(57)【要約】  本願発明は、測定体積に磁界を印加し、測定体積において誘導された電気的な信号を出力結合して導電性の媒体の平均流速を測定する方法に関する。この方法においては、乱流運動に基づく流速の確率的な変動に起因する電気的な信号の変動成分が時間に依存する有効信号として検出され、有効信号の重み付けされた積分によって、平均流速が所定の期間にわたり求められる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体が通り抜ける測定体積に磁界を印加し、測定体積において誘導された電気的な信号を出力結合して導電性の媒体の平均流速を測定する方法において、
乱流運動に基づく前記流速の確率的な変動に起因する前記電気的な信号の変動成分を時間に依存する有効信号として検出し、該有効信号の重み付けされた積分によって、平均流速、例えば空間的に平均化された流速を所定の期間にわたり求めることを特徴とする、媒体の平均流速を測定する方法。
【請求項２】
前記重み付けされた積分を一定の重み付け係数を用いて実施し、積分平均値として形成する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記重み付けされた積分を重み関数としての調和関数を用いて実施し、積分フーリエ成分として形成する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記有効信号を前記重み付けされた積分の前に整流する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記有効信号の出力結合を半導体の伝導率の影響を介して実施する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記有効信号の出力結合を電界効果トランジスタのゲート電極を介して実施する、請求項５項記載の方法。
【請求項７】
前記有効信号の直流電気的な出力結合を、前記測定体積の主流れ方向において間隔を空けた複数の個所において実施する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記測定体積に永久磁界が適用される、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通り抜ける測定体積に磁界を印加して媒体の流速を測定する方法に関する。殊に本発明は、時間的に一定の磁界の使用も可能にするその種の方法に関する。
【０００２】
磁気誘導性の流体測定技術または流量測定技術は実際に非常に優れたものであることが証明されている。この測定原理は他の測定原理とは異なり多くの利点を有する。例えば、測定値が密度および粘性に依存せず、ある程度の限界内では流体プロフィールにも依存せず、また媒体の伝導率の値が約１μＳ／ｃｍの最小値を上回る限りにおいては媒体の伝導率にも依存しないことが利点として挙げられる。さらには、この原理にしたがい動作するセンサは測定体積内のいかなる狭窄部またはデッドスペースも考慮する必要がない。したがってこの測定原理は、固体の混入した汚染された液体の流れの測定にも適している。絶縁性の内壁コーティングおよび信号の出力結合の方式を適切に選択すれば、この測定原理を侵食性の液体および腐食性の液体にも使用することができる。
【０００３】
大抵の場合は直流電気的な信号出力結合が使用され、この信号出力結合では、管の内壁を通る案内部が設けられている、小さい円盤状または冠状の僅かな直径（殊に数ｍｍ）の金属性の電極が直接的に媒体と（直流電気的に）接触している。これらの電極には管の壁に対する確実なシーリングを設ける必要がある。この種の出力結合はロバスト且つ簡単な構造を特徴としているが、電極およびシーリングにおける化学的な作用、堆積物および摩耗に対して耐性がない。高い動作温度のコントロールは電極材料および壁の材料の熱膨張係数に関する慎重な調整を必要とする。
【０００４】
この欠点は容量性の信号出力結合によって回避される。この容量性の信号出力結合では電極が媒体と接触しておらず、媒体のみが管の内壁と接触している。つまり、構造上の課題は十分に耐性のある内壁材料の選択に限定される。
【０００５】
磁気誘導性の流量センサの前述の利点は（信号出力結合の方式によって決定されるいずれの動作モードに共通して）磁気誘導性の測定原理の広範な適用範囲に対して責任を負う。しかしながらこれらの利点に対して、磁界を形成するために相当なエネルギコストを要するという欠点がある。いずれの動作モードも、（直流電気的な信号出力結合の場合のように）妨害となる電気化学的な電位を除去するため、または（固定的な所定の結合容量を用いる容量性の信号出力結合の場合のように）原理的で物理的な理由から信号出力結合を達成するために時間的に可変の磁界を必要とする。これらの磁界は電磁石を用いることでしか形成できない。したがって今日知られている磁気誘導性の流量センサおよび流体センサでは、磁界形成のためのエネルギ需要がほぼ常に電気的なエネルギ網によってカバーされる。
【０００６】
もっともこれは、電源網に依存しないエネルギ源（バッテリ、蓄電池、太陽電池など）によってエネルギ需要をカバーし、短くとも５年の需要を達成すべき、いわゆる「エネルギ自給自足型の」システムに大きな関心が寄せられているセンサ技術における将来の発展に関する現在の傾向に反するものである。
【０００７】
したがって、エネルギの自給自足の意味において流量センサに適している測定方法は、永久磁石の使用のみを基礎とすることができる場合にのみ、完全に磁気誘導性の原理にしたがい構成されることは明白である。
【０００８】
容量性の信号出力結合を用いる流体センサおよび流量センサに関しては既に相応の解決手段が提案されている。
【０００９】
例えばDE 102 21 677 A1においては、時間的に可変の磁界を永久磁界で代替し、且つ、事前に固定されている結合容量を所定のタイムクロックで制御可能な結合容量で代替し、この所定のタイムクロックで制御可能な結合容量によって同一のタイムクロックでの容量性の信号出力結合を可能にすることが提案されている。
【００１０】
別の解決手段はDE 10 2005 043 718 A1に記載されており、この解決手段では信号出力結合が制御可能な半導体、有利には電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を介して行われており、絶縁層が設けられているこのＦＥＴのゲートには、絶縁層が測定媒体と接触することによって誘導電圧が直接的に作用する。この実質的に電流を要しない測定方法は、充電状態を流量速度に対する尺度として評価するために必要とされるコンデンサの充電を回避する。しかしながらこの方法はそれにもかかわらず、ゲート電極において測定すべき電圧がまさにこの充電状態をシミュレートする容量性の方法と解することができる。この利点は、永久磁界における流速の変化が僅かであっても容易に測定可能な信号がもたらされることである。
【００１１】
したがって、一定の流速での信号出力結合としての永久磁界およびＦＥＴを基礎とする測定構造の測定信号は、時間的に一定のレベル値と、このレベル値を中心として時間的に変化する僅かな変動値とが重畳されたものであることは一見すると驚きにあたらない。この種の信号は根本的に、永久磁石および直流電気的な出力結合が使用された第１のＭＩＤから公知である。これらの変動を幾つかの既知の方式に基づいても測定技術的に抑制することができるか、計算により除去することができる。
【００１２】
しかしながらさらに考察すると、当業者であれば、それらの信号出力結合の方式における変動の物理的な原因は実質的に異なるものであることに気付くであろう。例えば、空間的に平均化された電界を最終的にとらえるＦＥＴにおける信号に関する局所的な電荷分布の偶発的な変動は大きな意味を有しないが、これは理想的には点状の直流電流電極には著しい影響を及ぼすことになる。別の材料効果、殊に汚染物質もＦＥＴ出力結合では、直流電気的な取出しの場合ほど重要ではない。
【００１３】
いずれの場合の信号変動に関するただ１つの確実な共通の原因は乱流による液体運動の妨害である。液体の流れ自体が層状である場合には、例えば管の内壁などによって流速の僅かな変動が生じる。
【００１４】
したがって乱流研究の幾つかの成果を用いなければならない（例えばJ.G.M. Eggels: "Direct and Large Eddy Simulation of Turbulent Flow in a Cylindrical Pipe Geometry", Dissertation Universitaet Delft 1994, Delft University Press, ISBN 90-6275-940-8を参照されたい）。
【００１５】
これによれば、乱流現象は段階的な変化全体にわたりエネルギ伝達によって相互に関連付けられた渦に広がり、これらの渦がその大きさに関して、流体幾何学によって決定される最大寸法から分子間の距離の範囲にある最小寸法になるまで縮小することが公知である。
【００１６】
内径Ｄの管においては、最大の渦がＬ≒０．１Ｄの大きさの典型的な長さスケールＬ［ｍ］によって特徴付けられる。渦の維持に必要とされるエネルギは（液体の）流れから取り出されるが、この取り出しは流れによって最大の渦が押し流されることによって行われる。最大の渦から漸次的に小さくなる渦までのエネルギの段階的な変化の継続的な伝達によって、このエネルギは最終的にいわゆるコルモゴロフスケールに散逸される。すなわちエネルギは熱に変換される。
【００１７】
この長さスケールの他に、ｕ［ｍ／ｓ］と表される典型的な速度スケールが存在する。この速度スケールは変動速度を特徴付ける。結果として、商Ｌ／ｕ［ｓ］によって表される典型的な時間スケールも生じる。この時間スケールは渦の典型的な寿命と解される。その逆数ｕ／Ｌ［１／ｓ］は典型的な周波数スケールを表す。これらから、ｕ2［ｍ2／ｓ］の（単位質量あたりの）典型的なエネルギおよび（単位質量あたりの）典型的な（平均）エネルギ散逸率が得られ、これらはエネルギと寿命の商ε＝ｕ2／（Ｌ／ｕ）＝ｕ3によって表される。
【００１８】
注目すべきことは、平均散逸率は媒体のマイクロ構造、すなわち分子特性、例えばその粘性には依存しないということである。むしろ散逸率は流れ自体によってのみ、すなわち（障害物、表面特性なども含めた）流れの幾何学および平均流速によってのみ決定されている。
【００１９】
これらの情報は乱流理論にとって非常に重要である。このことは乱流が媒体の流れの特性を表すものであって、媒体の特性を表すものではないことを意味している。
【００２０】
したがって本発明の課題は、一方では時間的に一定の磁界の使用を可能にし、他方ではそれと同時にあらゆる任意の信号出力結合方式、例えば直流電気的な信号出力結合方式および／または容量性の信号出力結合方式でもって実施することができる、磁気誘導性の原理にしたがって流速を測定するための方法を提供することである。
【００２１】
この課題を解決するために、本方法は請求項１の上位概念に記載されている構成と組み合わされた、請求項１の特徴部分に記載されている構成の方法が使用される。本方法の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【００２２】
以下では、もっぱら永久磁石に由来する磁界について説明する。しかしながらこれは本発明を制限するものではないと解するべきである。以下の記述は、殊に所定の時間特性を有する交流磁界を使用する場合にも有効である。この交流磁界の使用は所望されるエネルギの自給自足を背景とすると有利な実施形態を表すものではない。
【００２３】
磁界が生じている体積にあらゆる技術によって電気的な最小伝導率を備えた媒体を流すことによって、この体積内に誘導性の電界が形成され、この電界は相互に加法的に重畳された２つの信号成分から構成されている。
【００２４】
第１の信号成分は平均流速に関する尺度であり、また従来の磁気誘導性の流量センサまたは流体センサにおいて使用される。
【００２５】
第２の信号成分は優先して、流れにおいて常に存在する乱流現象に起因するものとみなされる。このことは殊にＦＥＴを用いる信号出力結合において有効であるが、直流電流的な出力結合においてはさらに別の信号の原因が問題になる。
【００２６】
第１の信号成分は、流れの原因とはならない緩慢に変化する信号、例えば電気化学的な妨害信号として生じる信号から分離することはできないが、第２の信号成分は流れ、またその流れをもたらす確率的な事象だけでも惹起される。これにより例えば、例えば速度の瞬時値は確かに確率的な大きな変動を受けるが、統計的な平均値は安定しているという結果が生じる。固定の所定の幾何学においては、これは流れにのみ依存する。
【００２７】
したがって本発明によれば、以下では確率的と称するこの第２の信号成分が総信号から分離され、時間に依存する信号として記録される。この分離を事後的に、すなわち所定の期間にわたり総信号を記録した後に、プロセスコンピュータにおいて慣例のフィルタプロシージャによって行うことができるか、信号検出時に装置による措置でもって最初に行うことができる。その種の措置の簡単な例は、直流電流的な出力結合における電流回路へのコンデンサの組み込みである。コンデンサは全ての直流電流を抑制し、確率的な信号のみを通過させることができる。
【００２８】
直接的な比較測定によって、振幅スペクトルおよび周波数スペクトルを特徴的なやり方で、最も頻繁に発生する振幅と最も頻繁に発生する周波数が平均流速で単調に増加するようにして平均流速に依存させられることが分かった。このことは導出された値、例えばその都度の平均値にも該当する。
【００２９】
確率的な信号に関する平均値は環境の影響、殊に媒体の温度に対して著しい安定性を示す。
【００３０】
以下では、図面および例示的に記録された測定値の時間的な経過に基づいて本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一組の出力結合電極、永久磁石および評価ユニットを備えた、本発明による方法の実施に適した測定管の概略的な斜視図を示す。
【図２】図１による測定管において測定された、直流電気的な出力結合の場合の確率的な信号の時間的な経過の概観（ａ）、信号の時間的な導関数の概観（ｂ）、導関数の絶対値の概観（ｃ）およびこの絶対値から計算された時間的な平均値の概観（ｄ）を示す。
【図３】電界効果トランジスタを介する信号出力結合時に生じ、図２における測定値と同時に記録される、測定管を通る体積流の信号を比較のために示す。
【００３２】
図１には、滑らかな絶縁性の材料から製造された測定管１が示されており、この測定管１は狭窄部もデッドスペースも有していない。時間的に一定である誘導Ｂの磁界がこの測定管１内を通っている。この磁界は、永久磁石によって励起される、ここでは図示していない磁気回路の一部である極４、４’に由来する。
【００３３】
有効信号を出力結合するための少なくとも２つの電極２，２’が設けられている。有効信号は基本的に、平均流速にのみ依存する第１の成分Ｕavと、確率的な速度変動にのみ依存する第２の成分Ｕstochとの重畳成分からなる。出力結合電極２，２’は直流電気的ないしガルバニックに測定媒体と接触する金属性の電極でよい。この場合、電極が好適には内壁と共に凹凸なく平滑な面を形成するように管の内壁に埋め込まれている。
【００３４】
しかしながら電極は容量性の電極であってもよく、この場合には電極は測定媒体と接触しないように完全に管の内部に挿入されている。直流電気的な電極は、簡単且つ廉価な製造、ロバスト性、慣例の流量センサまたは流体センサに使用されている長年の経験に関して利点を有している。基本的に、測定装置には慣例の磁気誘導性のセンサから既知である要求と全く同じ要求が課される。
【００３５】
有効信号は最終的に評価ユニット３に供給され、この評価ユニット３は確率的な信号成分から平気流速を所定のアルゴリズムにしたがい求めるタスクを有する。その種のアルゴリズムの個々の考えられるステップの例およびそれらのステップから得られる評価結果を、図２に示した、実際に実施された測定に基づき説明する。
【００３６】
測定を実施するために、図１に示された原理構造を有し、且つ磁界が通り抜けている測定管を収容する、制御可能なポンプが設けられている閉じられたハイドロリックシステムが検査対象として使用され、ポンプの制御によって流量が変更される。比較を目的として、システム内には平均流速を検出するために、電界効果トランジスタを介する信号出力結合により動作する別の測定装置が設けられている。
【００３７】
一連の測定が種々の流速で実施され、この測定に際し、値０から出発して、跳躍的な変化によって先ず最大値がセットされ、その後は段階的に値０に低減された値がセットされ、また最終的には新たな急激な変化で最大値がセットされ、続いて再び値０がセットされる。
【００３８】
図２における表ａは２つの直流電気的な電極間で取り出される誘導された総信号を示し、この総信号は非常に高い入力抵抗を有する信号増幅器に供給される。測定時定数が大きいので、確率的に変動する信号成分は差し当たり不可視である。
【００３９】
この信号を微分した後に一定の信号成分が除去され、残存する確率的な信号は表ｂに示されているようにはっきりと見て取れる。微分された信号の振幅と平均流速との関係は既にはっきりと見て取れる（表ａを参照されたい）。
【００４０】
振幅情報をさらに処理するために、表ｃにおいては表ｂの信号の整流が行われている。表ｃの信号に関する平均値形成によって最終的に表ｄに示された経過が生じ、この経過は一義的に平均流速に関する尺度であり、また明白な同種の時間特性を示す。
【００４１】
図３は、比較のために、別の方式の信号出力結合を用いて測定された平均流速の別の経過を示す。ＦＥＴを用いる出力結合での確率的な信号成分は存在するだけでなく、それどころか直流電気的な出力結合の場合よりも顕著に現れていることがはっきりと見て取れる。
【００４２】
種々の温度で測定を何度繰り返しても、前述の関係を繰り返し安定して再現することができた。
【００４３】
要約すると（また同時に若干一般化すると）、媒体の平均流速を測定するための表ａから表ｄに示したアルゴリズムは以下の部分ステップから構成されている：
ａ）液体の速度変動によって磁界内に誘導される確率的な信号が所定の期間にわたり有効信号として検出される。
ｂ）場合によっては存在する、時間的に一定の（もしくは選択された期間の長さに比例して緩慢に変化する）信号成分から有効信号が分離される。
ｃ）有効信号が整流され、続いて平均値が形成される。
ｄ）形成された平均値が媒体の平均流速に関する尺度として解釈される。
【００４４】
当業者であれば、古典的な磁気誘導性の測定原理は内因性の平均的な技術であることが分かる。実際には、本発明による方法の前述の記述が基礎とするような信号記録の方式によって平均値形成が既に行われている。流れる媒体と磁界との相互作用によって誘導電界が生じ、この電界は空間のあらゆる点における絶対値と方向にしたがい、そこにおいて支配的な空間速度成分および電界成分によって決定される。すなわち、種々の点においてこの電界に侵入されたそれぞれ２つの電極間には、電界強度にわたる経路積分が測定される。経路積分はそれらの点間の電圧とは異なる。この電圧は磁界の影響により重み付けされた流速の平均値に関する尺度である。
【００４５】
さらにそれらの電極が間隔を空けて主流れ方向に取り付けられている場合には、空間的な積分が時間的な積分としても解されることが即座に明らかになる。何故ならば、一箇所において時間的に連続して生じる事象が空間的な構造への媒体の流れによって形成されるからである。したがって、間隔を空けて主流れ方向に位置する２つの点間で測定された電圧は実質的に、上流側に位置する点において誘導される、局所的な乱流に関する尺度である電界強度の時間積分を表す。
【００４６】
主流れ方向においても配置されており、またそれに対して横方向に間隔を空けても配置されている複数の電極によって、空間的な積分作用および時間的な積分作用を有利には組み合わせることができる。
【００４７】
その限りにおいては、確率的な信号においても時間的な平均値形成なしでは、またはより一般的には時間にわたる積分なしでは、媒体の平均流れ特性に関する情報を得ることは期待できない。測定値からの平均値の直接的な計算による前述の評価は確かに流速との基本的な線形の関係を示唆するが、ここでもまたその線形の関係は全ての周辺条件下で維持されるということを前提とすることはできない。殊に乱流の激しい流れを測定する場合に、他の種類の平均値形成、殊に重み付け係数を用いる平均値形成を考慮することは有利である。例えば、従来技術から公知の速度スケールｕと周波数スケールｕ／Ｌとの関係から、確率的な信号成分の周波数スペクトルも評価に利用できるということが結論される。
【００４８】
そこから、本発明による方法の実現形態の特徴を示す技術的な処理ついての教示は、一般的に、所定の期間にわたる確率的な信号の重み付けられた積分から得られる値を求めることを推奨する。簡単な方式の（重みが一定の）重み付けにより上記の結果が得られる。しかしながら、例えば最大フーリエ成分または、信号内で最も頻繁に発生する周波数を示すフーリエ成分を絶対値で求めるためのフーリエ変換も期間にわたる重み付けされた積分、すなわち調和関数を用いるスカラ積形成である。
【００４９】
表現を簡略化するために、「確率的な信号の積分」には勿論、確率的な信号の絶対値の積分も含まれるものとする。
【００５０】
具体的な測定問題を考慮して確率的な信号に関する最も好適な時間積分を求めることをある程度は当業者に委ねることができる。殊に本願明細書の業績は、今日まで従来技術では単に除去すべき妨害量としか見なされていなかった確率的なＭＩＤ信号の評価の有意性を当業者に認識させた点にある。
【００５１】
最後に、装置についての重要な本発明の利点をもう一度言及しておく。
【００５２】
一定の磁界を使用できることにより、永久磁石の利用によるエネルギ需要が低減され、さらには従来の磁気誘導性のシステムとは異なり妨害的な渦効果が生じないので金属性の導電部を測定装置に問題なく組み込むことができる。
【００５３】
出力結合の方式の選択に関する完全な自由度は測定管の構成にとっても同様に有利である。本発明によれば確率的な信号成分のみが評価に使用されるので、直流電流的な出力結合も容量性の出力結合も可能である。直流電気的な出力結合の場合には、本願発明では磁界方向が流れ方向に比例して変化するのではなく（これはその他の場合では通常行われている）、全く逆に、一定の磁界に対して瞬間的な流体運動が変化し、一定の信号は考慮されないことが分かる。もっとも定電流はもちろん存在しているので、従前通り電極の公知の劣化問題は生じる。一般的にＦＥＴゲートを介する信号出力結合が殊に有利であると思われる。
【００５４】
本発明による方法の非常に重要な利点は磁界に品質に対する要求が比較的少ないということである。殊に、従来のシステムでは存在するような均質性の要求を完全に省略することができる。このことは直接的に、測定管の軸についての磁気回路の対称性を省略できるという結果につながる。これによって磁気回路に関する廉価な解決手段も提供される。
【００５５】
最後に、本発明は、渦計測器または渦流計測器として公知の流量測定装置に使用される方法といかなる類似性も有していないことを強調しておく。この公知の流量測定装置において使用される方法では、流れの経路の中央に存在する障害物の縁部の両側に交互に生じる渦、すなわち、いわゆるカルマン渦列を形成する渦が時間単位毎に測定される。この数が媒体速度と既知のように線形に関係付けられる。この際に各渦は渦に由来する圧力作用によって検出される。すなわち個々の渦が巨視的に表される特性を利用するのに対し、本発明による方法は確率的な信号の使用およびその確率的な規則性を基礎とする。
【図１】
2010520470.tif 000003
【図２】
2010520470.tif 000004
【図３】
2010520470.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成20年12月10日(2008.12.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
媒体が通り抜ける測定体積に磁界を印加し、測定体積において誘導された電気的な信号を出力結合して導電性の媒体の平均流速を測定する方法であって、
乱流運動に基づく前記流速の確率的な変動に起因する前記電気的な信号の変動成分を時間に依存する有効信号として検出する平均流速を測定する方法において、
該有効信号の重み付けされた積分によって、平均流速、例えば空間的に平均化された流速を所定の期間にわたり求めることを特徴とする、媒体の平均流速を測定する方法。
【国際調査報告】
2010520470.tif 000006
2010520470.tif 000007
2010520470.tif 000008
2010520470.tif 000009
2010520470.tif 000010
2010520470.tif 000011