JP2013217921A - 磁気誘導型流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定管の充填度を可能な限り簡単なやり方で、特に、流量の測定と可能な限り同時に行なうことのできる磁気誘導型流量測定装置を提供すること。
【解決手段】測定管路の外側に配置された少なくとも１つの副磁場形成装置が、前記測定管路を少なくとも部分的に貫通する、とりわけ交番する副磁場を形成するために設けられ、該副磁場は、前記測定管路の長手軸に対して実質的に平行に、当該測定管路の領域内に少なくとも部分的に延在し、前記領域には前記２つの電極が配置されるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定管路と、該測定管路の長手軸に対して実質的に垂直に当該測定管路を少なくとも部分的に貫通する、とりわけ交番する磁場を形成するための磁場形成装置と、とりわけ媒体と接触し、通流する前記媒体内に誘導される測定電圧を取り出すための少なくとも２つの電極とを備える、前記通流する媒体の流量測定のための磁気誘導型流量測定装置に関する。

流れる媒体の流量測定のための磁気誘導型流量測定装置の基礎となる原理は、流れる媒体の流速を測定するために電気力学的な誘導の原理を使用することを１８３２年に既に提唱していたファラデーにまで遡る。ファラデーの電磁誘導の法則によれば、キャリアを一緒に運び且つ磁場を貫通する、流れる媒体において、流れ方向に対して垂直な方向および磁場に対して垂直な方向に電界強度が発生する。ファラデーの電磁誘導の法則は、磁気誘導性の流量測定装置では、電流が流れる２つの磁気コイルを通常有している磁場形成装置を用いて磁場が形成され、その磁場が少なくとも部分的に測定管を通って案内されることによって十分に利用される。この際、形成された磁場は、流れ方向に対して垂直方向に延びる少なくとも１つの成分を有している。磁場内では、この磁場を通って移動し、且つ、所定数のキャリアを有する、流れる媒体の各体積要素が、この体積要素内に発生する磁場強度でもって、電極を介して取り出すことができる測定電圧に対する絶対値を供給する。

導電性の媒体の流量を検出するためには、測定管が完全に媒体で充填されていること、または、完全に充填されていない場合には、充填度が少なくとも既知であり、それにより測定値を適切に補正できることが必要とされる。その種の補正値および補正値の決定は例えば特許文献１において議論されている。測定管の充填の尺度を、特許文献２に記載されているように、例えば容量的に求めることができる。その際、複数の電極が誘電体としての媒体と共にコンデンサを形成し、その容量が測定される。特許文献３によれば、測定管内の流体の充填状態が伝播時間法によって求められる。部分的にしか充填されていない測定管に関する測定も、特許文献４に従い、測定管の上方に配置されている電極が導電性の突起部を有しており、この突起部が測定管内に存在し、且つ、測定動作時に媒体と接触していることによって実現される。特許文献５には、流量と充填度を交互に測定することが開示されており、この測定に関しては、一方では定常磁場が形成され、他方では交番磁場が形成される。

従来技術からは、部分的に異なる測定原理を組み合わせ、充填状態及び流量に関する情報を取得することが明らかにされている。部分的に、流量および充填状態に関する値は、異なる時点においても取得される。

DE 196 37 716 C1 DE 196 55 107 C2 DE 20 2004 009 798 U1 DE 10 2009 045 274 A1 DE 28 56 240

したがって本発明の課題は、測定管の充填度を可能な限り簡単なやり方で、特に、流量の測定と可能な限り同時に行なう、基本的な構造については冒頭において説明した磁気誘導型流量測定装置を提供することである。

本発明にしたがい構成されている磁気誘導性の流量測定装置は差し当たり、また実質的に、測定管を少なくとも部分的に通過する副磁場、特に交番的な副磁場を形成するための少なくとも１つの副磁場形成装置、特に測定管の外側に配置されている少なくとも１つの副磁場形成装置が設けられていることを特徴とする。副磁場は少なくとも部分的に、２つの電極が設けられている測定管の領域において、測定管の長手方向軸に実質的に平行に延在している。

例えば繊維強化ポリマー又は非磁性金属から成る測定管内には、導電性の媒体に作用する２つの磁場が形成される。このことは、本来の流量測定に使用され、また、長手方向軸に対しても、したがって一般的には媒体の流れ方向に対しても、電極間に延びる想定された接続軸に対しても垂直方向に延びる磁場が差し当たり形成される。この磁場は、２つの電極によって取り出すことができる誘導電圧源となるものである。

さらに、長手軸に並行している副磁場が形成される。従ってこの副磁場は、最初に挙げた磁場に垂直であり、かつ２つの電極が位置している面に垂直であり、測定管路が媒体によって充填されている程度を求めるために用いられる。ここでこの副磁場は、有利には２つの電極の間の測定面にわたって均一である。この副磁場によって生じ、これら２つの電極に加わる電圧はここで、副磁場が通る媒体ないしは媒体の質に依存する。従ってこの電圧ないしは、２つの電極によって検出される電圧信号の電圧成分は、媒体充填レベルの尺度となる。

ある形態では、これらの電極によって、殊に電圧信号の形態の信号が検出される。この電圧信号は全体的に、２つの磁場の作用の重畳によって生じる。これによって、流量と充填度合いとを同時に測定することができ、流量測定値を適切に修正することができる、という利点が得られる。１つの信号から、流量と充填レベル（以降では充填レベルとは一般的に、媒体による測定管路の充填度合いに対する尺度のことである）に関する２つの情報を容易に引き出すために、有利な形態では殊に、磁場形成装置が第１の周波数で変化する磁場を形成し、副磁場形成装置が第２の周波数で変化する副磁場を形成する。この場合には第１の周波数と第２の周波数は異なっている。第１の周波数が少なくとも１Ｈｚ〜１００Ｈｚの間にある場合には、副磁場用の第２の周波数は例えば１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの間にある。続いて、測定信号の評価が、有利には、例えば信号全体を周波数フィルタリングすることによって周波数選択的に行われる。

別の形態では、それぞれ交番磁場として形成されている磁場ないしは副磁場の周波数経過は、異なった形状を有している。従ってある形態では、副磁場は交流電流によって、または線形に周波数を鋸歯状経過等で変える信号によって形成される。磁場はここでは別の周波数経過または同一の周波数経過を有することができる。明確に異なっている周波数によって、信号はより良好に分離される。択一的な形態では、または例えば較正の目的で、２つの測定を別個に行うことができる。これは、磁場形成装置ないしは副磁場形成装置が相応に駆動制御されることによって行われる。副磁場形成装置は殊に、場合によっては金属製である測定管路壁部と電気的に絶縁されて設けられており、例えば測定管路外部またはライナーに配置されている。

以降の形態は、電極の有利な構成に関する。１つの形態では、殊に実質的に同一の構造を有している２つの電極は実質的に帯状である。充填レベルをできるだけ良好に特定するために、測定管路の円周をできるだけ大きく包囲することが有利である。従って、この円周に沿って長手軸が配向されている帯状の電極が提供される。この場合にはこれら２つの電極は、測定管路の長手軸に沿って、実質的にある高さで相互に向かい合って位置している。ある形態では、少なくとも１つの帯状電極は、測定管路の内周のほぼ半分を回って延在している。帯状電極の利点は、点状電極と比べて、「より深く」媒体内に入り込み、これによって、測定管路内壁近傍において局所的なノイズにあまり影響されなくなる、ということである。さらに、媒体表面上の泡形成に対する影響の受けやすさが低減され、最終的に、媒体のフロープロファイルにおけるノイズへの依存性が低減される。

上述した形態は実質的に、磁気−誘導性流量測定装置の部分的に既知の形態に関する。ここでは２つの電極が異なって形成されていても、同一に形成されていてもよい。電極の形状の変化によって、副磁場に関連しても、電極と境界を成している測定面の領域において副磁場ができるだけ均一になる。さらに電極は、媒体に接触していても、または媒体に接触していなくてもよい。付加的な形態では、２つよりも多くの電極が設けられている。以降の形態は、この測定装置によって媒体の充填レベルも求められるということに、より強く関連している。

以下の実施形態に対して、有利には、特に帯状の電極が設けられている。しかしながら基本的に、他の電極形状を使用すること、又は、互いに異なる電極同士を組み合わせることも可能である。関心のある誘導電圧、及び、電荷分離によって媒体内に生じた電圧は、基本的に、電極の任意の箇所から取り出すことができる。

１つの実施形態においては、−特に帯状の−２つの電極は、それぞれ２つの端面を有しており、これらの電極を例えば測定管路の円周に沿って配置する場合には、２つの電極の一方の電極の端面は、それぞれ他方の電極の端面に隣接している、つまり、隣接する電極端面のペアは合計で２つ存在する。帯状の電極が測定管路の側面に取り付けられる場合には、測定管を実質的に水平に横たえる場合、一方のペアの２つの端面は、流れる媒体よりも下側に位置し、他方のペアの２つの端面は、流れる媒体よりも上側に位置している、乃至、重力の作用方向に相互にずらされている。驚くべきことに、２つの電極の電位を、隣接する２つの電極端面の近傍で取り出すと有利であることが判明した。特に、隣接する電極端面同士の２つのペアの各々から１つの電圧測定信号をそれぞれ取り出すこともでき、これらの測定信号は、実施形態に応じて個別的に評価されるか、又は、組み合わせて評価される。１つの実施形態においては両方の信号が加算され、他の１つの実施形態においては平均値が形成される。異なる信号取り出しによって、例えば異なる充填状態における較正を回避することができる、乃至は、取り出された各電圧信号によって測定精度を向上することができる。択一的な１つの実施形態においては、信号取り出しは、端面以外の他の電極領域において実施される。付加的な１つの実施形態においては、特に充填状態を測定するために、２つの電極は、端面において測定管路の外側にて互いに短絡される。

上述した実施形態に関連した１つの実施形態においては、少なくとも１つの評価装置が設けられており、この評価装置が、２つの電極のうちの少なくとも１つの電極によって取り出された測定信号を周波数選択的に評価する。１つの実施例において上で説明したように、磁場及び副磁場の周波数は互いに異なっている。従って、この周波数の違いは、評価において、各磁場によって形成された誘導電圧を互いに分離するために使用される。従って、この実施形態においては、評価装置が、２つの電極のうちの少なくとも１つによって取り出された測定信号を周波数選択的に評価する。１つの実施形態においては、相応に構成された評価装置が差し当たり、少なくとも１つの測定信号から補正係数を用いて及び／又は較正データを用いて、媒体の充填状態を算出する。補正係数は、特に２つの電極の領域における流量測定装置の幾何形状に依存している。幾何形状に関連するパラメータは、例えば、電極によって画定された測定面の領域における測定管路の側壁の形状、電極の形状ならびに配置、乃至、２つの電極管の副磁場の性質である。さらに補正係数を、媒体の特性に依存させることもできる。特別な実施形態においては、評価装置が差し当たり、少なくとも１つの測定信号から有効充填状態値を算出して、そこから数値２との乗算により、媒体の充填状態を算出するように、評価装置が構成されている。この実施形態においては、評価装置は、測定信号の評価から、実際に存在する充填状態に相当する充填状態値を決定する。２つの電極の領域における測定管路が円環形の断面を有しているバリエーションにおいて、電極が帯状に構成されていること、及び、側方にて互いに対称的に測定管路上に、例えば内側に取り付けられているということは、特に最後の実施形態に関連している。

隣接する２つの端面が測定管路の周囲に関して互いに間隔を置いており、これらの隣接する端面同士の間の間隔が、−測定管路の中心点から測定して−最大で４５°に相当するというバリエーションは、特に上述した実施形態における２つの電極の構成及び配置に関連している。

１つのバリエーションにおいては、副磁場形成装置は、少なくとも２つのコイルを有する。測定管路の長手方向軸に沿って、２つの電極の前に一方のコイルが配置されており、２つの電極の後ろに他方のコイルが配置されている。１つの実施形態においては、これら２つのコイルは実質的に同一に構成されており、後々の実装時には同一の電流が通流する。２つのコイルの間の間隔は、１つの実施形態においては、測定管路の直径の４分の１よりも小さい。この実施形態は、円環形の断面を有する測定管路に必ずしも関連していないので、測定管路の対向し合う部分同士の間の平均間隔の直径よりも下回ると理解すべきである。

詳細には、本発明の流量測定装置を構成及び発展させる手段は数多く存在する。これに関して、一方では、請求項１を引用する従属請求項を参照し、他方では、図面に関連した以下の実施例の説明を参照されたい。

実質的な機能的作用関係を説明する、流量測定装置の概略立体図 図１に示した測定装置の測定管路を通る断面図 相対的な幾何学形状を説明するための図２の一部を示した図

以下では本発明を図面に基づき詳細に説明する。図１乃至図３には、本発明による測定装置１の１つ変形形態がそれぞれ概略的に示されている。

図１には、測定管路３内の流動可能かつ導電性の媒体２の充填レベルおよび流量を測定する磁気誘導型流量測定装置１が示されている。ここで充填レベルとは一般的に、媒体２によって測定管路３が充填されている尺度ないし程度のことである。この値は、上記の流量を求めるのに重要であり、また本発明による流量測定装置１によって求められる。ここでは、概略的にだけ示したように、測定管路３の上側および下側に磁場を形成するための磁場形成装置４が設けられており、この装置は、測定管路３の長手方向軸５に対して直角に、ひいては殊に媒体の流れ方向２に対して直角に延在している。ここでこの媒体は、例えば（矢印によって示した）流れる液体である。磁場形成装置４はここでは、対向する２つの磁極片として極めて概略的にのみ示されている。この関連において、上記の磁場を形成するコイルは（従来技術から十分に公知であるため）明示していない。

側方には、この実施例において帯状に構成された２つの電極６が設けられており、その接続線は、長手方向軸５に対して直角に、かつ、上で述べた磁場に対して直角になっている。これらの電極６により、媒体２において磁場形成装置４によって形成されかつ誘導される電圧を取り出すことができる。ここでこの電圧は、媒体２の流量に対する尺度である。互いに向き合う２つの電極６は、測定管路３において殊に測定面を構成し、この測定面は、実質的に測定管路３の長手方向軸に対して直角に配置されている。

媒体２の充填レベルを測定するため、副磁場形成装置７が設けられており、この副磁場形成装置は、長手方向軸５に沿って電極６の前後に軸方向に設けられている２つのコイルによって構成される。この装置によって（副）磁場が形成され、この磁場は長手方向軸５の方向に配向され、すなわち、磁場形成装置４によって形成される磁場に対して直角になっている。ここで副磁場形成装置７によって形成される磁場は、殊に２つの電極６によって囲まれる、測定管路３の空間を貫通する。帯状の電極６は２つずつの端面８をそれぞれ有しており、これらの端面は、隣り合う端面８の２つのペアを構成する。端面８は、空間的に互いに離れており、電気的に互いに絶縁されている。流れる媒体２および殊に副磁場形成装置７によって交番に形成される副磁場により、電極６に電圧信号が発生し、この信号によれば、媒体２の流量を求めるために、充填レベルを求めるかまたは少なくとも１つの補正値を求めることができる。２つの電極６によって取り出した電圧信号のこの計算ないしは評価は、この実施例において２つの電極６に直接に接続されている評価装置９によって行われる。（ここで図示していない）別の変形形態では、電極６と評価装置９との間の接続は、別のコンポーネントを介して間接的に行われる。図示した変形形態では、上側ないしは下側の端面８のペアによってそれぞれ測定信号が取り出されて評価ユニット９に供給される。ここでも引き続いて電極６間の相互の電気的な絶縁に注意する。評価回路９により、殊に上記の測定信号を周波数選択的に評価することができる。

図２および図３には、図１の流量測定装置１の、電極６の位置における断面が示されている。ここでわかるのは、電極６が帯状に、この実施例では円形の測定管路３の内周の周りに延在していることである。測定管路３の形状は任意とすることができ、開いたまたは閉じた溝とすることも可能である。２つの電極６は同じに構成され、実質的に互いに対称に配置される。副磁場形成装置７によって形成される副磁場は、この図面の平面に対して垂直であり、磁場形成装置４によって形成される磁場は、図面の平面に対して平行に延在している。電極６の端面８の上側および下側のペアによってそれぞれ測定信号が取り出され、これらの測定信号は、２つの電極６によって側方から囲われる測定面を通って、上記の副磁場が貫通することによって発生する誘導電圧に依存する。図３ではわかり易くするため、測定管路３および電極６を除いて残りのコンポーネントは省略した。

前記測定信号から、有効充填レベルを求めることができる。この有効充填レベルは、図中の構成の場合、媒体２の実際の充填レベルの半分に実質的に相当する（図３参照）。ここでは前記有効充填レベルは、測定管路の底部から上の、測定平面の測定に有効である面Ａを含む有効輸送経路の高さを基準とする。この計算には、磁束の時間的変化から誘導電圧が得られることを適用する。ここで磁束は、面Ａにおける副磁場（Ｂ）全体にわたって面積分により決定される。媒体２の充填レベルの時間的変化（すなわちｄＡ／ｄｔ）により、別の依存性が生じる。それゆえ、とりわけ副磁場（付加的）が交番磁場（ｄＢ／ｄｔ）を生成すると、充填面（Ａ）に対する尺度となる電圧（Ｕ）を取り出すことができる。ここでは、２つの電極６から、特に誘導電圧のみが取り出される。

Ａが、前記２つの電極６間の実効的に有効な面積であり、Ｂが副磁場であるとすると、測定対象である電圧Ｕは基本的に、Ｕ＝Ｂ＊ｄＡ／ｄｔ＋Ａ＊ｄＢ／ｄｔとなる。図３に、電極６相互間の内側領域全体に及び有効充填レベルまで延在する面積Ａを、斜線によって示す。ここでは、充填レベルに依存する交流電流信号Ｕはたとえば、プリアンプと積分回路とを介して求めることができる。Ａ＊ｄＢ／ｄｔの値は、最小直径から最大直径までの測定導管３の直径に依存して、１０〜１００倍変化することができる。このことは、Ａが前記直径の２乗に比例し、Ｂが前記直径に反比例することに拠る。測定を最適化するためには、設定量は交番する副磁場Ｂの周波数におかれる。その際には、Ａ＊ｄＢ／ｄｔの値は１次近似で、磁場Ｂの周波数に比例する。さらに、前記副磁場を生成するために用いられるコイルの巻回数を適切に選択することもできる。その際には、前記副磁場Ｂの大きさ、ひいては、時間的変化Ａ＊ｄＢ／ｄｔに比例する値は、１次近似で、当該副磁場を生じさせるコイルの巻回数に比例する。さらに、磁場Ｂの強度は１次近似で、前記コイル相互間の間隔に反比例するので、当該間隔を変化させることにより、係数ｄＢ／ｄｔに影響を及ぼすこともできる。測定導管３の断面は、構成に応じて、通常は１ｃｍ〜１ｍの間であるから、上述のパラメータにより、基本的に測定導管のどのような直径でも評価装置を用いることができるように、信号振幅を調整することが可能となる。図中の構成では、求められた有効充填レベルに係数２を乗算することにより、実際の充填レベルが得られる。別の幾何学的条件では、実際の充填レベルを求めるために、補正値を相応に求めなければならない。択一的または補足的に、異なる充填レベルにそれぞれ対応する較正データを求め、測定信号の評価時に使用する。

上述の測定機器１によってさらに、従来技術より簡単な手法で、電極６のインピーダンスを測定し、このインピーダンスから、媒体２の導電率の値を求めることも可能になる。前記副磁場は電極６に電圧を生じさせるので、こうするためには、公知の抵抗器を接地に対して並列に接続したり遮断するだけで十分である。

測定導管３の周囲にさらに基準導管１０が設けられている。その代わりの択一的な実施形態では、測定導管３の内側に張られた裏当て内に基準導管１０を入れることもできる。その際には基準導管１０は、電極６によって形成され測定平面となる平面内にあり、基準導管１０は渦電流の測定または監視に用いられる。この渦電流は、測定導管３の材料、媒体２の導電率、測定導管３の内側面にある導電性または磁性の堆積物、または、媒体２中に含まれる導電性または磁性の粒子に依存することがある。前記基準導管１０にはとりわけ、媒体２と接触する部分がない。

Claims (10)

1. 測定管路（３）と、該測定管路（３）の長手軸（５）に対して実質的に垂直に当該測定管路（３）を少なくとも部分的に貫通する、とりわけ交番する磁場を形成するための磁場形成装置（４）と、とりわけ媒体（２）と接触し、通流する前記媒体（２）内に誘導される測定電圧を取り出すための少なくとも２つの電極（６）とを備える、前記通流する媒体（２）の流量測定のための磁気誘導型流量測定装置（１）において、
   とりわけ前記測定管路（３）の外側に配置された少なくとも１つの副磁場形成装置（７）が、前記測定管路（３）を少なくとも部分的に貫通する、とりわけ交番する副磁場を形成するために設けられており、
   該副磁場は、前記測定管路（３）の長手軸（３）に対して実質的に平行に、当該測定管路（３）の領域内に少なくとも部分的に延在し、前記領域には前記２つの電極（６）が配置されている、ことを特徴とする磁気誘導型流量測定装置。
2. 請求項１に記載の磁気誘導型流量測定装置（１）において、
   前記磁場形成装置（４）は、第１の周波数で交番する磁場を形成し、
   前記副磁場形成装置（７）は、第２の周波数で交番する副磁場を形成し、
   前記第１の周波数と前記第２の周波数とは異なる、ことを特徴とする磁気誘導型流量測定装置。
3. 請求項１または２に記載の磁気誘導型流量測定装置（１）において、
   とりわけ実質的に同じように構成された前記２つの電極（６）は、実質的に帯状に構成されている、ことを特徴とする磁気誘導型流量測定装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の磁気誘導型流量測定装置（１）において、
   前記２つの電極（６）は、前記測定管路（３）の長手軸（５）に沿って実質的に同じ高さで互いに対向している、ことを特徴とする磁気誘導型流量測定装置。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の磁気誘導型流量測定装置（１）において、
   とりわけ帯状の前記２つの電極（６）はそれぞれ２つの端面（８）を有し、
   誘導された測定電圧のそれぞれの測定信号が、とりわけ電気的測定タップを前記領域に配置することによって、隣接する一対の前記端面（８）から取り出し可能である、ことを特徴とする磁気誘導型流量測定装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の磁気誘導型流量測定装置（１）において、
   少なくとも１つの評価装置（９）が設けられており、該評価装置は前記２つの電極（６）から取り出された少なくとも１つの測定信号を周波数選択的に評価する、ことを特徴とする磁気誘導型流量測定装置。
7. 請求項６に記載の磁気誘導型流量測定装置（１）において、
   前記評価装置（９）は、前記少なくとも１つの測定信号から、とりわけ前記流量測定装置（１）の、前記２つの電極（６）領域における幾何形状に依存する補正係数を用いて、および／または較正データを用いて、前記媒体（２）の充填レベルを検出する、ことを特徴とする磁気誘導型流量測定装置。
8. 請求項７に記載の磁気誘導型流量測定装置（１）において、
   前記評価装置（９）は、前記少なくとも１つの測定信号から有効充填レベル値を検出し、当該有効充填レベル値と数値２との乗算によって前記媒体（２）の充填レベルを検出する、ことを特徴とする磁気誘導型流量測定装置。
9. 請求項５から８までのいずれか一項に記載の磁気誘導型流量測定装置（１）において、
   前記隣接する端面（８）は、前記測定管路（３）の外周に対し相対的に互いに間隔を置いており、前記隣接する端面（８）間の間隔は最大で４５°の角度に相当する、ことを特徴とする磁気誘導型流量測定装置。
10. 請求項１から９までのいずれ一項に記載の磁気誘導型流量測定装置（１）において、
    前記副磁場形成装置（７）は少なくとも２つのコイルを有し、前記測定管路（３）の長手軸（５）に沿って当該２つのコイルの一方は前記２つの電極（６）の前方に、他方は後方に配置されている、ことを特徴とする磁気誘導型流量測定装置。

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