DE69804857T2

DE69804857T2 - Integritätsprüfung von elektroden

Info

Publication number: DE69804857T2
Application number: DE69804857T
Authority: DE
Inventors: Ray Keech
Original assignee: ABB Automation Ltd
Current assignee: ABB Automation Ltd
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: EP1042651B1; WO1999034174A1; GB2333161A; GB9727360D0; EP1042651A1; AU740417B2; AU1775899A; US6392416B1; DE69804857D1; GB2333161B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verifikation einer Elektrodenintegrität in einem Messgerät, insbesondere einem Messgerät mit einer hohen Eingangsimpedanz, beispielsweise in einem elektromagnetischen Durchflussmessgerät oder in einem pH- oder Redox-Messgerät oder einem anderen chemischen (oder biochemischen) Messgerät vom Sondentyp.
Es ist vorgeschlagen worden, einen Widerstand zwischen Elektroden dadurch zu messen, dass ein konstanter Strom von einer Konstantstromquelle eingespeist wird. Dieses Verfahren funktioniert, hat jedoch den Nachteil, dass eine komplexe Schaltung erforderlich ist, um den konstanten Strom einzuspeisen.
EP 336 615 offenbart gewisse alternative Verfahren, bei denen ein Signal mit Hilfe eines Kondensators eingespeist wird. Ein Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass dem Zeitpunkt der Einspeisung und Abtastung des Signals gewisse Beschränkungen auferlegt sind (genauer gesagt ist es wesentlich, dass die einzuspeisenden Impulse zu Beginn von jedem Halbzyklus eingespeist werden), und es kann schwierig sein, genaue Ergebnisse zu erhalten, was an der etwas ungleichmäßigen Form der Spannungssignalform liegt, die von dem eingespeisten Signal erzeugt wird.
EP 241 601 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überprüfen der Integrität einer Elektrode in einem potentiometrischen Messsystem.
Die Erfindung zielt darauf ab, die vorgenannten Nachteile zu lindern, und sorgt für eine Anordnung, in welcher mit Hilfe einer vergleichsweise einfachen Schaltung ein zuverlässiges Messergebnis eines Elektrodenwiderstands erhalten werden kann.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit, um vor Ort (in situ) eine Messgröße einer Impedanz (oder einer Leitfähigkeit) zwischen Potenzialmesselektroden eines Messgeräts zu erhalten, das eine hohe Eingangsimpedanz aufweist, bei welchem Verfahren ein Signal mit einer im Wesentlichen linearen Spannungsrampe an einen Kondensator angelegt wird, der mit einer der Elektroden verbunden ist, um einen im Wesentlichen konstanten Strom zu erzeugen, und bei welchem Verfahren eine Messgröße für die Impedanz (oder Leitfähigkeit) dadurch abgeleitet wird, dass das Potenzial, das sich über die Elektroden aufbaut, während der konstante Strom fließt, mit dem Potenzial verglichen wird, das sich über die Elektroden aufbaut, wenn kein Strom oder ein anderer Strom fließt.
In dieser Patentbeschreibung wird durchgehend Bezug genommen auf Potenzialmesselektroden; man wird erkennen, dass ein Potenzial zwischen zwei Bezugspunkten gemessen werden muss. Einer dieser Bezugspunkte kann ein Erdungs- bzw. Massepunkt oder irgendein Kontakt mit einer Lösung anstelle einer herkömmlichen "Elektrode" des in Betracht kommenden Messgeräts sein (beispielsweise einer pH- oder Referenzelektrode). In der Patentbeschreibung und den Patentansprüchen soll der Begriff "Potenzialmesselektrode" irgendeinen Punkt umfassen, von dem ein Potenzial gefühlt bzw. detektiert werden kann; die Erfindung dehnt sich auf Messungen zwischen einer Einzelelektrode und einer Lösung aus, die einen geeigneten Referenzpunkt verwenden.
Ein Vorteil der Verwendung eines Kondensators, um den Strom einzuspeisen, besteht darin, dass komplexe Schaltungsanordnungen nicht benötigt werden, um die Elektroden von der Impedanzmessschaltung zu isolieren, wenn das Potenzial über die Elektroden gemessen werden soll; eine herkömmliche Widerstandsmessschaltung ist anfällig darauf, dass diese eine Messung eines Potenzials stört, weil die Elektroden typischerweise nur einen kleinen Strom speisen können. Ein anderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass, weil der Strom während eines diskreten Zeitintervalls eingespeist wird, die Messung die Gelegenheit hat, sich zu stabilisieren, was eine zuverlässige Ablesung ohne komplexe Schaltungen oder erforderliche Korrekturen ermöglicht; dies steht im Gegensatz zu einer gepulsten Messung einer Impedanz.
Vorzugsweise werden eine Mehrzahl von Potenzialmessgrößen erhalten, während der Strom eingespeist wird. Dies ermöglicht eine Mittelung der Messung über ein Zeitintervall, so dass ein Rauschen ausgelöscht werden kann oder Ablesewerte gemittelt werden können, um für eine größere Genauigkeit zu sorgen, und kann für eine überraschend bessere Genauigkeit im Vergleich zu gepulsten Einzelmessungen sorgen. Überraschenderweise kann man eine deutlich größere Genauigkeit und Konsistenz der Ergebnisse erzielen, falls nur zwei Ablesungen während der Dauer der Stromeinspeisung genommen werden, weil die Messung weniger anfällig auf Störimpulse ist.
Vorzugsweise wird eine Potenzialmessgröße nach einer vorbestimmten (vergleichsweise kurzen) Verzögerung nach dem Beginn der Stromeinspeisung erhalten. Dies macht eine Beruhigung der Vorrichtung möglich und lässt es zu, dass sich irgendwelche (kleinen) Streukapazitäten zwischen den Elektroden wirkungsvoll aufladen.
Man wird verstehen, dass mit dem Begriff "im Wesentlichen linear" gemeint ist, dass innerhalb der erforderlichen Grenzen der experimentellen Genauigkeit der von der Rampe erzeugte Strom innerhalb eines gewünschten Toleranzbereichs liegt, während die Messung gerade ausgeführt wird. Mit dem Begriff "hohe Eingangsimpedanz" ist eine Impedanz gemeint, die ausreicht, um sicherzustellen, dass das Potenzial, das über die Elektroden gemessen wird, nicht signifikant (innerhalb der Grenzen der erforderlichen experimentellen Genauigkeit) durch Verbindung der Potenzialmessschaltung beeinflusst werden; idealerweise wird die Impedanz zumindest 1M Ohm betragen und typischerweise 10M Ohm, 1000M Ohm oder noch größer sein. Mit "kleiner Strom" ist ein Strom gemeint, der typischerweise maximal einige Mikroampere groß ist, der jedoch viele Größenordnungen kleiner sein kann (kleiner als 1 Mikroampere, kleiner als 100 nA, 10 nA oder sogar noch kleiner).
Das Verfahren umfasst vorzugsweise außerdem einen Schritt, dass eine Messgröße des Potenzials über die Elektroden erhalten wird, um daraus eine Messgröße einer physikalischen Größe abzuleiten, die mit dem Potenzial in Zusammenhang steht, wobei die Messgröße des Potenzials mit Hilfe eines Potenzialmessmittels erhalten wird, das eine hohe Eingangsimpedanz aufweist, ohne dass dieses den Kondensator von der Elektrode trennt.
Gemäß einer bevorzugten Anwendung ist die physikalische Eigenschaft eine Strömungs- bzw. Durchflussgeschwindigkeit, wobei das Verfahren in einem elektromagnetischen Durchflussmessgerät eingesetzt wird. In einer anderen bevorzugten Anwendung ist die physikalische Eigenschaft ein pH-Wert, wobei das Verfahren in einem pH-Messgerät eingesetzt wird. In einer Weise ähnlich zu einem pH- Messgerät können andere chemische (oder biochemische) Bedingungen detektiert werden, beispielsweise in einem Redox-Potenzialmessgerät. In beiden Fällen kann die Messgröße der Impedanz dazu verwendet werden, um Bedingungen zu detektieren, beispielsweise schlechte oder fehlerhafte Elektroden, durchtrennte Drahtverbindungen, das Nichtvorhandensein eines Fluids und dergleichen.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise einen Vergleich der Messgröße der Impedanz mit zumindest einem Schwellenwert und die Mitteilung von zumindest einem auffälligen Fehlerzustand in Abhängigkeit von den Ergebnissen des Vergleichs.
Die Rampensignalform kann mit Hilfe irgendeines einer Mehrzahl von herkömmlichen Rampenspannungsgeneratoren erzeugt werden.
Eine bevorzugte Anordnung, die den Vorteil hat, dass diese einfach und kosteneffizient zu realisieren ist, besteht darin, den Eingang des Kondensators mit dem Verknüpfungspunkt zwischen einer Widerstands-Kondensator-Reihenschaltung zu schalten, wobei das Potenzial über die Kombination zwischen zwei Potenzialen geschaltet wird, wobei die Zeitkonstante der Schaltung größer ist als das Messintervall.
Alternativ kann ein komplexerer Rampensynthesizer, beispielsweise basierend auf einem Digital-zu-Analog-Wandler, oder ein konventioneller linearer Rampengenerator verwendet werden.
Die Erfindung bezieht sich sowohl auf Verfahrens- als auch auf Vorrichtungsaspekte und man wird erkennen, dass bevorzugte Merkmale des Verfahrens auf die Vorrichtung anwendbar sind und umgekehrt.
Gemäß einem ersten Vorrichtungsaspekt sorgt die Erfindung für eine Sensor- bzw. Detektionsvorrichtung für ein Messgerät, die ausgelegt ist, um eine Messgröße einer physikalischen Eigenschaft aus einer Messgröße für ein Potenzial über Sensorelektroden abzuleiten, wobei die Sensorschaltung eine Potenzialmessschaltung, die eine hohe Eingangsimpedanz und Eingänge aufweist, die für eine Verbindung mit den Elektroden ausgelegt sind, und Mittel umfasst, um eine Messgröße für die Impedanz der Elektroden zu erhalten, welche einen Kondensator, der zwischen einen der Eingänge geschaltet ist, und Mittel umfasst, um eine im Wesentlichen lineare Spannungsrampe zu erzeugen, so dass die Spannungsrampe einen im Wesentlichen konstanten Strom durch die Elektrodenimpedanz erzeugt, wobei das Mittel zum Erzielen einer Messgröße für die Impedanz ausgelegt ist, um die Messgröße auf der Grundlage der Differenz des Potenzials über die Elektroden, wenn der im Wesentlichen konstante Strom zugeführt wird und wenn kein Strom oder ein Strom von einer anderen Größe zugeführt wird, abzuleiten.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Kondensator, der mit jedem Eingang verbunden ist; auf diese Weise kann man das absolute Potenzial der Elektroden in Bezug auf die Sensor- bzw. Detektionsschaltung ohne festes Bezugspotenzial halten.
Die Vorrichtung umfasst bevorzugt außerdem ein Mittel zum Vergleichen der Impedanzmessgröße mit zumindest einem Schwellenwert und ein Mittel, um auf der Grundlage der Vergleichsergebnisse einen mutmaßlichen Störungszustand zu signalisieren.
Die Sensor- bzw. Detektorschaltung kann in einem pH-Messgerät eingesetzt werden, das eine pH-Sensorelektrode umfasst, in einer Sensor- bzw. Detektorvorrichtung und in einer Ausgabeschaltung, die ausgelegt ist, um basierend auf dem gemessenen Elektrodenpotenzial einen kalibrierten Messwert eines pH-Wertes zur Verfügung zu stellen. Die Ausgabeschaltung kann eine zusätzliche Schaltung umfassen, die mit dem Ausgangssignal der Potenzialmessschaltung gespeist wird, oder kann mit dieser integriert ausgebildet sein, wobei die Potenzialmessschaltung ein geeignet skaliertes Ausgangssignal bereitstellt. Die kalibrierte Messgröße braucht für eine bestimmte Vorrichtung nicht individuell kalibriert zu werden, sondern kann auf der Grundlage einer allgemeinen Beziehung zwischen einem gemessenen Potenzial und einem pH-Wert für Messgeräte mit vergleichbarem Design geeignet skaliert werden.
Wie vorstehend ausgeführt wurde, besteht eine andere bevorzugte Anwendung der Erfindung in einem elektromagnetischen Durchflussmessgerät und insbesondere in einem Durchflussmessgerät, das einen niedrigen Leistungsbedarf hat, beispielsweise in einem batteriebetriebenem Durchflussmessgerät.
In einer solchen Anwendung umfasst die Vorrichtung vorzugsweise außerdem ein Kontrollmittel, das ausgelegt ist, um das Anlegen eines Stroms an Felderzeugungsspulen des Durchflussmessgeräts zu steuern bzw. zu regeln, und um ein Anlegen der Spannungsrampe an den Kondensator zu steuern, so dass Messergebnisse sowohl für die Strömung bzw. den Durchfluss als auch für die Elektrodenimpedanz erzielt werden können.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung auch ausgelegt, um ein magnetisches Feld an die Strömung anzulegen, während der im Wesentlichen konstante Strom angelegt wird, und um Abtastwerte des Elektrodenpotenzials in Gegenwart des magnetischen Feldes und des im Wesentlichen konstanten Stroms sowie in alleiniger Gegenwart des im Wesentlichen konstanten Stroms zu erzielen. Dies kann eine Bestimmung sowohl der Durchflussrate als auch der Elektrodenimpedanz ermöglichen, ohne dass ein längeres Anlegen eines elektromagnetischen Feldes erforderlich wäre; auf diese Weise kann der Energiebedarf verringert werden, weil das Anlegen des magnetischen Feldes typischerweise einen deutlich höheren Leistungsbedarf als das Anlegen des im Wesentlichen konstanten Elektrodenstroms erfordert.
Das Verfahren kann für die Verwendung bei einem Durchflussmessgerät angepasst werden.
Am meisten bevorzugt umfasst das Verfahren das Anlegen eines gepulsten magnetischen Feldes an die Strömung während des Anlegens des im Wesentlichen konstanten Elektrodenstroms und das sukzessive Ableiten des ersten, zweiten und dritten Wertes für das Elektrodenpotenzial vor, während bzw. nach dem Anlegen des gepulsten magnetischen Feldes, und zwar sämtliche während des Anlegens des im Wesentlichen konstanten Elektrodenstroms. Auf diese Weise können durch Mittelbildung Abweichungen in dem im Wesentlichen konstanten Strom ausgeglichen werden. Außerdem haben die Erfinder überraschenderweise herausgefunden, dass man bessere Resultate erzielen kann, wenn ein vergleichsweise kurzer magnetischer Puls angelegt wird als wenn ein kurzer elektrischer Puls angelegt wird. Außerdem erfordert das Anlegen des magnetischen Feldes für gewöhnlich eine deutlich höhere Leistung als das Anlegen des Elektrodenstroms, so dass ein Anlegen eines kurzen magnetischen Feldes und eines längeren elektrischen Feldes den Leistungsbedarf verringern kann.
Um die Ergebnisse weiter zu verbessern, können weitere Werte des Elektrodenpotenzials in Abwesenheit des im Wesentlichen konstanten Elektrodenstroms erhalten werden, vorzugsweise für zumindest einen weiteren Wert bei Abwesenheit eines magnetischen Feldes und eines weiteren Wertes beim Anlegen eines magnetischen Feldes. Vorzugsweise werden magnetische Pulse mit wechselnder Polarität eingesetzt; dies reduziert Hysterese-Effekte. Außerdem können (unabhängig) Elektrodenströme von wechselnder Polarität eingesetzt werden; dies kann die Effekte einer Polarisation verringern. In beiden Fällen können Bezugnahmen auf eine wechselnde Polarität (insbesondere für den Fall von Strömen von wechselnder Polarität) so ausgedehnt werden, dass diese Gruppen von Pulsen von wechselnder Polarität umfassen. Beispielsweise kann einer Sequenz von Pulselementen (die wechselnde Amplituden oder Vorzeichen aufweisen können) eine vergleichbare Sequenz folgen, bei der die Polarität von jedem oder von zumindest der Mehrheit der Pulselemente umgekehrt ist; dies kann dennoch eine langfristige Polarisation verhindern, ohne dass die Polarität von jedem aufeinander folgenden Element wechselt.
Die Erfindung kann eingesetzt werden, um ein elektromagnetisches Durchflussmessgerät mit einem "Leerrohr-Detektor" zur Verfügung zu stellen, das benötigt wird, um zu gewährleisten, dass ein Massenausstoß kontrolliert wird, der für gewöhnlich nach unten geregelt wird, und zwar unter einer Bedingung, dass das Rohr leer oder teilweise gefüllt ist.
Die Erfindung kann auch auf Durchflussmessgeräte angewendet werden, die einen Permanentmagneten aufweisen, um ein magnetisches Feld zu erzeugen.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, worin:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen elektromagnetischen Durchflussmessgerätes ist;
Fig. 2 ein Blockschema ist, das ein Durchflussmessgerät gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 schematisch die Filterung darstellt, die dazu verwendet wird, um das Durchflusssignal und Elektrodenwiderstandssignale zu extrahieren;
Fig. 4 Zeitablaufdiagramme umfasst um die Betriebsweise der Ausführungsform, die in der Fig. 2 und der Fig. 3 gezeigt ist, zu erklären;
Fig. 5 ein Blockschema einer zweiten einfacheren Ausführungsform ist;
Fig. 6 eine dritte Ausführungsform darstellt, die einen Spannungsüberwacher beinhaltet;
Fig. 7 eine Kurve ist, die eine Beziehung zwischen dem Elektrodenwiderstand und einem gemessenen Ausgangssignal darstellt.
Die Fig. 1 zeigt ein herkömmliches elektromagnetisches Durchflussmessgerät.
Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 2 gezeigt. Die Fluidströmung wird durch ein Rohr 1 geleitet, das eine isolierende Auskleidung 20 enthält, falls das Rohr selbst leitend ist. Die Signalmesselektroden 5A, 5B sind auf gegenüber liegenden Seiten des Rohrs 1 montiert. Eine Fluid-Erdungselektrode 19 ist in dieser Ausführungsform vorhanden, kann jedoch weggelassen werden; falls nur zwei Elektroden verwendet werden, dann kann das Potenzial über die Elektroden gemessen werden, wenn ein Strom eingespeist wird, falls eine Erdung des Fluids nicht erforderlich ist, beispielsweise bei gewissen batteriebetriebenen Anwendungen. Ein alternierendes magnetisches Feld B wird von Spulen 2A, 2B erzeugt, die von einer Erreger- bzw. Spulentreiberschaltung 3 erregt werden. Die Spulen 2A, 2B und ihre zugeordnete magnetische Schaltung sind so ausgelegt, dass ein magnetisches Feld senkrecht zu der Fluidströmung und der Elektrodenebene erzeugt wird. Eine elektrische Erregung wird mit Hilfe eines Spannungsrampengenerators 9A erzeugt, der über einen Kondensator 10A an eine der Elektroden 5A angelegt wird. Der Kapazitätswert für 10A wird so gewählt, dass der Wert ausreichend niedrig ist, beispielsweise 100 pF, so dass der lineare Spannungsrampengenerator 9A bewirkt, dass ein geringer, annäherungsweise konstanter Strom durch den Kondensator 10A fließt und folglich in die Elektrode 5A und das Fluid. In ähnlicher Weise erzeugt ein zweiter Rampengenerator 9B einen konstanten Strom durch den Kondensator 10B und die Elektrode 5B. Dieser konstante Strom, der proportional zu der Änderungsrate der Spannung mit der Zeit ist (dV/dt), fließt durch den äquivalenten Widerstand, welcher die äquivalente Schaltung der Elektrode, der Oberflächenbeschichtung, der Fluidleitfähigkeit und seiner Verdrahtung ist, was durch einen äquivalenten Widerstand Re repräsentiert wird und den Aufbau einer Spannung bewirkt, was nachfolgend als das "Elektrodenwiderstandssignal" bezeichnet wird. Diese Spannung wird gemessen und verstärkt, gemeinsam mit dem induzierten elektromagnetischen Strömungssignal, und zwar mit Hilfe des von den Elektroden 5A, 5B gespeisten Differenzverstärkers 6. Die zeitliche Abstimmung der elektromagnetischen Erregung wird mit Hilfe der Zeitgeberschaltung 4 festgelegt, wobei die zeitliche Abstimmung der elektrischen Erregung des Rampengenerators 9 mit Hilfe der Zeitgeberschaltung 11 festgelegt wird. Die Ausgangsspannung, die aus dem elektromagnetischen Strömungssignal und dem "Elektrodenwiderstandsignal" besteht, wird zwei Filtern 12, 13 zugeführt. Das Eingangssignal an diese Filter kann in der Zeit kontinuierlich sein oder zeitlich abgetastet sein, wobei in dem letzteren Fall der Abtastschalter 17, der von einem Master-Zeitgeber 18 gesteuert wird, für diese Funktion sorgt. Das Ausgangssignal des Filters 12 ist proportional zu der Strömungs- bzw. Durchflussgeschwindigkeit und das Ausgangssignal des Filters 13 ist proportional zu dem "Elektrodenwiderstandssignal". Das Ausgangssignal des Filters 12 wird dann mit Hilfe der Aufbereitungsschaltung 14 weiter verarbeitet, um das gewünschte Ausgangssignal zu erzeugen, beispielsweise in Form von 4-20 mA. Das Ausgangssignal des Validierungsfilters 13 erzeugt 2 Ausgangssignale, die dem Elektrodenwiderstand der Elektrode 5A zum Erdungspotenzial und der Elektrode 5B zum Erdungspotenzial entsprechen.
Diese zwei Signale können unabhängig oder gemeinsam in einem Entscheidungsblock/-auslöser 15 verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Elektrodenschaltung korrekt arbeitet, welche die Elektroden 5A, 5B, die Beschichtung auf 5A, 5B, Auskleidungsbeschichtungen, die Verdrahtung, den Fluidstand oder eine Beschädigung umfasst. Falls sich ein Fehler entwickelt hat, so dass das elektromagnetische Durchflussmessgerät nicht korrekt arbeiten wird, wird ein Alarmsignal erzeugt, das die Strömungsanzeige auf einen Sicherheitszustand treiben bzw. ändern wird, für gewöhnlich hin zu einem kleineren Anzeigewert. Die Entscheidungs-/Auslöseschaltung 14 kann auch ein Warnsignal erzeugen, um anzuzeigen, dass ein Problem vorhanden ist oder sich aufbaut, beispielsweise eine Elektrodenbeschichtung. Die beiden Elektrodenwiderstandssignale werden auch aufsummiert, um ein verknüpftes Elektrodenwiderstandssignal zu erzeugen, das ausgegeben werden könnte, um die Leitfähigkeit des Fluids anzuzeigen.
Die Trennung der elektromagnetischen Widerstandssignale und der Elektrodenwiderstandssignale wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Die Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Zeitablaufsteuerung darstellt, die zu einer Ausführungsform gemäß dieser Erfindung mit niedrigem Leistungsverbrauch gehört. Das elektromagnetische Treibersignal, für gewöhnlich ein konstanter Strom 34, ist in einer Richtung gepulst, aus, dann in der entgegen gesetzten Richtung, dann aus. Dies erzeugt eine entsprechende magnetische Flussdichte innerhalb des Messgeräts, welche eine Spannung von vergleichbarer Signalform erzeugt. Ein Spannungsrampensignal entweder von 9A oder 9B erzeugt ein entsprechendes Signal 35 oder 36. Die resultierenden konstanten Ströme in den Elektroden 32 oder 33. Die effektive Impedanz der Elektrode, ihrer Schaltung und des Fluids bzw. der Strömung erzeugt das entsprechende Elektrodenwiderstandssignal, dieses hat eine Signalform ähnlich zu 32 oder 33, ist jedoch dem elektromagnetisch induzierten Strömungssignal überlagert, das in der Form vergleichbar zu 34 ist. Die Summe ist in dem Elektrodendifferenzsignal 37 dargestellt.
Um die separaten Strömungs- und Validierungssignale zu extrahieren, werden die verknüpften Signale von Filtern 12 & 13 verarbeitet, was ausführlicher in der Fig. 3 dargestellt ist. Hierin wird das verknüpfte Signal unter Verwendung des Abtastgates 17 abgetastet, Signal 37, was ein abgetastetes Signal 39 erzeugt. Die Verwendung einer abgetasteten Signalform vereinfacht die Verarbeitung und das Verständnis, obwohl das nachfolgende Prinzip für ein kontinuierliches analoges Signal arbeitet. Um das elektromagnetische Signal zu extrahieren, wird eine Reihe von Kammfiltern von endlicher Impulsantwort (FIR) verwendet. Der dargestellte Kammfilter der ersten Stufe führt die Funktion A + C -2B an den auf der Spur 39 bezeichneten Signalformen aus, was ein Ausgangssignal 40 erzeugt. Man wird erkennen, dass diese Verarbeitung jegliche Spuren von dem Elektrodenwiderstandssignal entfernt hat.
Der Grund für die Verwendung einer solchen Verarbeitung besteht darin, ein elektromagnetisches Rauschen oder Strömungsrauschen zurückzuweisen, das häufig überwiegend niedrige Frequenzen aufweist, oftmals mit einer 1/f-Frequenzkennlinie. Die elektromagnetische Filterstufe 2 führt an der Signalform eine Operation H-G aus, was das Treibersignal tatsächlich demoduliert und das gewünschte Strömungs- bzw. Durchflusssignal ergibt, das nicht von dem überlagerten Elektrodenwiderstandssignal beeinträchtigt wird.
Um das Elektrodenwiderstandssignal zu extrahieren, wird das verknüpfte bzw. vereinigte Signal 39 einer Validierungs-Kammfilterstufe 1 zugeführt, die die Funktion ausführt, die durch D-A und F-C dargestellt ist, was ein Signal 42 ergibt. Diese zwei Signale können einzeln oder gemeinsam bzw. verknüpft in der dargestellten Validierungsfilterstufe 2 verwendet werden, um ein Signal zu ergeben, das (D-A) + (F-C) ist.
Damit die Kammfilter in der Fig. 3 korrekt arbeiten, müssen die Verzögerungszeiten T1, T2, T3 & T4 so gesetzt werden, dass diese mit der Erregungssignalform übereinstimmen. Wenn man diese Verzögerungen so festlegt, dass gilt:
T2, T3 = n · 100 ms,
wobei n eine positive ganze Zahl ist, dann weist diese Schaltung auch sämtliche vom Netz herrührenden Störungen zurück, und zwar sowohl bei 50 Hz bzw. 60 Hz als auch bei sämtlichen Harmonischen dieser Frequenzen, bei der Rückgewinnung sowohl des elektromagnetischen Signals als auch des Elektrodenwiderstandssignals. Diese Technik basiert auf der Erfindung, die von dem benannten Erfinder in dem britischen Patent GB 2 271 639 patentiert ist. Für die Anpassung an die elektromagnetische Erregung soll gelten
T1 = Ton.
In ähnlicher Weise folgt dann auch, dass sich die gewünschte Funktion ergibt
T4 = 2 · Ton.
Im Falle der vorgenannten. Analyse ist nur angenommen worden, dass eine Elektrodenschaltung zu einem Zeitpunkt entweder von 9A oder 9B getrieben wird. Auf Grund einer Symmetrie ist es natürlich möglich, während eines elektromagnetischen Treiberzyklus, sagen wir 9A, zu treiben, dann während des nächsten Zyklus 9B zu treiben. Auf diese Weise kann man jede einzelne Elektrode im Wesentlichen kontinuierlich validieren bzw. überprüfen.
Ein Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Elektrodenwiderstandsmessung unter Verwendung einer kapazitiven Kopplung mit einem Kondensator 10A, 10A mit niedriger Kapazität ausgeführt wird, was den Vorteil hat, dass die Elektrodenschaltung nicht mit irgendwelchen resistiven Verlusten belastet wird. Die sehr hohe Eingangsimpedanz des Differenzverstärkers 6 wird nicht beeinträchtigt, was sicherstellt, dass dann, wenn die Elektroden geringfügig beschichtet und resistiv werden oder wenn Fluide von geringer Leitfähigkeit gemessen werden, der Ablesewert für die Strömungs- bzw. Durchflussgeschwindigkeit nicht parallel geschaltet wird und dass die Genauigkeit nicht beeinträchtigt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung werden die Spannungsrampengeneratoren 9A und 9B durch eine einfache Widerstands-Kondensator- Kombination angenähert, was in der Fig. 5 dargestellt ist. Bei dieser Anordnung wird eine exponentielle Rampe mit Hilfe eines Spannungsschrittes von Schaltern 22A, 22B erzeugt, die in einen Widerstand 21a, 21b und in Kondensatoren 20a, 20b eingespeist wird. Diese exponentielle Funktion liegt ausreichend nahe an der linearen Rampe, so dass die Signalverarbeitung gemäß der Fig. 3 die ungewünschten Signalübersprechkomponenten zurück weist. Diese Anordnung hat den weiteren Vorteil, dass die Kondensatorkombination von 10 und 20 als Radiofrequenz- Entstörungsfilter wirkt, was die Empfindlichkeit auf nicht gewünschte Radiofrequenzen verringert.
Bei einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung, die in der Fig. 6 dargestellt ist, werden die Elektrodenspannungen 40, 41 gepuffert bzw. zwischengespeichert, dann an eine Spannungsüberwachungsdetektorschaltung 42 weiter geleitet, die die Spannung auf jeder Elektrode misst. Falls eine Elektrode einen offenen Schaltkreis entwickelt oder das Rohr 1 leer ist, kann der konstante Strom von den Kondensatoren 10A, 10B versuchen, ein hohes Signal oder einen hohen Spannungspegel zu erzeugen, der eine nachgeordnete Schaltung überbeanspruchen könnte, beispielsweise einen Analog-zu-Digital-Wandler, der für eine nachfolgende Verarbeitung in digitaler Signalform erforderlich wäre. Ein solcher Detektor 42 wird es ermöglichen, dass eine Sättigung/Begrenzung jeglicher Verarbeitung detektiert werden kann.
Die Fig. 7 zeigt eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Elektrodenwiderstand und dem gemessenen Ausgangssignal darstellt.
Die Erfindung ist vorstehend im Zusammenhang mit einem elektromagnetischen Strömungs- bzw. Durchflussmessgerät beschrieben worden. Wie vorstehend ausgeführt wurde, kann die Erfindung bei anderen Messgeräten eingesetzt werden, beispielsweise bei pH-Messgeräten. In einem solchen Fall wird eine einfachere Steuerschaltung benötigt, weil es nicht notwendig ist, einen Treiberstrom zu geeigneten Zeitpunkten an Feldspulen anzulegen. Alles, was beispielsweise bei einem pH- Messgerät für die Steuerschaltung benötigt wird, ist, dass die Rampensignalform angelegt wird und die Differenz zwischen dem Potenzial über die Elektroden in Gegenwart dieser Signalform und in Abwesenheit von dieser gemessen wird; dies wird eine Messgröße für die Elektrodenimpedanz ergeben. Der pH-Wert kann in der normalen Weise aus dem Potenzial, das in Abwesenheit der Rampensignalform gemessen wird, abgeleitet werden.
Die vorstehende Beschreibung konzentriert sich auf das Messen einer Impedanz. Man wird erkennen, dass eine Leitfähigkeit oder ein anderer verwandter Parameter in ähnlicher Weise abgeleitet werden kann; die Leitfähigkeit ist lediglich das Inverse der Impedanz. Alle Bezugsbeispiele, um eine Messgröße der Impedanz zu erhalten, sollen auch solche verwandten Größen mit umfassen.

Claims

1. Verfahren, um vor Ort (in situ) eine Messgröße für eine Impedanz zwischen Potentialmesselektroden eines Messgeräts, das eine hohe Eingangsimpedanz aufweist, zu erhalten, bei welchem Verfahren ein Signal mit einer im wesentlichen linearen Spannungsrampe an einen Kondensator, der mit einer der Elektroden verbunden ist, angelegt wird, um einen im wesentlichen konstanten Strom zu erzeugen, und bei dem eine Messgröße für die Impedanz abgeleitet wird, indem das Potential, das sich über die Elektroden aufbaut, während der konstante Strom fließt, mit dem Potential verglichen wird, das sich über die Elektroden aufbaut, wenn kein Strom oder ein anderer Strom fließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Rampensignal dadurch erzeugt wird, dass das Eingangssignal des Kondensators an die Verzweigung bzw. Verknüpfungsstelle zwischen einer Widerstands-Kondensator-Reihenschaltung angelegt wird, wobei das Potential über die Kombination zwischen zwei Potentialen gewechselt wird und die Zeitkonstante der Schaltung größer ist als das Messintervall.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Rampensignal durch einen Spannungsgenerator erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Mehrzahl von Potentialmessgrößen erhalten wird, während der Strom eingespeist wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Potentialmessgröße nach einer vorbestimmten Verzögerungszeit nach einem Beginn des Einspeisens von Strom erhalten wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem außerdem eine Messgröße für das Potential über die Elektroden erhalten wird, um daraus eine Messgröße einer zu dem Potential zugehörigen physikalischen Eigenschaft abzuleiten, wobei die Potentialmessgröße mit Hilfe eines Potentialmessmittels mit einer hohen Eingangsimpedanz erhalten wird, ohne dass der Kondensator von der Elektrode getrennt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die physikalische Eigenschaft eine Strömungs- bzw. Durchflussgeschwindigkeit ist, wobei das Verfahren in einem elektromagnetischen Durchflussmessgerät eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die physikalische Eigenschaft ein pH-Wert ist, wobei das Verfahren in einem pH-Messgerät eingesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen Vergleich der Messgröße für die Impedanz mit zumindest einem Schwellenwert und ein Signalisierung von zumindest einem mutmaßlichen Störungszustand in Abhängigkeit von den Vergleichsergebnissen umfasst.

10. Sensor- bzw. Detektionsvorrichtung für ein Messgerät, die ausgelegt ist, um eine Messgröße einer physikalischen Eigenschaft aus einer Messgröße für ein Potential über Sensorelektroden abzuleiten, wobei die Sensorschaltung eine Potentialmessschaltung, die eine hohe Eingangsimpedanz und Eingänge aufweist, die für eine Verbindung mit den Elektroden ausgelegt sind, und Mittel umfasst, um eine Messgröße für die Impedanz der Elektroden zu erhalten, welche einen Kondensator, der zwischen einen der Eingänge geschaltet ist, und Mittel umfasst, um eine im wesentlichen lineare Spannungsrampe zu erzeugen, so dass die Spannungsrampe einen im wesentlichen konstanten Strom durch die Elektrodenimpedanz erzeugt, wobei das Mittel zum Erzielen einer Messgröße für die Impedanz ausgelegt ist, um die Messgröße auf der Grundlage der Differenz des Potentials über die Elektroden, wenn der im wesentlichen konstante Strom zugeführt wird und wenn kein Strom oder ein Strom von einer anderen Größe zugeführt wird, abzuleiten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, die einen Kondensator enthält, der mit jedem Eingang verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, weiterhin umfassend ein Mittel zum Vergleichen der Impedanzmessgröße mit zumindest einem Schwellenwert und ein Mittel, um auf der Grundlage der Vergleichsergebnisse einen mutmaßlichen Störungszustand zu signalisieren.

13. Sensor- bzw. Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 für ein pH-Messgerät mit einer pH-Sensorelektrode und einer Ausgabeschaltung, die ausgelegt ist, um auf der Grundlage des gemessen Elektrodenpotentials eine kalibrierte Messgröße für den pH-Wert bereitzustellen.

14. pH-Messgerät nach Anspruch 13, das ein Steuermittel umfasst, das ausgelegt ist, um die Signalrampe anzulegen, um eine Messgröße für die Elektrodenimpedanz zu erhalten, ein Mittel zum Detektieren eines Störungszustands auf der Grundlage der Impedanzmessgröße, wobei das Messgerät ausgelegt ist, um ein Ausgangssignal einer pH- Messung oder eine Anzeige bereitzustellen, dass eine pH-Messung ungültig ist.

15. Sensor- bzw. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 zur Verwendung in einem elektromagnetischen Strömungs- bzw. Durchflussmessgerät, das ein Steuermittel enthält, das ausgelegt ist, um ein Anlegen eines Stroms an Felderzeugungsspulen des Durchflussmessgeräts zu steuern und um ein Anlegen der Spannungsrampe an den Kondensator zu steuern, so dass Messergebnisse sowohl für die Strömung bzw. den Durchfluss als auch für die Elektrodenimpedanz erzielt werden können.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, die ausgelegt ist, um ein magnetisches Feld an die Strömung anzulegen, während der im wesentlichen konstante Strom angelegt wird, und um Abtastwerte des Elektrodenpotentials in Gegenwart des magnetischen Feldes und des im wesentlichen konstanten Stroms sowie in alleiniger Gegenwart des im wesentlichen konstanten Stroms zu erzielen.

17. Elektromagnetisches Strömungs- bzw. Durchflussmessgerät, umfassend Felderzeugungsspulen, Potentialsensorelektroden und eine Sensor- bzw. Detektorvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16.

18. Elektromagnetisches Strömungs- bzw. Durchflussmessgerät nach Anspruch 17, weiterhin umfassend ein Ausgabemittel, das ausgelegt ist, um eine Messgröße der Strömungs- bzw. Durchflussgeschwindigkeit oder eine Anzeige zur Verfügung zu stellen, dass die Messung der Strömungs- bzw. Durchflussgeschwindigkeit ungültig sein könnte.

19. Elektromagnetisches Strömungs- bzw. Durchflussmessgerät nach Anspruch 17 oder 18, das Mittel enthält, die ausgelegt sind, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, das angibt, dass ein Rohr, für das gerade die durch das Rohr fließende Strömung gemessen wird, leer oder teilweise leer sein könnte.

20. Elektromagnetisches Strömungs- bzw. Durchflussmessgerät nach Anspruch 17, 18 oder 19, das ausgelegt ist, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das auf die Detektion einer Impedanz hin, die angibt, dass das Rohr leer ist, eine Strömung bzw. einen Durchfluss von Null angibt.

21. Verfahren, um Messungen einer Strömung und einer Elektrodenimpedanz in einem elektromagnetischen Strömungs- bzw. Durchflussmessgerät zu erhalten, das Felderzeugungsspulen und Potentialsensorelektroden aufweist, bei welchem Verfahren ein Signal mit einer im wesentlichen linearen Spannungsrampe an einen Kondensator angelegt wird, der mit einer der Durchflusssensorelektroden verbunden ist, um einen im wesentlichen konstanten Strom zu erzeugen, bei dem eine Messgröße einer Impedanz dadurch abgeleitet wird, dass das Potential, das sich über die Elektroden entwickelt, während der konstante Strom fließt, mit dem Potential verglichen wird, das sich über die Elektroden entwickelt, wenn keine Strom oder ein anderer Strom fließt, und bei dem eine Messgröße der Strömung aus dem Potential, das sich über die Elektroden entwickelt, wenn kein Strom fließt, oder basierend auf einer Mehrzahl von Potentialwerten abgeleitet wird, die bei einer Mehrzahl von verschiedenen Werten des im wesentlichen konstanten Stroms gemessen werden.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem zum Erhalten der Messgrößen der Strömung und der Impedanz ein gepulstes magnetisches Feld an die Strömung während des Anlegens des im wesentlichen konstanten elektrischen Stroms angelegt wird und aufeinanderfolgende erste, zweite bzw. dritte Werte für das Elektrodenpotential vor, während bzw. nach dem Anlegen des gepulsten magnetischen Feldes erhalten werden, und zwar sämtliche während des Anlegens des im wesentlichen konstanten Elektrodenstroms.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem magnetische Pulse von wechselnder Polarität eingesetzt werden.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei dem eine Mehrzahl von Werten des im wesentlichen konstanten Stroms eingesetzt werden, einschließlich von Strömen von wechselnder Polarität.