DE3037173A1 - Magnetischer durchflussmesser mit mehrstufigem verstaerkersystem - Google Patents
Magnetischer durchflussmesser mit mehrstufigem verstaerkersystemInfo
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Description
Emerson Electric Co. St. Louis, Mo. 63136, V.'St. A.
Magnetischer Durchflußmesser mit mehrstufigem Verstärkersystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verstärkersystem eines
magnetischen Durchflußmessers und betrifft insbesondere ein mehrstufiges Verstärkersystem mit einer verbesserten automatischen
Nullstellfunktion.
In einem elektromagnetischen Durchflußmesser erzeugt ein Magnetfeld
in einem Durchflußrohr eine Spannung in einem durch das Rohr strömenden Fluid. Die Spannung, die zu der Strömungsgeschwindigkeit
oder Durchflußleistung proportional ist, wird durch zwei Elektroden abgefühlt, welche mit dem Fluid
in Kontakt sind, und durch ein Signalverarbeitungssystem verstärkt, damit ein Ausgangssignal· erzeugt wird, das zu der
Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflußleistung proportional ist.
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Es ist nun üblich, das Magnetfeld durch einen gepulsten Gleichstrom zu erzeugen, der den dem Durchflußmesser zugeordneten
Spulen zugeführt wird. Der Durchflußmesser erzeugt deshalb eine Reihe von Ausgangsimpulsen, die durch Zeitspannen
voneinander getrennt sind, in welchen das Ausgangssignal
null ist.
Um die Ausgangs Signalabweichung (Off set) des Verstärkers auf einem geeigneten
niedrigen Wert zu halten, ist es erwünscht, den Verstärker mit einer automatischen Nullstellschaltung zu versehen,
damit das Ausgangssignal auf einen Nullreferenzwert getrieben wird, wenn dessen Eingangswert nominell null ist, d.h.
während der Intervalle zwischen Impulsen, in denen kein einen Durchfluß darstellendes Signal vorhanden ist.
Eine Schaltung zum automatischen Nullstellen enthält typischerweise
einen Schalter zum Einschalten der Nullstellschaltung in eine um den Verstärker herumführende Rückkopplungsschleife
und einen integrierenden Operationsverstärker, der das Ausgangssignal des Verstärkers auf null treibt, wenn der Schalter
geschlossen ist. Wenn der Schalter offen ist, bleibt das Ausgangssignal des integrierenden Operationsverstärkers
auf derselben Spannung, solange die Eingangsspannung dieselbe
bleibt, wodurch die Referenzspannung des Verstärkers auf demselben Wert gehalten wird.
Die Verstärkung eines Signalverarbeitungssystems eines magnetischen
Durchflußmessers erfolgt vorzugsweise durch ein in Kaskade geschaltetes mehrstufiges Verstärkersystem, das wenigstens
einen ersten Verstärker und einen zweiten Verstärker enthält. Wenn beide Verstärker, von denen jeder mit einer solchen
automatischen Nullstellschaltung versehen ist, in Kaskade geschaltet sind, wird jedoch ein wesentlicher Fehler (typischerweise
in der Größenordnung von 50 mV) hervorgerufen. Ein Fehler
dieser Größe ist in einem magnetischen Durchflußmesser nicht akzeptabel.
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Ziel der Erfindung ist es, einen magnetischen Durchflußmesser
zu schaffen, in welchem das Signalverarbeitungssystem einen mehrstufigen Verstärker enthält, der immer automatisch
nullgestellt wird.
Weiter soll ein solches System geschaffen werden, in welchem kein wesentlicher Fehler durch das automatische Nullstellsystem
hervorgerufen wird, selbst' wenn das Verstärkersystem eine hohe Verstärkung liefert.
Gemäß der Erfindung wird, allgemein gesagt, ein magnetischer
Durchflußmesser geschaffen, mit einem Körper, der in ein Durchflußsystem geschaltet werden kann, um den Durchfluß eines
Fluids zu messen, mit einer elektromagnetischen Spulenanordnung zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem durch den
Körper strömenden Fluid, mit zwei Elektroden zum Erzeugen einer Spannung, die von dem elektrischen Feld abhängig ist,
das in dem durch das Magnetfeld strömende Fluid erzeugt wird, und mit Signalverarbeitungseinrichtungen zum Umwandeln
der Ausgangsspannung in ein Ausgangssignal, wobei die Signalverarbeitungseinrichtungen
ein mehrstufiges Verstär-kersystem
mit einer ersten Verstärkeranordnung und einer zweiten Verstärker anordnung, die mit der ersten Verstärkeranordnung in
Kaskade geschaltet ist, enthält. Die erste Verstärkeranordnung enthält einen Verstärker, eine automatische Nullstellschaltung,
die in einen Rückkopplungskreis um den Verstärker geschaltet ist, und eine Schalteinrichtung zum Ein- und Ausschalten
der Nullstellschaltung. Die zweite Verstärkeranordnung enthält ebenfalls einen Verstärker, eine in einen Rückkopplungskreis
um den Verstärker geschaltete automatische Nullstellschaltung und eine Schalteinrichtung zum Ein- und
Ausschalten der Nullstellschaltung. Eine Zeitsteuereinrichtung schaltet sequentiell die Nullstellschaltung der ersten
Verstärkeranordnung ab und schaltet dann die Nullstellschaltung der zweiten Verstärkeranordnung ab, wodurch in dem Eingangssignal
der zweiten Verstärkeranordnung jedweder Fehler, der dur^h Abschalten der Nullstellschaltung der ersten
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Stärkeranordnung erzeugt wird, zu null gemacht wird.
In der bevorzugten Ausführungsform enthalten die Nullstellschaltungen
jeweils einen integrierenden Operationsverstärker. Vorzugsweise steuert die Zeitsteuereinrichtung die elektromagnetischen
Spulen, so daß ein intermittierendes Magnetfeld in dem durch den Körper strömenden Fluid erzeugt und bewirkt
wird, daß die Nullstellschaltungen eingeschaltet sind, während das Magnetfeld abgeschaltet ist. In einer Ausführungsform schaltet die Zeitsteuereinrichtung die Nullstellschaltungen
zusammen ein, während sie in einer anderen Ausführungsform die Nullstellschaltung der ersten Verstärkeranordnung
abschaltet, bevor sie die Nullstellschaltung der zweiten Verstärkeranordnung einschaltet.
Es hat sich gezeigt, daß der Fehler, der in einem mehrstufigen Verstärker erzeugt wird, wenn automatische Nullstellschaltungen
benutzt werden, an jeder Stufe hauptsächlich in dem Zeitpunkt des Trennens der Nullstellschaltung von dem
Ausgang des Verstärkers der ersten Stufe auftritt. Der Fehler erscheint als eine Abweichung von etwa 1 mV auf der Ausgangsseite
des Verstärkers der ersten Stufe, wird aber mit dem Verstärkungsfaktor der nächsten Stufe multipliziert. Dabei
handelt es sich nicht um eine Tastspeicherdrift oder einen Tastspeicherabfall des Integrierkondensators, sondern vielmehr
um eine einmalige Änderung, wenn der Schalter zwischen dem Verstärkerausgang und dem Rückkopplungsverstärkereingang geöffnet
wird. Die Ursache für diese einmalige Änderung kann eine Ladungsinjektion oder eine geringfügige Änderung in der
Kondensatorspannung sein, wenn die aktive Nullrückkopplung beseitigt wird.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild eines magnetischen Durchfluß
messers mit dem mehrstufigen Verstärker mit
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automatischer Nullstel'lung nach der Erfindung,
Fig. 2 ein Steuerungsdiagramm einer ersten Aus
führungsform des Durchflußmessers von Fig.1
und
Fig. 3 ein Steuerungsdiagramm einer zweiten Aus
führungsform des Durchflußmessers von Fig.
In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 ein magnetisches Durchflußmessersystem, das die Erfindung enthält. Das Durchflußmessersystem
1 enthält ein Durchflußrohr 3, zwei entgegengesetzt zueinander angeordnete elektromagnetische Spulen
5, die aus einer Quelle 7 gespeist werden, und zwei Elektroden 9, die eine Spannung abfühlen, welche durch den Durchfluß
eines elektrisch leitenden Fluids durch das durch die Spulen 5 in dem Rohr 3 erzeugte Magnetfeld erzeugt wird. Die Spannung
an den Elektroden 9 wird durch einen Differenzvorverstärker 11 verstärkt, wird weiter durch ein zweistufiges Verstärkersystem
13 nach der Erfindung verstärkt und wird einer Signalverarbeitungsschaltung
15 zugeführt, die ein Ausgangssignal erzeugt, welches den Durchfluß durch das Rohr 3 anzeigt.
In dieser als Beispiel gewählten Ausführungsform wird die
Spulentreiberschaltung 7 durch einen Sequenzer 17 gesteuert/
so daß in den Spulen 5 Gleichstromimpulse von kontrollierter Dauer in kontrollierten Intervallen erzeugt werden. Sämtliche
Schaltungselemente können, mit Ausnahme des Verstärkersystems 13 und des Sequenzers 17, von herkömmlicher Bauart sein.
Die erste Stufe des Verstärkersystems 13 enthält einen invertierenden
Standardoperationsverstärker 19, der einen Verstärkungsfaktor
hat, welcher durch die Beziehung zwischen Widerständen 21 und 23 festgelegt ist. Der nichtinyertierende Eingang
des Verstärkers 19 liegt über einen Ableitungswiderstand
25 an Masse. Zwischen den Ausgang des Verstärkers 19 der ersten Stufe und dessen nichtinvertierenden Eingang ist
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eine Nullstellschaltung geschaltet, die aus einem Festkörperschalter
27, der durch den Sequenzer 17 gesteuert wird, einem Operationsverstärker 29, Widerständen 31 und 33, einem
Integrierkondensator 35 und einem Widerstand 37 besteht. Es wird sich zeigen, daß diese Anordnung eine typische Nullstellschaltung
ist, in der der Rückkopplungsoperationsverstärker 29 als Integrator geschaltet ist.
Der Ausgang des Verstärkers 19 der ersten Stufe ist mit einer
zweiten invertierenden Verstärkerstufe verbunden, die den gleichen Aufbau wie die erste Stufe haben kann. Entsprechende
Teile der zweiten Verstärkerstufe sind mit entsprechenden Bezugszahlen
mit einem hochgesetzten Strich versehen.
Wenn im Betrieb des Verstärkersystems 13 der Sequenzer 17 den
zu der Spule fließenden Strom abschaltet und die an den Elektroden 9 erzeugte Spannung abgeschaltet wird, schließt der
Sequenzer den ersten Schalter 27 und die Nullstellschaltung des ersten Verstärkers 19 treibt die Spannung an dem Kondensator
35 auf einen Wert, der ausreicht, um das Ausgangssignal
des Verstärkers 19 auf O V zu halten. Wenn der Schalter 27
geöffnet wird, hält die Ladung auf dem Kondensator 35 die Nulleinstellung an dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers
19 aufrecht, mit Ausnahme einer geringfügigen Abweichung, die in dem Zeitpunkt des öffnens des Schalters 27
hervorgerufen wird.
Der Verstärker 19' der zweiten Stufe wird durch seine Nullstellschaltung
auf genau dieselbe Weise auf Null gestellt.
Gemäß Fig. 2 beseitigt in der bevorzugten Ausführungsform der Sequenzer 17 den durchflußabhängigen Spannungsimpuls
Vg , an dem invertierenden Eingang des Verstärkers 19 der
ersten Stufe und schaltet gleichzeitig beide Schalter 27 und 27' der Nullstellschaltungen der ersten und der zweiten Stufe
ein. Nach einer vorbestimmten Nullstellzeitspanne schaltet der Sequenzer die Nullstellschaltung der ersten Stufe durch
öffnen des Schalters 27 ab, wodurch eine feste Referenzspan-
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nung für den Verstärker 19 aufrechterhalten und das Ausgangssignal
des Verstärkers 19 so lange konstant gehalten wird, wie das Eingangssignal dasselbe bleibt. Die Nullstellschaltung
des Verstärkers der zweiten Stufe wird jedoch für eine zusätzliche Zeitspanne eingeschaltet gehalten, um ihr zu gestatten,
den Fehler zu kompensieren, der in dem Zeitpunkt des Abschaltens des ersten Schalters 27 hervorgerufen wird.
Wenn der zweite Schalter 27' geöffnet wird, wird eine gleiche
kleine Abweichung erzeugt; diese kleine Abweichung ist jedoch in bezug auf die Größe des verstärkten durchflußabhängigen
Signals unbedeutend.
Zahlreiche Abwandlungsmöglichkeiten in dem magnetischen Durchflußmessersystem nach der Erfindung sind im Rahmen der
Erfindung möglich. Beispielsweise kann gemäß Fig. 3 der Sequenzer nur den ersten Schalter 27 gleichzeitig mit dem Abschalten
der durchflußabhängigen Spannung an dem Verstärkersystem schließen und ihn gleichzeitig mit dem Schließen des
zweiten Schalters 27' öffnen, um das aktive Nullstellen des Verstärkers der zweiten Stufe einzuleiten. Es können Beruhigungszeiten
vor dem Schließen von einem oder beiden Schaltern 27 und 27' vorgesehen werden. Andere Nullstellschaltungen
können benutzt .werden. Diese Abwandlungsmöglichkeiten dienen lediglich -als Beispiel.
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Claims (5)
1. Magnetischer Durchflußmesser mit einem Körper, der in ein Durchflußsystem geschaltet werden kann, um den Durchfluß
eines Fluids zu messen, mit Einrichtungen zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem durch den Körper strömenden Fluid,
mit zwei Elektroden zum Erzeugen einer Spannung, die von dem elektrischen Feld abhängig ist, das in dem durch das Magnetfeld
strömenden Fluid erzeugt wird, und mit Signalverarbeitungseinrichtungen zum Umwandeln der Ausgangsspannung in
ein Ausgangssignal,
dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen ein mehrstufiges Verstärkersystem (13) mit einer ersten
Verstärkereinrichtung und einer mit dieser in Kaskade geschalteten zweiten Verstärkereinrichtung enthalten,
wobei die erste Verstärkereinrichtung einen Verstärker (19), eine automatische Nullstellschaltung (27, 29, 31, 33, 35, 37),
die in einem Rückkopplungskreis um den Verstärker liegt, und eine Schalteinrichtung (17, 27) enthält, die die Nullstellschaltung
einschaltet, um eine aktive Nullstellung zu bewir-
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ORIGINAL INSPECTED
ken, und abschaltet, um eine nullgestellte Referenzspannung für den Verstärker zu speichern,
wobei die zweite Verstarkereinrichtung einen Verstärker (191),
eine automatische Nullstellschaltung (27', 29', 31', 33', 35",
37') in einem Rückkopplungskreis um den Verstärker und eine
Schalteinrichtung (17, 27') enthält zum Einschalten der NuIlstellschaltung,
um eine aktive Nullstellung zu bewirken, und zum Abschalten derselben, um eine nullgestellte Referenzspannung
für den Verstärker zu speichern, und
eine Zeitsteuereinrichtung (17) zum sequentiellen Abschalten der Nullstellschaltung der ersten Verstarkereinrichtung und
anschließenden Abschalten der Nullstellschaltung der zweiten Verstarkereinrichtung, wodurch in der zweiten Verstarkereinrichtung
jedweder Fehler zu Null gemacht wird, der durch das Abschalten der Nullstellschaltung der ersten Verstarkereinrichtung
erzeugt wird.
2. Durchflußmesser nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Nullsteilschaltungen jeweils einen, integrierenden Operationsverstärker
(29, 29") enthalten.
3· Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeitsteuereinrichtung Einrichtungen enthält, die die Einrichtungen zum Erzeugen eines Magnetfeldes so
steuern, daß ein intermittierendes Magnetfeld in dem durch den Körper strömenden Fluid erzeugt wird, und daß die Zeitsteuereinrichtung
mit den Schalteinrichtungen (27, 27') der ersten und der zweiten Verstarkereinrichtung so verbunden ist,
daß die Schalteinrichtungen bewirken, daß die Nullstellschaltungen
eingeschaltet sind, während das Magnetfeld abgeschaltet ist.
4. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuereinrichtung die Nullstellschaltungen gemeinsam
einschaltet.
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öbPY
5. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeitsteuereinrichtung die Nullstellschaltung der ersten Verstarkereinrichtung abschaltet, bevor sie die Nullstellschaltung
der zweiten Verstarkereinrichtung einschaltet.
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