DE2118092C2

DE2118092C2 - Vorverstärker für einen magnetischen Durchflußmesser

Info

Publication number: DE2118092C2
Application number: DE2118092A
Authority: DE
Inventors: Jean Martha de Edegem Gueldre; Ir Luc Yves Berchem Natens
Original assignee: Agfa Gevaert AG
Current assignee: Agfa Gevaert AG
Priority date: 1970-04-14
Filing date: 1971-04-14
Publication date: 1982-04-22
Also published as: DE2118092A1; US3722274A; BE765462A; FR2086053A3; GB1294015A; FR2086053B3

Description

(1) die Verbindung zwischen den invertierenden Eingängen der ersten zwei Operationsverstärker (10, 11) in Reihe geschaltete identische Impedanzen (24,25) sind,

(2) ein viertes als Spannungsfolger geschalteter Operationsverstärker (13) mit seinem Eingang mit dem Knotenpunkt der beiden betreffenden Impedanzen (24, 25) verbunden ist, dessen Ausgang über zwei Paare reihengeschaiieter Widerstände (22, 28; 23, 29) mit den entsprechenden nicht invertierenden Eingängen der beiden erstgenannten Operationsverstärker verbunden ist,

(3) und daß die Knotenpunkte über weitere Widerstände (30, 31) mit dem Ausgang des entsprechenden Operationsverstärkers (10, 11) verbunden sind.

2. Vorvc-stärker für einen magnetischen Durchflußmesser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsklemmen der Operationsverstärker (10,11) mittels abgeschirmter Leiter mit den beiden jeweiligen Meßelektroaen (87,88) verbunden sind, wobei die Abschirmung eines jeden Leiters mit dem entsprechenden Knotenpunkt der beiden Paare reihengeschalteter Widerstände (22, 28; 23, 29) verbunden ist.

3. Vorverstärker für einen magnetischen Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die betreffenden Knotenpunkte mit ein.rm Kapazitivausgleich (54,55) für die Stabilisierung des jeweiligen Operationsverstärkers (10, 11) versehen sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vorverstärker für einen magnetischen Durchflußmesser, bestehend aus zwei Operationsverstärkern, deren invertierende Eingänge miteinander und deren nichtinvertierende Eingänge mit den Meßelektroden verbunden sind und deren Ausgänge den Differentialeingang eines dritten Operationsverstärkers speisen, der den Ausgang des Vorverstärkers bildet.

Magnetische Durchflußmesser dieser Art bestehen aus einem geraden Rohr mit kreisförmigem Querschnitt aus einem nichtleitenden Material, Die Meßelektroden sind zwei durch entgegengesetzte Seilen der Rohrwand geführte Platindrähfe, deren Enden in der Fläche der Rohrinnenwand liegen und die eine Querschnittsfläche von ca. I mm^? haben. Das magnetische Wechselfeld läßt sich durch eine Magnetspule mit Magnetkern erzeugen, wobei das Rohr in einem Liiftzwischenraum des Magnetkernes angeordnet ist.

Die Meßelektroden, die Verbindungsdrähte /.wischen denselben und die elektrolytische Flüssigkeit im Rohr bilden einen geschlossenen Kreis, in dem eine Spannung durch das magnetische Wechselfeld erzeugt wird. Die induzierte Spannung, die der Geschwindigkeit der Flüssigkeit proportional ist, wird nachfolgend »Differentialspannung« genannt.

Die Differentialspannung ist sehr gering, z. B. in der Größenordnung von Millivolt und muß daher in einem Vorverstärker verstärkt werden. Da die Flüssigkeit,

ίο deren Fördermenge zu messen ist, zwischen den beiden Elektroden eine hohe Impedanz, beispielsweise ca. 500 kn, aufweisen kann, muß der Vorverstärker eine sehr hohe Eingangsimpedanz haben.

Der Vorverstärker muß weiter eine gute Unterdrükkung von Gleichtaktspannungssignalen aufweisen. Der in der vorliegenden Patentanmeldung gebrauchte Ausdruck »Gleichtaktspannung« bezieht sich auf die gemessene Spannung zwischen der Meßelektrode und einer Referenzspannung, wie z. B. dem Erdpotential. Die zu der zu messenden Flüssigkeit führenden Leitungen sind meistens irgendwo geerdet, was nicht hindert, daß die an der Meßelektrode gemessene Spannung wegen etwaiger unerwünschter magnetischer, kapazitiver oder galvanischer Kupplungen vom Erdpotential abweichen kann. Die störende Gleichtaktspannung kann unter Umständen hohe Werte annehmen, z. B. ein Volt.

Ein Vorverstärker der genannten Art ist aus der US-PS 34 91 593 bekannt. Dieser Vorverstärker besteht aus zwei Operationsverstärkern, deren invertierende

jo Eingänge miteinander und deren nichtinvertierende Eingänge mit den Meßelektroden verbunden sind, und deren Ausgänge den Differentialeingang eines dritten Operationsverstärkers speisen, der den Ausgang des Vorverstärkers bildet.

r> Dieser Vorverstärker weist einige Nachteile auf.

Die Gleichtaktspannung an den Meßelektroden wird in gleicher Größe in dem Eingangsverstärker verstärkt wie die Differentialspannung. Es besteht daher kein Unterschied im Verstärkungsfaktor, und es erfolgt auch keine Erhöhung der Unterdrückung von Gleichtaktspannungssignalen.

Die Eingangsimpedanz für Differentialspannungen ist kleiner als die Eingangsimpedanz für Gleichtaktspannungen, wodurch an den Elektroden des Durchflußmessers Belastungsunterschiede entstehen, die nicht wünschenswert sind.

Schließlich wird für den Vorverstärker eine zusätzliche dritte Elektrode im Durchflußmesser als Referenzelektrode mit Verstärker benötigt. Wenn die Strömung

-,o der Flüssigkeit asymmetrisch ist und die Geschwindigkeit an einer Elektrode größer ist, als an der anderen, werden verschiedene Meßwerte erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vorverstärker für einen magnetischen Durchflußmesser

v. der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine hohe Unterdrückung der Gleichtaktspannungsverstärkung und eine identische Eingangsimpedanz sowohl für Gleichspannungen als auch für Differentialspannungen aufweist.

mi Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ist die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

(1) die Verbindung zwischen den invertierenden h'> Eingängen der ersten zwei Operationsverstärker in Reihe geschaltete identische Impedanzen sind,

(2) ein vierter als Spannungsfolger geschalteter Operationsverstärker mit seinem Eingang mit dem

Knotenpunkt der beiden betreffenden Impedanzen verbunden ist, dessen Ausgang über zwei Paare reihengeschalteter Widerstände mit den entsprechenden, nicht invertierenden Eingängen der beiden erstgenannten Operationsverstärker verbunden ist,

(3) und daß die Knotenpunkte über weitere Widerstände mit dem Ausgang des entsprechenden Operationsverstärkers verbunden sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Eingangsklemmen der Operationsverstärker mittels abgeschirmter Leiter mit den beiden jeweiligen Meßelektroden verbunden sind, wobei die Abschirmung eines jeden Leiters mit dem entsprechenden Knotenpunkt der beiden Paare reihengeschalteter Widerstände verbunden ist.

Vorteilhafterweise werden die betreffenden Knotenpunkte mit einem Kapazitätsausgleich für die Stabilisierung des jeweiligen Operationsverstärkers versehen.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Durchflußmessers im Querschnitt, in dem ein quergerichtetes magnetisches Feld erzeugt wird,

Fig. 2 eine vereinfachte Schaltung des Vorverstärkers zur Erläuterung des Ausführungsbeispieles,

Fig.3 ein Schaltbild als eine erste Ausführungsform des Vorverstärkers,

F i g. 4 ein zweites Schaltbild als weitere Ausführungsform des Vorverstärkers und

F i g. 5 ein Blockdiagramm des Gerätes für die Bestimmung der Fördermengendifferenz einer durch eine Leitung fließenden Flüssigkeit in Abhängigkeit von einem voreingestellten Sollwert.

Der Durchflußmesser gemäß der F i g. 1 ist für die Messung von Fördermengen im Meßbereich von 0,1 bis 2 l/Min, bestimmt. Das Meßrohr hat einen Innendurchmesser von 6 mm, der zu einer Mindestgeschwindigkeit der durchfließenden Flüssigkeit von ca. 1 m/Min, führt und sich so eine gute Kompromißlösung ergibt zwischen den niedrigen Geschwindigkeiten mit Störungen hauptsächlich elektronischer Art und den hohen Geschwindigkeiten mit Störungen und Fehlern infolge nicht symmetrischer Strömung und Wirbeiungen.

Der in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Vorverstärker angewendete Durchflußmesser 8j ist mit einem lameliierten Magnetkern 84 versehen, der aus gegenseitig isolierten, miteinander verklebten, dünnen Lamellen eines ferromagnetischen Materials aufgebaut ist, um die magnetischen Verluste auf ein Mindestmaß zu beschränken. Die Flüssigkeit, deren Fördermenge zu bestimmen ist, fließt durch ein Rohr 86 aus einem maßhaltigen und korrosionsbeständigen Isoliermaterial, wie z. B. Teflon (Schutzmarke) oder Glas, das an beiden Enden, d. h. an der Eintritt- und der Austriltseite, mit einem rostfreien Stahlrohr verstärkt und geschützt ist. Um die Druckverluste auf ein Mindestmaß zu beschränken sind die Rohrenden konisch ausgestaltet.

Im Rohr 86 sind quer in bezug auf das magnetische Wcchselfeld zwei entgegengesetzte Meßelektroden 87 und 88 vorgesehen. Das magnetische Wechselfeld wird durch die zwei Polschuhe 78 und 79 des Magnetkernes 84 erzeugt. Um aif betreffenden Polschuhe 78 und 79 sind zwei in Reihe geschaltete Spulen 89 und 90 angeordnet, welche mit einem Strom von ca. I —4 A bei einer Spannung von 220 V (50 oder 60 Hz) versorgt werden- Im Luftspalt zwischen den Polschuhen 78 und

79 und dem Rohr 86 sind zwei in Reihe geschahete Meßspulen 91 und 92 zur Erzeugung eines der magnetischen Feldstärke direkt proportionalen Referenzsignals vorgesehen.

Die Anschlußdrähte der Elektroden sind zusammengezwirnt und sind durch ein steifes Metallröhrchen aus dem Gerät geführt.

Die Amplitude und die Phase des erzeugten in magnetischen Wechselfeldes lassen sich nach einem bekannten Verfahren aus dem durch die Spulen fließenden Strom bestimmen. Meistens wird dafür ein Stromumformer angewendet. Dieses Verfahren führt aber zu großen Fehlern infolge der im Kupfer der Leiter und der im Eisen des Magnetkernes induzierten Wirbelströme, welche Störfehler im magnetischen Kreis erzeugen. Infolgedessen sind die Amplitude und Phase des elektrischen Wechselstroms nicht langer maßgebend für das erzeugte magnetische Feld. Die entstehenden Verlust?; sind sehr stark i:mperaturabhängig. Überdies können die Wirbelstrom-" im Eisenkern phasenverschobtne Ströme induzieren, welche ihrerseits phasenverschobene magnetische Felder erzeugen.

Aus diesem Grund werden die Phase und Amplitude des Feldes möglichst dicht bei den Meßelektroden, d. h. möglichst dicht beim Meßrohr, gemessen. Die Meßspulen 91 und 92 sind dt her auf den beiden Polschuh·^ 78 und 79 des Magnetkernes angeordnet.

Ein Vorverstärker nach Fi g. 2 die.it zur Erläuterung der Erfindung und besteht aus vier Operationsverstärkern. Die Operationsverstärker 10 und 11 haben Differentialeingänge und sind als gegengekuppelte Verstärker geschaltet; jeder ist zwischen seinem Ausgang und dem invertierenden Eingang mit einem Gegenkupplung'jwiderstand (20, 21) ausgestattet, der in beiden Fällen denselben Wert hat. Die nicht-invertierenden Eingänge der beiden Verstärker 10 und 11 sind mit den MeGelektroden 87 und 88 verbunden, während ihre Ausgänge mit den Differentialeingängen eines dritten gegengekuppelten Verstärkers 12 über die Widerstände 26 und 27 verbunden sind. Dieser Verstärker 12 ist mit einem Gegenkupplungswiderstand

80 versehen. Ein Widerstand 41 ist zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 12 und der Erde vorgesehen. Zwischen den invertierenden Eingängen der Verstärker 10 und 11 sind zwei gleichwertige Widerstände 24 und 25 in Reihe geschaltet, während der Knotenpunkt dieser Widerstände 24 und 25 mittels eines Kondensators 50 mit dem Eingang eines vierten, als Spannungsteiler geschalteten Operationsverstärkers 13 verbunden ist. Der Knotenpunkt dieser beiden gleichwertigen Widerstände 24 und 25 liegt an der Glr'chtaktspannung, die durch den Spannungsfolger \3, der seinerseits eine niedrige Ausgangsimpedanz hat, über die gleichwertigen Widerstände 22 iird 23 an den nicht invertierenden Eingängen der Verstärker 10 und 11 gegengekuppelt ist. Der nicht invertierende Eingang des Spannungsfolgers 13 ist über den Widerstand 40 geerdet.

Die Wirkungsweise wird an der vereinfachten Schaltung des Verstärkers gemäß der F i g. 2 folgendermaßen beschrieben. Vorausgesetzt, daß es sich um einen Lineartransformator handelt, lassen sich die Berechnungen nach dem Überlageriingsverfahren durchführen. Die Eingangsspannung setzt sich aus der Gleichtaktspannung und der Differentialspannung zusammen.

Für die Gleichtaktspannung gilt ei = e?, demzufolge weisen die beiden Differentialeingänge der Verstärker

10 und 11 den gleichen .Spannungswert auf. lis Iließt also kein Strom durch die Widerstände 24 — 25 und 20 — 21. und es folgt hieraus c — t>; = c, — c> = c . Die Glc'chtaktspannung wird also mil einem Verstärkungsfaktor 1 übertragen.

Hei einer DilTerentuilspannunt! .Ic- c, - <■■ fließt der Strom

Ac

(Ci = C:) stoßen auf eine scheinbar vergrößerte Impedanz am Eingang des Verstärkers, tla:

durch die Widerstünde 24 und 25 und I'nlulich
durch die Widerstände 20 und 21. mi d.il.i

,. ,(2R-: ^ Ii <- Ii- ι:

und ti.ι

K K-

1[R ■: >■ 2K

I <

2 R .

2R-. ι

.1,(1 *

A¹

R ■

d. h. mit anderen W orten, daß die Seheinimped,in/en 22 und 23 !us ins I nendliche vergrößert sind.

fine ähnliche Impedan/erhöhung laß' sich mich fur die Differentialeingangsimpedanzen erreichen. Dies ist /. H. fiir die in C ι g. J ge/cigte Schaltung der lall. Hei der Schaltung gemäß der Γ ig. 2 ist die betreffende Impedanz hauptsächlich durch die Reihenschaltung der widerstände 22 und 2i bestimmt. Nach der Ausiuhrungsweise der I'ig j werden die Widerstände 22 und 23 aus dem Knotenpunkt tier Spannungsverteiler 30—28 und 31 — 29 gespeist, welche einerseits über tlie Kondensatoren 52 und 53 mit ilen Ausgängen der entsprechenden Verstärker 10 und Il und andererseits mit dem Ausgang des Spannungsfolgers IJ verbunden sind. Kl

η.:—

tier Verteilungifoktor tier Widerstände 2H und .10. mi fließt durch den Widerstand 22 ein Wechselstrom der Stärke

Die eben beschriebene Schaltung ermöglicht also die I nterdrückung tier (ileichtakKpannung mit einem !■:iktor

mal hesser als die übliche Schaltung. -I ist der Verstärkungsfaktor der Verstärker 10 und II.

/um Beispiel tür

ir ""'

ist die Unterdrückung der Gieichtaktspannung um einen Wert \on 40 dB \ erbessen. Wer.n z. B. der Operationsverstärker 12 eine Unterdrückung von 6OdB ermöglicht, so bewirkt der Vorverstärker gemäß Fig. 2 eine Unterdrückung son 10OdB. Man erhält einen Kreis für den Poiarisationsstrom durch Erdung des Einganges des Verstärkers über eine niedrige ohmsche Impedanz durch die Widerstände 22 und 23 und den SpannungsfolgerI3

Außer einer guten Unterdrückung der Gleichtaktspannung, ist es ebenso wichtig, daß hohe Eingangsimpedanzen, sowohl in Gleichtaktspannung als in Differen- ;ia!spannung zur Verfugung stehen. Die Eingangsimpedanz in Gleichtaktspannung ist besonders wichtig, da die Gieichtakteingangsspannungen in den gewerblichen Anlagen meistens verhältnismäßig groß sind. Die in Gieichtaktspannung gemessenen Eingangssignale ι r ,ι

Eine geeignete Wahl des Verhältnisses A VA ermöglicht also jede willkürliche Erhöhung des Scheinwiderstandes, der sogar negativ gemacht werden kann.

Wird dafür gesorgt, daß A von gleicher Größe wie A oder etwas größer ist. kann die Stabilität des Verstärkers nie gefährdet werden.da die Eingangsimpedanz des Verstärkers stets positiv bleibt. Um den Meßkreis der Meßelektroden möglichst gering zu belasten, sind Nebenschlußtmpedanzen und auch Impedanzen der erforderlichen Abschirmvorrichtungen zu vermeiden.

Dr.her S'nri die zwei Verbindungsdrähte zwischen den Meßelektroden 87 und 88 und dem Vorven>.ärker einzeln abgeschirmt, wobei die Abschirmung des von der Meßelektrode 87 zum Verstärker 10 führenden Leiters aus dem Knotenpunkt zwischen den Widerständen 22 und 28. gegebenenfalls über einen Widerstand 32 (siehe F i g. 4) gespeist wird, während die Speisung des von der Meßelektrode 88 zum Verstärker 11 führenden Leiters aus derr Knotenpunkt zwischen den Widerständen 23 und 29. gegebenenfalls über einen Widerstand 33. stattfindet.

Diese Maßnahme hat zur Folge, daß die Schwächung des Einflusses der nebengeschalteten Kapazität der Erhöhung des Scheinwertes des Widerstandes entspricht. Die HF-Stabilität der Schaltung gemäß dem Schaltbild der F i g. 4 ist durch die Anwesenheit der beiden Widerstände 32 und 33 gesichert Die Kapazität 54 unterdrückt die Schwingungsneigung: sie ist derart

gewählt, daß die aus den Widerständen 22 und 28 tier !!(•teilten Kapazität der Abschirmung und der Kapazität "•4 bestehenden Hriicke sich im Gleichgewicht befindet. Die Eigenschaften einer praktischen \usfiihrungsw ei-M' des Vorverstärkers nach F i g. 4 im Temperaturbereich von 30"' C ± 20"Γ sind die folgenden:

■ erstärkung 1600+10%, Keprodu/ierbarkeii besser als 0.1%;
Phasenfehler < Γ:

— F.inganpsiinpedan/ für Oleicht:iktsp:.iiniing
> 300 Mil;

Finsangsimpetl.in/ fii^r Differentialspamung
> ! :0m!i;

— Ausgangswechsclspannung: I mV..../cm ¹Z
Min.+ 10% bei 50 H/:
-Xtisgangsgleichspannung < 100 mV:

¹ 'nlerdrückungsvcrhältnis für Cileichtaktspannung:

Die Fig. ^r> bezieht sich auf ein elektronisches Gerät 105 fiir die Messung der Fördermengcnschwankung einer durch eine Leitung strömenden Flüssigkeit mit ■ einer mit dem Vorverstärker 103 der F i g. 4 ausgestatteten Meßvorrichtung 85 der Fig. I.

Die Meßspule 93 für das magnetische Wechselfeld ist mit einem Integrator 95 und mit einem Potentiometer % für etwaige Phasenkorrekturen verbunden. Das aus ι-dem Integrator 95 stammende Signal erreicht einen De »adenpotentiometer 98. mit dem die Fördermenge auf den gewünschten Wert (Sollwert) eingestellt wird.

Das Ausgangssignal des Potentiometers 98 wird mit dem schon im Teil 99 standardisierten und geeichten r Ausgangssignal des Vorverstärkers 103 an einen Differentialverstärker 100 weitergegeben.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß Fig.") läßt sich folgendermaßen erklären. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 103 ist (A ι = .S" ■ B ■ \_f, wobei .S" eine Konstante, ßdie magnetische Feldstärke und v_f.die durchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit sind. Verstärkung und Integrierung der Atisgangsspannung 93 der Meßspule geben einen Wert, der dem magnetischen Wechselfeld direkt proportional ist: υ.%\=Κ ■ B, wobei K cm Proportionalitätsfaktor ist.

Dieser Faktor läßt sich mit dem Dekadenpotentiometer 98 so regeln, daß /.. B. IM, = S' ■ v, · B, wobei v, = der erwünschte Goschwindigkcitswcrt. welcher der Fördermenge proportional ist. und .S" ι > — \ ■ K. in der χ der Verteilungsfaktor des Potentiometers ist.

Die Signale i'm, und IL* werden im Differentialverstärker 100 voneinander subtrahiert, wobei /Α,,·.-(Am-{Aw. Dieses Signal (W wird im Feil 101 swiehron detektiert. um die um 90^ in bezug auf die Meßspannung verschobenen Slörspannungen zu elimi-

IUCt'C-M.

Das Ausgangssignal des synchron wirkenden Detektors geht durch ein Tiefpaßfilter 102. Das Ausgangssignal 104 der Schaltung gemäß F i g. 5 ist der Abweichung des tatsächlichen Fördermengenwerte.s \om Sollwert proportional und läßt sich für die Steuerung eines Steuerventils zur Regelung der Fördermenge der betreffenden Flüssigkeit anwenden.

Dieses Signal kann für Meß- und Registrierzwecke als Steuersignal für den Servoverstärker eines Potentiometer-Registriergerätes, dessen Potentiometer den Sollwerteinstellpotentiometer 98 ersetzt, angewendet werden

Auf ähnliche Weise läßt sich die Vorrichtung mit einem Analog-Digital-Umformer mit Vorwärts- und Rückwärtszähler zur Erhaltung einer direkt ablesbaren Anzeige der Fördermenge mit numerischen Anzeigerohren ausstatten.

Hier/u 4 Blatt Zeichnuncen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorverstärker für einen magnetischen Durchflußmesser, bestehend aus zwei Operationsverstärkern, deren invertierende Eingänge miteinander und deren nichtinvertierende Eingänge mit den Meßelektroden verbunden sind und deren Ausgänge den Differentialeingang eines dritten Operationsverstärkers speisen, der den Ausgang des Vorverstärkers bildet,dadurch gekennzeichnet,daß