JP2000028408A

JP2000028408A - 電磁流量計

Info

Publication number: JP2000028408A
Application number: JP10191141A
Authority: JP
Inventors: Akira Morita; 晃森田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1998-07-07
Filing date: 1998-07-07
Publication date: 2000-01-28

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、信号に含まれているノイズの影響
を抑制し、精度の高い測定を行える電磁流量計を提供す
ることを課題とする。【解決手段】励磁電流を流さない無励磁区間を設け、
その無励磁区間でのサンプリングを励磁周波数の２倍以
上の周波数で行う。そして得られたサンプリング値Ｖ
１、Ｖ２、及びＶ３、Ｖ４より、その平均値を用い、あ
るいはＤＣＴ演算を行い、ノイズの影響を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配管を流れる水等
の導電性を有する各種流体の流量を測定する電磁流量計
に関し、更に詳しくは流速信号に含まれるノイズを除去
し流速測定の精度を向上する電磁流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種プラントにおいて、配管を通じて供
給される水などの導電性を有する各種流体の流量の測定
には電磁流量計が広く用いられている。

【０００３】電磁流量計は、粘度や密度などの流体の組
成に関わらず、殆どの導電性の流体の流量が計測可能で
あり、測定可能な流量範囲の広いことや、圧力損失が無
視できる等の特徴を有し、特にプラントや水処理設備な
どにおける流量の管理・制御に利用されている。

【０００４】電磁流量計の測定原理はファラデーの電磁
誘導の法則に基づいており、磁束を切る導体には起電力
が生じる電気磁気的現象を利用したものである。励磁コ
イルに励磁電流を流して交番磁界を発生させ、測定管内
を流れる導電性流体にその流れと直交する向きに磁界を
加えると、流体にはその流れの方向と加える磁界の向き
とに対して共に直交する方向に起電力が生じる。この起
電力の値は、導体の移動速度である流体の速度に比例す
るので、この値を測定することによって流量を求めるの
が電磁流量計である。

【０００５】図６は従来の電磁流量計で行われる、励磁
方法と起電力値のサンプリングの例を示している。電磁
流量計では、交番磁界を生成するために励磁コイルに励
磁電流として交流電流を流す。この励磁電流には、図６
に示すように、正と負の励磁区間の間に励磁コイルに電
流を流さない無励磁区間を設けてある。図６の場合、励
磁コイルに流す励磁電流の周期（励磁周期）３００ｍｓ
に対し、正方向へ電流を印加する時間及び負方向へ電流
を印加する時間をそれぞれ１／４周期である７５ｍｓ、
またその間にそれぞれ無励磁区間を７５ｍｓと、等間隔
で設けてある。

【０００６】そして励磁区間に加え、この無励磁区間で
の信号値をサンプリングし、このサンプリング値を用い
て補正を行い起電力の大きさを求める。起電力の大きさ
Ｖｐｐを求める演算式を式(1) に示す。

【０００７】Ｖｐｐ＝（Ｖｐ−Ｖｐ^Z）−（Ｖｎ−Ｖｎ^Z）・・・(1) 式(1) 中のＶｐ及びＶｎは、図６中に示されている励磁
区間及び無励磁区間でのサンプリング値で、Ｖｐは正の
周期での、Ｖｎは負の周期での値である。またＶｐ^Z及
びＶｎ^Zは、それぞれＶｐ、Ｖｎに対する無励磁区間で
のサンプリング値である。

【０００８】１／４励磁周期でＶｐ、Ｖｐ^Z、Ｖｎ、Ｖ
ｎ^Zを順次サンプリングしてゆき、これらの値より、式
(1) を用いて起電力の大きさＶｐｐを求める。そして、
一般的にはこの式(1) で求まるＶｐｐに、回路及び検出
部の感度によって決定される定数を掛けて流速を算出す
る。

【０００９】このサンプリング値Ｖｐ、Ｖｐ^Z、Ｖｎ、
Ｖｎ^Zには種々の周波数成分のノイズが含まれており、
ここではその影響を考えるためにノイズを周波数成分に
分けて考える。ここでは、そのノイズを以下の様に表現
する。

【００１０】Ａsin（ωｔ＋θ）・・・(2) 上式で、ωはノイズの周波数、θはノイズの位相、Ａは
ノイズの振幅を示す。式(2) で表現されるノイズ成分を
式(1) の演算方式で検出した場合に、Ｖｐｐが取り得る
最大値と最小値の差（ΔＶｐｐ）が、図６に示したサン
プリング方式でのノイズによるフラツキとなり、これが
流速測定値の誤差となる。

【００１１】このノイズの位相θが変化した場合に取り
得るＶｐｐの最大値と最小値の差ΔＶｐｐについて計算
すると式(3) の様になる。

【００１２】

【数１】

【００１３】式(3) は、式(2) で表されるノイズがＶ
ｐ、Ｖｐ^Z、Ｖｎ、Ｖｎ^Zをサンプリングするタイミン
グ時にどの様に含まれるかを求め、その結果を式(1) に
代入し、この式中に含まれるθの値を変化させたときの
Ｖｐｐの最大値と最小値の差ΔＶｐｐを求めたものであ
る。

【００１４】この式(3) 中Ｔは励磁周期であり、図６の
場合その値は３００ｍｓとなる。またＡはノイズの振幅
を示している。図７は、式(3) においてノイズ振幅Ａが
一定の場合のノイズ（ホワイトノイズ）の周波数（ｆ＝
ω／３６０°：単位Ｈｚ）を横軸に、ΔＶｐｐを縦軸
にして示したものである。この図７の縦軸は、周波数ω
のノイズ成分がある場合に、位相θを変化させるとＶｐ
ｐがどのくらい変化するかの度合い、すなわち周波数ω
のノイズの影響度を示している。

【００１５】ノイズの振幅Ａは図７では一定値とした
が、電磁流量計でのノイズの振幅Ａは一般的に１／ｆの
特性を持っている。図８にそのノイズ振幅の周波数特性
を示す。

【００１６】この図８に示した振幅Ａの周波数特性を考
慮し図７を修正すると、ΔＶｐｐの値は図９の様な特性
を示す。図９は、電磁流量計に生じるノイズを式(1) を
用いて流速演算をする場合の、周波数に対するノイズの
影響の大きさを表している。図９より、ノイズの影響を
最も受けやすいのは励磁コイルに加える励磁電流の周波
数である励磁周波数（図６のサンプリング方式では１／
３００ｍｓ、約３．３Ｈｚ）付近であることが分る。

【００１７】磁流量計では、電極に生じる信号のうち流
速に比例する起電力を正確に検出することによって、流
速測定の精度が向上する。しかしながら、この流量信号
には流速に比例する起電力による信号だけではなく、ノ
イズ成分も含まれている。電磁流量計における代表的な
ノイズは、ヒラリーノイズとして知られており、このヒ
ラリーノイズの大きさは、上述したように周波数ｆに対
し１／ｆという周波数特性があり、周波数が低くなるほ
ど大きくなる。よって、励磁周波数付近の低周波数にお
いては、流量信号に含まれるノイズ成分が大きくなる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】このノイズを除去する
従来の代表的な方法としては、励磁周波数及び起電力の
サンプリング周波数を高くして、ノイズの少ない帯域で
の起電力信号を検出するものがある。

【００１９】しかしノイズ除去にこの方法を用いた場合
においては、励磁周波数を高くするためには励磁コイル
のインダクタンスを小さくする必要があり、インダクタ
ンスを小さくすると磁界の発生効率が低下し、起電力が
低下してしまうという問題点がある。また、逆に励磁コ
イルのインダクタンスを大きくした場合には、励磁コイ
ルでの応答時間を短くするためには、励磁用の電源電圧
を高くしなければならない。

【００２０】本発明は、上記問題点を鑑みた、流速信号
に含まれるノイズを除去し流速測定の精度を向上する電
磁流量計を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明による電磁流量計
は、流体の流れる測定管の近傍に配置される励磁コイル
に励磁周波数の励磁電流を流して上記測定管内に交番磁
界を発生させ、該交番磁界により上記測定管内に配置さ
れる電極間に生じた起電力信号に基づいて上記流体の流
量を求めるものを前提とし、無励磁区間生成手段、サン
プリング手段及びノイズ成分除去手段を備える。

【００２２】無励磁区間生成手段は、上記励磁電流を流
さない無励磁区間を生成する。サンプリング手段は、上
記励磁周波数の２倍以上の周波数、例えば４倍の周波数
で上記起電力信号の上記無励磁区間をサンプリングす
る。

【００２３】ノイズ成分除去手段は、上記サンプリング
手段がサンプリングした複数のサンプリング値を用い
て、例えば上記複数のサンプリング値の平均値を用い
て、あるいは上記複数のサンプリング値を用いてＤＦＴ
演算を行い、ノイズ成分を除去する。

【００２４】またノイズ成分除去手段は、ＤＣＴ演算を
用いる場合、ＤＣＴ演算により求めたノイズの振幅の割
合を調節してノイズ成分を除去する。本発明の電磁流量
計によれば、電極間に生じる起電力信号に含まれている
ノイズの影響を無励磁区間に励磁周期の２倍以上の周波
数でサンプリングを行ったサンプリング値を用いてノイ
ズ成分の除去を行うので、ノイズによるを抑制し、精度
の高い測定を行える電磁流量計を提供することが出来
る。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１は、本実施形態での電磁流量
計のブロック図である。図１中タイミング生成回路１
は、低周波交番磁界である磁場を与えるための励磁のタ
イミング信号と、測定管４内の電極５間に生じる信号を
サンプリングさせるタイミング信号を生成して励磁回路
２及びＡ／Ｄコンバータ７に出力するものである。この
タイミング生成回路１は、内部にプログラマブルなタイ
マーを備え、このタイマーの設定を変えることで、励磁
及びサンプリングのタイミングをプログラム変更でき
る。

【００２６】励磁回路２は、タイミング生成回路１から
受け取った励磁のタイミング信号に従って、磁場を与え
る励磁コイル３に励磁用の電力を給電するもので、励磁
コイル３はこの励磁回路２からの加えられる励磁電流に
より測定管４内を流れる導電性の流体に磁場を加える。
この測定管４内に加えられた磁場を直角に横切って流れ
る導電性流体により、ファラデーの電磁誘導の原理から
測定管４内の電極５の間には起電力が発生し、その起電
力は増幅器６で増幅されてＡ／Ｄ変換器７へ入力され
る。

【００２７】Ａ／Ｄ変換器７は、電極５から増幅器６を
介して入力された起電力値をタイミング生成回路１から
入力されたサンプリングタイミングでサンプリングし、
その結果をＡ／Ｄ変換してデジタル値として演算装置８
に出力するものである。

【００２８】演算装置８は、Ａ／Ｄ変換器７からのサン
プリング結果を受けて、ノイズによる影響を抑制した起
電力値を後述する演算により求め、得られた値から流体
の流量を演算して結果を流量値として出力するものであ
る。

【００２９】次に図１に示した電磁流量計で、図８で示
した１／ｆの周波数特性を持つヒラリーノイズに対し
て、最も影響の大きい励磁周波数付近の周波数のノイズ
の大きさを検出し、この値を用いて起電力値Ｖｐｐより
ノイズの影響を低減する方式を以下に示す。

【００３０】電極に生じる起電力信号には流体の流速に
比例する信号とノイズが含まれており、それを区別する
ことは困難である。そこで本実施形態では、流速に比例
する信号が０である無励磁区間での計測値を用いて励磁
周波数のノイズ成分を検出する。

【００３１】励磁周波数のノイズ成分を求めるために
は、サンプリング定理より、励磁周波数の２倍以上の周
波数で無励磁区間の起電力値をサンプリングする必要が
ある。そのような条件を考慮したサンプリング方式の一
例を図２に示す。

【００３２】図２では、無励磁区間で励磁周波数の４倍
の周波数でサンプリングを行うため、タイミング生成回
路１により励磁回路２を制御し、励磁区間と無励磁区間
との大きさを調節している。図２では、励磁周期３００
ｍｓに対して励磁コイル３に正方向の電流を印加する時
間及び負方向へ電流を印加する時間をそれぞれ励磁周期
の１／８である３７．５ｍｓにし、またその間に励磁コ
イル３に電流を流さない無励磁区間をそれぞれ３／８周
期である１１２．５ｍｓ設ける。これにより、図２で
は、Ｖｐのノイズを求めるためのものとして３７．５ｍ
ｓ（１／８周期）後にＶ１及び更に７５ｍｓ（１／周
期）後にＶ２、Ｖｎに対しては３７．５ｍｓ（１／８周
期）後にＶ３及び更に７５ｍｓ（１／周期）後にＶ４
と、無励磁区間において、励磁周波数の４倍のサンプリ
ング周波数で、サンプリングすることが出来る。

【００３３】尚本実施形態では、励磁周期の４倍のサン
プリング周波数の例を示しているが、更に無励磁区間の
サンプリング数を増やして、励磁周波数に対して無励磁
区間のサンプリング周波数をより高くすることも可能で
あるる。しかし、その場合には励磁周波数が低くなるこ
とにより、最も影響を受ける１／ｆノイズ成分の振幅が
増加してしまうことを考慮する必要がある。

【００３４】本実施形態では、図２の様に１つの無励磁
区間で２度サンプリングを行い、これらをノイズの影響
を除去するためにも起電力演算に使用する。その用い方
の１つとして、それらの平均値を求め、この値を式１の
Ｖｐ^Z、Ｖｎ^Zの代わりに用いる。

【００３５】この無励磁区間のサンプリングの平均値を
用いて起電力を計算する方式では、起電力の大きさＶｐ
ｐは、

【００３６】

【数２】

【００３７】となる。この式(4) で求まるＶｐｐに対し
て、図８に示したような１／ｆの周波数特性を持つノイ
ズによる影響度合いを求めると図３の様になる。図３は
基本的にはΔＶｐｐの値を図９と同じ条件の下で求めて
いるが、式(4)は項数が多いため、式(1) の場合の様に
ΔＶｐｐの値を解析的に求めることが困難であることか
ら、数値計算によって求めている。後に示す図４、図５
も同様に数値計算のよって求めている。

【００３８】この図３本実施形態によるサンプリング方
式と図９に示した従来方式のサンプリングによるものと
では無励磁区間のサンプリングの扱いが異なり、この相
異により励磁周波数（３．３Ｈｚ）付近にあるノイズの
影響度のピーク値が減少している。

【００３９】また０．１Ｈｚ毎に１０００Ｈｚまでノイ
ズの影響度の面積を計算し、ノイズの帯域面積を求める
と、この値は図９での２４．０８から図３では２１．０
４へ減少している。なおこの帯域面積の計算値は、ノイ
ズの大きさが１／ｆ特性を持つため、１０００Ｈｚ以上
の周波数については影響が小さいので無視している。

【００４０】この様に、式(4) で求まるＶｐｐの値は、
式(1) で求まるＶｐｐよりノイズの影響度が小さく、よ
り正確な値を示している。また、図２に示したように１
つの無励磁区間で複数回サンプリングを行い、これらを
励磁周波数のノイズ成分を求める方法としては、ＤＦＴ
（Discrete Fourier Transform）を利用する方法もあ
る。

【００４１】この方法により起電力の大きさＶｐｐを求
めると次式の様になる。

【００４２】

【数３】

【００４３】この式(5) 中Ｖｐ、Ｖｎ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ
３、Ｖ４は図２に示したサンプリングの値である。また
Ｎｐ、Ｎｎ及びＮ１〜Ｎ４は、それぞれ図２で測定した
Ｖｐ、Ｖｎ、及びＶ１〜Ｖ４に含まれるノイズの大きさ
の推定値でありこれらの値は、Ｖ１を基準位相としてＤ
ＦＴ演算を行うと、

【００４４】

【数４】

【００４５】と求まる。上式の中、式(12)〜(15)がサン
プリング周波数の１／４の周波数の成分を計算するＤＦ
Ｔによる演算に対応している。また式(6) 、(7) 中の４
５°は、ＶｐとＤＦＴの基準位相であるＶ１の時間差
（１／８周期）を励磁周波数での角度として表した値で
ある。

【００４６】式(5) 〜(15)を用いて起電力の大きさＶｐ
ｐを算出する場合、図８に示したような１／ｆの周波数
特性を持つノイズによる影響度合いを求めると図４の様
になり、励磁周波数（約３．３Ｈｚ）でのノイズの影響
度ΔＶｐｐを０とすることが出来る。

【００４７】この図４の結果を図３の場合と比べると、
図４ではノイズの影響度ΔＶｐｐは０〜３．３Ｈｚ間に
ピークを持ち、そのピーク値は図３の場合より大きくな
っている。

【００４８】これを回避する手法として、除去するノイ
ズの割合を１００％とするのではなく、ノイズのピーク
が小さくなるように検出した励磁周波数付近のノイズを
０〜１００％の間で調節する。あるいはノイズの影響度
を帯域積分して求め、ノイズ影響度のトータル値が小さ
くなるようにこの割合を調節する。具体的には、ノイズ
の振幅値である式(12)で求まるＭＡＧの値に一定の割合
ｒａｔｅ（＝０〜１）の値を掛け、この値をＶｐｐの計
算に用いる。

【００４９】図５に一例としてｒａｔｅ＝０．５をノイ
ズの振幅値ＭＡＧに掛けた場合のノイズの影響度ΔＶｐ
ｐを示す。図５をｒａｔｅ＝１である図４の場合と比べ
ると、図５のΔＶｐｐのピーク値は図４の半分程度とな
り、また、ノイズの影響度の１０００Ｈｚまでの帯域積
分値も２１．０４から１８．８６へと約１割減少してい
る。

【００５０】この様にノイズの振幅値の大きさを調節す
ることにより、ノイズの影響度をより小さくすることが
出来る。なおこれまで述べてきた、本発明の一実施形態
では、図４に示したような周波数特性を持つノイズに対
して、図１に示した起電力値のサンプリングを行い、影
響の大きい励磁周波数付近のノイズを除去する例を示し
ているが、本発明はこの範囲に限定されるものではな
く、例えば起電力の演算方法や受けるノイズが異なった
場合に、無励磁区間のサンプリング周波数の１／２以下
の周波数成分のノイズに対しては、影響の一番大きな周
波数付近のノイズを除去するように適用することが可能
である。また特定周波数成分のノイズを検出するため
に、ＤＦＴ演算で使用するデータ数を増減させることに
より、ノイズの周波数選択性能を調節することも可能で
ある。

【００５１】

【発明の効果】以上の様に本発明によれば、電極間に生
じる起電力信号に含まれているノイズの影響を抑制し、
精度の高い測定を行える電磁流量計を提供することが出
来る。

【００５２】またこのために励磁コイルのインダクタン
スを大きくしたり、あるいは小さくしたりする必要が無
い。よって、流体の発生する起電力の信号の大きさが低
下することはなく、あるいは励磁用の電源電圧を高くす
る必要も無い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態での電磁流量計のブロック図ある。

【図２】本実施形態の電磁流量計で行われる励磁方法と
起電力サンプリングの例を示す図である。

【図３】式(4) で求まるＶｐｐに対するノイズの影響度
合いを示す図である。

【図４】式(5) 〜(15)で求まるＶｐｐに対するノイズの
影響度合いを示す図である。

【図５】ｒａｔｅ＝０．５とした場合のノイズの影響度
合いを示す図である。

【図６】従来の電磁流量計で行われる励磁方法と起電力
サンプリングの例を示す図である。

【図７】ノイズの振幅が一定の場合のノイズ影響度合い
を示す図である。

【図８】電磁流量計の電極部分に生じるノイズの周波数
特性を示す図である。

【図９】従来方式のサンプリング方式でのノイズの影響
度合いを示す図である。

【符号の説明】

１タイミング生成回路２励磁回路３励磁コイル４測定管５電極６増幅器７Ａ／Ｄ変換器８演算装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流れる測定管の近傍に配置される
励磁コイルに励磁周波数の励磁電流を流して前記測定管
内に交番磁界を発生させ、該交番磁界により前記測定管
内に配置される電極間に生じた起電力信号に基づいて前
記流体の流量を求める電磁流量計において、前記励磁電流を流さない無励磁区間を生成する無励磁区
間生成手段と、前記励磁周波数の２倍以上の周波数で前記起電力信号の
前記無励磁区間をサンプリングするサンプリング手段
と、前記サンプリング手段がサンプリングした複数のサンプ
リング値を用いてノイズ成分を除去するノイズ成分除去
手段と、を備えることを特徴とする電磁流量計。
【請求項２】前記ノイズ成分除去手段は、前記複数の
サンプリング値の平均値を用いてノイズ成分を除去する
ことを特徴とする請求項１記載の電磁流量計。
【請求項３】前記ノイズ成分除去手段は、前記複数の
サンプリング値を用いてＤＦＴ演算を行いノイズ成分を
除去することを特徴とする請求項１記載の電磁流量計。
【請求項４】前記ノイズ成分除去手段は、前記ＤＣＴ
演算により求めたノイズの振幅の割合を調節してノイズ
成分を除去することを特徴とする請求項３記載の電磁流
量計。
【請求項５】前記サンプリング手段は、前記励磁周波
数の４倍の周波数で前記起電力信号をサンプリングする
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の
電磁流量計。