JP4755382B2 - 磁気誘導式流量測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を測定するために、測定管と、測定管軸線に対してその接続線が少なくともほぼ垂直に延在するように配置された２つの測定電極と、測定管軸線に対して少なくともほぼ垂直に延在し時間的に交番変化する磁界を形成する磁石とを備えており、ここで２つの測定電極を介して、測定管を通る媒体の流量を表す測定電圧成分と直流電圧成分とから成る電圧が取り出され、該電圧を用いて流量測定装置において媒体の流量値が求められ、該媒体の流量値が出力される、磁気誘導式流量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気誘導式流量測定計および磁気誘導式の流量測定方法は基本的にはかなり以前から良く知られており、種々の適用分野で多様に使用されている。流体用の磁気誘導型流量測定計の基本原理はファラデーにまで遡り、彼により電磁誘導の原理を流速測定に使用することが１８３２年に提案されている。ファラデーの誘導法則によれば、電荷担体をともなう流体が磁界を通って流れると流れ方向および磁界に対して垂直に電界が発生する。ファラデーの誘導法則は、一般にそれぞれ１つずつの磁気コイルによる２つの磁極から成る磁石により測定管内の流れ方向に対して垂直な磁界を形成する磁気誘導型流量測定計で利用されている。磁界内部では磁界を通って運動する所定数の電荷担体を含む流体の体積要素がこの体積要素内に発生する磁界強度により測定電極で取り出し可能な測定電圧に寄与する。測定電極は周知の磁気誘導型流量測定計では流体と電気化学的に結合されているかまたは容量的に結合されている。磁気誘導型流量測定計の特徴は測定電圧と測定管の断面積で平均された流体の流速とが比例すること、すなわち測定電圧と体積流との比例関係である。
【０００３】
冒頭で述べたように、時間的に交番変化する磁界が形成される。従来技術からはこのための種々の手法が知られている。例えば交流磁界により動作する磁気誘導式流量測定計が可能であり、この場合典型的には磁石の磁気コイルは直接に電源から正弦波形状の５０Ｈｚの交流電圧を給電される。ただし流体によって測定電極間に形成される測定電圧にはトランスを介した障害電圧および電源からの障害電圧が重畳されている。したがってこんにちの磁気誘導式流量測定計は一般に極性反転可能な直流磁界により作動される。このような極性反転可能な直流磁界は、磁石の磁気コイルに対して時間的に矩形の特性を有する電流を供給し、その極性を時間的に交番変化させることにより得られる。また磁気誘導式の流量測定において、磁石の磁気コイルに対して周期的に時間的に矩形のつねに同じ極性を有する電流を供給し、パルス状の直流磁界を用いることもできる。
【０００４】
冒頭に言及した形式の磁気誘導式の流量測定方法は例えば米国特許第５６７７４９６号明細書から公知である。この刊行物では、一方または双方の測定電極でそれぞれ基準電位に対して取り出される電圧の直流電圧成分の値が求められ、この値が、測定管を通る流体の流量を表す値とここでの直流電圧成分の値とから成る測定された流体電圧値から減算される。このようにして直流電圧成分の値による誤差なく、測定管を通る流体流量を表す直接の尺度量となる電圧値が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、この種の磁気誘導式の流量測定方法において、流量の指示以外の付加的な情報をユーザに供給できるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、冒頭に言及した形式の磁気誘導式の流量測定装置において、さらに出力装置が設けられており、該出力装置により、１つまたは２つの測定電極でそれぞれ基準電位に対して取り出された電圧について求められた直流電圧成分値が付加的な情報としてユーザに表示され、また、さらなる処理のためにユーザに供給され、該供給される値は、ユーザが、該値から前記測定管を通る媒体の導電率または電荷担体濃度を求めることができる値であり、前記出力装置には、ユーザが設定した閾値を含む閾値関数部を備えたステータス出力側が設けられており、前記取り出された電圧のうち前記出力装置から出力された直流電圧成分値の変化分が設定された閾値を超えた場合には、シグナリング装置が作動されることにより解決される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、測定電極には磁界を通って誘導される電圧のほかに、別の電圧すなわち電気化学的な障害電圧も発生する効果を利用して、これを磁気誘導式流量測定計のユーザに付加的に利用できる付加情報を提供するために用いる。本発明によりユーザに対して調製される付加情報については、本発明の有利な実施例に則した以下の説明の範囲で触れる。
【０００８】
本発明により利用される電気化学的な障害電圧は、本来は流体と測定電極との接触によって発生し、一方の流体の種々の化学ポテンシャルと他方の測定電極の材料とから生じるコンタクト電位である。ふつうならば障害量を表すこうしたコンタクト電位であるが、本発明によれば、流量値のほかに付加的な測定量をユーザに対して出力するために利用される。この記述は媒体の導電性または電荷担体濃度とは別のパラメータにより送出される。これにより例えば測定管内の媒体変化も電気化学的な障害電圧の変化により検出可能である。
【０００９】
前述したように出力装置が取り出された電圧の直流電圧成分の値を出力するために設けられているという場合、ここでは直流電圧成分の値そのもの、または直流電圧成分の平均値、または測定管を通る流体のｐＨ値など、直流電圧成分に基づいてそこから導出された値が出力されることを意味する。
【００１０】
基本的には各測定電極に対して固有の基準電位を設けることができ、基準電位と各測定電極または流体または測定管などとの電位差は基本的に任意に定めることができる。本発明の有利な実施形態によれば、この基準電位はアース電位である。特にアース電位を基準電位として使用する場合、また他の基準電位を使用する場合であっても２つの測定電極で有利には同じ基準電位が設けられる。特に２つの測定電極に対して基準電位として共通にアース電位が設けられている場合には磁気誘導式流量測定計の構造はきわめて簡単化され、測定信号の評価に結びつくコストも低減される。
【００１１】
基本的には、時間的に交番変化する磁界の所定の周期で基準電位に対して取り出される電圧を、直流電圧成分の値を直接に求めるために使用することができる。ただし本発明の有利な実施形態では、直流電圧成分の値を求めるために測定電極で基準電位に対して取り出された電圧が磁界の時間的な交番変化の複数の周期にわたって積算され平均される。媒体の流れる条件が一定にとどまっている場合には、このようにして直流電圧成分のほぼ一定の近似値を出力することができる。なぜならこの手段により信号雑音比が著しく改善されるからである。
【００１２】
直流電圧成分の値を求めるために２つの測定電極でそれぞれ基準電位に対して取り出された電圧が使用される場合、前述の利点を達成するために、本発明の別の有利な実施形態によれば和が形成される。すなわち前記直流電圧成分の値を求めるために所定の測定期間にわたって２つの測定電極で基準電位に対して取り出された電圧の和が求められる。これに関連して特に有利には、付加的に平均化が行われる。すなわち前記直流電圧成分の値を求めるために測定電極で基準電位に対して取り出された電圧について磁界の時間的な交番変化の複数の周期にわたる和が平均される。
【００１３】
所定の比を得るために、本発明の有利な別の実施形態によればさらに、流体が接地される。接地手段として有利には、少なくとも１つのアース電極、少なくとも１つの接地リングおよび／または少なくとも部分的に金属から成る管路などが挙げられる。この場合一方の接地装置と他方の測定電極とに対して同じ材料が使用される。本発明の別の有利な実施形態では、接地装置の材料は測定電極の材料とは異なる。このようにすれば、測定管を通って流れる一方の媒体と異なる材料から形成された他方の測定電極または接地装置との間に異なるコンタクト電位が生じる効果を利用できる。
【００１４】
磁気誘導式流量測定計の出力装置は例えば光学ディスプレイ、バスシステム（フィールドバス）、電流出力、および／または周波数出力のかたちで実現することができる。出力装置のタイプには依存せずに、本発明の有利な実施形態によれば、出力装置は閾値関数部を備えたステータス出力側を有する。これにより出力装置は直流電圧成分の値のみでなく、所定のステータスが存在するか否かを表すステータス値も出力する。ステータス出力側はこの場合、測定値が所定の閾値を上方超過または下方超過した場合に所定のステータスが存在すると検出や表示を行うように構成されている。
【００１５】
本発明の別の有利な実施形態ではｐＨ計算が行われる。すなわち流体のｐＨ値が１つまたは２つの測定電極でそれぞれ基準電位に対して取り出された電圧の直流電圧成分を用いて計算される。その際にｐＨ計算手段は１つの手段として出力装置の構成要素であってもよく、他の手段としてはまたこれと別個に設けられてもよい。本発明のこの有利な実施形態では、取り出された電圧の直流電圧成分を用いてｐＨ値を計算する手段が構成され、これによりオンザスポットキャリブレーションが可能となる。この場合求められたｐＨ値は装置の内部で使用してもよいし、および／または出力してもよい。
【００１６】
本発明の有利な実施形態によればさらに補正が行われる。すなわち１つまたは２つの測定電極でそれぞれ基準電位に対して取り出された電圧の直流電圧成分の値が流体の流量に依存して補正される。その際に、取り出された電圧の直流電圧成分が測定管を通る流体の流速に依存することが考慮される。したがってこの影響量による誤差は一貫して回避される。
【００１７】
【実施例】
以下に詳細に本発明の磁気誘導式の流量測定方法を実施する複数の手段を示す。そのために独立請求項および従属請求項に示された実施態様と本発明の有利な実施例とを図を参照しながら説明する。
【００１８】
図１には概略的に磁気誘導式流量測定計の構造が本発明の有利な実施例にしたがって示されている。磁気誘導式流量測定計は測定管１、２つの磁気コイル２を備えた磁石、および２つの測定電極３を有している。測定電極３は測定管１を通って流れる媒体と電気化学的に導通するように結合されている。磁気コイル２により時間的に交番変化する磁界が形成され、この磁界は測定管軸線に対してほぼ垂直に延在する。図示されている本発明の有利な実施例によれば、時間的にほぼ矩形の特性で経過し、図２に示されているように周期的に極性を変化させる。測定電極３はその接続線が一方では測定管軸線に対して垂直に、他方では時間的に交番変化する磁界の方向に対して垂直に延在するように配置されている。
【００１９】
測定管１を通って電荷担体を有する媒体が流れる場合、磁界のターンオンにより電圧が誘導され、この電圧が測定電極３の間で取り出される。一方の各測定電極３と他方のアースとの間で電圧を取り出すことがこれに等価である。ただし測定電極３で取り出された電圧は磁界と流体とによって誘導された電圧のみでなく、電気化学的な障害電圧をも含んでいる。この障害電圧は流体のコンタクト電位により測定電極３の個所で発生するものである。図２のｂからわかるように、測定電極３でアースに対して取り出される電圧Ｕに対して、電気化学的な障害電圧Ｕ_ｃに対称な特性も発生している。ここでこの電気化学的な障害電圧は媒体のタイプ、すなわち例えば導電率および電荷担体濃度に依存している。
【００２０】
アースに対する電気化学的な障害電圧を測定するために測定装置４が用いられる。電気化学的な障害電圧を求めるには、測定装置４に後置接続された加算装置５により、時間的に交番変化する磁界の各周期ひいては取り出される電圧の周期において、２つの測定電極３で基準電位（アース電位）に対して取り出された電圧の和が求められる。加算装置５で形成された和信号は平均化装置６へ伝送され、そこでこの和信号が時間的に平均される。この信号はさらに出力装置７へも伝送され、２つの測定電極３でアースに対して取り出された電圧の直流電圧成分値が出力される。この出力はここに示した本発明の実施例では、電圧値の表示のかたちで行われている。
【００２１】
表示された電圧値により、磁気誘導式流量測定計のユーザは測定管１を通る流体の導電率または電荷担体濃度を求めるための値を得ることができる。例えば出力装置７から出力された値が磁気誘導式流量測定計のユーザの見ているところで変化すれば、媒体の導電率または電荷担体濃度が変化したことを検出することができる。これにより管路内の媒体の変化を検出することができる。
【００２２】
測定管１を通る流体を接地するために、本発明のここでの実施例によれば、測定管１の底部にアース電極８が設けられる。すでに基準電位としてアース電位が選択されているので、アース電極８に対しては測定電極３とは異なる材料が選択されている。
【００２３】
予め定められた磁気誘導式流量測定計を用い、測定管１を通る流体が不変であれば、電気化学的な障害電圧は測定管１を通る流体の速度に依存する。電気化学的な障害電圧に対して求められた値を測定管１を通る流体の速度に依存して補正するために、以下の構成が設けられている。測定電極３の間に誘導される電圧は一般に磁気誘導式流量測定計で通常行われているように、測定管１を通る流体の流量を求めるために使用される。こうした本来の流量測定は流量測定装置９で行われる。流量測定装置９を用いれば、測定管１を通る流体の流量に対して求められた値を光学ディスプレイまたはバスシステムを介して出力することができる。他方では本発明の有利な実施例にしたがってこの流量値も補正装置１０へ供給される。この補正装置は出力装置７に接続されており、出力装置７から出力される取り出された電圧の直流電圧成分値が測定管１を通る流体の流量に依存して補正される。
【００２４】
さらに出力装置７にはステータス出力側１１が設けられている。このステータス出力側には閾値関数部が設けられている。閾値は例えば本発明の有利な実施例では磁気誘導式流量測定計のユーザによって設定される。これにより出力装置８から出力される取り出された電圧の直流電圧成分値の変化分が設定された閾値を超えた場合には、ランプ１２などのシグナリング装置が作動される。ランプ１２の作動によりユーザに対して、流体の電荷担体濃度の変化により測定管１内の媒体変化が検出されたことが指示される。前提として閾値関数部により上方の閾値および下方の閾値を備えたウィンドウが定義される。取り出された電圧の直流電圧成分に対して求められた値がこのウィンドウ内に入っている場合、これは測定管１を通る流体が変化していないことに相応する。上方の閾値が上方超過される場合または下方の閾値が下方超過される場合、これらは取り出された電圧の直流電圧成分の変化量がエラー限界を超過していることを指示している。この場合にはランプ１２により媒体が変化しているという指示がなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の有利な実施例による流量測定計の構造の概略図である。
【図２】 形成された磁界および測定電極で取り出された電圧の特性図である。
【符号の説明】
１ 測定管
２ 磁気コイル
３ 測定電極
４ 測定装置
５ 加算装置
６ 平均化装置
７ 出力装置
８ アース電極
９ 流量測定装置
１０ 補正装置
１１ ステータス出力側
１２ ランプ

Claims (1)

1. 流体の流量を測定するために、測定管（１）と、測定管軸線に対してその接続線が少なくともほぼ垂直に延在するように配置された２つの測定電極（３）と、測定管軸線に対して少なくともほぼ垂直に延在し時間的に交番変化する磁界を形成する磁石とを備えており、ここで
   ２つの測定電極（３）を介して、測定管を通る媒体の流量を表す測定電圧成分と直流電圧成分とから成る電圧が取り出され、該電圧を用いて流量測定装置（９）において媒体の流量値が求められ、該媒体の流量値が出力される、
   磁気誘導式流量測定装置において、
   さらに出力装置（７）が設けられており、
   該出力装置（７）により、１つまたは２つの測定電極（３）でそれぞれ基準電位に対して取り出された電圧について求められた直流電圧成分値が付加的な情報としてユーザに表示され、また、さらなる処理のためにユーザに供給され、
   該供給される値は、ユーザが、該値から前記測定管を通る媒体の導電率または電荷担体濃度を求めることができる値であり、
   前記出力装置には、ユーザが設定した閾値を含む閾値関数部を備えたステータス出力側（１１）が設けられており、前記取り出された電圧のうち前記出力装置から出力された直流電圧成分値の変化分が設定された閾値を超えた場合には、シグナリング装置が作動される
   ことを特徴とする流体用の磁気誘導式流量測定装置。

Images