JP4089769B2 - 磁気誘導形流量計 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流動媒体のための磁気誘導形流量計に関し、ここでこの流量計は測定管と、電磁石と、電流源と、少なくとも2つの測定電極と、評価回路とを有しており、前記の電磁石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磁界を形成するために使用されかつ界磁巻線を有し、前記の電流源は電磁石の界磁巻線にパルス状の直流を界磁電流として供給するために使用され、前記の測定電極は、測定管軸および磁界方向に対して少なくとも実質的に垂直に延在する接続線に沿って配置されており、前記の評価回路は、これらの測定電極の測定電圧を評価して流量信号を形成する。ここで有利には界磁電流を制御する電流制御器および/または電磁石の界磁巻線における電圧を制御または調整するスイッチングレギュレータ、ならびに有利には電磁石の界磁巻線の前段に接続された切り換えブリッジが設けられている。
【0002】
【従来の技術】
流動媒体のための磁気誘導形流量計の基本原理はファラデーにまでさかのぼる。ファラデーは1832年に、電気力学誘導の原理を流速測定に適用することを提案している。ファラデーの誘導法則によれば、荷電体を運びかつ磁界を通過する流動媒体内に電界強度が流れの方向および磁界に対して垂直に発生する。磁気誘導形流量計においてこの法則は、通例2つの磁気コイルからなる磁石が磁界を測定管内の流れ方向に対して垂直に形成するために利用される。この磁界内ではこの磁界を通って運動する流動媒体の各々の体積要素は、この体積要素内に発生する電界強度によって、測定電極を介して取り出される測定電圧に影響を与える。公知の磁気誘導形流量計ではこれらの測定電極は、この測定電極が導電的または容量的に流動媒体に結合されるように形成される。磁気誘導形流量計の著しい特徴は、測定電圧と、管の断面にわたって平均した媒体の流速との間に、すなわち測定電圧と体積要素流との間に比例関係があることである。
【0003】
磁気誘導形流量計は工業分野では最初、交番磁界により駆動されていた。ここではコスト上の理由から、磁界を形成する電磁石は、既存の交流網に接続されており、これによりこの磁界の強度は実質的に正弦波状に変化する。交流電圧により駆動されるこの磁気誘導形流量計では、交流電圧網における変動が直接、電磁石に供給され、したがって変動は完全に磁気誘導形流量計の測定精度に影響する。それでもなお許容できる測定精度を保証するために、交番磁界により駆動される磁気誘導形流量計に対して、電磁石に基準巻線を配置して、この基準巻線に誘導される電圧を測定電極における測定電圧の補正のために使用することが公知である。
【0004】
交番磁界により作動する公知の磁気誘導形流量計の問題は、測定電極に印加される測定電圧が必然的に交流電圧網の周波数を有することである。しかしながら実用上は、例えば流動媒体中の軸方向の電気的な流れによって引き起こされた、電源周波数のノイズ電圧も測定電極に発生する。このノイズ電圧は例えば隣接する管路にポンプを接地することによって発生する。その後このノイズ電圧はファラデーの誘導法則にしたがって発生する測定電圧に重畳される。この問題の結果、交番磁界により作動する磁気誘導形流量計では高い測定精度を保証することはできず、そのため工業分野では限定的にしか使用されない。
【0005】
70年代半ば以来、パルス状の均一磁界により作動する磁気誘導形流量計が次第に評価されるようになっている。すなわちこの磁気誘導形流量計は界磁電流としてのパルス状の直流により作動する。この流量計は、交番磁界によって作動する磁気誘導形流量計に結びついた多くの問題を回避しており、1000分の1程度までの高い測定精度を可能としている。
【0006】
パルス状の均一磁界により作動する磁気誘導形流量計はさらに、測定フェーズにおける磁界が一定であるという利点を有する。時間0で1つの状態から別の状態に変わることのできる磁界は存在しない。これはことの性質上仕方のないことである。なぜならば磁界内にはエネルギーが存在し、このエネルギーをこの磁界からまず取り除き、その後逆の極性のためにエネルギーを再度供給しなければならないからである(ドイツ公開公報第19713751号の図3を参照のこと)。したがって切り換えフェーズが発生し、この切り換えフェーズでは磁界が一定でなく、そのために正確に測定することはできない。この切り換えフェーズはとりわけ2つの理由から障害となる。その1つは切り換えフェーズ中は測定できないことであり、むだな時間が発生することである。また別の1つは、測定電極から到来する磁界周波数の逆数に依存するノイズのため、可能な限りに高い磁界周波数で作動させることが望ましいのであるが、この磁界周波数が切り換えフェーズの時間的な長さによって制限されてしまうことである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上に詳しく説明した磁気誘導形流量計を改善して、上記のシステム固有の切り換えフェーズを、従来公知の磁気誘導形流量計よりも短くすることができ、これにより磁界周波数、すなわち均一磁界が切り換えられる周波数を高められるようにすることである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、測定管と、電磁石と、電流源と、少なくとも2つの測定電極と、評価回路とを備える流動媒体のための磁気誘導形流量計であって、電磁石は、測定管軸に対して少なくとも実質的に垂直に延在する磁界を形成するために使用されておりかつ界磁巻線を有しており、電流源は、電磁石の界磁巻線に界磁電流として使用されるパルス状の直流を給電し、測定電極は、測定管軸および磁界方向に対して少なくとも実質的に垂直に延在する接続線に沿って配置されており、評価回路は、測定電極の測定電圧を評価しかつ流量信号を形成し、界磁電流を制御するための電流制御器または電磁石の界磁巻線における電圧を制御ないしは調整するためのスイッチングレギュレータおよび電磁石の界磁巻線に前置接続された切り換えブリッジ設けられており、付加電流源(14)が設けられており、この付加電流源は、付加電圧源を有しており、この付加電流源を用いて、パルス状の直流である界磁電流の各半波の開始直後に、付加電流が電磁石の界磁巻線に供給される形式の磁気誘導形流量計において、上記の付加電圧源の電圧が、電磁石の界磁巻線の抵抗およびインダクタンスに依存して制御されることを特徴とする磁気誘導形流量計を構成する。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の磁気誘導形流量計の第1の重要な特徴は、付加電流源が設けられており、この付加電流源を用いて、パルス状の直流として存在する界磁電流のその都度の半波の開始の直後に、電磁石の界磁巻線に付加電流を供給することである。
【0010】
ここまでは常に電磁石とこの電磁石の界磁巻線を話題にしてきた。通例、電磁石に界磁巻線とは別にさらに、所定の磁界強度において磁気誘導および磁束を強める素子が所属しており、この素子はしばしば巻線コアとして実現され、さらに磁極片が設けられることが多い。しかしながら機能的に必要なのは1つの電磁石に対して界磁巻線1つだけである。つまり界磁巻線はそれ自体で電磁石である。したがって以下においても場合によっては界磁巻線についてだけ話題にし、電磁石の界磁巻線および電磁石については話題にしない。
【0011】
ここで話題にしている形式の磁気誘導形流量計は通常、界磁巻線を1つずつ備える2つの電磁石を有している。しかしながら機能的に必要なのは1つの電磁石と、1つの界磁巻線だけである。通常のように2つの電磁石に界磁巻線が1つずつ設けられている場合、これらの界磁巻線は通常、直列に接続される。しかし以下では1つの電磁石ないしは1つの電磁石の界磁巻線についてのみ話題にすることが多い。本発明にとって課題およびその解決手段の点から重要なことは、界磁巻線が2つ設けられているか、または界磁巻線が1つだけ設けられているかに依存しない。
【0012】
インダクタンスLおよび抵抗Rを備える界磁巻線に直流電圧が印加されているとすると、この界磁巻線を流れる直流電流は、インダンクタンスLの抵抗Rに対する比から決まる時定数で増加する。界磁巻線が所定のインダクタンスLを有する場合、所望の小さな時定数は大きな抵抗Rによって達成することができる。しかし界磁巻線の抵抗Rは全体的には不利である。なぜならばこの抵抗Rにおいて電力ないしは電気エネルギーが消費されるからであり、これは機能的にみれば不要であり、したがって所望しないものである。それ自体所望される、界磁巻線に対する小さな時定数は、この界磁巻線の抵抗Rを比較的大きく選択することによっては実現できない。
【0013】
所望の定常状態すなわち界磁電流目標値ISに対しては、オームの法則から得られる電圧Uだけが必要であり、この所要の電圧Uは界磁電流目標値ISと界磁巻線の抵抗Rとの積から得られる。界磁電流目標値ISに迅速に到達するため、従来の技術では切り換え時点に界磁巻線に電圧UU(UU=切り換え時点での電圧)を印加する。この電圧は界磁電流目標値ISに対して定常的に必要な電圧Uよりも高い電圧である。その次に界磁電流Iが界磁電流目標値ISに達した後、界磁電流Iがさらに上昇しないようにしなければならない。しかしこの界磁電流Iに作用する手段は必ずこの界磁電流Iを、電圧UUと界磁巻線の抵抗Rとから得られる値にまで上昇させる。
【0014】
従来公知の磁気誘導形流量計には、界磁電流Iを界磁電流目標値ISに制御する電流制御器も、電磁石の界磁巻線における電圧Uを制御/ないし調整するスイッチングレギュレータも所属している。この流量計を電流制御器だけで作動させると、この電流制御器内で電力ないしは電気エネルギーが消費されることになる。この電力ないしは電気エネルギーは、電圧UUおよび電圧U間の差分と、界磁電流目標値ISとの積である。電磁石の界磁巻線における電圧Uを制御または調整するスイッチングレギュレータにより流量計を付加的に作動させることにより、電流制御器において電力ないしは電気エネルギーの消費が格段に低減されることが保証される。
【0015】
上の「切り換え時点における高められた電圧UU」という手段に関連して、したがって電流制御器および場合によっては付加的にスイッチングレギュレータに関連して達成されるのが従来技術である。本発明では付加的にまたは上に説明した手段の代わりに付加電流源を設け、この付加電流源を用いて、パルス状の直流として存在する界磁電流Iのその都度の半波の開始の直後に(かつ短時間だけ)付加電流IZを界磁巻線に供給する。この付加電流IZないしはこれに結びついたエネルギーにより、切り換え時点の前に磁界にまだ保持されている磁界のエネルギーから比較的短い時間で付加的なエネルギーが除去され、これにより切り換えフェーズ、すなわち切り換え時点と界磁電流目標値IS到達時点との間の時間を格段に短縮することができる。
【0016】
詳細な点では、上で基本的な動作方式によって説明した本発明による磁気誘導形流量計を構成および発展させるために種々のやり方がある。これについては請求項1の従属請求項または有利な実施例の説明図面を関連して参照されたい。
【0017】
【実施例】
図1に示したように矢印で示した流動媒体1のための磁気誘導形流量計には、測定管2と、電磁石と、電流源6と、2つの測定電極8と、評価回路10とが所属している。上記の電磁石は、測定管軸3に対して少なくとも実質的に垂直に延在する磁界4を形成するために使用されておりかつ界磁巻線5を有しており、その他の点では図示されていない。上記の電流源6は、電磁石の界磁巻線5に界磁電流Iとして使用されるパルス状の直流を給電する。上記の測定電極8は、測定管軸3および磁界方向に対して少なくとも実質的に垂直に延在する接続線7に沿って配置されている。上記の評価回路10は、測定電極8の測定電圧を評価し、矢印9によってしめされた流量信号を形成する。
【0018】
本発明がその出発点とする従来技術においては磁気誘導形流量計に、図1に示したものの他に図2から得られる手段ないしは機能ユニットが所属している。
【0019】
図2に回路によって概略的に示した磁気誘導形流量計でまず重要であるのは、電流制御器11が設けられていることである。この電流制御器11は界磁電流Iを所望の界磁電流目標値ISに制御する。さらに界磁巻線5における電圧Uを制御または調整するスイッチングレギュレータ12が設けられている。電流制御器11およびスイッチングレギュレータ12がどのような機能を有するかについては上記の説明を参照されたい。
【0020】
ここで話題にしている従来公知の磁気誘導形流量計は、本発明による磁気誘導形流量計と同様にパルス状の均一磁界により作動する。したがって界磁巻線5に、界磁電流Iとしてパルス状の直流が流れるようにする。これは2つの実施例すなわち従来技術に所属する図2の実施例においても、本発明による図3の実施例においても、界磁巻線5の前段に切り換えブリッジ13を接続することによって実現される。したがって界磁巻線5において界磁電流Iとしてのパルス状の直流は、図2および3に図示されていない電流源6の極性を変えることによって実現されるのではなく、むしろ界磁巻線5を切り換えブリッジ13を用いて極性反転させることによって実現される。この切り換えブリッジ13は当然電子的に構成される。
【0021】
本発明の磁気誘導形流量計に第1に重要なことは、図3に示したように付加電流源14が設けられていることである。この付加電流源14を用いて、パルス状の直流として存在する界磁電流Iのその都度の半波の開始直後に、付加電流IZを電磁石の界磁巻線5に供給する。この実施例では付加電流源14は、付加電圧源15と、この付加電圧源15に後置接続されている蓄積コンデンサ16と、この蓄積コンデンサ16に後置接続されている給電スイッチ17とから成る。この付加電流源14は、電磁石を流れる界磁電流Iの界磁巻線5に依存して制御可能である。詳しくいうと付加電圧源15の電圧UZ(この電圧に蓄積コンデンサ16が付加電圧源15によって充電される)は、電磁石の界磁巻線5の抵抗RとインダクタンスLとに依存して制御可能である。
【0022】
定常状態時すなわち界磁巻線5を流れる界磁電流Iが界磁電流目標値ISに相応する場合、給電スイッチ17は阻止状態にあり、界磁電流Iは付加電流源14により影響されない。その都度の定常状態に続く切り換え時点、すなわち界磁電流Iとして界磁巻線5を流れるパルス状の直流のその都度の半波の開始直後に給電スイッチ17を導通状態に制御する。これにより蓄積コンデンサ16から付加電流IZが電磁石の界磁巻線5を流れる。言い方を換えると、蓄積コンデンサ16に蓄積された静電エネルギーから界磁巻線5の電磁エネルギーが得られ、この電磁エネルギーが界磁巻線5に最初のうちにまだ存在する電磁エネルギーに反作用し、これにより切り換えフェーズが短縮される。電磁石の界磁巻線5を流れる界磁電流1としてのパルス状の直流が界磁電流目標値ISに相応する瞬間に、給電スイッチ17は阻止状態に制御され、これにより付加電流源14から界磁巻線5にさらなる付加電流IZが流れないようにする。
【0023】
図3に回路によって概略的に示した、本発明による磁気誘導形流量計の実施例にとって別の重要なことは、マイクロコントローラ18が設けられていることである。図示の実施例ではマイクロコントローラ18はいわば本発明による磁気誘導形流量計の中央機能ユニットである。まずスイッチングレギュレータ12は、界磁巻線5を流れる界磁電流Iに依存して、アナログ/デジタル変換器19を介してマイクロコントローラ18により制御される。このマイクロコントローラ18を介して切り換えブリッジ13も制御可能である。最終的に付加電流源14も、電磁石の界磁巻線5を流れる界磁電流Iに依存して、アナログ/デジタル変換器19を介してマイクロコントローラ18により制御することができる。
【0024】
最後に図3は、電磁石の界磁巻線5に磁界センサ、例えば基準巻線20および/またはホールセンサ21が配属されている点で有利な実施例を示している。界磁巻線5に配属された磁界センサによって達成されることについては反復をさけるためにドイツ公開公報第19713751号を参照されたい。
【0025】
図4の線図は磁気誘導形流量計の電磁石の界磁巻線5における界磁電流Iを時間tについて示している。
【0026】
1点鎖線は界磁電流Iの経過を、界磁巻線5に所望の界磁電流目標値ISのために必要な電圧だけが印加されている場合に示している。切り換えフェーズすなわち界磁電流目標値ISに到達するまでの時間は比較的長い。
【0027】
破線は界磁電流Iの時間経過を、従来技術に所属する図2に示した実施例の場合に示しており、したがってここでは電流制御器11とスイッチングレギュレータ12が設けられている。切り換え時点において界磁巻線5の電圧は、定常状態に対する電圧すなわちすなわち界磁電流目標値ISに到達した後の時間に対する電圧よりも格段に大きいことが必要であり、これにより界磁電流Iが比較的急峻に上昇し、ひいては切り換えフェーズが短縮される。
【0028】
実線により界磁電流Iの時間tについての経過が本発明の磁気誘導形流量計に対して示されている。切り換え時点において付加電流源14に起因する付加電流IZが電磁石の界磁巻線5に供給されることにより、界磁電流Iはさらに急峻に上昇し、切り換えフェーズがさらに短縮される。
【図面の簡単な説明】
【図1】磁気誘導形流量計の一般的な説明をするための概略図である。
【図2】公知の磁気誘導形流量計の概略回路図である。
【図3】本発明による磁気誘導形流量計の有利な実施例の概略回路図である。
【図4】本発明の原理を説明する線図である。
【符号の説明】
1 流動媒体
2 測定管
3 測定管軸
4 磁界
5 界磁巻線
6 電流源
7 接続線
8 測定電極
10 評価回路
11 電流制御器
12 スイッチングレギュレータ
13 切り換えブリッジ
14 付加電流源
15 付加電圧源
16 蓄積コンデンサ
17 給電スイッチ
18 マイクロコントローラ
19 アナログ/デジタル変換器
20 基準コイル
21 ホールセンサ

Claims (9)

  1. 測定管(2)と、電磁石と、電流源(6)と、少なくとも2つの測定電極(8)と、評価回路(10)とを備える流動媒体(1)のための磁気誘導形流量計であって、
    前記電磁石は、測定管軸(3)に対して少なくとも実質的に垂直に延在する磁界(4)を形成するために使用されておりかつ界磁巻線(5)を有しており、
    前記電流源(6)は、電磁石の界磁巻線(5)に界磁電流(I)として使用されるパルス状の直流を給電し、
    前記測定電極(8)は、測定管軸(3)および磁界方向に対して少なくとも実質的に垂直に延在する接続線(7)に沿って配置されており、
    前記評価回路(10)は、測定電極(8)の測定電圧を評価しかつ流量信号を形成し、
    界磁電流(I)を制御するための電流制御器(11)または前記電磁石の界磁巻線(5)における電圧を制御ないしは調整するためのスイッチングレギュレータ(12)および電磁石の界磁巻線(5)に前段に接続された切り換えブリッジ(13)が設けられており、
    付加電流源(14)が設けられており、
    該付加電流源(14)は、付加電圧源(15)を有しており、
    該付加電流源(14)を用いて、パルス状の直流である界磁電流(I)の各半波の開始直後に、付加電流(I )が電磁石の界磁巻線(5)に供給される形式の磁気誘導形流量計において、
    前記付加電圧源(15)の電圧(U )が、電磁石の界磁巻線(5)の抵抗(R)およびインダクタンス(L)に依存して制御されることを特徴とする
    磁気誘導形流量計。
  2. 前記付加電流源(14)は、前記付加電圧源(15)に後置接続されている蓄積コンデンサ(16)と、該蓄積コンデンサ(16)に後置接続されている給電スイッチ(17)とから構成されている、
    請求項1に記載の磁気誘導形流量計。
  3. 前記給電スイッチ(17)は、パルス状の直流である界磁電流(I)の各半波開始直後に導通状態に制御される
    請求項に記載の磁気誘導形流量計。
  4. 前記給電スイッチ(17)は、電磁石の界磁巻線(5)を流れる界磁電流(I)が界磁電流目標値(I)に達した場合に阻止状態に制御される
    請求項2または3に記載の磁気誘導形流量計。
  5. マイクロコントローラ(8)が設けられている
    請求項1からまでのいずれか1項に記載の磁気誘導形流量計。
  6. スイッチングレギュレータ(12)が設けられており、
    スイッチングレギュレータ(12)は、電磁石の界磁巻線(5)を流れる界磁電流(I)に依存して、アナログ/デジタル変換器(19)を介してマイクロコントローラ(18)により制御される
    請求項に記載の磁気誘導形流量計。
  7. 切り換えブリッジ(13)が設けられており、
    切り換えブリッジ(13)はマイクロコントローラ(18)を介して制御される
    請求項またはに記載の磁気誘導形流量計。
  8. 前記付加電流源(14)は、電磁石の界磁巻線(5)を流れる界磁電流(I)に依存して、アナログ/デジタル変換器(19)を介してマイクロコントローラ(18)により制御される
    請求項からまでのいずれか1項に記載の磁気誘導形流量計。
  9. 電磁石の界磁巻線(5)に磁界センサが割り当てられている
    請求項1からまでのいずれか1項に記載の磁気誘導形流量計。
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