JP2003329499A - 測定周波数により動作する測定方法の不確実性を検出する方法 - Google Patents

測定周波数により動作する測定方法の不確実性を検出する方法

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    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/58—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定周波数における測定値の不安定性を簡単
に検出することのできる、不確実性の検出方法を提供す
ることである。 【解決手段】 測定周波数に対して位相のずれた周波数
における測定値の不安定性を検出し、および／または測
定信号とは異なる少なくとも２つの周波数における測定
値の不安定性を検出し、測定信号とは異なる周波数にお
ける２つの不安定性に基づいて、測定信号における測定
値の不安定性を補間または外挿する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、測定周波数により
動作する測定方法、とりわけ磁気誘導型流量測定方法の
不確実性検出方法に関する。ここでは測定周波数の各半
周期で測定信号のサンプリングによりそれぞれ少なくと
も１つの測定値が検出される。
【０００２】
【従来の技術】本発明はとりわけ磁気誘導型流量測定方
法に適用するのに適する。しかしこれに限定されるもの
ではない。磁気誘導型流量測定方法はすでに長い間、良
く知られており、多種多様の使用領域で使用されてい
る。流動媒体に対する磁気誘導型流量測定装置の基本原
理はファラデーの法則に基づくものである。これは１８
３２年に提案されており、電子ダイナミック誘導の原理
を流速測定に適用するものである。ファラデーの誘導法
則によれば、電荷担体と共に流動する媒体には磁束が通
過することにより流動方向に対して垂直かつ磁束に対し
て垂直に電界強度が発生する。このファラデーの誘導法
則は磁気誘導型流量装置において、一般的にはそれぞれ
１つの磁気コイルを有する２つの磁極からなる磁石が測
定管の通流方向に対して垂直に磁界を形成するようにし
て使用される。この磁界内では、磁界により運動し、所
定数の電荷担体を有する流動媒体の容積エレメントが、
この容積エレメント内に発生する電磁界強度により測定
電極を介して取り出される測定電圧に関与する。測定電
極は公知の磁気誘導型流量測定装置では、電気的または
容量的に流動媒体と結合されるように構成されている。
磁気誘導型流量測定装置の特徴は、測定電圧と、測定管
の横断面を介して検出される媒体の流速とが比例するこ
と、すなわち測定電圧と容積流とが比例することであ
る。
【０００３】磁気誘導型流量測定方法での本来の流量測
定モードでは、一般的に磁界が時間的に交互に切り替え
られる。従来技術からこのための種々の手段が公知であ
る。例えば交番磁界による磁気誘導型流量測定が可能で
あり、この場合、典型的には磁石の磁気コイルに、正弦
波状の５０Ｈｚ交流電圧の電源網から直接給電される。
しかし電流に基づき形成された測定電極間の測定電圧に
は変圧器ノイズ電圧並びに電源ノイズ電圧が重畳されて
いる。
【０００４】従って現在は磁気誘導型流量測定の場合、
一般的には切替可能な均一磁界により動作する。このよ
うな切替可能な均一磁界は、磁石の磁気コイルに時間的
に矩形状の経過を有し、極性を時間的に交互に変化する
電流を供給することにより得られる。しかしパルス状の
均一磁界による磁気誘導型流量測定も可能である。この
パルス状の均一磁界は、磁石の磁気コイルに時間的に矩
形状の経過を有するが、同じ極性しか有していない電流
を供給することにより得られる。しかし磁界電流が周期
的に極性反転する方法は有利である。なぜなら、磁界の
極性変化によってノイズ量、例えば電気化学的ノイズ量
を抑圧できるからである。
【０００５】極性反転可能に切り替えられる均一磁界に
よる方法の場合、切替後に磁界が安定するまで待機しな
ければならない。その後、測定信号、すなわち典型的に
は電極間の差電圧により与えられる測定電圧が積分さ
れ、それから磁界電流が再び反対の極性に切り替えられ
る。磁界が消失するまで待機することは、良好な測定精
度を達成するために重要である。
【０００６】しかし測定周波数の各半周期で測定信号の
サンプリングによりそれぞれ少なくとも１つの測定値が
検出される磁気誘導型流量測定方法では、測定方法の不
確実性が重要なパラメータである。すなわちこれを種々
異なる診断目的に使用することができる。不確実性は実
質的に測定値の不安定性により検出される。測定値の不
安定性はその変動幅に対する尺度であり、一般的には測
定値の標準偏差に相応する。
【０００７】磁気誘導型流量測定での問題は、流量自体
が典型的には一定ではなく測定しなければならないこと
である。具体的には測定周波数による測定値の標準偏差
の検出時に、標準偏差の原因が測定値の不安定性にある
のか、すなわち測定周波数により検出された電極差電圧
に元から存在しておりノイズと見なすべきなのか、また
はその原因が同様に測定周波数により検出される、まさ
に測定しようとする流量の変化によるものであるのかを
区別することができない。
【０００８】磁気誘導型流量測定装置により検出された
流量値の信頼性を検査するために、ＥＰ０５２１４４８
Ａ２から２つの測定電極で取り出される測定電圧の絶対
値を測定周波数のそれぞれの半周期で比較し、絶対値相
互間に偏差が存在する場合に警報信号を形成することが
公知である。さらにＤＥ３４２３０７６Ｃ２から、ノイ
ズ交流電圧成分およびノイズ直流電圧成分を磁気誘導型
流量測定方法において次のように検出することが公知で
ある。すなわち測定電圧を磁界の励磁周波数の倍数によ
りサンプリングするのである。
【０００９】磁気誘導型流量測定方法において、測定信
号に重畳されたノイズ信号を検出し、測定信号を相応に
補正することがＤＥ１９９３８１６０Ａ１から公知であ
る。ここでは磁界を形成する磁界コイルの励磁が間欠的
に実行される。これにより測定時間が付加的に磁界の２
つの半周期に加えられ、それぞれ磁界の最初の半周期の
前の領域と、磁界の最後の半周期の後の領域を含むよう
になる。磁界のそれぞれ半周期の前と後で測定された付
加的信号は前記の補正に使用される。すなわち測定信号
に重畳されたノイズ信号を完全に除去するために使用さ
れる。
【００１０】さらにＪＰ２０００−０２８４０８から、
ノイズ抑圧のために流量信号においてこのような流量信
号の平均値を使用することが公知である。この平均値
は、磁界の励磁周波数の２倍であるサンプリング周波数
により得られる。ここでは、このような時間で検出され
る値には磁界が印加されておらず、流量値はゼロを送出
しなければならないことが利用される。
【００１１】しかし前記の従来技術から公知の方法は、
測定周波数における測定値の不安定性、すなわち例えば
その標準偏差を検出する手段を提供するものではない。
【００１２】
【特許文献１】ＥＰ０５２１４４８Ａ２
【特許文献２】ＤＥ３４２３０７６Ｃ２
【特許文献３】ＤＥ１９９３８１６０Ａ１
【特許文献４】ＪＰ２０００−０２８４０８
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、測定
周波数における測定値の不安定性を簡単に検出すること
のできる、不確実性の検出方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明の方法は冒頭に述べた方法から出発して、測定周波数
における測定値の不安定性をこの測定周波数に対して位
相をずらして検出し、および／または測定値の不安定性
を測定周波数とは異なる少なくとも２つの周波数におい
て検出し、測定周波数とは異なる周波数における２つの
不安定性に基づいて、測定周波数における測定値の不安
定性を補間または外挿することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の方法では、磁界励磁なし
での試行、すなわち流量測定をしない試行で得られた知
識が基礎となる。すなわち、電極差電圧の周波数スペク
トル曲線は実質的に恒常的である。この点で本発明の方
法は、周波数スペクトルが恒常的であるという同じ前提
が満たされる、測定周波数により動作する他のすべての
測定方法に適用することができる。本発明の方法は基本
的に、測定周波数の各半周期で測定信号をサンプリング
することによりそれぞれ正確に測定値を検出するように
して実行される。
【００１６】本発明の有利な発展形態によれば、測定周
波数の各半周期で測定信号のサンプリングによって、そ
れぞれ時間的に順次連続する複数の測定値が検出され
る。このようにして、測定周波数よりも高い周波数にお
いて不安定性を検出することができ、さらに測定周波数
における測定値の不安定性をこの測定周波数に対して位
相をずらして検出することができる。この関連から、複
数の測定値が時間的に順次連続する場合、測定値は直接
順次連続することができるが、しかし直接順次連続する
必要はない。すなわち時間的間隔を相互に有することも
できる。
【００１７】本発明の有利な実施形態によれば、測定周
波数の２倍における不安定性と、測定周波数の半分にお
ける不安定性とを検出し、測定周波数における不安定性
を、測定周波数の２倍における不安定性と測定周波数の
半分における不安定性との有利には線形補間によって検
出する。本発明の方法のこの有利な改善形態は、半周期
ごとに少なくとも２つの時間的に順次連続する測定値を
検出する必要がある。この測定値は有利には測定信号を
同じ持続時間に渡って積分することにより得られる。こ
の有利な発展形態によれば、補間方法を使用すると高精
度がこの方法の単純な実施により得られる。
【００１８】不安定性を検出するために種々異なる値を
使用することができる。本発明の有利な実施形態によれ
ば、不安定性を検出するために標準偏差が使用され、こ
の不安定性は標準偏差に相応する。このことは冒頭にす
でに述べたように、他の方法との関連からすでに従来技
術からの手段である。
【００１９】基本的に測定周波数とは異なる周波数でそ
れぞれ不安定性が検出されるが、この周波数は任意に選
択可能である。本発明の有利な実施形態によれば、測定
周波数とは異なる周波数はそれぞれ測定周波数の奇数倍
に等しくない。
【００２０】不安定性を検出するために有利な改善形態
では、測定値に位相変換ないし周波数変換を施す。位相
変換ないし周波数変換は有利には測定値を所定の矩形関
数と乗算することにより行われる。この矩形関数は有利
にはその適用すべき領域に値＋１と−１だけを有する。
従って所定の矩形関数はとりわけ符号関数を、測定値の
位相位置を考慮する関数に適用することによって表すこ
とができる。ここでは符号（）により表される符号関数
は値に適用されると値＋１および−１を送出する関数で
ある。すなわち符号関数に適用される値が正であるか負
であるかに依存して値＋１または−１を送出する。
【００２１】有利には測定値の位相変換ないし周波数変
換の後に、位相変換ないし周波数変換された測定値にロ
ーパスフィルタリングを施す。ここでローパスフィルタ
リングは有利には短いＦＩＲフィルタ（Finite-Impulse
-Response-Filter）によって実行する。
【００２２】測定周波数において検出された不安定性は
様々に使用することができる。本発明の有利な実施形態
によれば、測定周波数において検出された不安定性は診
断値として、信号出力端、表示器および／またはデジタ
ル通信インタフェースを介して出力される。このとき本
発明の有利な実施形態によれば、測定周波数において検
出された不安定性に閾値関数が適用される。これにより
所定の警報閾値を上回ると、警報が通報される。警報を
通報する代わりに、装置を切り替えることも可能であ
る。さらに有利な実施形態によれば、測定周波数におけ
る不安定性が適応型阻止フィルタに対するパラメータと
して使用される。とりわけ測定値に適用される阻止フィ
ルタの幅を測定周波数における不安定性に依存して制御
することができる。
【００２３】さらに本発明の有利な実施形態によれば、
測定周波数よりも上にある周波数における不安定性と、
測定周波数よりも下にある周波数における不安定性との
差および／または比を検出し、診断値として信号出力
端、表示器またはデジタル通信インタフェースを介して
出力する。これにより不安定性の周波数経過を推定する
ことができ、差ないし比の変化はプロセス変化を意味す
る。この場合も有利な実施形態によれば、測定周波数よ
り上にある周波数における不安定性と、測定周波数より
下にある周波数における不安定性との差ないし比に閾値
関数が適用される。これにより所定の警報閾値を上回る
際には、警報が通報される。この警報もまた装置に切替
であっても良い。
【００２４】
【実施例】図１には概略的に本発明の方法を実施するた
めの磁気誘導型流量測定装置が示されている。磁気誘導
型流量測定装置は測定管１を有し、この測定管を通って
図示しない媒体が通流する。さらに２つの測定電極２が
設けられており、これにより測定管１を通流する媒体に
誘導される測定電圧が検出される。測定管軸に対して垂
直、かつ測定電極２の接続線に対して垂直に延在する磁
界を形成するために２つの磁気コイル３が用いられる。
【００２５】図２は、信号処理経過を概略的に示す。ス
テップＩでまず電極差信号のサンプリングが行われる。
その後、電極差信号の値に対してステップIIで位相変換
または周波数変換が矩形関数との乗算によって適用され
る。ステップIIIでは、位相変換ないし周波数変換され
た値にローパスフィルタリングが施される。その結果、
電極差電圧の測定周波数を基準にして帯域通過が生じ
る。このとき存在する測定周波数は磁界電流の磁界周波
数によって決められる。この磁界電流は図１の磁気誘導
型流量測定装置の磁気コイル３に供給される。ここでス
テップIIとIIIは１つの計算ステップにまとめることも
できるが、ここでは分かり易くするため相互に別個に図
示されている。
【００２６】測定信号のサンプリングが本発明の有利な
実施例に対して図３ａに示されている。各半周期の第１
の領域では測定信号のサンプリングは行われない。ここ
では測定信号の過渡振動が磁界の切替後に待機される。
これに続いて時間的に同じ長さであり、直接順次連続す
る２つのサンプリング領域が設けられている。これらの
サンプリング領域は、半周期Ａが１と２により、半周期
Ｂが３と４により示されている。有利な実施例によれ
ば、測定信号をサンプリングするために使用される測定
値はそれぞれ時間インターバル１，２，３等にわたる平
均値である。測定信号を概略的に示すため図３ａでは測
定信号の形状が極端に簡素化されており、とりわけ過渡
振動過程は図示されていない。
【００２７】図３ｂから図３ｅには、本発明の有利な実
施例による矩形関数が示されている。この矩形関数は図
３ａに示した測定値曲線と乗算され、流量を検出するた
めの値、測定周波数より低い周波数における不安定性を
検出するための値、測定周波数よりも高い周波数におけ
る不安定性を検出するための値、ないし位相のずらされ
た測定周波数における不安定性を検出するための値を送
出するのに用いられる。
【００２８】本来の磁気誘導型流量測定のために、すな
わち本来の流量を検出するために、測定値Ｕi（ｉ＝
１，２，３，．．．）は次のように乗算される。
【００２９】
【数１】
【００３０】流量計算のための式中の係数ｉ／４に基づ
き、サンプリング値に対するデータ速度が測定周波数よ
りも係数４だけ大きくなる。値１，２，３を代入すると
矩形関数は図３ｂに示すように、値＋１を半周期Ａの領
域１と２で、また値−１を半周期Ｂの領域３と４で送出
する。図３ｂに示した矩形関数を図３ａに示された測定
信号を乗算すると、流量に対する値Ｗiが得られる。こ
の値Ｗiは次にローパスフィルタリングされる（ステッ
プIII）。これについては下で詳細に説明する。
【００３１】測定周波数よりも低い周波数、すなわち測
定周波数の半分の周波数における不安定性を計算する値
を得るために次の乗算が実行される：
【００３２】
【数２】
【００３３】矩形曲線の相応の経過は図３ｃに示されて
いる。
【００３４】測定周波数よりも高い周波数、すなわち測
定周波数の２倍の周波数における不安定性を計算するた
めの値を得るために次の乗算が実行される。
【００３５】
【数３】
【００３６】矩形曲線の相応の経過は図３ｄに示されて
いる。
【００３７】測定周波数に相応するが、位相が９０゜
（π／２）だけずれている周波数における不安定性を計
算するための値を得るために次の乗算が実行される。
【００３８】
【数４】
【００３９】矩形曲線の相応の経過は図３ｅに示されて
いる。
【００４０】前にすでに述べたように、値Ｗiにローパ
スフィルタリングを施さなければならない。ここで説明
する有利な実施例ではこのためにＦＩＲフィルタが、２
つの半周期にわたるフィルタリングのために使用され
る。すなわち次の計算規則が適用される。ここで値Ｘi
はローパスフィルタリングされた値を表す：
【００４１】
【数５】
【００４２】３つの半周期にわたるフィルタリングのた
めには次の計算規則が適用される。
【００４３】
【数６】
【００４４】これによって検出された値Ｘiは次に例え
ば標準偏差の検出によって、測定周波数における不安定
性が計算される。これにより不安定性は標準偏差によっ
て直接得られる。すなわちこれは、測定周波数に相応す
るが、９０゜位相がずれている周波数での不安定性を計
算する場合、または測定周波数よりも一方では高い周波
数における不安定性と他方では低い周波数における不安
定性とを線形補間する場合である。
【００４５】方法ステップIIとIIIを１つのステップに
組み合わせれば、ローパスフィルタリングされた値を検
出するために次の計算規則が可能である。ここで下付き
の指数Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれの半周期を表す。
【００４６】測定周波数におけるローパスフィルタリン
グされた流量Ｍの計算は次のとおりである：
【００４７】
【数７】
【００４８】測定周波数の半分における不安定性を検出
するためのローパスフィルタリングされた値Ｌの計算は
次のとおりである：
【００４９】
【数８】
【００５０】測定周波数に相応するが、９０゜位相のず
れた周波数における不安定性を検出するためのローパス
フィルタリングされた値Ｈの計算は次のとおりである：
【００５１】
【数９】
【００５２】値Ｕi（ｉ＝１，２，３，．．．）はここ
でも半周期Ａ，Ｂ，Ｃ，．．．の領域ｉにおける平均値
により得られる。すなわちこの領域で積分された電極差
信号により得られる。
【００５３】前記の計算規則は値ＬないしＨを送出し、
これらの値に基づいて不安定性が検出される。すなわち
それらの標準偏差の検出によって不安定性が求められ
る。この計算規則は単なる簡単な例である。流量Ｍに対
してさらに面倒な計算規則も考えられる。例えば次のと
おりである：
【００５４】
【数１０】
【００５５】相応にして後続の半周期Ｄ，Ｅ，
Ｆ，．．．に対する流量値をさらに計算することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するための磁気誘導型流量
測定装置の構造を概略的に示す図である。
【図２】本発明の有利な実施例による不確定性検出方法
のフローを示す図である。
【図３】本発明の有利な実施例による、位相変換ないし
周波数変換を実施するために測定値に適用される矩形関
数並びに測定値を概略的に示す線図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルムート ブロックハウス ドイツ連邦共和国 ディンスラーケン ゼ バスティアンシュトラーセ 38 Ｆターム(参考） 2F035 CA04 CB03 CB09

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 測定周波数により動作する測定方法、と
    りわけ磁気誘導型流量測定方法の不確実性検出方法であ
    って、 測定周波数の各半周期で測定信号のサンプリングによっ
    てそれぞれ少なくとも１つの測定値を検出する方法にお
    いて、 測定周波数に対して位相のずれた周波数における測定値
    の不安定性を検出し、および／または測定信号とは異な
    る少なくとも２つの周波数における測定値の不安定性を
    検出し、 測定信号とは異なる周波数における２つの不安定性に基
    づいて、測定信号における測定値の不安定性を補間また
    は外挿する、ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 測定周波数の各半周期で測定信号のサン
    プリングによって、時間的に順次連続する複数の測定値
    をそれぞれ検出する、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 測定周波数の２倍における不安定性と、
    測定周波数の半分における不安定性とを検出し、 測定周波数における不安定性を、測定周波数の２倍にお
    ける不安定性と、測定周波数の半分における不安定性と
    の間の有利には線形補間によって検出する、請求項２記
    載の方法。
  4. 【請求項４】 不安定性は標準偏差である、請求項１か
    ら３までのいずれか１項記載の方法。
  5. 【請求項５】 測定周波数とは異なる周波数はそれぞれ
    測定周波数の奇数倍に等しくない、請求項１から４まで
    のいずれか１項記載の方法。
  6. 【請求項６】 不安定性を検出するために、測定値に位
    相変換ないし周波数変換を施す、請求項１から５までの
    いずれか１項記載の方法。
  7. 【請求項７】 位相変換ないし周波数変換を、測定値と
    所定の矩形関数との乗算によって実行する、請求項６記
    載の方法。
  8. 【請求項８】 位相変換ないし周波数変換された測定値
    にローパスフィルタリングを施す、請求項６または７記
    載の方法。
  9. 【請求項９】 ローパスフィルタリングにＦＩＲフィル
    タを使用する、請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 測定周波数において検出された不安定
    性を診断値として、信号出力端、表示器および／または
    デジタル通信インタフェースを介して出力する、請求項
    １から９までのいずれか１項記載の方法。
  11. 【請求項１１】 測定周波数において検出された不安定
    性に閾値関数を適用し、所定の警報閾値を上回る際に警
    報を通報する、請求項１から１０までのいずれか１項記
    載の方法。
  12. 【請求項１２】 測定周波数における不安定性を適応型
    阻止フィルタに対するパラメータとして使用する、請求
    項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
  13. 【請求項１３】 測定周波数よりも高い周波数における
    不安定性と、測定周波数より低い周波数における不安定
    性との差および／または比を検出し、診断値として信号
    出力端、表示器および／またはデジタル通信インタフェ
    ースを介して出力する、請求項１から１２までのいずれ
    か１項記載の方法。
  14. 【請求項１４】 測定周波数よりも高い周波数における
    不安定性と、測定周波数よりも低い周波数における不安
    定性との差ないし比に閾値関数を適用し、所定の警報閾
    値を上回る際に警報を通報する、請求項１３記載の方
    法。
JP2003134920A 2002-05-14 2003-05-13 励磁周波数により動作する磁気誘導形流量測定方法の測定値の標準偏差を検出する方法 Expired - Fee Related JP4612282B2 (ja)

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