WO2015176891A1 - Vorrichtung zum messen des volumenstroms eines fluids - Google Patents

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WO2015176891A1
WO2015176891A1 PCT/EP2015/058481 EP2015058481W WO2015176891A1 WO 2015176891 A1 WO2015176891 A1 WO 2015176891A1 EP 2015058481 W EP2015058481 W EP 2015058481W WO 2015176891 A1 WO2015176891 A1 WO 2015176891A1
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overvoltage
measuring
holding voltage
control
ratio
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PCT/EP2015/058481
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Thomas Budmiger
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Endress+Hauser Flowtec Ag
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    • 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
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • 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
    • G01F1/586—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 coils, magnetic circuits, accessories therefor

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the volume flow of a fluid, which flows through a measuring tube in the direction of the longitudinal axis, with a coil arrangement, with at least two with the fluid coupling
  • Measuring electrodes and with a control / evaluation unit which generates in connection with the coil arrangement a periodically changing the polarity, extending substantially transverse to the longitudinal axis of the measuring tube magnetic field and during a measurement phase at a substantially constant magnetic field based on a voltage induced in the measuring electrodes, the volume flow of the fluid in the measuring tube.
  • the at least two measuring electrodes are galvanically or capacitively coupled to the fluid.
  • the coil arrangement preferably has two diametrically arranged coils, usually each with an integrated coil core. Depending on the configuration, only one coil with or without a winding core can be provided, or more than two coils are used each with or without a coil core.
  • Corresponding measuring devices are called magnetic-inductive
  • Magnetic-inductive flowmeters use the principle of electrodynamic induction for volumetric flow measurement:
  • Charge carriers of the fluid moved perpendicular to a magnetic field induce a voltage in measuring electrodes which are likewise arranged substantially perpendicular to the flow direction of the fluid. This voltage induced in the measuring electrodes is proportional to that across the cross section of the
  • Measuring tube averaged flow velocity of the medium it is therefore proportional to the volume flow.
  • the current profile in the coil arrangement corresponds to the course of the magnetic field. Due to eddy currents, which occur during the switching of the magnetic field in the pole shoes and cores of the coil assembly, occur in reality deviations from the ideal case. Of the coil current measured outside the coil arrangement therefore corresponds to the sum of the current flowing in the coil arrangement and the current generated by the eddy currents. If the current measured outside the coil arrangement is used as the controlled variable, then the current is not constant but the magnetic field is constant. This applies until the eddy currents have subsided.
  • the magnetic field has a constant magnetic field value corresponding to the constant current setpoint when the current maximum is reached.
  • the duration of the switching phase is given by the characteristic of the coil current. Since the stability of the measurement signal u.a. is also affected by the inductive coupling of the coil assembly to the measuring electrodes, both the voltage across the coil assembly and the current through the coils must be constant during the measurement of the voltage difference between the measuring electrodes. In the solution known from the prior art, this is only the case because of the asymptotic approach to the final value when the
  • the holding voltage depends on
  • Holding voltage defined as the product of resistance and rated current. Since the resistance is temperature-dependent, the holding voltage changes at a constant overvoltage. Since the overvoltage is usually unregulated, fluctuations in the overvoltage can also lead to an uncontrolled one
  • the invention has for its object to ensure an improved stability of the zero point in a magnetic-inductive device or in a magnetic-inductive method for measuring the volume flow.
  • control / evaluation unit acts on the coil arrangement during a deceleration phase with an overvoltage, wherein the deceleration phase for
  • Time of switching the polarity of the magnetic field begins and ends at the time of the beginning of the measurement phase, and that the control / evaluation unit, the coil assembly during the period of
  • control / evaluation unit the ratio of
  • control / evaluation unit controls the ratio of overvoltage to holding voltage by a corresponding change of the overvoltage to a substantially constant value.
  • control / evaluation unit regulates the ratio of overvoltage to holding voltage to a substantially constant value by determining the duration of the
  • Overvoltage to holding voltage is greater than 1.
  • the predetermined value of the ratio of overvoltage to holding voltage is preferably between 2 and 10. The predetermined value depends in particular on the desired measuring speed and / or the sensor type used of the electromagnetic flowmeter and / or on the application in which the sensor type is used ,
  • control / evaluation selects in the case of
  • the predetermined value of the ratio of overvoltage to holding voltage as large as it is possible in the context of the available power. Furthermore, an advantageous embodiment of the magnetic-inductive flowmeter suggests that the control / evaluation unit in the case of an application, which is located in a hazardous area, the predetermined value of the ratio of overvoltage to holding voltage so low that the power consumption allowed for the hazardous area is not exceeded.
  • Time of switching the polarity of the magnetic field begins and at the time of the beginning of the measuring phase ends, and that the coil assembly is applied during the period of the measuring phase with a substantially constant holding voltage, wherein the ratio of overvoltage to holding voltage is regulated to a substantially constant value ,
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 3 is a diagram showing the time course of the coil voltage U s at different ratios of overvoltage to holding voltage
  • Device according to the invention. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the device 1 according to the invention.
  • the measuring tube 2 is traversed by the fluid 1 1 in the direction of the longitudinal axis of the measuring tube 3.
  • the fluid 1 1 is at least to a small extent electrically conductive.
  • the measuring tube 2 itself is made of a non-conductive material, or it is lined at least on its inner surface with a non-conductive material.
  • the perpendicular to the flow direction of the fluid 1 1 aligned magnetic field B is generated via the diametrically arranged coil assembly 6, 7 or via two electromagnets. Under the influence of the magnetic field B, charge carriers located in the fluid 1 1 migrate depending on the polarity to the two oppositely poled measuring electrodes 4, 5. The to the
  • Measuring electrodes 4, 5 voltage is proportional to the averaged over the cross section of the measuring tube 2 flow rate of the fluid 1 1, d. H. it is a measure of the volume flow of the fluid 1 1 in the measuring tube 2.
  • the measuring tube 2 is incidentally via connecting elements, for. As flanges, which are not shown separately in the drawing, connected to a pipe system through which the fluid flows through 1 1.
  • the measuring electrodes 4, 5 are in direct contact with the fluid 11; however, the coupling can also be capacitive in nature.
  • the control / evaluation unit 8 is connected via the connecting line 16 to an input / output unit 9.
  • the evaluation / control unit 8 is associated with the memory unit 10.
  • the current profile corresponds to the profile of the magnetic field B generated by the coil arrangement 6, 7.
  • the coils of a coil arrangement 6, 7 which are used in magnetic-inductive sensors usually have coil cores and / or pole shoes on.
  • the control / evaluation Unit 8 is applied to the coil assembly 6, 7 so that the magnetic field B periodically changes its direction.
  • the coil current I L is constant, opposite and equal in magnitude. Due to the eddy currents produced in the pole shoes and coil cores, this ideal case does not occur in reality. Rather, the current i M measured outside the coil arrangement 6, 7 always corresponds to that
  • FIG. 2 A corresponding equivalent circuit diagram of the coil arrangement 6, 7 is shown in FIG. 2.
  • control / evaluation unit acts on the
  • Switching the polarity of the magnetic field B begins and ends at the time of the beginning of the measuring phase.
  • the control / evaluation unit 8 loads the coil arrangement 6, 7 with a substantially constant holding voltage. According to the invention, the control / evaluation unit 8 regulates the ratio of overvoltage
  • control / evaluation unit 8 controls the ratio of overvoltage
  • Holding voltage by appropriate change of the overvoltage to a substantially constant value Alternatively regulates the control / evaluation unit 8, the ratio of overvoltage to holding voltage to a in
  • Power supply is limited to a maximum allowable value, it is not possible in many applications in industrial metrology, to increase the surge as desired.
  • FIG. 4 shows a circuit arrangement which is used in the magnetic-inductive flowmeter 1 according to the invention and which is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • Flowmeter 1 periodically switched.
  • an H-circuit is usually used: in the first half-period, the two switches S2 and S3 are closed, and the two switches S1, S4 are open. In the following half-period, the two switches S2, S3 are opened, and the two switches S1, S4 are closed.
  • the coil current I M measured outside the coil arrangement 6, 7 flows through the coil arrangement 6, 7 in two successive half-periods in the reverse direction. This is accompanied by a change in the polarity of the magnetic field B.
  • the voltage difference AU S across the two coils of the coil arrangement 6, 7 tapped voltages are from an A / D converter 17th
  • the voltage difference AU S is fed to the microcontroller 21.
  • the actual value of the coil current I M is measured across the resistor R sense , digitized by the AD converter 18 and also the
  • the coil arrangement 6, 7 during the period of the measuring phase with a substantially constant holding voltage
  • Overvoltage to hold voltage controls to a substantially constant value.
  • the ratio of overvoltage to holding voltage is in the
  • Ratio of overvoltage to holding voltage by corresponding change of overvoltage
  • the default value of the ratio of overvoltage and holding voltage is application-dependent. If a high measuring speed is desired - for example because the volume flow shows high dynamics - then the predetermined value of the ratio should be as large as possible: the higher the overvoltage, the lower the time duration of the deceleration phase and the faster the measured values can be in subsequent measuring phases Will be provided. In the case of an application in which a high measuring speed is required due to high dynamics, the control / evaluation unit 8 preferably selects the predetermined value of the ratio of overvoltage to holding voltage as large as is possible within the scope of the available power.
  • an advantageous embodiment of the magnetic-inductive flowmeter suggests that the control / evaluation unit 8 in the case of an application, which is located in a hazardous area, the predetermined value of the ratio of overvoltage to holding voltage so low chooses that for the explosion-endangered Range allowed power consumption is not exceeded. If the two boundary conditions mentioned above are to be fulfilled at the same time, then the control / evaluation unit will make a compromise proposal. In addition to specifying values for the ratio of overvoltage to
  • Holding voltage through the control / evaluation unit there is also the Possibility for the user to be able to adapt the default value to the real application by optimizing the input.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messendes Volumenstroms eines Fluids (11), das ein Messrohr (2) in Richtung der Längsachse (3) durchfließt, mit einer Spulenanordnung (6,7), mit zumindest zwei mit dem Fluid (11) koppelnden Messelektroden (4,5) und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (8), die in Verbindung mit der Spulenanordnung (6,7) ein periodisch die Polarität änderndes,im Wesentlichen quer zur Längsachse (3) des Messrohres (2) verlaufendes Magnetfeld (B) erzeugt und während einer Messphase bei einem im Wesentlichen konstanten Magnetfeld (B) anhand einer in die Messelektroden (4,5) induzierten Spannung den Volumenstrom des Fluids (11) in dem Messrohr (2) bestimmt, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (8) die Spulenanordnung (6,7) während einer Verzögerungsphase mit einer Überspannung beaufschlagt, wobei die Verzögerungsphase zum Zeitpunkt des Umschaltens der Polarität des Magnetfeldes (B) beginnt und zum Zeitpunkt des Beginns der Messphase endet, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (8) die Spulenanordnung (6,7) während der Zeitdauer der Messphase mit einer im Wesentlichen konstanten Haltespannung beaufschlagt, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (8) das Verhältnis von Überspannung zu Haltespannung auf einen im Wesentlichen konstanten Wert regelt.

Description

Vorrichtung zum Messen des Volumenstroms eines Fluids
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Volumenstroms eines Fluids, das ein Messrohr in Richtung der Längsachse durchfließt, mit einer Spulenanordnung, mit zumindest zwei mit dem Fluid koppelnden
Messelektroden und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die in Verbindung mit der Spulenanordnung ein periodisch die Polarität änderndes, im Wesentlichen quer zur Längsachse des Messrohres verlaufendes Magnetfeld erzeugt und während einer Messphase bei einem im Wesentlichen konstanten Magnetfeld anhand einer in die Messelektroden induzierten Spannung den Volumenstrom des Fluids in dem Messrohr bestimmt. Die zumindest zwei Messelektroden sind mit dem Fluid galvanisch oder kapazitiv gekoppelt. Bevorzugt weist die Spulenanordnung zwei diametral angeordnete Spulen üblicherweise mit jeweils einem integrierten Spulenkern auf. Je noch Ausgestaltung kann auch nur eine Spule mit oder ohne Spulekern vorgesehen sein, oder es werden mehr als zwei Spulen jeweils mit oder ohne Spulenkern eingesetzt.
Entsprechende Messgeräte werden als magnetisch-induktive
Durchflussmessgeräte bezeichnet. Desweiteren bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren wie es im Oberbegriff des Anspruchs 10 beschrieben ist.
Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte nutzen für die volumetrische Strömungsmessung das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus:
Senkrecht zu einem Magnetfeld bewegte Ladungsträger des Fluids induzieren in gleichfalls im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnete Messelektroden eine Spannung. Diese in die Messelektroden induzierte Spannung ist proportional zu der über den Querschnitt des
Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums; sie ist also proportional zum Volumenstrom.
Im Idealfall entspricht der Stromverlauf in der Spulenanordnung dem Verlauf des Magnetfelds. Aufgrund von Wirbelströmen, die während des Umschaltens des Magnetfeldes in den Polschuhen und Kernen der Spulenanordnung entstehen, treten in der Realität Abweichungen vom Idealfall auf. Der außerhalb der Spulenanordnung gemessene Spulenstrom entspricht daher der Summe des in der Spulenanordnung fließenden Stroms und des durch die Wirbelströme erzeugten Stroms. Wird der außerhalb der Spulenanordnung gemessene Strom als Regelgröße verwendet, ist folglich zwar der Strom nicht aber das Magnetfeld konstant. Dies gilt solange, bis die Wirbelströme abgeklungen sind.
Um diesen Missstand zu beseitigen, wird in der EP 0 969 268 A1
vorgeschlagen, den Strom nicht direkt zur Nachführung der Spannung über der Spulenanordnung zu verwenden. Zum raschen Umkehren der Richtung des Magnetfeldes wird beim Umschalten des Magnetfeldes für eine
Anstiegsdauer eine Überspannung an die Spulenanordnung angelegt. Die Dauer der Überspannung wird sukzessive so eingestellt, dass mit Ablauf der Anstiegsdauer das Strommaximum erreicht ist, so dass kein weiterer Anstieg des Spulen-stroms auftritt. Nach Erreichen des Maximums nähert sich der Spulenstrom asymptotisch dem Strom-Endwert an. Gemäß der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung hat das Magnetfeld mit Erreichen des Strommaximums einen dem konstanten Strom-Sollwert entsprechenden konstanten Magnetfeld-Endwert. Die Dauer der Umschaltphase ist durch die Charakteristik des Spulenstroms gegeben. Da die Stabilität des Messsignals u.a. auch durch die induktive Einkopplung von der Spulenanordnung zu den Messelektroden beeinträchtigt wird, müssen während der Messung der Spannungsdifferenz zwischen den Messelektroden sowohl die Spannung über der Spulenanordnung als auch der Strom durch die Spulen konstant sein. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung ist dies aufgrund der asymptotischen Annäherung an den Endwert erst der Fall, wenn die
Wirbelströme vollständig abgeklungen sind. Zusammengefasst wird in der zuvor genannten EP 0 969 268 A1 eine indirekte Regelung des B-Feldes mittels Anlegen einer im Wesentlichen konstanten Überspannung
beschrieben.
Nachteilig bei der zuvor genannten Lösung kann es sich auswirken, dass die Anstiegsdauer des Spulenstroms eine relative starke Abhängigkeit von den Prozess- und /oder Umgebungsbedingungen zeigt. Bei einer Änderung der Anstiegsdauer ändert sich zwangsläufig auch die Zeitdauer zwischen dem Ende der Anstiegsdauer und dem Beginn der nachfolgenden Messphase. Nicht vollständig abgeklungene Störsignale zwischen der Spulenanordnung und den Messelektroden, die üblicherweise kapazitiver Natur sind,
beeinflussen die Messgrößen. Die Haltespannung ist abhängig vom
Widerstand der Spulenanordnung und vom Sollstrom. Hierbei ist die
Haltespannung definiert als Produkt aus Widerstand und Sollstrom. Da der Widerstand temperaturabhängig ist, ändert sich bei konstanter Überspannung die Haltespannung. Da die Überspannung üblicherweise ungeregelt ist, können auch Schwankungen der Überspannung zu einer unkontrollierten
Änderung der Anstiegsdauer führen. Infolge des zuvor genannten Einflusses der Umgebungs- und/oder Prozessbedingungen kommt es zu Schwankungen der gemessenen Spannungsdifferenz zwischen den Messelektroden und demzufolge zu Schwankungen des Nullpunkts des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts. Durch die Instabilität des Nullpunkts verringern sich die Messgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Messungen des magnetischinduktiven Durchflussmessgeräts.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer magnetisch-induktiven Vorrichtung bzw. bei einem magnetisch-induktiven Verfahren zum Messen des Volumenstroms eine verbesserte Stabilität des Nullpunkts sicherzustellen.
Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung dadurch gelöst, dass die Regel- /Auswerteeinheit die Spulenanordnung während einer Verzögerungsphase mit einer Überspannung beaufschlagt, wobei die Verzögerungsphase zum
Zeitpunkt des Umschaltens der Polarität des Magnetfeldes beginnt und zum Zeitpunkt des Beginns der Messphase endet, und dass die Regel- /Auswerteeinheit die Spulenanordnung während der Zeitdauer der
Messphase mit einer im Wesentlichen konstanten Haltespannung
beaufschlagt, wobei die Regel-/Auswerteeinheit das Verhältnis von
Überspannung zu Haltespannung auf einen im Wesentlichen konstanten Wert regelt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung regelt die Regel-/Auswerteeinheit das Verhältnis von Überspannung zu Haltespannung durch eine entsprechende Änderung der Überspannung auf einen im Wesentlichen konstanten Wert. Alternativ regelt die Regel- /Auswerteeinheit das Verhältnis von Überspannung zu Haltespannung auf einen im Wesentlichen konstanten Wert, indem sie die Zeitdauer der
Verzögerungsphase auf einem zumindest näherungsweise konstanten Wert hält. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des magnetisch induktiven Durchflussmess- geräts schlägt vor, dass der vorgegebene Wert des Verhältnisses von
Überspannung zu Haltespannung größer ist als 1 . Bevorzugt liegt der vorgegebene Wert des Verhältnisses von Überspannung zu Haltespannung zwischen 2 und 10. Der vorgegebene Wert hängt insbesondere ab von der angestrebten Messgeschwindigkeit und/oder dem verwendeten Sensortyp des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts und/oder von der Applikation, in der der Sensortyp eingesetzt ist.
Wird eine hohe Messgeschwindigkeit angestrebt - beispielsweise da der Volumenstrom eine hohe Dynamik zeigt -, so ist der vorgegebene Wert des
Verhältnisses möglichst groß zu wählen: Je höher die Überspannung ist, desto geringer ist die Zeitdauer der Verzögerungsphase und desto schneller können in aufeinanderfolgenden Messphasen Messwerte zur Verfügung gestellt werden. Bevorzugt wählt die Regel-/Auswerteeinheit im Falle einer
Applikation, in der aufgrund einer hohen Dynamik eine hohe
Messgeschwindigkeit gefordert ist, den vorgegebenen Wert des Verhältnisses von Überspannung zu Haltespannung so groß, wie es im Rahmen der zur Verfügung stehenden Leistung möglich ist. Weiterhin schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts vor, dass die Regel-/Auswerteeinheit im Falle einer Applikation, die sich in einem explosionsgefährdeten Bereich befindet, den vorgegebenen Wert des Verhältnisses von Überspannung zu Haltespannung so gering wählt, dass die für den explosionsgefährdeten Bereich zulässige Leistungsaufnahme nicht überschritten wird.
Eine günstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sieht eine Speichereinheit vor, in der vorgegebene Werte für das Verhältnis von
Überspannung zu Haltespannung in Abhängigkeit von dem jeweiligen
Sensortyp und/oder der jeweiligen Applikation und/oder der angestrebten Messgenauigkeit hinterlegt sind. Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass
dass die Spulenanordnung während einer Verzögerungsphase mit einer Überspannung beaufschlagt wird, wobei die Verzögerungsphase zum
Zeitpunkt des Umschaltens der Polarität des Magnetfeldes beginnt und zum Zeitpunkt des Beginns der Messphase endet, und dass die Spulenanordnung während der Zeitdauer der Messphase mit einer im Wesentlichen konstanten Haltespannung beaufschlagt wird, wobei das Verhältnis von Überspannung zu Haltespannung auf einen im Wesentlichen konstanten Wert geregelt wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2: ein stark vereinfachtes Ersatzschaltbild der Spulenanordnung,
Fig. 3: ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Spulenspannung Us bei unterschiedlichen Verhältnissen von Überspannung zu Haltespannung zeigt,
Fig. 4: ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 . Das Messrohr 2 wird von dem Fluid 1 1 in Richtung der Längsachse des Messrohres 3 durchflössen. Das Fluid 1 1 ist zumindest in geringem Umfang elektrisch leitfähig. Das Messrohr 2 selbst ist aus einem nicht-leitfähigen Material gefertigt, oder es ist zumindest an seiner Innenfläche mit einem nicht-leitfähigen Material ausgekleidet.
Das senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids 1 1 ausgerichtete Magnetfeld B wird über die diametral angeordnete Spulenanordnung 6, 7 bzw. über zwei Elektromagnete erzeugt. Unter dem Einfluss der Magnetfeldes B wandern in dem Fluid 1 1 befindliche Ladungsträger je nach Polarität zu den beiden entgegengesetzt gepolten Messelektroden 4, 5 ab. Die sich an den
Messelektroden 4, 5 aufbauende Spannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres 2 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Fluids 1 1 , d. h. sie ist ein Maß für den Volumenstrom des Fluids 1 1 in dem Messrohr 2. Das Messrohr 2 ist übrigens über Verbindungselemente, z. B. Flansche, die in der Zeichnung nicht gesondert dargestellt sind, mit einem Rohrsystem, durch das das Fluid 1 1 hindurchströmt, verbunden.
In den beiden gezeigten Fällen befinden sich die Messelektroden 4, 5 in direktem Kontakt mit dem Fluid 1 1 ; die Kopplung kann jedoch auch kapazitiver Natur sein.
Über Verbindungsleitungen 12, 15 sind die Messelektroden 4, 5 mit der Rege- /Auswerteeinheit 8 verbunden. Die Verbindung zwischen den
Spulenanordnungen 6, 7 und der Regel-/Auswerteeinheit 8 erfolgt über die Verbindungsleitungen 13, 14. Die Regel-/Auswerteeinheit 8 ist über die Verbindungsleitung 16 mit einer Eingabe-/Ausgabeeinheit 9 verbunden. Der Auswerte-/Regeleinheit 8 ist die Speichereinheit 10 zugeordnet. Bei einem idealen Magnetsystem bzw. bei einer idealen Spulenanordnung 6, 7 entspricht der Stromverlauf dem Verlauf des von der Spulenanordnung 6, 7 erzeugten Magnetfeldes B. Die Spulen einer Spulenanordnung 6, 7, die bei magnetisch-induktiven Messaufnehmern zum Einsatz kommen, weisen üblicherweise Spulenkerne und/oder Polschuhe auf. Die Regel-/Auswerte- einheit 8 beaufschlagt die Spulenanordnung 6, 7 so mit Strom, dass das Magnetfeld B periodisch seine Richtung ändert. Idealerweise ist in beiden Halbperioden der Spulenstrom lL konstant, entgegengesetzt und betragsgleich. Aufgrund der in den Polschuhen und Spulenkernen entstehenden Wirbelströme tritt dieser Idealfall in der Realität nicht auf. Vielmehr entspricht der außerhalb der Spulenanordnung 6, 7 gemessene Strom iM immer dem
Summenstrom lM , der sich aus dem Spulenstrom lL und dem Wirbelstrom
IEDDY zusammensetzt. Da stets der außerhalb der Spulenanordnung 6, 7 gemessene Strom iM von der Regel-/Auswerteeinheit 8 als Regelgröße verwendet wird, ist zwar der Strom lM konstant, nicht jedoch das Magnetfeld
B, das das Messrohr 2 durchsetzt. Ein entsprechendes Ersatzschaltbild der Spulenanordnung 6, 7 ist in der Fig. 2 dargestellt.
Erfindungsgemäß beaufschlagt die Regel-/Auswerteeinheit die
Spulenanordnung 6, 7 während einer Verzögerungsphase mit einer
Überspannung, wobei die Verzögerungsphase zum Zeitpunkt des
Umschaltens der Polarität des Magnetfeldes B beginnt und zum Zeitpunkt des Beginns der Messphase endet. Während der Zeitdauer der Messphase beaufschlagt die Regel-/Auswerteeinheit 8 die Spulenanordnung 6, 7 mit einer im Wesentlichen konstanten Haltespannung. Erfindungsgemäß regelt die Regel-/Auswerteeinheit 8 das Verhältnis von Überspannung zu
Haltespannung auf einen im Wesentlichen konstanten Wert. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung regelt die Regel-/Auswerteeinheit 8 das Verhältnis von Überspannung zu
Haltespannung durch entsprechende Änderung der Überspannung auf einen im Wesentlichen konstanten Wert. Alternativ regelt die Regel-/Auswerteeinheit 8 das Verhältnis von Überspannung zu Haltespannung auf einen im
Wesentlichen konstanten Wert, indem sie die Zeitdauer der
Verzögerungsphase auf einem zumindest näherungsweise konstanten Wert hält.
In Fig. 3 ist die Spannung über der Spulenanordnung 6, 7 bei drei
unterschiedlichen Verhältnissen von Überspannung zu Haltespannung dargestellt. Je höher das Verhältnis von Überspannung zu Haltespannung gewählt ist, umso schneller wird die konstante Haltespannung erreicht, und die Messphase kann starten . Da in explosionsgefährdeten Bereichen die
Leistungszufuhr auf einen maximal zulässigen Wert beschränkt ist, ist es bei vielen Anwendungsfällen in der industriellen Messtechnik nicht möglich, die Überspannung beliebig zu erhöhen.
Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, die bei dem erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät 1 angewendet wird und die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Wie bereits zuvor erwähnt, wird das Magnetfeld B eines magnetisch-induktiven
Durchflussmessgeräts 1 periodisch umgeschaltet. Zur Ansteuerung des Magnetfeldes B wird üblicherweise eine H-Schaltung verwendet: In der ersten Halbperiode sind die beiden Schalter S2 und S3 geschlossen, und die beiden Schalter S1 , S4 sind geöffnet. In der darauf folgenden Halbperiode sind die beiden Schalter S2, S3 geöffnet, und die beiden Schalter S1 , S4 sind geschlossen. Infolge der Ansteuerung der Schalter S1 , S2, S3, S4 durchfließt der außerhalb der Spulenanordnung 6, 7 gemessene Spulenstrom IM die Spulenanordnung 6, 7 in zwei aufeinanderfolgenden Halbperioden in umgekehrter Richtung. Damit einher geht ein Wechsel in der Polarität des Magnetfeldes B.
Die Spannungsdifferenz A US über den beiden Spulen der Spulenanordnung 6, 7 abgegriffenen Spannungen werden von einem A/D-Wandler 17
digitalisiert. Die Spannungsdifferenz AUS wird dem MikroController 21 zugeleitet. Der Istwert des Spulenstroms IM wird über dem Widerstand RSense gemessen, von dem A D Wandler 18 digitalisiert und gleichfalls dem
Microcontroller 21 zugeleitet.
Erfindungsgemäß wird die Spulenanordnung 6, 7 während der Zeitdauer der Messphase mit einer im Wesentlichen konstanten Haltespannung
beaufschlagt, wobei die Regel-/Auswerteeinheit 8 das Verhältnis von
Überspannung zu Haltespannung auf einen im Wesentlichen konstanten Wert regelt. Das Verhältnis von Überspannung zu Haltespannung ist in der
Speichereinheit 10 abgelegt. Aufgrund der gelieferten Spannungs- und Stromwerte berechnet der Microcontroller 21 das Verhältnis von
Überspannung und Haltespannung und steuert die regel-/steuerbare
Spannungsquelle 20 so an, dass das Verhältnis zwischen Überspannung und Haltespannung mit einem für die jeweilige Applikation vorgegebenen
Vorgabewert übereinstimmt. Zwischen Microcontroller 21 und steuerbarer Spannungsquelle ist noch der D/A-Wandler 19 vorgesehen. Da die
Haltespannung konstant sein muss, erfolgt die Konstanthaltung des
Verhältnises von Überspannung zu Haltespannung durch entsprechende Änderung der Überspannung.
Der Vorgabewert des Verhältnisses von Überspannung und Haltespannung ist applikationsabhängig. Wird eine hohe Messgeschwindigkeit angestrebt - beispielsweise da der Volumenstrom eine hohe Dynamik zeigt -, so ist der vorgegebene Wert des Verhältnisses möglichst groß zu wählen: Je höher die Überspannung ist, desto geringer ist die Zeitdauer der Verzögerungsphase und desto schneller können in aufeinanderfolgenden Messphasen Messwerte zur Verfügung gestellt werden. Bevorzugt wählt die Regel-/Auswerteeinheit 8 im Falle einer Applikation, in der aufgrund einer hohen Dynamik eine hohe Messgeschwindigkeit gefordert ist, den vorgegebenen Wert des Verhältnisses von Überspannung zu Haltespannung so groß, wie es im Rahmen der zur Verfügung stehenden Leistung möglich ist.
Weiterhin schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts vor, dass die Regel-/Auswerteeinheit 8 im Falle einer Applikation, die sich in einem explosionsgefährdeten Bereich befindet, den vorgegebenen Wert des Verhältnisses von Überspannung zu Haltespannung so gering wählt, dass die für den explosionsgefährdeten Bereich zulässige Leistungsaufnahme nicht überschritten wird. Sind die beiden zuvor genannten Randbedingungen gleichzeitig zu erfüllen, so wird die Regel-/Auswerteeinheit einen Kompromissvorschlag machen. Neben der Vorgabe von Werten für das Verhältnis von Überspannung zu
Haltespannung durch die Regel-/Auswerteeinheit, besteht auch die Möglichkeit, dass der Anwender den Vorgabewert durch entsprechende Eingaben optimiert auf den realen Anwendungsfall anpassen kann.
Bezugszeichenliste
1 erfindungsgemäße Vorrichtung
2 Messrohr
3 Längsachse des Messrohres
4 Messelektrode
5 Messelektrode
6 Spulenanordnung
7 Spulenanordnung
8 Regel-/Auswerteeinheit
9 Eingabe-/Ausgabeeinheit
10 Speichereinheit
1 1 Fluid
12 Verbindungsleitung
13 Verbindungsleitung
14 Verbindungsleitung
15 Verbindungsleitung
16 Verbindungsleitung
17 D/A Wandler
18 D/A Wandler
19 A/D Wandler
20 regelbare Spannungsquelle
21 Microcontroller

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum Messen des Volumenstroms eines Fluids (1 1 ), das ein Messrohr (2) in Richtung der Längsachse (3) durchfließt, mit einer
Spulenanordnung (6, 7), mit zumindest zwei mit dem Fluid (1 1 ) koppelnden Messelektroden (4, 5) und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (8), die in Verbindung mit der Spulenanordnung (6, 7) ein periodisch die Polarität änderndes, im Wesentlichen quer zur Längsachse (3) des Messrohres (2) verlaufendes Magnetfeld (B) erzeugt und während einer Messphase bei einem im Wesentlichen konstanten Magnetfeld (B) anhand einer in die
Messelektroden (4, 5) induzierten Spannung den Volumenstrom des Fluids (1 1 ) in dem Messrohr (2) bestimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regel-/Auswerteeinheit (8) die Spulenanordnung (6, 7) während einer Verzögerungsphase mit einer Überspannung beaufschlagt, wobei die
Verzögerungsphase zum Zeitpunkt des Umschaltens der Polarität des Magnetfeldes (B) beginnt und zum Zeitpunkt des Beginns der Messphase endet,
dass die Regel-/Auswerteeinheit (8) die Spulenanordnung (6, 7) während der Zeitdauer der Messphase mit einer im Wesentlichen konstanten
Haltespannung beaufschlagt, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (8) das Verhältnis von Überspannung zu Haltespannung auf einen im Wesentlichen konstanten Wert regelt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Regel-/Auswerteeinheit (8) das Verhältnis von Überspannung zu Haltespannung durch entsprechende Änderung der Überspannung auf einen im Wesentlichen konstanten Wert regelt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Regel-/Auswerteeinheit (8) das Verhältnis von Überspannung zu Haltespannung auf einem im Wesentlichen konstanten Wert regelt, indem sie die Zeitdauer der Verzögerungsphase auf einem zumindest näherungsweise konstanten Wert hält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder 1 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der vorgegebene Wert des Verhältnisses von Überspannung zu
Haltespannung größer ist als 1 .
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der vorgegebene Wert des Verhältnisses von Überspannung zu
Haltespannung bevorzugt zwischen 2 und 10 liegt.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der vorgegebene Wert des Verhältnisses von Überspannung zu
Haltespannung abhängig ist von dem verwendeten Sensortyp und/oder von der Applikation, in der der Sensortyp eingesetzt ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Regel-/Auswerteeinheit (8) im Falle einer Applikation, in der aufgrund einer hohen Dynamik eine hohe Messgeschwindigkeit gefordert ist, den vorgegebenen Wert des Verhältnisses von Überspannung zu Haltespannung so groß wählt, wie es im Rahmen der zur Verfügung stehenden Leistung möglich ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Regel-/Auswerteeinheit (8) im Falle einer Applikation, die sich in einem explosionsgefährdeten Bereich befindet, den vorgegebenen Wert des Verhältnisses von Überspannung zu Haltespannung so gering wählt, dass die für den explosionsgefährdeten Bereich zulässige Leistungsaufnahme nicht überschritten wird.
9. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 -8,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Speichereinheit (10) vorgesehen ist, in der vorgegebene Werte für das Verhältnis von Überspannung zu Haltespannung in Abhängigkeit von dem jeweiligen Sensortyp und/oder der jeweiligen Applikation hinterlegt sind.
10. Verfahren zum Messen des Volumenstroms eines Fluids, das ein
Messrohr (2) in Richtung der Längsachse (3) durchfließt, mit einer
Spulenanordnung (7, 8), mit zumindest zwei mit dem Fluid (1 1 ) koppelnden Messelektroden (5, 6) und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (8), die in
Verbindung mit der Spulenanordnung (7, 8) ein periodisch die Polarität änderndes, im Wesentlichen quer zur Längsachse (3) des Messrohres (2) verlaufendes Magnetfeld (B) erzeugt und während einer Messphase bei einem im Wesentlichen konstanten Magnetfeld (B) anhand einer in die
Messelektroden (4, 5) induzierten Spannung den Volumenstrom des Fluids (1 1 ) in dem Messrohr (2) bestimmt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spulenanordnung (6, 7) während einer Verzögerungsphase mit einer Überspannung beaufschlagt wird, wobei die Verzögerungsphase zum
Zeitpunkt des Umschaltens der Polarität des Magnetfeldes (B) beginnt und zum Zeitpunkt des Beginns der Messphase endet, und
dass die Spulenanordnung (6, 7) während der Zeitdauer der Messphase mit einer im Wesentlichen konstanten Haltespannung beaufschlagt wird, wobei das Verhältnis von Überspannung zu Haltespannung auf einen im
Wesentlichen konstanten Wert geregelt wird.
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