DE3132471A1

DE3132471A1 - "verfahren und anordnung zur kompensation der stoergleichspannungen im elektrodenkreis bei der magnetisch-induktiven durchflussmessung"

Info

Publication number: DE3132471A1
Application number: DE19813132471
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. Dr. EHT 4106 Therwil Hafner
Original assignee: Flowtec Ag 4153 Reinach Basel; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1980-10-02
Filing date: 1981-08-17
Publication date: 1982-04-15
Also published as: FR2491619A1; GB2084740A; DD201728A5; SE8105806L; IT1139458B; CH655794A5; IT8124058A0; NL8104463A; US4422337A; NL186112C; NL186112B; FR2491619B1; SE448401B; DE3132471C2; GB2084740B

Description

Patentanwälte^: -

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

FLOWTE C AG ₁₄. August 1981

Kägenstraße 4

4153 Reinach BL 1 /Schweiz

Unser Zeichen: E 10 56

Verfahren und Anordnung zur Kompensation der Störgleichspannungen im Elektrodenkreis bei der magnetisch-induktiven Durchflußmessung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation der Störgleichspannungen im Elektrodenkreis bei der magnetisch-induktiven Durchflußmessung mit periodisch umgepoltem magnetischem Gleichfeld, bei welchem das Nutzsignal dadurch erhalten wird, daß die Signalspannung nach jeder Umpolung des Magnetfelds jeweils bei gegenpoligen Werten des Magnetfelds während eines Abtastzeitintervalls abgetastet und gespeichert wird und die Differenz der gespeicherten Abtastwerte gebildet wird, und bei welchem in einem auf jedes Abtastzeitintervall folgenden Kompensationszeitintervall durch Abtastung und Speicherung der Signalspannung eine der Signalspannung entgegengesetzt überlagerte Kompensationsspannung erzeugt wird, welche die Signalspannung innerhalb des Kompensationszeitintervalls auf den Wert Null kompensiert und bis zum nächsten Kompensationszeitintervall beibehalten wird, s.owie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE-AS 27 44 845 bekannt. Die Differenz der bei gegenpoligen Werten des Magnetfelds gewonnenen Abtastwerte ergibt ein Nutzsignal·, das von konstanten Störgleichspannungen befreit ist, die bekanntlich bei der magnetisch-induktiven Durchflußmessung das Tausendfache des Nutzsignals erreichen können. Durch die Bildung und Überlagerung der Kompensationsspannung werden zusätzlich auch lineare zeitliche Änderungen der Störgleichspannungen zwischen den aufeinanderfolgenden Abtastzeitintervallen kompensiert, und vor allem wird verhindert, daß die zur Verarbeitung der Signalspannung verwendeten Verstärker und Subtrahierschaltungen infolge der sich langsam auf einen sehr großen Wert aufbauenden Störgleichspannungen übersteuert werden.

Bei diesem bekannten Verfahren liegt jedes Kompensationszeitintervall in einer Magnetfeldpause, die jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgende Teilperioden eingefügt ist, in denen das Magnetfeld seine gegenpoligen Werte annimmt. Die zur Bildung der Kompensationsspannung abgetastete Signalspannung ist daher die reine Störspannung. Das Magnetfeld muß daher periodisch zwischen drei Werten umgeschaltet werden, wobei die Magnetfeldpausen und die darin enthaltenen Kompensationszeitintervalle nicht für die Beobachtung des Durchflusses ausgenutzt werden können.

In ähnlicher Weise erfolgt bei einem aus der DE-AS 24 10 407 bekannten Verfahren eine Kompensation von zeitlichen Änderungen der Störgleichspannungen durch Bildung einer Kompensationsspannung, die der Signalspannung entgegengesetzt überlagert wird. Bei diesem bekannten Verfahren wird das Magnetfeld zwischen zwei verschiedenen Werten hin- und hergeschaltet,

von denen der eine Wert Null sein kann. In diesem Fall liegen in jeder Teilperiode, in der das Magnetfeld den kleineren Wert (bzw. den Wert Null) hat, zwei Kompensationszeitintervalle jeweils am Anfang und am Ende der Teilperiode, und zwischen diesen beiden Kompensationszeitintervallen liegt ein Abtastzeitintervall, in dem nur die seit der letzten Kompensation erfolgte Störgleichspannungsänderung abgetastet und gespeichert wird. In der anderen Teilperiode erfolgt dagegen keine Kompensation/ sondern nur eine Abtastung^und Speicherung der kompensierten Signalspannung, die gleich der Summe aus Nutzsignal und Störgleichspannungsänderung ist. Dieses Verfahren weist eine zeitliche Unsymmetrie auf, und die gespeicherten Abtastwerte, deren Differenz gebildet wird, haben unterschiedliche Größenordnungen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Kompensation der Störgleichspannungen bei der magnetischinduktiven Durchflußmessung, das die größtmögliche Ausnutzung der verfügbaren Zeit für die Beobachtung des Durchflusses ermöglicht und ein im Verhältnis zum Leistungsaufwand großes Nutzsignal ergibt, wobei die der Differenzbildung unterworfenen gespeicherten Abtastwerte von gleicher Größenordnung sind.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß jedes Kompensationszeitintervall innerhalb des dem eingeschalteten Magnetfeld entsprechenden Zeitintervalls liegt, in dem auch das vorhergehende Abtastzeitintervall liegt.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung erfolgt in völlig regelmäßiger Weise in jeder dem einen bzw. dem anderen Wert des Magnetfelds entsprechenden Teilperiode zunächst eine Abtastung und Speicherung der kompensierten Signalspannung und anschliessend eine Kompensation der Signalspannung auf den Wert Null. Somit enthält die Kompensationsspannung auch das Nutzsignal im Kompensationszeitpunkt. Da diese Kompensationsspannung im Abtastzeitintervall der folgenden Teilperiode der dann herr-

sehenden Signalspannung überlagert bleibt, wird in jedem Abtastzeitintervall zur Bildung des gespeicherten Abtastwertes eine Spannung abgetastet, die die Summe der Nutzsignale in einen Kompensationszeitintervall und im darauffolgenden Abtastzeitintervall enthält. Auf diese Weise wird das Kompensationszeitintervall zur Gewinnung des Meßwertsignals und zur Beobachtung des Durchflusses mit ausgenutzt. Dabei sind die gespeicherten Abtastwerte, deren Differenz gebildet wird, von gleicher Größenordnung. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere dann, wenn das Magnetfeld ohne Pausen zwischen zwei gegenpoligen Werten hin- und hergeschaltet wird, so daß auch keine Magnetfeldpausen für die Beobachtung des Durchflusses verlorengehen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß am Beginn jedes Abtastzeitintervalls kurzzeitig eine Momentanwertabtastung und -speicherung der Signalspannung ohne Integration erfolgt und die abgetastete Signalspannung nur im restlichen Teil des Abtastzeitintervalls an ein integrierendes Speicherglied angelegt wird.

Durch diese Weiterbildung wird die Ansprechzeit wesentlich verkürzt, so daß auch sehr schnelle Durchflußänderungen sofort erfaßt und angezeigt werden.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß durch die Art der Signalbildung auch der Einfluß einer dem Nutzsignal überlagerten Störwechselspannung beseitigt werden kann, ohne daß eine definierte Beziehung zwischen der Dauer des Abtastzeitintervalls und der Periode der Störwechselspannung bestehen muß.

Eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung dieser Weiterbildung des Verfahrens für die induktive Durchflußmessung einer in einer Rohrleitung fließenden elektrisch leitenden Flüssigkeit, mit einem Magnetfelderzeuger, der ein die Rohrleitung senkrecht zur Strömungsrichtung durchsetzendes, periodisch umgepoltes Mag-

netfeld erzeugt, zwei in der Rohrleitung angeordneten Elektroden, die mit den Eingängen eines Meßverstärkers verbunden sind, Abtast- und Speicherschaltungen, die an den Ausgang des Meßverstärkers angeschlossen sind und von einer Steueranordnung so gesteuert werden, daß sie die Ausgangsspannung des Meßverstärkers bei einander gleichen Induktionswerten entgegengesetzten Vorzeichens abtasten und die Abtastwerte bis zur nächsten Abtastung speichern, einer Schaltung zur Bildung der Differenz der gespeicherten Abtastwerte und mit einer in einem Regelkreis zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Meßverstärkers angeordneten speichernden Regelschaltung, die in jedem Kompensationszeitintervall mit dem Ausgang des Meßverstärkers verbunden wird, einen die Ausgangsspannung des Meßverstärkers auf den Wert Null regelnden Kopensationsspannungswert bildet und diesen Kompensationsspannungswert bis zum nächsten Kompensationszeitintervall aufrechterhält, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß jede Abtast- und Speicherschaltung ein integrierendes RC-Glied enthält, an das die Signalspannung über einen für die Dauer der zugeordneten Abtastzeitintervalle geschlossenen Schalter angelegt wird, und daß dem Widerstand jedes RC-Glieds ein Schalter parallelgeschaltet ist, der am Beginn jedes der zugeordneten Abtastzeitintervalle kurzzeitig geschlossen wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Blockschema einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ,

Fig. 2 Zeitdiagramme von Signalen, die an verschiedenen Punkten der Anordnung von Fig. 1 auftreten,

Fig. 3 weitere Zeitdiagramme von Signalen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnungen von Fig. 1 und 4,

Fig. 4 eine abgeänderte Ausführungsform der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 5 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung von Fig. 4 beim Vorhandensein einer Störwechselspannung und

Fig. 6 Zeitdiagramme zur Erläuterung einer weiteren Abänderung des Verfahrens nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein innen isoliertes Rohr 1, durch das eine elektrisch leitende Flüssigkeit senkrecht zur Zeichenebene strömt. Eine Magnetfeldspule 2, die aus Symmetriegründen in zwei gleiche, zu beiden Seiten des Rohres 1 angeordnete Hälften unterteilt ist, erzeugt im Rohr ein senkrecht zur Rohrachse gerichtetes Magnetfeld H. Im Innern des Rohres 1 sind zwei Elektroden 3 und 4 angeordnet, an denen eine induzierte Spannung abgegriffen werden kann, die der mittleren Durchflußgeschwindigkeit der elektrisch leitenden Flüssigkeit durch das Magnetfeld proportional ist. Eine Spulensteuerschaltung 5 steuert den durch die Magnetfeldspule 2 fließenden Strom in Abhängigkeit von einem Steuersignal, das vom Ausgang 6a einer Steuerschaltung 6 geliefert und an den Steuereingang 5a angelegt wird.

Die Elektroden 3 und 4 sind mit den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers 7 verbunden. Der Differenzverstärker 7 hat eine kleine Verstärkung, so daß er auch bei großen Störspannungen (im typischen Fall + 1 V) nicht übersteuern kann.

Der Ausgang des Differenzverstärkers 7 ist mit einem Eingang einer Summierschältung 8 verbunden, an deren Ausgang der Eingang eines Verstärkers 9 mit dem Verstärkungsfaktor ν angeschlossen ist.

An den Ausgang des Verstärkers 9 sind parallel zwei Abtast- und Speicherschaltungen 10 und 11 angeschlossen. Zur Vereinfachung ist angedeutet, daß die Äbtast- und Speicherschaltung 10 einen Schalter S1 enthält, der durch ein vom Ausgang 6b der Steuerschaltung 6 geliefertes Steuersignal betätigt wird. Wenn der Schalter S1 geschlossen ist, verbindet er einen in Reihe mit einem Widerstand R1 liegenden Speicherkondensator C1 mit dem Ausgang des Verstärkers 9, so daß sich der Speicherkondensator C1 auf eine Spannung auflädt, die von der Ausgangsspannung des Verstärkers 9 abhängt. Die Schaltungselemente R1, C1 bilden zusammen ein Integrierglied, das die Ausgangsspannung des Verstärkers 9 während der Schließzeit des Schalters S1 integriert. Wenn der Schalter S1 geöffnet wird, steht der auf dem Kondensator C1 gespeicherte Abtastwert bis zum nächsten Schließen des Schalters SI am Apsgang der Abtast- und Speicherschaltung 10 zur Verfügung. Um zu verhindern, daß sich der Kondensator C1 nach dem öffnen des Schalters S1 entladen kann, kann dem Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 10 in üblicher Weise ein Impedanzwandler nachgeschaltet sein; dieser ist zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt.

In gleicher Weise enthält die Abtast- und Speicherschaltung einen Schalter S2, der durch ein vom Ausgang 6c der Steuer- * schaltung 6 geliefertes Steuersignal geschlossen wird, sowie

einen Speicherkondensator C2, der zusammen mit einem Widerstand R2 ein Integrierglied bildet, das die Ausgangsspannung des Verstärkers 9 während der Schließzeit des Schalters S2 integriert. Die nach dem öffnen des Schalters S2 erreichte Ladespannung des Kondensators C2 steht bis zum nächsten Schließen des Schalters S2 am Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 11 zur Verfugung, dem ebenfalls ein nicht dargestellter Impedanzwandler nachgeschaltet sein kann.

Die Ausgänge der beiden Abtast- und Speicherschaltungen 10, 11 sind mit den beiden Eingängen einer Subtrahierschaltung verbunden, die am Ausgang 13 ein Signal U liefert, das der Differenz der in den Abtast- und Speicherschaltungen 10, 11 gespeicherten Abtastwerte entspricht. Das Ausgangssignal U

bildet das Meßwertsignal, das ein Maß für die mittlere Durchflußgeschwindigkeit im Rohr 1 ist.

An den Ausgang des Verstärkers 9 ist außerdem der invertierende Eingang eines Operationsverstärkers 14 angeschlossen, dessen nichtinvertierender Eingang, der als Bezugseingang dient, an Masse gelegt ist. An den Ausgang des Operationsverstärkers 14 ist eine weitere Abtast- und Speicherschaltung 15 angeschlossen, die einen Schalter S3, einen Speicherkondensator C3 und einen Widerstand R3 enthält. Der Schalter S3 wird durch ein vom Ausgang 6d der Steuerschaltung 6 geliefertes Steuersignal betätigt. Der Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 15 ist mit dem zweiten Eingang der Summierschaltung 8 verbunden.

Die Diagramme A, B, C, D, E, F, G von Fig. 2 zeigen den zeitlichen Verlauf von Signalen, die an den mit den gleichen Buchstaben bezeichneten Schaltungspunkten von Fig. 1 auftreten.

In Fig- 2 ist die Dauer T eines vollständigen Meßzyklus, die gleich einer Periode des von der Spule 2 erzeugten magnetischen Wechselfeldes ist, in sechs gleiche Zeitabschnitte I, II, III, IV, V, VI unterteilt, die in den Zeitpunkten t_Q, t. , t₂, t₃, t._r tj. beginnen. Der Zeitabschnitt VI endet im Zeitpunkt t_g, der mit dem Anfangszeitpunkt t ' des nächsten Meßzyklus zusammenfällt. In entsprechender Weise sind die Zeitabschnitte dieses nächsten Meßzyklus mit I", II¹, III¹, IV , V , VI¹ und ihre
Endzeitpunkte mit t ', t,¹, t ', t. ' , tr¹, t_ß' bezeichnet.

Die Diagramme A, B, C, D zeigen die von der Steuerschaltung 6 abgegebenen Steuersignale, die entweder den Signalwert 1 oder den Signalwert 0 annehmen. Bei den an die Schalter S1, S2, S3 angelegten Steuersignalen B, C, D bedeutet der Signalwert 1
das Schließen des Schalters, also die Abtastphase, und der
Signalwert 0 das öffnen des Schalters, also die Haltephase.

Das der Spulensteuerschaltung 5 zugeführte Steuersignal A hat während der Zeitabschnitte I, II, III den Signalwert 1 und
während der Zeitabschnitte IV, V, VI den Signalwert 0.. Die Spulensteuerschaltung 5 ist. so ausgebildet, daß sie beim Signalwert 1 des Steuersignals einen Gleichstrom konstanter Größe
in der einen Richtung und beim Signalwert 0 des Steuersignals einen Gleichstrom der gleichen Größe, jedoch entgegengesetzter Richtung durch die Magnetfeldspule 2 schickt. Die Spulensteuerschaltung 5 enthält einen Stromregler, der den Strom bei jeder Polarität auf den gleichen konstanten Wert +1 bzw. -I

mm

regelt. Der Verlauf des durch die Magnetfeldspule 2 fließenden Stroms ist im Diagramm E dargestellt. Infolge der Induktivität der Magnetfeldspule erreicht der Strom nach jeder Umschaltung den konstanten Wert I der entgegengesetzten Polarität nur mit einer gewissen Verzögerung. Im Diagramm E ist angenommen, daß bei der im Zeitpunkt t_Q ausgelösten Umschaltung vom negativen zum positiven Wert der geregelte positive Wert +1 innerhalb der Zeitabschnitts I erreicht wird, so daß während der ganzen Dauer der Zeitabschnitte II und III der Stromwert +1 besteht.

In entsprechender Weise wird bei der im. Zeitpunkt t-, ausgelösten Umschaltung vom positiven zum negativen Wert der konstante negative Wert -I innerhalb des Zeitabschnitts IV erreicht, so daß der Stromwert -I während der ganzen Dauer der Zeitabschnitte V und VI besteht.

Das Magnetfeld H zeigt den gleichen zeitlichen Verlauf wie der Strom I.

Der Schalter S1 der Abtast- und Speicherschaltung 10 wird durch das Steuersignal B in jedem Meßzyklus für die Dauer des Zeitabschnitts II geschlossen. Die Abtast- und Speicherschaltung 10 tastet somit die Ausgangsspannung des Verstärkers 9 im mittleren Drittel der positiven Teilperiode des Magnetfelds H ab und speichert den über diesen Zeitabschnitt integrierten Abtastwert.

Der Schalter S2 der Abtast- und Speicherschaltung 11 wird durch das Steuersignal C in jedem Meßzyklus für die Dauer des Zeitabschnitts V geschlossen, so daß die Abtast- und Speicherschaltung 11 die Ausgangsspannung des Verstärkers im mittleren Drittel der negativen Teilperiode des Magnetfelds H abtastet und den über diesen Zeitabschnitt integrierten Abtastwert speichert.

Der Schalter S3 der Abtast- und Speicherschaltung 15 wird durch das Steuersignal D in jedem Meßzyklus für die Dauer der Zeitabschnitte III und VI geschlossen, also unmittelbar im Anschluß an die durch das Schließen der Schalter S1 und S2 bestimmten Abtastzeitintervalle. Wenn der Schalter S3 geschlossen ist, besteht ein geschlossener Regelkreis vom Ausgang des Verstärkers 9 über den Operationsverstärker 14, die Abtast- und Speicherschaltung 15 und die Summierschaltung

■-■ ^;3Ί 32471

/f

zum Eingang des Verstärkers 9. Dieser Regelkreis bringt die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 14, d.h. die Ausgangsspannung des Verstärkers 9, auf das am nichtinvertierenden Eingang anliegende Bezugspotential, also das Massepotential. Der Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 15 nimmt daher in jedem durch das Schließen des Schalters S3 bestimmten Kompensatiönszeitintervall, d.h. in jedem Zeitabschnitt III und VI jedes Meßzyklus, eine Kompensationsspannung U an, die der am anderen

YL

Eingang der Summierschaltung 8 gleichzeitig anliegenden, vom Ausgang des Differenzverstärkers 7 gelieferten Signalspannung U_ entgegengesetzt gleich ist, so daß die Ausgangsspannung der Summierschaltung 8 und damit auch die Aüsgangsspannung des Verstärkers 9 zu Null gemacht wird. Nach dem öffnen des Schalters S3, also in der Haltephase der Abtast- und Speicherschaltung 15, bleibt die .Kompensationsspannung U,

am Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 15 bestehen, und diese gespeicherte Kompensationsspannung U, wird in

■ k

der Summierschaltung 8 dauernd zu der jeweils anliegenden Signal spannung U,. addiert,

Das Diagramm F zeigt den zeitlichen Verlauf der Signalspannung U^ am Ausgang des Differenzverstärkers 7. Sie enthält einen Meßspannungsanteil U_M, der von der Durchflußgeschwindigkeit im Rohr 1 und der Feldstärke des Magnetfelds H abhängt. Die Meßspannung U ist einer Störgleichspannung U überlagert, die ihre Ursache insbesondere in unterschiedlichen elektro-chemischen Gleichgewichtspotentialen hat. Die Störgleichspannung U_c ist zeitlich nicht konstant, sondern wächst an und kann im Verlauf der Messung Werte erreichen, die das Tausendfache der Meßspannung U_M betragen können. Zur Vereinfachung der Darstellung und Beschreibung ist im Diagramm F angenommen, daß die Störgleichspannung U₀ im Zeitpunkt t_ den Wert Ug/._Q hat und linear ansteigt; der in jedem Zeitabschnitt erreichte Zuwachs der Störgleichspannung wird mit ÄU_C bezeichnet.

Die Signalspannung U^ hat also beispielsweise im Zeitpunkt tden Wert:

^üf/t2 ^{= ü}S/t2 ^{+ U}M/t2 und im Zeitpunkt t- den Wert:

^Uf/t5 ^{= U}S/t5 " ^UM/t5·

Die Kompensatxonsspannung U, hat in jedem Kompensatxonszeitintervall, also in den Zeitabschnitten III und VI jedes Meßzyklus, den gleichen Betrag wie die Signalspannung U_, aber das entgegengesetzte Vorzeichen, und sie behält den Wert, den sie am Ende jedes Kompensationszeitintervalls, d.h. in den Zeitpunkten t~ und t_fi erreicht hat, bis zum Beginn des nächsten Kompensationszeitintervalls bei.

Das Diagramm G zeigt die Spannung U am Ausgang der Summierschaltung 8:

Die Ausgangsspannung des Verstärkers 9 unterscheidet sich von der Spannung U nur durch den Verstärkungsfaktor v; sie hat also den gleichen zeitlichen Verlauf, jedoch den Wert v»U

Infolge der zuvor geschilderten Kompensatxonswirkung der Regelschleife hat die Spannung U im Zeitabschnitt III den Wert Null. Im Zeitpunkt t_ hat die Kompensationsspannung U, den folgenden Wert erreicht:

^ük/t3 ⁼ -^üf/t3 ⁼ -^(US/t3

Im Zeitpunkt t.. erfolgt die Umpolung des Magnetfelds, so daß die Meßspannung U„ schnell auf den dem negativen Magnetfeld entsprechenden Wert geht. Dagegen wird die Störgleichspannung U„ von der Umpolung des Magnetfelds nicht beeinflußt. Der im Zeitpunkt t, erreichte Wert U„ , -der Störspannung

wird durch den in der gespeicherten Kompensationspannung U,

enthaltenen Störspannungsanteil -\J„,,~ während der Zeitabschnitte IV und V zu Null kompensiert. In der Ausgangsspannung ü der Summierschaltung 8 erscheint nur der gespeicherte

g
Meßspannungsanteil ~^u _M/_t3 eier Kompensationsspannung, der nunmehr das gleiche Vorzeichen wie der Meßspannungsanteil -υ« in der Signalspannung U^ hat und zu diesem addiert wird. Dieser Summenspannung überlagert sich der nicht kompensierte Teil der Störspannung, also ein Störspannungsteil, der im Zeitpunkt t., den Wert Null hat und von diesem Wert linear in positiver Richtung ansteigt.

Somit hat die Spannung U im Zeitpunkt t,- den folgenden Wert ^Ug/t5 ^{= ü}f/t5 ^{+ ü}k/t3

^{= (U}S/t5 - ^UM/t5» - ^(US/t3 ^{+ ü}M/t3>

^{= (ü}S/t5 - ⁰SZt₃) - ^{UM/t3 ⁺ V)

Das Glied (U_q ,. ^ - Ug/+--3) entspricht dem Zuwachs der Störgleichspannung während der Zeitabschnitte IV und V, hat also bei dem zuvor angenommenen linearen Anstieg den Wert 2AU_C.

Das Glied (U_M/_t3 + ^UM/t5) ^{ist die Summe der} Meßspannungen in den Zeitpunkten t₃ und t-. Die Ausgangs spannung v-U des Verstärkers 9, die im Zeitabschnitt V durch die Abtast- und Speicherschaltung 11 zur Gewinnung des integrierten Abtastwerts U.. abgetastet wird, enthält also die Summe von zwei Meßspannungswerten, von denen der eine Meßspannungswert im Zeitabschnitt III während der vorhergehenden positiven Teilperiode des Magnetfelds H in der Abtast- und Speicherschaltung 15 gewonnen und gespeichert wurde, während der zweite Meßspannungswert in der Signalspannung U^ im Zeitabschnitt V der laufenden negativen Teilperiode des Magnetfelds enthalten ist.

- yr - It

Wenn angenommen wird, daß die Durchflußgeschwindigkeit im Rohr 1 während der Dauer des Meßzyklus konstant bleibt, sind die beiden Meßspannungswerte U_M, _ und U ,.₅ gleich groß, so daß gesetzt werden kann:

^üM/t3 ~ ^üM/t5 " ^UM· Dann gilt für die Spannung U im Zeitpunkt t,-

^üg/t5 ^{= 2AÜ}S - ² V

Im Zeitabschnitt VI wird dieSpannung U wieder auf Null gebracht. Im Zeitpunkt t_g hat die !Compensationsspannung U, den folgenden Wert angenommen:

^Uk/t6 " "^Uf/t6'" ^(US/t6 " ^UM/t6⁾ Für die Spannung U im Zeitpunkt t₂' gilt dann:

^Ug/t2¹· ^{= ü}f/t2· ^{+ U}k/t6

^{= U}S/t2' ^{+ ü}M/t2' " ^(US/t6 " "

^(US/t2'" ^US/t6^{) + (ü}M/t6 ⁺

Die entsprechende verstärkte Ausgangsspannung des Verstärkers 9 wird im Zeitabschnitt II¹ durch die Abtast- und Speicherschaltung 10 zur Gewinnung des integrierten Abtastwertes U_1n abgetastet. Sie enthält wieder zwei Meßspannungswerte, nämlich den im Zeitabschnitt VI des vorhergehenden Meßzyklus in der Abtast- und Speicherschaltung 15 gewonnenen und gespeicherten Wert und den im Zeitabschnit II¹ in der Signalspannung U_f enthaltenen Wert.

Unter den zuvor angenommenen Bedingungen gilt wieder:

, = 2 Δ Ug + 2 ü_M.

Setzt man zur Vereinfachung die in den Abtast- und Speicher-Schaltungen 10 und 11 gespeicherten integrierten Abtastwerte U₁Q und U₁₁ gleich den zuvor betrachteten Augenblickswerten nach Verstärkung im Verstärker 9, so kann man schreiben:

U₁₀ = ν (2 AU₃ + 2 U_M) U_n = ν (2 AU_S - 2 U_M)

Nach der Differenzbildung in der Subtrahierschaltung 12 erhält man die Ausgangsspannung

^Ua ^{= ü}10 * ^Ü11 ^{= v (2AU}S ^{+ 2} V - ^{v (2AÜ}S - ² V U = ν · 4 U_M.

In der Ausgangsspannung U ist also außer der absoluten Stör-

a ■

gleichspannung auch die Störspannungsdrift vollkommen beseitigt, wenn sie als linear angenommen wird. Das Nutzsignal entspricht dem vierfachen Wert der Meßspannung.

Ferner ist zu erkennen, daß die im Ausgangssignal enthaltenen MeßSpannungen durch Integration in den vier Zeitabschnitten III, V, VI und II¹ erhalten worden sind. Dies entspricht einer Signalbeobachtung über zwei Drittel der Zeit, also praktisch der ganzen Zeit, in der das Magnetfeld als konstant angesehen werden kann. Lediglich die durch die Umpolung bedingten Zeiten der Magnetfeldänderung sind von der Signalbeobachtung ausgeschlossen.

ZO

Weiterhin ist zu erkennen, daß die absolute Störgleichspannung vom Verstärker 9 ferngehalten ist, der außer der Meßspannung nur die verhältnismäßig kleine Störspannungsänderung zwischen zwei !Compensationszeitintervallen zu verarbeiten braucht. Der Verstärker 9 kann daher mit großem Verstärkungsfaktor ausgebildet werden, ohne daß die Gefahr einer Übersteuerung besteht.

Die geschilderten vorteilhaften Wirkungen beruhen darauf, daß jedes Kompensationszeitintervall vollständig innerhalb der Zeitdauer liegt, in der das Magnetfeld eingeschaltet ist und seinen konstanten Wert hat, und in der auch das vorhergehende Abtastzeitintervall liegt. Als Folge dieser Maßnahme enthält die gespeicherte Kompensationsspannung außer der zu kompensierenden Störgleichspannung auch einen Meßspannungsanteil, der im nächsten Abtastzeitintervall zur Gewinnung des Nutzsignals mit verwertet wird. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß für die Kompensation keine Magnetfeldpausen benötigt werden, in der das Magnetfeld Null ist; es eignet sich daher insbesondere in Verbindung mit einer einfachen Umpolung des Magnetfelds zwischen zwei entgegengesetzten Werten. Das Verfahren ist jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt; es kann ohne weiteres auch dann angewendet werden, wenn aus anderen Gründen Magnetfeldpausen vorgesehen sind.

Die zuvor beschriebene Aufteilung jeder Halbperiode in drei gleiche Zeitabschnitte, von denen einer das Abtastzeitintervall und ein weiterer das Kompensationszeitintervall bilden, ist natürlich nur als Beispiel anzusehen. Je nach dem zeitlichen Verlauf des Magnetfelds kann auch eine andere Aufteilung vorgesehen werden. Es ist auch nicht erforderlich, daß sich das Abtastzeitintervall und das Kompensationszeitintervall lückenlos aneinanderschließen. Ih der Regel wird man aber bestrebt sein, die verfügbare Zeit, in der das Magnetfeld seinen konstanten Wert hat, möglichst vollständig zur Signalbeobachtung auszunutzen.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wird der Schalter S1 jeweils im Zeitabschnitt II jedes Meßzyklus geschlossen, in welchem der Strom in der Magnetfeldspule 2 den konstanten positiven Wert +1 hat. Wenn angenommen wird, daß sich die Störgleichspannung nicht ändert und auch die Durchflußgeschwindigkeit konstant bleibt, hat auch die Spannung U in jedem Zeitabschnitt II den gleichen konstanten Wert. Für die Abtast- und Speicherschaltung 10 wirkt sich dies so aus, als ob am Eingang eine konstante Gleichspannung anlage, die jeweils durch das Schließen des Schalters S1 abgetastet würde. Wenn sich die Durchflußgeschwindigkeit ändert, äußert sich dies für die Abtast- und Speicherschaltung 10 wie eine zeitliche Änderung der scheinbar am Eingang anliegenden Gleichspannung.

Das gleiche.gilt für die Äbtast- und Speicherschaltung 11, mit dem Unterschied, daß die scheinbar anliegende und im Zeitabschnitt V jedes Meßzyklus durch Schließen des Schalters S2 abgetastete Gleichspannung einen anderen Wert hat.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie sich dieser Sachverhalt auf die Bildung der gespeicherten Abtastwerte in der Abtast- und Speicherschaltung 10 bei schnellen Durchflußänderungen auswirkt.

Das Diagramm V von Fig. 3 zeigt die Durchflußgeschwindigkeit V im Rohr 1. Es ist der Fall dargestellt, daß die Strömung im Zeitpunkt t^ plötzlich eingeschaltet wird, so daß die Durchflußgeschwindigkeit V sehr schnell vom Wert Null auf einen konstanten Wert V_ geht.

Das Diagramm G von Fig. 3 zeigt für die vier ersten, auf den Zeitpunkt t_Q folgenden Meßzyklen T_M1, T^₂, ^T _M3'.^T _M4 entsprechend dem Diagramm G von Fig. 2 die Ausgangsspannung v-U

Il

des Verstärkers 9, die auch die Eingangsspannung der Abtast- und Speicherschaltung 10 ist. Es sind nur die positiven Spannungsimpulse dargestellt, da nur diese von der Abtast- und Speicherschaltung 10 verwertet werden. Ferner ist die Spannung v-U für den vereinfachten Fall dargestellt, daß sich die Störgleichspannung nicht ändert und daß die Durchflußgeschwindigkeit im Rohr 1 nach dem Erreichen des Wertes V konstant bleibt. Die positiven Spannungsimpulse der Spannung ν·υ erreichen daher in den aufeinanderfolgenden Meßzyklen jeweils den gleichen Amplitudenwert v-U _n, der der Durchflußgeschwindigkeit V_ entspricht und während der ganzen Dauer des Abtastzeitabschnitts II in jedem Meßzyklus konstant ist.

In den vor dem Zeitpunkt t_ liegenden Meßzyklen hatte dagegen die Spannung v-U stets den Wert Null.

Das Diagramm B von Fig. 3 entspricht dem Diagramm B von Fig. Es zeigt das Steuersignal B, das vom Ausgang 6b der Steuerschaltung 6 abgegeben wird und den Schalter S1 während der Dauer des Zeitabschnitts II in jedem Meßzyklus T schließt. Das Steuersignal B bestimmt also die Abtastzeitintervalle der Abtast- und Speicherschaltung 10.

Da während jedes Abtastzeitintervalls nach dem Zeitpunkt t_ die gleiche konstante Spannung am Eingang der Abtast- und Speicherschaltung 10 anliegt, verhält sich diese so, als ob ihre Eingangssapnnung eine konstante Gleichspannung v-U ~ wäre,-die gleich dem Amplitudenwert der positiven Spannungsimpulse der Spannung v-U ist, wie im Diag:
gestrichelte Linie angedeutet ist.

der Spannung v-U ist, wie im Diagramm G von Fig. 3 durch eine

Das Diagramm H von Fig. 3 zeigt die Spannung U an den Klemmen des Kondensators C1 in der Abtast- und Speicherschaltung 10. Im Zeitpunkt t„ hat die Spannung U den Wert Null.

- JA--

Beim ersten Schließen des Schalters S1 im Zeitabschnitt II des Meßzyklus T steigt die Spannung U entsprechend der Zeitkonstante des RC-Glieds R1, C1 annähernd linear an. In Wirklichkeit erfolgt der Spannungsanstieg in bekannter Weise nach einer Exponentialfunktion.

Wenn der Schalter S1 am Ende des Zeitabschnitts II des Meßzyklus T_M1 geöffnet wird, behält die Spannung U den zuletzt erreichten Wert unverändert bei, bis der Schalter S1 am Anfang des Zeitabschnitts II im nächsten Meßzyklus T_M2 wieder geschlossen wird. Dann steigt die Spannung U erneut an, nunmehr jedoch mit einer etwas geringeren Steigung entsprechend dem nächsten Abschnitt der Exponentialfunktion.

Der gleiche Vorgang wiederholt sich in den folgenden Meßzyklen, bis schließlich die Spannung U den vollen Wert der Gleichspannungsamplitude v-U Q erreicht hat. Zur Vereinfachung ist in Fig. 3 angenommen, daß dieser Zustand bereits im vierten Meßzyklus Tw, erreicht ist. Von diesem Zeitpunkt an ändert sich die Klemmenspannung U des Kondensators C1 nicht mehr, wenn die Amplitude der positiven Impulse der Spannung ν-Ug unverändert bleibt.

Das Diagramm J von Fig. 3 zeigt die Ausgangsspannung U₁₀ der Abtast- und Speicherschaltμng 10. Jedesmal, wenn der Schalter S1 geschlossen ist, besteht eine direkte Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang, so daß die Eingangsäpannung unverändert am Ausgang erscheint. Dies ergibt sich daraus, daß der Widerstand R1 nicht im Längszweig, sondern im Querzweig in Reihe mit dem Kondensator C1 angeordnet ist.

IH

Wenn der Schalter S1 geöffnet ist, liegt am Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung die volle Klemmenspannung U des Kondensators C1 an. Wie bereits erwähnt wurde, ist dem Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 10 in der üblichen Weise ein nicht dargestellter hochohmiger Impedanzwandler nachgeschaltet, der verhindert, daß sich der Kondensator C1 in den Pausen zwischen den Abtastzextintervallen entlädt. Da somit in den Abtastpausen kein Strom über den Widerstand R1 fließt, besteht auch kein Spannungsabfall an diesem Widerstand, so daß die auf dem Kondensator C1 gespeicherte Spannung voll am Ausgang erscheint und bis zum nächsten Abtastzeitintervall unverändert bleibt.

Die gleiche Funktionsweise ergibt sich auch für die Abtast- und Speicherschaltung 11 bei den negativen Spannungsimpulsen der Spannung v.U .

Wie das Diagramm J von Fig. 3 zeigt, folgt die Ausgangsspannung jeder Abtast- und Speicherschaltung einer schnellen Änderung der Durchflußgeschwindigkeit nur mit einer beträchtlichen Verzögerung, die sich über mehrere Meßzyklen erstreckt. Entsprechende Verzögerungen entstehen natürlich auch dann, wenn eine bereits bestehende Durchflußgeschwindigkeit plötzlich vergrößert oder verringert wird. Die durch die Verzögerung bedingten langen Anstiegs- oder Abfallzeiten bis zürn Erreichen des stationären Betriebszustands sind in vielen Anwendungsfällen sehr unerwünscht oder sogar unzulässig, insbesondere bei Steuer- und Regelvorgängen in der Verfahrenstechnik.

In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Anordnung von Fig. 1 dargestellt, bei der die lange Anstiegszeit beseitigt ist. ·

Die Anordnung von Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen von Fig. 1 nur dadurch, daß in jeder Abtast- und Speicherschaltung 10, 11 parallel zu dem Widerstand RI bzw. R2 ein Schalter S4 bzw. S5 geschaltet ist. Der Schalter S4 wird durch ein Steuersignal K gesteuert, das von der Steuerschaltung an einem weiteren Ausgang 6e abgegeben wird, und der Schalter S5 wird durch ein Steuersignal L gesteuert, das von einem Ausgang 6f der Steuerschaltung 6 kommt.

Ferner ist der Widerstand R3 in der Abtast- und Speicherschaltung 15 fortgelassen.

Die übrigen Bestandteile der Anordnung von Fig. 4 sind gegenüber der Anordnung von Fig. 1 unverändert; sie sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig» 1 bezeichnet.

Die Funktionsweise der Anordnung von Fig„ 4 wird anhand der Diagramme K, M und N von Fig. 3 für die Abtast- und Speicherschaltung 10 beschrieben«

Das Diagramm K von Fig. 3 zeigt das Steuersignal K, das den Schalter S4 betätigt. Es besteht aus kurzen Impulsen, die gleichzeitig mit den Impulsen des Steuersignals B beginnen, aber eine kürzere Dauer als diese haben. Der Schalter S4 wird somit gleichzeitig mit dem Schalter S1 geschlossen, wird aber kurz danach wieder geöffnet, während der Schalter ST noch geschlossen bleibt-

Durch das Schließen des Schalters S4 wird der Widerstand Rt kurzgeschlossen, so daß die volle Eingangsspannung am Kondensator C1 anliegt. Die Abtast- und Speicherschaltung 10 arbeitet in diesem Zustand wie ein echter Momentanwertspeicher ("sample & hold"), der den Augenblickswert einer angelegten Spannung abtastet und speichert.

ιι*

Die Diagramme M und N von Fig. 3 zeigen, wie sich diese Maßnahme auf die Klemmenspannung ü des Kondensators C₁

c ι

und auf die Ausgangsspannung U₁₀ der Äbtast- und Speicherschaltung 10 bei einer schnellen Durchflußänderung auswirkt. Wenn die Schalter S1 und S4 am Beginn des Zeitabschnitts II im Meßzyklus T.,.. geschlossen werden, lädt sich der Kondensator C1 sofort auf die volle Eingangsspannung auf. Er behält diese Spannung nach dem öffnen des Schalters S4 bei, wenn sich die Eingangsspannung während der restlichen Schließzeit des Schalters S1 nicht ändert.

Die Ausgangsspannung U₁₀ ist, wie zuvor, während der Schließzeit des Schalters S1 gleich der Eingangsspannung und nach dem Öffnen des Schalters S1 gleich der Kondensatorspannung U Da die Kondensatorspannung U jetzt aber vom ersten Meßzyklus an gleich der vollen Eingangsspannung ist, bleibt diese Spannung auch nach dem Öffnen des Schalters S1 am Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 10 bestehen. Der stationäre Betriebszustand stellt sich also bereits im ersten Meßzyklus nach der Durchflußänderung ein. Die Schaltung von Fig. 4 zeigt somit schnelle Änderungen der Durchflußgeschwindigkeit mit sehr geringer Verzögerung an.

Anhand der Diagramme von Fig. 5 soll erläutert werden, wie sich die Überlagerung einer Störwechselspannung auf die Abtastung der Meßspannung bei der Anordnung von Fig. 4 auswirkt. Solche Störwechselspannungen werden insbesondere durch vagabundierende Ströme erzeugt, die vom allgemeinen Wechselstromnetz stammen. Sie haben daher die Netzfrequenz, jedoch eine beliebige Phasenlage.

Das Diagramm P von Fig. 5 zeigt eine solche Störwechselspannung U im Verlauf der beiden ersten Zeitabschnitte I und II eines Meßzyklus für zwei verschiedene Fälle, nämlich in der linken Hälfte des Diagramms für den Fall, daß die Störwechselspannung U eine Phasenverschiebung von 0° in bezug auf den AnfangsZeitpunkt t des Meßzyklus hat, und in der rechten Hälfte für den Fall, daß die Phasenverschiebung 180° beträgt . Es sind natürlich beliebige andere Phasenverschiebungen möglich. Als Beispiel ist angenommen, daß die Dauer jedes Zeitabschnitts gleich einer Periode der Störwechselspannung U ist, bei einem 50 Hz-Netz also 20 ms beträgt.

Wie in Fig. 3 stellt das Diagramm B von Fig. 5 das den Schalter S1 betätigende Steuersignal und das Diagramm K das den Schalter S4 betätigende Steuersignal dar.

Das Diagramm Q zeigt die Veränderung der Spannung V-U infolge der Überlagerung der Störwechselspannung U für die beiden Fälle, wobei wieder zur Vereinfachung die lineare Änderung der Störgleichspannung nicht berücksichtigt ist.

Das Diagramm R zeigt die Änderung der Klemmenspannung U_c des Kondensators C1 im Verlauf des Abtastzeitintervalls, das durch die Schließzeit des Schalters S1 (Zeitintervall II) bestimmt ist.

Beim Schließen der beiden Schalter S1 und S4 im Zeitpunkt t. geht die Kondensatorspannung U sofort auf den Augenblickswert der Eingangsspannung v-U , und zwar sowohl im ersten Meßzyklus, wenn die Kondensatorspannung vorher Null war, als auch im stationären Betrieb, wenn auf dem Kondensator C1 eine Spannung vom vorhergehenden Abtastvorgang gespeichert ist« wie in Fig. 5 dargestellt ist.

Während der Schließzeit des Schalters S4 (Dauer des Impulses K) folgt die Konderisatorspannung U verzögerungsfrei der Eingangsspannung v-U . In diesem Zeitintervall erfolgt eine reine Momentanwertabtastung nach dem "sample & hold"-Prinzip.

Nach dem Öffnen des Schalters S4 folgt dagegen in der restlichen Schließzeit des Schalters S1 die Kondensatorspannung U der Eingangsspannung v.U nur noch mit einer durch das RC-Glied R1 , C1 bedingten Glättung der durch die überlagerte Störwechselspannung verursachten Schwankungen. Die Amplitude der Schwankungen wird dadurch wesentlich verringert.

Der im Zeitpunkt des Öffnens des Schalters S1 erreichte Wert der Kondensatorspannung U bleibt bis zum nächsten Abtastvorgang auf dem Kondensator C1 gespeichert und steht am Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 10 als Ausgangsspannung O_1n zur Verfügung. Diese gespeicherte Kondensatorspannung enthält außer der abgetasteten Meßspannung einen Störwechselspannungsrest Δϋ , der außer von der Amplitude der Störwechselspannung auch von deren Phasenlage in bezug auf das Abtastzeitintervall abhängt. Die beiden Kurven des Diagramms R zeigen, daß unter sonst gleichen Bedingungen die Störwechselspannungsresfce Δϋ bei den beiden angenommenen Phasenlagen von 0° und 180° verschieden sind.

Infolge der durch das RC-Glied bewirkten Glättung ist aber der Störwechselspannungsrest Δϋ auch im ungünstigsten Fall wesentlich kleiner als die Amplitude der überlagerten Störwechselspannung.

Der Störwechselspannungsrest beeinträchtigt die Meßgenauigkeit nicht, wenn dafür gesorgt wird, daß auch bei der Abtastung der negativen Spannungsimpulse in der Abtast- und Speicherschaltung 11 ein Störwechselspannungsrest gleicher Größe mit

dem gleichen Vorzeichen erhalten wird. Dann heben sich die Störwechselspannungsreste bei der Differenzbildung in der Subtrahierschaltung 12 gegenseitig auf.

Diese Bedingung ist offensichtlich erfüllt, wenn die Abtastzeitintervalle (Schließzeiten der Schalter S1, S4 und der Schalter S2, S5) in den beiden Abtast- und Speicherschaltungen 10 und 11 gleich groß sind, und wenn die Störwechselspannung die gleiche Phasenlage in bezug auf diese Abtastzeitintervalle hat.

Durch die Differenzbildung werden auch Störwechselspannungsanteile beseitigt, die in dei Kompensationsspannung enthalten sind, die in der Abtast- und Speicherschaltung 15 (Fig. 1 und 4) des Kompensationskreises gebildet und gespeichert wird, wenn wiederum dafür gesorgt wird, daß die Störwechselspannungsanteile in den aufeinanderfolgenden Kompensationszeitintervallen in gleicher Größe und mit gleichem Vorzeichen auftreten. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die aufeinanderfolgenden Kompensationszeitintervalle (Schließzeiten des Schalters S3) gleich groß sind und die gleiche Phasenlage in bezug auf die Störwechselspannung haben. Ferner müssen natürlich, wie zuvor, die Zeitabstände zwischen jedem Kompensationszeitintervall und dem nächsten Abtastzeitintervall gleich groß sein. Dagegen ist es nicht erforderlich, daß die Dauer der Kompensationszeitintervalle gleich der Dauer der Abtastzeitintervalle ist.

Die Abtast- und Speicherschaltung 15 im Kompensationskreis (Fig. 1 und 4) kann grundsätzlich in gleicher Weise wie die Abtast- und Speicherschaltungen 10 und 11 ausgeführt sein; sie könnte also im Fall von Fig. 4 ebenfalls mit einem zusätzlichen Schalter ausgestattet sein, der den Widerstand R3 im ersten Teil jedes Kompensationszeitintervalls überbrückt. Es ist jedoch einfacher, den Widerstand R3 ganz fortzulassen, wie in Fig. 4 dargestellt ist, so daß die Abtast- und Speicherschaltung 15 während des ganzen Kompensationszeitintervalls als

-yr-

reiner Momentanwertspeicher ("sample & hold") betrieben wird. Diese Ausbildung eignet sich besonders für den Fall, daß das !Compensationszeitintervall sehr kurz ist, wie später anhand von Fig. 6 erläutert wird.

Zur Erzielung der gleichen Phasenlage genügt es, den Beginn jedes Abtastzeitintervalls und jedes Kompensationszeitintervalls in eine vorbestimmte Phasenbeziehung zur Netzwechselspannung zu bringen, beispielsweise den Abtastvorgang jeweils bei einem Nulldurchgang der Netzwechselspannung auszulösen. Zwar ist die Phasenlage der durch vagabundierende Ströme erzeugten Störwechselspannung in bezug auf die Netzwechselspannung beliebig und nicht vorhersehbar; es kann aber davon ausgegangen werden, daß diese Phasenlage über längere Zeiträume konstant bleibt.

Wegen der nicht vorhersehbaren Phasenlage der Störwechselspannung ist es dagegen nicht möglich, den Störwechselspannungsrest durch eine bestimmte Bemessung der Dauer der Abtastvorgänge mit Sicherheit zu beseitigen. Selbst wenn das Abtastzeitintervall gleich der Periode der Störwechselspannung oder gleich einem Vielfachen dieser Periode gewählt wird, kann bei ungünstiger Phasenlage der Störwechselspannungsrest sein Maximum erreichen.

Die zuvor geschilderte Beseitigung des Störwechselspannungsrestes durch die Differenzbildung gibt daher eine völlige Freiheit in der Wahl der Abtastzeiten, vorausgesetzt, daß die zuvor angegebenen Bedingungen gleicher Dauer und gleicher Phasenlage in bezug auf die Netzwechselspannung eingehalten sind.

Als Beispiel sind in Fig. 6 in entsprechender Weise wie in Fig. 2 die Signaldiagramme für ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Frequenz der Feldumpolung in der Magnetfeldspule 2 gleich der halben Frequenz der Störwechselspannung ist, so daß jeweils ein Abtastzeitintervall und ein Kompensationszeitintervall in einer Periode der Störwechselspannung liegt.

Die Diagramme A, B, C, D, E von Fig. 6 zeigen wie die entsprechenden Diagramme von Fig. 2 die verschiedenen Steuersignale, die von der Steuerschaltung 6 abgegeben werden, sowie den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms I.

Das Diagramm P stellt, wie in Fig. 5, die Störwechselspannung U mit einer beliebigen Phasenlage dar.

Um die vielfältigen Möglichkeiten der beschriebenen Maßnahmen zu zeigen, sind ferner die Abtastzeitintervalle (Diagramme B und C) wesentlich länger als die Kompensationszeitintervalle (Diagramm D). Man nutzt dadurch die größtmögliche Zeit für die Signalabtastung aus.

Es sind jedoch die folgenden Bedingungen eingehalten:

1. Die Dauer der Abtastzeitintervalle in der Abtast- und Speicherschaltung 10 (Diagramm B) ist gleich der Dauer der Abtastzeitintervalle in der Abtast- und Speicherschaltung 11 (Diagramm C).

2. Alle Abtastzeitintervalle (Diagramme B und C) haben die gleiche Phasenlage in bezug auf die Störwechselspannung (Diagramm P).

- Hf-

3. Alle Kompensationszeitintervalle (Diagramm D) haben die gleiche Dauer.

4. Alle Kompensationszeitintervalle haben die gleiche Phasenlage in bezug auf die Störwechselspannung.

5. Die Zeitabstände zwischen jedem Kompensationszeitintervall und dem nächsten Abtastzeitintervall· sind gleich groß.

Dagegen besteht kein definierter Zusammenhang zwischen der Dauer der Abtastzeitintervalle bzw. der Kompensationszeitintervalle und der Periode der Störwechselspannung.

Die Steuersignale für die Betätigung der Schalter S4 und S5 sind in Fig. 6 zur Vereinfachung nicht dargestellt; sie liegen natürlich wieder jeweils im Anfangsteil der Steuersignale B bzw. C.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Kompensation der Störgleichspannungen im Elektrodenkreis bei der magnetisch-induktiven Durchflußmessung mit periodisch umgepoltem magnetischem Gleichfeld, bei welchem das Nutzsignal dadurch erhalten wird, daß die Signalspannung nach jeder Umpolung des Magnetfelds jeweils bei gegenpoligen Werten des Magnetfelds während eines Abtastzeitintervalls abgetastet und gespeichert wird und die Differenz der gespeicherten Abtastwerte gebildet wird, und bei welchem in einem auf jedes Abtastzeitintervall folgenden Kompensationszeitintervall durch Abtastung und Speicherung der Signalspannung eine der Signalspannung entgegengesetzt überlagerte Kompensationsspannung erzeugt wird, welche die Signalspannung innerhalb des Kompensationszeitintervalls auf den Wert Null kompensiert und bis zum nächsten Kompensationszeitintervall beibehalten ,wird, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kompensationszeitintervall innerhalb des dem eingeschalteten Magnetfeld entsprechenden Zeitintervalls liegt, in dem auch das vorhergehende Abtastzeitintervall liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Kompensationszeitintervall unmittelbar an das Abtastzeitintervall anschließt.

Lei/Gl
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastzeitintervall und das Kompensationszeitintervall zusammen im wesentlichen den ganzen Zeitraum überdecken, in welchem das Magnetfeld seinen konstanten Wert hat.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastzeitintervall und das Kompensationszeitintervall gleich groß sind.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastzeitintervall größer als das Kompensationszeitintervall ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Abtastzeitintervalle die gleiche Dauer haben und der Beginn jedes Abtastzeitintervalls in einer für alle Abtastintervalle gleichen starren Phasenbeziehung zu einer Störwechselspannung steht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer jedes Abtastzeitintervalls von der Periode der Störwechselspannung oder einem Vielfachen dieser Periode verschieden ist. -
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kompensationszeitintervalle die gleiche Dauer haben und daß der Beginn jedes Kompensationszeitintervalls in einer für alle Kompensationszeitintervalle gleichen starren Phasenbeziehung zu einer Störwechselspannung steht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer jedes Kompensationszeitintervalls von einer Periode der Störwechselspannung oder einem Vielfachen dieser Periode verschieden ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die abgetastete Signalspannung in jedem Abtastzeitintervall zur Bildung des gespeicherten Abtastwerts an ein integrierendes Speicherglied angelegt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Beginn jedes Abtastzeitintervalls kurzzeitig eine Momentanwertabtastung und -speicherung der Signalspannung ohne Integration erfolgt und die abgetastete Signalspannung nur im restlichen Teil des Abtastzeitintervalls an das integrierende Speicherglied angelegt wird.
12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 11 für die induktive Durchflußmessung einer in einer Rohrleitung fließenden elektrisch, leitenden Flüssigkeit, mit einem Magnetfelderzeuger, der ein die Rohrleitung senkrecht zur Strömungsrichtung durchsetzendes, periodisch umgepoltes Magnetfeld erzeugt, zwei in der Rohrleitung angeordneten Elektroden, die mit den Eingängen eines Meßverstärkers verbunden sind, Abtast- und Speicherschaltungen, die an den Ausgang des Meßverstärkers angeschlossen sind und von einer Steueranordnung so gesteuert werden, daß sie die Ausgangsspannung des Meßverstärkers bei einander gleichen Induktionswerten entgegengesetzten Vorzeichens abtasten und die Abtastwerte bis zur nächsten Abtastung speichern, einer Schaltung zur Bildung der Differenz der gespeicherten Abtastwerte und mit einer in einem Regelkreis zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Meßverstärkers angeordneten speichernden Regelschaltung, die in jedem Kompensationszeitintervall mit dem Ausgang des Meßverstärkers verbunden wird, einen die Ausgangsspannung des Meßverstärkers auf den Wert Null regelnden Kompensationsspannungswert bildet und diesen Kompensationsspannungswert bis zum nächsten Kompensationszeitintervall aufrechterhält, dadurch

-A-

gekennzeichnet, daß jede Abtast- und Speicherschaltung (10, 11) ein integrierendes RC-Glied (R1, C1; R2, C2) enthält, an das die Signalspannung über einen für die Dauer der zugeordneten Abtastzeitintervalle geschlossenen Schalter (S 1, S2) angelegt wird, und daß dem Widerstand (R1, R2) jedes RC-Gliedes (R1, C1; R2, C2) ein Schalter (S4, S5) parallelgeschaltet ist, der am Beginn jedes der zugeordneten Abtastzeitintervalle kurzzeitig geschlossen wird.