JP3899225B2 - 磁気誘導式流量測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界を発生する磁気コイルの励磁を間欠的に生じさせ、測定期間がそれぞれ正確に磁界の１つの正の半周期と磁界の１つの負の半周期を含んでおり、さらに測定期間が付加的に、磁界の第１の半周期の前と磁界の第２の半周期の後に、それぞれ１つの領域を含んでいる、通流媒体の磁気誘導式流量測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通流媒体に対する磁気誘導式流量測定装置の基本的な原理は、既に１８３２年に提案されたファラデーの法則に基づいている。この電磁誘導の原理は、流速測定のために用いることができる。このファラデーの誘導法則によれば、電荷キャリヤを運び磁界を貫流する通流媒体中に電磁界が通流方向と磁界に対して直角方向に生じる。この法則は、磁気誘導式流量測定装置のもとで２つの磁気コイルからなる磁石が、規則的に測定管路内の通流方向に対して直角方向に磁界を生じることによって利用される。この磁界内では、磁界を通って移動する各通流媒体の体積要素がこの体積要素に生じる磁力と共に、測定電極を介してピックアップされた測定電圧に対する絶対値を供給する。この測定電極は、公知の磁気誘導式流量測定装置では、通流している媒体とガルバニック結合か又は容量結合されるように実施される。磁気誘導式流量測定装置の大きな特徴は、測定電圧と、管路横断面に亘って平均化された媒体の通流速度との間の比例関係、すなわち測定電圧と体積流量との間の比例関係である。
【０００３】
磁気誘導式流量測定装置の磁界は、次のことによって生成される。すなわち２つの磁気コイルに励磁電流が供給されることによって生成される。その際測定信号の障害は、非理想的な励磁電流や通流媒体自体の作用によって生じ得る。通流媒体自体の作用の場合、その起因は例えば電極と通流媒体との間の反応によって生じる電気化学的な障害にある。そのような例の典型は、測定信号に重畳される低周波ノイズである。従来の磁気誘導式流量測定装置（これは連続的に動作する、すなわちその磁気コイルに対する励磁電流が正ないし負の半周期の間で休みなしに交互に切換わる）では、測定信号に対するそのような低周波障害が、次のことによって補償可能である。すなわち測定信号に重畳される線形的なドリフトが抑圧できる簡単なフィルタを用いる事によって補償できる。
【０００４】
例えば磁気誘導式流量測定器のバッテリ稼働を可能にするために、磁気誘導式流量測定器のエネルギ消費を低減することが望まれる。その際のエネルギの最大部分は、磁気コイルにおける磁界の形成に消費される。この事実の考慮下で、例えば米国特許出願 US-A 4,766,770 明細書では、磁界を発生する磁気コイルの間欠的な励磁が提案されている。励磁電流と測定信号は、この場合正と負の半周期からなるサイクルで形成される。この場合これらの個々のサイクルは、励磁の行われない領域によって相互に分離されている。この場合の測定値は、１つの完全なサイクルの後でのみ送出され得る。なぜなら各測定値は、少なくとも２つの半周期から形成されなければならないからである。しかしながら１つのサイクルの最後の半周期と、それに続くサイクルの最初の半周期は、それらの間に介在する励磁なしの領域のために、当該２つの半周期から測定値を算出し得るには過度に離れすぎている。
【０００５】
測定期間に対応付けされる測定値の２つの半周期として、ゼロラインに対する測定信号によって囲まれた面に相応する値が定められる。この場合いずれにしても正の半周期によって囲まれた面が正で計算され、負の半周期によって囲まれた面が負で計算されるならば、測定信号に対するゼロラインの選択は臨界的にはならない。以下では簡単化のために、線形的に経過する障害に基づいて説明を続ける。この障害は、少なくとも一次近似において実際の測定動作中に現れる障害に相応するものである。しかしながらそのような測定信号に重畳する線形的な障害は、測定値の検出に際して以下に述べるような問題を生じる。
【０００６】
負の傾斜を有する障害を伴う信号の場合、測定信号特性曲線の下での平面値は、障害のない信号の場合よりも幾分大きい。これとちょうど逆の状況は、正の勾配を有する障害が重畳している信号の場合に生じる。このケースでは、１つの半周期によって囲まれた各面がそれぞれの所期の値に対して過度に小さい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の磁気誘導式流量測定方法において、一方では省エネであり、他方では障害の重畳された測定信号のもとでも簡単かつ高精度な測定信号の検出が可能となるように改善を行うと共に、そのような方法を実現し得る磁気誘導式流量測定装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題は本発明により、測定信号が磁界の正の半周期期間中と磁界の負の半周期期間中に順方向積分され、これによって部分測定値が導出され、測定信号が磁界の最初の半周期直前の１つの半周期持続時間に相応する期間中と、磁界の第２の半周期直後の１つの半周期持続時間に相応する期間中に順方向積分され、これによって部分測定値が導出され、さらにそのつどの測定期間に対応付けされた測定値Ｗが以下の式、
Ｗ＝Ｕ_１−Ｕ_２−1/3（Ｕ_１ａ−Ｕ_２ａ）
に従って算出されるようにして解決される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
最初の半周期の前ないしは後の領域における付加的信号はゼロでなければならないはずではあるが（なぜなら通流する媒体において磁界強度を誘導し得る測定磁界が何も形成されないので）、しかしながら実際に測定された付加的信号は測定信号に重畳されたドリフトに基づいてゼロとは異なり、障害に関する情報を含み得る。そのためこの測定信号は、相応の補正が可能である。
【００１０】
本発明の特に簡単で効果的な補正によれば、測定期間が、それぞれ正確に磁界の１つの正の半周期と磁界の１つの負の半周期とからなり、測定信号が磁界の正の半周期期間中と磁界の負の半周期期間中に順方向積分され、これによって部分測定値Ｕ₁,Ｕ₂が導出され、測定信号が磁界の最初の半周期直前の１つの半周期持続時間に相応する期間中と、磁界の最後の半周期直後の１つの半周期持続時間に相応する期間中に順方向積分され、これによって部分測定値Ｕ_1a,Ｕ_2aが導出され、さらにそのつどの測定期間に対応付けされた測定値Ｗが以下の式、
Ｗ＝Ｕ₁−Ｕ₂−１/３(Ｕ_1a−Ｕ_2a)
に従って算出される。また可及的に望まれる連続的な測定方法への特に簡単な移行のために有利には、前記測定期間は、そのつど常に同じ半周期でもって開始され、例えば常に正の半周期でもって開始されるか、又は常に負の半周期でもって開始される。
【００１１】
さらに前述した課題を解決するために本発明によるさらに別の手法によれば、測定期間がそれぞれ同じ偶数個の半周期を有しており、これらの順次連続する測定期間は、磁界の正の半周期ないしは磁界の負の半周期でもって交互に開始され、測定信号が、順次連続する測定期間中に測定された値の平均化に基づいて検出される。このケースでは、測定期間が正の半周期で開始される場合はいつでもやや過大な値が検出され、測定期間が負の半周期で開始される場合はいつでもやや過小な値が検出されるので、このことに基づいて、測定信号に重畳される障害が実質的に時間的に平均化される。
【００１２】
特に簡単かつ効果的には有利には、測定期間が、それぞれ磁界の正確に１つの正の半周期と磁界の正確に１つの負の半周期からなっており、測定信号はそれぞれ磁界の正の半周期期間中と磁界の負の半周期期間中に、そのつどの部分測定値に対して順方向積分され、測定値の検出のために、磁界の正の半周期期間中ないしは磁界の負の半周期期間中に部分測定値のそのつどの差分から生じる値のシーケンスに、ローパスフィルタリングが施される。
【００１３】
さらに前述した課題を解決するために本発明によるさらに別の手法によれば、測定期間がそれぞれ正確に磁界の偶数個の半周期からなり、各測定期間において測定値の平均化が行われる。部分測定値を平均化によって検出するために、１つの測定期間において、順次連続する全ての半周期が利用されるならば、すなわち常に１つの正の半周期が負の半周期と一緒に利用されるならば、１つの測定期間における奇数個の半周期のもとでは、負の半周期が正の半周期に追従する、過度に大きな測定値の数は、正の半数期が負の半周期に追従する、過度に小さな測定値の数と同じ位に多く検出される。
【００１４】
特に簡単かつ効果的には有利には、前記測定期間はそれぞれ磁界の正確に３つの半周期からなり、測定信号はそれぞれ磁界の３つの半周期の期間中に順方向積分され、これによって部分測定値Ｕ₁,Ｕ₂,Ｕ₃が導出され、それぞれの測定期間に対応付けされた測定値Ｗは、測定期間が２つの正の半周期を含んでいる場合には以下の式、
Ｗ＝０.５（Ｕ₁−２Ｕ₂＋Ｕ₃）
に従って算出され、
測定期間が２つの負の半周期を含んでいる場合には以下の式、
Ｗ＝０.５（−Ｕ₁＋２Ｕ₂−Ｕ₃）
に従って算出される。この場合可及的に望まれる連続的な測定方法への特に簡単な移行のために有利には、前記測定期間は、それぞれ交互に正の半周期ないしは負の半周期と共に開始される。
【００１５】
本発明の対象は、磁界を発生する磁気コイルの励磁が連続的に行われる磁気誘導式流量測定方法でもある。本発明によればこの方法は、磁気コイルの励磁電流が、１つの完全な周期の間にそのつど１つの所定の正の最大値と、絶対値の点で同じ所定の負の最大値に達するように制御され、
励磁電流の所定の正の最大値と所定の負の最大値が、得るべき磁界に対して補正され、少なくとも２つの相互に異なる補正励磁電流のシーケンスの中で用いられることを特徴としている。これによって、一方では磁気誘導式流量測定装置の連続的な稼働に基づいて連続的に測定値を得ることができ、例えば測定信号に重畳される障害信号を平均化によって消去させることが可能となり、また他方では、磁気誘導式流量測定装置の電力消費が、その稼働中の励磁電流の変更、例えば時折の大幅な低減などによって低減される。
【００１６】
しかしながら磁気誘導式流量測定装置の稼働中の励磁電流の変更は、磁界と励磁電流の関係が非線形であるという点では問題となる。それ故に一般的には、励磁電流を所望の値に制御するために、磁界に対して付加的に高価なセンサが必要とされる。しかしながら本発明によれば、少なくとも２つの相互に異なる補正された励磁電流でもって作動する。この場合励磁電流の制御は、一方では省エネ、つまり可及的に少ない励磁電流の可及的に頻繁な利用を行い、かつ他方では測定信号に重畳された障害を可及的に効果的に消去するために、測定信号に関する情報密度の可及的に高いものを求めることとの間で１つの妥協が見つけられるように行われる。
【００１７】
磁界を発生する磁気コイルの励磁が間欠的に行われるケースにおいても、磁気オイルが連続的に稼働されるケースにおいても、前述したような課題を解決し得る本発明による磁気誘導式流量測定装置によれば、適切なパラメトリック、例えば当該流量測定装置の局所的操作によって、又は測定状況の適応的自動識別によって、本発明による方法の１つが選択可能であるように構成される。
【００１８】
本発明の別の有利な実施例及び改善例は従属請求項に記載されている。
【００１９】
【実施例】
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。
【００２０】
図１ａには、磁気誘導式流量測定装置の間欠稼働モードでの測定信号が示されており、この信号は測定期間毎に正確に正の励磁と負の励磁を受けている。この測定期間に対応付けされた測定値は、ゼロラインに対する測定信号で囲まれた面に相応している。その際ゼロラインの位置の選択は任意であり、本発明によれば、このゼロラインは、正の最大の測定信号と負の最大の測定信号の間に存在するように選択されている。測定期間に対応付けされる測定値Ｗは、本発明によれば、以下の式のように測定信号の個々の半周期の面積分の絶対値の和から得られる。
【００２１】
Ｗ＝Ｕ₁−Ｕ₂
１つの測定期間に対応付けされた測定値がこのように検出されるならば、測定信号が障害信号によって重畳されている場合には、測定エラーが生じる。相応のエラー観察結果は図１のｂとｃに示されており、この場合わかりやすくするために経験上この障害がアップ・ダウンを伴って線形に経過していることを前提とする。図１のｂから明らかなことは、測定信号に線形に降下している障害信号が重畳されているケースにおいては、ａの二倍の値分だけ過度に大きい測定値が生じることである。それとは反対に、図１のｃから明らかなことは、測定信号が、線形に上昇する障害信号によって重畳されている場合には、ａの二倍の値分だけ過度に少ない測定値が生じることである。このような問題を消去するために、図２に示されている本発明の第１実施例においては、１つの測定期間に対応付けられた測定値が次のように定められる。すなわち１つの測定期間が、２つの半周期１と２の他にも付加的にさらなる１つの領域１ａを磁界の第１の半周期の前に含み、さらに領域２ａを磁界の最後の半周期の後に含んでいる。これらの領域１ａと２ａでは、測定信号がそれぞれ、半周期の持続時間に相応する測定期間の間、順方向積分される。これにより、部分測定値Ｕ_1aないしＵ_2aが導出される。そのつどの測定期間に対応付けされる測定値Ｗは、以下の式に従って算出される。
【００２２】
Ｗ＝Ｕ₁−Ｕ₂−１/３（Ｕ_1a−Ｕ_2a）
この場合図３からも明らかなように、１つの測定期間に対応付けされた測定値に対し、純粋に線形的な障害ケースにおいて障害信号の完全な消去が生じる。部分測定値Ｕ₁とＵ₂は、それぞれ絶対値ａ分だけ過度に大きく測定される。それに対して第１の半周期の前の部分測定値Ｕ_1aと第２の半周期後の部分測定値Ｕ_2aは、それぞれ正確にａの３倍分に等しい絶対値である。それ故に本発明の第１実施例においては、この事実に基づいて、本来の励磁期間外で測定された値Ｕ_1aとＵ_2aが、障害のある測定信号の相応の補正のために用いられる。
【００２３】
図４には本発明の第２実施例が示されている。この場合１つの測定期間中の励磁が、正確に１つの正と負の半周期と共に行われる。しかしながら順次連続する測定期間における半周期の順序はそのつど入れ替わる。つまり測定期間は、交互に正ないしは負の半周期で開始される。図５のａから明らかなことは、測定期間が正の半周期で開始された場合には、この測定期間に対応する測定値は、ａの二倍に等しい値分だけ過度に大きくなる。図５のｂに示されているように、測定期間が負の半周期で開始される場合には、そのような測定期間に対応付けられる測定値は、ａの二倍分の値だけ過度に小さくなる。この事実は、本発明の第２実施例において利用されており、すなわち順次連続する測定期間に対応する測定値のシーケンスが次のような測定値全体の検出に利用されている。すなわち測定値のシーケンスにローパスフィルタリングが施されるようにして利用される。
【００２４】
図６からは、本発明の第２実施例による励磁と測定のもとでの測定サイクルの時間間隔に依存した測定値のエラーのプロット状態と、従来技法による通常の励磁のもとでの測定サイクルの時間的な間隔に依存して行われる測定サイクルの時間間隔に依存した測定値のエラーのプロット状態が明らかである。ここから明らかなことは、実質的に測定周期の時間的間隔に依存することなく測定エラーの半減が達成されることである。
【００２５】
図７からは、その個々の測定期間がそれぞれ正確に３つの半周期からなっている測定信号が示されている。線形的に降下している障害の重畳されたそのような信号に対しては、図８にエラー観察のもとで求められる測定値が示されている。部分測定値Ｕ₁およびＵ₂がそれぞれ値ａ分だけ過度に大きく検出されるのに対して、部分測定値Ｕ₃は、正確に値ａの３倍分だけ過度に小さい。本発明の第３実施例によれば、測定期間が２つの正の半周期を含んでいる場合には、測定信号に重畳された障害によって補正される測定値が以下の式
Ｗ＝０.５（Ｕ₁−２Ｕ₂＋Ｕ₃）
に従って算出される。また測定期間が２つの負の半周期を含んでいる場合には、以下の式
Ｗ＝０.５（−Ｕ₁＋２Ｕ₂−Ｕ₃）
に従って算出される。純粋に線形に延在する障害の場合には、障害信号が完全に消去されることが達成される。
【００２６】
図９からは、本発明の第４実施例による連続的な励磁のもとで得られる測定信号が明らかである。磁界を発生する磁気コイルの連続的な励磁にも係わらず、磁気誘導式流量測定装置を省エネ的に駆動させるために、磁気コイルの励磁電流は次のように制御される。すなわち完全な１周期の間、すなわち２つの順次連続する正ないし負の半数期の間、正の半周期においては所定の正の最大値が達成され、負の半周期においては絶対値の点で同じ所定の負の最大値が達成される。この場合は、励磁電流の所定の正の最大値と所定の負の最大値が、達成すべき磁界に対して補償される。このようにして、磁気誘導式流量測定装置の稼働中に磁気コイルに必要な励磁電流を所望の磁界に相応するような値に制御するためのセンサ類は必要とされない。励磁電流から形成される磁界の依存性は複雑なので（例えば非線形的）、使用すべき励磁電流は磁気誘導式流量測定装置の本来の稼働前に、達成すべき磁界に対して補正される。このことは励磁電流の次のような制御を可能にする。すなわち比較的大きなないしは比較的小さな磁界を形成するような制御を可能にする。この場合比較的小さな磁界が頻繁に形成されればされるほど、より多くのエネルギ、すなわちより多くの励磁電流が節約できる。このようにして、各測定状況毎に個別に妥協点を見つけることができる。一方での種々の手段による、測定信号に重畳された障害の消去のための比較的高い情報密度と、他方での極僅かな磁界のみの形成によるエネルギの節約との間で１つの妥協点が見つけ出される。
【００２７】
前述した本発明の実施例による方法を実施するために、次のような磁気誘導式流量測定装置が提案される。すなわち当該の全ての方法を実施でき、そのつどの測定状況に依存して最も適した方法が選択可能である、磁気誘導式流量測定装置が提案される。このことは一方では、次のようにして達成可能である。すなわち、磁気誘導式流量測定装置の操作者が、その技術的理解に従って測定状況を分析し、磁気誘導式流量測定装置に設けられる相応の切換装置を用いて前述した方法の１つが選択されるようにして達成される。また他方では磁気誘導式流量測定装置は次のように構成されていてもよい。すなわち測定状況を自動的に分析し、当該磁気誘導式流量測定装置が例えば本来の測定前に、可用の様々な測定方式を用いてサンプル測定を実施し、その後で当該測定方式のどれが最良のエラー補正を提供できるかに関する決断が下される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａは障害を受けていない信号の全周期を概略的に示した図であり、ｂは負の勾配を有し障害を受けている信号の全周期をエラー観察のもとで概略的に示した図であり、ｃは正の勾配を有し障害を受けている信号の全周期をエラー観察のもとで概略的に示した図である。
【図２】本発明の第１実施例における個々の測定期間の前後での間欠稼働中の付加的な測定のもとでの障害信号を概略的に示した図である。
【図３】励磁期間前後での付加的な測定のもとでの負の勾配を有し障害を受けている信号の全周期をエラー観察のもとで概略的に示した図である。
【図４】本発明の第２実施例における間欠稼働モードの励磁のもとでの障害信号を最初に正ないし負の勾配が交互に現れている各測定期間において概略的に示した図である。
【図５】ａは負の勾配を有し障害を受け正の半周期から開始している信号の全周期をエラー観察のもとで概略的に示した図であり、ｂは負の勾配を有し障害を受け負の半周期から開始している信号の全周期をエラー観察のもとで概略的に示した図である。
【図６】本発明の第２実施例における通常の励磁のもとでの時間的な測定サイクルの間隔に依存して測定値のエラーを示した図である。
【図７】３つの半周期を伴う各測定期間において励磁の行われる本発明の第３実施例による間欠稼働モードでの障害信号を概略的に示した図である。
【図８】負の勾配を有し障害を受けている１つの測定期間での信号の３つの半周期をエラー観察のもとで概略的に示している図である。
【図９】本発明の第４実施例のもとで種々異なる励磁電流による励磁を伴った測定モードでの障害信号を示した図である。
【符号の説明】
Ｕ₁ 部分測定値
Ｕ₂ 部分測定値
Ｕ₃ 部分測定値
Ｗ 測定値

Claims (2)

1. 通流媒体の磁気誘導式流量測定方法であって、
   磁界を発生する磁気コイルの励磁を間欠的に生じさせ、測定期間がそれぞれ正確に磁界の１つの正の半周期と磁界の１つの負の半周期を含んでおり、さらに、
   測定期間が付加的に、磁界の第１の半周期の前と磁界の第２の半周期の後に、それぞれ１つの領域を含んでいる形式のものにおいて、
   測定信号が磁界の正の半周期期間中と磁界の負の半周期期間中に順方向積分され、これによって部分測定値（Ｕ_１,U_２）が導出され、
   測定信号が磁界の最初の半周期直前の１つの半周期持続時間に相応する期間中と、磁界の第２の半周期直後の１つの半周期持続時間に相応する期間中に順方向積分され、これによって部分測定値（Ｕ_１ａ,Ｕ_２ｂ）が導出され、さらにそのつどの測定期間に対応付けされた測定値Ｗが以下の式、
   Ｗ＝Ｕ_１−Ｕ_２−1/3（Ｕ_１ａ−Ｕ_２ａ）
   に従って算出される、ことを特徴とする、磁気誘導式流量測定方法。
2. 通流媒体の磁気誘導式流量測定方法であって、
   磁界を発生する磁気コイルの励磁を間欠的に生じさせ、測定期間がそれぞれ磁界の１つの正の半周期と磁界の１つの負の半周期を含んでいる形式のものにおいて、
   測定期間がそれぞれ同じ偶数個の半周期を有しており、これらの順次連続する測定期間は、磁界の正の半周期ないしは磁界の負の半周期でもって交互に開始され、測定信号が、順次連続する測定期間中に測定された値の平均化に基づいて求められることを特徴とする方法。

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