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Anordnung für die magnetische Durchflußmessung Bei den bekannten magnetischen
Durchflußmessern durchströmt der Meßstoff in einem nichtmagnetischen Rohr das Magnetfeld
eines aus dem Wechselstromnetz gespeisten Elektromagneten. An den in dem Rohr isoliert
eingesetzten Elektroden kann eine Meßspannung abgegriffen werden, die proportional
ist dem Produkt aus der Durchflußgeschwindigkeit und der im Rohr herrschenden magnetischen
Feldstärke. Es ist üblich, diese Meßspannung mit Hilfe von selbstabgleichendell
Wechselstromkompensatoren zu messen. Hierbei wird allgemein der Einfluß von Schwankungen
der Netzspannung auf das Meßergebnis dadurch ausgeschaltet, daß das Potentiometer
des Wecbselstromkompensators und der Erregermagnet aus dem gleichen Wechselstromnetz
versorgt werden.
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Gegenstand der Erfindung ist eine aus ruhenden Bauteilen aufgebaute
Verstärkereinheit, die eine Umsetzung der Meßspannung des magnetischen Durchflußgebers
in einem dem Durchfluß proportionalen Gleichstrom bewirkt. Hierzu wird ein für die
Verstärkung der Netzfrequenz geeigneter hochempfindlicher Meßverstärker mit nachgeschaltetem
phasenempfindlichem Gleichrichter verwendet, der über einen Modulator gegengekoppeft
ist. Dieser Modulator liefert eine Gegenkopplungsspannung, die proportional ist
dem Produkt aus dem gleichgerichteten Ausgangsstrom des Verstärkers und der magnetischen
Feldstärke bzw. dem Magnetisierungsstrom oder der Versorgun gsspaii nung des Erregermagneten.
Wird diese G egenkopplungsspannung im Eingangskreis der Meßanordaung phasenrichtig
der Meßspannung des Durchflußgebers entgegengeschaltet, so wird bei geeigneter Dimensionierung
der Anordnung diese Meßspannung in einen Ausgangsstrom umgesetzt, der in weiten
Grenzen unabhängig von den Änderungen der VersorgunEsspanaun3 ist.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zur Umformung ein phasenempfindlicher
Gleichrichter mit einer Verstärkereinheit kombiniert ist, die über ein ruhendes
Modulationsglied gegengekoppelt ist, dessen Ausgangsgröße proportional ist dem Produkt
aus dem Ausgangsstrom der Verstärkereinheit und der Feldstärke des Erregermagneten
oder einer mit dieser festverkoppelten Größe, wie z. B. der versorgenden Netzspannung
oder dem Magnetisierungsstrom des Magneten.
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Der Erfindungsgedanke soll an Hand von drei Abbildungen erläutert
werden. In A b b. 1 ist der prinzipielle Aufbau der Meßanordnung dargestellt; A
b b. 2 zeigt eine Anordnung, bei der ein
Hallgenerator als Modulator verwendet wird,
während in Ab b. 3 als Modulationsglied ein Magnetverstärker zur Anwendung gelangt.
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In A b b. 1 ist eine Ausführungsmöglichkeit der Meßanordnung im Prinzip
dargestellt. In das im Schnitt dargestellte Meßrohr 1 sind die beiden Elektroden
2 zur Abnahme der Meßspannung Um isoliert eingesetzt. Der Wechselstrommagnet 3 erzeugt
im Rohrquerschnitt zwischen seinen Polschuhen ein magnetisches Wechselfeld; er wird
aus der Netzleitung 4 versorgt. Die Meßspannung Um wird der Meßanordnung angeschaltet.
Diese besteht aus der Kombination von Verstärker 5 und phasenempfindlichem Gleichrichter
6 sowie dem zur Gegenkopplung benutzten Modulator 7. Der Ausgangsstrom Ia der Verstärkereinheit
5, 6 durchfließt die Fernleitung 8, die Empfangsgeräte 9 und über die Klemmen 10
und 11 den Modulator 7. In diesem Beispiel wird zur Steuerung des Modulators 7 die
Netzspannung Uv benutzt, die diesem über die Klemmen 12,13 aufgeschaltet wird. An
den Ausgangsklemmen 14,15 des Modulators 7 tritt die Gegenkopplungsspannung Uk auf,
welche proportional 1a Uv ist. Bewegt sich der Meßstoff im Meßrohr 1 in axialer
Richtung mit der Geschwindigkeit v, so entsteht zwischen den Elektroden 2 die Meßspannung
Um, für die gibt: u,, H/l (H - magnetische Feldstärke im Meßrohr), und für H = c
Un gilt: Um UN-V, (1) wobei c die Gerätekonstante bedeutet.
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Der Meßspannung wirkt die Gegenkopplungsspannung Uk phasenrichtig
entgegen, so daß am
Eingang des Verstärkergliedes 5 die Differenz
von Meß- und Gegenkopplungsspannung, die kleine Steuerspannung Us = Um - Uk, wirkt.
Diese wird im Verstärkerglied 5 verstärkt und in einen Gleichstrom ja umgesetzt,
der über die Fernleitung die Empfangsgeräte 9 versorgt und zur Steuerung des Modulators
7 dient. Dieser Modulator wird von der Netzspannung UN gesteuert und liefert eine
Ausgangswechselspannung Uk, für die gilt: Uk NUN UN Ia. (2) Bei genügend großer
Verstärkung ist Us vernachlässigbar klein gegenüber der Meßspannung Um und der Gegenkopplungsspannung
Ue; es gilt mit aus reichender Näherung: = = Uk und nach Gleichungen (1) und (2>
Ia d. h. der Ausgangsstrom Ia ist proportional der Durchflußgeschwindigkeit' und
unabhängig von der Netzspannung UN.
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An Stelle der Netzspannung Um kann zur Steuerung des Modulators 6
auch eine andere linear mit der Feldstärke des Erregermagneten zusammenhängende
Größe, z. B. sein Magnetisierungsstrom, verwendet werden. Modulatoren, die durch
die Feldstärke gesteuert werden, sind besonders vorteilhaft.
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Wie oben erwähnt, sind verschiedene bekannte Bauteile als Modulatoren
geeignet. In Abt. 2 ist eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt, bei der ein
Hallgenerator als Modulator verwendet wird.
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Der Hallgenerator 16 wird von dem Ausgangsstrom 1a - dem Hallstrom
- durchflossen. Er befindet sich im Feld des von der Netzspannung Um erregten Magneten
17. An seinen Ausgangsklemmen 14 und 15 tritt die Hafispannung Uk auf, die zur Gegenkopplung
benutzt wird.
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Sie ist, wie bekannt, proportional dem Produkt aus dem Hallstrom
Ia und dem Magnetfeld B oder bei geeigneter Bemessung der Netzspannung Um. Es ist
auch möglich, die Eingänge der beiden Steuergrößen des Modulators zu vertauschen,
das Magnetfeld durch den Ausgangsstrom 1a zu erregen und einen von der Netzspannung
Um abgeleiteten Strom als Halistrom zu benutzen. Hier ist es besonders vorteilhaft,
den Magnetisierungsstrom des Gebermagneten als Hallstrom zu benutzen und zur Anpassung
einen Stromwandler mit geeignetem Übersetzungsverhältnis einzuschalten.
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Der Hallgenerator kann hierbei direkt im Felde des Erregermagneten
angeordnet werden.
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A b b. 3 zeigt einen als Modulationsglied geeigneten Magnetverstärker
mit Brückenschaltung Vier steuerbare Drosselspulen mit je einer Arbeitswicklung
18 und einer Steuerwicklung 19 sind arbeitsseitig in eine Wechselstrombrücke geschaltet,
die über die Klemmen 12, 13 aus dem Wechselstromnetz versorgt wird.
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Die Steuerwicklungen werden über die Klemmen 10,11 vom Ausgangsgleichstrom
1a durchflossen und sind so geschaltet, daß die Induktivität der sich in der Brücke
gegenüberliegenden Drosseln gegensinnig ändert und in der Diagonale eine Wechselspannung
auftritt, welche dem Produkt aus der Netzspannung und dem Ausgangsgleichstrom proportional
ist. Die Gegenkapplungsspannung UL wirkt über die Klemmen 14 und 15 der Meßspannung
U, in A b b. 1 ent-
gegen. Der Modulator kann durch die Wahl der Windungszahlen von
Steuer- und Arbeitswicklungen den Erfordernissen der Meßanordnung angepaßt werden.
Auch ist es möglich, diese Anpassung durch Einschaltung von Transformatoren auf
der Netzseite oder im Ausgang durchzuführen. Die Eingänge der beiden Steuergrößen,
Netzspannung und Ausgangsstrom, sind bei dieser Anordnung nicht vertauschbar.
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An Stelle der steuerbaren Drosseln können auch andere elektrische
Schaltelemente, deren Kennlinie von einem Strom oder einer Spannung verändert werden
kann, in eine Brückenschaltung eingebaut werden. Besonders geeignet zum Aufbau dieser
Modulatoren sind spannungsabhängige Kondensatoren, bei denen eine vom Ausgangsstrom
abgeleitete Spannung zur Aussteuerung der aus dem Wechselstromnetz versorgten Brücke
dient.
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Der besondere Vorteil der beschriebenen Meßan ordnung liegt in der
Übersetzung der Durchfluß werte in einen proportionalen Gleichstrom und der Unabhängigkeit
des Meßstromes von Netzspannungsschwankungen. In der modernen Meßtechnik werden
Meßgeräte bevorzugt, die eine Meßgröße in einen ihr zugeordneten Gleichstrom umformen
und auf diese Weise eine Fernübertragung der Augenblickswerte der Meßgröße gestatten.
Gleichstrom bietet die Möglichkeit, verhältnismäßig einfache Registrier- und Regelgeräte
sowie Rechenanlagen verwenden zu können.
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Einen weiteren Vorteil bietet die ausschließliche Verwendung ruhender
Bauteile an Stelle der meist üblichen Drehspulgeräte. Alle Fehlerquellen, die sich
sonst aus der Lagerung der beweglichen Teile wie Reibung und Lose ergeben können,
sind vermieden, und die Meßanordnung ist lageunabhängig und weitgehend unempfindlich
gegenüber Erschütterungen oder Vibrationen.