-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines magnetisch-induktiven
Durchflußmessers,
bei dem man senkrecht zu einer Durchflußrichtung ein Magnetfeld erzeugt,
das zu einer ersten Gruppe von Zeitpunkten eine erste Richtung und
zu einer zweiten Gruppe von Zeitpunkten eine zweite, der ersten
Richtung entgegengesetzte Richtung aufweist, und senkrecht zum Magnetfeld
und senkrecht zur Durchflußrichtung
ein Meßsignal
zwischen zwei Elektroden abnimmt und auswertet.
-
Ein
derartiges Verfahren ist beispielsweise aus
US 4 648 279 bekannt. Hier wird das
Magnetfeld dadurch erzeugt, daß eine
Spulenanordnung in einem ersten Zeitraum mit Strom in einer ersten
Richtung beaufschlagt wird, während
in einem zweiten, späteren
Zeitraum der Strom in die umgekehrte Richtung durch die Magnetspulen geschickt
wird, so daß das
Magnetfeld die entgegengesetzte Richtung hat. Zwischen diesen einzelnen "Pulsen" oder "Blöcken" werden jeweils Pausen
eingelegt. Damit kann man Störeinstrahlungen
beseitigen, indem die Elektrodensignale über einen Zeitraum integriert
werden, der mindestens eine oder besser mehrere Perioden des Störsignals
beträgt.
Man erzeugt also eine Folge von Magnetfeldimpulsen, die sich kurz
als "Pause-positiver
Impuls-Pause-negativer Impuls" beschreiben läßt.
-
Eine ähnliche
Vorgehensweise ist aus
EP
1 079 212 A2 bekannt. Hier möchte man durch eine sogenannte
lückende
Erregung der Magnetfeldspulen Energie einsparen. Hier wird ein Impulsmuster "positiver Impuls-negativer
Impuls-Pause" verwendet.
-
Durchflußmesser
sollten eine möglichst hohe
Genauigkeit haben. Insbesondere sollte das Meßsignal den Wert Null anzeigen,
wenn kein Durchfluß vorhanden
ist. ISO4064 beschreibt eine Fehlergrenze für Durchflußmesser der Klasse C, die z.B.
für Analysezwecke
benutzt werden können.
Solche Durchflußmesser
müssen
bei einer Strömung
von 30 mm/s eine Genauigkeit von ± 2% aufweisen.
-
Dies
läßt sich
bei einem Durchflußmesser, dessen
Auswerteeinrichtung wiederholt an- und abgeschaltet wird, beispielsweise
um Energie einzusparen, praktisch nicht erreichen. Insbesondere
bei batteriebetriebenen Durchflußmessern wird die Elektronik
in solchen Zeiträumen,
in denen keine Messung vorgenommen werden soll, abgeschaltet. Jedes
Mal, wenn die "Elektronik" wieder eingeschaltet wird,
ergibt sich ein unerwünschter
exponentieller Einschwingverlauf des Meßsignals. Unter anderem trägt ein Aufbau
einer elektrischen Ladungsschicht auf den Elektroden zu diesem Einschwingen
des Meßsignals
bei. Man nimmt an, daß eine
Ladungsschicht auf den Elektroden verschwindet, wenn über eine
gewisse Zeit kein Meßsignal
abgenommen und kein Magnetfeld erzeugt wird. Wenn die Auswerteeinrichtung
wieder eingeschaltet wird, dann läuft ein Vorspannstrom im Vorverstärker und
dieser Strom erzeugt eine Spannung an den Elektroden. Hierdurch wird
die Ladungsschicht wieder aufgebaut und dadurch folgt das Meßsignal
am Beginn der Messung einem exponentiellen Verlauf, d.h. es fängt mit
einer höheren
Spannung an und fällt
dann mit der Zeit ab, oder es fängt
mit einer tieferen Spannung an und nimmt mit der Zeit zu. Dieses
Einschwingverhalten ist von der Impedanz des strömenden Mediums und dessen Temperatur,
aber auch vom Material der Elektrode abhängig.
-
Wenn
man dieses Einschwingverhalten außer acht läßt, ergibt sich ein Fehler
des Meßsignals, der
während
der Einschwingdauer eine Größenordnung
von 2 bis 3 mm/s erreichen kann. Mit anderen Worten wäre dies
ein Fehler von etwa 10%.
-
Batteriebetriebene
Durchflußmesser
haben nur einen geringen Energievorrat zur Verfügung. Dennoch wünscht man,
daß sie
längere
Lebensdauern erreichen sollen, beispielsweise sieben Jahre. Der
Strom, mit dem die Magnetfeldspulen erzeugt werden, muß somit
sehr niedrig gehalten werden, typischerweise etwa 20 m/A. Dies hat
wiederum ein sehr kleines Meßsignal
zur Folge, d.h. einen geringen Rauschabstand.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fehler im Meßergebnis
kleinzuhalten.
-
Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
daß man eine
erste Sequenz von Magnetfeldblöcken
und danach eine zweite, zeitlich gleichartige Sequenz von Magnetfeldblöcken erzeugt,
wobei in der zweiten Sequenz das Magnetfeld in jedem Magnetfeldblock
entgegengesetzt zum entsprechenden Magnetfeldblock in der ersten
Sequenz gerichtet ist, und man die Meßsignale aus beiden Sequenzen
miteinander verknüpft.
-
Der
Begriff "Magnetfeldblock" wird mit der gleichen
Bedeutung verwendet wir der Begriff "Magnetfeldimpuls". Die Magnetfeldblöcke oder -impulse können aber
durchaus eine gewisse zeitliche Länge haben. In einem Magnetfeldimpuls
wird der Strom für eine
vorbestimmte Zeit durch die Magnetspulenanordnung geleitet, um das
Magnetfeld zu erzeugen. Für
die nachfolgende Betrachtungsweise soll vereinfachend angenommen
werden, daß es
sich um Rechteck-Blöcke
handelt, auch wenn dies nicht vollständig der Realität entsprechen
muß.
-
In
der ersten Sequenz von Magnetfeldblöcken hat das Magnetfeld beispielsweise
zuerst die erste Richtung und dann die zweite Richtung. In der zweiten
Sequenz hat das Magnetfeld dann zuerst die zweite Richtung und dann
die erste Richtung. Wenn man nun diese Anregung auf den exponentiellen
Verlauf des Meßsignals überlagert,
dann kann man durch eine entsprechende Verknüpfung der Ausgangssignale aus
beiden Sequenzen dafür
sorgen, daß der
durch den exponentiellen Verlauf verursachte Fehler verschwindet.
Dieser Fehler macht sich beispielsweise in der ersten Sequenz mit
einer positiven Abweichung bemerkbar, während er in der zweiten Sequenz
mit einer negativen Abweichung auftritt. Da beide Sequenzen den
gleichen Verlauf haben, ist anzunehmen, daß der Fehler in positive Richtung
und in negative Richtung jeweils etwa die gleiche Größe hat.
Durch eine Zusammenfassung der Meßsignale kann man diesen Fehler
daher zumindest weitgehend eliminieren.
-
Vorzugsweise
verwendet man in jeder Sequenz genauso viele Magnetfeldblöcke mit
einem Magnetfeld in die erste Richtung wie Magnetfeldblöcke mit
einem Magnetfeld in die zweite Richtung. Mit anderen Worten weist
jede Sequenz insgesamt eine gerade Anzahl von Magnetfeldblöcken auf.
Damit wird zweierlei erreicht. Zum einen läßt sich bereits innerhalb einer
jeden Sequenz eine Nullpunktkompensierung durchführen. Zum anderen wird der
durch den exponentiellen Verlauf des Meßsignals auftretende Fehler
tatsächlich
zuverlässig
eliminiert.
-
Vorzugsweise
verwendet man in jeder Sequenz genau einen Magnetfeldblock in jede
Richtung. Eine Sequenz, die genau zwei Magnetfeldblöcke aufweist,
reicht aus, um eine Messung mit der erforderlichen Genauigkeit durchzuführen, wenn
man zwei Sequenzen miteinander kombiniert.
-
Vorzugsweise
ordnet man zwischen den Magnetfeldblöcken eine Pause an. Diese entspricht dann
unter diesem Gesichtspunkt im wesentlichen der Vorgehensweise aus
US 4 648 279 . Man kann damit
Störeinstrahlungen
eliminieren.
-
Vorzugsweise
beginnt man jede Sequenz mit einer Pause. Mit anderen Worten gibt
man beim Einschalten noch keinen Strom auf die Magnetspulen, sondern
schaltet zunächst
einmal die Verstärkeranordnung
ein. Dabei ergibt sich, wie oben geschildert, ein "Leerlaufsignal" mit einem exponentiellen
Verlauf. Wenn man die Sequenz mit der Pause beginnen läßt, dann
erhält
man ein Meßsignal
mit einer geringeren Störung
durch den exponentiellen Verlauf, kann aber das Leerlaufsignal zur
Auswertung mit verwenden.
-
Bevorzugterweise
wählt man
die Pause zu Beginn der Sequenz genau so lange, wie die Pause zwischen
den Magnetfeldblöcken.
Damit ergeben sich auch innerhalb einer Sequenz praktisch symmetrische
Verhältnisse,
die man zur Unterdrückung
eines Nullpunktfehlers positiv verwenden kann.
-
Auch
ist von Vorteil, wenn man jede Sequenz mit einem Magnetfeldblock
beginnt und mit einer Pause abschließt., Mit dieser Sequenz erreicht
man Meßwerte
mit größeren Amplituden.
Dies ist bei amplitudenmäßig kleineren
Elektrodensignalen günstig.
-
Vorzugsweise
bildet man für
jeden Magnetfeldblock und jede Pause eine Vielzahl von Abtastwerten
des Meßsignals.
Man beschränkt
sich also bei der Auswertung des Meßsignals nicht auf die Zeiten, in
denen ein Magnetfeld erzeugt wird. Darüber hinaus wird das Meßsignal
analog/digital-gewandelt, was eine Auswertung des Meßsignals
durch eine Recheneinrichtung erleichtert.
-
Hierbei
ist bevorzugt, daß man
in jedem Magnetfeldblock eine Einschwingzeit abwartet, bevor man
Abtastwerte bildet. Der Aufbau des Magnetfeldes benötigt eine
gewisse Zeit, in der das Meßsignal ohnehin
nicht richtig zu gebrauchen wäre.
Wenn man nun die Einschwingzeit abwartet, dann umgeht man dieses
Problem auf elegante Weise.
-
Bevorzugterweise
bildet man für
jeden Magnetfeldblock und jede Pause jeweils einen Mittelwert des
Meßsignals.
Man konzentriert also sozusagen das Meßsignal auf einen Wert. Die
wenigen Werte lassen sich später
leichter handhaben.
-
Hierbei
ist bevorzugt, daß man
für jede
Sequenz aus den Mittelwerten einen Sequenz-Mittelwert bildet und
aus den Sequenz-Mittelwerten von zwei aufeinanderfolgenden Sequenzen
einen Meßwert.
Dies ist eine relativ einfache Vorgehensweise, um aus dem Meßsignal
den Meßwert
zu ermitteln.
-
Bevorzugterweise
wartet man zwischen zwei Sequenzen eine Wartezeit ab, die länger als
eine Sequenz ist. Dadurch schafft man für jede Sequenz praktisch wieder
die gleichen Bedingungen.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung
eines magnetisch-induktiven Durchflußmessers und
-
2 zwei Meßsignale
erzeugt durch zwei Magnetblock-Sequenzen.
-
Ein
magnetisch-induktiver Durchflußmesser 1 wird
von einer schematisch dargestellten Batterie 2 mit elektrischer
Energie versorgt. Da die Batterie 2 nur einen begrenzten
Energievorrat hat, wird der Durchflußmesser nicht kontinuierlich
betrieben, sondern in vorbestimmten Zeitabschnitten, zwischen denen
Pausen angeordnet sind. Zu Beginn eines Meßabschnitts wird die "Elektronik" des Durchflußmessers 1 eingeschaltet.
Unter "Elektronik" werden die elektrischen
Komponenten zusammengefaßt,
die an der Messung beteiligt sind.
-
Der
Durchflußmesser 1 weist,
wie das nur schematisch dargestellt ist, eine Meßstrecke 3 in einem
Rohr 4 auf, durch die ein Fluid senkrecht zur Zeichenebene
strömen
kann. Eine Spulenanordnung mit zwei Magnetspulen 5, 6 erzeugt
ein Magnetfeld senkrecht zur Durchströmungsrichtung. Die Magnetspulen 5, 6 werden
durch eine schematisch dargestellte Stromquelle 7 gespeist.
Die Stromquelle 7 wird durch eine Steuereinrichtung 8 angesteuert.
-
Senkrecht
zum Magnetfeld und senkrecht zur Durchflußrichtung sind zwei Elektroden 9, 10 am Meßrohr 4 angeordnet.
Zwischen den Elektroden 9, 10 läßt sich
ein Meßsignal
abgreifen, wenn ein Fluid durch die Meßstrecke 3 strömt und gleichzeitig
durch die Magnetspulen 5, 6 ein Magnetfeld erzeugt
wird. Das Meßsignal
ist abhängig
von der Strömungsgeschwindigkeit,
dem Fluid und der Stärke
und der Richtung des Magnetfelds.
-
Die
Elektroden 9, 10 sind mit einer Auswerteeinrichtung 11 verbunden,
die ebenfalls mit der Steuereinrichtung 8 verbunden ist
und Informationen über die
Ansteuerung der Stromquelle 7 und damit über die
Richtung des von den Magnetspulen 5, 6 erzeugten
Magnetfeldes erhält.
-
Die
Auswerteeinrichtung 11 weist in nicht näher dargestellter Weise einen
Analog/Digital-Wandler auf, der das Meßsignal abtastet, eine Recheneinrichtung,
die das Meßsignal,
wie unten beschrieben werden wird, auswertet, und einen Speicher,
der Meßwerte
zu vorbestimmten Zeitpunkten abspeichert. Alternativ kann auch eine
Anzeige vorgesehen sein, die die Meßwerte anzeigt, oder ein Übertragungsausgang,
der die Meßwerte
nach außen überträgt.
-
Wie
oben erläutert,
wird der Durchflußmesser 1 aufgrund
der Versorgung durch die Batterie 2 ausgeschaltet, wenn
keine Messungen vorgenommen werden sollen. Jedes Mal, wenn die Elektronik wieder
eingeschaltet wird, ergibt sich ein unerwünschtes exponentielles Einschwingverhalten
beim Meßsignal.
Man führt
dies darauf zurück,
daß sich auf
den Elektroden 9, 10 zunächst eine elektrische Ladungsschicht
aufbauen muß.
Wenn über
einen gewissen Zeitraum keine Messung vorgenommen wird, dann ist
die Ladungsschicht an den Elektroden 9, 10 verschwunden.
Wenn die Elektronik wieder eingeschaltet wird, läuft ein Vorspannstrom und dieser Strom
erzeugt eine Spannung an den Elektroden. Hierdurch wird die Ladungsschicht
wieder aufgebaut. Allerdings folgt das Meßsignal nach dem Einschalten einem
exponentiellen Verlauf, der mit einer höheren oder tieferen Spannung
anfängt
und mit der Zeit abfällt
bzw. zunimmt. Dieses Ein schwingverhalten ist von der Impedanz des
strömenden
Mediums und dessen Temperatur, aber auch vom Material der Elektroden 9, 10 abhängig. Dieses
Einschwingverhalten kann im Grunde nicht unterdrückt werden. Erschwerend kommt
hinzu, daß man
aus Energieersparnisgründen
für die
Erzeugung des Magnetfelds nur relativ geringe Ströme durch
die Magnetspulen 5, 6 leiten möchte, typischerweise um die
20 mA. Dies führt
aber gleichzeitig zu einem kleinen Meßsignal, d.h. einem relativ
kleinen Störabstand.
-
Man
verwendet daher eine Vorgehensweise, die anhand von 2 beschrieben werden soll. In 2 ist jeweils mit einer
durchgezogenen Linie, die exponentiell abfällt, der Verlauf des Meßsignals
dargestellt, der sich im "Leerlauf" ergibt.
-
Nach
dem Einschalten der Elektronik wird dieses Meßsignal M zwar ausgewertet.
Man erzeugt jedoch noch kein Magnetfeld. Man beginnt also jede der
beiden in 2 dargestellten
Sequenzen mit einer Pause V1 bzw. V1'. Danach erzeugt man in einem Abschnitt
V2 bzw. V2' einen
Magnetfeldblock. In einem Abschnitt V3 bzw. V3' ist wieder eine Pause und in einem
Abschnitt V4 bzw. V4' wird
wieder ein Magnetfeld erzeugt. Wie aus den 2a, 2b zu
erkennen ist, gibt das Meßsignal
M das Auftreten der Magnetfelder entsprechend wieder.
-
Die
beiden Sequenzen entsprechen sich zeitlich, d.h. die Zeiten der
Pausenabschnitte V1, V1' bzw.
V3, V3' und die
Zeiten der Magnetfeldblöcke
V2, V2' bzw. V4,
V4' sind gleich.
Allerdings hat das Magnetfeld in einander entsprechenden Abschnitten
der Sequenzen jeweils eine entgegengesetzte Richtung. In der in 2a dargestellten ersten
Sequenz ist das Magnetfeld im Abschnitt V2 beispielsweise von der Spule 5 zur
Spule 6 gerichtet, während
es im entsprechenden Abschnitt V2' der zweiten Sequenz von der Spule 6 zur
Spule 5 gerichtet ist. Im nächsten Magnetfeldblock einer
jeden Sequenz ist das Magnetfeld genau in die entgegengesetzte Richtung
gerichtet, d.h. im Abschnitt V4 von der Spule 6 zur Spule 5 und im
Abschnitt V4' von
der Spule 5 zur Spule 6. Dementsprechend macht
das Meßsignal
M bei der ersten Sequenz der 2a im
Abschnitt V2 einen Sprung nach oben und im Abschnitt V4 einen Sprung
nach unten, während
es bei der zweiten Sequenz nach 2b im
Abschnitt V2' einen
Sprung nach unten und im Abschnitt V4' einen Sprung nach oben macht.
-
Während der
vier Zeitabschnitte V1-V4 bzw. V1'-V4' der
beiden Sequenzen wird das Meßsignal
M abgetastet, typischerweise hundert Mal in jeder Periode. Aus den
abgetasteten Werten wird ein Mittelwert pro Zeitperiode errechnet,
also insgesamt vier Mittelwerte pro Sequenz. Diese Mittelwerte sind
als Blöcke schraffiert
eingezeichnet. An dieser Stelle soll bemerkt werden, daß man zweckmäßigerweise
nicht über
die gesamten Magnetfeldblöcke
V2, V4 bzw. V2',
V4' abtastet, sondern
eine Einschwingzeit abwartet. Dies ist jeweils durch eine gestrichelte
Grenzlinie dargestellt.
-
Man
erzeugt also in der ersten Sequenz ein Impulsmuster: Pause-positiver
Impuls-Pause-negativer Impuls und später in der zweiten Sequenz
ein Impulsmuster Pause-negativer
Impuls-Pause-positiver Impuls.
-
Die
erste Pause dauert beispielsweise 30 ms. Hier wird den Spulen 5, 6 keine
Energie zugeführt.
Im zweiten Zeitabschnitt V2, V2' werden
die Spulen 5, 6 mit Strom versorgt und nach einer
Einschwingpause von 10 ms wird das Meßsignal M über 20 ms abgetastet. V2 bzw.
V2' wird errechnet.
In gleicher Weise verfährt
man in den Zeitabschnitten V3, V4 bzw. V3', V4'.
Das Magnetfeld ist somit in den beiden Perioden V2, V2' bzw. V4, V4' 30 ms aktiv, aber die
Abtastung wird nur über
20 ms vorgenommen. Die gesamte Sequenzdauer ist dann 4 × 30 ms
= 120 ms. Mit dieser Sequenz wird ein Notchfilter (Saugfilter) gebildet,
der Nullpunkte im Frequenzspektrum bei 50 Hz und 50/3 Hz hat. Störeinstrahlungen
von 50 Hz-Netz werden somit unterdrückt. Bei Änderungen der Länge der
Zeitabschnitte können
auch andere Nullpunkte gebildet werden.
-
Zwischen
den beiden Sequenzen kann eine Zeit bis zu 15 s vergehen. Der Abstand
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sequenzen sollte aber mindestens
so groß sein
wie die Dauer einer Sequenz, im vorliegenden Fall also 120 ms.
-
In
der ersten Sequenz wird aus den Werten V1 bis V4 ein erster Sequenz-Mittelwert
berechnet nach folgender Formel: F = (V2 – V1 – V4 + V3)/2
-
In
der zweiten Sequenz wird ein Mittelwert F' nach folgender Formel berechnet: F' =
(V4' – V3' – V2' + V1')/2
-
Aus
diesen beiden Sequenz-Mittelwerten berechnet man einen Meßwert F" nach folgender Formel: F'' = (F + F')/2
-
Hierdurch
wird sowohl ein linearer Drift kompensiert und zwar durch die Mittelwertbildung
in einer Sequenz, als auch ein exponentieller Drift, und zwar durch
die Mittelwertbildung über
zwei Sequenzen. Hierdurch wird ein stabiler Nullpunkt erreicht.
-
Natürlich ist
es auch möglich,
in nicht näher dargestellter
Weise jede Sequenz mit einem Magnetfeldblock beginnen zu lassen,
um größere Amplituden
zu erzielen. Dies ist bei kleinen Signalen von der Elektrodenanordnung
von Vorteil.
-
Das
Verfahren kann als Algorithmus in einem Mikrocontroller implementiert
werden.