Beschreibung
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser
Die Erfindung betrifft einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit einer Messstrecke, einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes senkrecht zur Messstrecke, einer Elektrodenanordnung, die senkrecht zur Messstrecke und senkrecht zum Magnetfeld angeordnet ist, und einer Auswerteeinrichtung, die einen Verstärker und eine Steuereinrichtung aufweist.
Ein derartiger Durchflussmesser ist beispielsweise aus US 4 704 908 bekannt. Wenn ein Fluid durch die Messstrecke fließt und ein Magnetfeld erzeugt wird, dann entsteht zwischen den Elektroden der Elektrodenanordnung eine Spannung, die von der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden kann. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung wird dabei so betrieben, dass das Magnetfeld abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen gerichtet ist. Dementsprechend kehrt sich auch das Vorzeichen der zwischen den Elektroden der Elektrodenanordnung anliegenden Spannung um. Über eine zeitliche Mittlung (oder eine andere Auswertung) der jeweils invertierten Spannungen lassen sich dann gewisse Fehler unterdrücken.
Ein weiterer Durchflussmesser ist aus EP 1 030 168 Al bekannt. Die Auswerteeinrichtung bewirkt eine hohe Unterdrückung eines Gleichtaktsignals und eine hohe Unterdrückung von niederfrequenten Anteilen im Differenzsignal. Dies wird dadurch bewirkt, dass die Auswerteeinrichtung mit einem Vorverstärker ausgerüstet ist, der ein differentiell arbeitender Vorverstärker ist.
In bestimmten Anwendungsbereichen wird ein Durchflussmesser der eingangs genannten Art nicht kontinuierlich betrieben. Das Magnetfeld wird also nur von Zeit zu Zeit erzeugt. Auch die Auswerteeinrichtung ist nicht laufend eingeschaltet. Eine
derartige Betriebsweise wählt man insbesondere bei batteriebetriebenen Durchflussmessern, um Energie einzusparen. Aber auch Durchflussmesser, bei denen man aufgrund einer ungünstigen räumlichen Anordnung ein Messsignal nur von Zeit zu Zeit abnehmen kann, können auf diese Weise betrieben werden.
Bei einer derartigen Betriebsweise entsteht nun das Problem, dass das Signal, das an den Elektroden der Elektrodenanordnung abgenommen werden kann, nicht nur eine Wechselspannungskomponente enthält, die im Wesentlichen die Information des Messsignals enthält, sondern auch eine unerwünschte Gleichspannungskomponente. Diese Gleichspannungskomponente kann sehr viel größer sein als die Wechselspannungskomponente. Beispielsweise kann die Gleichspannungskomponente bis zu mehreren 100 Millivolt betragen, was sehr viel ist zum Vergleich zur Wechselspannungskomponente, deren Amplitude in der Größenordnung 10 Mikrovolt liegt. Man möchte nun das Wechselspannungssignal durch den Verstärker verstärken lassen. Der Verstärker verstärkt jedoch auch das Gleichspannungssignal. Aufgrund des großen Gleichspannungssignals kommt der Verstärker dann relativ schnell in einen Sättigungsbereich, d. h. das Ausgangssignal des Verstärkers hängt nicht mehr linear mit der Wechselspannungskomponente zusammen.
Es ist zwar theoretisch möglich, das Wechselspannungssignal mit einem Hochpassfilter herauszufiltern. Diese Vorgehensweise ist jedoch aufwendig und nicht immer mit Erfolg verbunden. Die Zeit, in der der Vorverstärker aktiv ist, ist kurz verglichen mit der Zeitkonstanten eines Hochpassfilters und deshalb wird die gewünschte Dämpfung des Gleichspannungssignals nicht erreicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Durchflussmesser mit einer verbesserten Genauigkeit anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Durchflussmesser der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Auswerteeinrichtung
eine unterschiedliche Verstärkung für Wechselspannungs- und Gleichspannungsanteile eines Signals von der Elektrodenanordnung aufweist.
Mit der Vorgehensweise vermeidet man eine Übersteuerung des Verstärkers. Die Gleichspannungsanteile werden mit einem wesentlich geringeren Verstärkungsfaktor als die Wechselspannungsanteile verstärkt, theoretisch mit dem Faktor Null. Die Wechselspannungsanteile werden wesentlich stärker verstärkt als die Gleichspannungsanteile. Damit vermeidet man, dass der Verstärker in einen Sättigungsbereich kommt. Die Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Verstärkers bleibt besser kontrollierbar. Damit ergibt sich eine verbesserte Genauigkeit.
Vorzugsweise weist die Auswerteeinrichtung eine Gleichspan- nungsentfernungseinrichtung auf. Dieser Begriff ist funktional zu verstehen. Selbstverständlich kann man eine Gleichspannung nicht ohne weiteres entfernen. Die Gleichspannungs- entfernungseinrichtung sorgt aber dafür, dass die Gleichspannungskomponente des Messsignals, das zwischen den Elektroden der Elektrodenanordnung abgenommen wird, nur in einem verminderten Umfang dem Verstärker zugeführt wird. Dementsprechend kann der Verstärker die Gleichspannungskomponente auch nur in einem verminderten Umfang verstärken.
Auch ist von Vorteil, dass die Steuereinrichtung eine Beaufschlagung der Magnetfelderzeugungseinrichtung erst nach einer Abtastung des Gleichspannungssignals einleitet und dass eine neue Abtastung vor jeder Messperiode durchgeführt wird.
Vorzugsweise ist die Gleichspannungsentfernungseinrichtung vor dem Verstärker angeordnet. Man schaltet die Gleichspan- nungsentfernungseinrichtung also so mit dem Eingang des Verstärkers zusammen, dass die Gleichspannung nur mit einem Bruchteil ihres ursprünglich vorhandenen Werts am Eingang ansteht. Theoretisch steht die gleiche Spannung am invertieren-
den und am nicht invertierenden Eingang an, so dass die zu verstärkende Differenzspannung Null beträgt und nicht verstärkt wird. Dementsprechend ist gemessen an der ursprünglichen Gleichspannungskomponente die Verstärkung des Gleichspannungsanteils wesentlich geringer als die Verstärkung des Wechselspannungsanteils .
Bevorzugterweise weist die Gleichspannungsentfernungseinrich- tung einen geschalteten Speicher auf, der mit einem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden ist. Der Speicher, beispielsweise ein Kondensator, speichert also die Gleichspannung und führt sie dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers zu. Wenn danach ein Messzyklus erfolgt, dann kann dem invertierenden Eingang des Verstärkers das "komplette" Signal zwischen den Elektroden der Elektrodenanordnung zugeführt werden, d. h. ein Signal, das sowohl die Wechselspannungskomponente als auch die Gleichspannungskomponente enthält. Der Verstärker verstärkt die Differenz zwischen dem invertierenden und dem nicht invertierenden Eingang. Da am invertierenden und am nicht invertierenden Eingang etwa gleich große Gleichspannungskomponenten anliegen, wird die Gleichspannungskomponente praktisch nicht verstärkt. Es verbleibt eine Verstärkung der Wechselspannungskomponente.
Vorzugsweise leitet die Steuereinrichtung eine Beaufschlagung der Magnetfelderzeugungseinrichtung erst dann ein, wenn eine Änderungsgeschwindigkeit der Gleichspannung am Verstärker einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Man wartet also ab, bis der Speicher soweit aufgeladen ist, dass der gespeicherte Wert im Prinzip der Gleichspannungskomponente des Messsignals entspricht. Da sich ein Kondensator beispielsweise nach einer exponentiellen Funktion auflädt, würde eine vollständige Übereinstimmung der Ladespannung des Kondensators mit der Gleichspannung relativ lange dauern. Man lässt daher einen gewissen Fehler zu. Wenn sich die Spannung an dem Kondensator praktisch nicht mehr ändert, dann geht man davon aus, dass die gewünschten Bedingungen erfüllt sind, also während der
nachfolgenden Periode dem nicht invertierenden Eingang die Gleichspannungskomponente des Messsignals zugeführt wird. In diesem Fall ist es möglich, einen Messzyklus zu beginnen und das Magnetfeld zu erzeugen.
Vorzugsweise steuert die Steuereinrichtung die Magnetfelderzeugungseinrichtung so an, dass sie zu verschiedenen Zeiten unterschiedliche Magnetfeldrichtungen erzeugt. Mit dieser an sich bekannten Technik lassen sich bestimmte Störungen herausfiltern.
Hierbei ist besonders bevorzugt, dass die Steuereinrichtung die Magnetfelderzeugungseinrichtung so ansteuert, dass in einer ersten Messperiode ein Magnetfeld zuerst in einer ersten Richtung und dann in einer zweiten Richtung und in einer folgenden Messperiode zuerst in der zweiten Richtung und dann in der ersten Richtung erzeugt wird, und das Ausgangssignal der beiden Messperioden miteinander verknüpft. Die erste und die zweite Richtung des Magnetfeldes sind einander entgegengesetzt. Wenn man nun nicht in jeder Messperiode gleiche Abfolge von Magnetfeldblöcken erzeugt, sondern diese Abfolge sozusagen invertiert, dann kann man auch Erscheinungen kompensieren, die sich durch einen nicht linearen Anteil einer Gleichspannungskomponente ergeben. Dieser nicht lineare Anteil kann sich beispielsweise dadurch ergeben, dass die Spannung am Speicher, beispielsweise dem oben genannten Kondensator, nicht konstant bleibt, sondern diese Spannung nicht linear abnimmt, beispielsweise nach einer e-Funktion.
Vorzugsweise ist eine Spannungsanhebeschaltung vorgesehen, die das Ausgangssignal des Verstärkers in einen Bereich um die Mitte eines Versorgungsspannungsbereichs anhebt. Damit erreicht man günstige Auswertebedingungen für das Ausgangssignal des Verstärkers.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Auswerteeinrichtung.
Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser 1 weist eine Messstrecke 2 auf, die in einem Rohr 3 ausgebildet ist. Das Rohr 3 hat eine Erstreckung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1. Dementsprechend wird die Messstrecke 2 senkrecht zur Zeichenebene von einem Fluid, beispielsweise einer Flüssigkeit, durchströmt .
Eine Magnetfelderzeugungseinrichtung mit zwei Spulen 4, 5 erzeugt ein durch einen Doppelpfeil symbolisiertes Magnetfeld 6 senkrecht zur Durchströmungsrichtung der Messstrecke 2. Die Spulen 4, 5 werden dabei so angesteuert, dass das Magnetfeld in einem gewissen Zeitabschnitt eine erste Richtung aufweist, beispielsweise von unten nach oben (bezogen auf die Darstellung der Fig. 1) , und in einem zweiten Zeitraum die entgegengesetzte Richtung. Die • Zeiträume können dabei in der Größenordnung von mehreren 10 ms liegen. Im Grunde erzeugt man also ein niederfrequentes Wechselfeld.
Ferner sind zwei Elektroden 7, 8 vorgesehen, die eine Elektrodenanordnung bilden, die senkrecht zur Messstrecke 2 und senkrecht zum Magnetfeld 6 angeordnet ist. Wenn nun ein Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit, durch die Messstrecke 2 strömt und ein Magnetfeld anliegt, dann entsteht eine Spannung zwischen den beiden Elektroden 7, 8. Diese Spannung hat die gleiche, relativ niedrige Frequenz wie das Magnetfeld.
Diese Spannung wird einer Auswerteeinrichtung 9 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 9 weist eine Vestärkereinrichtung 10 auf. Ferner weist die Auswerteeinrichtung 9 eine Steuereinrichtung 11 auf, die die Verstärkereinrichtung 10 und eine Spulentreibereinrichtung 12 steuert.
Die Verstärkereinrichtung 10 wird nun im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben.
Die Elektrodenanordnung mit den beiden Elektroden 7 , 8 ist dargestellt als ein Generator VE, der durch einen Gleichspannungsgenerator 13 und einen Wechselspannungsgenerator 14 gebildet ist. Der Wechselspannungsgenerator 14 soll dabei die oben erwähnte Wechselspannung erzeugen. Der Ausgang des Spannungsgenerators VE wird einem Verstärker 15 zugeführt, der einen invertierenden Eingang 16 und einen nicht invertierenden Eingang 17 aufweist. Der Verstärker 15 verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden Eingang und dem nicht invertierenden Eingang 17, wobei der Verstärkungsfaktor bestimmt wird durch ein Verhältnis zwischen einem Widerstand Rl, der zwischen einem Ausgang 22 des Verstärkers 15 und dem invertierenden Eingang 16 angeordnet ist, und einem Widerstand R2 zwischen dem Eingang 16 des Verstärkers 15 und dem Generator VE. Das Verhältnis R1/R2 kann beispielsweise 20 betragen.
Bei dieser Ausgestaltung entsteht nun das Problem, dass der Verstärker 15 übersteuert wird, wenn die Gleichspannungskom- ponente des Gleichspannungsgenerators 13 wesentlich größer ist als die Wechselspannungskomponente des Wechselspannungsgenerators 14. Eine derartige Situation tritt beispielsweise dann auf, wenn die Auswerteeinrichtung 9 eingeschaltet wird. Möglicherweise ist dies darauf zurückzuführen, dass sich auf den Elektroden 7, 8 zunächst eine elektrische Ladungsschicht aufbauen muss. Die Gleichspannungskomponente kann bis zu mehreren 100 Millivolt betragen, was sehr viel ist im Vergleich zum Wechselspannungssignal vom Wechselspannungsgenerator 14.
Man verwendet daher folgende Vorgehensweise, um die Wechselspannungsanteile und die Gleichspannungsanteile vom Spannungsgenerator VE, d. h. der Spannung zwischen den Elektroden 7, 8, mit unterschiedlichen Verstärkungen zu verstärken.
Der nicht invertierende Eingang 17 ist mit einem Kondensator 18 als Speicher verbunden, der im Übrigen mit Masse 19 verbunden ist. Der Kondensator 18 wird über einen Schalter 20 mit einer Spannung aus einem Spannungsteiler R3, R4 aufgeladen, der seine Spannung vom Spannungsgenerator VE bekommt. Der Schalter 20 wird dabei von der Steuereinrichtung 11 betätigt.
Kurz bevor die Spulen 4, 5 mit Strom versorgt werden, um das Magnetfeld zu erzeugen, wird der Schalter 20 von der Steuereinrichtung 11 geschlossen. Ein Signal S, d. h. die Spannung zwischen den Elektroden 7, 8, läuft über den Widerstand R3 des Spannungsteilers R3, R4 und den Schalter 20 zum Kondensator 18 und zum nicht invertierenden Eingang 17. Dieses Signal S beinhaltet die Gleichspannungskomponente und die erwähnte Wechselspannungskomponente, die aber wesentlich kleiner als die Gleichspannungskomponente ist und im Wesentlichen durch ein Rauschsignal von der Messelektrode 7, 8 gebildet ist. Das Signal S beinhaltet noch kein Messsignal, denn das wird erst später durch das noch nicht vorliegende Magnetfeld 6 erzeugt.
Der Schalter 20 bildet zusammen mit dem Kondensator 18 eine Art Abtast- und Halteglied. Der Schalter 20 bleibt so lange geschlossen, bis der Kondensator 18 aufgeladen ist. Die Aufladezeit wird durch eine Zeitkonstante bestimmt, die sich aus der Parallelschaltung aus R3 und R4 und dem Kondensator 18 ergibt. Der Schalter 20 wird so lange geschlossen gehalten, bis sich die Spannung über den Kondensator 18 nicht mehr oder nicht mehr merklich ändert, d. h. bis sie die gleiche Amplitude hat, wie am Eingang des Schalters 20. Danach öffnet der Schalter 20. Es steht eine Spannung über den Kondensator 18
an, die gleich ist (oder ungefähr gleich ist) wie die Gleichspannungsamplitude am invertierenden Eingang 16.
Die Gleichspannungskomponente ist somit am invertierenden Eingang 16 und am nicht invertierenden Eingang 17 praktisch gleich, so dass keine Differenz besteht, die verstärkt werden kann. Eine Ausgangsspannung VOl des Verstärkers 15 ist damit Null. Nun kann die eigentliche Durchflussmessung beginnen. Die Steuereinrichtung 11 nimmt die Spulentreibereinrichtung 12 in Betrieb, die ein Magnetfeld mit wechselnden Richtungen erzeugt. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Spulen 4, 5 jeweils mit Strom zu beaufschlagen, der in entgegengesetzte Richtungen läuft.
An den Elektroden 7, 8 lässt sich nun das Signal S abnehmen, das eine Wechselspannung enthält, die eine Funktion des Durchflusses ist. Dieses Signal wird dem invertierenden Eingang 16 des Verstärkers 15 zugeführt. Die Verbindung zum nicht invertierenden Eingang 17 ist durch Öffnen des Schalters 20 unterbrochen worden. Damit entsteht eine Differenzspannung am Eingang des Verstärkers 15 und diese Spannung wird wunschgemäß verstärkt. Der Verstärkungsfaktor liegt im vorliegenden Beispiel bei R1/R2 = 20. Das Ausgangssignal VOl kann dann ausgewertet werden, beispielsweise mit einem A/D- Wandler.
Mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltung wird sozusagen ein selektiver Verstärker erreicht, der nur auf Wechselspannungs- signalkomponenten reagiert. Das Abtasten des Gleichspannungspegels wird, wie oben beschrieben, kurz vor jeder Magnetfelderzeugung durchgeführt.
In der unteren Hälfte der Fig. 2 ist eine gedoppelte Schaltung eingezeichnet. Elemente, die der oberen Hälfte entsprechen, sind mit gestrichenen Bezugszeichen versehen. Die gestrichenen Elemente haben alle die gleiche Größe, wie die nicht gestrichenen Elemente.
Eine Referenzspannung R wird verwendet, um das Signal S in einen Bereich anzuheben, der etwa in der Mitte des positiven Spannungsbereichs liegt, der durch die Spannungsversorgung V28 erzeugt wird. Dadurch kann nachfolgend ein A/D-Wandler mit Single-Supply betrieben werden. Der Referenzspannungsgenerator R besteht ebenfalls aus einem Gleichspannungsgenerator 21 und einem Wechselspannungsgenerator 22. In diesem Fall ist der Wechselspannungsgenerator 22 ein Symbol für ein Rauschsignal. Dieses Rauschsignal kann beispielsweise durch elektromagnetische Einstrahlung erzeugt werden. Hier soll lediglich der Gleichspannungsgenerator 21 verwendet werden, um das Signal S spannungsmäßig entsprechend anheben zu können. Dadurch, dass die Schaltung sozusagen gespiegelt ist, wird der Rauschanteil des Generators 22 unterdrückt.
In an sich bekannter Weise werden die Spulen 4, 5 so betrieben, dass ein Magnetfeld zuerst in eine Richtung, beispielsweise von oben nach unten, und dann in die andere Richtung, beispielsweise von unten nach oben, erzeugt wird. Um die Erläuterung zu vereinfachen, wird dies im Folgenden als "positiver Magnetfeldblock" und "negativer Magnetfeldblock" bezeichnet .
Zwischen den einzelnen Magnetfeldblöcken lässt man eine kleine Pause, deren Länge beispielsweise der Länge der Magnetfeldblöcke entsprechen kann.
Man verwendet nun in aufeinander folgenden Messperioden aber nicht die gleiche Folge von Magnetfeldblöcken, sondern invertiert diese Folge. Beispielsweise kann man in einer ersten Messperiode einen Verlauf haben: Pause - positiver Magnetfeldblock - Pause - negativer Magnetfeldblock und in einer zweiten Messperiode die Folge: Pause - negativer Magnetfeldblock - Pause - positiver Magnetfeldblock. Das Ausgangssignal VOl des Verstärkers 15 wird nun zum einen in jeder Messperiode gemittelt und zum anderen über zwei aufeinander folgen-
de Messperioden. Damit kann man der Tatsache Rechnung tragen, dass die Spannung am Kondensator 18 unter Umständen exponen- tiell absinken kann. Dies würde normalerweise zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen. Durch die Invertierung der Folge der Magnetfeldblöcke wird dieses Problem aber weitgehend entschärft.