JP2000511647A - 流動媒体用磁気誘導式流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、流動媒体用磁気誘導式流量測定装置に関する。この場合、測定管（１）と、この測定管の軸に対し少なくとも実質的に垂直に延在する磁界の形成に用いられる電磁石（２）と、測定管の軸および磁界の方向に対し少なくとも実質的に垂直に延在する接続ラインに沿って配置された少なくとも２つの測定電極（３，４）と、スイッチングされる直流を前記電磁石（２）へ給電する役割を担う電流源（５）と、測定電極（３，４）の測定電圧を求めて流量信号を発生する評価回路（６）が設けられている。本発明によれば流動媒体用磁気誘導式流量測定装置は、電磁石（２）の磁界中に少なくとも１つの磁界センサ（７，８）が配置されており、評価回路（６）は磁界センサ（７，８）と接続された処理回路（９）を有することを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】 流動媒体用磁気誘導式流量測定装置 本発明は、測定管と、該測定管の軸に対し少なくとも実質的に垂直に延在する 磁界の形成に用いられる電磁石と、前記測定管の軸および前記磁界の方向に対し 少なくとも実質的に垂直に延在する接続ラインに沿って配置された少なくとも２ つの測定電極と、スイッチングされる直流を前記電磁石へ給電する役割を担う電 流源と、前記測定電極の測定電圧を求めて流量信号を発生する評価回路が設けら れている、流動媒体用磁気誘導式流量測定装置に関する。 流動媒体用磁気誘導式流量測定装置の基本原理はFradayにまで遡るものであり 、彼は１８３２年に、電磁誘導の原理を流速の測定に利用することを提案してい る。Faradayの電磁誘導の法則によれば、荷電体といっしょに案内され磁界を通 って流れる流動媒体において、流れの方向および磁界の方向に対し垂直に電界強 度が発生する。この法則は磁気誘導式流量測定計において、一般に２つの電磁コ イルから成る磁石により、流れの方向に対し垂直に磁界を測定管中に生じさせる ことによって利用される。そしてこのような磁界内において、この磁界を通って 運動する流動媒体の各ボリュームがそれら容積体において磁界強度を生じさせ ることで、測定電極を介して取り出される測定電圧に寄与することになる。公知 の磁気誘導式流量測定装置の場合には測定電極は、直流電気的にまたは容量的に 流動媒体と結合されるように構成されている。磁気誘導式流量測定装置の格別な 特徴は、測定電圧と管断面積に関する媒体の平均流速との間に比例関係があるこ とであり、つまり測定電圧と容積流との間に比例関係が成り立つことである。 磁気誘導式流量測定装置は、工業分野では最初は交番磁界によって駆動されて いた。この場合、コスト的な理由から、磁界を発生させる電磁石は既存の交流電 圧源に接続されていたので、磁界は実質的に正弦波状にその強さを変化させるこ とになる。交流電圧で駆動されるこのような磁気誘導式流量測定装置の場合、交 流電圧源における変動がそのまま電磁石に現れてしまい、したがって磁気誘導式 流量測定装置の測定精度に大きく関与していた。それにもかかわらず、受け入れ ることのできる測定精度を保証するために、交番磁界で駆動される磁気誘導式流 量測定装置に関して、電磁石のところに基準巻線を配置し、この基準巻線におい て誘導された電圧を測定電極における測定電圧の補正に利用することが知られて いる。 交番磁界により動作する公知の磁気誘導式流量測定装置は、測定電極に加わる 測定電圧が必然的に交流電圧の周波数をもつ点で問題をはらんでいる。しかし実 践においては、電源周波数の障害電圧も測定電極に加わり、これはたとえば流動 媒体中の軸線方向の電気的な流れにより引き起こされ、実例としてこれは隣接す る管導体におけるポンプの接地に起因するものであり、これはたとえばFaraday の誘導法則に従って生じる測定電圧に重畳される。このような問題点ゆえに、交 番磁界により動作する磁気誘導式流量測定装置では、高い測定精度を保証するこ とはほとんどできず、その結果、そのような測定装置は工業分野では制限付きで しか使用できない。 ７０年代半ばから、スイッチングされる直流磁界により動作する磁気誘導式流 量測定装置がだんだんと普及してきた。そのような装置により、交番磁界で動作 する磁気誘導式流量測定装置に付随して生じる多数の問題点が回避され、１００ ０分の１までの範囲で著しく高い測定精度が実現している。 スイッチングされる直流磁界で動作する公知の磁気誘導式流量測定装置（たと えばヨーロッパ特許出願ＥP-B-O 521 169参照）の場合、交番磁界で動作する磁 気誘導式流量測定装置において知られているように、基準巻線を介して測定され た磁界の代わりに、電磁石のコイルを流れる電流が測定電極に加わる測定電圧の 補正に利用される。このやり方が基礎としているのは、定常状態において磁界の 強さはコイル電流にそのまま比例する、という前提である。 従来技術で採用されているこのような前提は、以下の点で問題をはらんでいる 。すなわち、電磁石を流れる電流の強さと磁界の強さの間の比例関係を、温度、 圧力、組み込み条件、磁界周波数ならびに耐用年数とは無関係に保証するために は、著しく高いコストを費やさなければならない。たとえば、磁界を流動媒体の 外部で案内し流動媒体内部ではできるかぎり大きい磁界を供給すべき鉄心の磁気 特性は、温度とともに変化する。したがって、鉄心のための材料コストが上がり 、所要材料横断面が大きくなる。さらに、温度が変化することで鉄心磁極片の間 隔も変化し、このことは電磁石を流れる電流の強さと磁界の強さとの間の比例関 係にもかかわってくる。さらに磁極片の間隔は、測定管内の圧力変動によっても 変化する可能性がある。このことは、磁気誘導式流量測定装置の格別安定したコ ストのかかる機械的構造によってしか避けることができない。また、たとえばユ ーザの使用するねじやフランジの磁気特性など、磁気誘導式流量測定装置の組み 込み条件も、磁極片間の磁束に影響を及ぼす。この影響は、磁気誘導式流量測定 装置を管の直径よりも著しく長く構成すれば回避できる。しかしこのことでやは りコストが高まる。さらにまた、磁界の極性を切り換える磁界周波数も磁界の強 さに影響を及ぼす。なぜならば、インダクタンスや渦電流により、磁界が本来の 測定時間中一定であるということを必ずしも前提とす ることができないからである。殊に渦電流の影響は、磁界の強さと電磁石を流れ る電流の強さとの間の直線的な関係を前提とするときに考慮されない。しかも、 磁界の強さと電磁石を流れる電流の強さとの関係は、測定管内で磁気特性を有す る材料の老化や堆積物により変化する可能性がある。 したがって本発明の課題は、スイッチングされる直流磁界によって動作する流 動媒体用磁気誘導式流量測定装置において、機械的構造においてコストを著しく 低減させながら著しく高い測定精度が保証されるように構成することである。 本発明によればこの課題は、電磁石の磁界中に少なくとも１つの磁界センサが 配置されており、評価回路はこの磁界センサと接続された処理回路を有すること により解決される。 このように構成することで、スイッチングされる直流磁界により動作する流動 媒体用磁気誘導式流量測定装置の場合であっても、磁界を実際に測定し、これま でのように電磁石を通る電流の強さと磁界の強さとの間の比例関係を前提とはし ないことによって、コストを著しく抑えながら同等の精度をもつ磁気誘導式流量 測定装置を実現できるし、あるいは同等のコストかそれよりも低いコストで精度 の著しく高められた磁気誘導式流量測定装置を実現することができる。 磁界センサをホールセンサとして構成すれば、磁界 センサから格別容易に評価できる信号が供給される。この場合、ホールセンサの 出力信号は、ホールセンサの面積に関する平均磁界強度すなわち平均磁束密度に 正比例している。 流動媒体が貫通する磁界の全面積に関する磁界強度の平均値測定は、磁界セン サを基準コイルとして構成することにより保証され、この場合、基準コイルは該 当する断面全体をカバーするものである。基準コイルのこのような構成は、構造 に起因して磁界のごく狭い範囲しか捕捉しないホールセンサとは異なり、問題な く実現できる。 本発明による磁気誘導式流量測定装置の別の有利な実施形態によれば、磁界セ ンサは電磁石の各磁極片の間において測定管のすぐ近くに配置されている。磁界 センサのこのような配置構成により、磁界センサは流動媒体を貫通しない磁界の 漂遊磁束とはできるかぎり無関係に動作するようになる。 殊にホールセンサには温度依存性があるし、基準コイルもごく僅かな程度では あるが温度依存性があるので、磁界センサの近くに温度センサを配置するのが有 利であり、このようにすればその温度センサの温度信号を用いて磁界センサの出 力信号を補正できる。 磁界の形状が時間に依存して変化する場合には、位置に依存する磁界測定のた めに複数の磁界センサを設けるのが有利である。この場合、それら複数の種々の 磁界センサの出力信号が、後続処理にあたりそれらの位置に従って重み付けされ る。磁界に歪みがある場合、流動媒体の測定ボリュームにおけるウェイトの配分 は重要な役割を果たし、それを測定信号の補正にあたり考慮することができる。 上述の磁界の歪みが発生するのは殊に、流動媒体中に強磁性粒子が存在するとき 、あるいは磁気誘導流量測定装置がその直径に関して相対的に短く、周囲を取り 囲む管導体系またはそれと結合されたフランジが磁界の形状に影響を及ぼすとき である。 格別有利な第１の実施形態によれば本発明による磁気誘導式流量測定装置は、 評価回路が流量信号を補正する補正回路を有しており、この補正回路の入力側に 処理回路の出力側が接続されていることを特徴としている。この構成により、流 量信号を磁界センサの信号に基づき容易に補正することができる。したがってた とえば望ましい磁界よりも相対的に磁界が強すぎる場合、各測定電極間の測定電 圧は相対的に弱い磁界よりも低く重みづけられる。 上述の補正を次のようにして行うと格別有利である。すなわち、補正回路が流 量信号を変換するアナログ／ディジタル変換器を有しており、このアナログ／デ ィジタル変換器の基準入力側に処理回路の出力信号が加えられる。この構成によ り、流量信号の補正が評価回路のアナログ部分で行われるようになる。この補正 は僅かなコストでしかも遅延なく行われる。 格別有利な第２の実施形態によれば本発明による磁気誘導式流量測定装置は、 電流源が電磁石へ供給される直流を調整する電流調整器を有しており、この電流 調整器の目標値入力側に処理回路の出力側が接続されていることを特徴としてい る。このように構成したことの目的は、磁界を磁界センサにより監視して外部の 影響とは無関係に一定の値に保持することである。このような一定保持が完全に うまく行くような最適な事例の場合、流量信号に関してさらに補正措置をとる必 要はない。しかしながら実際には、外部の（そして短期間の）影響に起因して磁 界の変動を完全には排除できないので、上述の第２の格別有利な構成と、本発明 による磁気誘導式流量測定装置の先に述べた第１の格別有利な実施形態とを組み 合わせるのが、きわめて有利である。 たとえば基準コイルなど磁界中に配置されたコイルは、それらの平面における 磁束変化に比例するコイル電流を供給するので、基準コイル信号を評価するため 処理回路に積分回路を設けるのが有利である。この積分回路は出力信号として、 未知の定数と既知の比例係数は別として磁束つまりは平均磁界強度に対応する信 号を供給する。したがって、この積分回路の出力信号は流量信号の補正に適して いる。 処理回路が基準コイル信号の評価のために付加的に ハイパスフィルタを有していれば、処理回路の出力信号中、磁界センサ測定信号 の時間とともに変化する成分だけが考慮されるようになる。積分処理後、ハイパ スフィルタを通してろ波された磁界センサの測定信号が、本発明による磁気誘導 式流量測定装置の流量信号の補正に格別適している。 従属請求項ならびに以下の記載には、本発明による磁気誘導式流量測定装置の 種々の実施形態が示されている。 図１は、本発明による磁気誘導式流量測定装置の実施例を示す図である。 図２は、本発明による流量測定装置における電磁石への給電の役割を担う電流 源の実施例を示す回路図である。 図３のａ），ｂ）は、スイッチングされる直流磁界に関する磁界周波数が比較 的低い場合の、電磁石を流れる電流と、電磁石により形成される磁界の強さと、 磁界センサの積分された測定信号の経過特性を、時間軸上に描いたダイアグラム である。 図４のａ）〜ｄ）は、スイッチングされる直流磁界に関する磁界周波数が比較 的高い場合の、電磁石を流れる電流と、電磁石により形成される磁界の強さと、 磁界センサ測定信号と、ろ波された磁界センサ測定信号と、ろ波され積分された 磁界センサ測定信号の経過特性を、時間軸上に描いたダイアグラムである。 図１には、本発明による流動媒体用磁気誘導式流量測定装置の１つの実施例が 描かれている。この実施実施例によれば、測定管１、測定管の軸に対し垂直に延 在する磁界を発生させる役割を担う電磁石２、測定管の軸および磁界方向に対し 垂直に延びる接続ラインに沿って配置された２つの測定電極３，４、スイッチン グされる直流を電磁石２へ給電する役割を担う電流源５、ならびに測定電極３， ４の測定電圧を求め流量信号を発生する評価回路６が設けられている。本発明に よれば図示されている磁気誘導式流量測定装置は、電磁石２の磁界中に２つの磁 界センサ７，８が配置され、評価回路６がそれらの磁界センサ７，８と接続され た処理回路９を有していることを特徴としている。 図１に示されている磁気誘導式流量測定装置の実施例によれば２つの磁界セン サ７，８が設けられており、これは基準コイルとして構成されていて、電磁石２ の磁極片１０，１１の間に配置されている。磁界センサ７，８を基準コイルとし て構成する代わりに、既述のようにそれらをホールセンサとして構成することも できる。この場合、有利には基準コイルは、それらの直径が電磁石２のコイル１ ２，１３の直径と一致するように構成することができ、そのようにすれば流動媒 体を貫通する磁界成分が基準コイルも貫通するようになる。 図１に示した本発明による磁気誘導式流量測定装置 の実施例における評価回路６は、測定電極間の測定電圧を補正して流量信号を送 出する補正回路１４を有しており、この補正回路の１つの入力側は処理回路９の １つの出力側と接続されている。このようにして補正回路１４へ入力信号として 磁界強度に比例する信号が供給され、この信号に基づき補正回路１４は次式に従 って流量信号を補正する： この補正は以下のようにして著しく簡単に行われる。すなわち補正回路１４は 、差動増幅器１５により増幅された測定電極３，４間の測定電圧を変換するアナ ログ／ディジタル変換器１６を有しており、このアナログ／ディジタル変換器へ 処理回路９の出力信号が基準入力側を介して印加される。したがって、式１によ る補正は評価回路６のアナログ部分ですでに行われる。 評価回路６の既述の構成に加えて図１に示されている本発明による磁気誘導式 測定装置の電流源５は、電磁石２へ供給される直流を調整する電流調整器１７を 有している。その際、処理回路９の出力側が電流調整器１７の目標値入力側と接 続されており、したがって電磁石２のコイル１２，１３を流れる電流は、電磁石 ２により発生した磁界の強度も外部の影響とは無関係に一定に保持されるよう制 御される。電磁石２のコイル１２，１３に対する実際の給電は、電流源５内部の 極性反転可能なＨ回路（H-Schaltung）を介して行われる。 磁界センサ７，８が基準コイルとして構成されている場合には、処理回路９は 基準信号を評価するために、少なくとも１つの積分回路１９および有利にはハイ パスフィルタ２０を有している。積分回路１９とハイパスフィルタ２０の詳細な 機能については、あとで図３および図４を参照しながら詳しく説明する。 図１では略示したにすぎない電流源５が、図２では詳細に回路として描かれて いる。既述のように電流源５は、電流調整器１７とＨ回路１８を有している。Ｈ 回路１８は、スイッチングされる直流磁界を発生させるためクロック発生器２１ により制御され、ここでは見やすくするため単独で描いたコイル１２を制御する ために４つの電子スイッチ２２を有している。本来の意味での電流源として図２ に示した電流源５の場合、調整可能な定電流源２３が用いられる。この調整可能 な定電流源２３は電流調整器１７により制御され、その際、電流調整器１７は抵 抗２６および電子スイッチ２７を介して、電子スイッチ２４によりリセット可能 であり有利には処理回路９内に配置された積分器２５と接続されている。積分器 ２５の入力側は略示された図面では電子スイッチ２８を介して、基準コイルとし て構成された磁界センサ７の出力側と接続されている。 図３には、有利には磁界断面について平均された磁界強度の経過特性が描かれ ている。つまりこの場合、図３のａ）には、磁束密度Ｂの経過特性とコイルを流 れるコイル電流Ｉspの経過特性が示されており、さらに図３のｂ）には、磁界中 に存在する基準コイルの積分された出力電圧の経過特性が、磁界のスイッチング による磁界周波数が比較的低い場合について示されている。磁界のスイッチング にあたり磁界周波数が比較的低いと、測定電圧の捕捉される測定インターバル（ 図３のハッチング部分）内では磁束密度はもはや変化しないようになる。この場 合、磁束密度Ｂの変位を補正に利用すれば、測定電極に加わる測定電圧の補正の ために十分である。磁束密度Ｂの変位は次式に従って簡単に得られる： ここでＵ_ref＝基準コイルの基準電圧である。 これに対し図４には、磁界のスイッチングのための磁界周波数が、磁束密度Ｂ が測定インターバルの終端でもまだ飽和状態に到達しないほど高い事例が描かれ ている。この状況は図４のａ）に示されている。この場合、図４のｂ）に示され ているように、基準コイルの積分された基準電圧は依然として測定インターバル （図４のハッチング部分）内でも変化している。このような場合に有利であるの は、図４のｃ）に示されている基準コイルの基準電圧における交流電圧成分だけ を積分することであり、このような成分は基準コイルの基準電圧をハイパスフィ ルタを通してフィルタリングした後に得られる。図４のｃ）に示したこの信号の 積分により、図４のｄ）に描かれているようにやはり磁束密度Ｂに関する信号が 得られ、この場合、この信号は、測定インターバル中に依然として変化していて も、測定電極に印加される測定電圧の補正に適したものである。 最後に述べておくと、電磁石のコイルを流れる電流のスイッチングにより発生 する電流のサージないしパルス（これも残留磁気により磁束密度を高めることに なる）は、流量信号におけるエラーの原因とはならない。それというのも、これ は積分形成によって自動的に補償されるからである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．測定管（１）と、 該測定管の軸に対し少なくとも実質的に垂直に延在する磁界の形成に用いら れる電磁石（２）と、 前記測定管の軸および前記磁界の方向に対し少なくとも実質的に垂直に延在 する接続ラインに沿って配置された少なくとも２つの測定電極（３，４）と、 スイッチングされる直流を前記電磁石（２）へ給電する役割を担う電流源（ ５）と、 前記測定電極（３，４）の測定電圧を求めて流量信号を発生する評価回路（ ６）が設けられている、 流動媒体用磁気誘導式流量測定装置において、 前記電磁石（２）の磁界中に少なくとも１つの磁界センサ（７，８）が配置 されており、 前記評価回路（６）は、該磁界センサ（７，８）と接続された処理回路（９ ）を有することを特徴とする、 流動媒体用磁気誘導式流量測定装置。 ２．前記磁界センサ（７，８）はホールセンサとして構成されている、請求項１ 記載の磁気誘導式流量測定装置。 ３．磁界センサ（７，８）は基準コイルとして構成されている、請求項１記載の 磁気誘導式流量測定装置 。 ４．前記磁界センサ（７，８）は、電磁石（２）の磁極片（１０，１１）の間に おいて測定管（１）のすぐ近くに配置されている、請求項１〜３のいずれか１項 記載の磁気誘導式流量測定装置。 ５．前記磁界センサ（７，８）の近くに温度センサが配置されている、請求項１ 〜４のいずれか１項記載の磁気誘導式流量測定装置。 ６．位置に依存する磁界の測定のために複数の磁界センサ（７，８）が設けられ ている、請求項１〜５のいずれか１項記載の磁気誘導式流量測定装置。 ７．前記評価回路（６）は流量信号を補正する補正回路（１４）を有しており、 該補正回路（１４）の入力側に前記処置回路（９）の出力側が接続されている、 請求項１〜６のいずれか１項記載の磁気誘導式流量測定装置。 ８．前記補正回路（１４）は流量信号を変換するアナログ／ディジタル変換器（ １６）を有しており、該アナログ／ディジタル変換器（１６）の基準入力側に前 記処理回路（９）の出力信号が印加される、請求項７記載の磁気誘導式流量測定 装置。 ９．前記電流源（５）は、電磁石（２）へ供給される直流を調整する電流調整器 （１７）を有しており、該電流調整器（１７）の目標値入力側に前記処理回路（ ９）の出力側が接続されている、請求項１〜８ のいずれか１項記載の磁気誘導式流量測定装置。 10．前記処理回路（９）は基準コイル信号を評価するために積分回路（１９）を 有している、請求項３〜９のいずれか１項記載の磁気誘導式流量測定装置。 11．前記処理回路（９）は基準コイル信号を評価するためにハイパスフィルタ（ ２０）を有している、請求項１０記載の磁気誘導式流量測定装置。