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

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Ｉ_S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Ｉ_S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Ｉ_S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Ｕ_U（Ｕ_U＝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Ｉ_S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Ｉ_S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Ｕ_U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Ｉ_S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Ｕ_Uおよび電圧Ｕ間の差分と、界磁電流目標値Ｉ_S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Ｕ_U」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Ｉ_Zを界磁巻線に供給する。この付加電流Ｉ_Z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Ｉ_S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Ｉ_S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Ｉ_Z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Ｕ_Z（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Ｉ_S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Ｉ_Z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Ｉ_S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Ｉ_Z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Ｉ_S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Ｉ_S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Ｉ_S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Ｉ_Z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 _Ｚ ）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 _Ｚ ）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）の各半波の開始直後に導通状態に制御される、
   請求項２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_Ｓ）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４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、
   該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５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、
   該切り換えブリッジ（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５または６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５から７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８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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