(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁周波数により動作する磁気誘導型流量測定方法の測定値の標準偏差を検出する方法であって、
励磁周波数の各半周期で測定信号のサンプリングによってそれぞれ時間的に順次連続する複数の測定値を検出する方法において、
前記測定信号の周波数とは異なる少なくとも２つの周波数における測定値の標準偏差を検出し、
このとき標準偏差を検出するために、測定値に周波数変換を施し、
該周波数変換を、前記測定値と所定の矩形関数との乗算によって実行し、
前記測定信号の周波数とは異なる周波数における２つの標準偏差に基づいて、前記測定信号における測定値の標準偏差を補間する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記測定周波数の２倍における標準偏差と、前記測定周波数の半分における標準偏差とを検出し、
前記測定周波数における標準偏差を、前記測定周波数の２倍における標準偏差と、前記測定周波数の半分における標準偏差との間の線形補間によって検出する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記測定周波数とは異なる周波数は、それぞれ当該測定周波数の奇数倍に等しくない、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記周波数変換された測定値にローパスフィルタリングを施す、請求項１記載の方法。
【請求項５】
ローパスフィルタリングにＦＩＲフィルタを使用する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記測定周波数において検出された標準偏差を診断値として、信号出力端、表示器またはデジタル通信インタフェースを介して出力する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記測定周波数において検出された標準偏差に閾値関数を適用し、所定の警報閾値を上回る際に警報を通報する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記測定周波数における標準偏差を適応型阻止フィルタに対するパラメータとして使用する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記測定周波数よりも高い周波数における標準偏差と、前記測定周波数より低い周波数における標準偏差との差または比を検出し、診断値として信号出力端、表示器またはデジタル通信インタフェースを介して出力する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記測定周波数よりも高い周波数における標準偏差と、前記測定周波数よりも低い周波数における標準偏差との差または比に閾値関数を適用し、所定の警報閾値を上回る際に警報を通報する、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、励磁周波数により動作する磁気誘導型流量測定方法の測定値の標準偏差を検出する方法に関する。ここでは励磁周波数の各半周期で測定信号のサンプリングによりそれぞれ時間的に順次連続する複数の測定値が検出される。
【０００２】
【従来の技術】
本発明はとりわけ磁気誘導型流量測定方法に適用するのに適する。磁気誘導型流量測定方法はすでに長い間、良く知られており、多種多様の使用領域で使用されている。流動媒体に対する磁気誘導型流量測定装置の基本原理はファラデーの法則に基づくものである。これは１８３２年に提案されており、電子ダイナミック誘導の原理を流速測定に適用するものである。ファラデーの誘導法則によれば、電荷担体と共に流動する媒体には磁束が通過することにより流動方向に対して垂直かつ磁束に対して垂直に電界強度が発生する。このファラデーの誘導法則は磁気誘導型流量装置において、一般的にはそれぞれ１つの磁気コイルを有する２つの磁極からなる磁石が測定管の通流方向に対して垂直に磁界を形成するようにして使用される。この磁界内では、磁界により運動し、所定数の電荷担体を有する流動媒体の容積エレメントが、この容積エレメント内に発生する電磁界強度により測定電極を介して取り出される測定電圧に関与する。測定電極は公知の磁気誘導型流量測定装置では、電気的または容量的に流動媒体と結合されるように構成されている。磁気誘導型流量測定装置の特徴は、測定電圧と、測定管の横断面を介して検出される媒体の流速とが比例すること、すなわち測定電圧と容積流とが比例することである。
【０００３】
磁気誘導型流量測定方法での本来の流量測定モードでは、一般的に磁界が時間的に交互に−すなわち励磁周波数によって−切り替えられる。従来技術からこのための種々の手段が公知である。例えば交番磁界による磁気誘導型流量測定が可能であり、この場合、典型的には磁石の磁気コイルに、正弦波状の５０Ｈｚ交流電圧の電源網から直接給電される。しかし電流に基づき形成された測定電極間の測定電圧には変圧器ノイズ電圧並びに電源ノイズ電圧が重畳されている。
【０００４】
従って現在は磁気誘導型流量測定の場合、一般的には−励磁周波数によって−切替可能な均一磁界により動作する。このような切替可能な均一磁界は、磁石の磁気コイルに時間的に矩形状の経過を有し、極性を時間的に交互に変化する電流を供給することにより得られる。しかしパルス状の均一磁界による磁気誘導型流量測定も可能である。このパルス状の均一磁界は、磁石の磁気コイルに時間的に矩形状の経過を有するが、同じ極性しか有していない電流を供給することにより得られる。しかし磁界電流が−励磁周波数によって−周期的に極性反転する方法は有利である。なぜなら、磁界の極性変化によってノイズ量、例えば電気化学的ノイズ量を抑圧できるからである。
【０００５】
極性反転可能に切り替えられる均一磁界による方法の場合、切替後に磁界が安定するまで待機しなければならない。その後、測定信号、すなわち典型的には電極間の差電圧により与えられる測定電圧が積分され、それから磁界電流が再び反対の極性に切り替えられる。磁界が消失するまで待機することは、良好な測定精度を達成するために重要である。
【０００６】
しかし励磁周波数の各半周期で測定信号のサンプリングによりそれぞれ少なくとも１つの測定値が検出される磁気誘導型流量測定方法では、この測定方法のばらつきが重要なパラメータである。すなわちこれを種々異なる診断目的に使用することができる。ばらつきは実質的に測定値の標準偏差により検出される。測定値の標準偏差はその変動幅に対する尺度である。
【０００７】
磁気誘導型流量測定での問題は、流量自体が典型的には一定ではなく測定しなければならないことである。具体的には測定周波数による測定値の標準偏差の検出時に、標準偏差の原因が測定値の不安定性にあるのか、すなわち測定周波数により検出された電極差電圧に元から存在しておりノイズと見なすべきなのか、またはその原因が同様に測定周波数により検出される、まさに測定しようとする流量の変化によるものであるのかを区別することができない。
【０００８】
磁気誘導型流量測定装置により検出された流量値の信頼性を検査するために、ＥＰ０５２１４４８Ａ２から２つの測定電極で取り出される測定電圧の絶対値を測定周波数のそれぞれの半周期で比較し、絶対値相互間に偏差が存在する場合に警報信号を形成することが公知である。さらにＤＥ３４２３０７６Ｃ２から、ノイズ交流電圧成分およびノイズ直流電圧成分を磁気誘導型流量測定方法において次のように検出することが公知である。すなわち測定電圧を磁界の励磁周波数の倍数によりサンプリングするのである。
【０００９】
磁気誘導型流量測定方法において、測定信号に重畳されたノイズ信号を検出し、測定信号を相応に補正することがＤＥ１９９３８１６０Ａ１から公知である。ここでは磁界を形成する磁界コイルの励磁が間欠的に実行される。これにより測定時間が付加的に磁界の２つの半周期に加えられ、それぞれ磁界の最初の半周期の前の領域と、磁界の最後の半周期の後の領域を含むようになる。磁界のそれぞれ半周期の前と後で測定された付加的信号は前記の補正に使用される。すなわち測定信号に重畳されたノイズ信号を完全に除去するために使用される。
【００１０】
さらにＪＰ２０００−０２８４０８から、ノイズ抑圧のために流量信号においてこのような流量信号の平均値を使用することが公知である。この平均値は、磁界の励磁周波数の２倍であるサンプリング周波数により得られる。ここでは、このような時間で検出される値には磁界が印加されておらず、流量値はゼロを送出しなければならないことが利用される。
【００１１】
しかし前記の従来技術から公知の方法は、測定周波数における測定値の不安定性、すなわち例えばその標準偏差を検出する手段を提供するものではない。
【００１２】
【特許文献１】
ＥＰ０５２１４４８Ａ２
【特許文献２】
ＤＥ３４２３０７６Ｃ２
【特許文献３】
ＤＥ１９９３８１６０Ａ１
【特許文献４】
ＪＰ２０００−０２８４０８
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、測定周波数における測定値の標準偏差を簡単に検出することのできる検出方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明の方法は冒頭に述べた方法から出発して、前記測定信号の周波数とは異なる少なくとも２つの周波数における測定値の標準偏差を検出し、このとき標準偏差を検出するために、測定値に周波数変換を施し、該周波数変換を、前記測定値と所定の矩形関数との乗算によって実行し、前記測定信号の周波数とは異なる周波数における２つの標準偏差に基づいて、前記測定信号における測定値の標準偏差を補間することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の方法では、磁界励磁なしでの試行、すなわち流量測定をしない試行で得られた知識が基礎となる。すなわち、電極差電圧の周波数スペクトル曲線は実質的に恒常的である。この点で本発明の方法は、周波数スペクトルが恒常的であるという同じ前提が満たされる、励磁周波数により動作する他のすべての測定方法に適用することができる。本発明の方法は基本的に、励磁周波数の各半周期で測定信号をサンプリングすることによりそれぞれ正確に測定値を検出するようにして実行される。
【００１６】
本発明の有利な発展形態によれば、励磁周波数の各半周期で測定信号のサンプリングによって、それぞれ時間的に順次連続する複数の測定値が検出される。このようにして、測定周波数よりも高い周波数において標準偏差を検出することができ、さらに測定周波数における測定値の標準偏差をこの測定周波数に対して位相をずらして検出することができる。この関連から、複数の測定値が時間的に順次連続する場合、測定値は直接順次連続することができるが、しかし直接順次連続する必要はない。すなわち時間的間隔を相互に有することもできる。
【００１７】
本発明の有利な実施形態によれば、測定周波数の２倍における標準偏差と、測定周波数の半分における標準偏差とを検出し、測定周波数における標準偏差を、測定周波数の２倍における標準偏差と測定周波数の半分における標準偏差との線形補間によって検出する。本発明の方法のこの有利な改善形態は、半周期ごとに少なくとも２つの時間的に順次連続する測定値を検出する必要がある。この測定値は有利には測定信号を同じ持続時間にわたって積分することにより得られる。この有利な発展形態によれば、補間方法を使用すると高精度がこの方法の単純な実施により得られる。
【００１８】
標準偏差を検出するために種々異なる値を使用することができる。
【００１９】
基本的に測定周波数とは異なる周波数でそれぞれ標準偏差が検出されるが、この周波数は任意に選択可能である。本発明の有利な実施形態によれば、測定周波数とは異なる周波数はそれぞれ測定周波数の奇数倍に等しくない。
【００２０】
標準偏差を検出するために、測定値に周波数変換を施す。周波数変換は測定値を所定の矩形関数と乗算することにより行われる。この矩形関数は有利にはその適用すべき領域に値＋１と−１だけを有する。従って所定の矩形関数はとりわけ符号関数を、測定値の位相位置を考慮する関数に適用することによって表すことができる。ここでは符号（）により表される符号関数は値に適用されると値＋１および−１を送出する関数である。すなわち符号関数に適用される値が正であるか負であるかに依存して値＋１または−１を送出する。
【００２１】
有利には測定値の周波数変換の後に、周波数変換された測定値にローパスフィルタリングを施す。ここでローパスフィルタリングは有利には短いＦＩＲフィルタ（Finite-Impulse-Response-Filter）によって実行する。
【００２２】
測定周波数において検出された標準偏差は様々に使用することができる。本発明の有利な実施形態によれば、測定周波数において検出された標準偏差は診断値として、信号出力端、表示器および／またはデジタル通信インタフェースを介して出力される。このとき本発明の有利な実施形態によれば、測定周波数において検出された標準偏差に閾値関数が適用される。これにより所定の警報閾値を上回ると、警報が通報される。警報を通報する代わりに、装置を切り替えることも可能である。さらに有利な実施形態によれば、測定周波数における標準偏差が適応型阻止フィルタに対するパラメータとして使用される。とりわけ測定値に適用される阻止フィルタの幅を測定周波数における標準偏差に依存して制御することができる。
【００２３】
さらに本発明の有利な実施形態によれば、測定周波数よりも上にある周波数における標準偏差と、測定周波数よりも下にある周波数における標準偏差との差または比を検出し、診断値として信号出力端、表示器またはデジタル通信インタフェースを介して出力する。これにより標準偏差の周波数経過を推定することができ、差ないし比の変化はプロセス変化を意味する。この場合も有利な実施形態によれば、測定周波数より上にある周波数における標準偏差と、測定周波数より下にある周波数における標準偏差との差または比に閾値関数が適用される。これにより所定の警報閾値を上回る際には、警報が通報される。この警報もまた装置に切替であっても良い。
【００２４】
【実施例】
図１には概略的に本発明の方法を実施するための磁気誘導型流量測定装置が示されている。磁気誘導型流量測定装置は測定管１を有し、この測定管を通って図示しない媒体が通流する。さらに２つの測定電極２が設けられており、これにより測定管１を通流する媒体に誘導される測定電圧が検出される。測定管軸に対して垂直、かつ測定電極２の接続線に対して垂直に延在する磁界を励磁周波数により形成するために２つの磁気コイル３が用いられる。
【００２５】
図２は、信号処理経過を概略的に示す。ステップＩでまず電極差信号のサンプリングが行われる。その後、電極差信号の値に対してステップIIで位相変換または周波数変換が矩形関数との乗算によって適用される。ステップIIIでは、位相変換ないし周波数変換された値にローパスフィルタリングが施される。その結果、電極差電圧の測定周波数を基準にして帯域通過が生じる。このときの測定周波数は磁界電流の磁界周波数−励磁周波数−によって決められる。この磁界電流は図１の磁気誘導型流量測定装置の磁気コイル３に供給される。ここでステップIIとIIIは１つの計算ステップにまとめることもできるが、ここでは分かり易くするため相互に別個に図示されている。
【００２６】
測定信号のサンプリングが本発明の有利な実施例に対して図３ａに示されている。各半周期の第１の領域では測定信号のサンプリングは行われない。ここでは測定信号の過渡振動が磁界の切替後に待機される。これに続いて時間的に同じ長さであり、直接順次連続する２つのサンプリング領域が設けられている。これらのサンプリング領域は、半周期Ａが１と２により、半周期Ｂが３と４により示されている。有利な実施例によれば、測定信号をサンプリングするために使用される測定値はそれぞれ時間インターバル１，２，３等にわたる平均値である。測定信号を概略的に示すため図３ａでは測定信号の形状が極端に簡素化されており、とりわけ過渡振動過程は図示されていない。
【００２７】
図３ｂから図３ｅには、本発明の矩形関数が示されている。この矩形関数は図３ａに示した測定値曲線と乗算され、流量を検出するための値、測定周波数より低い周波数における標準偏差を検出するための値、測定周波数よりも高い周波数における標準偏差を検出するための値、ないし位相のずらされた測定周波数における標準偏差を検出するための値を送出するのに用いられる。
【００２８】
本来の磁気誘導型流量測定のために、すなわち本来の流量を検出するために、測定値Ｕi（ｉ＝１，２，３，．．．）は次のように乗算される。
【００２９】
【数１】
0004612282.tif 000002
【００３０】
流量計算のための式中の係数ｉ／４に基づき、サンプリング値に対するデータ速度が励磁周波数よりも係数４だけ大きくなる。値１，２，３を代入すると矩形関数は図３ｂに示すように、値＋１を半周期Ａの領域１と２で、また値−１を半周期Ｂの領域３と４で送出する。図３ｂに示した矩形関数を図３ａに示された測定信号を乗算すると、流量に対する値Ｗiが得られる。この値Ｗiは次にローパスフィルタリングされる（ステップIII）。これについては下で詳細に説明する。
【００３１】
測定周波数よりも低い周波数、すなわち測定周波数の半分の周波数における標準偏差を計算する値を得るために次の乗算が実行される：
【００３２】
【数２】
0004612282.tif 000003
【００３３】
矩形曲線の相応の経過は図３ｃに示されている。
【００３４】
測定周波数よりも高い周波数、すなわち測定周波数の２倍の周波数における標準偏差を計算するための値を得るために次の乗算が実行される。
【００３５】
【数３】
0004612282.tif 000004
【００３６】
矩形曲線の相応の経過は図３ｄに示されている。
【００３７】
測定周波数に相応するが、位相が９０゜（π／２）だけずれている周波数における標準偏差を計算するための値を得るために次の乗算が実行される。
【００３８】
【数４】
0004612282.tif 000005
【００３９】
矩形曲線の相応の経過は図３ｅに示されている。
【００４０】
前にすでに述べたように、値Ｗiにローパスフィルタリングを施さなければならない。ここで説明する有利な実施例ではこのためにＦＩＲフィルタが、２つの半周期にわたるフィルタリングのために使用される。すなわち次の計算規則が適用される。ここで値Ｘiはローパスフィルタリングされた値を表す：
【００４１】
【数５】
0004612282.tif 000006
【００４２】
３つの半周期にわたるフィルタリングのためには次の計算規則が適用される。
【００４３】
【数６】
0004612282.tif 000007
【００４４】
これにより検出された値Ｘiによって、測定周波数における標準偏差が計算される。すなわちこれは、測定周波数に相応するが、９０゜位相がずれている周波数での標準偏差を計算する場合、または測定周波数よりも一方では高い周波数における標準偏差と他方では低い周波数における標準偏差とを線形補間する場合である。
【００４５】
方法ステップIIとIIIを１つのステップに組み合わせれば、ローパスフィルタリングされた値を検出するために次の計算規則が可能である。ここで下付きの指数Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれの半周期を表す。
【００４６】
測定周波数におけるローパスフィルタリングされた流量Ｍの計算は次のとおりである：
【００４７】
【数７】
0004612282.tif 000008
【００４８】
測定周波数の半分における標準偏差を検出するためのローパスフィルタリングされた値Ｌの計算は次のとおりである：
【００４９】
【数８】
0004612282.tif 000009
【００５０】
測定周波数に相応するが、９０゜位相のずれた周波数における標準偏差を検出するためのローパスフィルタリングされた値Ｈの計算は次のとおりである：
【００５１】
【数９】
0004612282.tif 000010
【００５２】
値Ｕi（ｉ＝１，２，３，．．．）はここでも半周期Ａ，Ｂ，Ｃ，．．．の領域ｉにおける平均値により得られる。すなわちこの領域で積分された電極差信号により得られる。
【００５３】
前記の計算規則は値ＬないしＨを送出し、これらの値に基づいて標準偏差が検出される。この計算規則は単なる簡単な例である。流量Ｍに対してさらに面倒な計算規則も考えられる。例えば次のとおりである：
【００５４】
【数１０】
0004612282.tif 000011
【００５５】
相応にして後続の半周期Ｄ，Ｅ，Ｆ，．．．に対する流量値をさらに計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の方法を実施するための磁気誘導型流量測定装置の構造を概略的に示す図である。
【図２】  本発明の有利な実施例による標準偏差検出方法のフローを示す図である。
【図３】  本発明の有利な実施例による、周波数変換を実施するために測定値に適用される矩形関数並びに測定値を概略的に示す線図である。
【図１】
0004612282.tif 000012
【図２】
0004612282.tif 000013
【図３】
0004612282.tif 000014