JP2003097986A

JP2003097986A - 電磁流量計

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Publication number: JP2003097986A
Application number: JP2001286778A
Authority: JP
Inventors: Ikumitsu Ishikawa; 郁光石川; Hironobu Ota; 博信太田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: DE10243748A1; DE10243748B4; US20030051557A1; JP3915459B2; CN1409093A; CN1271392C; US6804613B2

Abstract

(57)【要約】【課題】流体ノイズの影響を受け難い、電極インピー
ダンスの測定を実現し、付着検出・流体液種別判別を正
確に行うことを目的とする。【解決手段】測定対象となる流体が流される測定管を
備え、励磁回路により励磁コイルを駆動して前記流体に
磁界を与え、前記測定管内を流れる流体の流量を測定す
る電磁流量計であって、前記測定管内を流れる流体の流
量に応じた流量信号を検出する一対の検出電極と、流量
測定時の基準電位となるアース電極と、前記検出電極と
前記アース電極との間に診断信号を与える診断信号発生
回路と、前記検出電極と前記アース電極との間の抵抗値
を診断検出信号として検知する診断回路とを備えること
を特徴とする電磁流量計。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導電性流体の流量
等を測定する電磁流量計に関し、特に、測定管内が流体
で満たされているか否かの空検出を行うとともに、検出
電極に付着する絶縁物の有無の検出、測定する流体の導
電率を測定する電磁流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の空検知を行う電磁流量計として
は、特許第２８８０８３０号に、測定管内の検出電極に
励磁周波数の［偶数分の１］の周波数を持つ交番電圧を
印加する回路により、空検知を行う構成が開示されてい
る。また、特表平９−５０２２６７号では、励磁周波数
と非同期の周波数を持つ交番電圧を検出電極に印加する
回路により、空検知を行う構成が開示されている。更
に、特開平８−２９２２３号では、交番する電流を供給
する交流信号発生手段を備え、供給される交流信号は、
各検出電極に対して周波数が充分低い同位相の交流電流
を供給する構成が開示されている。

【０００３】更に、従来の検出電極に付着する絶縁物の
付着程度を検出する構成としては特許第３０１８３１０
号があり、検出器の検出電極電位と基準電圧とを比較し
て空検知を行う電磁流量計で定電流回路を具備し、この
定電流回路が、電流の極性を反転切替する電流制御手段
を備え、測定管内の付着を検出した場合に、反転切替し
て電極に電流を供給する構成が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特許第
２８８０８３０号に記載の構成では、励磁周波数よりも
小さい周波数の信号を扱うことで、流体が流れることに
より発生するフローノイズの影響を受けやすくなる。ま
た、低電圧を印加することで、空でない状態において
も、信号には大きな空検知のための交番電圧が発生して
いるので、流量測定が空検知回路の影響を受けやすくな
る。

【０００５】また、特表平９−５０２２６７号に記載の
構成では、非同期信号を使用することで、流量サンプリ
ングの結果には、必ず空検知信号が含まれてしまうの
で、多くの平均化処理が必要となる。その影響を改善し
ようとして、フィルタで流量信号と空検知信号を分離で
きるように、空検知信号の周波数を高くすることが考え
られるが、電極部分の構造分散により、測定した電極イ
ンピーダンスは、正確な値を示さない場合がある。ま
た、定電圧を印加することで、空でない状態において
も、信号には大きな空検知のための交番電圧が発生して
いるので、流量測定が空検知回路の影響を受けやすくな
る。

【０００６】さらに、特開平８−２９２２３号に記載の
構成では、励磁と同期を取っていないことで、流量サン
プリングの結果には、必ず空検知信号が含まれることと
なるので、多くの平均処理が必要となる。また、励磁周
波数よりも小さい周波数の信号を扱うことで、流体が流
れることにより発生するフローノイズの影響を受けやす
い。

【０００７】また、特許第３０１８３１０号に記載の構
成では、空検知のための手段は直流による検知であり、
交流でない。このため、電極の分極電圧の影響を受けや
すいという問題がある。

【０００８】更に、最近は、電磁流量計の適用分野とし
て、農業排水の分野に電磁流量計を利用することも考え
られるが、排水に土砂が流出する場合もあり、電磁流量
計は土砂の流出まで監視することはできない。特に、河
川の下流側で土砂の異常堆積等あり、環境に影響を与え
る場合があるが、排水に含まれる土砂を簡易に監視でき
るような電磁流量計を実現できれば、環境への影響を考
慮できる。

【０００９】本発明は上記の事情に鑑みなされたもので
あり、測定管内の絶縁物の付着、流体の導電率を検知す
るために交流信号を用い、定電流源の信号周波数とし
て、励磁基本周波数の整数倍の周波数を用いるととも
に、励磁周波数と付着検知回路の信号周波数を同期さ
せ、電極の構造分散の影響を受けない周波数を選択し、
さらに、電極インピーダンス測定回路を具備すること
で、励磁周波数近辺での電極インピーダンスを測定し
て、正確な電極インピーダンスを測定し、流体ノイズの
影響を受けにくい、電極インピーダンス測定回路を実現
し、流量信号測定回路と電極シンピーダンス測定回路が
互いに影響し合わない正確な電極インピーダンスを測定
することで、付着検知・流体液種判別が正確に行える電
磁流量計を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明は、以下の通りである。（１）測定対象となる流体が流される測定管を備え、励
磁回路により励磁コイルを駆動して前記流体に磁界を与
え、前記測定管内を流れる流体の流量を測定する電磁流
量計であって、前記測定管内を流れる流体の流量に応じ
た流量信号を検出する一対の検出電極と、流量測定時の
基準電位となるアース電極と、前記検出電極と前記アー
ス電極との間に診断信号を与える診断信号発生回路と、
前記検出電極と前記アース電極との間の抵抗値を診断検
出信号として検知する診断回路とを備えることを特徴と
する電磁流量計。（２）前記診断信号発生回路は、定電流源であることを
特徴とする（１）記載の電磁流量計。（３）前記診断信号発生回路は、定電圧源であることを
特徴とする（１）記載の電磁流量計。（４）前記診断信号発生回路は、診断信号として前記励
磁回路で使用する励磁周波数の整数倍の周波数を信号周
波数とする交流信号を用いることを特徴とする（１）か
ら（３）のいずれかに記載の電磁流量計。（５）前記診断回路は、前記励磁周波数と前記診断検出
信号とを同期させることを特徴とする（４）に記載の電
磁流量計。（６）前記診断信号発生回路は、前記検出電極と前記流
体の界面とで形成される容量を形成する双極子の回転子
が追いつく範囲で、発生させる前記交流信号の周波数を
選択することを特徴とする（４）または（５）のいずれ
かに記載の電磁流量計。（７）前記診断信号発生回路は、一対の前記検出電極
に、前記診断信号として同じ前記交流信号を与えること
を特徴とする（１）から（６）のいずれかに記載の電磁
流量計。（８）前記電磁流量計は、検出電極間の距離が近い微小
口径であって、それぞれの電極に対し、交互に前記診断
信号を与えることを特徴とする（１）から（６）のいず
れかに記載の電磁流量計。（９）前記診断回路は、前記交流信号の周波数が前記励
磁周波数の奇数倍のときに、流量信号のサンプリング時
間を、１／（前記交流信号の周波数の整数倍）の時間に
することを特徴とする（１）から（８）のいずれかに記
載の電磁流量計。（１０）前記診断回路は、測定した前記検出電極の抵抗
値から流体導電率を算出することを特徴とする（１）か
ら（９）のいずれかに記載の電磁流量計。（１１）前記診断回路は、測定した前記検出電極の抵抗
値から前記検出電極への絶縁物付着の状況を検知するこ
とを特徴とする（１）から（９）のいずれかに記載の電
磁流量計。（１２）前記診断回路は、測定した抵抗値及び流体導電
率の測定値を上位の分散制御システムまたはパーソナル
・コンピュータに伝送するアナログ出力及び無線出力を
具備することを特徴とする（１）から（１１）のいずれ
かに記載の電磁流量計。（１３）前記定電流源は、交流の定電流回路と直流の定
電流回路を兼ねていることを特徴とする（１）から（１
０）のいずれかに記載の電磁流量計。（１４）直流の定電流源による信号を空検知のために使
用することを特徴とする（１３）に記載の電磁流量計。（１５）前記診断回路は、前記測定管が空のときに前記
検出電極と前記アース電極との間に診断信号を与えてそ
の診断検出信号により前記検出電極部の絶縁劣化を検知
することを特徴とする（１）から（９）のいずれかに記
載の電磁流量計。（１６）前記診断信号発生回路は、前記交流信号の信号
周波数として、前記励磁周波数の整数倍とならない周波
数でかつ前記励磁周波数よりも高い周波数を用いること
を特徴とする（１）に記載の電磁流量計。（１７）前記診断回路は、流量信号のサンプリング時間
を１／（前記交流信号の周期の整数倍）の時間とするこ
とを特徴とする（１６）に記載の電磁流量計。（１８）同一クロックから流量信号のサンプリングタイ
ミングと前記交流信号の周波数とを生成することを特徴
とする（１６）または（１７）に記載の電磁流量計。（１９）別々のクロックから流量信号のサンプリングタ
イミングと前記交流信号の周波数を生成し、前記交流信
号の周波数をカウントし、その周波数からサンプリング
時間を算出することを特徴とする（１６）または（１
７）に記載の電磁流量計。（２０）前記診断信号発生回路は、前記検出電極と流体
の界面とで形成される容量を形成する双極子の回転子が
追いつく範囲で周波数を発生することを特徴とする（１
６）または（１９）のいずれかに記載の電磁流量計。（２１）前記定電流源は、一対の前記検出電極に、前記
診断信号として同じ前記交流信号を与えることを特徴と
する（１６）から（２０）のいずれかに記載の電磁流量
計。（２２）前記検出電極間の距離が近い微小口径で、それ
ぞれの電極に対し交互に電流を流すことを特徴とする
（１６）または（２０）のいずれかに記載の電磁流量
計。（２３）前記診断回路は、前記診断信号の周波数を前記
励磁周波数の４倍以上とし、励磁波形の後半部分の前記
診断検出信号をサンプリングすることを特徴とする
（１）から（２２）のいずれかに記載の電磁流量計。（２４）前記診断回路は、少なくとも２種類以上の前記
交流信号の周波数を用いて交互に流体の抵抗値を求め、
前記抵抗値に基づいて、コール・コール・プロットの直
線部分を判定し、前記励磁周波数での前記抵抗値と一致
する前記診断検出信号の周波数を選定できる付着診断回
路を具備することを特徴とする（１）から（２３）のい
ずれかに記載の電磁流量計。（２５）前記励磁回路により二つの励磁周波数を用いて
前記励磁コイルを駆動して前記流体に磁界を与える二周
波励磁方式であって、励磁及び前記流量信号と前記診断
信号との同期をとる手段と、前記診断信号の周波数を二
つの前記励磁周波数のうち高周波と低周波との中間の周
波数にする手段と、前記診断信号の周波数を前記低周波
の偶数倍とするとともに前記高周波の偶数分の１にする
手段とを備え、前記診断信号のサンプリングは、前記低
周波の周期の後半で、低周波微分ノイズ成分を除去し、
サンプリング間隔は、高周波微分ノイズの成分の影響を
除去した前記高周波の一周期分と、励磁波の後半部分と
であることを特徴とする付着診断回路を具備する（１）
から（１５）または（２４）のいずれかに記載の電磁流
量計。

【００１１】

【発明の実施の形態】（例１）図１に本発明の第１の実
施例のブロック図を示す。この図１に示すように、電極
（検出電極）Ａ，Ｂには診断信号を発生する診断信号発
生回路として、交流信号（診断信号）を発生するための
交流信号発生回路３，９が接続され、また電極（検出電
極）Ａ，Ｂにはバッファ４，１２が接続される。交流信
号発生回路３，９には、電極Ａ，Ｂに発生する診断信号
を同期検波して、Ａ／Ｄ変換するための電極抵抗信号Ａ
／Ｄ変換器５，８が接続される。ＣＰＵ６にはクロック
信号７を分周するための分周回路６ａが設けられ、この
分周回路６ａからのタイミング信号が交流信号発生回路
３，９及び励磁回路１３へ出力される。

【００１２】また、分周回路６ａからのタイミング信号
が診断検出タイミング信号となり、電極抵抗信号Ａ／Ｄ
変換器５，８に出力される。更に、バッファ４，１２に
は差動増幅器１０が接続され、その差動増幅器１０には
流量信号Ａ／Ｄ変換器１１が接続され、その出力はＣＰ
Ｕ６へと接続される。

【００１３】本発明では、電極Ａ，Ｂ−アース電極Ｚ
（電磁流量計にあっては、測定管Ｐに設置される、流量
測定の基準電位となるアースリング等のアース電極部）
間に、交流信号発生回路３，９から診断信号として交流
信号を与え、電極Ａ，Ｂ−アース電極Ｚ間の抵抗に応じ
て電極Ａ，Ｂに発生する診断信号を取り込み、同期検波
して、電極抵抗信号Ａ／Ｄ変換器５，８にてＡ／Ｄ変換
し、その抵抗値より、空検知、電極Ａ，Ｂへの絶縁物付
着、流体の導電率の測定を行う。

【００１４】そして、その動作は、図２に示すように、
例えば、交流信号発生回路３，９として、定電流源（定
電流回路１５，１７）を用いる場合には、交流の定電流
値をＩｏ、電極Ａ，Ｂに現れる診断信号の電圧をＶｏと
すれば、電極Ａ，Ｂの交流抵抗Ｒは、Ｒ＝Ｖｏ／Ｉｏと
して算出できる。この電極抵抗Ｒには、電極Ａ，Ｂの絶
縁物付着状態、空状態、流体導電率が反映されることと
なる。

【００１５】図３（ａ），（ｂ）にも定電流源を用いた
回路例が示されている。図３（ａ）では、検出器側の電
極Ａ，Ｂからの信号線２０とバッファ２１とが接続さ
れ、その間に定電流源である定電流回路１９が設けられ
ている。定電流回路１９は、ＣＰＵ６とスイッチｓｗ１
を介して接続され、このスイッチｓｗ１は励磁周波数の
整数倍の周波数でスイッチングされ、その結果、発生す
る交流電流は、励磁周波数の整数倍となる。

【００１６】図３（ｂ）でも、図３（ａ）と同様に、信
号線２０とバッファ２１との間に定電流源２２を設け、
定電流源２２にスイッチｓｗ１を介してＣＰＵ６を接続
する。そして、このスイッチｓｗ１も図３（ａ）と同様
に、励磁周波数の整数倍の周波数でスイッチングされ、
発生する交流電流は、励磁周波数の整数倍となる。

【００１７】図２〜３は、定電流源（定電流回路１５，
１７，１９，２２）を用いた場合の例であるが、これら
は、発生する電流値を可変にできるものであるため、以
下の表１のように、検出した電極Ａ，Ｂ−アース電極Ｚ
間抵抗に応じて、定電流値の大きさを切り換えること
で、電極Ａ，Ｂの絶縁物付着状態、空状態、流体導電率
の診断を行うことができる。

【００１８】

【表１】

【００１９】続いて、この流体導電率測定と付着検知の
切り分け方法について説明する。まず、流体導電率測定
に関しては、以下のように行う。流体抵抗（Ｒ）は、電
極面積（Ｓ）、流体導電率（σ）に反比例する。具体的
に式で表すと、Ｒ＝ｋ／Ｓ／σ（ｋは比例係数）とな
る。そのため、電極Ａ，Ｂ面をきれいな状態とし、予め
仕様上の最低導電率における流体抵抗を求めておく。そ
して、測定した流体抵抗Ｒがその値よりも小さいときは
導電率測定範囲として取り扱う。流体導電率σに関して
は、予め判明している電極面積Ｓと、比例係数ｋと、測
定した流体抵抗Ｒの値より算出する。

【００２０】次に、電極に対する絶縁物の付着検知に関
しては、以下のように行う。前述した流体抵抗が導電率
測定範囲の流体抵抗を越えたところで、検出電極に対す
る絶縁物付着状態とする。ここで、検出電極に対する異
常／劣化状態を示す指標には、図１に示すバッファの入
力インピーダンスに基づく。

【００２１】ここで、図１１に示す構成に基づいて、検
出電極への絶縁物付着のために発生した電極Ａ，Ｂ−ア
ースＺ電極間の抵抗値にあって、どの程度の誤差を生じ
るのか計算した結果を以下の表２に示す。このときのバ
ッファの入力インピーダンスは、２０００ＭΩとする。
この誤差はスパン誤差であり、単純に分圧比で計算され
る。例えば、電極Ａ，Ｂ−アースＺ電極間の抵抗が２０
ＭΩとすると、１％のスパン誤差を生じる。アラームを
出すタイミングは、ユーザーの要求精度により異なるの
で、測定した流体抵抗と指示誤差の両方をアナログ値と
して出力させてもよい。

【００２２】

【表２】

【００２３】尚、付着検知、空検知といった異常検知の
目的で、単一レンジの定電流源を構成すれば、満水、付
着なしの電極抵抗を測定するための交流の診断信号は、
一定電圧を電極側へ与える方式に対して非常に小さくで
きる利点がある。これは、満水、付着なしのときの電極
Ａ，Ｂ−アース電極Ｚ間抵抗は、前述の異常時と比べ十
分小さいことによる。また、流体導電率が予めわかって
いれば、温度補正をした上で、測定した流体抵抗との違
いにより付着状態を検知することもできる。

【００２４】また、本発明の実施の形態では、矩形波を
出力する定電流源を用いた例を示したが、正弦波または
三角波等を出力するような定電流源を用いてもよい。但
し、励磁周波数の偶数倍となる診断信号の周波数として
同期をとるので、矩形波のほうが信号処理は容易であ
る。

【００２５】更に、診断信号発生回路として、定電流源
を用いた例を説明したが、定電流源の代わりに、定電圧
源を用いる構成としても本発明はそのまま適用できる。

【００２６】また、図３（ａ），（ｂ）に示す定電流源
１９，２２は、交流の定電流回路と直流の定電流回路と
を兼ねている。交流と直流との分離形の電流源の場合、
バッファ２１の入力インピーダンスを大きくするために
ブートストラップ回路を用いたり、ケーブルシールド
（信号線２０）にドライブシールドを用いたりする。こ
のとき、正帰還がかかる負荷の電極Ａ，Ｂ−アース電極
Ｚ間の抵抗が極端に大きくなる（数百ＭΩ以上）とバッ
ファ２１が発振する可能性がある。このため、空時のよ
うに極端に電極Ａ，Ｂ−アース電極Ｚ間の抵抗が大きく
なる場合、ＤＣ（直流）の定電流を流して、定電流源１
９，２２が発振する前に、電極で検出する電圧を電源電
圧にする。ここで、バッファ２１のＤＣ電圧をモニタし
空状態を判定して、定電流値の動作を停止させる（定電
流値をゼロとする）ことにより、このような発振の問題
はなくなる。図２の構成でも、定電流回路１５，１７の
基準電圧（Ｖ）印加部にＤＣ電圧を加算することで、こ
の対応は可能となる。

【００２７】次に、測定に使用する周波数について説明
する。診断回路部の診断タイミングの周波数は、図３
（ａ），（ｂ）にて説明したように、励磁周波数の整数
倍の周波数とする。励磁電流及び流量信号に含まれる周
波数成分は、励磁基本周波数とその奇数倍の高調波成分
で構成される。このために、診断回路部の診断タイミン
グの周波数を励磁周波数の偶数倍の周波数にすること
で、励磁電流、流量信号に原理的に影響を与えない診断
回路を実現できる。

【００２８】また、診断回路部の診断タイミングの周波
数を奇数倍にした場合でも、流量信号のサンプリング期
間を、診断信号の積分値がゼロになるような時間とする
ことで、診断回路の影響を受けない流量信号測定回路を
実現できる。

【００２９】ここで、この例１にあっては、励磁タイミ
ングと、診断タイミングとを同期させる方式を採用す
る。この二つのタイミングを非同期とすると、２つの発
振器が必要となり、それらの温度特性の違いから、周波
数が偶数倍にならない可能性もあり、この周波数のずれ
により、診断回路で使用する検出電圧が流量信号に影響
を与えることがある。このため、例１では、同期式を採
用する。この方式によれば、同一クロックから分周され
たタイミング信号を使用するので、クロックの原振周波
数が周囲温度により変わったとしても励磁周波数と診断
周波数との同期は失われず、温度変動の影響を受けにく
い診断回路、流量信号測定回路を実現することができ
る。

【００３０】この周波数の上限であるが、電極Ａ，Ｂに
は電極容量の構造分散の問題がある。これは、電極を構
成する金属と流体の界面で形成される容量が周波数が高
くなることで、容量を形成する双極子の回転が追いつか
なくなっていく過程を意味する。この領域となる交流抵
抗と、それ以下の周波数での交流抵抗は大きく異なるた
め、電極容量が構造分散を起こさない範囲にとどめてお
く必要がある。

【００３１】このことを説明するため、図９に、流体抵
抗率と交流抵抗の関係を示す。この図９は、流体をイオ
ン交換水としたときにＳＵＳ検出電極を用いた場合の流
体抵抗率と流体抵抗との関係を示すグラフである。この
図９にあって、診断周波数が２０ｋＨｚを超えると、交
流抵抗は流体抵抗に対して線形にならない。一方、診断
周波数が、２ｋＨｚ以下であれば、それ以下の周波数の
交流抵抗と一致する。この領域の周波数を採用すること
で、流量信号検出で使用する励磁周波数と同じ交流抵抗
を測定できるようになる。但し、本方式では従来の技術
に示すように、フィルタでの流量信号と診断信号との分
離が困難になるので、前記同期方式の採用が不可欠とな
る。

【００３２】この周波数上限の決定するためには、電極
インピーダンスを測定し、その実部と虚部をプロット
（コール・コール・プロット）すればよい。この測定
例、即ちプロット結果を図１０に示すが、このグラフは
直線部分Ａと円弧部分Ｂとで形成される。円弧部分Ｂは
高い周波数で、直線部分Ａは低い周波数の部分を示して
いる。直線部分の交流抵抗は、図９に示す流体抵抗率と
流体抵抗が線形になる特性を示す。図１０の円弧Ｂの部
分は前記構造分散が起こっている領域となる。

【００３３】このため、実際に使用する電極材質、流体
導電率、液種から予め周波数の上限を求めておき、後述
の実施例で示す診断回路の周波数よりも高い周波数を選
択するようにしてもよい。この周波数選定方式により、
実際の励磁周波数と一致する交流抵抗を測定することが
できる。

【００３４】次に、本発明にあって実際に使用される各
信号のタイミングを図４から図８を用いて説明する。こ
こで、励磁タイミング信号は、測定管内の励磁コイルに
励磁電流を与えるタイミング、励磁電流波形は、励磁状
態を表わし、流量検出信号にも対応する信号波形、診断
タイミング信号１〜５はＣＰＵ６または分周回路６ａ等
より発生するタイミングに対応して交流定電流回路５，
８等から電極Ａ，Ｂ−アース電極Ｚに交流電流を与える
タイミング、診断検出信号は電極Ａ，Ｂ−アース電極Ｚ
間で得られた抵抗検出信号に対応する信号波形、診断正
（または負）サンプリング信号１〜５は診断検出信号を
取り込んで信号処理するタイミングである。

【００３５】ここで、電極Ａ，Ｂから検出される診断検
出信号を正部分と負部分とをサンプリング（同期検波）
し、その差を取ることで、電極Ａ，Ｂ−アース電極Ｚ間
の抵抗に応じて電極Ａ，Ｂに発生する電圧を検出する。
サンプリング間隔は１／４波サンプリングを行なってい
るが、半波サンプリングをしてもよい。半波サンプリン
グの場合、絶対値回路でＤＣ化してＤＣ電圧をＡ／Ｄ変
換するようにしてもよい。

【００３６】また、図４〜図７は、励磁基本周波数に対
して、診断回路部の診断周波数を偶数倍した例を示す。
図４と図６は、診断回路の周波数を励磁周波数の２倍と
した実施の形態を示す。流量信号のサンプリング時、正
励磁時、負励磁時のそれぞれのサンプリングにあって本
来検出すべき流量信号には診断信号も含まれ、その影響
が出てしまうが、正負励磁時におけるそれぞれの流量信
号の差をとることで、診断信号の影響をキャンセルする
ことができる。

【００３７】図５と図７は、診断回路の周波数を励磁周
波数の４倍にした実施の形態を示す。これらの例にあっ
ては、診断信号に含まれる微分ノイズの影響を小さくな
る部分でのサンプリングが可能となり、流体抵抗の測定
精度が向上する。ここで、図４と図５は、定電流をそれ
ぞれの電極Ａ，Ｂに同時に流す方式である。この方式は
電極Ａ，Ｂ間の距離が大きいものに適用するとよい。こ
の場合、両方の電極Ａ，Ｂの絶縁物付着状況が同じであ
れば、電極Ａ，Ｂに発生する診断信号はほぼ同じ値を示
し、図１に示す流量信号測定のための差動アンプ出力
（差動増幅器１０）における診断信号は、ほぼゼロとな
る。

【００３８】図６と図７は、電極間距離が近い微小口径
の電磁流量計の場合である。微小口径では電極Ａ，Ｂ同
士の距離が近く、互いに影響を与え合ってしまうので、
定電流を流すタイミングを変え、両方に同時に電流を流
さないようにする。

【００３９】図８は、励磁基本周波数に対して、診断回
路の診断タイミングにかかる周波数を奇数倍にした例を
示す。この場合、流量信号のサンプリング期間を、診断
信号の積分値がゼロになるような時間とする。このサン
プリング期間の選定により、診断回路部からの影響を受
けない流量信号測定回路を実現できる。

【００４０】付着診断した後に、電極Ａ，Ｂ絶縁物付着
かアース電極付着かを診断する方法として、一対の測定
電極Ａ，Ｂ間に定電流を与える回路を付加し、付着診断
した後に、この回路を動作させて電極Ａ，Ｂ間の抵抗を
測定するようにしてもよい。もし、電極Ａ，Ｂ間の抵抗
が小さければ、アース電極の付着として診断可能とな
る。この場合、電極洗浄機能、電池交換タイプの電磁流
量計において特に利点がある。

【００４１】そして、付着検知した後に励磁を停止させ
る。流体抵抗が、仕様可能範囲（流体導電率測定範囲）
になったところで、励磁を停止させる。このことによ
り、低消費電力運転が可能となる。

【００４２】図１８は、測定管Ｐにおける電極Ａ（Ｂ）
の設置状況を表す。測定管Ｐの測定流体が接する内面に
は、テフロン（登録商標）、ウレタン等のライニングＬ
が形成され、信号線４０３を備える電極Ａ（Ｂ）が測定
流体に接液するように設置される。メンテナンスの容易
のため、電極Ａ（Ｂ）は、電極キャップ４０１及びバネ
４０２により測定管Ｐに押し嵌められる構成である。測
定管Ｐは、アース電極Ｚと同電位である。

【００４３】電極キャップ４０１と電極Ａ（Ｂ）との間
隙に測定流体が侵入する場合があり、この間隙に測定流
体が溜まると誤動作を引き起こすことがあり、これを検
知するため、本発明を利用することができる。即ち、図
１に示した、診断方式を測定管Ｐが空のときに適用す
る。この間隙部に測定流体が溜まっていなければ、電極
Ａ（Ｂ）−アース電極Ｚ間の抵抗は無限大であり、測定
流体が溜まっている場合は、電極Ａ（Ｂ）−アース電極
Ｚ間の抵抗は小さくなる。この抵抗値は数十〜数百ＭΩ
であれば、流量測定に影響を与えないが、その値を下回
るとスパン誤差となって、測定時に悪影響を与えること
となる。

【００４４】上記した本発明は、数M〜数十ＭΩの抵抗
測定ができるため、このような測定流体が電極周辺に滞
留しているかどうかを検出することができる。

【００４５】更にまた、このような本発明の電磁流量計
に、無線通信手段を設置し、上述により測定した、測定
流体の導電率、電極Ａ，Ｂにおける絶縁物付着状況、空
検知情報、電極への水侵入情報等を無線通信手段を用い
て、上位側に接続される、大型の制御システム、または
パーソナル・コンピュータ等の小型のコンピュータ・シ
ステムへ送信するようにしてもよい。

【００４６】（例２）図１２及び図１３に本発明の実施
の形態における第２の実施例のブロック図を示す。図１
３は図１２の変形例である。図１４にはそのタイミング
チャートを示す。図１２及び図１３の構成のうち図１と
同じ構成には同一の参照番号を付してある。また、図１
２及び図１３にあって、電極Ａ，Ｂに接続する測定管
Ｐ、アース電極Ｚも、図１と同様の構成となるので、図
示は省略する。

【００４７】図１２のブロック図では、診断回路部への
クロックと流量信号検出回路のクロック信号とを別々
（クロック１，クロック２）に分けている。つまり、二
つの分周回路１６，１８を用いて、それぞれのクロック
信号（クロック１，クロック２）を分周している。ま
た、ＣＰＵ６の同じクロック信号（クロック１）から分
周して診断回路部分へ与えるタイミングとしての周波数
が、励磁周波数の整数倍とならない値に選定してもよ
い。

【００４８】ここで、流量信号のサンプリング時間を診
断回路信号の周期の整数倍とすることで、診断回路部分
の信号値が、サンプリング区間でゼロになるようにす
る。これにより、前記診断回路の信号が流量信号に影響
を与えないようにすることができる。

【００４９】図１２では、予めわかっているクロック２
の値に基づき、流量信号のサンプリング時間を決定す
る。この問題点としては、前述したように、クロック信
号に温度変化があると、流量信号のサンプリング時間
は、診断回路信号の周期の整数倍とならなくなり、流量
信号に影響が出ることである。

【００５０】このため、図１３に示すような構成によ
り、クロック信号（クロック２）の周波数をＣＰＵ６の
カウンタ２５で測定し、その値に基づき流量信号のサン
プリング時間を決定するようにする。これにより、必ず
流量信号のサンプリング時間を診断回路信号の周期の整
数倍とすることができる。また、ＣＰＵ６の同じクロッ
ク信号（クロック２）から分周した診断回路部の周波数
が、励磁基本周波数の整数倍とならない値に選定すれ
ば、同一のクロック信号（クロック２）からサンプリン
グ時間を決定できるので、クロック周波数の温度変動の
影響を受けない。このため、必ず流量信号のサンプリン
グ時間を診断回路信号の周期の整数倍とすることができ
る。

【００５１】（例３）次に、単一周波励磁の場合と、二
周波励磁の場合の診断信号サンプリングについて説明す
る。上記の例１及び例２は単一周波数励磁の例であっ
て、診断動作のとき、電極Ａ，Ｂで検出される信号波形
には、図１５に示すように、診断信号成分と微分ノイズ
成分とが含まれている。そこで、診断信号の周波数を励
磁周波数の４倍以上とし、この微分ノイズの影響を小さ
くするために、図１５に示すように、励磁電流計にあっ
て、微分ノイズが減少する、その後半部分の診断信号を
サンプリングするようにしている。

【００５２】次に、導電率測定時の実施の形態に関して
説明する。本発明の例１における図１０に示す、コール
・コール・プロットの線形部分Ａと円弧部分Ｂの境とな
る周波数は、電極Ａ，Ｂ−流体の条件により変わってく
る。本実施の形態では、本発明の例１において、少なく
とも２種類以上の周波数を用いて交互に流体抵抗測定を
行う。それらの抵抗値が所定の範囲で一致していれば線
形領域とみなし、励磁周波数近傍での導電率測定が問題
なく行われていると判断する。それらの抵抗値が所定の
範囲を超えて一致していない場合は、コール・コール・
プロットの円弧部分とみなし、励磁周波数近傍での導電
率測定が正常に行われていないと判断する。

【００５３】この判定から、コール・コール・プロット
の線形部分と円弧部分の境の周波数を検知し、線形部分
の流体抵抗と一致するように、診断信号の周波数を選定
する。

【００５４】次に、二周波励磁方式を採用する電磁流量
計に本発明を適用したときの診断について、図１６を用
いて説明する。まず、励磁及び流量信号（励磁電流波
形）と診断信号（診断信号波形）との同期をとる。そし
て、診断信号にかかる診断タイミング（診断信号波形）
の周波数を、２つの周波数より構成される励磁電流波形
における高周波数（Ｈ）と低周波数（Ｌ）の中間の周波
数にする。そして、診断信号の検出即ち診断信号サンプ
リングのタイミングを低周波（Ｌ）の偶数倍とするとと
もに、高周波（Ｈ）の偶数分の１とし、診断信号のサン
プリングは、微分ノイズが充分に減少する、低周波
（Ｌ）の周期の後半部で行う。

【００５５】低周波（Ｌ）微分ノイズの成分の影響を除
去し、サンプリング間隔としては、高周波（Ｈ）の一
周期分とし、高周波（Ｈ）微分ノイズの成分の影響を除
去する（診断信号サンプル（１））、または、高周波
（Ｈ）の微分ノイズの影響が小さくなる、励磁後半部分
でサンプルを行う（診断信号サンプル（２））とする。
この二つのサンプリング間隔のうち、どちらを採用して
もよい。

【００５６】（例４）図１７に、本発明を適用した電磁
流量計を用い、土砂量をモニタするアプリケーション例
を示す。図１７（ａ）では電磁流量計における定電流回
路が示されている。この定電流回路は、図３に示した定
電流回路と同じであり、図１７の電磁流量計においても
この定電流回路３０を用い、導電率測定を行う。また、
電極の分極電圧の問題から、交流信号を使うのが望まし
い。他のバッファ３２等の素子は図３に示す回路と同様
の働きをなす。

【００５７】図１７（ａ）では電極部に、上述したよう
に、診断動作にあって、測定流体の導電率を算出する。
即ち、検出電極Ａ，Ｂ−アース電極Ｚ間の導電率から土
砂量を推定する。水道水の導電率は１００〜２００μＳ
／ｃｍであり、土砂のある分だけ導電率が低下するた
め、測定流体の導電率を測定することにより、例えば、
農業用水、ダム、河川、湖、沼等に対する、給水、排水
の施設、設備にも本発明を適用することができる。通
常、このような適用例としては、流量計の他、密度計等
を設置して土砂量を測定しているが、本発明によれば、
密度計は不要であり、電磁流量計のみで流量、土砂量の
測定を行うことができる。

【００５８】また、外部からバッテリー駆動できるよう
に、定電流回路３０を休止させるためのスイッチ３４を
具備するようにしてもよい。これにより、間欠的な動作
が可能となる。

【００５９】尚、図１７（ｂ）に示すように、電磁流量
計の出力は流量出力というアナログ値があり、この土砂
推定量もアナログ値である。このため、無線等を使え
ば、ケーブルの追加もなく、計器（電磁流量計の電極
部）１００から、通信ユニット２００を介して上位側に
接続される、大型の制御システム、またはパーソナル・
コンピュータ等の小型のコンピュータ・システム３００
へ送信するようにしてもよい。

【００６０】

【発明の効果】本発明の例１では、測定管内の付着の状
況、流体導電率を検知する手段として交流信号を用い、
定電流源の信号周波数として励磁基本周波数の整数倍の
周波数を用いており、励磁周波数と付着検知回路の信号
周波数を同期させ、電極の構造分散の影響を受けない周
波数を選択しており、さらに電極インピーダンス測定回
路を備えている。

【００６１】そのため、励磁周波数近辺での電極インピ
ーダンスを測定して、正確な電極インピーダンスの測定
が可能になる。その結果、付着検知、流体液種判別を正
確に行うことが可能になる。また、励磁基本周波数より
も高い周波数を採用しているので流体ノイズの影響を受
け難く、流量信号測定回路と電極インピーダンス測定回
路が互いに影響し合わない診断回路を実現することが可
能になる。

【００６２】また、測定管が空のときに、診断回路を動
作させることにより、電極部における測定流体の滞留状
況を判別することができる。

【００６３】本発明の例２によれば、管内の付着の状
況、流体導電率を検知する手段として、交流信号を用
い、その交流信号の周波数として、励磁基本周波数の整
数倍とならない周波数を選択し、交流信号の周波数とし
て、電極の構造分散の影響を受けない周波数を選択して
いる。また、電極インピーダンス測定回路を具備し、流
量信号のサンプリング時間を前記交流信号の周期の整数
倍とすることで、前記交流信号が流量信号に影響を与え
ないようにしている。

【００６４】そのため、励磁周波数近辺での電極インピ
ーダンスを測定して、正確な電極インピーダンスを測定
でき、付着検知、流体液種判別が正確に行える電磁流量
計を実現することが可能になる。また、流体ノイズの影
響を受けにくい、電極インピーダンス測定回路を実現
し、流量信号測定回路と電極インピーダンス測定回路が
互いに影響しあわない、流量信号測定回路と電極インピ
ーダンス測定回路の形成を可能にする。

【００６５】本発明の例３における診断信号サンプリン
グ方法によれば、二周波励磁への適用方式により、微分
ノイズが診断信号に与える影響を小さくした電磁流量計
を実現できる。また、導電率測定時には２種類以上の周
波数で交互に流体抵抗測定を行うので、抵抗値が所定の
範囲か否かでコール・コール・プロットの直線部分を判
定できるので、励磁周波数での流体抵抗と一致する、診
断信号の周波数を選定できる。

【００６６】本発明の例４によれば、導電率を測定する
ことにより、測定流体中の土砂量を監視するようにした
ので、密度計をおいて密度により土砂量を測定する場合
に比べ、安価に土砂量の推定をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態である例１におけるブロッ
ク図である。

【図２】本発明の実施の形態である例１において交流信
号発生回路を定電流源とした場合の回路図である。

【図３】定電流源の回路図である。

【図４】励磁基本周波数に対して診断回路部分の周波数
を２倍にしたタイミングチャートである。

【図５】励磁基本周波数に対して診断回路部分の周波数
を偶数倍にしたタイミングチャートである。

【図６】励磁基本周波数に対して診断回路部分の周波数
を２倍にしたタイミングチャートである。

【図７】励磁基本周波数に対して診断回路部分の周波数
を偶数倍にしたタイミングチャートである。

【図８】励磁基本周波数に対して診断回路部分の周波数
を奇数倍にしたタイミングチャートである。

【図９】流体をイオン交換水としたときにＳＵＳ電極を
用いた場合の流体抵抗率と流体抵抗との関係を示すグラ
フ図である。

【図１０】周波数上限を決定するために電極インピーダ
ンスを測定し、その実部と虚部とをプロットしたコール
・コール・プロットを示すグラフ図である。

【図１１】電極付着による信号源抵抗の影響を調べるた
めの信号源抵抗及び入力抵抗を含む回路図である。

【図１２】本発明の実施の形態である例２におけるブロ
ック図である。

【図１３】例２の変形のブロック図である。

【図１４】励磁基本周波数に対する診断回路の周波数を
示すタイミングチャートである。

【図１５】単一周波励磁の場合のタイミングチャートで
ある。

【図１６】二周波励磁の場合のタイミングチャートであ
る。

【図１７】土砂量をモニタする機能を付加した電磁流量
計の説明図である。（ａ）は導電率測定のための定電流
回路を示す回路図である。（ｂ）は上位のコンピュータ
・システムへデータを転送するための概略図である。

【図１８】測定管における電極の設置状況を表わす図で
ある。

【符号の説明】

３，９交流信号発生回路４，１２バッファ５，８電極抵抗信号Ａ／Ｄ変換器６ＣＰＵ６ａ分周回路７クロック信号１０差動増幅器１１流量信号Ａ／Ｄ変換器１３励磁回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象となる流体が流される測定管を備
え、励磁回路により励磁コイルを駆動して前記流体に磁
界を与え、前記測定管内を流れる流体の流量を測定する
電磁流量計であって、前記測定管内を流れる流体の流量
に応じた流量信号を検出する一対の検出電極と、流量測
定時の基準電位となるアース電極と、前記検出電極と前
記アース電極との間に診断信号を与える診断信号発生回
路と、前記検出電極と前記アース電極との間の抵抗値を
診断検出信号として検知する診断回路とを備えることを
特徴とする電磁流量計。
【請求項２】前記診断信号発生回路は、定電流源であ
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】前記診断信号発生回路は、定電圧源であ
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】前記診断信号発生回路は、診断信号として
前記励磁回路で使用する励磁周波数の整数倍の周波数を
信号周波数とする交流信号を用いることを特徴とする請
求項１から３のいずれかに記載の電磁流量計。
【請求項５】前記診断回路は、前記励磁周波数と前記診
断検出信号とを同期させることを特徴とする請求項４に
記載の電磁流量計。
【請求項６】前記診断信号発生回路は、前記検出電極と
前記流体の界面とで形成される容量を形成する双極子の
回転子が追いつく範囲で、発生させる前記交流信号の周
波数を選択することを特徴とする請求項４または請求項
５のいずれかに記載の電磁流量計。
【請求項７】前記診断信号発生回路は、一対の前記検出
電極に、前記診断信号として同じ前記交流信号を与える
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記
載の電磁流量計。
【請求項８】前記電磁流量計は、検出電極間の距離が近
い微小口径であって、それぞれの電極に対し、交互に前
記診断信号を与えることを特徴とする請求項１から請求
項６のいずれかに記載の電磁流量計。
【請求項９】前記診断回路は、前記交流信号の周波数が
前記励磁周波数の奇数倍のときに、流量信号のサンプリ
ング時間を、１／（前記交流信号の周波数の整数倍）の
時間にすることを特徴とする請求項１から請求項８のい
ずれかに記載の電磁流量計。
【請求項１０】前記診断回路は、測定した前記検出電極
の抵抗値から流体導電率を算出することを特徴とする請
求項１から請求項９のいずれかに記載の電磁流量計。
【請求項１１】前記診断回路は、測定した前記検出電極
の抵抗値から前記検出電極への絶縁物付着の状況を検知
することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか
に記載の電磁流量計。
【請求項１２】前記診断回路は、測定した抵抗値及び流
体導電率の測定値を上位の分散制御システムまたはパー
ソナル・コンピュータに伝送するアナログ出力及び無線
出力を具備することを特徴とする請求項１から請求項１
１のいずれかに記載の電磁流量計。
【請求項１３】前記定電流源は、交流の定電流回路と直
流の定電流回路を兼ねていることを特徴とする請求項１
から請求項１０のいずれかに記載の電磁流量計。
【請求項１４】直流の定電流源による信号を空検知のた
めに使用することを特徴とする請求項１３に記載の電磁
流量計。
【請求項１５】前記診断回路は、前記測定管が空のとき
に前記検出電極と前記アース電極との間に診断信号を与
えてその診断検出信号により前記検出電極部の絶縁劣化
を検知することを特徴とする請求項1から請求項９のい
ずれかに記載の電磁流量計。
【請求項１６】前記診断信号発生回路は、前記交流信号
の信号周波数として、前記励磁周波数の整数倍とならな
い周波数でかつ前記励磁周波数よりも高い周波数を用い
ることを特徴とする請求項１に記載の電磁流量計。
【請求項１７】前記診断回路は、流量信号のサンプリン
グ時間を１／（前記交流信号の周期の整数倍）の時間と
することを特徴とする請求項１６に記載の電磁流量計。
【請求項１８】同一クロックから流量信号のサンプリン
グタイミングと前記交流信号の周波数とを生成すること
を特徴とする請求項１６または請求項１７に記載の電磁
流量計。
【請求項１９】別々のクロックから流量信号のサンプリ
ングタイミングと前記交流信号の周波数を生成し、前記
交流信号の周波数をカウントし、その周波数からサンプ
リング時間を算出することを特徴とする請求項１６また
は請求項１７に記載の電磁流量計。
【請求項２０】前記診断信号発生回路は、前記検出電極
と流体の界面とで形成される容量を形成する双極子の回
転子が追いつく範囲で周波数を発生することを特徴とす
る請求項１６または請求項１９のいずれかに記載の電磁
流量計。
【請求項２１】前記定電流源は、一対の前記検出電極
に、前記診断信号として同じ前記交流信号を与えること
を特徴とする請求項１６から請求項２０のいずれかに記
載の電磁流量計。
【請求項２２】前記検出電極間の距離が近い微小口径
で、それぞれの電極に対し交互に電流を流すことを特徴
とする請求項１６または請求項２０のいずれかに記載の
電磁流量計。
【請求項２３】前記診断回路は、前記診断信号の周波数
を前記励磁周波数の４倍以上とし、励磁波形の後半部分
の前記診断検出信号をサンプリングすることを特徴とす
る請求項１から請求項２２のいずれかに記載の電磁流量
計。
【請求項２４】前記診断回路は、少なくとも２種類以上
の前記交流信号の周波数を用いて交互に流体の抵抗値を
求め、前記抵抗値に基づいて、コール・コール・プロッ
トの直線部分を判定し、前記励磁周波数での前記抵抗値
と一致する前記診断検出信号の周波数を選定できる付着
診断回路を具備することを特徴とする請求項１から請求
項２３のいずれかに記載の電磁流量計。
【請求項２５】前記励磁回路により二つの励磁周波数を
用いて前記励磁コイルを駆動して前記流体に磁界を与え
る二周波励磁方式であって、励磁及び前記流量信号と前
記診断信号との同期をとる手段と、前記診断信号の周波
数を二つの前記励磁周波数のうち高周波と低周波との中
間の周波数にする手段と、前記診断信号の周波数を前記
低周波の偶数倍とするとともに前記高周波の偶数分の１
にする手段とを備え、前記診断信号のサンプリングは、
前記低周波の周期の後半で、低周波微分ノイズ成分を除
去し、サンプリング間隔は、高周波微分ノイズの成分の
影響を除去した前記高周波の一周期分と、励磁波の後半
部分とであることを特徴とする付着診断回路を具備する
請求項１から請求項１５または請求項２４のいずれかに
記載の電磁流量計。