JP2004028998A - 磁気誘導流量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】迅速な充填過程も高い精度で測定することができる磁気誘導流量測定方法を提示する。
【解決手段】測定管を流れる媒体の流量を測定する磁気誘導流量測定方法であって、前記測定管は、測定管軸に対して少なくとも実質的に垂直に延在する接続線路に沿って配置された２つの測定電極を有し、測定管軸線および測定電極の接続線路に対して少なくとも実質的に垂直に延在する磁界がけいせいされ、前記測定管を流れる媒体の流量を求めるために、一方の測定電極または両方の測定電極でそれぞれ基準電位に対する電圧を取り出す形式の方法において、増大する流量が検出されるとすぐに流量測定作動を開始することを特徴とする。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定管を流れている媒体の流量を測定する磁気誘導流量測定方法に関する。ここでこの測定管は、測定管軸線に対して少なくとも実質的に垂直に延在する接続線路に沿って配置された２つの測定電極を有する。ここで測定管軸線に対して少なくとも実質的に垂直に、かつ測定電極の接続線路に対して垂直に延在する磁界が形成され、測定管を流れている媒体の流量を求めるために、一方の測定電極または両方の測定電極でそれぞれ基準電位に対する電圧が取り出される。
【０００２】
【従来の技術】
冒頭に記載した形式の磁気誘導流量測定方法は既に良く知られており、異なる使用領域で多様に用いられている。ここで流動媒体に対する磁気誘導流量測定装置の基本となる原理はファラデーにまで遡る。ファラデーは１８３２年に、電子の動的な誘導の原理を流速の測定に使用することを提案している。ファラデーの誘導法則によると、電荷担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電界強度は流れの方向および磁界に対して垂直に生じる。このファラデーの誘導法則は磁気誘導流量測定装置では、一般にそれぞれ１つの磁気コイルを有する２つの磁極からなる磁石が、磁界を流れの方向に対して垂直に測定管中に生じさせることによって用いられる。この磁界内では流動媒体の各体積要素が、それら体積要素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。この体積要素は磁界を通って運動し、有る程度の数の電荷担体を有している。公知の磁気誘導流量測定装置ではこれらの測定電極は次のように構成されている。すなわちこれらの測定電極が直流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。磁気誘導流量測定装置の格別な特徴は、測定電圧と測定管の横断面によって求められた媒体の流速との比例関係、すなわち測定電圧と体積流との比例関係である。
【０００３】
磁気誘導流量測定方法では元来の流量測定作動において通常、磁界は時間的に交互にスイッチングされる。従来技術からこのために異なる方法が公知である。例えば交番磁界による磁気誘導流量測定が可能である。ここで典型的に磁石の磁気コイルには直接的に電流網から、正弦波状の５０Ｈｚの交流電圧が供給される。しかしこの場合には流れによって生じた測定電極間の測定電圧に、トランスによる障害電圧（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｏｒｉｓｃｈｅ　Ｓｔｏｅｒｓｐａｎｎｕｎｇｅｎ）並びにネット障害電圧が重畳されてしまう。
【０００４】
それ故に今日では磁気誘導流量測定部は、スイッチングされる直流磁界によって作動されるのが通常である。このようなスイッチングされる直流磁界は、磁石の磁気コイルに時間的に矩形の特性を有する電流が供給されることによって得られる。ここでこれはその極性を時間的に交互に変化させる。しかしパルス状の直流磁界による磁気誘導流量測定も可能である。この直流磁界は磁石の磁気コイルに周期毎にのみ、時間的に矩形の常に同じ極性を有する電流が供給されることによって得られる。しかし界磁電流が周期的に極性を変える方法は有利である。なぜなら磁界の極性の変化によって、電気化学的なノイズ量のようなノイズ量が抑圧されるからである。
【０００５】
極性が変化するスイッチングされる直流磁界を使用する場合には、スイッチング後に磁界が安定するまで待たなければならない。その後で測定電圧、すなわち例えば電極間の差分電圧が、界磁電流が再び逆の極性にスイッチングされるまで積分される。磁界が安定する（ｅｉｎｇｅｓｃｈｗｕｎｇｅｎ）まで待つことは、良好な測定精度を得るのに重要である。ＥＰ０８０９０８９Ａ２から、磁界の立上りフェーズ（Ｅｉｎｓｃｈｗｉｎｇｐｈａｓｅ）中の測定信号を使用することも公知である。しかしこれは容易に実現できるものではなく、しかも立上りフェーズ中の測定信号は安定状態中よりも小さい。なぜなら測定信号は基本的に磁界に比例するからである。
【０００６】
磁気誘導流量測定方法での特別な問題は、比較的迅速な充填過程（Ａｂｆｕｅｌｌｖｏｒｇａｅｎｇｅ）が測定されるべき場合に生じる。充填過程は実質的に３つの領域から成る。すなわち充填の開始と、それに続く一定の流量と、最後に充填の終了から成る。充填の開始は上昇する流量によってあらわされ、充填の終了は減少する流量によってあらわされる（これは典型的に０まで減少する）。充填が迅速な場合に実際には、第１の領域すなわち充填の開始は２０〜１００ｍｓのあいだである。その後で典型的に０．５〜１０ｓの時間のあいだ一定の流量が存在する。
【０００７】
ここで問題となるのは、迅速な充填過程時に磁界の立上りフェーズが測定精度にネガティブに作用することである。なぜなら立上りフェーズとは、測定ができないまたは少なくとも極めて精確な測定ができない時間インターバルのことだからである。これはまさに充填の開始時にはクリチカルである。なぜならここでは流量の非常に高い変化速度が存在するからである。磁界のこのような立上りフェーズ中にちょうど充填過程が始まった場合、流れて通過する体積についての情報伝達がされないか、または不正確な情報が伝達されるのみである。これに対して流量が一定の場合、磁界の立上りフェーズによる誤りは問題ではない。なぜならここでは補間によって良好に処理されるからである。
【０００８】
【特許文献１】
欧州特許公開第０８０９０８９号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
それ故に本発明の課題は、迅速な充填過程も高い精度で測定することができる磁気誘導流量測定方法を提示することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の課題は、増大する流量が検出されるとすぐに流量測定作動が開始されることを特徴とする磁気誘導流量測定方法によって解決される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
典型的に磁界のスイッチングが行われて、前述した磁界の立上りの問題点が存在する流量測定作動（Ｄｕｒｃｈｆｌｕｓｓｍｅｓｓｂｅｔｒｉｅｂ）が、増大する流量の検出によって充填過程の開始が識別されてはじめて行われることをこれは意味する。ここでこの流量測定動作は基本的に、従来技術から公知の各流量測定動作であってよい。しかし本発明の有利な構成では、流量測定作動中の磁界は時間的に交互にスイッチングされる。ここでスイッチングされる、極性の変化が可能な直流磁界が使用されるのは特に有利である。
【００１２】
一定の流量が検出されている間は流量測定作動は開始されない。ここで本発明の有利な別の構成では、一定の流量が検出される限りは磁界が一定に保たれる。ここで「一定に保つ」とは、いずれにせよ流量測定作動中のように磁界が時間的に交互にスイッチングされることがないことを意味する。すなわち「一定に保つ」とはとりわけ、磁界がいずれにせよ測定作動と比較して格段に長い時間にわたって一定に維持されることを意味する。磁界をこのように一定に保つことは、一定の流量が検出される限り行われるべきである。当然ながら磁界が一定に保たれる一定の流量とは一般的に、一定に０の流量のことである。
【００１３】
一定の磁界の下で測定管を流れる媒体の流量は測定電極間の差分電圧の検出を介して基本的に検出可能であることを指摘しておく。しかしこれは本発明が意図する流量測定作動ではない。しかし磁界が一定の場合、増加する流量に起因する磁界の上昇に関する情報、むしろ量的な情報が得られる。
【００１４】
この磁気誘導流量測定方法は有利にはさらに次のように構成される。すなわち流量に対して検出された値が所定の最低値より降下するとすぐに流量測定作動が終了するように構成される。すなわち磁界が時間的に交互にスイッチングされている場合、流量に対して検出された値が所定の最低値を下回って降下すると、一定の磁界へ変わる。
【００１５】
上述した方式で磁界を制御するための流量検出に対して、付加的な流量測定装置を用いることが基本的に可能である。しかし本発明の有利な構成では、磁界を制御するための流量検出は、本発明による磁気誘導流量測定方法が実施される磁気誘導流量測定装置自身によって行われる。
【００１６】
さらに本発明の有利な構成では、流量の検出は所定のサンプリングレートによって行われる。磁界が一定の場合に得られる、時間的に順次連続する、流量に対するサンプリング値が相互に比較されて、所定の閾値を上回るこの流量サンプリング値の変化から磁界が時間的に交互にスイッチングされる。とりわけ本発明の有利な別の構成では磁界が一定のときに得られる時間的に順次連続する各２つの流量サンプリング値が、＋１ないしは−１と乗算され、＋１ないしは−１と乗算されたこれらの流量サンプリング値から流量に対する平均値が求められ、流量に対するこの平均値が所定の閾値を上回るとすぐに磁界が時間的に交互にスイッチングされる。これによって上述された作用が使用される。すなわち磁界が一定の場合には特に電気化学的なノイズ量によって正確な流量測定は不可能である、すなわち元来の流量測定作動は行えないが、充填過程の開始に相当する、流量の一定の増加が生じているか否かを完全に、むしろ量的に検出することができる。
【００１７】
流量ないしは流量の変化が所定のサンプリングレートによって検出される場合、本発明の有利な構成では流量測定作動外での所定のサンプリングレートは、流量測定作動中の所定のサンプリングレートより高い。これは具体的には、磁界が一定であるときのサンプリングレートは、時間的に交互にスイッチングされる磁界でサンプリングレートより高いことを意味する。磁界が時間的に交互にスイッチングされる場合、サンプリングレートは磁界のスイッチング周波数によってもたらされる。すなわち半周期毎に磁界の一度のサンプリングが信号電圧の積分によって磁界の立上り時間後に行われる。流量測定作動外でのサンプリングレートが流量測定作動中のサンプリングレートより大きい場合、流量測定作動外でのサンプリングレートが流量測定作動中のサンプリングレートの整数倍であるのは特に有利である。ここで重要なのは、測定作動外でのサンプリングレートが磁界の立上り過程に依存しないことである。なぜなら磁界は一定だからである。流量測定作動外でのサンプリングレートが高ければ高いほど、充填過程の開始はより正確に検出される。ここでサンプリングレートの制限はもはやスイッチングされる磁界の周波数に存在するのではなく、使用される電子回路、特に測定電圧のデジタル化のために設けられるＡ／Ｄ変換器の質にのみ存在する。
【００１８】
個々の点では本発明の磁気誘導流量測定方法を構成し発展する様々な方法がある。これについては請求項１に属する請求項並びに本発明の有利な実施例の以下の詳細な説明を図面と関連して参照されたい。
【００１９】
【実施例】
図１には本発明の有利な実施例に相応し、以下で説明する磁気誘導流量測定方法を実施するための磁気誘導流量測定装置が示されている。この磁気誘導流量測定装置は測定管１を有する。この測定管内を詳細には示されていない媒体が流れる。さらに２つの測定電極２が設けられている。これらの電極によって、測定管１を通って流れる媒体によって誘導される測定電圧が検出される。測定管軸線および測定電極２の接続線路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。
【００２０】
磁気誘導流量測定方法の経過を本発明の有利な実施例に相応して、図２で説明する。図２ａは充填過程の非常に簡易化された基本的な特性を示す。充填の開始をあらわす、Ｉで示された最初の領域で流量は０から一定の値にまで上昇する。ＩＩで示されている、一定の流量が存在する領域がこれに続く。最後にＩＩＩによって充填終了の領域が示されている。ここで流量は一定の値から０まで減少する。領域ＩないしＩＩＩにおける流量の時間的な特性は直線的に示されており、従って非常に簡易化されている。実際には格段に複雑な曲線フォームが生じ得る。ここでは当然ながら基本的に、領域Ｉで上昇が起こり領域ＩＩＩで流量の降下が起こる。図２ａに示された充填過程は実際には、迅速な充填過程時に全体で典型的に約１０秒までの総合持続時間を有する。この中で主な成分は、領域ＩＩにおける一定の流量が占める。ここで充填の開始、すなわち領域Ｉは典型的には２０から１００ｍｓの時間を有する。
【００２１】
図２ｂに示されているように、界磁電流は磁気コイルに３に供給されて、まずはじめは一定に維持される。領域Ｉの開始になってはじめて、すなわち充填の開始に伴って元来の流量測定作動が開始される。ここで磁界は時間的に交互にスイッチングされる。具体的には図２ｂでわかるように、極性が周期的に切り換えられる、スイッチングされる直流磁界が設けられる。これによって測定信号として、すなわち測定電極２間で検出される測定電圧として、図２ｃに示されたような特性が生じる。このような測定信号から、測定管１を流れている媒体の流量に対する値を得るために、図２ｄに示された乗数と乗算される。これによって図２ｅに示されたような特性が生じる。連続的な信号は実際の流量に相応して、ここから個々の半周期の間での補間ないしは平均値形成によって生じる（図２ｆ参照）。
【００２２】
乗数は＋１または−１であり、時間的に所定のサンプリング時間で「アクティブ」である。磁界が実質的に一定の値に安定した後で、本来の流量測定作動中、すなわち磁界が時間的に交互にスイッチングされるあいだは、乗数は磁界の各半周期において「アクティブ」である。ここでサンプリングレート、すなわち乗数の周波数は、磁界の極性が周期的に変えられる周波数にちょうど（ｇｅｒａｄｅ）相応する。
【００２３】
元来の測定動作を開始する前すなわち領域Ｉの前で乗数が周期的に交互に＋１と−１の値を取ることも当てはまるが、このサンプリングレートは格段に高い、すなわち何倍にも高い。具体的に磁界周波数、すなわち元来の流量測定作動中に直流磁界が周期的にスイッチングされる周波数は、説明した本発明のこの有利な実施例では２５Ｈｚである。また元来の測定作動前、すなわち一定の磁界が存在するときには１００Ｈｚのサンプリング周波数が用いられる。
【００２４】
すなわち元来の流量測定作動前には、比較的高い周波数のサンプリングが行われる。これによって流量の変化が時間的に非常に正確に検出される。この流量の変化は、本発明の有利な実施例に従った上述したこの磁気誘導流量測定方法では、始まった充填過程を示すのに使用される。ここで元来の流量測定作動の開始は次のことによって定められる。すなわち流量に対する平均値が求められるように、磁界が一定の場合に、時間的に順次連続する、２つの測定電極２間で取り出された測定信号の各２つのサンプリング値の一方が＋１と乗算され、他方が−１と乗算される。＋１ないしは−１と乗算されたこれらの流量サンプリング値から流量に対する平均値が求められ、流量に対するこの平均値が所定の閾値を上回るとすぐに、磁界が時間的に交互にスイッチングされることによって元来の測定作動が開始される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有利な実施例に相応する磁気誘導流量測定方法を実施するための磁気誘導流量測定装置の概略図である。
【図２】本発明の有利な実施例に相応する磁気誘導流量測定方法の経過を図であらわしたものである。
【符号の説明】
１　測定管
２　測定電極
３　磁気コイル

Claims (10)

1. 測定管（１）を流れる媒体の流量を測定する磁気誘導流量測定方法であって、
   前記測定管は、測定管軸線に対して少なくとも実質的に垂直に延在する接続線路に沿って配置された２つの測定電極（２）を有し、
   測定管軸線および測定電極（２）の接続線路に対して少なくとも実質的に垂直に延在する磁界が形成され、
   前記測定管を流れる媒体の流量を求めるために、一方の測定電極（２）または両方の測定電極（２）でそれぞれ基準電位に対する電圧を取り出す形式の方法において、
   増大する流量が検出されるとすぐに流量測定作動を開始する、
   ことを特徴とする磁気誘導流量測定方法。
2. 流量測定作動中の磁界を時間的に交互にスイッチングする、請求項１記載の方法。
3. 一定の流量が検出されている限り磁界を一定に保つ、請求項１または２記載の方法。
4. 流量に対して検出される値が所定の最低値を下回って降下するとすぐに流量測定作動を終了する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 磁界が時間的に交互にスイッチングされている場合に、流量に対して検出される値が所定の最低値を下回って降下するとすぐに一定の磁界へ変化する、請求項２から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 磁界を制御するための流量の検出を、前記磁気誘導流量測定方法が実施される磁気誘導流量測定装置自体によって行う、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 流量の検出を所定のサンプリングレートで行い、
   磁界が一定の場合に得られる時間的に順次連続する流量サンプリング値を相互に比較し、
   所定の閾値を上回る前記流量サンプリング値の変化から、磁界を時間的に交互にスイッチングする、請求項６記載の方法。
8. 流量の検出を所定のサンプリングレートで行い、
   磁界が一定の場合に得られる時間的に順次連続する各２つの流量サンプリング値を＋１ないし−１と乗算し、
   ＋１ないし−１と乗算された当該流量サンプリング値から流量に対する平均値を求め、
   流量に対する当該平均値が所定の閾値を上回るとすぐに磁界を時間的に交互にスイッチングする、請求項６記載の方法。
9. 流量測定作動外での所定のサンプリングレートは、流量測定作動中の所定のサンプリングレートより高い、請求項６から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 流量測定作動外でのサンプリングレートは、流量測定作動中のサンプリングレートの整数倍である、請求項９記載の方法。

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