CN108507632B - 电磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明实现一种测量精度及测量稳定性高的、具备电导率测量功能的小型电磁流量计。本发明的电磁流量计具有：励磁线圈；第1电极及第2电极，它们以在与励磁线圈的磁场垂直的方向上相对的方式配设在测定管的外周面；放大电路，其以公共电位为基准来放大第1电极与第2电极之间产生的电动势；流量算出部，其根据从放大部输出的信号来算出流体的流量；第3电极，其与第1及第2电极分开地形成于测定管的外周面；第4电极，其与公共电位连接，并与流体接触；电阻，其一端与第3电极连接；电压检测部，其检测通过对电阻的另一端输入交流信号而在第3电极中产生的信号的电压；及电导率算出部，其根据由电压检测部检测到的电压的振幅来算出流体的电导率。

Description

电磁流量计

技术领域

本发明涉及在各种工艺系统中测量流体的流量的电磁流量计，尤其涉及一种具备测量流体的电导率的功能的电磁流量计。

背景技术

电磁流量计为如下测量设备，其具备：励磁线圈，其在与在测定管内流动的流体的流动方向垂直的方向上产生磁场；以及一对电极，它们配置在测定管上，沿与由励磁线圈产生的磁场正交的方向配置，该测量设备一边交替切换流至励磁线圈的励磁电流的极性、一边检测上述电极间产生的电动势，由此测量在测定管内流动的被检测流体的流量。

通常，电磁流量计大致分为接触式和电容式(非接触式)，所述接触式是使设置在测定管上的电极直接接触测量对象的流体来检测上述流体的电动势，所述电容式(非接触式)是经由流体与电极间的静电电容来检测上述流体的电动势而不会使设置在测定管上的电极接触测量对象的流体。

电容式电磁流量计是利用信号放大电路(例如差动放大电路)来放大电极间产生的电动势，之后利用模数转换电路转换为数字信号，并将该数字信号输入至微控制器等程序处理装置来执行规定的运算处理，由此算出流量。这种电容式电磁流量计因电极不易劣化、容易维护，所以近年来特别受到业界关注。作为电容式电磁流量计的现有技术，例如在专利文献1、2中有揭示。

此外，电磁流量计当中，存在具备不仅测量流体的流量、还测量该流体的电导率(所谓的导电率)的功能的电磁流量计。例如，专利文献3中揭示有一种配备双电极方式的电导率计的电磁流量计，所述双电极方式的电导率计对2个电极间施加正弦波或矩形波等的交流信号并测定在电极间流通的电流，由此求出电导率。该专利文献揭示的电导率计是通过将2个电极均浸入测量对象的液体来测量电导率。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本专利特开平5-172600号公报

【专利文献2】日本专利特开平8-261808号公报

【专利文献3】日本专利特开平7-5005号公报

发明内容

【发明要解决的问题】

本发明者对在电容式电磁流量计中追加测量流体的电导率的功能这一内容进行了研究。然而，根据本发明者的研究，明确了存在以下所示的问题。

通常，电容式电磁流量计是以测量对象的流体与电极不接触的方式构成，因此测量对象的流体与电极之间的阻抗升高。因此，当噪声重叠在电极与信号放大电路的输入端子之间的线路上时，存在电磁流量计的测量精度及测量稳定性降低的问题。因此，在普通的电容式电磁流量计中，将励磁电流的频率设定为比普通的接触式电磁流量计高的几十Hz～几百Hz。

另一方面，将2个电极均浸入检测对象的流体(液体)来测量电导率的电导率计通常是将施加至2个电极间的交流信号的频率设定为几十Hz～几百Hz。

因而，在将以往的电容式电磁流量计与以往的双电极方式的电导率计组合在一起的情况下，流量的测量所需的励磁电流的频带与电导率的测量所需的交流信号的频带会发生重叠，因此励磁电流与交流信号会相互干扰，从而有流量及电导率的测量精度和测量稳定性降低之虞。

此外，在以往的电容式电磁流量计中，除了上述的沿与磁场正交的方向配置的一对电极以外，还需要与测量对象的流体接触、且与成为流量测量的基准的公共电位连接在一起的公共电极。因此，在对以往的电容式电磁流量计组合有电导率计的情况下，在测定管的周边至少需要5个电极，所以存在电磁流量计难以小型化的问题。尤其是在专利文献3揭示的以往的电磁流量计中，由于在用于流量的测量的电极与用于电导率的测量的电极之间设置有与公共电位连接在一起的接地环，因此电磁流量计的小型化更加困难。

本发明是鉴于上述问题而成，本发明的目的在于实现一种具有更高测量精度及测量稳定性的、具备电导率测量功能的小型电磁流量计。

【解决问题的技术手段】

本发明的电磁流量计100的特征在于，具有：测定管1，其由电绝缘材料构成，供测量对象的流体流动；励磁线圈Lex，其配设在测定管的外侧，产生与所供给的交流电流Iex相应的磁场；第1电极11及第2电极12，它们设置在测定管的外周面，在与励磁线圈所产生的磁场垂直的方向上相对地配设；放大电路13，其以公共电位Vcom为基准来进行动作，输出将第1电极与第2电极之间产生的电动势放大而得的信号VF；流量算出部63，其根据从放大电路输出的信号来算出流体的流量；第3电极2，其与第1电极及第2电极分开地形成于测定管的外周面；第4电极3，其与公共电位连接，并与流体接触；电阻R1，其一端与第3电极连接；电压检测部5，其检测通过对电阻的另一端输入交流信号而在第3电极中产生的信号的电压；以及电导率算出部62，其根据由电压检测部检测到的电压VH、VL的振幅，来算出流体的电导率。

在上述电磁流量计中，交流信号的频率f1可为供给至励磁线圈的交流电流的频率的至少100倍。

在上述电磁流量计中，放大电路可包含滤波器131、132，所述滤波器131、132使将电动势放大而得的信号中包含的、与交流信号相对应的频率分量衰减。

在上述电磁流量计中，可还具有判定部64，所述判定部64根据由电导率算出部算出的流体的电导率来判定测定管内有无流体。

在上述电磁流量计中，电压检测部可包含：第1采样保持电路51，其在交流信号成为第1极性的第1期间Tp内对第3电极的电压进行采样并保持；以及第2采样保持电路52，其在交流信号成为与第1极性相反的第2极性的第2期间Tn内对第3电极的电压进行采样并保持，电导率算出部62根据由第1采样保持电路采样到的电压VH和由第2采样保持电路采样到的电压VL来算出流体的电导率。

在上述电磁流量计中，第4电极可为一端与测定管连结、另一端能与外部的管道连结的由金属构成的管状的接头3A。

在上述电磁流量计中，可还具有由金属构成的屏蔽罩21，所述屏蔽罩21以与第3电极的至少一部分相对的方式配置。

再者，在上述说明中，作为发明的构成要素的一例，以带括号的方式记载了与该构成要素相对应的附图上的参考符号。

【发明的效果】

根据本发明，能够实现一种具有更高测量精度及测量稳定性且更小型的、具备电导率测量功能的电磁流量计。

附图说明

图1为表示本发明的一实施方式的电磁流量计的构成的图。

图2为表示电压检测部的动作定时的时间图。

图3A为表示从信号源V1经由非接触电极2而到达至公共电位Vcom的电流路径的等效电路的图。

图3B为表示从信号源V1经由非接触电极2而到达至公共电位Vcom的电流路径的更简易的等效电路的图。

图4为表示图3A所示的等效电路200中的信号V2的模拟结果的图。

图5为表示从信号源V1经由非接触电极2而到达至公共电位Vcom的电流路径的另一等效电路的图。

图6A为表示在图5所示的等效电路202中设定脉冲V1的频率f1＝160kHz的情况下的信号V2的模拟波形的图。

图6B为表示在图5所示的等效电路202中设定脉冲V1的频率f1＝1600kHz的情况下的信号V2的模拟波形的图。

图7为表示信号V2的振幅(VH－VL)与被测定流体的电导率的关系的图。

图8为表示本实施方式的电磁流量计100的实现例的立体图。

图9A为表示壳体20内部的立体截面图。

图9B为表示壳体20的内部的前视截面图。

图10A为表示屏蔽罩的配置例的立体图。

图10B为表示屏蔽罩的配置例的侧视图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明的实施方式进行说明。

〈本实施方式的电磁流量计的构成〉

图1为表示本发明的一实施方式的电磁流量计的构成的图。

该图所示的电磁流量计100是具备以双电极方式测量流体的电导率的功能的电容式电磁流量计。

如图1所示，电磁流量计100具有测定管1、第1电极11、第2电极12、励磁线圈Lex、励磁电路15、数据处理控制部6、放大电路13、信号检测部14、第3电极2、第4电极3、交流信号生成部4、电压检测部5、模数转换部(ADC)7、时钟信号生成部8、设定显示部9及模拟输出部10。

电磁流量计100通过上述各功能部来实现在测定管1内流动的流体的流量的测量，且实现在测定管1内流动的流体的电导率的测量。

下面，分为测量流量的流量测量功能和测量电导率的电导率测量功能来对各功能部进行详细说明。

(1)流量测量功能

电磁流量计100对以磁场产生方向与在测定管1内流动的流体的流动方向垂直的方式配置的励磁线圈Lex供给极性交替切换的交流电流(以下，称为“励磁电流Iex”)，并检测以与来自励磁线圈Lex的产生磁场正交的方式配设在测定管1上的一对第1电极11及第2电极12之间产生的电动势，由此测量在测定管1内流动的流体的流量。

该流量测量功能是通过测定管1、励磁线圈Lex、励磁电路15、第1电极11、第2电极12、数据处理控制部6、放大电路13、信号检测部14、设定显示部9及模拟输出部10来实现。

测定管1是供流量及电导率的测量对象的流体(被测定流体)流动的管。测定管1由电绝缘材料构成。作为上述电绝缘材料，优选为电绝缘性相对较高的材料，例如为陶瓷。

励磁线圈Lex是根据所施加的励磁电流Iex对测定管1产生磁场的零件。

励磁电路15是对励磁线圈Lex施加励磁电流Iex的电路。励磁电路15通过数据处理控制部6来控制励磁电流Iex的输出。

数据处理控制部6是进行构成电磁流量计100的各功能部的统括性控制的功能部，例如由微控制器、CPU等程序处理装置构成。具体而言，数据处理控制部6包含基准时钟生成部61、电导率算出部62、流量算出部63、空状态判定部64及励磁控制部65。构成数据处理控制部6的这些功能部例如通过按照程序控制构成上述程序处理装置的硬件资源来实现。

励磁控制部65为如下功能部：通过对励磁电路15进行控制来周期性地切换供给至励磁线圈Lex的励磁电流Iex的极性，由此在测定管1内产生磁场。

此处，励磁电流Iex的频率为几十Hz～几百Hz。以下，也将励磁电流Iex的频率称为“励磁频率”。

再者，数据处理控制部6中的除励磁控制部65以外的功能部的详细说明将于后文叙述。

第1电极11及第2电极12是由金属材料构成的、电动势检测用的一对电极。第1电极11及第2电极12例如由薄膜状的金属材料(例如铜箔)构成，在测定管1的外周面的一部分区域内，沿与由励磁线圈Lex产生的磁场垂直的方向相对配设。第1电极11及第2电极12与测定管1例如通过粘接材料接合在一起。由于被测定流体是在测定管1的内部流动，因此第1电极11及第2电极12不会接触被测定流体。以下，也将第1电极11称为“检测电极11”、将第2电极12称为“检测电极12”。

放大电路13是以公共电位Vcom为基准来进行动作、将一对检测电极11、12间产生的电动势放大并作为流量信号VF输出的电路。

在本实施方式中，设定公共电位Vcom为0V(接地电位)来进行说明。

具体而言，放大电路13由前置放大器U2、U3、差动放大电路U4、低通滤波电路131、高通滤波电路132以及缓冲放大器U5构成。

前置放大器U2例如由运算放大器等构成，是对检测电极11的电压进行放大的电路。前置放大器U3例如由运算放大器等构成，是对检测电极12的电压进行放大的电路。差动放大电路U4例如由运算放大器等构成，是生成和经前置放大器U2放大后的电压与经前置放大器U3放大后的电压的差相应的差动信号的电路。

低通滤波电路131及高通滤波电路132是使将检测电极11与检测电极12之间产生的电动势放大而得的信号中包含的规定的频率分量衰减的电路。此处，上述所谓规定的频率分量，是与后文叙述的电导率的测量所使用的交流信号V1相对应的频率分量。

低通滤波电路131例如包含电阻R3及电容C3。高通滤波电路132例如包含电容C4和电阻R4。构成低通滤波电路131及高通滤波电路132的电阻R3、R4以及电容C3、C4的常数被设定为对于使上述规定的频率分量衰减而言较为恰当的值。

缓冲放大器U5例如由运算放大器等构成，是对经由低通滤波电路131及高通滤波电路132输出的上述差动信号进行缓冲并作为流量信号VF输出的电路。

信号检测部14是对从缓冲放大器U5输出的流量信号VF的电压进行检测并供给至数据处理控制部6中的流量算出部63的功能部。具体而言，信号检测部14以规定的采样周期对流量信号VF的电压进行采样并保持，并将该电压(模拟信号)转换为数字信号而给予流量算出部63。

流量算出部63根据由信号检测部14检测到的流量信号VF的电压来算出在测定管1内流动的流体的流量。流量算出部63的流量算出处理例如通过以往的电容式电磁流量计中的公知的流量算出方法来实现。

设定显示部9具有检测作业人员的设定操作输入而输出至数据处理控制部6的功能、和利用LED或LCD来显示来自数据处理控制部6的显示输出的功能。例如，检测作业人员的操作输入而指示数据处理控制部6执行流量测量，并利用LED或LCD等来显示数据处理控制部6的流量测量结果的信息。

模拟输出部10是用以将数据处理控制部6的运算结果输出至外部设备的功能部。具体而言，模拟输出部10利用4-20mA的模拟信号来输出数据处理控制部6的运算结果。例如，利用4-20mA的模拟信号来输出由流量算出部63算出的流量测量结果的信息。

通过以上说明过的功能部，得以实现电磁流量计100的流量测量功能。

(2)电导率测量功能

电磁流量计100在将与在测定管1内流动的流体接触的第4电极3与公共电位Vcom连接在一起的状态下，经由电阻R1对设置在测定管1的外周面的第3电极2施加交流信号，并检测这时的第3电极2中产生的信号V2的振幅，由此测量在测定管1内流动的流体的电导率。

该电导率测量功能是通过测定管1、第3电极2、第4电极3、交流信号生成部4、电压检测部5、数据处理控制部6、模数转换部(ADC)7、时钟信号生成部8、设定显示部9以及模拟输出部10来实现。

第3电极2由形成于测定管1的外周面的金属材料构成。第3电极2例如由薄膜状的金属材料(例如铜箔)构成，在测定管1的一部分区域内与检测电极11、12分开地沿测定管1的圆周方向延伸。第3电极2与测定管1例如通过粘接材料接合在一起。由于被测定流体是在测定管1的内部流动，因此第3电极2不会接触被测定流体。以下，也将第3电极2称为“非接触电极2”。

第4电极3是与公共电位Vcom连接且与被测定流体接触的电极。第4电极3例如像图1所示那样由与测定管1连结在一起的管状的金属材料构成。以下，也将第4电极3称为“接触电极3”。

时钟信号生成部8是生成用以控制各功能部的动作定时的时钟信号的电路。具体而言，时钟信号生成部8对从后文叙述的数据处理控制部6的基准时钟生成部61输出的基准时钟信号CLK0进行分频，由此生成各种时钟信号CLK1、CLKp、CLKn。再者，时钟信号CLK1、CLKp、CLKn的具体例将于后文叙述。

交流信号生成部4是生成施加至非接触电极2的交流信号的电路。交流信号生成部4例如产生脉冲V1作为交流信号。如图1所示，交流信号生成部4例如可以通过开关SW3来实现，所述开关SW3具有与公共电位Vcom连接在一起的第1端子P1、与基准电位Vref(＞Vcom)连接的第2端子P2、以及与电阻R1连接的第3端子P3。

开关SW3根据从时钟信号生成部8输出的一定周期的时钟信号CLK1而在第1端子P1与第2端子P2之间切换第3端子P3的连接目标。由此，从第3端子P3输出低电平的电压为公共电位Vcom、高电平的电压为基准电位Vref、频率f1与时钟信号CLK1相同的脉冲V1。

此处，脉冲V1的频率f1较理想为励磁频率fex的至少100倍。再者，频率f1的具体数值范围将于后文叙述。

电阻R1的一端与交流信号生成部4的输出端子(开关SW3的上述第3端子)连接，另一端与非接触电极2连接。由此，从交流信号生成部4输出的脉冲V1经由电阻R1而被输入至非接触电极2。

电压检测部5是检测非接触电极2中产生的信号V2的电压的电路。具体而言，电压检测部5检测脉冲V1成为第1极性(例如高电平(＝Vref))的期间Tp内的信号V2的电压，而且检测脉冲V1成为与第1极性相反的第2极性(例如低电平(＝Vcom))的期间内的信号V2的电压。

更具体而言，电压检测部5例如包含缓冲放大器U1及采样保持电路51、52。缓冲放大器U1例如由运算放大器等构成，对非接触电极2中产生的信号V2进行缓冲并输出。从缓冲放大器U1输出的信号V2b的电压与信号V2的电压大致相等(V2b≒V2)。

采样保持电路51、52是以规定的定时对从缓冲放大器U1输出的信号V2b的电压进行采样并保持的电路。

采样保持电路51例如包含一端与缓冲放大器U1的输出端子连接的开关SW1和连接在开关SW1的另一端与公共电位Vcom之间的电容C1。开关SW1例如根据时钟信号CLKp来切换导通/断开。由此，采样保持电路51可以根据时钟信号CLKp来进行信号V2b的电压的采样。

采样保持电路52例如包含一端与缓冲放大器U1的输出端子连接的开关SW2和连接在开关SW2的另一端与公共电位Vcom之间的电容C2。开关SW2例如根据时钟信号CLKn来切换导通/断开。由此，采样保持电路52可以根据时钟信号CLKn来进行信号V2b的电压的采样。

图2为表示电压检测部5的动作定时的时间图。

如图2所示，时钟信号生成部8生成周期T的脉冲(例如，占空比：50％)作为时钟信号CLK1，并给予交流信号生成部4。交流信号生成部4在时钟信号CLK1为高电平时将第3端子P3连接至第2端子P2(＝Vref)，在时钟信号CLK1为低电平时将第3端子P3连接至第1端子P1(＝Vcom)。由此，如图2所示，从第3端子P3输出在时钟信号CLK1成为高电平(第1极性)时成为基准电位Vref、在时钟信号CLK1成为低电平(第2极性)时成为公共电位Vcom的脉冲V1。从交流信号生成部4的第3端子P3输出的脉冲V1经由电阻R1而被输入至非接触电极2。

在被测定流体正在测定管1及接触电极3的内部流动时，当输出上述脉冲V1时，电流经由电阻R1、非接触电极2、被测定流体及接触电极3而流入至公共电位Vcom。由此，在非接触电极2中产生与电阻R1和电阻R1的另一端侧的阻抗相应的电压的信号V2。此时的信号V2像图2所示那样成为电压与脉冲V1同步变动的信号。

此外，时钟信号生成部8将在时钟信号CLK1成为高电平的期间Tp即脉冲V1成为第1极性(例如高电平(＝Vref))的期间内成为高电平的脉冲供给至采样保持电路51作为时钟信号CLKp。

采样保持电路51的开关SW1在时钟信号CLKp为高电平时导通，在时钟信号CLKp为低电平时断开。由此，采样保持电路51对非接触电极2中产生的信号V2(V2b)成为高电平时的电压VH进行采样。

进一步地，时钟信号生成部8将在时钟信号CLK1成为低电平的期间Tn即脉冲V1成为第2极性(例如低电平(＝Vcom))的期间内成为高电平的脉冲供给至采样保持电路52作为时钟信号CLKn。

采样保持电路52的开关SW2在时钟信号CLKn为高电平时导通，在时钟信号CLKn为低电平时断开。由此，采样保持电路52对非接触电极2中产生的信号V2(V2b)成为低电平时的电压VL进行采样。

模数转换部7是将由采样保持电路51取得的电压VH与由采样保持电路52采样保持的电压VL的电位差转换为数字信号的电路。

数据处理控制部6中的基准时钟生成部61是生成供给至时钟信号生成部8的基准时钟信号CLK0的功能部。基准时钟生成部61例如可以通过使用外置的晶体或陶瓷振荡器来生成信号的振荡电路等来实现。

此外，数据处理控制部6中的电导率算出部62是根据由电压检测部5检测到的电压的振幅来算出被测定流体的电导率的功能部。再者，电导率算出部62的具体处理内容将于后文叙述。

进一步地，数据处理控制部6包含判定测定管1内有无流体的空状态判定部64。空状态判定部64根据由电导率算出部62算出的电导率来判定测定管1内有无流体。例如，在由电导率算出部62算出的电导率小于规定阈值的情况下，空状态判定部64判定测定管1内不存在流体。

设定显示部9例如检测作业人员的操作输入而指示数据处理控制部6测量电导率或者执行空状态判定处理，并利用LED或LCD等来显示数据处理控制部6的电导率的测量结果的信息。此外，模拟输出部10例如利用4-20mA的模拟信号来输出由电导率算出部62算出的电导率或空状态判定部64的判定结果的信息。

〈电导率的算出原理〉

接着，对本实施方式的电磁流量计100中的电导率的算出原理进行说明。

如上所述，在被测定流体正在测定管1及接触电极3的内部流动的状态下将脉冲V1输入至电阻R1的一端的情况下，电流经由电阻R1、非接触电极2、被测定流体及接触电极3而流入至公共电位Vcom。该电流的电流路径可以通过图3A所示的等效电路200来表示。

具体而言，等效电路200由电阻R1、Rb、电容Ca、Cb以及输出脉冲V1的信号源V1构成。此处，Rb表示被测定流体的电阻值，Ca表示接触电极3与被测定流体之间的极化电容，Cb表示被测定流体与非接触电极2之间的电容。

与以往的使2个电极均接触被测定流体的双电极方式的电导率计相比，被测定流体与非接触电极2之间的电容Cb的值变小。因此，为了高精度且再现性较佳地测定被测定流体的电阻Rb的值，在等效电路200中，较理想为尽可能提高脉冲V1的频率f1而尽可能减小电容Cb对电阻Rb的电抗分量。

在将脉冲V1的频率f1提高到可以忽略电容Ca、Cb的阻抗的水平的情况下，等效电路200可以重新描绘成图3B所示的等效电路201。即，从信号源V1经由非接触电极2而到达至公共电位Vcom的电流路径的等效电路201可以通过以电压Vref/2为基准而具有±Vref/2的振幅的信号V1、由电阻R1及电阻Rb构成的电阻分压电路、以及耦合电容器Cx来表示。

在等效电路201中，信号V2的电压成为高电平的期间Tp内的电阻R1与电阻Rb的电压降之比以下述数式(1)表示。此处，Vr1_H表示信号V2的电压成为高电平的期间Tp内的电阻R1的两端的电压，Vrb_H表示信号V2的电压成为高电平的期间Tp内的电阻Rb的两端的电压。

【数式1】

此外，在等效电路201中，信号V2的电压成为低电平的期间Tn内的电阻R1与电阻Rb的电压降之比以下述数式(2)表示。此处，Vr1_L表示信号V2的电压成为低电平的期间Tn内的电阻R1的两端的电压，Vrb_L表示信号V2的电压成为低电平的期间Tn内的电阻Rb的两端的电压。此外，如上所述，VH是信号V2b(V2)成为高电平时的电压，VL是信号V2b(V2)成为低电平时的电压(参考图2)。

【数式2】

根据上述数式(1)及上述数式(2)，电压Vr1_H与电压Vr1_L的和即电压Vr1_HL与电压Vrb_H与电压Vrb_L的和即电压Vrb_HL之比以下述数式(3)表示。

【数式3】

Vr1_HL：Vrb_HL≈{Vref-(VH-VL)}：(VH-VL)····(3)

根据数式(3)，电阻R1与电阻Rb之比以下述数式(4)表示。

【数式4】

R1：Rb≈{Vref-(VH-VL)}：(VH-VL)····(4)

根据上述数式(4)，电阻Rb以下述数式(5)表示。

【数式5】

上述式(5)中，基准电位Vref和电阻R1都是已知的值。因而，若知道信号V2b(V2)为高电平时的电压VH与信号V2b(V2)为低电平时的电压VL的差(VH－VL)即信号V2b(V2)的振幅，则可以根据数式(5)求出被测定流体的电阻Rb即被测定流体的电导率(＝1/Rb)。

图4为表示图3A所示的等效电路200中的信号V2的模拟结果的图。

该图展示了在等效电路200中设定R1＝10[kΩ]、Rb＝20[kΩ]、Ca＝0.1[μF]、Cb＝100[pF]、将脉冲V1的频率设为15[MHz]、将振幅设为1[V]时的信号V2的模拟结果。

在图4所示的模拟结果中，信号V2成为高电平时的电压VH约为0.8333V，信号V2成为低电平时的电压VL约为0.1667V。因而，根据数式(5)，该情况下的被测定流体的电阻Rb约为19.99[Ω]。

在本实施方式的电磁流量计100中，电导率算出部62将经由模数转换部7输入的电压VH、VL的值代入至上述数式(5)，由此算出在测定管1内流动的被测定流体的电导率。

如上所述，为了高精度且再现性较佳地测定被测定流体的电阻Rb的值，较理想为尽可能提高脉冲V1的频率f1而尽可能减小电容Cb对电阻Rb的电抗分量。然而，若过于提高频率f1，则有被测定流体的电阻Rb的测定精度降低之虞。因此，在谋求被测定流体的电阻Rb的测定精度和再现性的进一步提高的情况下，必须将脉冲V1的频率f1设定为恰当的值。下面进行详细说明。

图5为表示电磁流量计100中的从信号源V1经由非接触电极2而到达至公共电位Vcom的电流路径的另一等效电路的图。

如该图的等效电路202所示，实际上，在产生脉冲V1的信号源V1与公共电位Vcom之间，除了电阻R1、Rb及电容Ca、Cb以外，还存在接触电极3与非接触电极2之间的电容Cc和接触电极3与被测定流体之间的极化电阻Ra。此处，Ca＞＞Cb＞＞Cc、Ra＞＞Rb。

在过于提高脉冲V1的频率f1的情况下，信号源V1与公共电位Vcom之间的电流路径必须视为等效电路202而不是上述图3B所示的简单的等效电路201。因此，电容Cc的影响导致施加至电阻Rb的电压的波形发生畸变，从而有电阻Rb的测定精度降低之虞。

因此，为了抑制由电容Cc引起的电阻Rb的测定精度的降低，必须考虑电容Cb的阻抗的影响。具体而言，电容Cb的电抗分量Zcb(＝1/(2πf1×Cb))必须满足下述数式(6)所示的条件。

【数式6】

若将数式(6)改写为频率f1的式子，则得到数式(7)。

【数式7】

因而，通过将脉冲V1的频率f1设定为数式(7)所示的范围内的值，能够抑制流体电阻(液体电阻)Rb即电导率的测定精度的降低。

此处，电容Cb主要由非接触电极2的面积和构成测定管1的电绝缘体材料的介电常数决定，极化电容的影响小到可以忽略的程度，因此可以预先掌握该值。

例如，数式(7)中，在设定Rb＝10[kΩ]、Cb＝100[pF]时，脉冲V1的频率f1约为160kHz～1600kHz的范围。

在该情况下，励磁频率fex较理想设定为约1.6kHz～16kHz的范围或者以下的值。由此，能使流量测量功能相关的励磁电流Iex的频带与电导率测量功能相关的交流信号(脉冲V1)的频带不一样。

图6A、6B表示将脉冲V1的频率f1设定为160kHz～1600kHz的范围的值时的模拟结果。图6A为表示在等效电路202中设定脉冲V1的频率f1＝160kHz的情况下的信号V2的模拟波形的图，图6B为表示在等效电路202中设定脉冲V1的频率f1＝1600kHz的情况下的信号V2的模拟波形的图。在本模拟中，设定Ra＝1[MΩ]、Rb＝10[kΩ]、Ca＝0.1[uF]、Cb＝100[pF]、Cc＝10[pF]。

如上所述，在谋求被测定流体的电阻Rb的测定精度和再现性的提高的情况下，考虑等效电路202、将脉冲V1的频率f1设定为恰当的范围(数式(7))即可。

但是，即便在已将脉冲V1的频率f1设定为恰当的范围的情况下，信号源V1与公共电位Vcom之间的电流路径也无法完全视为上述图3B所示的简单的等效电路201，因此，在基于数式(5)的算出方法中，有时会产生一些误差。

例如，在图5所示的等效电路202中，信号V2的振幅(VH－VL)与被测定流体的电导率的关系例如以图7所示的非线性特性300表示。

因此，在希望进一步提高被测定流体的电阻Rb的测定精度和再现性的情况下，使用预先制作好的表示信号V2的振幅(VH－VL)与被测定流体的电导率的对应关系的查找表来算出电导率即可。

例如，预先使用电导率已知的流体(液体)来进行调查信号V2的振幅(VH－VL)与被测定流体的电导率的关系的试验，根据该试验结果来制作表示信号V2的振幅(VH－VL)与被测定流体的电导率的对应关系的查找表。制作好的查找表例如存储至作为数据处理控制部6而发挥功能的微控制器等程序处理装置内的非易失性存储器等存储部。

继而，在算出被测定流体的电导率时，电导率算出部62参考上述存储部中存储的查找表，读出与根据经由模数转换部7输入的电压VH、VL的值算出的振幅(VH－VL)的值相对应的电导率的值，由此算出被测定流体的电导率。

由此，能够进一步提高被测定流体的电阻Rb的测定精度及再现性。

接着，展示电磁流量计100的实现例。

图8为表示本实施方式的电磁流量计100的实现例的立体图。

如该图所示，电磁流量计100是通过将测定管1、非接触电极2及接触电极3和印刷基板收纳在由金属或树脂等构成的壳体20内并利用设定显示部9将该壳体20的开口部盖住来实现，该印刷基板形成有交流信号生成部4、电压检测部5、数据处理控制部6、模数转换部7、时钟信号生成部8及模拟输出部10等电子电路等。

设定显示部9具备操作用按钮91和LED或LCD等显示装置92，所述操作用按钮91用以实现检测作业人员的设定操作输入并输出至数据处理控制部6的功能，所述显示装置92用以实现对来自数据处理控制部6的显示输出进行显示的功能。

在壳体20的相对的一对侧面配设有管状的接头3A、3B，所述管状的接头3A、3B能够连结设置在电磁流量计100的外部的管道(未图示)与测定管1，由金属材料(例如SUS)构成。

图9A为表示壳体20内部的立体截面图，图9B为表示壳体20的内部的主视截面图。

如图9A、9B所示，测定管1沿壳体20的长度方向配设在壳体20内。在测定管1的两端部分别连结有接头3A和接头3B。

此处，2个接头3A、3B中的一方作为接触电极3而发挥功能。例如，接头3A与公共电位Vcom连接，由此，不仅连结外部的管道与测定管1，还作为接触电极3而发挥功能。该情况下的非接触电极2形成于测定管1上的、与供接头3A连接的端部靠近的外周面。

此外，流量测量用的检测电极11、12形成于测定管1的外周面上的、非接触电极2与接头3B之间的区域。

通过像这样利用由金属构成的接头3A来实现接触电极3，使得接触电极3的与被测定流体接触的面积扩大。由此，即便在接触电极3发生了异物的附着或者腐蚀的情况下，发生了异物的附着或者腐蚀的部分的面积相对于接触电极3的总面积而言也相对较小，因此能够抑制由极化电容的变化引起的测定误差。

另一方面，非接触电极2较理想为被例如与公共电位Vcom连接的、由金属构成的屏蔽罩21围住。例如，如图10A所示，在壳体20内以非接触电极2被屏蔽罩21围住的方式配置测定管1。由此，能够减少从非接触电极2辐射至壳体20的外部的电磁波噪声。

此处，屏蔽罩21以与非接触电极2的至少一部分相对的方式配置即可。例如，如图10B所示，将屏蔽罩21形成为侧视コ字形，在屏蔽罩21的开口侧配置在主面22A形成有构成上述交流信号生成部4、数据处理控制部6等的电子电路等的印刷基板22即可。在该情况下，在印刷基板22的与主面22A相对的主面22B整面地形成有金属填实图案23。

由此，连接印刷基板22上配置的交流信号生成部4和电压检测部5与非接触电极2的信号线的排布等变得容易，而且能将该信号线的大部分配置在屏蔽罩21内，因此，还能减少从该信号线辐射至壳体20的外部的电磁波噪声。

此外，屏蔽罩21也能以不仅与非接触电极2相对、还与流量测量用的检测电极11、12的至少一部分相对的方式配置。由此，能够减少检测电极11、12从壳体20的外部接收到的电磁波噪声。

《本实施方式的电磁流量计100的效果》

以上，本实施方式的电磁流量计100由于通过与被测定流体不接触的非接触电极2来实现电导率的测量所需的2个电极中的一个电极，因此，与使2个电极均接触流体的以往的双电极方式的电导率计相比，必须提高施加至两电极间的交流信号的频率。因此，在电磁流量计100中，流量的测量所需的励磁电流的频带与电导率的测量所需的交流信号(脉冲V1)的频带不一样，所以能够防止励磁电流与交流信号相互干扰。由此，能够防止对电容式电磁流量计追加了电导率测量功能的情况下的流量及电导率的测量精度和测量稳定性的降低。

此外，在本实施方式的电磁流量计100中，使上述电导率的测量所需的2个电极中的另一个电极(接触电极3)接触被测定流体且与公共电位连接，因此，与只是在以往的电容式电磁流量计中装入以往的电导率计的情况相比，能够减少测定管1的周边的电极数。即，在本实施方式的电磁流量计100中，电导率的测量所利用的接触电极3兼用作流量测量所利用的公共电极，因此能够减少所需的电极数。由此，能够实现具备电导率测量功能的电磁流量计的小型化。

因而，根据本实施方式的电磁流量计100，能够实现一种具有高测量精度及测量稳定性的、具备电导率测量功能的小型电磁流量计。

此外，根据本实施方式的电磁流量计100，可以在同一制造工序中形成流量的测量用的检测电极11、12和电导率的测量用的非接触电极2。

在本实施方式的电磁流量计100中，作为交流信号的脉冲V1的频率f1设定为励磁频率fex的100倍以上，由此励磁电流Iex与脉冲V1更不易发生干扰，因此能够进一步防止流量及电导率的测量精度和测量稳定性的降低。

此外，通过将经由电阻R1而输入至非接触电极2的脉冲V1的频率f1设定为数式(7)所示的范围内的值，如上所述，能够进一步提高被测定流体的电导率(电阻Rb)的测定精度和再现性。

此外，通过在用以实现流量测量功能的放大电路13中设置使与脉冲V1相对应的频率分量衰减的滤波器(低通滤波电路131及高通滤波电路132)，即便在包含脉冲V1的频率分量的噪声重叠在流量信号VF中的情况下，也能去除该噪声。由此，能够进一步防止流量的测量精度和测量稳定性的降低，而且，由于能够靠近配置检测电极11、12和非接触电极2，因此电磁流量计能够进一步小型化。

此外，由于电磁流量计100具备根据由电导率算出部62算出的流体的电导率来判定测定管1内有无流体的空状态判定部64，因此能够更可靠地进行测定管1的空状态的判定。

例如，作为以往的电容式电磁流量计的空状态的判定方法，已知有如下技术：对流体在测定管内正常流动时的流量信号的理想波形与实际测量出的流量信号进行比较，由此进行测定管的空状态的判定(例如，参考专利文献2)。然而，该现有技术是在流量信号不同于正常时的波形的情况下判定为空状态的一种间接性方法，空状态的检测精度不算高。相对于此，在本实施方式1的电磁流量计100中，是根据电导率来判定测定管内是否有流体，因此与以往的间接性方法相比，能够提高空状态的判定精度。

此外，根据本实施方式的电磁流量计100，由于上述电导率的测量所需的2个电极中的一个电极(非接触电极2)不接触被测定流体，因此，与以往的使2个电极均接触被测定流体的双电极方式的电导率计相比，能够抑制由异物的附着或者腐蚀引起的电极的测定误差。

此外，在以往的双电极方式的电导率计中，为了防止电极的异物的附着或者腐蚀，用于电导率的测量的2个电极使用的是昂贵的铂黑，而在本实施方式的电磁流量计100中，至少非接触电极2可不使用铂黑，因此能够进一步抑制具备电导率测量功能的电磁流量计的制造成本。

此外，通过将接触电极3兼用作用于与外部的管道连接的由金属构成的接头3A，能够扩大接触电极3的与被测定流体接触的面积。由此，如上所述，即便在接触电极3发生了异物的附着或者腐蚀的情况下，发生了异物的附着或者腐蚀的部分的面积相对于接触电极3的总接触面积而言也相对较小，因此能够进一步降低由异物的附着或者腐蚀引起的电极的测定误差。

此外，在已将金属管道连结至接头3A的情况下，该金属管道经由接头3A而连接至公共电位Vcom，因此，不仅是接头3A，金属管道也能视为接触电极3。由此，接触电极3的接触面积进一步扩大，发生了异物的附着或者腐蚀的部分的面积相对于接触电极3的总接触面积而言相对地进一步缩小，因此能够谋求由异物的附着或者腐蚀引起的电极的测定误差的进一步降低。

此外，即便在使用金属管道的情况下，作为接触电极3的接头3A与金属管道也会成为相同电位(公共电位Vcom＝0V)，因此不会因电流流入至金属管道而产生电导率的测定误差。

此外，由于将接触电极3与公共电位Vcom(＝0V)连接在一起，因此，即便在使用金属管道的情况下，也能防止金属管道成为天线而向周边辐射电磁波噪声这一情况。

此外，通过像图10A、10B所示那样以与非接触电极2的至少一部分相对的方式配置由金属构成的屏蔽罩21，如上所述，可以减少从非接触电极2辐射至壳体20的外部的电磁波噪声。

《实施方式的扩展》

以上，根据实施方式，对由本发明者等人完成的发明进行了具体说明，但本发明并不限定于此，当然可以在不脱离其主旨的范围进行各种变更。

例如，在上述实施方式中，例示了设置低通滤波电路131及高通滤波电路132作为用以去除流量信号中包含的脉冲V1的频率分量的滤波器的情况，但也可设置低通滤波电路131及高通滤波电路132中的任一方。

此外，低通滤波电路131及高通滤波电路132不限定于图1所示的电路构成，只要具有以具备目标特性的滤波器构成的电路即可。

此外，在上述实施方式中，例示了图8所示的构成作为电磁流量计100的实现例，但并不限定于此。

此外，在上述实施方式中，交流信号生成部4和电压检测部5只要能够发挥其功能，便不限定于图1所示的电路构成例。

此外，与数据处理控制部6一样，模数转换部7、时钟信号生成部8及信号检测部14的一部分也可通过微控制器等程序处理装置的功能来实现。

符号说明

100…电磁流量计，1…测定管，2…非接触电极(第3电极)，3…接触电极(第4电极)，3A、3B…接头，4…交流信号生成部，5…电压检测部，6…数据处理控制部，7…模数转换部，8…时钟信号生成部，9…设定显示部，10…模拟输出部，11…检测电极(第1电极)，12…检测电极(第2电极)，13…放大电路，14…信号检测部，15…励磁电路，20…壳体，21…屏蔽罩，22…印刷基板，23…金属填实图案，51、52…采样保持电路，61…基准时钟生成部，62…电导率算出部，63…流量算出部，64…空状态判定部，65…励磁控制部，200、201、202…等效电路，91…操作用按钮，92…显示装置，Lex…励磁线圈，Iex…励磁电流，SW1、SW2、SW3…开关，U1、U5…缓冲放大器，U2、U3…前置放大器，U4…差动放大电路，131…低通滤波电路，132…高通滤波电路，CLK0…基准时钟信号，CLK1、CLKp、CLKn…时钟信号，V1…脉冲(信号源)，V2、V2b…信号，Vcom…公共电位，VH、VL…信号V2的电压，VF…流量信号，Tp…脉冲V1成为第1极性的期间，Tn…脉冲V1成为第2极性的期间，Ra…极化电阻，Rb…流体电阻，R1…电阻、C1、C2、Cb、Cc…电容，Ca…极化电容。

Claims (8)

1.一种电磁流量计，其特征在于，具有：

测定管，其由电绝缘材料构成，供测量对象的流体流动；

励磁线圈，其配设在所述测定管的外侧，产生与所供给的交流电流相应的磁场；

第1电极及第2电极，它们设置在所述测定管的外周面，在与所述励磁线圈所产生的磁场垂直的方向上相对地配设；

放大电路，其以公共电位为基准来进行动作，输出将所述第1电极与所述第2电极之间产生的电动势放大而得的信号；

流量算出部，其根据从所述放大电路输出的信号来算出所述流体的流量；

第3电极，其与所述第1电极及所述第2电极分开地形成于所述测定管的外周面；

第4电极，其与所述公共电位连接，并与所述流体接触；

电阻，其一端与所述第3电极连接；

电压检测部，其检测通过对所述电阻的另一端输入交流信号而在所述第3电极中产生的信号的电压；以及

电导率算出部，其根据由所述电压检测部检测到的电压的振幅，来算出所述流体的电导率。

2.根据权利要求1所述的电磁流量计，其特征在于，

所述交流信号的频率为供给至所述励磁线圈的交流电流的频率的至少100倍。

3.根据权利要求1或2所述的电磁流量计，其特征在于，

所述放大电路包含滤波器，所述滤波器使将所述电动势放大而得的信号中包含的、与所述交流信号相对应的频率分量衰减。

4.根据权利要求1或2所述的电磁流量计，其特征在于，还具有判定部，所述判定部根据由所述电导率算出部算出的所述流体的电导率，来判定所述测定管内有无所述流体。

5.根据权利要求1或2所述的电磁流量计，其特征在于，

在将所述流体的电阻值设为Rb、将在所述测定管内流动的所述流体与所述第3电极之间的电容设为Cb时，输入至所述电阻的所述交流信号的频率f1满足数式(A)所示的条件：

【数式A】

6.根据权利要求1或2所述的电磁流量计，其特征在于，

所述电压检测部包含：

第1采样保持电路，其在所述交流信号成为第1极性的第1期间内对所述第3电极的电压进行采样并保持；以及

第2采样保持电路，其在所述交流信号成为与所述第1极性相反的第2极性的第2期间内对所述第3电极的电压进行采样并保持；

所述电导率算出部根据由所述第1采样保持电路采样到的电压和由所述第2采样保持电路采样到的电压，来算出所述流体的电导率。

7.根据权利要求1或2所述的电磁流量计，其特征在于，

所述第4电极是一端与所述测定管连结、另一端能与外部的管道连结的由金属构成的管状的接头。

8.根据权利要求1或2所述的电磁流量计，其特征在于，还具有由金属构成的屏蔽罩，所述屏蔽罩以与所述第3电极的至少一部分相对的方式配置。

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