DE3037174A1

DE3037174A1 - Hochgenaues spannungs-frequenz- und frequenz-spannungs-wandlersystem und damit ausgeruesteter magnetischer durchflussmesser

Info

Publication number: DE3037174A1
Application number: DE19803037174
Authority: DE
Inventors: William R. Hatfield Pa. Freund jun.; John C. Norristown Pa. Grebe jun.
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Emerson Electric Co
Priority date: 1979-10-09
Filing date: 1980-10-01
Publication date: 1981-04-23
Also published as: NL8005486A; JPS5664519A; US4309909A

Description

PATENTANWÄLTE
MENGES & PRAHL 3037174

Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt Professional representatives before the European Patent Office

Erhardtstrasse 12, D-8000	München 5	Dipl-Ing. Rolf Menges Dipl.-Chem.Dr Horst Prahl	E 547
. 3-		Telefon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPAT München	1.10.1980
•8000 München 5	Ihr Zeichen/Your ref.
	Unser Zeichen/Our ref.
	Datum/Date

Emerson Electric Co.
St. Louis, Mo. 63136
V.St.A.

Hochgenaues Spannungs-Frequenz- und Frequenz-Spannungs-Wandlersystem und damit ausgerüsteter magnetischer Durchflußmesser

Die Erfindung bezieht sich auf ein spannungsgesteuertes Oszillatorsystem. Sie ist besonders brauchbar in einem magnetischen Durchflußmessersystem und wird für ihre Anwendung in einem solchen System beschrieben, obgleich sich ihre Verwendbarkeit nicht darauf beschränkt. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein digital geeichtes Durchflußmessersystem, welches das spannungsgesteuerte Oszillatorsystem enthalten kann.

Fluiddurchflußmesser erzeugen ein Ausgangssignal, welches die Strömungsgeschwindigkeit (oder Durchflußmenge) angibt. In dem Fall eines magnetischen Durchflußmessers erzeugt ein Magnetfeld in einem Durchflußrohr in dem Fluid eine Spannung, die zu der Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflußmenge proportional ist. Diese Spannung wird durch zwei Elektroden abgefühlt, welche mit dem Fluid in Kontakt sind, und durch ein Signalverarbeitungssystem verstärkt. Das Ausgangssignal des Signalverarbeitungssystems hat im allgemeinen die Form eines (analogen) Gleichstrom-

1 3 U C I 7 / 0 6 2 0

signals, dessen Größe (Spannung) zu der Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflußmenge proportional ist.

In gegenwärtig bekannten magnetischen Durchflußmessern muß eine Anzahl von Potentiometereinstellungen vorgenommen werden, um den Durchflußmesser richtig zu eichen und den Nullpunkt genau einzustellen. Diese Einstellungen müssen durch geschulte Techniker vorgenommen werden und unterliegen, nachdem sie vorgenommen worden sind, trotzdem Schwingungs- und Feuchtigkeitseinflüssen. In gegenwärtig bekannten Durchflußmessern hat die Anzahl der notwendigen Einstellungen eine digitale Eichung undurchführbar gemacht. Die Anzahl der Einstellungen wird nicht durch das Durchflußsignal erforderlich gemacht, welches sich in äusserst linearer Weise mit der Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflußmenge ändert, sondern durch den Offset und das nichtlineare Ansprechen der Signalverarbeitungsschaltung.

In manchen magnetischen Durchflußmessern wird das analoge Ausgangssignal in ein digitales Signal umgewandelt, beispielsweise in eine Impulsreihe, deren Frequenz oder Tastverhältnis zu der Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflußmenge proportional ist. Für solche Durchflußmesser wäre ein Spannungs-Frequenz-Wandler, wie beispielsweise ein spannungsgesteuerter Oszillator, eine besonders zweckmäßige Einrichtung zum Erzeugen der Ausgangssignale. Leider haben herkömmliche Spannungs-Frequenz-Wandler einen Temperaturkoeffizienten von 50 ppm pro Grad Celsius oder mehr, was sie für hochgenaue Systeme unakzeptabel macht.

Eines der Ziele der Erfindung besteht darin, ein hochgenaues Spannungs-Frequenz-Wandlersystem zu schaffen, das einen niedrigen Offset, eine genaue Linearität und eine geringe Empfindlichkeit für Temperaturänderungen hat und für die Verwendung in einem magnetischen Durchflußmesser geeignet ist.

Weiter soll ein mit einem solchen System ausgerüsteter magnetischer Durchflußmesser geschaffen werden.

130017/0620

Außerdem soll ein Durchflußmesser geschaffen werden, der mit Hilfe von mehreren digitalen Schaltern, von denen jeder eine Stelle einer mehrstelligen Eichkonstante darstellt, präzise geeicht werden kann.

Schließlich soll ein Durchflußmesser geschaffen werden, der ein digitales Skalieren des Ausgangssignals gestattet.

Weitere Ziele und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird, allgemein gesagt, ein Spannungs-Frequenz-Wandlersystem geschaffen, das eine Referenzspannungsquelle und eine Referenzfrequenzquelle enthält, die so angeordnet sind, daß das Verhältnis der Eingangsspannung zur Referenzspannung zu dem Verhältnis der Ausgangsfrequenz zur Referenzfrequenz proportional ist. Der Spannungs-Frequenz-Wandler ist als ein neuer Frequenz-Spannungs-Wandler ausgebildet, welcher in eine Rückkopplungsschleife mit einem Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor und einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO oder voltage controlled oscillator) geschaltet ist, so daß das Ausgangssignal des Frequenz-Spannungs-Wandlers der Eingangsspannung entspricht. Die Frequenz, die notwendig ist, um die· Entsprechung zu erzielen, ist die Ausgangsfrequenz. Der neue Frequenz-Spannungs-Wandler bildet eine weitere Ausgestaltung der Erfindung.

Insbesondere enthält das System eine Frequenzerzeugungseinrichtung zum Empfangen eines veränderlichen Spannungssignals und zum Erzeugen eines veränderlichen Frequenzausgangssignals in Abhängigkeit von der Amplitude des veränderlichen Spannungssignals. Durch eine Rückkopplungsanordnung zum Empfangen des Ausgangssignals und zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals, dessen Amplitude von der Frequenz des Ausgangssignals abhängig ist, wird Linearität, erzielt. Die Rückkopplungsanordnung enthält eine Einrichtung zum Erzeugen einer Referenzfrequenz, eine Einrichtung zum Erzeugen einer Referenzspannung und eine Einrichtung, die auf das Ausgangssignal veränderlicher Fre-Frequenz, auf die Referenzfrequenz und auf die Referenzspan-

1 30017/062G

nung anspricht, um ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, das eine Spannung hat, die im wesentlichen gleich der Spannung des Eingangssignals ist. Vorzugsweise enthält der Frequenz-Spannungs-Wandler der Rückkopplungseinrichtung eine Triggerschaltung, die das Frequenzausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators empfängt und den Durchgang eines Impulses mit einer zu der Periode der Referenzfrequenz proportionalen Breite für jeweils M Impulse oder Zyklen des spannungsgesteuerten Oszillators freigibt, und einen Schaltkreis, der einen Impuls mit derselben Breite wie der Impuls aus der Triggerschaltung und der Amplitude der Referenzspannung erzeugt.

Durch Verwendung eines programmierbaren D/A-Wandlers zum Steuern des Wertes der Referenzspannung wird eine digitale Eichung auf einfache Weise erreicht. Eine gesonderte Stelle für jede Stelle einer Eichkonstante kann in den D/A-Wandler bei dem Prozeß des Eichens des Durchflußmessers eingegeben werden, woran anschließend die Eichung nicht mehr geändert wird. Wegen des äußerst linearen Ansprechens des Durchflußmessers ist nur eine einzige Eichung erforderlich. Das Nullstellen kann durch die Verwendung eines Operationsverstärkers mit niedrigem Offset,wie beispielsweise eines Servoverstärkers, eliminiert werden. Die Referenzfrequenz liefert vorzugsweise ein äußerst stabiler, quarzgesteuerter Oszillator .

Eine Spezialschaltung ist vorgesehen, um ein Tastverhältnis von 100% zu gestatten, d.h. um der Triggerschaltung zu gestatten, jeden Impuls der Referenzfrequenz durchzulassen, wenn die Referenzfrequenz und die Ausgangsfrequenz gleich sind.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

130017/0620

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines magnetischen Durchflußmessers , der einen digital geeichten Spannungs-Frequenz-Wandler nach der Erfindung enthält,

Fig. 2 ein Schaltbild, das Einzelheiten des Spannungs-Frequenz-Wandlers von Fig. 1 zeigt, und

Fig. 3 ein Steuerdiagramm.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 ein magnetisches Durchflußmessersystem, das die Erfindung enthält. Das Durchflußmessersystem 1 enthält ein Durchflußrohr 3, zwei einander gegenüberliegend 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 erzeugt wird, das durch das Magnetfeld strömt, welches durch die Spulen 5 in dem Rohr 3 erzeugt wird. Die Spannung an den Elektroden 9 wird durch einen Vorverstärker 11 und eine Signalverarbeitungsschaltung 13 verstärkt. Alle diese Schaltungselemente können von herkömmlicher Bauart sein.

Die Ausgangsspannung der Signalverarbeitungsschaltung 13 wird über einen Spannungs-Frequenz-Wandler 15 nach der Erfindung an eine Ausgangsstufe 17 angelegt, bei der es sich um eine herkömmliche frequenzumwandelnde Anzeige oder um einen Prozessor handeln kann.

Der Spannungs-Frequenz-Wandler 15 enthält einen Operationsverstärker 19 (Fig. 2) mit niedrigem Off set, dessen nichtinvertierender Eingang so angeschlossen ist, daß er die durchflußabhängige Spannung aus der Signalverarbeitungsschaltung 13 empfängt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 19 ist mit dem Eingang eines spannungsgesteuerten Oszillators 23 (Fig. 2) verbunden, dessen Ausgangssignal eine Frequenz ist, die zu der Strömungsgeschwindigkeit (oder Durchflußmenge) proportional ist.

130017/0620

§0371-74

Der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 23 ist ausserdem über einen Rückkopplungskreis mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 19 verbunden. Der Rückkopplungskreis enthält einen hochgenauen Frequenz-Spannungs-Wandler, der eine digital wählbare Eichkonstante hat. Der Rückkopplungskreis enthält eine Referenzfrequenzquelle 25, eine Referenzspannungsquelle 27, eine Triggerschaltung 29, einen Schaltkreis 31 und ein Tiefpaßfilter 33.

Die Referenzfrequenzquelle 25 enthält einen Quarzoszillator 35, der mit dem Eingang der Triggerschaltung 29 verbunden ist.

Die Referenzspannungsquelle 27 enthält eine Quellenspannung, die vorzugsweise mit der Quelle 7 für die Spulen 5 verbunden sein kann,.so daß Änderungen in der Feldstärke kompensiert werden, die die durch den Durchfluß erzeugte Spannung an den Elektroden 9 erzeugt. Die Quellenspannung wird an den Eingang des Schaltkreises 31 über eine Eicheinrichtung angelegt, die aus einem multiplizierenden D/A-Wandler 37 besteht, der durch einen manuell programmierbaren Satz digitaler Schalter 39 gesteuert wird.

Der Steueranschluß der Triggerschaltung 29 ist über eine durch M dividierende Schaltung 41 mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 23 verbunden: Die Flanke eines Impulses aus dem Ausgang der durch M dividierenden Schaltung 41 gestattet den Durchgang eines Impulses, dessen Breite zu der Periode der Referenzfrequenzquelle proportional ist, durch die Triggerschaltung 29 zu dem Steueranschluß des Schaltkreises 31. Die Triggerschaltung 29 und die Referenzfrequenz quelle 25 arbeiten als ein äußerst stabiler, digitaler, wiedertriggerbarer monostabiler Multivibrator.

Der Schaltkreis 31 wird durch Impulse aus der Triggerschaltung 29 auf- und zugesteuert, um Impulse zu erzeugen, die die Am-

130017/0620

— Q —

plitude der Referenzspannungsquelle 27 und ein Tastverhältnis haben, das zu dem Verhältnis der Ausgangsfrequenz ^_ans des spannungsgesteuerten Oszillators 23 zu der Referenzfrequenz 25 proportional ist. Das Ausgangssignal des Schaltkreises 31 wird an das Tiefpaßfilter 33 angelegt, welches es glättet und dann an den Eingang des eine hohe Verstärkung aufweisenden Differenzverstärkers 19 anlegt.

Es wird sich zeigen, daß das Rückkopplungssystem die Linearität des Spannungs-Frequenz-Wandlers der Erfindung aufrechterhält, ungeachtet der Linearität des spannungsgesteuerten Oszillators 23, solange das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 23 monoton ist.

Da die Spannungsschleife im Gleichlauf- oder Rastzustand ist, wenn die Eingangsspannung gleich der Referenzspannung mal dem Tastverhältnis der Rückkopplungsspannung ist, gibt die folgende Gleichung diesen Zustand des Systems an:

^Vein - ^Vref ^x Tastverhältnis = V_ref χ K χ F_aus/F_ref oder

^Faus = ^{K x V}ein ^{x F}ref/^Vref

wobei K eine Konstante ist, die durch die digitale Verarbeitung der Schaltung festgelegt ist.

Die vorstehende Analyse gilt solange, wie die Referenzfrequenz größer als das doppelte der Ausgangsfrequenz ist, die Referenzspannung größer als das doppelte der Eingangsspannung ist und der spannungsgesteuerte Oszillator 23 in der Lage ist, mit der erforderlichen Frequenz zu arbeiten. Wenn mit Hilfe eines speziellen Schaltkreises dem digitalen monostabilen Multivibrator gestattet wird, mit einem Tastverhältnis von 100% zu arbeiten, braucht die Referenzfrequenz nur so groß wie die maximal zulässige Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 23 dividiert durch M zu sein.

Fig. 2 zeigt gewisse Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsform. Der Operationsverstärker 19 ist vorzugsweise ein

130017/0620

Typ mit niedrigem Offset, wie beispielsweise der von der Fa. Precision Monolithics Inc. hergestellte Typ OP-07. Das Tiefpaßfilter 33 ist am zweckmäßigsten ein 1-Mikrofarad-Kondensator 101, der zwischen den Ausgang des Verstärkers 19 und dessen nichtinvertierenden Eingang geschaltet ist. Der Kondensator 101 erfüllt sowohl eine Filter- als auch eine Integrierfunktion. Der spannungsgesteuerte Oszillator 23 kann der VCO-Abschnitt einer als integrierte CMOS-Schaltung ausgebildeten Phasenregelschleife sein, die von der Fa. Motorola Semiconductor Products Inc. als deren Chip MC14O46B vertrieben wird. Dieser spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) hat eine Maximalfrequenz bei 5 V (Quelle und Steuerung) von etwa 0,7 MHz, eine Temperaturstabilität von etwa 0,12%/°C und eine Linearität von etwa 1 %.

Die Referenzfrequenz 25 kann durch einen Y1-Quarz erzeugt werden, der mit einer Motorola MC14OO7UB-Mehrzweckschaltung 111 verbunden ist, die als Oszillator und Impulsformer geschaltet ist.

Die Referenzspannung 27 wird durch einen als integrierte Schaltung ausgebildeten Standard-D/A-Wandler 102 erzeugt, der über eine Gruppe von Lötkontakten 103 mit Masse und über eine entsprechende Gruppe von angepaßten Widerständen 104 mit der positiven Spannungsquelle verbunden ist, damit das Ausgangssignal des Wandlers 37 durch ausgewähltes Anlöten der geeigneten Kontakte eingestellt werden kann. Der Ausgang des Wandlers 37 ist zwischen einen ersten Operationsverstärker 105 und einen zweiten Operationsverstärker 107 geschaltet, um die Spannung an dem Ausgang des zweiten Verstärkers 107 zu modifizieren.

Die Triggerschaltung 29 enthält drei Hälften 121, 123 und eines Motorola MC14013B-Doppel-D-Flipflops und drei NOR-Gatter 127, .129 und 131 eines Motorola MC^OOIB-Vierer-NOR-Gatters.

130017/0620

Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 23 wird an den Takteingang eines programmierbaren, durch N dividierenden 4-Bit-Zahlers 133 (Motorola MC14526) angelegt, der in der Rückkopplungsschleife einen Multiplikationsfaktor bildet. Der Zähler ist so ausgebildet, daß er durch sieben dividiert, und sein Ausgang ist mit dem Takteingang des Flipflops 125 verbunden. Die Arbeitsweise der Triggerschaltung 29 wird am besten in Verbindung mit dem Steuerdiagramm von Fig. 3 verständlich. Aufwärtstaktimpulse bei A im Anschluß an einen Ausgangsimpuls aus dem durch N dividierenden Zähler 133 erzeugen einen Impuls bei E, der eine Breite von einem Taktzyklus hat, und einen zweiten Impuls bei G, der dieselbe Breite hat, aber um einen Taktzyklus verschoben ist. Das Ausgangssignal H des NOR-Gatters 129 ist deshalb ein negativgehender Impuls mit einer Breite, die gleich zwei Taktzyklen ist, für jeden bei B empfangenen Eingangsimpuls. Dieses Ausgangssignal wird invertiert und triggert einen Festkörper-FET-Schalter 135, damit an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 19 ein Impuls mit gesteuerter Breite angelegt wird. Das Flipflop 125 wirkt als Halteschaltung, um sicherzustellen, daß, wenn ein Eingangsimpuls bei B empfangen wird, während das Ausgangssignal bei J den Signalwert H hat, das Ausgangssignal auf dem Signalwert H bleibt. Die Triggerschaltung ist· deshalb in der Lage, einen Tastzyklus von 100% zu schaffen.

Im Rahmen der Erfindung bieten sich zahlreiche Abwandlungsmöglichkexten des Wandlers nach der Erfindung. Zum Beispiel kann der Absolutwert der Referenzspannung unkritisch sein, weil das Verhältnis der Ausgangsfrequenz zur Referenzfrequenz zu dem Verhältnis der Eingangsspannung zur Referenzspannung proportional ist. Als weiters Beispiel gestattet ein Vergleich des Zählwertes der Referenzimpulse und der Ausgangsimpulse der Schaltung, als hochgenauer, wenig kostender A/D-Wandler zu arbeiten. Diese Abwandlungsmöglichkexten sind lediglich zur Veranschaulichung angegeben.

13 0 017/0620

Claims

Patentansprüche :

1. * Hochgenaues Spannungs-Frequenz-Wandlersystem, gekennzeichnet durch eine Frequenzerzeugungseinrichtung zum Empfangen eines Eingangssignals veränderlicher Amplitude und zum Erzeugen eines Ausgangssignals veränderlicher Frequenz in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignals, durch eine Triggerschaltung (29), die auf das Ausgangssignal und auf eine Referenzfrequenz (25) anspricht, um ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, das ein Tastverhältnis hat, welches von der Beziehung zwischen den Frequenzen des Ausgangssignals und des Referenzsignals abhängig ist, durch eine Referenzspannungsquelle (27) zum Steuern der Amplitude des Rückkopplungssignals und durch eine Komparatoranordnung zum Empfangen des Rückkopplungssignals und des Eingangssignals und zum Anlegen eines Signals, das von der Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Mittelwert des Referenzsignals abhängig ist, an die Frequenzerzeugungseinrichtung.

2. Hochgenaues Frequenz-Spannungs-Wandlersystem zum Empfangen einer Eingangsfrequenz und zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, die zu der Eingangsfrequenz proportional ist, gekennzeichnet

130017/0620

3U37174

durch eine Einrichtung (25) zum Erzeugen einer Referenzfrequenz, durch eine Einrichtung (27) zum Erzeugen einer Referenzspannung, durch eine Triggerschaltung (29) , die auf das Eingangssignal veränderlicher Frequenz und auf die Referenzfrequenz anspricht, um ein zweites Signal zu erzeugen, das ein Tastverhältnis hat, welches zu dem Verhältnis der Frequenz des Eingangssignals und der Referenzfrequenz proportional ist, durch eine Schalteinrichtung (31) zum Erzeugen eines Ausgangssignals, dessen Amplitude von der Referenzspannung abhängig ist und dessen Tastverhältnis gleich dem Tastverhältnis des zweiten Signals ist, und durch eine Filterschaltung (33) zum Gewinnen einer von dem Ausgangssignal abhängigen Spannung.

3. Magnetischer Durchflußmesser mit einem Körper, der in ein Durchflußsystem schaltbar ist, um den Durchfluß eines Fluids zu messen, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem durch den Körper strömenden Fluid, mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, die von dem elektrischen Feld abhängig ist, das in dem durch das Magnetfeld strömenden Fluid erzeugt wird, und mit einer Einrichtung zum Umwandeln der Ausgangsspannung in ein digitales Signal, gekennzeichnet durch eine digitale Eicheinrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten digitalen Ausgangssignals bei einer ausgewählten Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflußmenge, wobei die Eicheinrichtung eine Rückkopplungseinrichtung enthält, die auf das digitale Signal und auf ein Referenzsignal anspricht, um eine von dem digitalen Signal und dem Referenzsignal abhängige Rückkopplungsspannung zu erzeugen, eine Komparatoranordnung_/ die auf die Ausgangsspannung und auf die Rückkopplungsspannung anspricht, um ein Differenzsignal zu erzeugen, und mehrere digital einstellbare Vorrichtungen zum Verändern des Referenzsignals.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Signal eine Reihe von Signalen enthält, die eine Frequenz haben, welche die Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflußmenge anzeigt.

130017/062Ö