JP2014518392A - 可変周波数型電磁流量計 - Google Patents

Abstract

プロセス流体のための管路部と、管路部を横断する磁界を発生するコイルと、コイルを励磁して磁界を発生させる電流源と、磁界によりプロセス流体を横断する方向に誘起された起電力を検出する電極とを備える。電流源は、複数の異なるパルス周波数でコイルを励磁する。プロセッサが、複数の異なるパルス周波数における起電力の関数の演算を行い、関数の演算に基づいて流量に関する出力を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は概ね流体処理に関し、具体的にはプロセス流体の計測及び管理に関するものであって、特に電磁流量計の計測技術に関するものである。

電磁流量計は、ファラデーの電磁誘導効果を用いて流量を計測するものである。この流量計では、コイルを励磁して管路部を横断する磁界を生成し、プロセス流体の流れを横断する方向に起電力（ＥＭＦ）を誘起させる。こうして生じた電位差（即ち電圧）は、管路部の周壁を貫通してプロセス流体内に延設された１対の電極を用いて、或いは静電結合を介して計測される。流速は誘起された起電力に比例し、体積流量は流速及び流路断面積に比例する。

一般的に、電磁式の流量計測技術は、水を主成分とする流体、イオン溶液、及びその他の導電性流体に適用可能である。具体的には、有害で腐食性のあるプロセス流体を有するような、水処理施設、高純度薬品製造、衛生用飲食物製造、及び化学的処理への適用が含まれる。また、電磁流量計は、切削用及び腐食性スラリーを利用した液圧破砕技術を用いる炭化水素燃料産業や、その他の炭化水素採取処理においても使用される。

差圧式計測技術では付随して生じる圧力低下（例えば、オリフィスプレート或いはベンチュリ管で生じる圧力低下）のために不適合となるような適用分野において、電磁流量計は迅速且つ正確な流量計測を提供する。また、タービンロータ、渦離脱要素、或いはピトー管などのように、プロセス流体の流路中に機械的要素を導入するのが困難または非実用的であるような場合においても、電磁流量計を使用することが可能である。

これら適用分野の全般にわたり、電磁式の流量計測技術の改善が引き続き求められている。具体的には、電気的、機械的及び電磁的ノイズの寄与などといった、プロセスノイズによる影響を受けやすい高精度な適用形態の場合に、偏倚誤差を抑制した流量計測が求められている。

本発明は、流量を計測する装置、及び当該装置を使用する方法に関するものである。流量を計測する装置は、プロセス流体のための管路部と、前記管路部を横断する磁界を発生するコイルと、前記コイルを励磁する電流源と、前記磁界により前記プロセス流体を横断する方向に誘起された起電力を検出する電極とを備える。

電流源は、コイルを複数の異なるパルス周波数で励磁する。プロセッサが前記複数の異なる周波数における前記起電力の関数の演算を行い、前記関数の演算に基づいて流量に関する出力を生成する。

一体装着式の通信装置を有したフランジ付きの実施形態として電磁流量計を示す概略側面図である。 分離して設けられる通信装置を有した薄片タイプの実施形態として電磁流量計を示す概略端面図である。 可変周波数パルス化電流源を有した電磁流量計に関する配線図である。 可変周波数パルス化電流信号を示す図である。 可変周波数電磁流量計を用いて流量を計測する方法を示すフローチャートである。

図１は、一体装着式の通信装置１２を有するフランジ付きの構成とした、一実施形態に係る電磁流量計１０を示す概略側面図である。電磁流量計１０は、センサハウジング１４と管路部１６とを備え、センサハウジング１４の内部には、コイル１８及び電極２０（いずれも破線で示す）が設けられている。通信装置１２は、電子基板（即ちコントローラ）２４（破線で示す）とローカルオペレータ用インタフェイス（ＬＯＩ）２６とを有した通信装置ハウジング２２を備える。コントローラ２４は、コイル１８に用いる可変周波数のパルス化励磁電流を生成することにより、性能を改善すると共に、後述するようなプロセスノイズの影響を受けやすい環境における信号の偏倚を抑制する。

図１に示す一体装着型の実施形態では、通信装置１２がセンサハウジング１４の接続部１４Ａに直接取り付けられており、コントローラ２４、コイル１８及び電極２０の相互間の電気的接続が内部で直接的に行われている。このような構成に代えて、図２に示すように、通信装置１２を分離して設け、相互の接続を外側で行うようにしてもよい。

センサハウジング１４は、流量計測に影響を及ぼしうる外部の磁界や電界、並びに外乱からコイル１８及び電極２０を遮蔽するため、炭素鋼などの強靱で耐性のある磁性金属で形成されている。センサハウジング１４は、ほこり、油、水による汚染から保護し、爆発性の薬品や腐食性の薬品の侵入を防止し、産業プロセス環境におけるその他の危険要素との物理的接触を防止する。

管路部１６は、１／２インチ（１２．７ｍｍ）以下から１２インチ（３０ｃｍ）以上までの範囲の内径を有した可変長の管路、即ちプロセス流体流路を備える。一般的に管路部１６は、コイル１８によってプロセス流体を横断して生成される磁束線を通過させるために、ステンレス鋼などのような非磁性金属で形成されている。

図１に示すフランジ付きの実施形態では、搬送や設置の際に電磁流量計１０を保持する突起２８Ａを用い、管路や別の流路構造物に電磁流量計１０を取り付けるための、貫通孔付きフランジ２８を備える。実施の形態に応じ、例えば、管路部１６に用いるようなステンレス鋼、或いはセンサハウジング１４に用いるような炭素鋼でフランジ２８を形成してもよい。これに代えて、センサハウジング１４、管路部１６、及びフランジ２８のいずれかを、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、真鍮、または別の金属もしくは合金で形成してもよいし、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）またはＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）などのような耐久性のあるポリマまたは熱可塑性樹脂で形成してもよい。

コイル１８及び電極２０は、センサハウジング１４の内部に配置されている。コイル１８は、銅線またはその他の導電線からなり、管路部１６の外側周壁面（ＯＤ）に沿って配置されていて、プロセス流体を横断する磁界を生成する。いくつかの実施形態において、コイル１８には、軟磁性材料からなるコアと、磁界強度を増大させ均一化するか、或いは磁力線を整えてセンサハウジング１４の外側でのフリンジング効果を抑制するための磁束帰還部材とが組み込まれている。

電極２０は、管路部１６の周壁を貫通して設けられており、プロセス流体を横断する方向に誘起された電位差（ＥＭＦ）を、直接的な電気的接触及び静電結合のいずれかによって検出する。実施の形態に応じ、製造者、型式、或いは製造番号で電磁流量計を識別するための銘板３２と共に、電極２０への作業を行うための電極カバー３０を設けるようにしてもよい。図１に示すように、電極２０は軸線Ａ周りに傾斜した、即ち回転移動した位置に設けることにより、電極２０が位置する平面を、中心軸線Ｃ_Lに対して４５度までの傾斜角度に指向させることも可能である。

通信装置ハウジング２２は、電子基板２４及びローカルオペレータ用インタフェイス２６のためのフロントカバー３４と、通信装置１２を電源（ＰＳ）４０及びプロセス制御ユニット（ＰＣＵ）４２に接続するためのコンジット接続部３６とを備える。電源４０は、交流（商用）電源及び直流電源のいずれか一方または両方からなる。プロセス制御ユニット４２は、電磁流量計１０からの出力を利用してプロセス変数を監視もしくは管理するための遠隔通信装置、オペレータ用遠隔制御システム、または遠隔プロセス制御システムを備えており、このプロセス変数には管路部１６における流体の流量が含まれるが、これに限定されるわけではない。

２線式の実施形態においては、通信装置１２が様々な通信プロトコルに適応しており、この通信プロトコルには、標準的なアナログ（４〜２０ｍＡ）信号、ＨＡＲＴ（登録商標）のようなハイブリッドアナログ・デジタルプロトコル、並びにファウンデーション（Foundation、商標）のフィールドバス（Fieldbus）、ＰＲＯＦＩ（登録商標）ＢＵＳ／ＰＲＯＦＩ（登録商標）ＮＥＴ、及びプラントウエブ（Plantweb、登録商標）などのデジタル計測制御アーキテクチャが含まれるが、これらに限定されるものではない。これらに代えて、通信装置１２は、ループ配線、ケーブル、コントロールバス及びデータラインの組み合わせ、または無線周波数（ＲＦ）、赤外線（ＩＲ）もしくは光による無線式インタフェイスを利用するようにしてもよい。以下に述べるような改善を伴い、これらの実施形態及びその他の実施形態に適した通信装置１２及び電磁流量計１０は、エマーソンプロセスマネージメント社（Emerson Process Management Company）に属する、ミネソタ州エデンプレイリーのローズマウント株式会社（Rosemount Inc.）から入手可能である。

図２は、分離して設けられる通信装置１２を有した薄片タイプ（フランジなし）の構成とした、電磁流量計１０の概略端面図である。実施の形態に応じ、電磁流量計１０は付加的な取付構造を用いることも可能であって、この付加的な取付構造には、整合リング、ねじ山付きの圧接部材、及び環状の外部連結部材が含まれるが、これらに限定されるものではない。

管路部１６の周囲に十分な空間がないような狭い設置場所においては、図２に示す分離式の取付構造により、通信装置１２を、梁、壁もしくは隔壁、または別の流動パイプや管路といったプロセス用構造体に近接して配置することが可能となる。これに代え、通信装置１２をセンサハウジング１４から１０００フィート（約２４０ｍ）以上となる位置に配置し、例えばより集中的に、またはより使いやすい場所に配置するようにしてもよいし、通信装置１２をコントロール室に配置したり、プロセス用設備の外に配置したりしてもよい。

上述した実施形態を包含するため、「流量計」という用語は、管路部１６、センサハウジング１４、及びこれらの内部の部品のみではなく、通信装置１２及びその構成部品をも含む場合がある。即ち、通信装置１２とセンサハウジング１４との間の接続の距離に関わらず、そして当該接続の具体的な形式に関わらず、「流量計」は、通信装置１２を一体的に装着した実施形態と、通信装置１２を分離して設けた実施形態との両方を包含するものである。

図２に示す端面図において、管路部１６（図中に網掛けで示す）はセンサハウジング１４を軸線方向に貫通しており、センサハウジング１４は、管路部１６、コイル１８及び電極２０の周囲に環状の封入容器を形成する。磁界Ｂは、管路部１６を横断する方向に指向されており、プロセス流体の流れに対して実質的に直交するようになっている。

ライニング４４は、非磁性絶縁材によって形成されており、管路部１６の内側周壁面を覆って、管路部１６とプロセス流体との間に電気的、化学的、及び機械的な防護壁を形成する。即ち、ライニング４４は、管路部１６をプロセス流体から絶縁するものであって、プロセス流体中に含まれた摩耗を生じさせる物質や化学的な薬品による浸食や腐食から保護する。いくつかの実施形態において、ライニング４４は、テフロン（Teflon：登録商標）、テフロン（Teflon：登録商標）−ＰＦＡ、もしくはテフゼル（Tefzel：登録商標）−ＰＦＡといったＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシ）材、ライトン（Ryton：登録商標）ＰＰＳのようなＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）材、またはネオプレン、ポリウレタンもしくは天然ゴムといったその他のポリマ材からなり、これらの材料は、ローズマウント株式会社（Rosemount Inc.）を含む様々な販売業者から入手可能である。

コイル１８は、管路部１６の外側周壁面に沿って配置されており、プロセス流体を横断する磁界Ｂを発生するように構成されている。電極２０は、管路部１６の外側周壁面（ＯＤ）から、ライニング１４を貫通して管路部１６の内側周壁面（ＩＤ）まで延設されており、プロセス流体と電気的に接することにより、磁界Ｂによって誘起される起電力ＥＭＦを検出する。これに代え、後述するように、電極２０がプロセス流体と静電結合を形成するようにしてもよい。また、これら電極２０が位置する平面を中心線Ｃ_Lに対し、図２に示すように直角となるようにしてもよいし、図１に示すように４５度の角度までの範囲で傾斜するように回転移動させてもよい。

通信装置１２は、電子基板２４及びローカルユーザ用インタフェイス２６用のフロントカバー（電子基板カバー）３４と、１個または複数個の端子ブロック４８のためのリヤカバー（端子カバー）４６とを有した通信装置ハウジング２２を備える。通信装置ハウジング２２は、通信装置１２をセンサハウジング１４のインタフェイス部１４Ａに接続するための付加的なコンジット接続部３６も備えている。

電子基板（即ちコントローラ）２４は、プロセッサまたはマイクロプロセッサ（μＰ）２４Ａ及び可変周波数電流源（ＶＦＤＣ）２４Ｂを備える。プロセッサ２４Ａは、プロセス制御システムまたはリモートオペレータとの接続を行って、管路部１６における流量を示す出力を通信するためのインタフェイスを備える。

ローカルオペレータ用インタフェイス２６は、ローカルコントロールや、通信装置１２を用いた通信を行うための対話型の表示ディスプレイを備える。いくつかの実施形態において、ローカルオペレータ用インタフェイス２６は、設置データ及び設定パラメータを入力し、テストモードを作動させ、別の通信機能を呼び出すための、メニュー形式の操作案内キーを備えている。

端子ブロック４８は、耐久性のあるプラスチックまたは他の絶縁材料からなり、図１に示すように、電力供給及びプロセス制御システムとの入出力（Ｉ／Ｏ）通信のための電気的接続機構を有している。実施の形態に応じ、１個または複数個の端子ブロック４８を設け、図３に示すように、センサハウジング１４内のコイル１８及び電極２０との接続を行うようにすることもできる。

コントローラ２４、ローカルオペレータ用インタフェイス２６及び端子ブロック４８の個々の構成部品は、図２に示すように、別個の電子基板、即ち別個の回路要素の形式で設けられるようにしてもよいし、一体的な電子機器組立体または積層体で設けられるようにしてもよい。更に、コントローラ２４は、可変周波数電流源２４Ｂとして外部電源と内部電源とを切り換えるように構成することも可能である。このような実施形態のいくつかでは、図１に示すように、電磁流量計１０が外部電源４０を用いており、この外部電源４０は、可変周波数電流源２４Ｂによってスイッチングされてパルス化、即ち変調されるＡＣ電流またはＤＣ電流を供給する。

このような実施形態のそれぞれでは、可変周波数電流源２４Ｂがパルス化した励磁電流をコイル１８に供給し、この電流は、複数の異なる周波数でパルス化されたものとなっている。電極２０は、プロセス流体を横断する方向に誘起された起電力ＥＭＦを検出し、プロセッサ２４Ａは、複数の異なるパルス周波数における起電力ＥＭＦの関数に基づき、流量に関する出力を演算する。通常、この関数は、以下に述べるようなノイズの影響による信号の偏倚を抑制するため、複数の異なるパルス周波数のそれぞれで誘起された起電力（ＥＭＦ）の平均、加重平均、またはその他の平均を演算する関数からなる。

より具体的には、コイル１８が管路部１６の内部に実質的に均一な磁界Ｂを生成する。磁力線は、図２に示すように管路部１６及びライニング４４内を横断するように指向されており、プロセス流体の流動に対して実質的に直角（即ち、ほぼ９０度）に交差する。比較的広い範囲にわたり、磁界強度（即ち、磁束密度）は、可変周波数電流源２４Ｂによってコイル１８がパルス駆動されたときに磁場をオン・オフさせる励磁電流に比例する。

導電性を有したプロセス流体が流動して磁界Ｂを通過すると、ファラデーの法則のループが電極２０を通って形成される。電極２０は、管路部１６を横断する方向に誘起された起電力ＥＭＦ（即ち、ファラデーの電圧）を検出し、このときに誘起された起電力ＥＭＦは、流動速度及び磁界強度に実質的に比例したものとなる。

誘起電位Ｅは、平均流速Ｖ、平均磁界強度Ｂ、及びライニング４４によって定まる流路内径Ｄに比例することから、数式は以下の通りとなる。

Ｅ＝ｋ・Ｖ・Ｂ・Ｄ ・・・・・ （１）

係数ｋは、誘起電位Ｅ、平均流速Ｖ、平均磁界強度Ｂ及び流路内径Ｄの値が定まる装置ごとに対応して設定される比例係数である。

上記式（１）を変形することにより、流速Ｖは、誘起電位Ｅ、平均磁界強度Ｂ及び流路内径Ｄの関数として、下記式（２）によって得られる。

Ｖ＝Ｅ／（ｋ・Ｂ・Ｄ） ・・・・・ （２）

そして、体積流量は平均流速に流路断面積を乗じたものとなる。

図３は電磁流量計１０に関する概略配線図である。この実施形態において電極２０は、管路部１６の周壁及びライニング４４を貫通しており、上述したように、磁界Ｂと交差して流動するプロセス流体によって誘起された起電力ＥＭＦを検出する。端子ブロック４８により、電極２０がプロセッサ２４Ａに接続されると共に、可変周波数電流源２４Ｂがコイル１８に接続されている。

精度を高めるため、電磁流量計１０はパルス化ＤＣ（直流）作動を行うように構成されている。この作動モードにおいてプロセッサ２４Ａは、最大（ピーク）磁界の場合と、最小（ほぼ０）磁界の場合とで、それぞれ誘起されて電極２０から得られる起電力ＥＭＦの信号を比較することにより、偏倚及びゼロドリフトの修正を行う。また、パルス化ＤＣ計測により、プロセス流体と電極２０との間の電界反応による影響、コイル１８との静電結合による影響、インピーダンスに起因した位相ずれによる影響、並びに磁界とプロセス流体または電極信号線との間の電磁結合を含む直交成分の寄与による影響も抑制する。

可変周波数電流源２４Ｂは、パルス電流の周波数を変更することにより、プロセスノイズによる影響も抑制する。いくつかの実施形態においてプロセッサ２４Ａは、図３に示すように、電流源２４Ｂにクロック信号を送り、パルス周波数またはデューティサイクルを調整する。これに代え、電流眼２４Ｂが内部にパルス調整回路を備えていてもよいし、上述したように、外部の電流源にクロック信号を送るためのゲートまたはクロックを備えていてもよい。

図４は、可変周波数パルス電流信号Ｉを、同時に生じるプロセスノイズ信号Ｎと共に示す図である。それぞれの電流パルスは、パルス振幅Ａ、パルス幅Ｗ（またはＷ’）及びパルス周期Ｔ（またはＴ’、Ｔ”）によって規定される。パルス周期Ｔによってパルス周波数ｆ（＝１／Ｔ）が定まり、デューティサイクルは、パルス幅Ｗをパルス周期Ｔで除することによって得られる（即ち、デューティサイクル＝Ｗ／Ｔ、或いはデューティサイクル＝Ｗ・ｆ）。

電流パルスの振幅Ａは、コイル抵抗と入力電圧とに依存し、一般的に入力電圧は１０Ｖから４０Ｖまたはそれ以上までの範囲で変化する。いくつかの実施形態においてパルス電流Ｉは、厳密にはＤＣ（直流）信号であり、コイル電流及び磁界は実質的に不変の（パルス化された）極性を有する。別の実施形態においては、ＡＣ（交流）電流源を用いるか、或いは電子機器によりコイル１８にパルス化ＡＣ信号を生成するようなずれまたは偏倚が導入される。このような実施形態では、コイル電流及び磁界の両方が周期的に反転する。

ノイズ信号Ｎは、いくつかの異なる要因が寄与することによって生じる。それらの要因には、商用電源やその他のＡＣ信号から侵入する電気的な脈動及び信号、並びにポンプ、圧縮機、タービン、及びその他の回転機械で生じる圧力または流量の脈動が含まれる。また、ノイズ信号Ｎは、管路部やその他のプロセス用構造物における機械的振動が、それぞれ個別に或いは互いに組み合わさって発生することによっても生じる。

図４に示す具体的な実施形態において、最初の一連の電流パルスは、主たるノイズ信号に一致した周波数ｆを有し、パルス幅Ｗ及び周期Ｔがそれぞれほぼ一定となっている。誘起された起電力ＥＭＦは、パルス周期Ｔの一部としてパルス毎に規定されるサンプリング位相Ｓにおいて計測される。一般に、磁界が実質的な最大値で安定した後となる、各電流パルスの終止部分の近傍がサンプリング位相Ｓに選択される。

ノイズ信号Ｎがサンプリング周波数に整合している場合、各サンプル値はノイズ信号の同じ位相の値を読み取ったものとなるので、流量計測値は偏倚を受けて増大側または減少側に一定のずれを生じていることになる。このような影響は、ノイズ信号とサンプリング周波数とが整数倍の振動数の関係、特に第１調波、第３調波、及びその他の奇数調波の関係にある場合に同様に生じ、このような奇数調波は、実質的に方形波のパルス電流Ｉをフーリエ変換したものの主要成分である。但し、偏倚の影響は、ノイズ信号Ｎとサンプリング周波数とが整数倍の振動数の関係にない場合にも、うなりの発生やその他の干渉によって生じる可能性がある。

従って、ノイズＮの形態に関わらず、一定周波数のサンプリングでは、一般的に流量計測値が偏倚を含むことがある。特に、ポンプやその他の回転機械がオンとオフとを繰り返す場合、或いは特定のノイズ周波数がサンプリング周波数（もしくはその整数倍周波数）を経て変動する場合に偏倚が生じうる。また、高出力の機械設備は、直接の流体的な結合がない場合であっても、例えば、流動用のパイプやその他のプロセス用構造物に機械的振動を引き起こすことにより、或いは商用電源にノイズが漏れ出すことにより、ノイズを発生させる可能性がある。

これらの影響を抑制するため、図４に示すように、コイル電流のパルス周波数を変更する。具体的には、パルス幅Ｗ及びパルス周期Ｔをそれぞれ別個に変更可能とすることにより、一定のパルス幅または一定のデューティサイクルでパルス周波数を増減したり、パルス周波数に応じてパルス幅とデューティサイクルとの両方を変更したりする。この結果、サンプリング位相Ｓはノイズ信号Ｎに対してずれが生じ、複数の異なる位相でそれぞれに対応するノイズがサンプリングされることによって偏倚が抑制される。

図４に示す具体例では、コイルインピーダンスが比較的低く、電流パルスはパルス幅のほとんどを占める平坦部、即ち平坦な頂部領域を有している。この場合、パルス周期Ｔとは無関係にサンプリング位相を調整することが可能である。別の構成、特に管路径が大きい場合には、セットリングタイムが比較的長くなり、平坦部が比較的狭くなるため、パルス幅Ｗを増大させる必要が生じることがある。

図５は、可変周波数型電磁流量計を用いて流量を計測する方法５０を示すフローチャートである。方法５０は、プロセス流体を横断するパルス化磁界を生成する工程（ステップ５２）と、磁界によって誘起された起電力を検出する工程（ステップ５４）と、パルス化磁界の周波数を変更する工程（ステップ５６）と、複数の異なる周波数における起電力ＥＭＦを平均する関数の演算を行う工程（ステップ５８）と、演算された平均値に基づき流量計測値を出力する工程（ステップ６０）とを備えている。

いくつかの実施形態において方法５０は、周波数に対応する重み付けを行って加重平均値を生成し、例えばノイズに起因した偏倚を生じやすい１つ以上の周波数分を除外する工程（ステップ６２）も備えている。別の実施形態では、方法５０が、サンプリング位相を変更する工程（ステップ６４）と、サンプリング位相に対応する重み付けを行って加重平均を求める工程（ステップ６６）とを備えている。更に別の実施形態では、方法５０が、特定の周波数または位相における起電力ＥＭＦを平均値と比較した場合のずれまたは差に基づき警報を行う工程（ステップ６８）を備える。

パルス化磁界を生成する工程（ステップ５２）は、コイルの励磁またはその他の磁界発生源の駆動により、プロセス流体を横断するパルス化磁界を発生させる工程を備える。この磁界の特性は、図４に関して前述したように、電流パルスの振幅、パルス幅及びパルス周波数によって定まる。

起電力を検出する工程（ステップ５４）は、例えばライニングを有する管路（図２）を横断するように対向する１対の電極を用い、磁界によって誘起された電圧或いは電位差を検出するステップを備える。この電位差（即ち、誘起された起電力ＥＭＦ）は、磁界強度及び平均流速と共に変化し、一般的には概ね線形に変化する。

パルス化磁界の周波数を変更する工程（ステップ５６）は、駆動用の電流源の周波数を変更して複数の異なるパルス周波数を得る工程を備える。磁界パルスの形状及びパルス周波数は、前述したように、コイルインピーダンス及び流量計の形状などの付加的なパラメータに応じ、電流パルスの形状及びパルス周波数に追従して変化する。

いくつかの実施形態では、パルス幅とは無関係にパルス周期を変更することによりパルス周波数を変更し、それに応じてデューティサイクルを増減させる。別の実施形態では、パルス幅も変更し、パルス周波数とデューティサイクルとは無関係になっている。

代表的な実施形態では、少なくとも３つの異なるパルス周波数が生成される。一般に、サンプリング周波数は、整数倍の周波数が重複しないように、即ち、１つの組の整数倍周波数が残る組の整数倍周波数と重複しないように、間を開けて設定される。これにより、ノイズ信号を整数倍周波数で繰り返しサンプリングすることが防止され、偏倚が更に抑制される。

平均値を演算する工程（ステップ５８）は、複数の異なるパルス周波数における起電力を平均する関数を規定する工程を備える。いくつかの実施形態において、平均のための関数は、それぞれ等しい重み付けが適用された寄与率を用いた、異なる周波数のそれぞれにおける起電力の単純平均（即ち、非加重平均）となっている。別の実施形態では、平均のための関数が、後述するように、周波数及び位相に対応した様々な寄与率に基づいて重み付けを行う加重平均となっている。更に別の実施形態において、平均のための関数は、例えば２つ、３つ、もしくはそれ以上の連続したサンプリング周期にわたって求められる移動平均、または対応するサンプリングタイムに基づき寄与率が重み付けされる時間加重平均のように、異なるサンプリング周期に対応する寄与率を用いる。

流量計測値を出力する工程（ステップ６０）は、平均のための関数に基づき、プロセス流体の流量を示す信号を生成する工程を備える。即ち、この出力値は、単一のパルス周波数ではなく、複数の異なるパルス周波数における起電力の単純平均値、平均値または加重平均値に基づくものとなる。

周波数に対応した重み付けを行う工程（ステップ６２）は、各パルス周波数における誘起起電力ＥＭＦを単純平均値と比較する工程と、単純平均値と誘起された起電力ＥＭＦとの差を各パルス周波数ごとに求める工程と、求められた差に基づく重み付けをして平均値を求める工程とを備える。このときの差は、単純平均値からの絶対偏差または相対偏差（パーセンテージ）として、または標準偏差に基づくＺスコア、偏差もしくはＺスコアに基づく確率や尤度などといった統計的手法により様々に規定される。

一実施形態では、重み付けに０及び１のいずれかを用いる。この方法は、基本的には採否判定手法であって、単純平均値から特定の範囲内にある起電力ＥＭＦの値には一律の重み付けとして１を割り当てる一方、単純平均値から当該特定の範囲外にある起電力ＥＭＦの値には一律の重み付けとして０を割り当てる。従って、０の重み付けがなされた値は「拒否」、即ち流量の出力値から除外される一方、１の重み付けがなされた値は流量の出力値に含まれることになる。

これらの実施形態のいくつかにおいては、起電力ＥＭＦが電磁流量計の定格精度より大きく単純平均値から異なる場合、これに対応する特定の周波数が拒否、即ち排除される。高精度な適用形態の場合、定格精度が１％以下、例えば０．２％程度となることがある。別の実施形態では、例えば１倍、２倍もしくは３倍というように、標準偏差の所定倍数分より大きく起電力ＥＭＦが単純平均値から異なる場合、または特定の起電力ＥＭＦの確率もしくは尤度（例えば、無作為抽出による推定）が所定の閾値、例えば１％、５％もしくは１０％を下回る場合に、対応する周波数が拒否、即ち排除される。

更に別の実施形態では、数を減らしたサンプルに対して統計的分析が繰り返されることにより、残りの計測値を検証すると共に、新たな平均値から大きく異なる周波数を排除する。これに代えて、連続的に大きさが変化する重み付けを採用した加重平均を用いてもよい。この場合、０〜１の重み付けを用い、上述したように確率または尤度によって重み付けが規定される。

方法５０は、図４に示すように、複数の異なる位相で起電力を検出する工程（ステップ６４）を備えていてもよい。このような実施形態では、平均値を演算する工程（ステップ５８）が、複数の異なるパルス周波数及び複数の異なる位相における起電力ＥＭＦの平均値を演算する工程を備える。

複数の異なる位相で起電力ＥＭＦを検出することにより、様々な位相及び振幅のノイズ成分を含む、プロセス流体の流量についての更に申し分のないサンプルが得られるので、偏倚を更に抑制することができる。いくつかの実施形態において、流量の出力値は、それぞれ別個の位相でサンプリングされた起電力ＥＭＦの単純平均値（即ち、非加重平均値）に基づいている。別の実施形態では、流量の出力値が、位相毎に異なる寄与率による加重平均値（ステップ６６）からなり、周波数の重み付け（ステップ６２）に関して前述したように、このときの重み付けは、平均値（或いは単純平均値）からのずれまたは偏差に基づいている。

従って、実施の形態に応じ、流量の関数は、複数の異なる周波数における起電力ＥＭＦの平均、または複数の異なる周波数と複数の異なる位相とにおける起電力ＥＭＦの平均とすることができる。そして、流量の出力値は、単純平均値、平均値、または周波数及び位相に応じた様々な寄与率に基づく加重平均値とすることができる。

各実施形態において、プロセッサは、オペレータによる付加的な入力や設定を必要とすることなく、またノイズ信号自体の種類や発生源に関わらず、偏倚を抑制した流量計測値を提供する。例えば、プロセスシステムにポンプやその他のノイズ発生源が導入された場合、ノイズ発生源が特定されるか否かに関わらず、平均値の演算機能により流量計の出力における偏倚が自動的に抑制される。更に偏倚は、周波数整合、位相同期、及びその他の複雑な信号処理技術を必要とすることなく、ノイズスペクトルの変化（例えば、ポンプまたはタービンの回転速度の変化）に自動的に適応する、周波数及び位相に応じた重み付けによって、より一層抑制される。

いくつかの実施形態においては、単純平均値または平均値からのずれに基づき、周波数成分または位相成分のいずれかの偏差が所定の閾値を上回ると、警報出力または警報表示を行う（ステップ６８）。一般に、警報用の閾値は、前述したように、排除のための閾値に相当するもの（例えば、パーセンテージ、標準偏差など）とすることができるが、警報信号は、周波数や位相に応じた重み付けとは別個のものである。従って、流量計測の出力値に用いられる平均値のための重み付けに偏差を使用するか否かに関わらず、特定の周波数または位相に対応する成分の、平均値からの偏差に基づいて、警報の指標を得ることが可能である。

具体的な実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であると共に、均等物で各要素を置き換えることが可能であることが当業者に理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況やものを本発明の教示に適合させるための変形を行うことが可能である。従って、本発明は開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に含まれる全ての形態を含むものである。

Claims (22)

1. プロセス流体のための管路部と、
   前記管路部を横断する磁界を発生するコイルと、
   複数の異なるパルス周波数で前記コイルを励磁して前記磁界を発生させる電流源と、
   前記磁界によって前記プロセス流体を横断する方向に誘起された起電力を検出する電極と、
   前記複数の異なるパルス周波数における前記起電力の関数の演算を行い、前記関数の演算に基づいて流量に関する出力を行うプロセッサと
   を備えることを特徴とする装置。
2. 前記関数は、前記複数の異なるパルス周波数のそれぞれにおける前記起電力の単純平均であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の異なるパルス周波数は、少なくとも３つの異なるパルス周波数であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記関数は、前記複数の異なるパルス周波数のそれぞれにおける前記起電力の加重平均であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記加重平均は、前記複数の異なるパルス周波数のそれぞれにおける前記起電力と、前記複数の異なるパルス周波数のそれぞれにおける前記起電力の単純平均値との差に基づいて重み付けを行うことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記加重平均は、前記差に基づき前記複数の異なるパルス周波数の少なくとも１つを除外するものであることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記流量に関する出力は、前記差に基づく警報の指標を含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記加重平均は、個々のパルス周波数における起電力の値と、個々のパルス周波数における前記起電力の単純平均値との差に基づいて、０の重み付けと１の重み付けとを行うものであって、前記０の重み付けを行うことにより、対応するパルス周波数における起電力の値を前記流量に関する出力から除外する一方、前記１の重み付けを行うことにより、対応するパルス周波数における起電力の値を前記流量に関する出力に含めることを特徴とする請求項５に記載の装置。
9. 前記電極は、複数の異なる位相で前記起電力を検出することを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記関数は、前記複数の異なる位相における前記起電力の平均であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 内側周壁面と外側周壁面とを有する管路部と、
    前記外側周壁面に隣設されたコイルと、
    前記コイルに接続され、複数の異なるパルス周波数のパルスを供給するパルス化電流源と、
    前記管路部の前記外側周壁面から前記内側周壁面まで延設され、前記管路部を横断する方向に生じた起電力を検出する電極と、
    前記電極に接続され、前記異なる複数のパルス周波数における前記起電力の関数として流量に関する出力を生成するプロセッサと
    を備えることを特徴とする電磁流量計。
12. 前記管路部の内側周壁面にライニングを更に備え、
    前記電極は、前記ライニングを貫通してプロセス流体に接する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の電磁流量計。
13. 前記関数は、前記複数の異なるパルス周波数のそれぞれにおける前記起電力の単純平均であることを特徴とする請求項１１に記載の電磁流量計。
14. 前記関数は、前記複数の異なるパルス周波数のそれぞれにおける前記起電力の加重平均であることを特徴とする請求項１１に記載の電磁流量計。
15. 前記加重平均は、前記複数の異なるパルス周波数のそれぞれにおける前記起電力の単純平均値からの差に基づき、前記複数の異なるパルス周波数の少なくとも１つを除外するものであることを特徴とする請求項１４に記載の電磁流量計。
16. 前記流量に関する出力は、前記差に基づく警報の指標を含むことを特徴とする請求項１５に記載の電磁流量計。
17. 前記関数は、複数の異なる位相における前記起電力の平均であることを特徴とする請求項１１に記載の電磁流量計。
18. プロセス流体を横断するパルス化磁界を発生させる工程と、
    前記パルス化磁界により前記プロセス流体を横断する方向に誘起された起電力を検出する工程と、
    前記パルス化磁界の周波数を変更し、前記パルス化磁界を複数の異なるパルス周波数のパルス化磁界とする工程と、
    前記複数の異なるパルス周波数における前記起電力の平均値を演算する工程と、
    前記平均値に基づき流量に関する出力を行う工程と
    を備えることを特徴とする流量計測方法。
19. 前記平均値を演算する工程は、前記複数の異なるパルス周波数のそれぞれにおける前記起電力と、前記複数の異なるパルス周波数のそれぞれにおける前記起電力の単純平均値との差に基づく加重平均の演算を行う工程を備えることを特徴とする請求項１８に記載の流量計測方法。
20. 前記加重平均は、前記差に基づき前記複数の異なるパルス周波数の少なくとも１つを除外するものであることを特徴とする請求項１９に記載の流量計測方法。
21. 前記差に基づき警報を生成する工程を更に備えることを特徴とする請求項１９に記載の流量計測方法。
22. 前記起電力を検出する工程は、複数の異なる位相における起電力を検出する工程を備えるものであって、前記平均値を演算する工程は、前記複数の異なるパルス周波数及び前記複数の異なる位相における前記起電力の平均値を演算するものであることを特徴とする請求項１８に記載の流量計測方法。

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