JP2012093168A - 電磁流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】２周波励磁を行う電磁流量計において、微分ノイズの影響を効果的に除去し、高精度で付着信号を抽出可能な電磁流量計を実現する。
【解決手段】同期している高周波励磁信号と低周波励磁信号による磁界を測定管内を流れる流体に与え、前記測定管内に設けられた一対の検出電極に発生する検出信号に基づき前記流体の流量を測定する電磁流量計において、
前記測定管内に設けられ前記流量測定時の基準電位となるアース電極と、前記検出電極に接続され、前記高周波励磁信号に同期し、その整数倍の周波数を持つ付着物の診断のための交流信号を発生する付着物信号付与手段と、
前記低周波励磁信号の極性反転タイミングより前の前記交流信号と同期する複数の連続した半周期でサンプルした前記検出電極間のサンプル電圧信号に基づいて前記付着物の量を演算する診断付着物診断部と、
を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波励磁信号と低周波励磁信号による磁界を測定管内を流れる流体に与え、前記測定管内に設けられた一対の検出電極に発生する検出信号に基づき前記流体の流量を測定する電磁流量計における付着診断機能に関するものである。

図６は、付着診断機能を有する電磁流量計の構成例を示す機能ブロック図である。測定管１内に電極２１，２２設けられている。管路を流れる流体は励磁回路４から励磁コイル３１，３２を介して励磁され、電極２１，２２に流量に比例した検出電圧ｅ１，ｅ２を誘起する。

検出電圧ｅ１，ｅ２は、バッファ５１，５２を経由して差動増幅回路６で差動演算され、可変ゲイン回路７でゲイン調節された後、Ａ／Ｄ変換器８でデジタル変換され、ＣＰＵ９でデータ処理され、流量信号が演算される。

付着診断機能は、付着診断を実施するための付着信号付与手段１０から電極２１，２２へ付着信号ｉ１，ｉ２を印加し、付着抵抗ｒ１，ｒ２に発生する電圧を電極２１，２２より検出する。

従って、バッファ５１，５２は、励磁により電極間に誘起される流量信号と付着に関する信号が重畳された電圧を受信する。ＣＰＵ９は、重畳された検出電圧から信号処理によって、流量信号と付着信号を分離処理して出力する。付着診断機能を備えた電磁流量計については、特許文献１に基本的な技術開示がある。

電磁流量計では、電極間に励磁に伴う微分ノイズが必然的に発生する。流量信号については、微分ノイズの少ないタイミングでのサンプリングや、ＣＰＵ９における演算で微分ノイズを除去して流量信号を抽出して出力する。

また付着信号については、流量信号と干渉しないような付着信号の波形、印加タイミングを励磁のタイミングと同期させる等の処理を追加して付着信号を抽出しなければならない。

このため、付着診断機能を持たない場合に比べ、微分ノイズについての条件、付着診断信号印加の条件が厳しくなり、励磁回路の設計が困難になったり、消費電力が増大することがある。

図７は、図６の信号処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１で処理ルーチンが開始されると、ステップＳ２の励磁とステップＳ３の付加信号印加が実行される。ステップＳ４で検出される流量信号とステップＳ５で検出される微分ノイズは付着信号と重畳され、ステップＳ６で増幅される。

増幅された信号は、ステップＳ７でＡＤ変換され、ステップＳ８のＣＰＵ処理演算で流量信号と付着信号が分離され、ステップＳ９で流量信号を出力すると共に、ステップＳ１０で付着信号を出力し、ステップＳ１１で処理ルーチンを終了する。

高周波励磁信号と低周波励磁信号による磁界を測定管内を流れる流体に与える、いわゆる２周波励磁電磁流量計における付着信号分離の手法についても特許文献１及び特許文献２に技術開示がある。

特開２００３−９７９８６号公報

特開２００６−２３４８４０号公報

特許文献１及び特許文献２に技術開示されている２周波励磁電磁流量計における付着信号分離の手法は、特許文献２の段落［００６３］に「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。」の記載がある。

このような従来手法では、付着信号が微分ノイズに対して十分大きくない場合には、微分ノイズの影響により付着物の抵抗値を高精度に測定することができない。更に。診断信号の周波数を、２つの励磁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）の中間の周波数に選定する等、回路構成が煩雑である。

本発明の目的は、２周波励磁を行う電磁流量計において、微分ノイズの影響を効果的に除去し、高精度で付着信号を抽出可能な電磁流量計を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）高周波励磁信号と低周波励磁信号による磁界を測定管内を流れる流体に与え、前記測定管内に設けられた一対の検出電極に発生する検出信号に基づき前記流体の流量を測定する電磁流量計において、
前記測定管内に設けられ前記流量測定時の基準電位となるアース電極と、前記検出電極に接続され、前記高周波励磁信号に同期し、その整数倍の周波数を持つ付着物の診断のための交流信号を発生する付着物信号付与手段と、
前記低周波励磁信号の極性反転タイミングより前の前記交流信号と同期する複数の連続した半周期でサンプルした前記検出電極間のサンプル電圧信号に基づいて前記付着物の量を演算する付着物診断部と、
を備えることを特徴とする電磁流量計。

（２）前記サンプル電圧信号は、前記低周波励磁信号の微分ノイズ、前記高周波励磁信号の微分ノイズ、前記流体の流量信号、付着信号であることを特徴とする（１）に記載の電磁流量計。

（３）前記付着物診断部は、前記サンプル電圧信号に対して係数を与える係数付加手段を備えることを特徴とする（１）または（２）に記載の電磁流量計。

（４）前記付着物診断部は、係数が付加された前記サンプル電圧信号を加減算し、付着物信号を抽出する付着演算手段を備えることを特徴とする（３）に記載の電磁流量計。

（５）前記複数の連続した半周期のサンプル個数は３個であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の電磁流量計。

（６）前記複数の連続した半周期のサンプル個数は４個であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の電磁流量計。

（７）前記複数の連続した半周期のサンプル個数は５個であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の電磁流量計。

本発明によれば、流量信号抽出のためサンプルされた電極信号から演算により電磁流量計に本質的に付随するノイズ成分(ランプノイズ：電極に生ずる比較的長時間にわたって変化する直流電位変化で電磁流量計に固有のノイズ成分、励磁磁束の時間変化(δB/δt)で発生する微分ノイズ)及び流量信号とは独立した付着信号を得ることができる。

本発明を適用した電磁流量計の一実施例を示す機能ブロック図である。 本発明を適用した電磁流量計の信号処理手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した電磁流量計の動作を説明するタイムチャートである。 本発明を適用した電磁流量計の他の動作を説明するタイムチャートである。 本発明を適用した電磁流量計のさらに他の動作を説明するタイムチャートである。 付着診断機能を有する電磁流量計の構成例を示す機能ブロック図である。 図６の信号処理手順を示すフローチャートである。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用した電磁流量計の一実施例を示す機能ブロック図である。図６で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

図６の従来構成に追加される特徴部は、ＣＰＵ９内のデータ処理構成にある。ＣＰＵ９は従来機能と共通する流量演算部９１と、本発明の適用対象である付着診断部１００を具備している。

付着診断部１００は、サンプルデータに係数を付する係数付加手段１０１、係数が付加されたデータを加減算して付着信号を高精度で抽出する付着演算手段、演算結果を評価する判定手段１０３で構成されている。更に、付着信号付与手段１０には、高周波励磁信号に同期し、その整数倍の周波数を持つ付着物の診断のための交流信号を発生させる制御信号ｍがＣＰＵ９より与えられている。

図２は、本発明を適用した電磁流量計の信号処理手順を示すフローチャートである。図７に示したフローチャートに追加されるステップは、Ｓ１２乃至Ｓ１５である。ステップＳ１２は、ステップＳ８で分離された付着信号演算ルートのスタートステップである。ステップＳ１３ではサンプルデータに対して係数が付加され、ステップＳ１４で係数が付加されたデータの加減算演算で付着信号を抽出し、ステップＳ１５で評価判定され、ステップＳ１１で付着信号処理のルーチンを終了する。

図３、図４、図５は、本発明を適用した電磁流量計の動作を説明するタイムチャートである。本発明では、低周波励磁信号の極性反転タイミングより前の付着信号と同期する複数の連続した半周期でサンプルした検出電極間のサンプル電圧信号に係数を付与して加減算するが、図３では連続３個、図４では連続４個、図５では連続５個のサンプルデータを利用する。これら実施形態では、付着信号の周波数を高周波励磁信号の２倍の周波数としている。

図３、図４、図５のタイムチャートにおいて、（Ａ）乃至（Ｆ）の波形は以下を示す。
（Ａ）励磁波形：２周波励磁の励磁波形
（Ｂ）ランプノイズ：電極に生ずる比較的長時間にわたって変化する直流電位変化で電磁流量計に固有のノイズ成分
（Ｃ）Ｌ側微分ノイズ：低周波の励磁磁束変動によって生ずる低周波微分ノイズ成分
（Ｄ）Ｈ側微分ノイズ：高周波の励磁磁束変動によって生ずる高周波微分ノイズ成分
（Ｅ）流量信号
（Ｆ）付着信号診断のため付加した付着信号

図３の実施形態の信号処理を説明する。（Ａ）乃至（Ｆ）示した各波形から、（Ｂ）ランプノイズ、（Ｃ）Ｌ側微分ノイズ、（Ｄ）Ｈ側微分ノイズを除去して、（Ｅ）流量信号及び（Ｆ）付着信号を分離取り出すことが必要となる。

本発明では、（Ｆ）付着信号の分離取り出しについての演算を提案するものであり、
（Ｅ）流量信号を分離する技術については、従来の２周波励磁の演算によるもので、本発明の目的とするところではない。

図３で、（Ｃ）Ｌ側微分ノイズが減少する(a)〜(c)および(d)〜(f)のタイミングで（Ｂ）〜（Ｆ）が重畳された電極電圧信号をサンプルする。各タイミングでサンプルれた信号成分を図３の下部に、(a)=… etc.で示している。

（Ｂ）ランプノイズを除去するため、(a)〜(c)および(d)〜(f)の各サンプル値に対し、（−１，―２，１）の重み付け係数を付与した上で加算すると、
(a)-2*(b)-(c)=（n+9N+L9+H1+S-A）-2*（n+10N+L10-H0+A）+（n+11N+L11-H1-A）
=+L9-2L10+L11+2H0+S-4A
(d)-2*(e)-(f)=（n+21N-L9-H1-S-A）-2*（n+22N-L10+H0+A）+（n+23N-L11+H1-A）
=-L9+2L10-L11-2H0-S-4A
((a)-2*(b)-(c)）+（(d)-2*(e)-(f)）=（+L9-2L10+L11+2H0+S-4A）+（-L9+2L10-L11-2H0-S-4A）
=-8A （式１）
となる。

また、次の低周波の周期でサンプルされる(g)〜(l)の信号についても同様の結果を得る。
即ち、付着信号を各ノイズ成分および流量信号から分離して、付着信号のみを大きさ-8Aで抽出して付着診断を実施できる。

この実施形態の場合、（Ｂ）ランプノイズの変化が低周波周期にたいし小さいとみなせる場合には、演算を簡易化して、(b),(c)および(e),(f)のタイミングの信号のみを用いた演算でも付着信号を抽出できる。この場合(b),(c),(e),(f)に対し(1,-1)の係数を付して加算する。
(b)-(c)=（n+10N+L10-H0+A）-（n+11N+L11-H1-A）
=-N+L10-L11-H0+H1+2A
(e)-(f)=（n+24N-L10+H0+A）-（n+25N-L11+H1-A）
=-N-L10+L11+H0-H1+2A
（(b)-(c)）+（(e)-(f)）=（-N+L10-L11-H0+H1+2A）+（-N-L10+L11+H0-H1+2A）
=-2N+2A=+2A (2N≪2A)
となり、付着信号２Ａを抽出できる。

３個のサンプル値を使用する図３の処理方式に比べて付着診断に使用するサンプル値の数が少なく、ＡＤ変換するための消費電力を少なくできるので、２線式電磁流量計等への適用が考えられる。

付着診断のために使用するサンプル値の数を増やすことにより、他の演算による付着信号の抽出が可能になる。図３の実施形態では、Ｈ成分微分ノイズをタイミング(a),(b),(c)および(d),(e),(f)でサンプルして、すべてのノイズを除去するため、微分ノイズの大きなタイミング(b),(e)に係数２を乗じて演算している。

このため、タイミング(b),(e)のサンプル値は他のサンプル値と比べ２倍の重みが要求される。他のサンプル値と同じ重み付けで信号処理する手法を図４により説明する。この実施形態では、正負の低周波励磁周期の最後のタイミングより４個前までのサンプル値を用いて演算する。

この実施形態では、演算処理のための消費電力が増加するが、Ｌ側微分ノイズ、Ｈ側微分ノイズに対する係数付与の条件が緩和し、より正確な付着信号の抽出が可能となる。

タイミング(a),(b),(c),(d)および(e),(f),(g),(h)でサンプリングされた信号に、（＋１，―１，＋１，―１）の係数を付与し、加算演算する。タイミングでの(a),(b),(c),(d)演算結果は、
（式２）で表記される。

タイミングの(e),(f),(g),(h)演算結果は、（式３）で表記される。

であり、（式２）＋（式３）＝８Ａとなり、１回の演算周期で図３の実施形態と同一の抽出結果を得ることができる。

１回の演算周期でより大きな付着信号を得る手法として、図５の実施形態を説明する。この実施形態では、正負の低周波励磁周期の最後のタイミングより５個前までのサンプル値を用いて演算する。付着診断に使用するサンプル値の増加により、診断の精度を上げることができる。

タイミング(a),(b),(c),(d),(e)および(f),(g),(h),(i),(j)でサンプルされた信号に、（＋１，―２，＋２，―２，＋１）の係数を付与し、加算演算する。タイミング(a),(b),
(c),(d),(e)の演算結果は、（式４）で表記される。

タイミング(f)(g)(h)(i)(j)の演算結果は、（式５）で表記される。

（式４）＋（式５）の演算結果は、（式６）で表記される。

この実施形態では、図３、図４の実施形態の感度８Ａに対して２倍の感度１６Ａで付着信号を抽出することが可能である。

１ 測定管
２１，２２ 電極
３１，３２ 励磁コイル
４ 励磁回路
５１，５２ バッファ
６ 差動増幅回路
７ 可変ゲイン回路
８ Ａ／Ｄ変換器
９ ＣＰＵ
１０ 付着信号付与手段
９１ 流量演算部
１００ 付着診断部
１０１ 係数付加手段
１０２ 付着演算手段
１０３ 判定手段

Claims (7)

1. 高周波励磁信号と低周波励磁信号による磁界を測定管内を流れる流体に与え、前記測定管内に設けられた一対の検出電極に発生する検出信号に基づき前記流体の流量を測定する電磁流量計において、
   前記測定管内に設けられ前記流量測定時の基準電位となるアース電極と、前記検出電極に接続され、前記高周波励磁信号に同期し、その整数倍の周波数を持つ付着物の診断のための交流信号を発生する付着物信号付与手段と、
   前記低周波励磁信号の極性反転タイミングより前の前記交流信号と同期する複数の連続した半周期でサンプルした前記検出電極間のサンプル電圧信号に基づいて前記付着物の量を演算する付着物診断部と、
   を備えることを特徴とする電磁流量計。
2. 前記サンプル電圧信号は、前記低周波励磁信号の微分ノイズ、前記高周波励磁信号の微分ノイズ、前記流体の流量信号、付着信号であることを特徴とする請求項１に記載の電磁流量計。
3. 前記付着物診断部は、前記サンプル電圧信号に対して係数を与える係数付加手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁流量計。
4. 前記付着物診断部は、係数が付加された前記サンプル電圧信号を加減算し、付着物信号を抽出する付着演算手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の電磁流量計。
5. 前記複数の連続した半周期のサンプル個数は３個であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電磁流量計。
6. 前記複数の連続した半周期のサンプル個数は４個であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電磁流量計。
7. 前記複数の連続した半周期のサンプル個数は５個であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電磁流量計。