JP2005172826A - 磁気誘導式流量測定装置および磁気誘導式流量測定装置のための測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低い給電電圧によって作動されるプリアンプにより、効率的な作動を実現できる前記形式の磁気誘導式流量測定装置および磁気誘導式流量測定装置のための測定方法を提供することである。
【解決手段】前記課題は、プリアンプのコモンモード入力電圧または／およびプリアンプの出力制御領域の電位領域を調整するための制御回路を設け、これによってプリアンプのコモンモード入力電圧を、プリアンプの最大出力電圧の半分に近似させることによって解決される。
【選択図】図２

Description

本発明は、測定管を通流する媒体の容積流量を測定するための次のような磁気誘導式流量測定装置に関する。すなわち、流動方向に対して垂直に延在する磁界成分を有し測定管を貫通する磁界を生成するための磁石と、該媒体にて誘導された電圧を取り出すための第１の測定電極および第２の測定電極と、基準電極と、両測定電極にて取り出された電位が供給されるプリアンプとが設けられた磁気誘導式流量測定装置に関する。

本発明はさらに、測定管を通流する媒体の容積流量を測定するための、磁気誘導式流量測定装置のための次のような測定方法にも関する。すなわち、該磁気誘導式流量測定装置は磁石と第１の測定電極と第２の測定電極と基準電極とプリアンプとを有しており、前記磁石によって、流動方向に対して垂直に延在する磁界成分を有し測定管を貫通する磁界を生成し、前記第１の測定電極および第２の測定電極によって、該媒体にて誘導された電圧を取り出し、前記プリアンプへ、両測定電極にて取り出された電位を供給する測定方法にも関する。

上記および下記において「電圧」および「電位」という概念は、次のように使用される。すなわち、２点間の具体的な電位差を指す場合には「電圧」と言い、所定の電位のシステムに存在する特定の点における電位、たとえばアースまたは接地に対する特定の点における電位を指す場合には「電位」と言うように使用される。

冒頭の形式の磁気誘導式流量測定装置および磁気誘導式流量測定装置のための測定方法は、すでに比較的長い間よく知られており、多岐にわたる異なった使用分野にて使用される。測定管を通流する媒体の容積流量を測定するための磁気誘導式流量測定装置の基本原理は、ファラデーにまで遡る。彼は１８３２年に、電気力学的な誘導の原理を流速測定に適用することを提案した。

ファラデーの誘導法則によれば、電荷を伴い磁界を通流する流動媒体に、電界強度が流動方向に対して垂直かつ磁界に対して垂直に発生する。ファラデーの誘導法則は磁気誘導式流量測定装置において、磁石を使用して、測定管内の流動方向に対して垂直な磁界成分を有する磁界を生成することによって利用される。前記磁石は一般的には、それぞれ電磁コイルを１つずつ有する２つの磁極からなる磁石である。この磁界内では、該磁界を通って運動し特定の数の電荷を有する流動媒体の各容積要素が、該容積要素にて発生した電界強度によって電圧を発生させ、この電圧は測定電極を介して取り出される。

公知の磁気誘導式流量測定装置では、測定電極は流動媒体とガルバニック結合または容量結合されるように構成されている。さらに磁気誘導式流量測定装置の特別な特徴は、測定電圧と測定管の断面にわたって平均化された媒体の流速との間に、すなわち測定電圧と容積流量との間に比例関係が存在することである。

磁気誘導式流量測定装置では、本来の流量測定運転では一般的に、磁界は時間的に交番して切り替えられる。従来の技術から、こうするための異なる手法が公知である。磁気誘導式流量測定は、たとえば交流磁界によって実施される。ここでは、典型的には磁石の電磁コイルに対して電源網から直接、正弦波の５０Ｈｚの交流電圧が供給される。しかし、電極間において流動によって生成された電圧は、トランスの妨害電圧およびネットワークの妨害電圧によって妨害されやすい。

以前は、磁気誘導式流量測定装置では一般的に、切り替えられる定常場によって動作していた。このような切り替えられる定常場は、磁石の電磁コイルに、極性を時間的に交番して変化させ、時間的に実質的に矩形の経過を有する電流を供給することによって得られる。しかし、パルス状の定常場を使用することもできる。このパルス状の定常場は、磁石の電磁コイルに対して、常に同一の極性を有する時間的に矩形の電流を周期的にのみ供給することによって得られる。しかし、磁界電流の極性を周期的に切り替える手法、すなわち周期的に交番する磁界を生成する手法が有利である。というのも、磁界の極性を変化させることによって、電気化学的な妨害量等の妨害量が抑圧されるからだ。流量に比例する測定電極間の電圧は、一般的には非常に小さい。すなわち、マイクロボルトの領域内にある。このような電圧は、高い分解能（約１００ｎＶ）で測定しなければならず、切り替えられる定常場の原理にしたがって動作する公知の磁気誘導式流量測定装置では、測定周波数は１〜１００Ｈｚの領域内にある。

公知の磁気誘導式流量測定装置では、測定電極にて取り出される電圧は一般的に、プリアンプへ供給され、その後、流量に比例する前置増幅された電圧信号はさらに処理される。しばしばプリアンプとして使用されるのは差動増幅器であり、この差動増幅器は典型的には、±１５Ｖの給電電圧によって作動する。したがってプリアンプの出力制御領域、すなわち絶対的な最大出力電圧は１５Ｖである。つまり正の信号では＋１５Ｖであり、負の信号では−１５Ｖである。±１５Ｖの給電電圧によって作動するプリアンプを使用する場合、磁気誘導式流量測定装置の基準電極は、一般的に０Ｖの電位すなわち接地電位に維持される。

しかし、磁気誘導式流量測定装置のためのプリアンプを、より低い給電電圧たとえば５Ｖの給電電圧（０Ｖ，＋５Ｖ）によって作動させたいという要望がある。基本的に、このようなプリアンプによって０Ｖ〜５Ｖの出力制御領域が実現される。０Ｖ〜５Ｖの給電電圧領域のための相応のアナログのコンポーネントを使用することができ、高精度のシグマ‐デルタ変換器がこのような低い入力電圧によって動作するようになり、とりわけ損失電力が低減される。

本発明の課題は、低い給電電圧によって作動されるプリアンプによって、効率的な作動を実現できる前記形式の磁気誘導式流量測定装置および磁気誘導式流量測定装置のための測定方法を提供することである。

冒頭に記載された磁気誘導式流量測定装置から出発して、前記で呈示された課題は、プリアンプのコモンモード入力電圧または／およびプリアンプの出力制御領域の電位領域を調整するための制御回路を設け、これによってプリアンプのコモンモード入力電圧を、プリアンプの最大出力電圧の半分に近似させることによって解決される。

冒頭に記載された磁気誘導式流量測定装置のための測定方法から出発して、前記で呈示された課題は、プリアンプのコモンモード入力電圧または／およびプリアンプの駆動領域の電位領域を調整し、該プリアンプのコモンモード入力電圧を該プリアンプの最大出力電圧の半分に近似させることによって解決される。

本発明の構成では、プリアンプのコモンモード入力電圧は、プリアンプの最大出力電圧の半分に近似される。すなわちコモンモード入力電圧と最大出力電圧の半分との間の差を、可能な限り小さくしなければならない。しかし一般的には、整合は完全に行われることはなく、とりわけ瞬間的に行われることもない。プリアンプの出力制御領域の電位領域を調整するということはとりわけ、たとえば０Ｖ〜５Ｖである出力制御領域を、５Ｖの使用可能な給電電圧に維持し、かつ電位シフトすること、たとえば１Ｖから６Ｖまで到達させることを意味する。それと同時に、またはそれに対して択一的に、プリアンプのコモンモード入力電圧を調整し、該プリアンプのコモンモード入力電圧を該プリアンプの最大出力電圧の半分に近似させることができる。

ここでは、制御回路は種々の手段で実現することができる。しかし本発明の有利な発展形態によれば、制御装置は基準電極に接続され、基準電極の電位が制御されるように構成されている。さらに本発明の有利な発展形態では、制御装置は第１の測定電極および第２の測定電極にも接続されており、基準電極の電位が測定電極の電位に依存して制御されるように構成されている。

さらに本発明の有利な発展形態では、制御装置には、差動増幅器を有する反転差動増幅器が設けられている。この反転差動増幅器の反転入力端は、第１の抵抗を介して第１の測定電極に接続されており、第２の抵抗を介して第２の測定電極に接続されている。ここではとりわけ、該差動増幅器の非反転入力端がプリアンプの最大出力電圧の約半分に維持されるように構成されている。このことは具体的には、０Ｖおよび５Ｖで給電されるプリアンプの場合、差動増幅器の非反転入力端が約２．５Ｖに維持されることを意味する。

前記のような制御回路の場合、有利であるのは、とりわけ基準電極との接続を、制御回路の出力端を介して行うことである。最後に本発明の有利な発展形態では、差動増幅器の反転入力端は負帰還抵抗を介して該差動増幅器の出力端に接続されている。ここではとりわけ、これに対してコンデンサが並列接続される。このようなコンデンサを使用して帯域が制限され、ひいては制御が安定化される。

冒頭に記載された磁気誘導式流量測定装置のための測定方法から出発して、前記で呈示された課題は、増幅器のコモンモード入力電圧または／およびプリアンプの駆動領域の電位領域が調整され、該プリアンプのコモンモード入力電圧が該プリアンプの最大出力電圧の半分に近似されるように構成することによって解決される。

磁気誘導式流量測定装置のための本発明による測定方法の有利な発展形態は、本発明による磁気誘導式流量測定装置の前記の有利な発展形態に類似して構成される。

詳細には、磁気誘導式流量測定装置および磁気誘導式流量測定装置のための測定方法を構成および発展させる手段が数多く存在する。このことに関しては、独立請求項以降に記載された請求項および本発明の有利な実施例の以下の詳細な説明において、図面と関連して記載されている。

図１は、測定管４を通流する媒体の容積流量を測定するための、本発明の有利な実施例による磁気誘導式流量測定装置を概略的に示している。磁石によって、流動方向に対して垂直に測定管４を貫通する磁界が生成される。これによって、導電性の媒体が測定管４を通流すると電圧が発生する。前記磁石は、ここでは詳細に図示されない。前記電圧は、第１の測定電極２および第２の測定電極３を介して取り出される。前記第１の測定電極２および第２の測定電極３は、流動媒体と導電的に接触接続されている。測定管４の下方領域には、該媒体と導電的に接触接続されている基準電極１が設けられている。測定電極２，３にて取り出された電圧信号は、差動増幅器として構成されたプリアンプ５へ供給される。このプリアンプ５は、０Ｖ／５Ｖの給電電圧によって作動する。

従来の磁気誘導式流量測定装置の作動と異なり、ここでは基準電極１は、定電位に維持されることがない。むしろ、ここに記載された本発明の有利な実施例では、基準電極１の電位が制御されるように構成されている。特に、以下のようにして制御される：
プリアンプのコモンモード入力電圧は、該プリアンプの反転入力端ないしは非反転入力端に供給された電位Ｕ_２およびＵ_３の平均値から得られる。これらの電位Ｕ_２およびＵ_３はそれぞれ、基準電極１に対する測定電極２，３の電圧Ｕ_２１，Ｕ_２３と、アースに対する基準電極１の電圧Ｕ_１との和から成る。すなわち、
Ｕ_２１＋Ｕ_１＝Ｕ_２
Ｕ_２３＋Ｕ_１＝Ｕ_３
（Ｕ_２１＋Ｕ_２３）／２＋Ｕ_１＝（Ｕ_２＋Ｕ_３）／２
が成立する。

図１に概略的に示されているように、ここに示された本発明の有利な実施例では、測定電極２，３にて取り出された電位Ｕ_２１およびＵ_２３に依存して基準電極１の電位Ｕ_１が制御されるように構成されている。この制御は、とりわけ係数Ｖ_Ｒによる増幅を含んでおり、数式によって以下のように表される：
−｛（Ｕ_２＋Ｕ_３）／２−２．５Ｖ｝・Ｖ_Ｒ＋２．５Ｖ＝Ｕ_１
−｛（Ｕ_２１＋Ｕ_２３）／２＋Ｕ_１−２．５Ｖ｝Ｖ_Ｒ＋２．５Ｖ＝Ｕ_１
−（Ｕ_２１＋Ｕ_２３）／２・Ｖ_Ｒ＋２．５Ｖ（Ｖ_Ｒ＋１）＝Ｕ_１＋Ｕ_１Ｖ_Ｒ
２．５Ｖ−（Ｕ_２１＋Ｕ_２３）／２・Ｖ_Ｒ／（Ｖ_Ｒ＋１）＝Ｕ_１
この制御が基準電極１の電位Ｕ_１ひいてはコモンモード入力電圧（Ｕ_２＋Ｕ_３）／２に対してどのように影響するかということが、以下の表に示された例にて例解されている。

上記にてすでに記載されたように、ここに記載された本発明の有利な実施例による制御では、係数Ｖ_Ｒによって増幅されるように構成されている。このような増幅が行われないと、すなわちＶ_Ｒ＝０の場合、従来の技術から知られている状況になる。つまり、測定電極２，３と基準電極１との間に印加される電圧Ｕ_２１およびＵ_２３双方に対して（Ｕ_２１＋Ｕ_２３）／２＝２Ｖが適用されると、増幅係数が０である（Ｖ_Ｒ＝０）である場合、基準電極１の電位Ｕ_１が２．５Ｖとなり、プリアンプのコモンモード入力電圧が４．５Ｖになる。このことが意味するのは、プリアンプの出力制御領域がすでに完全に限界に達したということである。同様のことが、（Ｕ_２１＋Ｕ_２３）／２＝−２Ｖにも当てはまる。ここでは、０．５Ｖであるプリアンプ５のコモンモード入力電圧が得られ、ここでも、プリアンプ５の出力制御領域がすでに完全に限界に達したことになる。

それに対して増幅係数Ｖ_Ｒ＝１００の場合、著しい改善が行われる。（Ｕ_２１＋Ｕ_２３）／２＝±２Ｖの場合、プリアンプ５のコモンモード入力電圧において２．５±０．０２Ｖの値が得られる。プリアンプ５は実際には、未だ出力制御されていない。その理由はとりわけ、１００の増幅係数に基づいて制御することにより、従来技術で２．５Ｖに一定に維持されている値と格段に異なる基準電極１の電位Ｕ_１、すなわち０．５２Ｖないしは４．４８Ｖである基準電極１の電位Ｕ_１が達成されるからである。

最後にこの表からは、格段に小さな増幅係数でも、状況が著しく改善されることが理解できる。すなわち増幅係数Ｖ_Ｒ＝２により、差信号に対してプリアンプ５の出力制御領域がより活用できるようになることが理解できる。

本発明の有利な実施例による前記の制御方法を実施するための制御回路の具体的な構成が、図２に概略的に示されている。ここでは、制御回路が基準電極１と第１の測定電極２と第２の測定電極３とに接続されているのが示されている。こうすることにより、基準電極１の電位は電極２，３の電位に依存して制御される。こうするため制御装置は、差動増幅器７を有する反転差動増幅回路６を備えている。この差動増幅器７の反転入力端は、第１の抵抗８を介して第１の測定電極２に接続されており、第２の抵抗９を介して第２の測定電極３に接続されている。差動増幅器７の非反転入力端は、プリアンプ５の最大出力電圧の約半分に維持される。ここではプリアンプ５に０Ｖ／５Ｖが供給されるので、該非反転入力端は約２．５Ｖに維持される。最後に、差動増幅器７の出力端は基準電極１に接続されている。

差動増幅器７の反転入力端は、負帰還抵抗１０を介して該差動増幅器の出力端に接続されている。第１の抵抗８、第２の抵抗９および負帰還抵抗１０の絶対値が等しい場合、増幅係数Ｖ_Ｒ＝２が得られる。このことだけでもすでに、プリアンプ５の出力制御領域を格段に良好に活用することができる。このことは、上記の表から理解できる。最後に、負帰還抵抗１０に対してコンデンサ１１が並列接続されている。それによって帯域が制限され、ひいては制御の安定性が改善される。

本発明の有利な実施例による磁気誘導式流量測定装置が、使用される制御手法とともに概略的に示された図である。

本発明の有利な実施例による磁気誘導式流量測定装置が、制御回路とともに概略的に示された図である。

Claims (12)

1. 磁気誘導式流量測定装置であって、
   測定管（４）を通流する媒体の容積流量を測定するために使用され、
   流動方向に対して垂直に延在する磁界成分を有し測定管（４）を貫通する磁界を生成するための磁石と、該媒体にて誘導された電圧を取り出すための第１の測定電極（２）および第２の測定電極（３）と、基準電極（１）と、プリアンプ（５）とが設けられており、
   前記プリアンプ（５）へ、両測定電極（２，３）にて取り出された電位が供給される形式のものにおいて、
   該プリアンプ（５）のコモンモード入力電圧または／および該プリアンプの出力制御領域の電位領域を調整して、前記プリアンプ（５）のコモンモード入力電圧を該プリアンプ（５）の最大出力制御電圧の半分に近似させるための制御回路が設けられていることを特徴とする磁気誘導式流量測定装置。
2. 前記制御装置は基準電極（１）に接続されており、該基準電極（１）の電位を制御するために構成されている、請求項１記載の磁気誘導式流量測定装置。
3. 前記制御装置は第１の測定電極（２）および第２の測定電極（３）に接続されており、
   該基準電極（１）の電位は、測定電極（２，３）の電位に依存して制御される、請求項２記載の磁気誘導式流量測定装置。
4. 前記制御装置は、差動増幅器（７）を有する反転差動増幅回路（６）を備えており、
   前記差動増幅器（７）の反転入力端は、第１の抵抗（８）を介して第１の測定電極（２）に接続されており、第２の抵抗（９）を介して第２の測定電極（３）に接続されている、請求項３記載の磁気誘導式流量測定装置。
5. 前記差動増幅器（７）の非反転入力端は、プリアンプ（５）の最大出力電圧の約半分に維持される、請求項４記載の磁気誘導式流量測定装置。
6. 前記差動増幅器（７）の出力端は、基準電極（１）に接続されている、請求項４または５記載の磁気誘導式流量測定装置。
7. 前記差動増幅器（７）の反転入力端と該差動増幅器（７）の出力端とを接続する負帰還抵抗（１０）が設けられており、
   たとえば、前記負帰還抵抗（１０）に対してコンデンサ（１１）が並列接続されている、請求項４から６までのいずれか１項記載の磁気誘導式流量測定装置。
8. プリアンプ（５）として差動増幅器が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の磁気誘導式流量測定装置。
9. 磁気誘導式流量測定装置のための測定方法であって、
   測定管（４）を通流する媒体の容積流量を測定するためのものであり、
   該磁気誘導式流量測定装置は、磁石と、第１の測定電極（２）と、第２の測定電極（３）と、基準電極（１）と、プリアンプ（５）とを有しており、
   前記磁石によって、流動方向に対して垂直に延在する磁界成分を有し該測定管（４）を貫通する磁界を生成し、
   前記第１の測定電極（２）および第２の測定電極（３）によって、該媒体にて誘導された電圧を取り出し、
   前記プリアンプ（５）へ、両測定電極（２，３）にて取り出された電位を供給する形式の方法において、
   前記プリアンプ（５）のコモンモード入力電圧または／および該プリアンプ（５）の出力制御領域の電位領域を調整し、該プリアンプ（５）のコモンモード入力電圧を該プリアンプ（５）の最大出力電圧の半分に近似させることを特徴とする測定方法。
10. 前記基準電極（１）の電位を、前記測定電極（２，３）の電位に依存して制御する、請求項９記載の測定方法。
11. 前記基準電極（１）の電位を前記測定電極（２，３）の電位に依存して制御するため、差動増幅器（７）を有する差動増幅回路（６）を使用し、
    前記差動増幅器（７）の反転入力端は、第１の抵抗（８）を介して第１の測定電極（２）に接続されており、第２の抵抗（９）を介して第２の測定電極（３）に接続されており、
    該差動増幅器（７）の非反転入力端を、該プリアンプ（５）の最大出力電圧の約半分に維持し、
    該差動増幅器（７）の反転入力端は、負帰還抵抗（１０）を介して該差動増幅器（７）の出力端に接続されており、
    前記出力端は、基準電極（１）に接続されている、請求項１０記載の測定方法。
12. 帯域を制限するため、前記負帰還抵抗（１０）に対して並列接続されたコンデンサ（１１）を使用する、請求項１１記載の測定方法。

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