung verwendete Messelektroden sind in Fig. 3 schematisch dargestellt. Die Messelektrode 5a ist eine Standard-Messelektrode, auch The weighted gain can be done depending on the measuring medium. The measuring arrangement can have a plurality of different electrodes known per se. Various measuring electrodes used in the field of magnetic-inductive flow measurement are shown schematically in FIG. The measuring electrode 5a is a standard measuring electrode, too
Pilzkopfelektrode genannt. Sie zeichnet sich durch eine kalottenformige Oberfläche in Richtung des Messmediums aus, welche eine geringe Beeinflussung der Strömung des Mediums bewirkt. Called mushroom head electrode. It is characterized by a dome-shaped surface in the direction of the measuring medium, which causes a slight influence on the flow of the medium.
Die Messelektrode 5b ist eine Spitzelektrode. Dies Oberfläche dieser Messelektrode verläuft in Richtung des Messmediums spitz zu. Durch die spitz-zulaufende Elektrodenform wird eine bessere Messung von belagsbildenden Medien ermöglicht. Die Messelektrode 5c ist eine sogenannte Halselektrode. Deren Oberfläche ragt um einige The measuring electrode 5b is a tip electrode. This surface of this measuring electrode runs in the direction of the measuring medium pointed. The tapered electrode shape allows a better measurement of scale-forming media. The measuring electrode 5c is a so-called neck electrode. Their surface sticks out a few
Millimeter in das Messmediums hinein. Die erfolgt durch Abstandshalter zur Messrohrwandung. Die Halselektrode wird bei Messmedien mit geringen Durchflüssen bzw. Fließgeschwindigkeiten eingesetzt. Die Messelektrode 5d wird als Bügelelektrode bezeichnet. Sie weist zwei stiftartige Endabschnitte auf, welche ausgehend vom Elektrodenkörper in das Messmedium hineinragen. Diese  Millimeter into the medium. This is done by spacers to Messrohrwandung. The neck electrode is used for measuring media with low flow rates or flow rates. The measuring electrode 5d is called a ironing electrode. It has two pin-like end portions, which protrude starting from the electrode body into the measuring medium. These
Bügelelektrode ermöglicht die Messung von feststoffbeladenen Flüssigkeiten, z.B. Fruchtmaischen, und Flüssigkeiten mit einem hohen Anteil an Gas und entsprechenden Gasblasen. Die Messelektrode 5e ist eine Wolframkarbid-Elektrode, welche flach auf der Messrohrwandung aufsitzt und insbesondere zur Messung von abrasiven Flüssigkeiten, z.B. abrasivem Schlamm eingesetzt wird. Bei größeren Feststoffanteilen im Medium, wie z.B. grobem Schlamm, kann es zur Erschütterung oder Schädigung einer starren Elektrode kommen. Hierfür eignet sich insbesondere eine Ironing electrode allows the measurement of solids laden liquids, such as fruit mash, and liquids with a high proportion of gas and corresponding gas bubbles. The measuring electrode 5e is a tungsten carbide electrode, which sits flat on the measuring tube wall and is used in particular for the measurement of abrasive liquids, eg abrasive sludge. With larger proportions of solids in the medium, such as coarse sludge, it can cause vibration or damage to a rigid electrode. For this purpose, in particular a
Bürstenelektrode 5f, deren Elektrodenkopf flexibel ausgestaltet ist. Es sind darüber hinaus auch weitere Elektrodenformen bekannt, beispielsweise Stiftelektroden, Sinterelektroden oder Wechselelektroden welche beim Gegenstand der Erfindung eingesetzt werden können. Brush electrode 5f, the electrode head is designed flexible. In addition, other types of electrodes are known, for example, pin electrodes, sintered electrodes or alternating electrodes which can be used in the subject matter of the invention.
Erfindungsgemäß ist es durch die Anordnung von Messelektroden möglich mehrere Arten von Messelektroden, beispielsweise zwei oder mehrere Arten der vorgenannten Messelektroden in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät anzuschließen, so dass der Durchfluss unterschiedlicher Medien mit demselben Durchflussmessgerät bestimmbar ist. Je nach Bedarf kann eines der Signale verstärkt werden. Sind beispielsweise in Fig. 1 die Messelektroden 2.1 und 2.2 Pilzkopfelektroden und eine dritte Messelektrode 2.3 eine Spitzelektrode und handelt es sich bei dem Medium um Milch, welche einen Fettbelag auf den Elektroden bilden kann, so empfiehlt es sich das Signal der Spitzelektrode gegenüber dem Signal der Pilzkopfelektroden stärker zu gewichten bzw. zu verstärken. According to the invention it is possible by the arrangement of measuring electrodes several types of measuring electrodes, for example, two or more types of the aforementioned measuring electrodes in a magnetic-inductive flowmeter connect, so that the flow of different media can be determined with the same flow meter. Depending on requirements, one of the signals can be amplified. For example, in FIG. 1, the measuring electrodes 2.1 and 2.2 are mushroom-head electrodes and a third measuring electrode 2.3 is a pointed electrode and if the medium is milk which can form a fatty coating on the electrodes, then it is advisable to use the signal of the pointed electrode in relation to the signal of FIG To weight or strengthen mushroom head electrodes stronger.
Fig. 2d stellt diesbezüglich die variabelste Ausführungsvariante dar. Dabei wird jede Messspannung getrennt von den weiteren Messspannungen durch einen Differenzverstärker und einen In this connection, FIG. 2 d represents the most variable embodiment. In this case, each measuring voltage is separated from the other measuring voltages by a differential amplifier and a
Instrumentenverstärker verstärkt, offset-korrigiert und jeweils durch einen Analog/Digital-Wandler umgewandelt. Die umgewandelten digitalen Signale werden dann dem Microcontroller zugeführt, welcher ggf. eine Gewichtung dieser Signale durchführt. Dabei wird jede aus dem Signal gewonnene Einzelinformation über einen gesonderten Pfad von Schaltungselementen dem  Amplified instrument amplifier, offset-corrected and each converted by an analog / digital converter. The converted digital signals are then supplied to the microcontroller, which optionally carries out a weighting of these signals. In this case, each item of information obtained from the signal via a separate path of circuit elements the
Microcontroller zugeführt, wodurch eine gesonderte Auswertung jedes einzelnen Signals erfolgen kann, ohne dass Informationen durch vorhergehende Addition verloren geht. Microcontroller supplied, whereby a separate evaluation of each signal can be done without information is lost by previous addition.
Fig. 2e zeigt eine Anordnung von Schaltungselementen, welche es ermöglicht, dass zwei Signale mittels eines einzelnen Instrumentenverstärkers aufaddiert werden, während eine weitere Fig. 2e shows an arrangement of circuit elements which allows two signals to be added by means of a single instrumentation amplifier, while another one
Messspannung über einen unabhängigen Pfad an Schaltungselementen unabhängig von den beiden anderen Signalen der Auswerteeinheit zugeführt wird. Dieses Messignal kann als Measuring voltage is supplied via an independent path to circuit elements independently of the other two signals of the evaluation unit. This measurement signal can be used as
Vergleichswert zur Verfügung stehen oder aufgrund einer anderen Messelektrodengeometrie eine Signal-Kompensation (z.B. des Störfaktors der Luftblasen oder Feststoffanteile) der beiden addierten Signale ermöglichen. Comparative value are available or due to another Meßelektrodengeometrie signal compensation (for example, the disturbance factor of the air bubbles or solid fractions) allow the two added signals.
Fig. 2f zeigt eine zu Fig. 2e analoge Anordnung von Schaltungselementen mit dem Unterschied, dass die Signale der beiden Instrumentenverstärker durch einen einzigen A/D-Wandler FIG. 2f shows an arrangement of circuit elements analogous to FIG. 2e, with the difference that the signals of the two instrument amplifiers are represented by a single A / D converter
umgewandelt werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen Abgriff und eine Addition der analogen AC- und DC- Anteile der Messspannung, um ein Auftreten von Messfehler zu verringern. being transformed. The present invention enables tapping and addition of the analog AC and DC portions of the measurement voltage to reduce occurrence of measurement errors.
Der Zweck der Erfindung besteht in der Optimierung des Störabstandes des Messwertes. Als Störabstand wird allgemein das Verhältnis des Nutzsignals gegenüber dem Störsignal bezeichnet. The purpose of the invention is to optimize the signal-to-noise ratio of the measured value. The signal-to-noise ratio is generally referred to as the ratio of the useful signal to the interfering signal.
Wie aus den Fig. 2a-2f ersichtlich, erfolgt der Abgriff der Signalspannung jedes einzelnen As can be seen from FIGS. 2a-2f, the tapping of the signal voltage takes place individually
Messelektrodenpaares parallel zueinander. Eine unterschiedliche Überlagerung der Measuring electrode pair parallel to each other. A different overlay of the
Signalspannungen findet mittels der erfindungsgemäßen Anordnung aus Schaltungselementen, der sogenannten Verstärkerelektronik, statt. Signal voltages occur by means of the inventive arrangement of circuit elements, the so-called amplifier electronics instead.
Sofern eine Störung nur auf ein Messelektrodenpaar einen Einfluss hat, so kann diese Störung in einer ersten Variante der Erfindung durch Superposition mehrerer Messspannungen von unterschiedlichen Messelektrodenpaaren unterdrückt werden. Dies kann vorzugsweise in den Fall erfolgen, in welchem die Messelektrodenpaare unterschiedliche Geometrien aufweisen (Pilzkopf-, Spitz-, Bügelelektroden usw.). If a disturbance only has an influence on a pair of measuring electrodes, this disturbance can be suppressed in a first variant of the invention by superposition of a plurality of measuring voltages of different measuring electrode pairs. This can preferably be done in the case in which the measuring electrode pairs have different geometries (mushroom, pointed, ironing electrodes, etc.).
In einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung kann eine Optimierung des Störabstandes durch mathematische Überlagerung der redundant abgegriffenen Signale erfolgen. Durch Addition vervielfacht sich die Anzahl der redundanten Pfade. Zugleich nehmen Störungen bei der Addition nicht notwendigerweise im gleichen Maße zu wie das Nutzsignal - sondern beispielsweise nur mit der Wurzel der redundanten Pfade. In a second embodiment of the invention, the signal-to-noise ratio can be optimized by mathematically superimposing the redundantly tapped signals. By addition, the number of redundant paths multiplies. At the same time, disturbances in the addition do not necessarily increase to the same extent as the useful signal - for example, but only with the root of the redundant paths.
Beide vorgenannten Ausführungsvarianten sind vorteilhaft miteinander kombinierbar. Both aforementioned embodiments are advantageously combined with each other.
Im Ergebnis kann je nach Charakteristik der zu unterdrückenden Störung mehrere redundante Signalpfade - bzw. die entsprechenden Schaltungselemente eines Signalpfades - in einem As a result, depending on the characteristic of the interference to be suppressed, a plurality of redundant signal paths - or the corresponding circuit elements of a signal path - in one
Schaltungselement zusammenführt. Dies bedeutet eine hohe Flexibilität des Messsystems je nach Anforderungen des Messmediums. Merges circuit element. This means a high degree of flexibility of the measuring system depending on the requirements of the measuring medium.
Die Redundanz der Signalpfade kann auch zur Überprüfung funktionale Sicherheit genutzt werden. Dies kann beispielsweise für eine Anordnung der Schaltungselemente wie in Fig. 2d derart erfolgen, dass einzelne Messspannungen von Messelektroden miteinander durch die Auswerteeinheit verglichen werden und ein Ausfall festgestellt wird, sofern einer der drei Messwerte signifikant von den beiden anderen Messwerten abweicht. Dies kann einen Defekt der Elektrode oder von einem der Schaltungselemente bedeuten. The redundancy of the signal paths can also be used to verify functional safety. This can be done, for example, for an arrangement of the circuit elements as in FIG. 2d in such a way that individual measured voltages of measuring electrodes are compared with one another by the evaluation unit and if a failure is detected if one of the three measured values deviates significantly from the other two measured values. This may mean a defect in the electrode or one of the circuit elements.
Durch die Optimierung des Störabstandes kann der Messbereich des magnetisch-induktiven Messgerätes auch auf Medien ausgedehnt werden, welche lediglich eine geringe Leitfähigkeit besitzen und daher aufgrund der Störsignale nur schwer erfassbar sind. Gleiches gilt für partikelbeladene Medien, welche üblicherweise größere Störsignale verursachen. By optimizing the signal-to-noise ratio, the measuring range of the magnetic-inductive measuring device can also be extended to media which only have a low conductivity own and therefore are difficult to detect due to the interference signals. The same applies to particle-laden media, which usually cause larger interference signals.
Eine in der Auswerteeinheit integrierte Entscheidungssoftware kann durch Vergleich der A decision software integrated in the evaluation unit can be compared by comparing the
Störabstände der einzelnen Messspannungen zudem entscheiden, ob lediglich eine Messspannung eines Messelektrodenpaares zur Messung genutzt werden soll oder die Messspannungen von mehreren Messelektrodenpaaren. Distortion margins of the individual measuring voltages also decide whether only one measuring voltage of a measuring electrode pair is to be used for the measurement or the measuring voltages of several measuring electrode pairs.
In einem Verfahren zur Optimierung des Störabstandes werden in einem ersten Schritt die In a method for optimizing the signal-to-noise ratio, in a first step, the
Elektrodenpotentiale separat und rückwirkungsfrei (durch Impedanzwandlung) und inklusive des DC-Anteils der Messspannung durch eine Anordnung von Schaltungselementen verarbeitet. Electrode potentials processed separately and without feedback (by impedance conversion) and including the DC component of the measuring voltage through an array of circuit elements.
In einem zweiten Schritt werden die Spannungsdifferenzen der Elektrodenpaare wahlweise : In a second step, the voltage differences of the electrode pairs are optionally:
a) Analog miteinander addiert und gegebenenfalls die Amplitude und der Mittelwert der Signalspannung angepasst  a) added together analogously and optionally adjusted the amplitude and the mean value of the signal voltage
b) Analog separat die Amplitude und der Mittelwert angepasst und simultan digitalisiert (mittels separaten A/D-Wandlern), oder  b) Analogously, the amplitude and the mean are adjusted separately and simultaneously digitized (using separate A / D converters), or
c) Analog separat die Amplitude und der Mittelwert angepasst und sequenziell digitalisiert (mit separaten A D-Wandlern)  c) Analogously the amplitude and the mean are adapted and digitized sequentially (with separate A D converters)
In einem dritten Schritt erfolgt für den Fall, dass nicht schon eine analoge Mittelung der In a third step takes place in the event that not already an analogous averaging of
Spannungsdifferenzen erfolgt ist, eine digitale Kombination der Spannungsdifferenzen unter Anpassung an die zugrundeliegende Störung. Voltage differences is done, a digital combination of the voltage differences with adaptation to the underlying fault.
Im dritten Schritt sollte beachtet werden, dass der Betrag der Messspannungen der verschiedenen Messelektrodenpaare nicht unbedingt gleich sein muss. Beispielsweise kann es eine Mittelung des weissen Rauschens umfassen oder eine Medianwertbildung bei sporadisch auftretenden  In the third step, it should be noted that the amount of the measuring voltages of the different pairs of measuring electrodes does not necessarily have to be the same. For example, it may include white noise averaging or median sporadic spiking
Ereignissen, z.B. bei statistischen Ausreißern. Events, e.g. in statistical outliers.
Zur Erzeugung des Magnetfeldes werden die Spulensysteme in an sich bekannter Weise durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität betrieben. To generate the magnetic field, the coil systems are operated in a conventional manner by a clocked DC alternating polarity.
Das Erfassen der Messspannungen erfolgt bei der vorliegenden Erfindung über gesamten zeitlichen Messbereich. Dabei wird u.a. auch der Zeitraum während des Umschaltens der Polarität des Magnetfeldes gemessen. Dadurch fließt insbesondere der DC-Anteil einer Störspannung in die Messspannung ein. Eine derartige Störspannung kann beispielsweise erzeugt werden da sich je nach Elektrodenbeschaffenheit und Messmedium ein elektrochemisches Potential an der mediumsberührenden Oberfläche der Elektrode ausbildet. Dieses erzeugt eine Störspannung, welche bis 1 ,2V und mehr betragen kann. Die Messspannungen enthalten Gleichspannungsanteile und Wechselspannungsanteile. Diese sind im analogen Bereich der Messspannungen immer vorhanden. The detection of the measured voltages takes place in the present invention over the entire time measuring range. Among other things, the period during the switching of the polarity of the magnetic field is measured. As a result, in particular the DC component of an interference voltage flows into the measurement voltage. Such an interference voltage can be generated, for example, since, depending on the nature of the electrode and the measuring medium, an electrochemical potential is formed on the surface of the electrode in contact with the medium. This generates a noise voltage, which can be up to 1, 2V and more. The measuring voltages contain DC components and AC components. These are always present in the analog range of the measuring voltages.
Um diese analogen Anteile voneinander zu trennen wurden hierfür zumeist analoge In order to separate these analog portions of each other were for this mostly analog
Kompensationsschaltungen zur Filterung verwandt. An deren Ausgang war der Compensation circuits for filtering related. At the exit was the
Gleichspannungsanteil der Messspannung Null. Hochpass- oder Bandpassfilter waren ebenfalls zur Filterung der analogen Messspannung gebräuchlich.  DC voltage component of the measuring voltage zero. High-pass or band-pass filters were also used to filter the analog measurement voltage.
Eine solche analoge Kompensationsschaltung kann allerdings eine Ursache für Messwertfehler darstellen. Erfindungsgemäß erfolgt daher keine Filterung der Gleichspannungsanteile derHowever, such an analog compensation circuit can be a cause of measured value errors. Therefore, according to the invention, no filtering of the DC components of the
Messspannung solange die Messspannung analog vorliegt. Dadurch hat der Analogpfad einen größeren Bereich an Spannungen die er messen kann und es tritt keine Sättigung der Measuring voltage as long as the measuring voltage is analog. As a result, the analog path has a greater range of voltages that it can measure and no saturation occurs
Spannungswerte ein und dadurch keine Mittelwertverfälschung bei der Addition der Signale. Nach der Analog/Digitalen Wandlung können die Spannungsanteile gefiltert werden. Voltage values and thus no mean value in the addition of the signals. After the analog / digital conversion, the voltage components can be filtered.

Claims

Patentansprüche claims
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät umfassend Magnetic-inductive flowmeter comprising
A) ein Messrohr mit einer Messrohrachse,  A) a measuring tube with a measuring tube axis,
B) zumindest zwei sich diametral am Messrohr gegenüberstehende Spulensysteme zur Ausbildung eines Magnetfeldes,  B) at least two coil systems which are diametrically opposed to the measuring tube and form a magnetic field,
C) ein erstes Messelektrodenpaar, mit zwei sich diametral gegenüberstehenden  C) a first measuring electrode pair, with two diametrically opposed ones
Messelektroden, welche eine erste Verbindungsachse ausbilden, welche im  Measuring electrodes, which form a first connection axis, which in
Wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld verläuft, und  Essentially perpendicular to the magnetic field, and
D) zumindest ein zweites Messelektrodenpaar mit zwei sich diametral gegenüberstehenden Messelektroden, welche eine zweite Verbindungsachse ausbilden, welche im  D) at least one second measuring electrode pair with two diametrically opposite measuring electrodes, which form a second connecting axis, which in
Wesentlichen entlang der Messrohrachse parallel zur ersten Verbindungsachse angeordnet ist und welches innerhalb des Magnetfeldes liegt  Is arranged substantially along the Meßrohrachse parallel to the first connection axis and which lies within the magnetic field
E) eine Steuer- und/oder Regeleinheit, zur Erzeugung eines Magnetfeldes wechselnder Polarität durch die Spulensysteme,  E) a control and / or regulating unit for generating a magnetic field of alternating polarity through the coil systems,
F) eine Schaltungsanordnung umfassend eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer  F) a circuit arrangement comprising an evaluation unit for determining a
Durchflussgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines Messmediums, dadurch gekennzeichnet, dass  Flow rate and / or the volume flow of a medium, characterized in that
die Messelektrodenpaare derart mit der Auswerteeinheit verbunden sind, dass ein paralleler Abgriff von Messspannungen vom ersten und vom zweiten Messelektrodenpaar erfolgt und wobei die Schaltungsanordnung ausgebildet ist folgende Verfahrensschritte auszuführen:the measuring electrode pairs are connected to the evaluation unit such that a parallel tapping of measuring voltages takes place from the first and the second measuring electrode pair and wherein the circuit arrangement is designed to execute the following method steps:
I. Konduktiver Abgriff von Messspannungen in Form von Signalspannungen eines jeden der Messelektrodenpaare; I. Conductive tapping of measurement voltages in the form of signal voltages of each of the pairs of measuring electrodes;
II. Verstärkung und/oder Impedanzwandlung einer Messspannung jedes einzelnen Messelektrodenpaares oder einer gemeinsamen Messspannung durch parallelen Abgriff mehrerer Messelektrodenpaare gemeinsam;  II. Amplification and / or impedance transformation of a measuring voltage of each individual measuring electrode pair or of a common measuring voltage by parallel tapping of several measuring electrode pairs in common;
III. Offsetkorrektur und ggf. weitere Verstärkung der Messspannung eines jeden  III. Offset correction and possibly further amplification of the measuring voltage of each
einzelnen Messelektrodenpaares oder der gemeinsamen Messspannung der Messelektrodenpaare  individual measuring electrode pair or the common measuring voltage of the measuring electrode pairs
IV. Analog zu Digitalwandlung der Messspannung eines jeden einzelnen  IV. Analogous to digital conversion of the measuring voltage of each individual
Messelektrodenpaares oder der gemeinsamen Messspannung der  Measuring electrode pair or the common measuring voltage of
Messelektrodenpaare; und  Measuring electrode pairs; and
V. Ermittlung einer Durchflussgeschwindigkeit und/oder eines Volumendurchflusses anhand der störabstandsoptimierten Messspannung oder Messspannungen, wobei bei der Offset-korrektur und ggf. Verstärkung der Messspannung, gemäß Schritt III, sowohl Wechselspannungs- und Gleichspannungsanteile der Messspannungen miteinander addiert werden und wobei durch die Schaltungsanordnung eine Optimierung des  V. Determining a flow rate and / or a volume flow on the noise margin optimized measurement voltage or voltages, in offset correction and possibly amplification of the measurement voltage, according to step III, both AC and DC voltage components of the measured voltages are added together and wherein the circuit arrangement a Optimization of the
Störabstandes der Messspannungen eines jeden einzelnen Messelektrodenpaares oder des gemeinsamen Messspannungen aller Messelektrodenpaare erfolgt; Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät ein drittes Messelektrodenpaar mit zwei sich diametral gegenüberstehenden Messelektroden aufweist, welche eine dritte Verbindungsachse ausbilden, welche im Wesentlichen entlang der Messrohrachse parallel zur ersten Verbindungsachse angeordnet ist und welches innerhalb des Magnetfeldes liegt. Signal to noise ratio of the measuring voltages of each individual pair of measuring electrodes or the common measuring voltages of all pairs of measuring electrodes takes place; Magnetic-inductive flowmeter according to claim 1, characterized in that the magnetic-inductive flowmeter has a third measuring electrode pair with two diametrically opposed measuring electrodes, which form a third connecting axis, which is arranged substantially along the measuring tube axis parallel to the first connecting axis and which within the Magnetic field is.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Magnetic-inductive flowmeter according to claim 1 or 2, characterized
gekennzeichnet, dass das zweite und/oder das dritte Messelektrodenpaar Messelektroden aufweist, welche sich in ihrer geometrischen Form und/oder in ihrer in that the second and / or the third measuring electrode pair has measuring electrodes which are in their geometric form and / or in their geometrical shape
Materialzusammensetzung von dem ersten Messelektrodenpaar unterscheiden. Differentiate material composition of the first measuring electrode pair.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung umfassend die Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass zumindest Messspannungen eines der Messelektrodenpaare unabhängig von den Messspannungen der weiteren Messelektrodenpaare verstärkt und Offset-korrigiert werden. Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit arrangement comprising the evaluation unit is configured such that at least measuring voltages of one of the measuring electrode pairs are amplified and offset-corrected independently of the measuring voltages of the other pairs of measuring electrodes.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung umfassend die Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist zumindest Messspannungen eines der Messelektrodenpaare unabhängig von den Messspannungen der weiteren Messelektrodenpaare verstärkt, Offset- korrigiert und analog zu digital gewandelt werden. Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit arrangement comprising the evaluation unit is configured at least measured voltages of one of the measuring electrode pairs regardless of the measured voltages of the other pairs of measuring electrodes amplified, offset-corrected and converted analog to digital.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung umfassend eine Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass die Messspannungen von zwei der Messelektroden paare nach deren separater Verstärkung gemeinsam addiert und einem A D-Wandler zugeführt werden und Messspannungen eines dritten der Messelektrodenpaare dem A/D-Wandler zugeführt wird. Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit arrangement comprising an evaluation unit is configured such that the measuring voltages of two of the measuring electrodes pairs are added together after their separate amplification and fed to an A D converter and measuring voltages of a third of Measuring electrode pairs is fed to the A / D converter.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung umfassend eine Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass Messspannungen eines jeden Messelektrodenpaares unabhängig von den Messspannungen der weiteren Messelektrodenpaaren verstärkt, addiert und analog zu digital gewandelt werden. Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit arrangement comprising an evaluation unit is designed such that measured voltages of each pair of measuring electrodes regardless of the measuring voltages of the other pairs of measuring electrodes amplified, added and converted analog to digital.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung derart ausgebildet ist, dass die Schaltungsanordnung eine gewichtete Verstärkung und/oder Addition von Messspannungen eines der Messelektrodenpaare gegenüber den Messspannungen der weiteren Messelektrodenpaaren erfolgt. Magnetic-inductive flowmeter according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit arrangement is designed such that the circuit arrangement, a weighted gain and / or addition of measuring voltages one of the measuring electrode pairs compared to the measuring voltages of the other pairs of measuring electrodes takes place.
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