JP3679708B2 - 測定媒体の流量測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定管の軸線方向を流れる測定媒体と、測定管を貫通して測定管軸線に対しほぼ横断方向に延在する磁界を形成する磁気装置と、測定管の側方領域に配置され電流的または容量的に測定媒体に結合されている少なくとも１つの測定電極と、この測定電極内へ誘導される測定電圧に基づいて測定管内の測定媒体の体積流量に関する情報を送出する評価／制御ユニットとを有する、測定媒体の流量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気誘導形の流量測定装置は体積流量の測定のために電磁誘導の原理を利用している。すなわち、磁界に対して垂直に運動する測定媒体の電荷担体が同様に測定媒体の流れ方向に対してほぼ垂直に配置された測定電極に電圧を誘導する。この誘導電圧は管の断面積で平均された測定媒体の流速、すなわち体積流量に比例する。
【０００３】
測定管が測定媒体によって完全に充填されておらず部分的にしか存在しない場合、重大な測定誤差が生じるが、測定装置はそこから出力された測定結果を完全に充填された測定管に基づくものとしてしまう。この誤差の源を消去するために、測定管のそのつどの充填の度合に関する情報を体積流量の検出の際に考慮することのできる装置がすでに知られている。ドイツ連邦共和国実用新案第９１０３０４６．３号明細書には磁気誘導形の流量測定装置が記載されており、ここでは２つの電磁石が選択的に個別または共通に励磁され、共通に励磁される際に選択的に同方向または反対方向の励磁が可能である。体積流量を検出するために相応の測定電極対で取り出された少なくとも２つの電圧値が利用される。これらの電圧値は電磁石装置の異なる励磁状態において測定されたものである。これは例えば２つの電磁石を同方向で励磁した際の励磁状態と反対方向で励磁した際の励磁状態とである。評価ユニットは続いて測定信号を経験的に求められたパラメータを用いて処理し、測定管の部分充填状態による誤差の消去された流速出力信号とする。測定管の充填の度合が極端に低くても少なくとも１つの電極対と測定媒体とが結合し、測定信号の調整に利用可能となることを保証するために、前掲の実用新案第９１０３０４６．３号明細書に記載された流量測定装置は測定管の横断面の下方領域に対向して配置された２つの測定電極対を有する。
【０００４】
さらに、測定管の中央領域に配置された測定電極に加えて、測定管の上方領域のテスト電極および下方領域の別のテスト電極を設け、通常は下方のテスト電極をアースに接続する手段が知られている。テスト電極で測定された電圧は測定管の充填の度合を検出するために用いられ、測定電極で測定された電圧値から測定管を通って流れる体積流量に関する所望の情報を得ることができる。
【０００５】
測定管の充填の度合を検出するこの公知の装置を汎用できるようにするためには、テスト電極に印加されるテスト電圧のソース抵抗を比較的高く（例えば１００ｋΩのオーダに）しなければならない。しかし体積流量を検出する前述の装置は、導電率が相互に大きく異なっている測定媒体をカバーする大きなパレットでしか汎用的に使用できない。
【０００６】
公知の手段の欠点は、固有のセンサおよび電子回路部品がケーシング内に収容されたコンパクトな装置の代わりに、センサがプロセス内に配置され、それらが接続線路（通常は同軸ケーブル）を介して遠隔の周囲の電子回路へ接続されている装置を使用することである。こうした接続線路は同軸ケーブルの長さに依存する電圧分配に影響を与え、接続線路が所定の長さ以上になると、テスト電極で測定可能な電圧成分をそもそも供給できなくなってしまう。結果として測定管の充填の度合を識別するこの公知の測定装置は適用が所定のケースに制限されている。すなわちコンパクトな装置での使用、またはセンサと遠隔の電子回路ユニットとの間の接続線路が約１０ｍを越えない装置でしか使用できない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、汎用可能かつ低コストな体積流量の測定装置または測定管の充填レベルを判別する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】
この課題は、少なくとも１つのテスト電極が測定管の上方領域に設けられており、評価／制御ユニットによりテスト信号がテスト電極へ送出され、前記評価／制御ユニットにより、測定電極によって受信されたテスト信号への応答信号に基づいて測定管の充填状態に関する情報が調製され、ここで、情報の調製は測定電極で測定された応答信号と基準信号との比較により行われ、この基準信号は、測定管の所定の充填状態においてテスト電極から送出されたテスト信号に応じて測定電極で測定され、評価／制御ユニットに記憶されたものである構成により解決される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明によればいわゆる“管の空隙検出”、すなわち測定管が完全に充填されている状態、または一部しか充填されていないか完全に空である状態の検出がテスト信号をテスト電極を印加することにより行われる。測定管が充填されている場合には、テスト信号は測定電極での応答信号として現れる。これに対して測定管が一部しか充填されていなかったり空だったりした場合には、上方のテスト電極と測定電極との間の電気的接続は生じないか、障害とともに生じる。したがって測定電極においても応答信号が発生しないか、弱い応答信号しか発生しない。ここで本発明の装置では、測定電極で測定された応答信号と所定の基準信号とが比較されることにより、評価／制御ユニットで測定管の充填の度合に関する情報が求められる。これらの基準信号は予め分離した個々の測定プロセスにおいてそれぞれ支配的なプロセス条件および装置条件のもとで求められる。これにより許容差は適用分野に関連して比較的小さく設定可能であり、これにより測定のクォリティが改善され、ひいては完全に充填された測定管の信頼性の高い検出が達成される。
【００１０】
基本的に体積流量を検出しかつ“管の空隙検出”を行う測定電極は１つで充分であるが、本発明の装置の有利な実施形態では、第２の測定電極が設けられており、この第２の測定電極は測定管の第１の測定電極に対向する領域に配置されている。有利には２つの測定電極は測定管の中央領域に相互に対角的に配置されている。
【００１１】
対称的な特性とこれにより可能となる冗長測定とを利用するために、テスト電極は２つの測定電極に関連して、それぞれの測定電極に対してほぼ等しい間隔を有するように配置されている。テスト電極から送信されるテスト信号は２つの測定電極のそれぞれとほぼ同じ応答信号を形成する。ここで大きな差が発生する場合、状況によってはこれはエラー動作（例えば測定電極のエラー）を示唆している。
【００１２】
本発明の装置の有利な実施形態によれば、第２のテスト電極が設けられており、この第２の電極は第１のテスト電極に対してほぼ対角的に配置されており、第１のテスト電極は有利には測定管の最上点に配置されており、第２のテスト電極は有利には測定管の最下点に配置されている。本発明の装置の別の実施形態によれば、第２のテスト電極はアースに接続されている。有利にはアースに接続されたテスト電極は測定管の下方領域に配置された電極である。前述のように基準電極として使用される第２のテスト電極は必須のものではない。基準電位として例えば流量測定装置を管系に固定するフランジに設けられたアースプレートを使用することができる。
【００１３】
本発明の装置の有利な実施形態によれば、テスト信号は対称のパルスである。この実施形態は、任意の非対称のテスト信号を利用することに比べて次の利点を有する。すなわち、テスト信号に比較的高いエネルギ密度が発生し、測定媒体内部の電気化学的ポテンシャルがシフトされる。テスト信号が対称のパルスとして構成されている場合、ポテンシャルシフトはほぼゼロへ平均される。
【００１４】
本発明の装置の有利な実施形態では、評価／制御ユニットにより、測定電極での応答信号とテスト信号とが相関される。この実施形態は、テスト信号への応答信号が１つまたは複数の測定電極で発生するか否かを識別する簡単かつ確実な方法である。
【００１５】
【実施例】
本発明を以下に図に則して詳細に説明する。
【００１６】
図１には本発明の装置１の第１の実施例の概略図が示されている。図２には本発明の装置１の第２の有利な実施例が示されている。これら２つの実施例の主たる相違点は、第１の実施例では１つずつの測定電極４およびテスト電極６が設けられているのみであるのに対して、第２の実施例では２つの測定電極４、５および２つのテスト電極６、７が設けられていることである。
【００１７】
これら２つの実施例ではそれぞれ、図では詳細には示されていない流量測定装置の測定管２内を測定媒体１１が測定管軸線３の方向で流れている。測定媒体１１は少なくとも小さな体積では導電性である。測定管２自体は非導電性の材料から製造されているか、または少なくともその内側が非導電性材料によってコーティングされている。
【００１８】
測定媒体１１の流れ方向に対して垂直に配向される磁界が通常は相互に対角的に配置された２つの電極によって形成されることにより、測定媒体１１に存在する電荷担体は反対に極性づけられた測定電極４または４、５へ向かって漂遊する（ただしこのことは図示されていない）。１つまたは複数の測定電極４または４、５に発生した電圧は測定管２の断面積で平均された測定媒体１１の流速に比例する。すなわちこの電圧は測定管２内の測定媒体１１の体積流量の尺度となる。測定管２は通常、接続部材例えばフランジを介して測定媒体１１を流れさせる管系に接続されている。このフランジは図では詳細には示されていない。
【００１９】
図示の２つの実施例では、測定電極４、５は直接に測定媒体に接している。ただし前述のように容量性の結合を採用することもできる。
【００２０】
図１の第１の実施例では接続線路１２を介して測定電極４が、また接続線路１３を介してテスト電極６が評価／制御ユニット８に接続されている。評価／制御ユニット８は接続線路１７を介して入出力ユニット９に接続されている。評価／制御ユニット８にはメモリユニット１０が配属されている。図２の第２の実施例では接続線路１４，１６を介して測定電極４，５が、また接続線路１５を介してテスト電極６が評価／制御ユニット８に接続されている。さらにテスト電極７および評価／制御ユニット８はアースへ接続されている。
【００２１】
本発明の装置１は有利には次のように動作する。評価／制御ユニット８は予め定められた時間間隔ｔ_Ｍでテスト信号をテスト電極６へ送出する。有利にはテスト信号は対称のパルスである。前述のように測定媒体１１で誘導される電位変動は対称に形成されたテスト信号が印加される際に少なくとも近似にゼロとなるように平均される。したがって体積流量測定装置は測定管２の充填状態を検出するプロセスと重畳されることによりほとんど障害を受けない。
【００２２】
テスト電極に送出されるテスト信号は１つまたは複数の測定電極４または４、５での応答信号として現れる。これは測定媒体１１がテスト電極と１つまたは複数の測定電極４または４、５との間に存在する場合に発生する。有利には評価／制御ユニット８は、テスト信号とそれぞれの測定電極４、５での応答信号との間で相関を行うことにより応答信号を求める。
【００２３】
測定媒体１１および他の外部のシステム条件ないしプロセス条件もどれだけ確実に体積流量を検出する本発明の装置１が動作するかということに大きな影響を有している。したがって所定のシステム条件およびプロセス条件のもとで、すなわち例えば測定管２が完全に充填されている場合に、テスト信号がテスト電極６へ送出される。１つまたは複数の測定電極４または４、５で相応の応答信号が求められる。測定された応答信号は基準応答信号または目標応答信号としてメモリユニット１０に記憶される。この基準応答信号は後に求められる全ての実際の応答信号と比較される。実際の応答信号が目標応答信号から所定の許容差Δの範囲内にある場合には流量測定が完全に測定管２が充填された状態で行われていることが示される。これに対して実際の応答信号が目標応答信号から所定の許容差Δの範囲を外れてしまう場合には、評価／制御ユニット８によりオペレータ人員に対して例えば入出力ユニットを介して測定管２が完全に充填されていないことが報告される。
【００２４】
図３には評価／制御ユニット８を制御する際のフローチャートが示されている。前述のように所定のシステム条件およびプロセス条件のもとで本来の測定値記録の開始時にテスト信号がテスト電極６へ送出され、１つまたは複数の測定電極４または４、５での相応の応答信号が１つまたは複数の目標応答信号として記憶される。さらに１つまたは複数の応答信号に対する許容差Δが設定される。有利には基準応答信号は測定媒体１１で測定管２が完全に充填されている場合に求められる。
【００２５】
プログラムポイント１８で測定評価過程がスタートされる。タイマ（プログラムポイント１９）および時間の問い合わせステップ（プログラムポイント２０）により所定の時間ｔ_Ｍの後にプログラムポイント２１で所定のテスト信号がテスト電極６へ送出される。応答信号はプログラムポイント２２で少なくとも１つの測定電極４、５において測定される。実際の応答信号が目標応答信号から所定の許容差Δの範囲内にある場合、これは評価／制御ユニット８により所望の目標状態として評価される。個々のプログラムポイントは後に再び所定の時間ｔ_Ｍ後に実行される。測定および評価がプログラムポイント２２、２３で行われて、実際の応答信号が目標応答信号から所定の許容差Δの範囲を外れていることが判別されると、オペレータ人員に対して入出力ユニット１０により測定管２が所定の充填状態でないことが表示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の装置の第１の実施例を示す概略図である。
【図２】 本発明の装置の第２の有利な実施例を示す概略図である。
【図３】 評価／制御ユニットを制御する際のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 本発明の装置
２ 測定管
３ 測定管の軸線
４ 第１の測定電極
５ 第２の測定電極
６ 第１のテスト電極
７ 第２のテスト電極
８ 評価／制御ユニット
９ 入出力ユニット
１０ メモリユニット
１１ 測定媒体
１２〜１７ 接続線路

Claims (8)

1. 測定管の軸線方向を流れる測定媒体と、
   測定管を貫通して測定管軸線に対しほぼ横断方向に延在する磁界を形成する磁気装置と、
   測定管の側方領域に配置され電流的または容量的に測定媒体に結合されている少なくとも１つの測定電極と、
   該測定電極内へ誘導される測定電圧に基づいて測定管内の測定媒体の体積流量に関する情報を送出する評価／制御ユニットとを有する、
   測定媒体の流量測定装置において、
   少なくとも１つのテスト電極（６）が測定管（２）の上方領域に設けられており、
   評価／制御ユニット（８）によりテスト信号がテスト電極（６）へ送出され、
   前記評価／制御ユニット（８）により、測定電極（４；４，５）によって受信されたテスト信号への応答信号に基づいて測定管（２）の充填状態に関する情報が調製され、
   ここで、情報の調製は測定電極で測定された応答信号と基準信号との比較により行われ、
   該基準信号は、測定管の所定の充填状態においてテスト電極（６）から送出されたテスト信号に応じて測定電極（４；４，５）で測定され、評価／制御ユニット（８）に記憶されたものである
   ことを特徴とする測定媒体の流量測定装置。
2. 第２の測定電極（５；４）が設けられており、該第２の測定電極は測定管（２）の第１の測定電極（４；５）に対向する領域に配置されている、請求項１記載の装置。
3. ２つの測定電極（４，５）は測定管（２）の中央領域に相互に対角的に配置されている、請求項２記載の装置。
4. テスト電極は２つの測定電極に関連して、それぞれの測定電極に対してほぼ等しい間隔を有するように配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 第２のテスト電極（７）が設けられており、該第２の電極は第１のテスト電極（６）に対してほぼ対角的に配置されており、第１のテスト電極（６）は有利には測定管（２）の最上点に配置されており、第２のテスト電極（７）は有利には測定管（２）の最下点に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 第２のテスト電極（７）はアースに接続されている、請求項５記載の装置。
7. テスト信号は対称のパルスである、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 評価／制御ユニット（８）により、測定電極（４，５）での応答信号とテスト信号とが相関される、請求項１または７記載の装置。

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