JP2008020364A - 電磁流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電磁流量計は、励磁コイルの線間の著しい励磁コイルの絶縁劣化や部分的なショートが生じた場合は、励磁コイルにより発生する磁界の大きさが変化するが、これを検出することが出来ないという課題がある。
【解決手段】励磁回路から励磁コイルに励磁電流を供給して磁場を発生させ、先の磁場を測定流体に印加して先の測定流体の流速に比例する信号電圧を検出電極により検出し、先の信号電圧を用いてメモリを伴う演算手段により流量演算して出力する電磁流量計であって、先の励磁コイルの線間の絶縁劣化を先の励磁コイルのインダクタンスの変化から診断する絶縁劣化診断部を具備するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、励磁回路から励磁コイルに励磁電流を供給して磁場を発生させ、前記磁場を測定流体に印加して前記測定流体の流速に比例する信号電圧を検出電極により検出し、前記信号電圧を用いてメモリを伴う演算手段により流量演算して出力する電磁流量計に係り、特に励磁コイルの線間の絶縁劣化を診断する機能を備えた電磁流量計に関する。

図４に従来の電磁流量計の構成を示す。図４において、検出部１０は、パイプ１１とこの内面を絶縁性の材料で覆ったライニング１２、流量信号を検出する一対の検出電極１３、１４、この流量信号測定の基準電位となるアース電極１５、流体中に磁界を発生させる励磁コイル１６等より構成されている。

流量信号の大きさは、励磁コイル１６により発生する磁界に比例しさらに磁界の大きさは励磁コイル１６に流れる励磁電流Ｉfの大きさに比例する。即ち、流量信号の大きさは、励磁コイル１６に流れる励磁電流Ｉfの大きさに比例する。

検出電極１３，１４で発生した流量信号は、変換部２０の高インピーダンスの前置増幅器２１，２２にそれぞれ入力され、信号源抵抗の変化によるスパン誤差が発生しないようにする。

検出電極１３と検出電極１４で発生した信号は逆極性であること、及び検出電極１３，１４に重畳するコモンモードノイズを除去するため差動増幅器２３に入力し、更に流量信号に重畳した直流電圧を除去するためハイパスフイルタ２４を通し、Ａ／Ｄ変換に適したレベルまで増幅器２５で増幅し、Ａ／Ｄ変換器２６でデジタル量に変換する。デジタル量に変換した後は、ＣＰＵ（Central Processing unit）で構成される演算手段２７で必要な信号処理を行い、流量を演算する。

励磁コイル１６には、流量信号が交流となるように低周波でかつ一定時間経過後は定電流Ｉｃとなるような励磁電流Ｉｆが励磁回路３０から供給される。定電流Ｉｃの値は、周囲温度の影響や励磁コイル１６の抵抗Ｒｃ変化により変動するので、流量信号の大きさも変動し指示誤差となる。

これを防止するため、Ａ／Ｄ変換器２６で得られた信号は、励磁電流Ｉｆで割算し規格化される。これにより、両者の比は、励磁電流が変化しても一定で変わらないため指示誤差が生じない。なお、励磁電流Ｉｆは電流検出抵抗Ｒｓで検出された後、Ａ／Ｄ変換器３１でデジタル量に変換する。

演算手段２７は、流量演算や励磁回路３０の制御、出力の制御を行う。演算手段２７のこれらの演算のためのタイミングは、クロック（ＣＬＫ）３２から供給される。演算手段２７で実行されるプログラムは、ＲＯＭ（Read-Only Memory）３３に格納されており、演算や制御の過程で使用する数値はＲＡＭ（Random Access read write Memory）３４に一時的に保存される。

また、流量信号の測定、出力等に必要なパラメータはＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）３５に格納される。そして、これ等のＲＯＭ３３、ＲＡＭ３４、ＥＥＰＲＯＭ３５はメモリ３６を構成している。

演算手段２７で流量演算された結果は、電流出力回路３７やパルス出力回路３８、双方向通信回路３９等により外部に出力される。また、現在の測定結果や診断結果は表示器４０に表示される。流量計に異常が発生した場合は、アラーム出力回路４１で外部に異常を知らせることが可能である。

下記の特許文献１には、励磁コイルのアース電極との間の絶縁劣化の状態を診断する構成の電磁流量計が記載されている。

特開２００３−１０６８７９号公報

しかし、このような電磁流量計は、励磁コイルの線間の著しい励磁コイルの絶縁劣化や部分的なショートが生じた場合は、励磁コイルにより発生する磁界の大きさが変化するが、これを検出することが出来ないという課題がある。

従って、本発明の目的は、励磁コイルの線間の著しい励磁コイルの絶縁劣化や部分的なショートが生じた場合は、励磁コイルのインダクタンスが変化するので、これを検出することにより、励磁コイルの部分的なショートや著しい絶縁劣化の診断を行うことの出来る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、励磁回路から励磁コイルに励磁電流を供給して磁場を発生させ、先の磁場を測定流体に印加して先の測定流体の流速に比例する信号電圧を検出電極により検出し、先の信号電圧を用いてメモリを伴う演算手段により流量演算して出力する電磁流量計において、
先の励磁コイルの線間の絶縁劣化を先の励磁コイルのインダクタンスの変化から診断する絶縁劣化診断部を具備するようにしたものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
先の絶縁劣化診断部は、励磁測定回路で励磁電流が流れ初めてから所定の定常状態に達するまでの過渡期間ｔｒと先の定常状態における励磁電流の定常値Ｉｃと励磁電圧Ｖｃとが測定された測定結果を用いてインダクタンス演算部で演算された測定インダクタンスＬｍに対して、先のメモリに予め格納された正常インダクタンスＬｓと先の測定インダクタンスＬｍの良否判定の判定基準値とを用いて、先の励磁コイルの線間の絶縁劣化を診断することを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、
先のインダクタンス演算部によるインダクタンスＬｍの演算は、Ｒｃを励磁コイルの抵抗として、
Ｌｍ＝ｔｒ・Ｒｃ／ｌｎ［１−Ｉｃ／（Ｖｃ／Ｒｃ）］
の式により演算することを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項２若しくは請求項３いずれかに記載の発明において、
先のメモリに格納された正常なインダクタンスＬｓと先のインダクタンス演算部で算出された測定インダクタンスＬｍとを比較し、先の測定インダクタンスＬｍが予め定めた範囲外になった場合は、警報を出力することを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１若しくは請求項２若しくは請求項３若しくは請求項４いずれかに記載の発明において、
先の絶縁劣化は、先の励磁コイルの線間が部分的にショートした場合を含むことを特徴とするものである。

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および５の発明によれば、励磁コイルの線間が部分的にショートした場合には、流体中に発生する磁界の大きさが低下し、電極で検出する流量信号も低下し、電磁流量計の指示誤差が発生するので、絶縁劣化診断部により、励磁コイルのインダクタンスの低下を検出することにより、励磁コイルの巻線間の絶縁劣化又はショートの状態を診断することが出来る効果がある。
また、必要に応じて、絶縁劣化診断部は、測定インダクタンスの変化をベースとする情報により、絶縁劣化又はショートの状態の表示やアラーム出力、或いは通信により指示誤差が発生したことを外部に通知することが出来る。

以下、本発明について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１実施例を示す構成図である。なお、図４に示す従来の電磁流量計の構成要素と同一の機能を有する部分は同一の符号を付して簡単のため適宜にその説明を省略する。

先ず、本発明に係る電磁流量計について説明する前に、以後の説明に必要な励磁回路３０について説明する。図２は励磁回路３０の内部構成の例であり、図３は図２の構成の動作を説明する波形図である。

図２において、励磁コイル１６は、等価的にはコイル抵抗Ｒｃとコイルのインダクタンスとの要素より構成されている。そして、励磁回路３０のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４はブリッジ状に接続されており、その出力端は励磁コイル１６に接続されている。

また、励磁回路３０のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の電源端は、励磁電源Ｖｅから定電流回路ＣＣを介して接続されている。そして、スイッチＳＷ１、４がＯＮのときは、スイッチＳＷ２、３はＯＦＦとなるように図１に示す演算手段５０から出力される制御信号Ｓ１〜Ｓ４により制御されている。

以上の構成において、図３（ａ）の励磁タイミングに従い、制御信号Ｓ１、Ｓ４（図３（ｂ））に制御されてスイッチＳＷ１、４がＯＮ（図３（ｃ））で、制御信号Ｓ２、Ｓ３（図３（ｄ））に制御されてスイッチＳＷ２、３がＯＦＦ（図３（ｅ））のときは、励磁電流Ｉｆ（図３（ｆ））は、励磁電源Ｖｅ、定電流回路ＣＣ、ＳＷ１、電流検出抵抗Ｒｓ、励磁コイル１６、ＳＷ４を経て励磁電源Ｖｅに戻る。

一方、スイッチＳＷ１、４がＯＦＦでスイッチＳＷ２、３がＯＮのときは、励磁電流Ｉｆは、逆の方向で、励磁電源Ｖｅ、定電流回路ＣＣ、ＳＷ２、励磁コイル１６、電流検出抵抗Ｒｓ、ＳＷ３を経て励磁電源Ｖｅに戻る。

そして、励磁コイル１６に流れる励磁電流Ｉｆ（図３（ｆ））が定電流回路ＣＣの定電流値Ｉｃに達するまでには、励磁コイル１６には励磁電源Ｖｅの電圧Ｖｅが印加（図３（ｇ））され、定電流回路ＣＣは定電流回路として動作しない。そして、励磁コイル１６に流れる励磁電流Ｉｆが一定値Ｉｃに達すると定電流回路ＣＣが動作し、スイッチの切り替わりまでＩｃが一定になるように制御する（図３（ｆ））。

この過渡状態のときの励磁電流Ｉｆ（ｔ）と励磁電圧Ｖｅ、コイル抵抗ＲｃとコイルのインダクタンスＬとは、次式（１）のような関係がある。
Ｉｅ（ｔ）＝Ｖｅ・Ｒｃ｛１−ｅｘｐ（―ｔ／（Ｌ／Ｒｃ））｝………（１）

更に、Ｉｅ（ｔ）＝Ｉｃになる時間ｔｒとすると（１）式より、インダクタンスＬは、次式（２）となる。
Ｌ＝ｔｒ・Ｒｃ／ｌｎ｛１−Ｉｃ／（Ｖｅ／Ｒｃ）｝ ………（２）

従って、右辺のｔｒ、Ｒｃ，Ｉｃ，Ｖｅを測定することが出来れば、励磁コイルのインダクタンスＬを求めることが出来る。
そこで、正常時のインダクタンスＬｓを予めＥＥＰＲＯＭ５１に保存しておき、これと測定結果を比較することにより、励磁コイル１６の絶縁劣化診断が可能である。

次に、この絶縁劣化診断について、図１を用いて具体的に説明する。図１において、励磁コイル１６に印加される励磁電圧を検出するための抵抗Ｒ１、Ｒ２が励磁コイル１６と並列に接続されている。励磁コイル１６の抵抗Ｒｃに比べて抵抗Ｒ１は十分に大きな値に選び抵抗Ｒ１，Ｒ２に流れる電流の大きさが励磁電流Ｉｆに比べて無視出来るようにする。

抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２で抵抗分圧された分圧電圧Ｖｄは、コンパレータ５２に入力され、基準電圧Ｖｒと比較される。基準電圧Ｖｒは分圧電圧Ｖｄより十分大きく、かつ励磁の立ち上げ電圧Ｖｅｓに比べ十分小さい値としておく（図３（ｈ））。これにより、コンパレータ５２の出力は励磁電圧Ｖｅが励磁コイルに印加されている間ハイレベルとなるようにロジックを決める。

コンパレータ５２の出力がハイレベルになった期間のみカウンタ５３でクロック３２を計数する。計測した結果（ｎ回）は演算手段５０に入力する。なお、クロック３２は水晶発振器等で周波数が環境変動の影響を受けにくいものを使用する。

ここで、クロックの周期をＴｃとすると、コンパレータ５２の出力ハイレベルの期間（ｔｒ）は、
ｔｒ＝Ｔｃ×ｎ …………（３）
で表すことができる。このハイレベルの期間ｔｒは、励磁電流Ｉｆの過渡期間（図３（ｆ））に相当する。

次に、定電流回路ＣＣの定電流Ｉｃは、電流検出抵抗Ｒｓで検出し、更にＡ／Ｄ変換器３１でデジタル量に変換して求めることが出来る。

更に、励磁電流の定常状態における励磁電圧Ｖｃは、励磁コイル１６に印加される電圧を抵抗Ｒ１とＲ２で分圧した分圧電圧ＶｄをＡ／Ｄ変換器５４でデジタル量に変換して求めることが出来る。分圧電圧Ｖｄより励磁電圧Ｖｃは次の（４）式より求めることが出来る。
Ｖｃ＝[（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１]Ｖｄ …………（４）

以上の、励磁電流が流れ初めてから所定の定常状態に達するまでの過渡期間ｔｒ、定常状態における励磁電流の定常値Ｉｃ、定常状態における励磁電圧Ｖｃ等は、既述のごとく、電流検出抵抗Ｒｓ、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２、コンパレータ５２、基準電圧Ｖｒ、Ａ／Ｄ変換器３１、Ａ／Ｄ変換器５４、カウンタ５３等で構成される励磁測定回路５５で測定される。

演算手段５０の内部に設けられたインダクタンス演算部５６は、励磁測定回路５５で測定された過渡期間ｔｒ、定常値Ｉｃ、励磁電圧Ｖｃ等を用いて、（２）式で示す励磁コイル１６のインダクタンスＬを求める演算を実行して、測定インダクタンスＬｍを求める。 この測定インダクタンスＬｍは、ばらつくことが予想されるので、必要に応じて平均値をとる等、統計的な処理を行う。

この際に、（２）式のコイル抵抗Ｒｃは、励磁電圧Ｖｃおよび定電流値Ｉｃにより、次の（５）式の演算をして求める。
Ｒｃ＝Ｖｃ／Ｉｃ …………（５）

次に、励磁コイル１６が正常であると明確に判る時点、例えば製品出荷時、点検時で励磁コイル１６の正常インダクタンスＬｓを求めておき、この値をＥＥＰＲＯＭ５１に保存しておく。また、異常を判定するための良否判定の判定基準値もＥＥＰＲＯＭ５１に予め保存しておく。

更に、ＲＯＭ５７には、インダクタンス演算部５６での各種演算手順、後述する絶縁劣化診断部５８での各種演算手順がプログラムとして格納されている。そして、以上のＲＯＭ５７、ＥＥＰＲＯＭ５１、及びＲＡＭ３４等は本発明のメモリ５９を構成している。

そして、演算手段５０の内部に設けられた絶縁劣化診断部５８は、インダクタンス演算部５６により演算された測定インダクタンスＬｍと、ＥＥＰＲＯＭ５１に予め保存された正常インダクタンスＬｓとを比較し、ＥＥＰＲＯＭ５１に予め保存された励磁コイル１６の異常を判定するための良否判定の判定基準値に照らして、良否の判定を行う。これにより、励磁コイルの絶縁劣化の診断を行う。

異常と判断された場合は、アラーム出力回路４１で外部に異常を知らせる。また、必要に応じて、診断結果は表示器４０に表示する。

本発明の一実施例を示す構成図である。 図１に示す励磁回路の構成を示す構成図である。 図２に示す励磁回路の動作を説明する波形図である。 従来の電磁流量計の構成を示す構成図である。

符号の説明

１０ 検出部
１１ パイプ
１２ ライニング
１３，１４ 検出電極
１５ アース電極
１６ 励磁コイル
２０ 変換部
２１，２２ 前置増幅器
２３ 差動増幅器
２４ ハイパスフイルタ
２５ 増幅器
２６、３１、５４ Ａ／Ｄ変換器
２７、５０ 演算手段
３０ 励磁回路
３２ クロック
３３、５７ ＲＯＭ
３４ ＲＡＭ
３５、５１ ＥＥＰＲＯＭ
３６、５９ メモリ
３７ 電流出力回路
３８ パルス出力回路
３９ 双方向通信回路
４０ 表示器
４１ アラーム出力回路
５２ コンパレータ
５３ カウンタ
５５ 励磁測定回路
５６ インダクタンス演算部
５８ 絶縁劣化診断部

Claims (5)

1. 励磁回路から励磁コイルに励磁電流を供給して磁場を発生させ、前記磁場を測定流体に印加して前記測定流体の流速に比例する信号電圧を検出電極により検出し、前記信号電圧を用いてメモリを伴う演算手段により流量演算して出力する電磁流量計において、
   前記励磁コイルの線間の絶縁劣化を前記励磁コイルのインダクタンスの変化から診断する絶縁劣化診断部を具備する
   ことを特徴とする電磁流量計。
2. 前記絶縁劣化診断部は、励磁測定回路で励磁電流が流れ初めてから所定の定常状態に達するまでの過渡期間ｔｒと前記定常状態における励磁電流の定常値Ｉｃと励磁電圧Ｖｃとが測定された測定結果を用いてインダクタンス演算部で演算された測定インダクタンスＬｍに対して、前記メモリに予め格納された正常インダクタンスＬｓと前記測定インダクタンスＬｍの良否判定の判定基準値とを用いて、前記励磁コイルの線間の絶縁劣化を診断する
   ことを特徴とする請求項１記載の電磁流量計。
3. 前記インダクタンス演算部による測定インダクタンスＬｍの演算は、Ｒｃを励磁コイルの抵抗として、
   Ｌｍ＝ｔｒ・Ｒｃ／ｌｎ［１−Ｉｃ／（Ｖｃ／Ｒｃ）］
   の式により演算する
   ことを特徴とする請求項２記載の電磁流量計。
4. 前記メモリに格納された正常インダクタンスＬｓと前記インダクタンス演算部で算出された測定インダクタンスＬｍとを比較し、前記測定インダクタンスＬｍが予め定めた範囲外になった場合は、警報を出力する
   ことを特徴とする請求項２又は３記載の電磁流量計。
5. 前記絶縁劣化は、前記励磁コイルの線間が部分的にショートした場合を含む
   ことを特徴とする請求項１又は２又は３又は４記載の電磁流量計。
   
   
   

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