DE10344649B4

DE10344649B4 - Kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser

Info

Publication number: DE10344649B4
Application number: DE10344649A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Nakatani; Tatsuya Kimura; Yoshito Sameda; Takuya Iijima; Takashi Higuchi; Makoto Futoo; Hiroaki Nojiri; Kiyonori Nishikawa; Toshihiko Okamoto
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: US6802223B2; DE10344649A1; CA2442231A1; CA2442231C; US20040123670A1; KR100564978B1; KR20040027386A; JP2004226394A; JP4303039B2

Abstract

Kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser mit:
einem Messrohr, hergestellt aus einem Isoliermaterial, durch das ein zu messendes Fluid fließt;
zwei Erregerspulen, die jeweils auf einem Magnetpol gewickelt und am Umfang des Messrohrs gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sie Fluss in einer Richtung senkrecht zur Rohrachse des Messrohrs liefern;
einem Paar von Flächenelektroden, die am Umfang der äußeren Wand des Messrohrs jeweils senkrecht zur Richtung des Flusses und der Rohrachse des Messrohrs gegenüberliegend angeordnet sind;
Schutzelektroden, die angeordnet sind, um die Flächenelektroden abzudecken, wobei ein vorbestimmter Abstand zu den Flächenelektroden aufrechterhalten wird;
einem Erregerkreis, der einen Erregerstrom mit einer Frequenz von mindestens einer handelsüblichen verfügbaren Frequenz an die Erregerspule liefert;
Vorverstärkern, die über Kabel mit den Flächenelektroden und den Schutzelektroden verbunden sind;
einer Signalverarbeitungseinheit, die eine Strömungsrate des zu messenden Fluids von Ausgangssignalen der Vorverstärker ausgibt;
einem zylindrischen Joch, das einen geschlossenen Magnetkreis eines Erregermagnetfelds bildet...

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Anmeldungen mit den Nummern JP 2002-278426 , eingereicht am 25. September 2002, JP 2002-346918 , eingereicht am 29. November 2002 und JP 2003-169705 , eingereicht am 13. Juni 2003, wobei deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Strömungsmesser, der die Strömungsrate eines zu messenden Fluids misst, das durch ein Messrohr fließt, und bezieht sich insbesondere auf einen kapazitiven elektromagnetischen Strömungsmesser.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Es gibt zwei Arten von elektromagnetischen Strömungsmessern, nämlich den elektromagnetischen Strömungsmesser vom Typ mit Fluid-kontaktierenden Elektroden, bei dem eine Elektrode mit dem zu messenden Fluid direkt in Kontakt ist und die in dem zu messenden Fluid erzeugte elektromotorische Kraft (hier nachstehend die EMK genannt) direkt erfasst wird, und den elektromagnetischen Strömungsmesser vom Typ mit Fluid-kontaktfreien Elektroden (hier nachstehend ein kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser genannt), bei dem die Elektrode mit dem zu messenden Fluid nicht direkt in Kontakt ist und bei dem die in dem zu messenden Fluid erzeugte EMK durch die elektrostatische Kapazität zwischen dem zu messenden Fluid und den Elektroden erfasst wird.
Außerdem wird von einem elektromagnetischen Strömungsmesser gefordert, dass ein stabiles Strömungsratensignal erhalten wird, aus dem der Effekt des Rauschens entfernt wurde. Dieses Rauschen weist jedoch verschiedene Ursachen auf, sodass eine große Anzahl von Arten von elektromagnetischen Strömungsmessern abhängig von den unterschiedlichen Mitteln existieren, die verwendet werden, um eine derartige Entfernung zu bewirken (siehe beispielsweise die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. H. 8-304132 (als Patentreferenz 1 bezeichnet)).
Verschiedene Arten von Antirauschmaßnahmen sind bekannt, die nachfolgend entwickelt wurden, um den bei dieser Patentreferenz 1 offenbarten kapazitiven elektromagnetischen Strömungsmesser zu verbessern (beispielsweise die offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2001-116598 (hier als Patentbezug 2 genannt)). Deren Aufbau und Wirkung werden mit Bezug auf 1 bis 3 beschrieben.
Zuallererst wird deren Aufbau mit Bezug auf 1 beschrieben. Wie es in dieser Figur gezeigt ist, umfasst dieser kapazitive elektromagnetische Strömungsmesser eine Erfassungseinheit 10 und eine Signalverarbeitungseinheit 11, die verwendet wird, um die Strömungsrate aus dem erfassten Signal e zu finden, das von der Erfassungseinheit 10 erfasst wurde.
Die Erfassungseinheit 10 legt ein Magnetfeld (magnetic flux) durch Bilden eines nicht gezeigten geschlossenen Magnetkreises (return magnetic circuit) mit Bezug auf das zu messende Fluid 2 an, indem ein Erregerstrom i_F von einem Erregerkreis 8 zu Erregerspulen 3A, 3B geleitet wird, die um Magnetpole 7 gewickelt sind, die an der äußeren Wand des Messrohrs 1 gegenüberliegend angeordnet sind, das aus einer isolierenden Substanz hergestellt ist und durch das das zu messende Fluid 2 strömt.
Verstärker 6A, 6B werden verwendet, um die oben erwähnte EMK proportional zu der Strömungsrate des zu messenden Fluids 2 zu verstärken, mittels der elektrostatische Kapazität zwischen einem Paar von Flächenelektroden 4A, 4B, die gegenüberliegend der äußeren Wand des Rohrs 1 angeordnet sind, wobei die Messung in einer Richtung senkrecht zu der Richtung dieses Magnetflusses und den Schutzelektroden 5A, 5B durchgeführt wird, und zwischen dem Messrohr 1 und den jeweiligen Flächenelektroden 4A, 4B, auf die oben Bezug genommen wird, und zwischen den Flächenelektroden 4A, 4B und Schutzelektroden 5A, 5B, die angeordnet sind, um die Flächenelektroden 4A, 4B abzudecken, und wobei außerdem ein Differenzverstärker (oder Differentiationsverstärker) 6C die Differenz e_AB der jeweiligen Signalen von den Verstärkern 6A, 6B verstärkt, wodurch eine Erfassung des Erfassungssignals e durchgeführt wird.
Als nächstes wird eine Strömungsratenmessung durch Leiten dieses Erfassungssignals e zu einer Signalverarbeitungseinheit 11 durchgeführt, die Positionen verschieden von der Region des Anstiegs des Erfassungssignals e abtastet (genannt Differentiationsrauschen).
Bei diesem System ist die Impedanz zwischen den Flächenelektroden 4A, 4B und dem zu messenden Fluid 2 extrem hoch, sodass verschiedene Arten von Antirauschmaßnahmen in der Erfassungseinheit 10 vorgesehen sind.
Eine dieser Antirauschmaßnahmen betrifft Rauschen, das zwischen dem Flächenelektroden 4A, 4B induziert wird. Diese Antirauschmaßnahme beinhaltet das Halten der Schutzelektroden 5A, 5B auf dem gleichen Potential wie die Flächenelektroden 4A, 4B und das Entfernen von in der gleichen Phase zwischen den Flächenelektroden 4A und 4B induziertem Rauschen, durch Durchführen einer Verstärkung durch den Differenzverstärker 6C nach einer Impedanzumwandlung mittels der Verstärker 6A, 6B.
In dem Magnetflusskreis zwischen den Schutzelektroden 5A, 5B und den Erregerspulen 3A, 3B kann ebenfalls eine später zu beschreibende Dämpfungsfolie 7A, 7B angeordnet sein.
Außerdem wird eine Erdung einer derartigen Erfassungseinheit 10 durch Verbinden mit der Masse G erzielt, indem die Erde E eines Metallrohrgehäuses, das durch Flüssigkeit mit dem Umfang verbunden ist, mit dem nicht gezeigten Messrohr 1 und einem gemeinsamen Erdpotential C der Schaltung verbunden wird.
Rauschen, genannt Differentiationsrauschen, wie es oben beschrieben ist, wird auf dem Erfassungssignal e eines auf diese Art und Weise aufgebauten kapazitiven elektromagnetischen Strömungsmessers überlagert.
Dieses Rauschen wird in der zwischen den beiden Flächenelektroden 4A, 4B und dem Verstärker 6A, 6B gebildeten Erfassungsschleife durch Induktion aufgrund der elektromagnetischen Kopplung mit dem Erregermagnetfluss und der Differenz der Potentialfluktuationen zwischen den beiden Massepunkten G und den jeweiligen Flächenelektroden 4A, 4B induziert, die auftreten, wenn der fluktuierende Erregermagnetfluss auf den ansteigenden Abschnitt des Erfassungssignals e als Rauschen überlagert wird.
Die Einzelheiten davon werden mittels 2A, 2B, 2C, 2D und 2E beschrieben. Wenn ein Rechteck-Erregerstrom i_F, wie er in 2A gezeigt ist, in den Erregerspulen 3A, 3B fließt, zeigt der ansteigende Abschnitt des Erregermagnetflusses Φ einen Signalverlauf, dessen Kennlinie durch die Ansprechzeitkonstante der diamagnetischen Feldwirkung in dem Erregermagnetkreis, wie es in 2C gezeigt ist, durch den Wirbelstrom i_E der, wie in 2B gezeigt, in dem Erregermagnetflusspfad erzeugt wird, etwas abgeschwächt wird.
Aufgrund dieser Änderungen des Erregermagnetflusses Φ wird Rauschen in Differenzialform, d. h. Differentiationsrauschen auf dem ansteigenden Abschnitt des Erfassungssignals e, wie es oben beschrieben ist, wie bei dem Abschnitt N_d in 2D, überlagert.
Es ist daher notwendig, dass der Aufbau innerhalb des Detektors 10 eingerichtet und angeordnet wird, sodass der in dem Erregermagnetkreis erzeugte Wirbelstrom i_E auf einem Minimum gehalten wird.
Um die stabile Komponente des Strömungsratensignals zu erfassen, wie es in 2E gezeigt ist, wird die gefundene Strömungsrate ebenfalls durch Abtasten mit dem Timing eines Abtastsignals S_p gefunden, bei dem der Wert des Differentiationsrauschens klein ist.
Neben dem oben beschriebenen Differentiationsrauschen wird ein Niederfrequenzrauschen, genannt „Fluidrauschen", auf dem Erfassungssignal e überlagert. Es wird gefolgert, das der Mechanismus der Erzeugung dieses Fluidrauschens darin besteht, dass Niederfrequenzpotentialfluktuationen in dem zu messenden Fluid 2 aufgrund unregelmäßiger Bewegungen der Ionen, die von dem zu messenden Fluid 2 transportiert werden, erzeugt werden. Ein derartiges Fluidrauschen nimmt zu, wenn die Strömungsrate des zu messenden Fluids 2 schneller wird.
Um dieses Fluidrauschen und die EMK zu trennen, die proportional der Strömungsrate ist, wird die Frequenz des Erregerstroms höher als die Frequenz des handelsüblichen Leistungsversorgung (oder handelsüblichen Frequenz) gemacht, und der Erregerkreis wird derart eingestellt, dass der Flusssignalverlauf in einer kurzen Zeit einschwingt.
Da die Induktivität der Erregerspulen 3A, 3B eine Kennlinie mit einem Resonanzpunkt in der hohen Frequenzregion in der Nachbarschaft von 50 kHz aufweist, tritt jedoch das Phänomen der Schwingung des Erregerstroms i_F, wie es in 3 gezeigt ist, immer noch auf, obwohl der Erregerstrom i_F mit hoher Frequenz gesteuert wird.
Aus diesem Grund werden dünne leitende Bahnen, genannt Dämpfungsfolien 7A, 7B, zwischen den Erregerspulen 3A, 3B und den Schutzelektroden 5A, 5B vorgesehen, um den Resonanzpunkt der Schwingung zu eliminieren.
Wie es oben beschrieben ist, wird bei einem herkömmlichen kapazitiven elektromagnetischen Strömungsmesser die Erregerfrequenz des Erregerstroms höher als die handelsüblich gelieferte Frequenz gemacht, um die Wirkung von Fluidrauschen zu vermeiden, und eine Dämpfungsfolie wird in dem Flusspfad bereitgestellt, um die Schwingung des Erregerstroms zu unterdrücken, die durch dieses Anheben der Erregerfrequenz erzeugt wird.
Da eine derartige Dämpfungsfolie existiert und in dem Flusspfad angeordnet ist, kann jedoch die Erzeugung von Wirbelströmen nicht vermieden werden, und das Problem entsteht, das Fluktuationen des Potentials auf der Dämpfungsfolie wegen der elektrostatischen Kopplung mit den Erregerspulen als Rauschen erfasst werden. Es gab daher zusätzlich die Nachteile, dass der Aufbau wegen der Notwendigkeit von Antirauschmaßnahmen kompliziert wurde, wie beispielsweise die Anforderung zum Vorsehen von Maßnahmen, wie beispielsweise eine Anordnung einer Isolierschicht zwischen den Schutzelektroden und der Dämpfungsfolie.
Wie es oben beschrieben ist, muss, da die Ausgangsimpedanz von den Flächenelektroden extrem hoch ist, die Eingangsimpedanz des Verstärkers ebenfalls einen hohen Wert von der Größenordnung einiger GΩ aufweisen. Geringfügige Änderungen in den Isoliereigenschaften dieses Abschnitts erzeugen Messfehler, sodass das Innere des Messrohrs um die Flächenelektroden und die Schutzelektroden mit Epoxidharz gefüllt wurde, mit dem Ziel, jede Abnahme der Isolierung zu verhindern.
Wenn das Verfahren angenommen wurde, diese Komponenten durch Packen mit Epoxidharz zu befestigen, wurde jedoch mechanische Spannung zwischen den Flächenelektroden und den Schutzelektroden erzeugt, wenn sich dieses erwärmte Harz zusammenzog, was Risse mit dem Risiko einer Abnahme der Isolierung verursachte. Da die Flächenelektroden und die Schutzelektroden groß waren, wurden außerdem, wenn eine mechanische Schwingung der gesamten Erfassungseinheit durch das durch das Innere während der Messung fließende Fluid erzeugt wurde, Unterschiede in der Ausgangsimpedanz der beiden Flächenelektroden erzeugt, was zu der Erzeugung von Induktionsrauschen führte. Reibungsrauschen wurde ebenfalls durch die Schwingung des Signalkabels erzeugt.
JP08271304A und DE3501768A1 zeigen jeweils elektromagnetische Strömungsmesser mit einem isolierten Messrohr, einer Erregerspule, einem Paar von Flächenelektroden sowie Schutzelektroden. Darüber hinaus wird auch ein zylindrisches Joch und eine Spulenbefestigungsplatte sowie ein Erdungsring mit zugehörigem Metallrohr offenbart. Insbesondere zeigt die DE3501768A1 ein zylindrisches Joch, wobei dieses an beiden Enden jeweils eine linienförmige Aussparung parallel zur Rohrachse aufweist. Die Aussparung dient zur Reduzierung von Wirbelströmen.
Weiterer relevante Stand de Technik ist in EP0763716A2 , DE3704413A1 , JP07120282A , US4631969 und JP05172600A gezeigt. Unter anderem wird die Verwendung eines Filters im Erregerstromkreis sowie das Verhältnis der elektrostatischen Kapazitäten zwischen den Flächenelektroden und den Schutzelektroden einerseits und zwischen dem zu messenden Fluid- und der Flächenelektrode andererseits offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
Dem gemäß besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen neuartigen stabilen, kapazitiven elektromagnetischen Strömungsmesser bereitzustellen, der durch Differentiationsrauschen (elektromagnetisches Induktionsrauschen) oder elektrostatisches Induktionsrauschen oder Reibungsrauschen sowie durch Fluidrauschen kaum beeinflusst wird, und der eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Schwingung und Feuchtigkeit aufweist, um dadurch die durch den diamagnetischen Effekt in den Flusspfad erzeugten Probleme größtmöglichst zu verringern.
Die oben genannte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüchen beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung und vieler ihrer Vorteile werden ohne weiteres erhalten, wenn diese mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung und betrachtet in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstanden wird, in denen zeigen:
1 ein Layout-Diagramm des Stands der Technik;
2A, 2B, 2C, 2D und 2E Diagramme, die den Betrieb des Stands der Technik zeigen;
3 ein Diagramm, das die Wirkung des Stands der Technik zeigt;
4 ein Layout-Diagramm, das eine Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5 eine Seitenansicht einer Erfassungseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
6 eine Querschnittsansicht der Erfassungseinheit gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
7 ein Diagramm der Prinzipien der Erfindung;
8 ein Diagramm der Prinzipien der Erfindung;
9A und 9B Diagramme der Kennlinien eines Erregerkreises gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
10A, 10B, 10C, 10D, 10E und 10F Diagramme der Wirkung eines Erregerkreises gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
11 ein Diagramm, das zur Erläuterung von Fluidrauschen angegeben wird;
12 ein Modelldiagramm einer Erfassungsschaltung zwischen den Flächenelektroden und den Schutzelektroden gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
13A und 13B Diagramme der Form der Flächenelektroden gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
14 eine Seitenansicht einer Erfassungseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
15 eine Querschnittsansicht der Erfassungseinheit gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
16A und 16B erfindungsgemäße Layout-Diagramme von Flächenelektroden und Schutzelektroden;
17A und 17B Diagramme, die den Aufbau eines geschlossenen Magnetkreises gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
18A und 18B Diagramme eines Verfahrens zum Einstellen eines geschlossenen Magnetkreises gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung;
19A und 19B Diagramme der nützlichen Wirkung der dritten Ausführungsform der Erfindung;
20 ein Diagramm der Einstellung der Erregerfrequenz der dritten Ausführungsform der Erfindung;
21A, 21B und 21C Konstruktionsansichten der Flächenelektroden und Schutzelektroden.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
(Erste Ausführungsform)
In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern identische oder entsprechende Teile in allen verschiedenen Ansichten bezeichne, und genauer gesagt in 4 bis 13 ist eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Zuallererst wird das Layout einer Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 4 bis 6 beschrieben. Der kapazitive elektrostatische Strömungsmesser der ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Erfassungseinheit 10, der die Fluidströmungsrate erfasst, eine Signalverarbeitungseinheit 10, die ein Strömungsratensignal aus dem Erfassungssignal dieser Erfassungseinheit 10 findet, und einen Erregerkreis 8, der einen Erregerstrom an eine Erregerspule in der Erfassungseinheit 10 liefert.
5 ist eine Seitenquerschnittsansicht der Erfassungseinheit 10. 6 ist eine Querschnittsansicht der Erfassungseinheit 10. Der Erregerkreis 8 und die Signalverarbeitungseinheit 11 sind einstückig ausgebildet und zusammen mit einer Vorverstärker 6 in einer Box oben auf der Erfassungseinheit 10 untergebracht, wie es in 5 und 6 gezeigt ist.
Eine getrennte Art von Vorrichtung würde ebenfalls möglich sein, wobei diese dann getrennt angeordnet sind.
In diesen Figuren ist 1 ein Messrohr, das aus einem Isolator, wie beispielsweise Keramik, hergestellt ist. Erregerspulen 3A und 3B, die auf einem Magnetpol 7 gewickelt sind, sind entgegengesetzt an der Peripherie des Messrohrs 10 angeordnet und in Reihe geschaltet.
Die Erregerspulen 3A und 3B werden eingestellt und angeordnet, sodass mittels einesmit dem Messrohr 1 koaxialen und an dem Umfang der Erregerspulen 3A, 3B angeordneten, zylindrischen Joches 71 Fluss in der Richtung senkrecht zu der Rohrachsenrichtung des Messrohrs 1 geliefert wird.
4A und 4B sind Flächenelektroden, die aus einem nicht magnetischen Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise einem Kupferblech, hergestellt und entgegengesetzt an dem Umfang des Messrohrs 1 angeordnet sind, sodass die ihre Mitten verbindende Achse senkrecht sowohl zu der Richtung des Magnetfelds des Erregerflusses als auch zu der Achse des Rohrs, durch das das zu messende Fluid 2 strömt, angeordnet ist. Die Schutzelektroden 5A, 5B sind ebenfalls fest an Ort und Stelle eingestellt, um eine elektrostatische Kapazität unter einem vorgeschriebenen Wert zu präsentieren, wie es beschrieben wird, um die jeweiligen Flächenelektroden 4A und 4B vollständig abzudecken, und wobei der Abstand zwischen den Flächenelektroden 4A, 4B und den jeweiligen Schutzelektroden 5A, 5B festgelegt ist.
Die Spulenbefestigungsplatten 9A, 9B sind aus Metallblech aufgebaut, das aus einem nicht magnetischen Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit hergestellt ist, wie beispielsweise Kupferblech, und decken die Erregerspulen 3A und 3B vollständig ab; sie sind fest und elektrisch mit dem zylindrischen Joch 71 verbunden.
1A1 und 1A2 sind Erdungsringe, die Flansche bilden, die an beiden Enden des Messrohrs vorgesehen sind, wobei beide Enden eines Metallrohrs 1B und das oben erwähnte zylindrische Joch 71 daran befestigt sind.
Außerdem sind Erdanschlüsse E an den Erdungsringen 1A1, 1A2 vorgesehen, die mit einem gemeinsamen Erdungspunkt C der Schaltung verbunden sind, verbunden, wobei ein Massepunkt G auf einem stabilen Potential ausgewählt wird.
10A und 10B sind Signalkabel, die als doppelt abgeschirmte Kabel ausgebildet sind, die durch Abdecken eines Kerndrahtes, Bereitstellen einer Abschirmung an den Umfang dieses Kerndrahtes und einer Schutzabschirmung mit Isolator aufgebaut sind. Die Kerndrähte dieser Signalkabel 10A, 10B sind jeweils mit Flächenelektroden 4A, 4B und ihre Abschirmungen sind mit den Schutzelektroden 5A, 5B und ihre Schutzschilder sind mit der gemeinsamen Erde C der Schaltung verbunden. Diese Signalkabel 10A und 10B sind befestigt, wobei sie einen vorgeschriebenen Abstand durch Anordnen eines nicht gezeigten isolierenden Abstandshalters entlang des Umfangs des zylindrischen Joches 71 beibehalten, und sind mit dem Verstärkern 6A, 6B des Vorverstärkers 6 durch einen elektrischen Leitungsdurchgang verbunden, der in dem Metallrohr 1B vorgesehen ist.
Ausführlicher gesagt sind diese Signalkabel mit dem Vorverstärker 6 dadurch verbunden, dass sie in der gleichen Ebene wie die Richtung des oben beschriebenen Erregermagnetfelds laufen, an festen Intervallen mit einem Isolator befestigt sind, der entlang des Umfangs des oben beschriebenen zylindrischen Joches 71, dazwischen angeordnet ist und wobei sie in rechten Winkeln das zylindrische Joch 71 schneiden.
Der Kerndraht, die Abschirmung und die Schutzabschirmung, die die Signalkabel 10A, 10B bilden, sind alle aus einem nicht magnetischen Material einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt.
Die Flächenelektroden 4A, 4B und die Schutzelektroden 5A, 5B sind jeweils mit dem nicht invertierenden Eingang, dem invertierenden Eingang und Ausgang jeweiliger Verstärker 6A, 6B verbunden, und die Differenz der Ausgänge der jeweiligen Verstärker 6A, 6B wird durch einen Differenzverstärker 6C verstärkt, um ein Erfassungssignal e zu liefern, das mit einer Analog/Digitalwandlerschaltung (hier nachstehend ADC-Schaltung) 11A der Signalverarbeitungseinheit 11 verbunden ist.
Das Erfassungssignal e wird in dieser ADC-Schaltung 11A in ein Digitalsignal umgewandelt, wobei dann deren Ausgabe an eine Strömungsratenmessverarbeitungsschaltung 11B gesendet wird, wo sie verarbeitet wird, um sie in ein Strömungsratensignal umzuwandeln.
In dem Erregerkreis 8 wird ein Rechtecksignal von 300 Hz mittels eines Rechteckgenerators 8A erzeugt, und dieses Signal wird an ein Charakteristik-Korrekturfilter 8B geliefert. Nach der Korrekturverarbeitung der Verstärkungsfrequenzkennlinie, um einen flachen Abschnitt in dem Erregerflusssignalverlauf aufzuweisen, wie es später beschrieben wird, wird bei diesem Charakteristik-Korrekturfilter 8B die Ausgabe dieses Charakteristik-Korrekturfilters 8B als ein Erregerstrom i_F an die oben erwähnten Erregerspulen 3A, 3B durch einen Stromsteuerverstärker 8C geliefert.
Als nächstes werden weitere Einzelheiten der Einstellung und der Wirkung verschiedener Einheiten des erfindungsgemäßen kapazitiven elektromagnetischen Strömungsmessers, der auf dieses Art und Weise eingerichtet ist, beschrieben.
Zuallererst sind 7 und 8 Ansichten, die als Erläuterung der Prinzipien der Messung eines erfindungsgemäßen kapazitiven elektrostatischen Strömungsmessers angegeben werden. 7 ist eine Ansicht, die in Erläuterung der Prinzipien der Erfassung angegeben wird, und sie ist ein Modelldiagramm, das zeigt, wie eine EMK erzeugt wird, die proportional zu der Strömungsrate zwischen den Flächenelektroden 4A und 4B ist, wobei die zentrale Achse, die die Flächenelektroden 4A und 4B der Seitenfläche des Messrohrs 1 verbindet, als die x-Achse gekennzeichnet wird, die axiale Richtung des Erregerflusses Φ in rechten Winkeln zu dieser als die y-Achse gekennzeichnet wird, und die axiale Richtung des Rohrs, durch das sich das Fluid bewegt, als die z-Achse gekennzeichnet wird.
Um einen stabilen kapazitiven elektromagnetischen Strömungsmesser mit hoher Genauigkeit zu erhalten, sind verschieden Antirauschmaßnahmen notwendig, wie es oben beschrieben ist. Zuallererst sind als derartige Antirauschmaßnahmen, wie es bei dem Beispiel des Stands der Technik beschrieben ist, Maßnahmen hinsichtlich des durch elektromagnetische Induktion erzeugten Differentiationsrauschens, des in dem Fluid erzeugten Fluidrauschens und des durch die elektromagnetische Kopplung und die elektrostatische Kopplung in der Erfassungseinheit 10 erzeugten Induktionsrauschens, das in der die EMK erfassende Erfassungseinheit induziert wurde, erforderlich.
In 7 wird, um die Wirkungen des Differentiationsrauschens und des Fluidrauschens zu vermeiden, ein Erregerfluss Φ hoher Frequenz mit einem idealen flachen Abschnitt, der später ausführlich zu beschreiben ist, angelegt, und die verschiedenen Abschnitte sind ausgestaltet, sodass eine genaue Trennung und Extrahierung nur der Strömungsratensignalkomponente erreicht wird, indem die Wirbelstromerzeugungselementkomponente des Magnetflusskreises, die den Signalverlauf des Erregerflusses Φ stört, größtmöglichst verringert wird und senkrecht diesen Erregermagnetfluss Φ schneidet, und wobei größtmöglichst das Rauschen verringert wird, das in der Erfassungsschleife induziert wird, die durch die Erfassungselektroden gebildet ist, die von den Flächenelektroden 4A, 4B und den Schutzelektroden 5A, 5B (hier nachstehend als Erfassungselektroden bezeichnet) und dem Vorverstärker 6 gebildet sind.
Folglich werden bei der durch die Flächenelektroden 4A, 4B und dem Vorverstärker 6 gebildeten Erfassungsschleife, wie es in 8 gezeigt ist, die Signalkabel 10A, 10B angeordnet, um durch elektromagnetische Koppelung induziertes Rauschen zu entfernen, indem der schraffiert gezeigte Bereich S verringert und der Fluss, der diese Erfassungsschleife schneidet, so klein wie möglich gemacht wird, indem Vorkehrungen getroffen werden, das diese in einer Ebene gebildet wird, die parallel zu dem Erregerfluss Φ ist.
Mit einer Erfassungseinheit 10, wie es in 5 und in 6 gezeigt ist, wird Rauschen, das gleichphasig induziert wird, von dem Differenzverstärker 6E entfernt, indem ein Aufbau angenommen wird, der sowohl hinsichtlich elektrostatische Aspekte als auch elektromagnetischer Aspekte elektrisch symmetrisch ist, sodass die Flächenelektroden 4A und 4B jeweils auf dem gleichen Potential in Bezug auf Masse G sind.
Während die EMK des Fluids auf einem Millivoltpegel ist, wird außerdem, da der durch die Erregerspulen 3A, 3B dargestellte Abschnitt ein Hochpotentialpegel von mehreren zehn Volt ist, das von der Induktion des Signals von dem Erregerkreis in die Flächenelektroden 4A und 4B und den Schutzelektroden 5A, 5B durch elektrostatische Leitung resultierende Rauschen durch Abdecken der Erregerspulen 3A, 3B ohne eine Lücke mittels der Spulenbefestigungsplatten 9A, 9B abgeschirmt, die aus einem nicht magnetischen Material, wie beispielsweise Kupfer gebildet sind und mit Masse G durch das zylindrische Joch 71 und die Erdungsringe 1A1, 1A2 verbunden sind.
Auf diese Art und Weise wird ein symmetrischer Aufbau erreicht, sodass das Rauschen, das in den beiden Flächenelektroden 4A, 4B und den Schutzelektroden 5A, 5B induziert wird, minimal ist und eine gleiche Phase und gleichen Pegel aufweist, und wobei die Erdungsringe 1A1, 1A2 mit einer stabilen Masse G verbunden sind.
Da die Metallelemente in dem Magnetflusskreis des Erregerflusses Φ, außer den Magnetpolen 7 und dem zylindrischen Joch 71, die den geschlossenen Magnetkreis bilden, ebenfalls aus nicht magnetischen Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt sind, um die Erzeugung von Wirbelströmen zu unterdrücken, ist die Anordnung derart, dass durch Wirbelströme erzeugte Flusskomponenten soweit wie möglich nicht erzeugt werden.
Außerdem werden die verschiedenen Grundkomponenten und Elemente, die die Erfassungseinheit bilden, auf eine derartige Weise befestigt, dass ihre Einstellbedingungen nicht durch Schwingung oder Feuchtigkeit geändert werden.
Die Einrichtung der verschiedenen Einheiten ist in Übereinstimmung mit den obigen Konzepten.
Die ausführliche Einstellung und die Wirkung des Erregerstroms i_F wird nun mit Bezug auf 9 bis 11 und mit Bezug auf die ausführliche Einstellung der verschiedenen Einheiten basierend auf den obigen Konzepten beschrieben.
Zuerst wird die Frequenz dieses Erregerstroms i_F auf eine hohe Frequenz eingestellt, bei der die Menge des Fluidrauschens klein ist, was zur Unterscheidung von dem Fluidrauschen nützlich ist. Die Gründe dafür werden mit Bezug auf 11 beschrieben.
11 zeigt ein Beispiel der Messergebnisse des oben beschriebenen Fluidrauschens, wobei die Frequenz entlang der horizontalen Achse und die Rauschleistung dBm entlang der vertikalen Achse gezeigt sind; wobei die Kennlinien bei Strömungsraten von 2,5 m/s und von 0,5 m/s sind.
Wie es in dieser Figur gezeigt ist, steigt das Fluidrauschen typischerweise an, wenn die Strömungsrate des zu messenden Fluids 2 ansteigt.
Ungeachtet der Strömungsrate des zu messenden Fluids 2 neigt jedoch die Frequenz dazu, ab etwa 10 Hz abgeschwächt zu werden, wobei die Rauschleistung dazu neigt, auf einen Pegel von –70 dB in der Nachbarschaft von 200 Hz zu konvergieren.
Die Erregerfrequenz wird daher von dem Rechteckgenerator 8A auf eine Schwingungsfrequenz von mindestens 200 Hz, nämlich oberhalb der die handelsüblich zugeführten Frequenz, eingestellt, bei der die von der Strömungsrate des zu messenden Fluids 2 erzeugte EMK einen hohen Rauschabstand aufweist, der durch Fluidrauschen nicht beeinflusst wird; wobei dieser Wert beispielsweise auf 300 Hz eingestellt werden kann.
Als nächstes wird die ausführliche Einstellung der Korrektur des Signalverlaufs des von dem Erregerstroms i_F erzeugten Erregerflusses Φ mit Bezug auf 9 und 10 beschrieben. Deren Aufgabe ist es, wie es bereits beschrieben wurde, einen früheren Anstieg des Erregerflusses Φ zu erreichen, wodurch ein früherer Anstieg des in dem Erfassungssignal e enthaltenen Differentiationsrauschens und ebenfalls der Einschwingzeit erreicht wird.
Wie es in 9A gezeigt ist, weist der Erregerstrom i_F typischerweise eine Verstärkungsfrequenzkennlinie einer Verzögerungsschaltung der ersten Ordnung auf, bei der der Erregerstrom i_F von der Nachbarschaft der Grundfrequenz (f₀) des Erregermagnetfelds ab gedämpft wird. Der von dem Erregerstrom i_F erzeugte Erregerfluss Φ weist daher ebenfalls einen Signalverlauf auf, der dies verfolgt.
Daraufhin wird, wie es in 9B gezeigt ist, dieser Erregerstrom i_F durch den Stromsteuerverstärker 8C geliefert, wobei ein Signalverlauf des Erregerstroms i_F mit einer Differentiationskennlinie, bei der der ansteigende Abschnitt der Erregersignalverlaufs Φ durch das Charakteristik-Korrekturfilter 8B mit einer hohen Bandpasskennlinie steil ansteigt, bei dem die Verstärkungsfrequenzkennlinie des Erregerstroms mit den harmonischen Komponenten der Grundfrequenz (f₀) des Erregermagnetfelds flach ist.
Dieses Charakteristik-Korrekturfilter 8B ist eine Hochbandfilterschaltung mit einer Kennlinie, wie sie in 9B gezeigt ist, die einen Erregerstrom i_F mit einem Signalverlauf mit einer Verstärkungsfrequenzkennlinie erzeugt, der beispielsweise bis zu dem Frequenzband der dritten Oberwelle (f₃), die eine Frequenz des Dreifachen der Grundfrequenz (f₀) des Erregermagnetfelds aufweist, flach ist.
Wenn die Korrektur von Oberwellen höherer Ordnung beispielsweise der Komponente der fünften Oberwelle (f₅) notwendig ist, wird das Charakteristik-Korrekturfilter 8B auf eine Verstärkungsfrequenzkennlinie eingestellt, die bis zu der Frequenzregion der höheren Ordnung flach ist.
10 ist eine Ansicht, die zur Erläuterung der Aktion und der Wirkung des Erregerstroms und des Erregerflusssignalverlaufes angegeben wird, wenn dieses Korrekturfilter 8B benutzt wird. 10A, 10B und 10C zeigen den Fall des Stands der Technik, wenn kein Charakteristik-Korrekturfilter 8A benutzt wird; 10D, 10E und 10F zeigen den Fall, bei dem das Charakteristik-Korrekturfilter 8B benutzt wird.
Bei dieser Figur zeigen 10A und 10B den Erregerfluss Φ, 10B und 10E zeigen das Erfassungssignal e und 10C und 10F zeigen das Abtastsignal S_P des Erfassungssignals e. Die kontinuierliche Linie in 10B und 10E zeigt den Fall, bei dem das zu messende Fluid 2 stationär ist, und die gestrichelte Linie zeigt den Signalverlauf des Erfassungssignals e, wenn das zu messende Fluid fließt.
Wie es in diesen Figuren gezeigt ist, ist der Anstieg des Erregerflusses Φ abgestumpft, wie es in 10A gezeigt ist, wobei der Anstieg, wie es in 10D gezeigt ist, durch Formen des Erregerstromsignalverlaufes durch das Charakteristik-Korrekturfilter 8B beschleunigt wird.
Als Ergebnis wird das Differentiationsrauschen, das in dem in dieser 10B gezeigten Erfassungssignal e enthalten ist, verbessert, sodass eine Konvergenz in einer kurzen Zeit stattfindet, wie es in dieser 10E gezeigt ist. Folglich kann mit der Zeitsteuerung des Abtastsignals S_P eine stabile hochgenaue Strömungsratenmessung erreicht werden, da nur die Strömungsratenkomponente, die von den Differentiationsrauschen nicht beeinflusst wird, extrahiert werden kann.
Hinsichtlich der Kennlinie dieses Charakteristik-Korrekturfilters 8B kann eine optimale Antwortkennlinie des Erregerstroms durch Beobachten des Ausgangssignalverlaufs des Erregerflusses Φ oder des Signalverlaufes des Erfassungssignals e ausgewählt werden.
Als nächstes werden die Einzelheiten des Einstellens der elektrostatischen Kapazität zwischen den Flächenelektroden 4A, 4B und den Schutzelektroden 5A, 5B mittels 12, durch ein Modelldiagramm der Erfassungsschaltung einer der Flächenelektroden 4A und des Verstärkers 6A, beschrieben.
C1 ist die zwischen den Flächenelektroden 4A und dem zu messenden Fluid 2B, d. h. durch das Material des Messrohrs 1 gebildete elektrostatische Kapazität; wobei eine Seite mit der elektrischen Kapazität C2 zwischen den Flächenelektroden 4A und der Schutzelektrode 5A verbunden ist, während die andere Seite mit dem Massepotential G durch den Fluidwiderstand Rs des zu messenden Fluids 2 verbunden ist.
Außerdem wird der Verbindungspunkt der elektrostatischen Kapazitäten C1 und C2 mit dem Eingang des Verstärkers 6A und dessen Ausgang mit dem anderen Anschluss der elektrostatischen Kapazität C2 verbunden.
Wenn die Eingangsimpedanz des Verstärkers 6A ausreichend hoch ist, ist das Rauschen V_N, das auf die Schutzelektrode 5A und der Ausgabe v_A des Verstärkers 6A überlagert wird: vA = (1 + jω C1 Rs)·C2/C1·vN.
Folglich wird, wenn die elektrostatische Kapazität C2 zwischen der Flächenelektrode 4A und der Schutzelektrode 5A größer als die elektrostatische Kapazität C1 zwischen dem Flächenelektroden 4A und dem zu messenden Fluid 2 ist, das Rauschen, das auf die Schutzelektrode 5A überlagert wird, verstärkt.
Wenn beispielsweise das Messrohr 1 aus Keramik, Kunststoff oder dergleichen hergestellt ist, der eine kleinere dielektrische Konstante als Keramik aufweist, und zwischen der Flächenelektrode 4A und der Schutzelektrode 5A eingefügt wird, wird folglich zusätzlich der Abstand zwischen der Flächenelektrode 4A und der Schutzelektrode 5A größer als die Dicke des Messrohrs 1 eingestellt.
Wenn die dielektrische Konstante dieser Keramik als 9 und die dielektrische Konstante des Kunststoffs als 3 angenommen wird, wird, sogar wenn der Abstand zwischen der Flächenelektrode 4A und der Schutzelektrode 5A der gleiche wie derjenige des Messrohrs 1 ist, das Rauschen, das in der Schutzelektrode 5A induziert wird, oder das Rauschen, das in dem Verstärker 6A erzeugt wird, auf ein Drittel verringert.
Neben den oben beschriebenen elektrischen Rauscherzeugungsfaktoren wird Rauschen durch Wärme oder Schwingung der Erfassungseinheit 10 als Ganzes erzeugt. Ein Beispiel von Gegenmaßnahmen in dieser Hinsicht wird erneut mit Bezug auf die oben beschriebenen Konstruktionsdiagramme von 5 und 6 beschrieben.
Wenn es eine plötzliche Änderung in der Temperatur des Fluids des Messrohrs 1 gibt, erfahren der Klebstoff oder die tragenden Elemente zum Anbringen der Flächenelektroden 4A, 4B und der Schutzelektroden 5A, 4B eine Dehnungs-/Komprimierungskraft aufgrund des Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten, da diese aus einem Kupferblech oder dergleichen mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit gebildet und durch Packen mit Epoxidharz oder dergleichen befestigt werden, wobei sie in einem Aufbau, der einer Verformung aufgrund thermischer Verzerrung widersteht, mit Kunststoffen oder dergleichen angeordnet sind, wobei ein vorgeschriebenen Abstand aufrechterhalten wird, wie es oben beschrieben ist.
Diese Flächenelektroden 4A, 4B sind ebenfalls angeordnet, um die Erzeugung von Flusskomponenten in der y-Achsenrichtung soweit wie möglich zu unterdrücken, auf die oben Bezug genommen wird, in dem sie in einer Form hergestellt sind, so dass die Erzeugung von Wirbelströmen verhindert wird, wobei Schlitze eingefügt sind, wie es in 13 und insbesondere in 13B gezeigt ist.
Die Signalkabel 10A, 10B, auf die oben Bezug genommen wurde, werden ebenfalls mittels Klebstoff, wie beispielsweise Epoxidharz, und einem Isolator, der einen festgelegten Abstand aufrechterhält und dazwischen angeordnet ist, an dem Umfang des zylindrischen Joches 7 befestigt. Nicht magnetisches Material einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, wird für alle Kerndrähte, Abschirmungen und Schutzabschirmungen verwendet, sodass keine Schwingung erzeugt wird, sogar wenn das Erregermagnetfeld Φ periodisch schwankt, um es zu ermöglichen, Reibungsrauschen zu verhindern, das durch Reibung mit den jeweils zwischen diesen angeordneten Isolatoren erzeugt werden könnte.
(Zweite Ausführungsform)
Der Aspekt, bei der sich die zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform unterscheidet, besteht darin, dass, um einen Aufbau mit einer noch höheren Zuverlässigkeit der Erfassungseinheit 10 als beim Aufbau der ersten Ausführungsform zu erzeugen, der gesamte Hochimpedanzabschnitt von den Flächenelektroden 4A, 4B bis zu den Differenzverstärker 6 in einer kompakten Art und Weise befestigt wird, in dem er mit Isoliermaterial mit starken Isoliereigenschaften gepackt wird, um die Widerstandsfähigkeit gegen Schwingung und die Isolierung der Erfassungseinheit 10 als Ganzes zu verbessern.
Ein Aufbau wird somit erzielt, bei dem die Erzeugung von elektrischen Induktionsrauschen, das durch eine Änderung der Eingangsimpedanz der beiden Eingänge des Differenzverstärkers 6 induziert wird, und von Reibungsrauschen aufgrund von Reibung der Leitungen der Signalkabel 10A, 10B und des Isolators verhindert werden können.
Hier werden nachstehend Elementen des kapazitiven elektromagnetischen Strömungsmessers gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, die die gleichen wie in dem Fall der ersten Ausführungsform sind, die gleichen Bezugsziffern gegeben und ihre weitere Beschreibung wird weggelassen. Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf 14, 15, 16 und 4 beschrieben. 14 ist eine Seitenquerschnittsansicht der Erfassungseinheit 10, und 15 ist eine Querschnittsansicht der Erfassungseinheit. 16 ist ebenfalls eine Ansicht, die zur Erläuterung des Aufbaus der Flächenelektrode 4A und der Schutzelektrode 5A angegeben wird.
Zuallererst sind die Namen und Funktionen verschiedener Elemente die gleichen wie in dem Fall der ersten Ausführungsform, sodass die Beschreibung entsprechend abgekürzt ist, indem nur Differenzen zur ersten Ausführungsform beschrieben werden. In dem Kopfabschnitt 21, wo die Erfassungseinheit 10 und die Signalverarbeitungseinheit 11 gekoppelt sind, wird der Vorverstärker 6, der das Signal von der Erfassungselektroden verstärkt, getrennt von der ADC-Schaltung 11A und von der Strömungsratenmessschaltung 11B der Signalverarbeitungseinheit 11 der stromabwärtigen Stufe installiert.
Die Signalverarbeitungseinheit 11 kann innerhalb einer Box oben auf der Erfassungseinheit 10, wie es bei der ersten Ausführungsform beschrieben ist, oder in einem davon getrennten Gehäuse angeordnet sein.
Als nächstes wird der Aufbau der Erfassungselektroden mit Bezug auf 16A und 16B beschrieben. 16A ist eine Querschnittsansicht einer der Flächenelektroden 4A und der Schutzelektroden 5A; 16B ist eine Seitenansicht, die von der äußeren Richtung der Elektrodenachse x gesehen wird, die die Flächenelektroden 4A und 4B verbindet. Eine Metallplatte hoher elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise die aus Kupferblech oder dergleichen hergestellte Flächenelektrode 4A, wird an die Außenwand des aus Keramik oder dergleichen hergestellten Messrohrs 1 gesintert.
Außerdem ist eine Schutzelektrode 5A einer Form angeordnet, die sich weiter als die Elektrodenabmessung in der z-Achsenrichtung erstreckt, in der sich das zu messende Fluid 2 bewegt, um diese Flächenelektrode 4A abzudecken (die y-Achsenrichtung gibt die Richtung der Anlegung des Erregerflusses an).
Diese Schutzelektrode 5A ist aus einem Metallblech hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie die Flächenelektrode 4A geformt, und bildet betrachtet von der Richtung des x-y-Querschnittes von 16A in der Richtung der Rohrachse einen Hohlraum mit einer nach unten divergierenden Form. Wie es in 16B gezeigt ist, deckt diese Schutzelektrode 5A die Flächenelektrode 4A ab und ist angeordnet, um eine vorgeschriebene Lücke mit Bezug auf die Flächenelektrode 4A sicherzustellen. Wie es bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, ist die elektrostatische Kapazität zwischen den Erfassungselektroden angeordnet, um kleiner als die elektrostatische Kapazität zwischen der Flächenelektrode 4A und dem zu messenden Fluid 2 zu sein.
Die Größe dieser Schutzelektrode 5A muss nicht so groß sein, dass sie den gesamten Umfang des Messrohres abdeckt, den sie zusammen mit der anderen Schutzelektrode 5B zweiteilt, sondern muss nur ausreichend groß sein, um zu ermöglichen, dass die vorgeschriebene EMK extrahiert werden kann. Gewöhnlicherweise ist, wie es in 16A und 16B gezeigt ist, die Verlängerung dieser Schutzelektrode 5A in der Umfangsrichtung des Messrohres 1 ausreichend, wenn sie ungefähr 60° beträgt, und die Abmessung dieser Schutzelektrode 5A in der Rohrachsenrichtung z, durch die das zu messende Fluid 2 strömt, ist ausreichend, wenn sie ungefähr 60% der Länge des Messrohres 1 beträgt.
Diese Schutzelektroden 5A, 5B werden an dem Messrohr 1 durch ein Klebeband (adhesive glass tage) befestigt.
Wie bei der ersten Ausführungsform kann die Form der Flächenelektrode 4A von einer Form sein, bei der Schlitze eingefügt sind, um die Erzeugung von Wirbelströmen zu verringern.
Einer der Kerndrähte der Signalkabel 10A, 10B ist mit dem Flächenelektroden 4A, 4B verbunden, während deren Abschirmung jeweils mit den Schutzelektroden 5A bzw. 5B verbunden ist, wobei der andere mit dem Vorverstärker 6 verbunden ist. Die Schutzabschirmung wird geerdet, indem sie mit dem gemeinsamen Potential C dieses in 4 gezeigten Vorverstärkers 6 verbunden wird.
Als nächstes wird das Verfahren zum Packen der Erfassungseinheit 10 und des Vorverstärkers 6 mit Epoxidharz beschrieben. In dem zylindrischen Joch 71 der Erfassungseinheit 10, die in einem Zustand wie in 14 und 15 zusammengebaut ist, werden neben den Löchern 71a, 71b, durch die die Signalkabel 10A, 10B geleitet werden, die in der Nachbarschaft der Rohrwand des Messrohres 1 bereitgestellt sind, wo sich die Rohrachse des Messrohrs 1 und die die Mitten des Paars von Elektroden verbindende Achse schneiden, getrennt oder zusammen ein Loch 71c, durch das das Erregersignal, mit dem der Erregerstrom von dem Kabel des Erregerkreis 8 an die Erregerspulen 3A, 3B angelegt wird, und ein Loch 71d zur Einführung des Epoxidharzes, der darin eingeschlossen wird, und zum Entweichen von Luft während dieses Prozesses an Positionen verschieden von denjenigen der Löcher 71a, 71b vorgesehen, um den Erregerfluss nicht zu stören.
Mit einem vorgeschriebenen Aushärtmittel gemischtes Epoxidharz wird dann langsam von einer vorgeschriebenen Harzeinführungsrohrfassung von dem Kopf 21 der Signalverarbeitungseinheit 21 eingegossen, während die Erfassungseinheit 10 nach links und rechts und vorwärts und rückwärts gerüttelt und geneigt wird, und wobei ermöglicht wird, das die Luft in deren Innern entweichen kann, um den Vorverstärker 6 des Kopfes 21 abzudecken.
Mit diesem Aufbau werden die Flächenelektroden 4A, 4B und die Schutzelektrode 5A, 5B in dem Messrohr 1 in einer kompakten Anordnung mit einer vorgeschriebenen mechanischen Festigkeit befestigt, und dieses Befestigen kann einzig und allein mittels Epoxidharzfüllung erreicht werden.
Abhängig von der Anwendung kann durch Eingießen von Epoxidharz bis zu der Signalverarbeitungseinheit 11 an dem hinteren Abschnitt, der oben an dem Kopf 21 angeordnet ist, die Isolierung dieses Abschnitts ebenfalls gewährleistet werden.
Auf diese Art und Weise wird Epoxidharz in den gesamten Raum innerhalb der Erfassungseinheit 10 gegossen, der von dem Messrohr 1, dem Metallrohr 1B und den Erdungsringen 1A1 und 1AB umschlossen wird. Außerdem wird die Befestigung mit Epoxidharz bis zu dem Kopf 21 der Erfassungseinheit 10 erreicht.
Mit dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung können elektromagnetisches Induktionsrauschen und Reibungsrauschen, das durch die Schwingung der Signalkabel 10A, 10B erzeugt wird, die diese Erfassungselektroden und den Differenzverstärker 6 verbinden, verhindert werden, da der Abschnitt mit hoher Impedanz in einer kompakten Art und Weise über den minimalen Abstand von dem Erfassungselektroden zu dem Differenzverstärker 6 gelegt und mittels Epoxidharz befestigt ist. Außerdem wird die Verschlechterung der Isolierung durch Befestigen des Abschnitts mit hoher Impedanz mit Harz verringert.
Da die Erfassungselektroden 4A, 4B an dem Messrohr 1 gesintert und die Schutzelektroden 5A, 5B kompakt und aus einer Dicke hergestellt sind, die imstande ist, vorgeschriebener Beanspruchung zu widerstehen, gibt es sogar beim Auftreten einer thermischen Schrumpfung aufgrund einer Temperaturänderung des zu messenden Fluids 2 oder beim Aushärten des Epoxidharzes kein Risiko eines Ausfalls. Da der Vorverstärker 6 am Kopf 21 der Erfassungseinheit 10 angeordnet ist, kann außerdem eine Wärmeabschirmungsaufbau erreicht werden, was es ermöglich, den Strömungsmesser zu verwenden, sogar wenn das zu messende Fluid 2 auf einer hohen Temperatur ist.
(Dritte Ausführungsform)
Der Unterschied der dritten Ausführungsform zu der ersten Ausführungsform besteht darin, dass beide Enden der Spulenbefestigungsplatten 9A, 9B und des zylindrischen Joches 71, die den geschlossenen Magnetkreis bilden, in der Richtung der Rohrachse, die die zentrale axiale Ebene des Flusses schneidet, in vorgeschriebenen Formen weggeschnitten sind, um die Erzeugung von Wirbelströmen zu unterdrücken, sodass die Differentiationsrauschkomponenten, die in dem Erfassungssignal enthalten sind, durch einen schnelleren Anstieg des Erregerstroms verringert werden können, und ein hoher Erregerfrequenzbereich von mehr als 200 Hz eingestellt werden kann, bei dem das Fluidrauschen geringer als ein vorgeschriebener Bereich ist.
Um die elektrostatische Kopplung abzuschneiden, die durch das Wegschneiden der Spulenbefestigungsplatten 9A, 9B und des zylindrischen Jochs 71 erzeugt werden, sind Nasen an den Schutzelektroden 5A, 5B vorgesehen, um den elektrostatischen Abschirmungseffekt der Schutzelektroden 5A, 5B in der Rohrachsenrichtung zu stärken, und eine Konfiguration mit nur einen kleinen Lücke wird angenommen.
Außerdem wird durch Aufbringen einer Beschichtung eines Silikonharzes auf die Oberfläche der Flächenelektroden 4A, 4B und der Schutzelektroden 5A, 5B vor dem Füllen mit Epoxidharz und dem Aushärten die durch Wärmeabsorption von dem Epoxidharz erzeugte mechanische Spannung von dem Beschichtungsmaterial absorbiert, was ermöglicht, die Erzeugung von Rissen zwischen den Flächenelektroden 4A, 4B und den Schutzelektroden 5A, 5B und dem Epoxidharz zu verhindern.
Hier nachstehend werden hinsichtlich des kapazitiven elektrostatischen Strömungsmessers gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung Elemente, die die gleichen wie die Elemente bei der in 4 bis 6 gezeigten ersten Ausführungsform sind, mit den gleichen Bezugssymbolen angegeben und ihre weitere Beschreibung wird weggelassen.
17 ist eine Ansicht, die zeigt, wie das zylindrische Joch 71 und das Ende einer der Spulenbefestigungsplatten 9A, die den geschlossenen Magnetkreis bilden, weggeschnitten werden, um Wirbelströme zu verringern, und 17A ist eine von der obigen Seitenfläche in der Richtung der Mittelachse des Flusses (hier nachstehend die y-Achse genannt) betrachtete perspektivische Ansicht.
In diesen Figuren wird eine Erregerspule 3A mittels einer nicht gezeigten Schraube oder dergleichen an dem zylindrischen Joch 71 durch die in 17B gezeigte Spulenbefestigungsplatte 9A befestigt. Die Spulenbefestigungsplatte 9A, die die Erregerspule 3A kontaktiert, und ein Teil des Endes des zylindrischen Joches 71 werden in einer vorgeschriebene Form, deren Einzelheiten später beschrieben werden, entlang der Richtung der Rohrachse des Messrohres 1 (hier nachstehend die z-Achse genannt) weggeschnitten. Der anderen Spulenbefestigungsplatte 9B und dem zylindrischen Joch 71 werden an der anderen Seite eine identische weggeschnittene Form in einer symmetrischen Position gegeben.
Obwohl der Magnetpol 7 in der 18B nicht gezeigt ist, kann das durch die Erregerspulen 3A, 3B und dem Magnetpol 7 gebildete Erregermittel eine vorgeschriebene Erregerflussstärke liefern und alternativ einzig und allein durch die Erregerspulen 3A, 3B gebildet werden.
Als nächstes wird das Verfahren zum Definieren der weggeschnitten (oder ausgeschnittenen) Form mit Bezug auf 18A und 18B beschrieben. 18A zeigt in qualitativer Art die Beziehung zwischen der Fläche der weggeschnittenen Abschnitte und die abnehmende Wirkung des Differentiationsrauschens, das durch auf dem Erfassungssignal überlagerte Wirbelströme erzeugt wird, und dem Anstieg im Magnetfeldrauschen, das durch die elektrostatische Kopplung der Erregerleistungsquelle der Erregerspulen 3A, 3B mit den Flächenelektroden 4A, 4B und den Schutzelektroden 5A, 5B erzeugt wird (hier nachstehend Rauschen des elektrischen Feldes genannt).
Wie es in diesen Figuren gezeigt ist, gibt es hinsichtlich der Fläche der weggeschnittenen Abschnitte eine Kompromissbeziehung (Antinomie) zwischen der Abnahme des durch Wirbelströme erzeugten Differentiationsrauschens und des Anstiegs des durch elektrostatischer Induktion erzeugten Rauschen des elektrischen Feldes, sodass die Fläche in einem Bereich eingestellt werden muss, sodass beide Wirkungen geringer als die vorgeschriebenen erlaubten Werte sind.
Beispielsweise kann gemäß bestimmter Modellprüfungen, wie es in diesen Figuren gezeigt ist, wenn diese abgeschnittene Fläche zu einer abgeschnittene Fläche von 20 bis 30% der Projektionsfläche der Spulenbefestigungsplatten 9A, 9B gemacht wird, die die Erregerspule 3A und das zylindrische Joch 71 in der y-Achsenrichtung kontaktieren, das Rauschen unter dem vorgeschriebenen erlaubten Rauschpegel gehalten werden.
Verschiedene Modifikationen dieser weggeschnittenen Form sind möglich. 18B ist eine Ansicht, die das Wegschneiden der Spulenbefestigungsplatte 9A und des auf die x-z-Achsenebene projizierten zylindrischen Jochs 71 zeigt. Wie es in dieser Figur gezeigt ist, kann, da die Wirbelströme, die das diamagnetische Feld in der y-Achsenrichtung bildet, durch Wegschneiden einer vorgeschriebenen Begrenzungsabmessung 1x in der Richtung der Achse, die das Paar von Elektronenachsen verbindet (hier nachstehend die x-Achse genannt), abgeschnitten werden können, eine wirksame Einstellung der optimalen Abmessung der weggeschnittenen Abschnitts von (1x × 1z) durch Vergrößern der 1z-Abmessung in der z-Achsenrichtung in einem Bereich erreicht werden, sodass das Rauschen des elektrischen Feldes nicht erhöht wird.
Als Ergebnis einer derartigen Einstellung der Wirbelströme kann ein früher Anstieg des Erregerflusses Φ erreicht werden, sodass eine Erregerfrequenz eingestellt werden kann, bei der die Frequenzkomponente des Fluidrauschens ohne weiteres abgetrennt werden kann.
Die durch die dritte Ausführungsform erhaltenen Vorteile, wenn sie wie folgt eingestellt ist, werden nun beschrieben.
Wie es in 19A gezeigt ist, können, wenn beispielsweise die Erregerfrequenz auf 100 Hz (T = 10 ms) eingestellt und das Erfassungssignal e mit einem Abtastimpuls S_P abgetastet wird, wenn die Signalkomponente größer wird, Fluktuationen des Differentiationsrauschens vernachlässigt werden, wobei jedoch, wie es durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, wenn die Erregerfrequenz auf 200 Hz (T/2 = 5 ms) eingestellt wird, das Verhältnis des Differentiationsrauschens, das mit Bezug auf das Erfassungssignal e von 18B abgetastet wird, groß wird, mit dem Ergebnis, dass seine Wirkung auf die Messgenauigkeit groß wird und nicht vernachlässigt werden kann.
In dieser Hinsicht findet, wenn die Wirbelströme mittels der oben beschriebenen weggeschnittenen Abschnitte verringert werden, wie es bei dieser Ausführungsform beschrieben ist, der Anstieg des Erregerflusses Φ früher statt, sodass sogar bei einer Erregerfrequenz von 200 Hz das Verhältnis des Differentiationsrauschens des Erfassungssignals e von 19B verringert wird, wie es durch die kontinuierliche Linie gezeigt ist.
Als Ergebnis wird es möglich, obgleich hinsichtlich der Erregerfrequenz das Absenken des Fluidrauschens und der Anstieg des Differentiationsrauschens in einer Abwägungsbeziehung sind, eine Frequenz, insbesondere eine Frequenz in der Nachbarschaft von 200 Hz und mehr, in einem Bereich der Erregerfrequenz auszuwählen, bei der beide diese unterhalb der vorgeschriebenen Rauschpegel sind, wie es in 20 gezeigt ist.
Als nächstes wird die Abschirmungsstruktur der Schutzelektrode 5A (5B) mit Bezug auf 21A und 21B beschrieben. 21A bzw. 21B sind eine perspektivische Ansicht, die zur Erläuterung des Aufbaus der Region der Schutzelektrode 5A betrachtet von der x-Achsenrichtung einer Seitenfläche des Messrohres 1 angegeben ist, und eine Querschnittsansicht der Schutzelektrodenregion betrachtet von der z-Achsenrichtung des Messrohres 1.
Wie es in 21B gezeigt ist, ist eine Nase (lug) 5Aa an beiden Enden in der Achsenrichtung des Messrohres 1 der Schutzelektrode 5A vorgesehen, um eine Form zu erzeugen, bei der die Lücke so klein wie möglich ist, während ein ausreichender Platz für die zu erreichende Einführung des Epoxidharzes beibehalten wird.
Bei der dritten Ausführungsform werden die Spulenbefestigungsplatten 9A, 9B und beide Enden des zylindrischen Joches 71, die den geschlossenen Magnetkreis bilden, weggeschnitten, sodass das Risiko eines verstärkten Rauschens des elektrischen Feldes aufgrund der elektrostatischen kapazitiven Kopplung der Erregerspulen 3A, 3B und der Schutzelektrode 5A erhöht wird, wobei jedoch die elektrostatische Koppelung durch Abschirmung verhindert werden kann, indem Nasen an beiden Enden der Schutzelektroden 5A, 5B vorgesehen werden.
Wie es in 21C gezeigt ist, wird ebenfalls auf der Oberfläche der Flächenelektrode 4A (4B) und der Schutzelektrode 5A (5B) Silikonharz oder weicher Gummi, wie beispielsweise Chloroprengummi, in den anderen Abschnitten vor der Einführung des Epoxidharzes in dem Hochimpedanzabschnitt zwischen der Flächenelektrode 4A (4B) und der Schutzelektrode 5A (5B) und der Zuleitung des Signalkörpers aufgebracht, sodass die Isolierung durch diesen weichen Gummi nicht abgesenkt wird. Das Füllen mit Epoxidharz mit hohen Isoliereigenschaften wird durchgeführt, nachdem dieser weiche Gummi getrocknet ist.
Durch Beschichten der Oberflächen der Flächenelektroden 4A, 4B und der Schutzelektroden 5A, 5B auf diese Art und Weise mit Silikonharz oder dergleichen kann Spannung, die bei der Wärmeschrumpfung des Epoxidharzes und aufgrund von Unterschieden in der thermischen Ausdehnung/Schrumpfung zwischen dem Epoxidharz und den Flächenelektroden 4A, 4B und den Schutzelektroden 5A, 5B erzeugt wird, mittels dieses aufgebrachten Silikonharzes absorbiert werden, sodass Rissbildung oder Lockerwerden verhindert werden kann.
Wie es oben beschrieben ist, kann mit der Erfindung durch Vereinfachen des Aufbaus des Erregermagnetkreises der Anstieg des Erregerflusses dazu gebracht werden, früher aufzutreten, sodass eine Erregerfrequenz benutzt werden kann, bei der die Wirkung des Fluidrauschens verringert werden kann. Eine symmetrische Formkonstruktion wird ebenfalls mit Bezug auf die gepaarten Flächenelektroden und die Schutzelektroden angenommen, und die Erfassungsschaltung, bei der die Differenzverstärkung durchgeführt wird, und ein Abschirmungsaufbau, mit denen ein hohes Verhältnis der Entfernung von gleichphasigen Rauschen elektrisch erreicht werden kann, werden benutzt, sodass das durch Differenzverstärkung von den gepaarten Flächenelektroden und den Schutzelektroden erhaltene Strömungsratensignal mit einem hohen Rauschabstand erfasst werden kann.
Außerdem wird erfindungsgemäß eine Struktur erzeugt, die eine hohe Festigkeit aufweist, die imstande ist, sogar der durch die thermische Ausdehnung/Schrumpfung erzeugten mechanischen Spannung zu widerstehen, in dem das Innere dieser Erfassungseinheit mit einem Isolator gefüllt wird, wodurch es möglich gemacht wird, einen kapazitiven elektromagnetischen Strömungsmesser mit hoher Zuverlässigkeit bereitzustellen, der den Wirkungen des Induktionsrauschens oder des durch Schwingung erzeugten Reibungsrauschens widersteht.
Erfindungsgemäß wird, indem die elektrostatische Kapazität der Flächenelektroden und der Schutzelektroden kleiner als die elektrostatische Kapazität zwischen den Flächenelektroden und dem zu messenden Fluid gemacht wird, die Verstärkung des Induktionsrauschen und des Verstärkerrauschens unterdrückt, so das ein stabiler kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser mit hoher Genauigkeit bereitgestellt werden kann.
Erfindungsgemäß kann ebenfalls die Erzeugung von Wirbelströmen verhindert werden, sodass das Risiko eines Störens des Magnetflusskreises klein ist. Dank der Bereitstellung einer vorgeschriebenen mechanischen Festigkeit kann ebenfalls ein kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser erzielt werden, der thermischer Verformung widersteht.
Erfindungsgemäß kann ebenfalls die Fläche der Kreuzung mit der Erfassungsschleife klein gemacht werden, und das elektromagnetische Induktionsrauschen kann verringert werden. Da das Kabel zwischen der Erfassungselektroden und dem Vorverstärker un-magnetisch und befestigt ist, kann ebenfalls ein kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser erhalten werden, bei dem es eine geringe Erzeugung von Schwingungsrauschen des Kabels, das durch Schwingungen des Fluids erzeugt wird, oder von Rauschen aufgrund von elektromagnetischer Induktion gibt.
Erfindungsgemäß kann ebenfalls ein kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser erzeugt werden, bei dem es keine Rauscherzeugung aufgrund von Schwingung des Fluids und keine Rauscherzeugung aufgrund der Schwingung der Erregerspulen gibt.
Da erfindungsgemäß die Länge des Signalkabels minimal ausgeführt wird, wird der Differenzverstärker ebenfalls kompakt in dem Kopf untergebracht, und der gesamte Hochimpedanzabschnitt von den oben erwähnten Flächenelektroden und den Schutzelektronen zu dem oben erwähnten Vorverstärker ist festgelegt, wobei die Erzeugung von Rauschen aufgrund von Schwingung auf ein Minimum gehalten und ein kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser mit ausgezeichnetem Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit bereitgestellt werden kann.
Da erfindungsgemäß die Spulenbefestigungsplatten und das zylindrische Joch in einer vorbestimmten Form weggeschnitten sind, wobei die Erzeugung von Wirbelströmen unterdrückt und eine höhere Erregerfrequenz aufgrund eines früheren Anstiegs des Erregerflusses genutzt werden können, kann ein kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser erhalten werden, der durch Fluidrauschen wenig beeinflusst wird.
Da erfindungsgemäß Silikonharz oder weicher Gummi zwischen den Flächenelektroden und Schutzelektroden und dem Epoxidharz aufgebracht ist, wird die mechanische Spannung, die erzeugt wird, wenn die thermische Schrumpfung des Epoxidharz stattfindet, von dem weichen Gummi absorbiert, sodass ein Aufbau erreicht werden kann, bei dem keine Risse zwischen den Flächenelektroden, den Schutzelektroden und dem Epoxidharz erzeugt werden.
Es ist offensichtlich, dass zahlreiche zusätzliche Modifikationen und Variationen der Erfindung mit Blick auf die obigen Lehren möglich sind. Es ist daher ersichtlich, dass die Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche auch abweichend von dem speziell hier Beschriebenen praktiziert werden kann.

Claims

Kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser mit: einem Messrohr, hergestellt aus einem Isoliermaterial, durch das ein zu messendes Fluid fließt; zwei Erregerspulen, die jeweils auf einem Magnetpol gewickelt und am Umfang des Messrohrs gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sie Fluss in einer Richtung senkrecht zur Rohrachse des Messrohrs liefern; einem Paar von Flächenelektroden, die am Umfang der äußeren Wand des Messrohrs jeweils senkrecht zur Richtung des Flusses und der Rohrachse des Messrohrs gegenüberliegend angeordnet sind; Schutzelektroden, die angeordnet sind, um die Flächenelektroden abzudecken, wobei ein vorbestimmter Abstand zu den Flächenelektroden aufrechterhalten wird; einem Erregerkreis, der einen Erregerstrom mit einer Frequenz von mindestens einer handelsüblichen verfügbaren Frequenz an die Erregerspule liefert; Vorverstärkern, die über Kabel mit den Flächenelektroden und den Schutzelektroden verbunden sind; einer Signalverarbeitungseinheit, die eine Strömungsrate des zu messenden Fluids von Ausgangssignalen der Vorverstärker ausgibt; einem zylindrischen Joch, das einen geschlossenen Magnetkreis eines Erregermagnetfelds bildet und koaxial mit dem Messrohr angeordnet ist, um einen Umfang der Erregerspule abzudecken; jeweils einer Spulenbefestigungsplatte aus einem elektrisch leitenden nicht magnetischen Material, die an dem zylindrischen Joch befestigt ist und die Erregerspule abdeckt; Erdungsringen, die an beiden Enden des Messrohres vorgesehen sind, wobei ein Metallrohr, das koaxial mit dem zylindrischen Joch angeordnet ist, und das zylindrische Joch daran symmetrisch befestigt und elektrisch verbunden werden; wobei der Erregerkreis ein Filtermittel umfasst, das einen Signalverlauf des Erregerstroms steuert, sodass ein Erregerflusssignalverlauf einen flachen Abschnitt aufweist; und wobei der Wert einer elektrostatischen Kapazität, die zwischen den Flächenelektroden und den Schutzelektroden ausgebildet ist, kleiner als der Wert der elektrostatischen Kapazität zwischen dem zu messenden Fluid und der Flächenelektrode ist.
Kapazitiver elektrischer Strömungsmesser gemäß Anspruch 1, bei dem ein Epoxidharz verwendet wird, um einen Raum zwischen dem Messrohr und dem zylindrischen Joch und einen Raum zwischen dem Messrohr und den Flächenelektroden bzw. den Schutzelektroden zu füllen.
Kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser gemäß Anspruch 1, bei dem an beiden Enden der Spulenbefestigungsplatten und des zylindrische Joches in Richtung der Rohrachse Ausschnitte vorgesehen sind.
Kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser gemäß Anspruch 3, bei dem eine Oberfläche der Flächenelektroden und der Schutzelektroden mit einem weichen Gummi beschichtet ist.
Kapazitiver elektromagnetischer Strömungsmesser gemäß Anspruch 4, bei dem als der weiche Gummi Silikonharz aufgebracht wird.