JP2016085049A - 測定装置および交流ノイズレベル測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一定周波数交流ノイズが検出信号に重畳する測定装置において、新たなハードウェアを追加することなく、一定周波数交流ノイズレベルを測定できるようにする。【解決手段】一定周波数の交流ノイズが重畳した検出信号をサンプリングしたサンプリングデータを用いた演算を行ない、検出信号に基づく測定値を算出する測定装置であって、交流ノイズのｎ周期分（ｎは正の整数）の期間のサンプリングデータを取得し、取得したサンプリングデータの平均値を算出し、取得したサンプリングデータの値から平均値を引いた値の絶対値の平均値を算出することで交流ノイズレベルを算出するノイズレベル測定部を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置に係り、特に、検出信号に重畳する商用ノイズ等の一定周波数交流ノイズの大きさを検出する測定装置および交流ノイズレベル測定方法に関する。

生産プロセスの現場では計測制御を行なうために種々のフィールド機器が用いられており、例えば、温度、圧力、流量等の物理量を測定するために測定対象に応じた測定装置が用いられる。

図８は、測定装置の一例である電磁流量計４００の従来の構成を示すブロック図である。電磁流量計は、電磁誘導に関するファラデーの法則を利用して、導電性の液体の流量を測定する装置であり、直交方向に磁界がかけられた測定管内に被測定流体を流し、発生した起電力を測定管内に取り付けられた１対の検出電極を用いて計測する。この起電力は、被測定流体の流速に比例するため、計測値に基づいて被測定流体の体積流量を得ることができる。

本図に示すように、電磁流量計４００は、検出部４１０と変換部４２０とを備えている。検出部４１０は、１対の検出電極４１２ａ、４１２ｂとアース電極４１３が測定管４１１に取り付けられ、励磁コイル４１４が測定管４１１近傍に配置されている。アース電極４１３は、アースに接続（接地）され、検出部４１０と変換部４２０とを被測定流体の基準電位と同一にする役割と被測定流体を流れるノイズ電流を接地に逃がしてノイズの影響を低減する役割とを担っている。

変換部４２０は、差動増幅器４２１、サンプリング部４２２、演算部４２３、励磁回路４２４、出力部４２５、出力端子４２６を備えている。励磁回路４２４は、演算部４２３の励磁制御信号に基づいて励磁信号を励磁コイル４１４に出力する。励磁コイル４１４が発生する磁界により、測定管４１１を流れる導電性の被測定流体の流速に比例する起電力が発生するので、１対の検出電極４１２ａ、４１２ｂで流量信号として検出する。

１対の検出電極４１２ａ、４１２ｂが検出した流量信号は、差動増幅器４２１により増幅され、サンプリング部４２２によってディジタルデータに変換される。ディジタル変換された流量信号は、演算部４２３に入力され、流量が算出される。算出された流量は、出力部４２５により出力端子４２６を介して外部に出力される。

電磁流量計４００では、図９（ａ）に示すようなパルス状の励磁信号を励磁コイル４１４に流すと、図９（ｂ）に示すような流量信号が得られる。流量信号は、流量に比例した大きさの励磁信号と同様のパルス状となるが、立ち上がりと立ち下がりにおいて微分ノイズが発生する。

特開平６−１６０１３８号公報

電磁流量計４００では、流量信号に、図９（ｃ）に示すような商用電源ノイズに代表される一定周波数の交流ノイズが重畳することが多い。図９（ｄ）は、商用電源ノイズが重畳した流量信号である。

商用電源ノイズの周期は既知であるため、電磁流量計４００では、測定単位である励磁信号の半周期を、商用電源ノイズの周期の整数倍に設定、すなわち、励磁信号の周期を商用電源ノイズの周期の偶数倍に設定すること等により、流量信号から商用電源ノイズを除去している。

既存の手法を用いて商用電源ノイズ等の交流ノイズを除去することにより、交流ノイズの測定値への影響を減らすことができる。このため、この限りにおいて交流ノイズのレベルを知る必要はない。

しかしながら、交流ノイズのレベルを知ることができれば、Ｓ／Ｎ比の低下や、アースの不備等を検出することができ、有益である。ところが、交流ノイズのレベルを測定するために新たなハードウェアを追加すると、コストアップを招いてしまい好ましくない。

そこで、本発明は、一定周波数交流ノイズが検出信号に重畳する測定装置において、新たなハードウェアを追加することなく、一定周波数交流ノイズレベルを測定できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である測定装置は、一定周波数の交流ノイズが重畳した検出信号をサンプリングしたサンプリングデータを用いた演算を行ない、前記検出信号に基づく測定値を算出する測定装置であって、前記交流ノイズのｎ周期分（ｎは正の整数）の期間の前記サンプリングデータを取得し、取得した前記サンプリングデータの平均値を算出し、取得した前記サンプリングデータの値から前記平均値を引いた値の絶対値の平均値を算出することで前記交流ノイズレベルを算出するノイズレベル測定部を備えたことを特徴とする。
ここで、前記ノイズレベルが所定の基準値よりも大きい場合に警告を出力することができる。
前記ノイズレベルの履歴を記録し、算出されたノイズレベルが、前記履歴に基づいて得られる基準値よりも大きい場合に警告を出力するようにしてもよい。
具体的には、前記算出する測定値は、被測定流体の流量であり、前記被測定流体を流す測定管に取り付ける１対の測定電極とアース電極と、前記測定管近傍に配置される励磁コイルとを備え、前記警告は、前記アース電極の接続に関する警告とすることができる。
いずれも場合も、前記測定値の算出においては、前記交流ノイズの影響を除去することができる。
このとき、前記交流ノイズの影響の除去は、前記交流ノイズの周期の整数倍の周期を測定単位とすることにより行なうことができる。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様である交流ノイズレベル測定方法は、一定周波数の交流ノイズが重畳した検出信号をサンプリングしたサンプリングデータを用いた演算を行ない、前記検出信号に基づく測定値を算出する測定装置における交流ノイズレベル測定方法であって、前記交流ノイズのｎ周期分（ｎは正の整数）の期間の前記サンプリングデータを取得し、取得した前記サンプリングデータの平均値を算出し、取得した前記サンプリングデータの値から前記平均値を引いた値の絶対値の平均値を算出することで前記交流ノイズレベルを算出することを特徴とする。

本発明によれば、一定周波数交流ノイズが検出信号に重畳する測定装置において、新たなハードウェアを追加することなく、一定周波数交流ノイズレベルを測定できるようになる。

本実施形態に係る電磁流量計の構成を示すブロック図である。 商用電源ノイズのレベル算出について説明する図である。 ノイズレベル測定部の動作を説明するフローチャートである。 商用電源ノイズ１周期分のサンプリングを説明する図である。 商用電源ノイズ１周期分の平均値を説明する図である。 流量信号の交流成分を示す図である。 流量信号の商用電源ノイズレベルを示す図である。 測定装置の一例である電磁流量計の従来の構成を示すブロック図である。 電磁流量計における励磁信号波形と流量信号波形を説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、本発明の測定装置を電磁流量計に適用した場合について説明するが、本発明は、電磁流量計に限られず、渦電流計、温度伝送器、圧力伝送器、ｐＨ計、導電率計等、一定周波数の交流ノイズが検出信号に重畳する測定機器に適用することができる。

また、交流ノイズとして、商用電源ノイズを例に説明するが、検出信号に重畳する一定周波数の交流ノイズであれば本発明を適用することができる。

図１は、本実施形態に係る電磁流量計１００の構成を示すブロック図である。本図に示すように、電磁流量計１００は、検出部１１０と変換部１２０とを備えている。検出部１１０は、１対の検出電極１１２ａ、１１２ｂとアース電極１１３が測定管１１１に取り付けられ、励磁コイル１１４が測定管１１１近傍に配置されている。アース電極１１３は、アースに接続（接地）され、検出部１１０と変換部１２０とを被測定流体の基準電位と同一にする役割と被測定流体を流れるノイズ電流を接地に逃がしてノイズの影響を低減する役割とを担っている。

変換部１２０は、差動増幅器１２１、サンプリング部１２２、演算部１２３、励磁回路１２４、出力部１２５、出力端子１２６を備えている。励磁回路１２４は、演算部１２３の励磁制御信号に基づいて励磁信号を励磁コイル１１４に出力する。励磁コイル１１４が発生する磁界により、測定管１１１を流れる導電性の被測定流体の流速に比例する起電力が発生するので、１対の検出電極１１２ａ、１１２ｂで流量信号として検出する。

１対の検出電極１１２ａ、１１２ｂが検出した流量信号は、差動増幅器１２１により増幅され、サンプリング部１２２によってディジタルデータに変換される。ディジタル変換された流量信号は、演算部１２３に入力され、流量が算出される。算出された流量は、出力部１２５により出力端子１２６を介して外部に出力される。

本実施形態では、演算部１２３は、ノイズレベル測定部１２７を備えている。演算部１２３は、従来から演算装置がソフトウェア処理を行なうことにより構成されるため、ノイズレベル測定部１２７を構成するための新たなハードウェアは不要である。

ノイズレベル測定部１２７は、サンプリング部１２２が出力する流量信号のサンプリングデータに基づいて商用電源ノイズレベルの測定を行なう。また、商用電源ノイズレベルの測定結果に基づいて診断を行なうようにしてもよい。

商用電源ノイズレベルの測定は、通常の流量測定中にオンラインで行なうことができる。本発明では、交流ノイズを含まない検出信号が、交流ノイズに対して直流とみなすことができる場合には、オンライン測定を行なうことができる。交流ノイズを含まない検出信号が、交流ノイズに対して直流とみなすことができない場合には、被測定流体を流さないオフライン測定を行なうようにする。

ところで、図２（ａ）に示すように、商用電源ノイズ単体であれば、図２（ｂ）に示すように、サンプリングデータの絶対値の平均を算出することでノイズレベルを算出することができる。ここで、平均値は、商用電源ノイズのｎ周期（ｎは正の整数）の区間を算出単位とする。

しかしながら、図２（ｃ）に示すように、商用電源ノイズと直流成分が重畳している場合には、単純にサンプリングデータの絶対値の平均を算出すると、図２（ｄ）に示すように、直流分が混入した値が算出されるため、正確な商用電源ノイズのレベルを得ることができない。

そこで、本実施形態のノイズレベル測定部１２７は、図３のフローチャートに示すような手順でノイズレベルの測定を行なう。まず、商用電源ノイズｎ周期分のサンプリングデータＶｓ（ｉ）を取得する（Ｓ１０１）。サンプリングデータＶｓ（ｉ）は正負を区別するものとする。なお、サンプリング部１２２が行なうサンプリング周波数は、商用電源ノイズの周波数よりも十分高いものとする。

ここで、ｎは正の整数であり、商用電源ノイズ１周期分のサンプリング数をＮｓとすると、ｉの範囲は、１〜ｎ×Ｎｓとなる。図４は、ｎ＝１としたときのサンプリングのイメージを示している。まず、商用電源ノイズ１周期分のＳ１に含まれるサンプリングデータが取得されることになる。ノイズレベルの測定では、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…というように、取得範囲を順次ずらしていって連続的にノイズレベルの測定を行なうことができる。もちろん、Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５…あるいは、Ｓ１、Ｓ１１、Ｓ２１…というように離散的に取得範囲をずらしてもよい。

次に、取得したサンプリングデータＶｓ（ｉ）の平均値Ａｖを算出する（Ｓ１０２）。平均値Ａｖは、ΣＶｓ（ｉ）／ｎＮｓで算出することができる。図５に示すように、平均値Ａｖは、流量信号の直流成分の値を示すことになる。

平均値Ａｖを算出すると、各サンプリングデータＶｓ（ｉ）からＡｖを引いてＶｓａ（ｉ）を算出する（Ｓ１０３）。Ｖｓａ（ｉ）は、図６に示すように、流量信号の交流成分を示すことになる。なお、Ｖｓａ（ｉ）の演算に用いるサンプリングデータＶｓ（ｉ）の期間と、平均値Ａｖを算出したサンプリングデータＶｓ（ｉ）の期間とは同一であることが望ましいが、直流成分の値が安定している場合には、前後する期間の平均値Ａｖを用いてもよい。

最後に、図７に示すように、Ｖｓａ（ｉ）の絶対値の平均を算出して、流量信号の商用電源ノイズレベルＢｖを算出する（Ｓ１０４）。商用電源ノイズレベルＢｖは、（Σ｜Ｖｓａ（ｉ）｜）／ｎＮｓで算出することができる。

上述のように、商用電源ノイズレベルＢｖの算出は、サンプリングデータＶｓ（ｉ）の範囲をＳ１、Ｓ２、Ｓ３…のように順次ずらして連続的に行なうことができる。これらの値の所定期間の平均値を算出したり、移動平均を算出する等により商用電源ノイズレベルの測定結果としてもよい。商用電源ノイズレベルの測定結果は、出力部１２５を介して外部に出力したり、電磁流量計１００が備える表示装置（図示せず）に表示することができる。

測定管１１１に取り付けられるアース電極１１３の状態が不良だと、商用電源ノイズレベルが大きくなることが知られている。このため、ユーザは、商用電源ノイズレベルの測定結果に基づいてアース電極１１３の接地状態の確認を行なうことができる。また、アース電極１１３の接地状態が正常であっても、商用電源ノイズレベルが大きい場合には、商用電源ノイズの影響が少ない設置場所を検討することができる。

ノイズレベル測定部１２７は、商用電源ノイズレベルの測定結果に基づいて診断を行なうようにしてもよい。例えば、ノイズレベル測定部１２７は、商用電源ノイズレベルの測定結果が所定の基準値よりも大きい場合に、アース不良の警報を出力することができる。アース不良の警報は出力部１２５を介して外部に出力したり、電磁流量計１００が備える表示装置（図示せず）に表示することができる。

また、商用電源ノイズレベルの履歴を内部あるいは外部に備えられた記憶媒体に記録しておき、算出された商用電源ノイズレベルが、過去の履歴から得られる基準値、例えば、過去の平均値や過去のトレンドから得られる予測値等よりも大きい場合に、アース不良の警報を出力するようにしてもよい。

１００…電磁流量計、１１０…検出部、１１１…測定管、１１２…検出電極、１１３…アース電極、１１４…励磁コイル、１２０…変換部、１２１…差動増幅器、１２２…サンプリング部、１２３…演算部、１２４…励磁回路、１２５…出力部、１２６…出力端子、１２７…ノイズレベル測定部

Claims (7)

1. 一定周波数の交流ノイズが重畳した検出信号をサンプリングしたサンプリングデータを用いた演算を行ない、前記検出信号に基づく測定値を算出する測定装置であって、
   前記交流ノイズのｎ周期分（ｎは正の整数）の期間の前記サンプリングデータを取得し、
   取得した前記サンプリングデータの平均値を算出し、
   取得した前記サンプリングデータの値から前記平均値を引いた値の絶対値の平均値を算出することで前記交流ノイズレベルを算出するノイズレベル測定部を備えたことを特徴とする測定装置。
2. 前記ノイズレベルが所定の基準値よりも大きい場合に警告を出力することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記ノイズレベルの履歴を記録し、算出されたノイズレベルが、前記履歴に基づいて得られる基準値よりも大きい場合に警告を出力することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
4. 前記算出する測定値は、被測定流体の流量であり、
   前記被測定流体を流す測定管に取り付ける１対の測定電極とアース電極と、前記測定管近傍に配置される励磁コイルとを備え、
   前記警告は、前記アース電極の接続に関する警告であることを特徴とする請求項２または３に記載の測定装置。
5. 前記測定値の算出においては、前記交流ノイズの影響を除去することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定装置。
6. 前記交流ノイズの影響の除去は、前記交流ノイズの周期の整数倍の周期を測定単位とすることにより行なうことを特徴とする請求項５に記載の測定装置。
7. 一定周波数の交流ノイズが重畳した検出信号をサンプリングしたサンプリングデータを用いた演算を行ない、前記検出信号に基づく測定値を算出する測定装置における交流ノイズレベル測定方法であって、
   前記交流ノイズのｎ周期分（ｎは正の整数）の期間の前記サンプリングデータを取得し、
   取得した前記サンプリングデータの平均値を算出し、
   取得した前記サンプリングデータの値から前記平均値を引いた値の絶対値の平均値を算出することで前記交流ノイズレベルを算出することを特徴とする交流ノイズレベル測定方法。