JP2008139317A - 粉体流量計測の基準値の設定方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 粉体の管路に設けた静電容量式電極センサーに粉体を通過させて、粉体の静電容量と流量に正比例で増加する電流又は電圧を測定して、粉体が流動中の流量を計測する静電容量式の粉体流量計測の方法及び装置において、粉体搬送気体の温度、湿度又は圧力いずれの変動があっても、正確な流量計測を可能とする方法と装置を提供する。
【解決手段】従来は測定用及び基準用の同一形状である電極センサーを２個製作して、ブリッジ型の電気回路を構成させ、ゼロバランスを得て測定の基準値としていた。本発明は基準用の電極センサーを不要とし、粉体が流れる前における搬送気体が示す測定用の電極センサーの静電容量により基準値を設定して、粉体搬送気体の温度、湿度又は圧力が変動しても粉体の正確な流量計測を可能とする。
【選択図】図３

Description

この発明は粉体の管路に設けられた、静電容量式電極センサー（以後センサーと呼ぶ）を使用した粉体流量計測において、演算の基準値ゼロの設定方法及びその装置に関する。

センサーに粉体を通過させて、その静電容量の増加を測定して、粉体の流量を計測する静電容量式の粉体流量計測装置において、計測の環境が温度の変動のみの状況では、管路を搬送移動する粉体の計測には極めて適した方法である。しかし、粉体を搬送する気体の温度、湿度又は圧力が、季節や一日の時間帯、又は粉体の搬送に種々の方法があって変動すると、測定精度が大きく低下することになりこの方式の欠点となっている。

図１はセンサーの基本概略図である。交流信号発信器１の周波数は汎用のオペアンプを使用した場合では１００キロヘルツ程度、電極センサーの固有静電容量は約５００ヘムトファラドである。図２は従来型の測定電極Ｍと基準電極Ｋとのブリッジ回路により、このゼロ点の偏差補正は可変抵抗器９を使用して行ってきた装置の基準値設定を示す構成概略図である。この場合、測定電極と基準電極各々の静電容量の温度特性がほぼ同等な特性のものを使用することが必要であった。

図２の測定電極Ｍ側を粉体が通過する時に、静電容量が粉の量に比例して増加する。この増加分の値を交流ブリッジの電圧の差で検出し増幅して粉体量を測定する。管中を通過する粉体は気体搬送によるが、この搬送空気はプラント内の温度よりも高温の場合もあるが低温の場合もある。さらに搬送管中の気体の圧力は高い気圧で搬送させることがある。空気（気体）の比誘電率は圧力に正比例する。又、この気体が含む湿度の増減でも比誘電率は変動する。基準電極を単に測定電極管の近くに置くだけでは、測定電極管内の温度、湿度、又は圧力との差が往々にしてあり、計測精度の低下を招く要因となるが、従来はこの方法を行っている。次項の特許文献はこの一例である。
特願２００４−８０８５５、請求項１：粉体の流路に設けられ、粉体の流量を静電容量の変化として検出する測定用電極と、空気が送り込まれ、測定用電極のおかれている環境条件の変化に対応する補正に用いられる基準電極とが、並列に設けられて構成されることを特徴とする静電容量式の粉体流量センサー。 特願平９年１８０２０８号、請求項５記載：粉体流量センサーには、粉体の流量を静電容量の変化として検出する測定電極と環境条件の変化に対応する補正に用いられる基準電極とが、並列に設けて構成される、静電容量式センサーを用いられることを特徴とする請求項１記載の粉体定量切り出し制御方法。

上記の特許文献１と特許文献２における基準電極の効果は、使用環境の雰囲気の温度変動が粉粒体の搬送空気と同程度である場合は、測定電極の傍に置くことで対応できるが、搬送用の空気圧と湿度の変動に対しては、測定電極センサーと同じ搬送空気を基準電極センサー側にも流さないと補正できない。多くの製造工場で使用されている搬送管は、内径が３０，５０、１００，２００ミリメートル、又はこれ以上で、且つ配管の長さが、５０〜１００メートルに及ぶのが通例である。したがって基準電極センサーを別途に設置し、配管して別途に空気を流すことはコスト上の問題となる。且つこの基準電極センサーの設置場所の余裕がないこともあり、この計量方法の利用に障害となっている。したがってこの方法の採用が許されるのは限られた条件下のみとなる。

本発明は基準電極センサーを使用せずに、使用環境の変動があっても計測精度の低下がなく、利用範囲を拡大でき、且つ基準電極の製作、その設置場所、その部分に搬送用の空気を流す別途の配管等のコストを削除できる粉体流量計測方法を課題とする。

図３が発明の方式である。測定用センサーの静電容量は５００ヘムトファラドｈＦ程度で、被計測粉体は５ｈＦ以下が実際には多い。この１パーセント以下の差を増幅して粉体の流量値とするが、基準値と比較して計測するので、測定精度上から基準値が極めて重要な要素となる。

静電容量式型電極センサーの構成による熱膨張係数の温度係数を３０〜５０ＰＰＭ／℃程度にさせることでも技術上いろいろと考慮して製作しなければならないが、今使用環境温度が２０℃変動すると２０Ｘ５０ＰＰＭ＝１、０００ＰＰＭ＝０．００１である。この変化分は図２に示される差動増幅器Ｅで測定電極用センサーＭと基準電極用センサーＫの出力差となり、使用環境の温度の変化はほとんどが消去されるが、搬送空気の温度、湿度又は気圧が基準電極用センサーの測定場所と差異がある場合は補正できない。基準電極方式ではメーターのゼロ点を図２の可変抵抗器９を調整して行うが以後はそのまま固定にしているので、測定電極用センサーと基準電極用センサーをある一つの温度で調整しゼロバランスしても、温度、湿度または空気圧などの条件が異なると、その大きさにより計測誤差を生じることとなる。この誤差は差動増幅器Ｅから流量演算部Ｆの最終出力までの信号増幅率による、通常１０００倍程度以上であるので測定の許容範囲を超える誤差となる場合が多発するのが実情である。

高い空気圧で粉体を吐出させる場合は、増加する空気の圧力の強さによりセンサーの静電容量が増加する。この場合も回路上で固定された基準電極方式ではこの変動に対応できない。

測定電極センサーと同型の基準電極センサーを作成し、この二つの電極からの信号を差動増幅器（ブリッジ回路と同等）に入力しゼロバランスを得て、測定の基準値を設定した従来の方法に対して、本発明は基準電極センサーを使用せずに粉体が流れる前における搬送気体が示す測定電極センサーの静電容量値によりにより基準値を設定し、温度、湿度、又は気圧いずれの複合の変動に対しても多面的に基準値が得られる方法である。

図３の構成図を参考にして説明すると、基準値設定開始ゲート回路Ｂが，１２，１３，１４，１５、のいずれかにより起動タイミング部Ｃを経由して、基準値設定演算部Ｄに信号が出され、パソコン１９の演算プログラムが開始する。このプログラムはセンサー粉体信号部Ａの測定電極に流れる電流の電圧値を、ＡＤＣアナログデジタル変換器２０（以後ＡＤＣと呼ぶ）とＤＡＣデジタルアナログ変換器２１（以後ＤＡＣと呼ぶ）を含めた電子回路に対し基準値を作成させて、その値が差動増幅器ＥのＫＬの基準電圧として動作する。基準とする状態を直接に測定電極センサーの粉体ゼロの状態から得ることで基準値の設定が行われる。高い気圧や高い温度又は湿度が変わる気体で粉体を搬送する場合は、それらの変化量に対応して静電容量値は増減する。本発明により粉体を搬送する空気が測定電極を通過するようになる時に、瞬時に粉体測定の基準値を得ることができる。空気の圧力が異なると湿度も変動する場合がある、このように圧力と湿度が複合して変動しても、基準値の設定が正しく補正できる。粉体を吐出させ、空気と粉体の流れてくる時間差が数ミリ秒程度と短時間であれば、その時間で基準値を演算することとなるが、１演算速度が１マイクロ秒としても１０００回程度の演算は充分にできる。基準値を決定する移動平均の演算回数は、その吐出に対して事前の実験データをとり、適切な演算回数を選ぶ必要がある。通常は数ミリ秒から数秒以上の時間があるので、基準値設定の演算には充分の時間がある。いずれの場合も事前に検量線（流量演算部Ｆの測定データとその粉体の重量を重量計で計量した値の比のグラフ）を作成の上で、測定データの実重量変換を行うことは従来の方法と同じである。

本発明により、粉体の流量測定の条件に温度と湿度と圧力いずれの変化にも対応できること、且つ基準電極の製造コストを不要にする事、設置場所と別途配管のコストアップの削減が可能となる。発明の効果をまとめ下表に示す。

本発明における装置の具体的実施例が、図３の構成図である。
Ａはセンサー粉体信号部で、測定電極用センサーＭにより、一つの作業開始で粉体を搬送する直前の搬送空気の温度、湿度、又は圧力の総合した雰囲気を読み取り、基準レベルとして使用する信号として送出させる。粉体データ検出増幅器は無線の検波方式と基本的に同機能であり、公知の技術手法から選択できる。
Ｂは外部信号ゲート部で、測定の基準を設定する開始の指示として、基準値設定マニュアルスイッチ１２は本装置の操作パネル上の手動スイッチ、及び電源オン信号１３は本装置の電源オンでイニシアルＲＥＳＥＴ−ＳＥＴであり回路上で自動的に発生させる、及び外部信号であり粉体の搬送装置を開始させる駆動部の電流などから検知した回路で作成した信号のジョブスタート信号起動回路１４、及びと外部信号のプログラムスタート信号起動回路１５は、外部の制御装置からソフトウエアのプログラムによる意図的に行うものである。いずれからも開始できるが各々の指示を独立にＩＮＨＩＢＩＴ（禁止）できるようにして基準値設定開始ゲート回路１６がオンとなる。
Ｃは起動タイミング部で、起動タイミング設定回路１７は測定電極から起動時に基準値を読み込むタイミングを発生させる回路である。このタイミングチャートは図５の１から７までのすべてのタイミングで示される。
Ｄは基準値設定演算部で、パソコン１９、ＡＤＣ２０，ＤＡＣ２１等より構成され、指定した時間の間にセンサーからの粉ゼロの信号を受けて移動平均（単純平均も可）の演算を行い交流信号発信器１と同一周波数と位相で演算された振幅の交流を基準値として差動増幅器Ｅに与えることになる。この発生回路は音響のシンセサイザー等で公知の手法から利用できる。なお、基準値を直流で行う方法も考えられるが、この場合はＬＰＦ１１通過した直流信号で補正することがよい。なおこの基準値設定演算部のマイコン１９は、ＣＰＵ（セントラルプロセシングユニット）チップ、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセサー）又は演算プロセサー等を使用しても可能である。
Ｅは差動増幅部で、測定用センサーＫからアンプ（７）の出力の計量する粉体の信号と上記Ｄの基準値の差を、計測データ信号として出力する。
Ｆは流量演算部で差動増幅部Ｅからの信号を受信して搭載したマイコンで流量演算を処理する。出力形態は、ＤＣ／０〜１０Ｖ、４〜２０ミリアンペアの電圧と電流を出力する。この流量演算部ＦはＡＤＣ内蔵のパソコンを使用しても可能である。

本発明により次項のごとき粉体のパイプ搬送中での流量計測における利用上の課題に対応できる：
（１）夏と冬で温度及び湿度の変動が大きく、且つ微少流量で高い計量精度が要求される場合。
（２）屋外の作業で一日の中で使用環境の変動が大きい場合。
（３）測定する粉体温度が常温より高く基準電極との温度差が大きい場合。
（４）ショットブラストのごとき粉体の研磨材を高い気圧で吐出させる機器など。
本方式は上記（１）（２）（３）（４）等の使用環境により測定誤差が多く、従来はこのような場合の計量が困難であったことを解決することが目的である。いろいろな環境条件下で搬送管中を移動中の、粉粒体を高精度に計測し流量制御するニーズは高く、ケミカル、食品、金属加工、粉砕体燃焼等の分野でも、生産性の向上、地球環境汚染の防止に貢献できる。本発明は粉体流量計測における従来の課題を解決できるものである。

静電容量式電極センサー、の基本的構成図である。 従来型の基準電極方式、による静電容量式粉体流量計測装置の構成図 本発明の基準値設定の機能別ブロックダイアグラム、Ａセンサー粉体信号部 Ｂ基準値設定開始ゲート部 Ｃ起動タイミング部 Ｄ基準値設定演算部 Ｅ差動増幅部 Ｆ流量演算部、 図３の差動増幅器ＥのＭＬとＫＬの電圧レベル 基準値設定が指示されて、測定用センサーＫの電圧レベルを読み取り、基準値を設定し粉体流量を計測する。差動増幅器Ｅの入力ＭＬは測定用センサーＫの電圧レベルであり、差動増幅器ＥのＫＬは設定された基準値の電圧レベルである。Ａは次の作業で粉体を流す前に新たに設定した基準値による電圧。（差動増幅器ＥのＫＬの電圧）Ｂは測定用センサーＫから新規のジョブによる粉体のデータ信号が読み取られたアンプ出力。（差動増幅器ＥのＭＬの電圧）差動増幅器Ｅの出力はＭＫ−ＫＬであり、で粉体の流量を示す。Ｔ１は指定する読み取り開始時間である、Ｔ１タイムで測定用センサーの電圧を、サンプリング周期が１秒程度でデジタル変換した信号のＲＥＡＤを開始する。この信号はこの周期ごとの搬送気体が示す静電容量値である。単位時間（積算周期ｍ）当たり移動平均値である。積算周期ｍは粉体の速度又は密度により波形の周波数が異なるので適切な数値を選択する、通常は数百程度以上の数値となる。Ｔ２の読み取り終了時間は積算周期ｍの数値により指定する 基準値設定プロセスのタイミングチャートライン ラインＮＯ．： １．基準値設定開始 ２．起動プロセス：基準値セット（６）のタイミング信号を発生させる。３．演算タイミング：Ｔ１スタートとＴ２ストップ時及びその間隔長で、一般の使用状況では０．５ミリ秒から１０秒程度を任意に設定できる方式である。基準値設定演算部Ｄのパソコンは、粉体ゼロ時における測定電極の搬送空気の温度、湿度、及び圧力を示す静電容量値による電圧を、基準レベルとして出力するために起動タイミング部のマイコンのプロセス、Ｔ１、Ｔ２，信号を受けとる。４．センサーの粉ゼロの電圧読み取り ５．基準値の移動平均値演算処理 ６．基準値セット ７．粉体流量開始〜終了 ８．流量演算部で流量計算 ９流量計算結果出力 マイコンのプログラミングの基準値設定フローチャート Ｘ（ｎ）は粉体データのデジタル値図３のＭＬ。ｍは移動平均の回数。

符号の説明

１ 交流信号発振器
２ センサー電極管内側
３ 対向電極
４ 対向電極
５ ガード電極（入力回路の方式により実際は使用しない場合がある）
６ センサー電極管外側
７ アンプ
８ 抵抗
９ 可変抵抗器
１０ 粉体データ検出増幅器
１１ ＬＰＦ
１２ 基準値設定マニュアルスイッチ、本装置のパネル上に置かれたスイッチをオンにより基準値の設定を起動する。
１３ 電源オン自動発生回路、本装置の電源オンによる電気信号をセンスして発生させる信号を受けて基準値の設定を起動する。
１４ ジョブスタート信号起動回路、粉体の搬送を開始させる外部ユニットの電気信号をセンスして発生させる信号を受けて基準値の設定を起動する。
１５ 外部スタート信号起動回路、外部の制御器のプログラムにより意図的に発生した信号を受けて基準値の設定を起動する。
１６ 基準値設定開始ゲート回路、
１７ 起動タイミング設定回路、
１８ タイミングカウンター
１９ 基準値設定演算部のマイコン
２０ 基準値設定演算部のＡＤＣ
２１ 基準値設定演算部のＤＡＣ
２２ 流量演算部のマイコン
２３ 流量演算部のＡＤＣ
２４ 差動増幅器
Ｍ 測定用センサー
Ｋ 基準用センサー

Claims (8)

1. 粉体の管路に設けた静電容量式電極センサーに粉体を通過させて、粉体の静電容量と流量に正比例で増加する電流又は電圧を測定して、粉体の流量を計測する静電容量式の粉体流量計測方法において、粉体が流れる前における搬送気体が示す粉体の流量を計測する測定用センサーの静電容量により基準値を設定して、粉体搬送気体の温度、湿度又は圧力の変動があってもその後に搬送される粉体の正確な流量計測を可能とする事を特徴とする粉体流量計測方法。
2. 請求項１記載の粉体流量計測方法において、基準値の設定を行う起動は基準値設定マニュアルスイッチ、電源オンによる自動起動回路、外部信号のジョブスタート信号、又は外部信号のプログラムスタート信号である事を特徴とする粉体流量計測方法。
3. 請求項２記載の粉体流量計測方法において、基準値の設定は、読み取り開始と読み取り終了の時間を指定して行う事を特徴とする粉体流量計測方法。
4. 請求項３記載の粉体流量計測方法において、基準値設定は読み取り開始と読み取り終了の時間を指定した、その時間長における連続したセンサーの電圧値は、移動平均により演算しその時間長の平均値とする事を特徴とする粉体流量計測方法。
5. 粉体の管路に設けた静電容量式電極センサーに粉体を通過させて、粉体の静電容量と流量に正比例で増加する電流又は電圧を測定して、粉体の流量を計測する静電容量式の粉体流量計測装置において、粉体が流れる前における搬送気体が示す測定用センサーの静電容量により基準値を設定して、粉体搬送気体の温度、湿度又は圧力の変動があっても正確な流量計測を可能にする静電容量式の粉体流量計測装置は、基準値設定開始ゲート部、起動タイミング部、基準値設定演算部を構成とする事を特徴とする粉体流量計測装置。
6. 請求項５記載の粉体流量計測装置において、基準値設定開始ゲート回路部は、基準値設定マニュアルスイッチ、電源オンによる自動起動回路、外部信号のジョブスタート信号起動回路、及びプログラムスタート信号起動回路を構成とする事を特徴とする粉体流量計測装置。
7. 請求項５記載の粉体流量計測装置において、起動タイミング部は起動タイミング設定回路及びタイミングカウンターを構成とすることを特徴とする粉体流量計測装置。
8. 請求項５記載の粉体流量計測装置において、基準値設定演算部はマイコン、ＡＤＣ及びＤＡＣを構成とする事を特徴する粉体流量計測装置。

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