JP2005292010A

JP2005292010A - 電磁流量計

Info

Publication number: JP2005292010A
Application number: JP2004109542A
Authority: JP
Inventors: Ikumitsu Ishikawa; 郁光石川
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】刻々と変化する微分ノイズをキャンセルすることは困難であり、かつ微分ノイズの静定時間が長いので励磁電流の周波数を高くすることができず、電極と流体が接する際に発生するノイズを低減することができなかったという課題を解決する。
【解決手段】電極の出力が入力されるバッファと、このバッファの出力を反転する反転増幅器と、この反転増幅器の出力を前記電極に接続し、また切り離すスイッチとを有し、励磁電流が変化する期間、前記スイッチをオンにして前記反転増幅器の出力を前記電極に入力するようにした。微分ノイズをキャンセルでき、かつ励磁電流の周波数を高くすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、微分ノイズを除去することにより正確な流量を測定することができる電磁流量計に関するものである。

微分ノイズを除去して正確な流量を測定することができる電磁流量計に関する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平０６−８２２８４号公報特開平０７−３３３０２０号公報

特許文献１には、微分ノイズを除去して正確な流量を測定することができる３値励振方式の電磁流量計が記載されている。この電磁流量計では、第１励磁レベル期間、第２励磁レベル期間、第３励磁レベル期間、第２励磁レベル期間をこの順に繰り返して励磁する。第２励磁レベルは第１励磁レベルと第３励磁レベルの中間の値に設定される。

このような電磁流量計において、第１、第３励磁レベル期間の後半にサンプリングした電極間信号から電極間に発生する直流電圧を除去し、流量信号ｖ_Ｓと微分ノイズｎ_１が加算された値ｅ（α）−ｅ（γ）（下記（１）式）を求める。なお、Ｔはサンプリング時間である。
ｅ（α）−ｅ（γ）＝２・（ｖ_Ｓ・Ｔ＋ｎ_１）・・・・・（１）

次に、２つの第２励磁レベル期間の前半と後半にサンプリングした４つの電極間信号から前記直流電圧を除去し、第２励磁レベル期間の前半と後半の微分ノイズを演算する。この微分ノイズをｎ_２、ｎ_３とする。

この微分ノイズｎ_２、ｎ_３から下記（２）式によって前記第１、第３励磁レベル期間後半の微分ノイズｎ_１を推定し、この微分ノイズｎ_１を前記（１）式に代入して流量信号ｖ_Ｓを求める。
ｎ_１＝ｎ_３・（ｎ_２ ^２＋ｎ_３ ^２）／（ｎ_２ ^２−ｎ_３ ^２）・・・・（２）

このようにすることにより、簡単な演算で微分ノイズによる誤差を少なくすることができるので、励磁周波数を高くすることができ、高速応答性を有する電磁流量計を実現することができる。

特許文献２には、励磁コイルに直列接続した抵抗によって励磁電流値を電圧値に変換し、この電圧値を微分回路で微分した後分圧器で適宜分圧して、流量信号からこの分圧した値を引き算する電磁流量計が記載されている。このようにすることにより、電極に接続された導線と流体によって形成される閉ループ等によって発生する微分ノイズの影響を除去することができる。

しかし、このような電磁流量計には、次のような課題があった。特許文献１に記載された電磁流量計は、第２励磁レベル期間の微分ノイズの値から第１，第３励磁レベル期間の微分ノイズを推定する関数（前記（２）式）が固定されている。そのため、高精度で微分ノイズを推定することができず、微分ノイズを充分な精度でキャンセルすることができないという課題があった。

また、特許文献２に記載された電磁流量計は、刻々と変化する微分ノイズをリアルタイムで補正することが難しいという課題があった。

微分ノイズは磁場が変化しているときに発生するので、励磁コイルを矩形波電流で駆動し、磁場が十分安定したところで流量信号をサンプリングすれば高精度で流量を測定できる。しかし、そのためには駆動周波数を低くしなければならず、電極と流体が接することにより発生するノイズが増加してしまうという課題があった。
従って本発明の目的は、励磁電流の変化時に発生する微分ノイズをリアルタイムでキャンセルする回路を用いることにより、ゼロ点安定性に優れた電磁流量計を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
励磁コイルに矩形波状の励磁電流を流して被測定流体が流れる導管内に交番磁界を発生させ、前記導管内部に設置した電極に発生する電圧をサンプリングすることによって前記導管内に流れる前記被測定流体の流量を測定する電磁流量計において、
前記電極の出力電圧に関連する電圧が入力される信号反転器と、
前記信号反転器の出力端子と前記電極の間に挿入され、前記励磁電流が変化している間、オン状態にされるスイッチと、
を具備したものである。微分ノイズをキャンセルできる。

請求項記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記信号反転器として、反転増幅器を使用したものである。構成が簡単になる。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記信号反転器として、積分器を使用したものである。電極に急激に電流が流れ込むことを防止できる。

請求項４記載の発明は、請求項１若しくは請求項３いずれかに記載の発明において、
前記励磁電流が一定になった後、流量測定のために前記電極の出力に関連する出力をサンプリングするまでの間、前記スイッチのオン状態を継続するようにしたものである。積分器の時定数が大きくなっても影響を受けない。

請求項５記載の発明は、請求項１若しくは請求項４いずれかに記載の発明において、
前記電極と前記信号反転器との間にバッファを挿入したものである。出力インピーダンスが低くなり、扱いやすくなる。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、
前記バッファにオフセット調整回路を設けたものである。オフセットの影響がなくなる。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４，５および請求項６の発明によれば、励磁電流が変化している間、電極の出力を反転して前記電極に出力するようにした。励磁電流が変化しているときに発生する微分ノイズをキャンセルすることが出来るので、微分ノイズの影響を受けない高精度な電磁流量計を実現することができるという効果がある。

また、微分ノイズが発生しないために励磁電流の周波数を高くすることができるので、電極と流体が接する部分に発生するノイズを小さくすることができる。そのため、ゼロ点が安定するという効果もある。また、信号反転器として積分器を用いることにより、電極電位のハンチングを防止することができるという効果もある。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る電磁流量計の一実施例を示す構成図である。図１において、１１はセラミックパイプあるいは内面に絶縁のためのライニングが施されたステンレススチールなどの非磁性導管であり、内部に測定流体が流れる。１２，１３はこの導管１１の内面に設けられた電極である。１４は励磁回路であり、励磁コイル１４１に交番電流を流して導管１１内に交番磁界を発生させる。

２１はインピーダンス変換を行うバッファであり、電極１２の出力が入力される。２２はこのバッファ２１の出力が入力され、この信号の極性を反転する反転増幅器である。この反転増幅器２２の利得は、抵抗２２１と抵抗２２２の抵抗値の比で決定される。３１は反転増幅器２２の出力端子と電極１２を接続し、また切り離すスイッチであり、ＣＰＵ５によってそのオン・オフが制御される。

２３はインピーダンス変換を行うバッファであり、電極１３の出力が入力される。２４はこのバッファ２３の出力が入力される反転増幅器である。この反転増幅器２４の利得は、抵抗２４１と抵抗２４２の抵抗値の比で決定される。３２は反転増幅器２４の出力端子と電極１３を接続し、また切り離すスイッチであり、ＣＰＵ５によってそのオン・オフが制御される。

２５は差動増幅器であり、バッファ２１とバッファ２３の出力が入力され、これらの入力値の差を演算して出力する。４はＡ／Ｄ変換部であり、差動増幅器２５の出力をデジタル信号に変換する。

５はＣＰＵであり、Ａ／Ｄ変換部４の出力が入力され、この入力値に所定の演算を施して流量を演算する。ＣＰＵ５はまた励磁回路１４およびスイッチ３１，３２を制御する。６１は出力回路であり、ＣＰＵ５が演算した流量値を標準信号に変換して出力する。６２は表示器であり、流量値を表示する。

次に、図２に基づいてこの実施例の動作を説明する。図２（Ａ）は励磁コイル１４１に流れる励磁電流の変化を表したものである。励磁回路１４は励磁コイル１４１に矩形波状の交番電流を流す。

この励磁電流は励磁コイル１４１のインピーダンスのために急激には変化できず、徐々に変化する。この図では時刻Ｔ１からＴ２にかけて徐々に大きくなり、Ｔ２からＴ４の間一定値を保ち、Ｔ４からＴ５の間で徐々に減少する動作を繰り返す。

通常、励磁コイル１４１に電流を流すと、磁場の時間変化に比例する微分ノイズが発生する。この微分ノイズは、流速をゼロにしたときに電極１２，１３間に発生する電極間信号の大きさに等しい。

図２（Ｂ）は補正しないとき、すなわちスイッチ３１，３２をオフに保ったときの微分ノイズの変化を表す。微分ノイズは励磁電流が増加する時刻Ｔ１からＴ２にかけて大きくなり、その後所定の時間でゼロに戻る。また、励磁電流が減少する時刻Ｔ４からＴ５にかけて逆方向に大きくなり、その後所定の時間でゼロに戻る動作を繰り返す。

微分ノイズがゼロの期間に電極１２，１３間の信号をサンプリングすると、正確な流量を測定することができる。しかし、微分ノイズの静定時間は数〜数十ｍＳあるので励磁電流を６〜２０Ｈｚの低い周波数で変化させなければならないが、そうすると電極１２，１３と流体が接することによって発生するノイズが増加してゼロ点が不安定になる。

この問題を解決するために、図２（Ｃ）に示すように、励磁電流が変化しているＴ１〜Ｔ２等の間スイッチ３１，３２をオンにして反転増幅器２２，２４の出力を電極１２，１３に印可する。反転増幅器２２，２４は電極１２，１３の出力の極性を反転して出力するので、微分ノイズはキャンセルされて表れない。

図２（Ｅ）に、スイッチ３１，３２を（Ｃ）のように制御したときの、流速ゼロ時の電極間信号の変化を表す。微分ノイズがキャンセルされて、発生していないことがわかる。

図３に、本発明の他の実施例を示す。反転増幅器２２，２４から電極１２，１３に急激に電流を流し込むと電極電位がハンチングしてノイズが増加する可能性がある。図３実施例ではこのハンチングを防止することができる。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図３において、２５は積分器である。この積分器２５は演算増幅器２５２、この演算増幅器２５２の出力端子とその反転入力端子の間に接続されたコンデンサ２５３、このコンデンサ２５３に並列に接続されたスイッチ２５４，および前記反転入力端子に接続された入力抵抗２５１で構成される。バッファ２１の出力は入力抵抗２５１の他端に印可される。また、演算増幅器２５２の出力端子はスイッチ３１に接続される。

２６は積分器２５と同様構成の積分器である。すなわち、演算増幅器２６２の出力端子と反転端子の間にはコンデンサ２６３とスイッチ２６４の並列回路が接続される。また、入力抵抗２６１の一端は演算増幅器２６２の反転入力端子に接続され、他端にはバッファ２３の出力が印可される。演算増幅器２６２の出力端子はスイッチ３２に接続される。これら積分器２５，２６は、入力信号を積分すると共にその極性を反転させて出力する。

スイッチ２５４，スイッチ２６４はＣＰＵ５によって制御される。図２（Ｄ）にスイッチ２５４，２６４の状態を示す。これらのスイッチは、スイッチ３１，３２とは逆に、励磁電流が変化しているときにオフにされ、励磁電流が一定値のときにオンにされる。

スイッチ２５４がオフになると、コンデンサ２５３はバッファ２１の出力によって充電されるため、積分器２５の出力は徐々に変化する。スイッチ２５４がオンになると、コンデンサ２５３は放電し、積分器２５の出力はゼロになる。従って、電極１２に急激に電流が流れることはなくなる。

積分器２６も同様に動作する。すなわち、スイッチ２６４がオフになるとコンデンサ２６３はバッファ２３の出力によって充電され、スイッチ２６４がオンなるとコンデンサ２６３は放電する。そのため、電極１３に急激に電流が流れることはない。

なお、これらの実施例では、励磁電流が変化するときだけスイッチ３１，３２をオンにするようにしたが、励磁電流が一定になった後流量信号をサンプリングするまでオン状態を継続するようにしてもよい。このようにすると微分ノイズをより正確にキャンセルすることができ、かつ積分器２５，２６の時定数が長くなっても充分な時間を確保することができる。

また、バッファ２１，２３にオフセット調整回路を設け、オフセットを完全に除去するようにしてもよい。このようにすると、正確に微分ノイズのみを電極１２，１３に印可することができるので、より完全に微分ノイズをキャンセルすることができる。

本発明の一実施例を示す構成図である。本発明の一実施例の動作を説明するためのタイムチャートである。本発明の他の実施例を示す構成図である。

符号の説明

１１導管
１２，１３電極
１４励磁回路
１４１励磁コイル
２１，２３バッファ
２５差動増幅器
２２、２４反転増幅器
２５，２６積分器
２５４，２６４、３１，３２スイッチ
２５３，２６３コンデンサ

Claims

励磁コイルに矩形波状の励磁電流を流して被測定流体が流れる導管内に交番磁界を発生させ、前記導管内部に設置した電極に発生する電圧をサンプリングすることによって前記導管内に流れる前記被測定流体の流量を測定する電磁流量計において、
前記電極の出力電圧に関連する電圧が入力される信号反転器と、
前記信号反転器の出力端子と前記電極の間に挿入され、前記励磁電流が変化している間、オン状態にされるスイッチと、
を具備したことを特徴とする電磁流量計。
前記信号反転器として、反転増幅器を使用したことを特徴とする請求項１記載の電磁流量計。
前記信号反転器として、積分器を使用したことを特徴とする請求項１記載の電磁流量計。
前記励磁電流が一定になった後、流量測定のために前記電極の出力に関連する出力をサンプリングするまでの間、前記スイッチのオン状態を継続するようにしたことを特徴とする請求項１若しくは請求項３いずれかに記載の電磁流量計。
前記電極と前記信号反転器との間にバッファを挿入したことを特徴とする請求項１若しくは請求項４いずれかに記載の電磁流量計。
前記バッファにオフセット調整回路を設けたことを特徴とする請求項５記載の電磁流量計。