JP2016169962A - 電磁流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】励磁コイルの絶縁劣化を検知でき、励磁コイルの異常の有無を的確に診断できる電磁流量計を提供する。
【解決手段】直流電圧が励磁電流供給回路からパルス幅信号により駆動されるスイッチング素子を介して励磁コイル１５に印加され、励磁コイル１５に流れる励磁電流方向を所定の励磁基本周波数で切り替えるとともに、励磁電流の値が一定となるようにスイッチング素子の開閉デューティを励磁基本周波数よりも大きい励磁スイッチング制御周波数でオンオフ制御されるスイッチング制御方式の電磁流量計において、励磁電流の値ＩＥＸと励磁コイル１５の印加電圧の平均値ＶＥＸaveに基づき、励磁コイル１５の抵抗値Ｒcoilを、Ｒcoil＝ＶＥＸave/ＩＥＸにより演算する抵抗値演算手段と、抵抗値演算手段で演算された励磁コイル１５の抵抗値Ｒcoilがあらかじめ設定されている所定の許容範囲内か否かを判定する抵抗値判定手段、とで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁流量計に関し、詳しくは、コイルの絶縁劣化、及び異常状態を診断する機能を備えた電磁流量計に関するものである。

図１０は、従来から用いられている電磁流量計の一例を示すブロック図である。導電性流体が流れる導管１１の内部には、対向するように一対の電極１２、１３が設けられるとともに電極１２、１３の下部にはアースリング１４が設けられ、アースリング１４は接地されている。

導管１１の外周近傍には励磁コイル１５が設けられていて、励磁コイル１５は励磁回路１６で励磁駆動されることにより、導管１１の内部に磁場を発生させる。磁場が発生している状態で導管１１の内部に導電性流体が流れると、導管１１の内部の磁束密度と導電性流体の流速に比例したアナログ電圧が発生することになる。

導電性流体の流速に比例したアナログ電圧は電極１２、１３により検出され、差動増幅回路１７を介してＡ／Ｄ変換器１８に入力されてデジタル信号に変換され、ＣＰＵ１９に入力される。

ＣＰＵ１９は導電性流体の流速を算出するための所定の演算を行い、演算結果を出力回路２０に出力する。

ＣＰＵ１９には励磁回路１６が接続されるとともに、励磁コイル１５の絶縁抵抗を検出して励磁コイル１５の絶縁劣化を検知する絶縁抵抗検出回路２１も接続されている。

図１１は、励磁コイル１５の接続関係を示す構成説明図である。図１１において、電流供給部１０１には、ＦＥＴ１０６（Ｑ１）とＦＥＴ１０８（Ｑ３）の直列回路とＦＥＴ１０７（Ｑ２）とＦＥＴ１０９（Ｑ４）の直列回路が並列に接続されていて、ＦＥＴ１０６とＦＥＴ１０８の直列回路の接続中点ａとＦＥＴ１０７とＦＥＴ１０９の直列回路の接続中点ｂには励磁コイル１５と電流検出抵抗１１０の直列回路が接続されている。

電流供給部１０１に設けられている図示しない直流電圧部は、励磁コイル１５に励磁電流を供給する。

なお、ＦＥＴ１０６のゲートにはスイッチＳＷ１（１０２）が接続され、ＦＥＴ１０７のゲートにはスイッチＳＷ２（１０３）が接続され、ＦＥＴ１０８のゲートにはスイッチＳＷ３（１０４）が接続され、ＦＥＴ１０９のゲートにはスイッチＳＷ４（１０５）が接続されている。

スイッチ１０２〜１０５のオン／オフ駆動のタイミングに応じてＦＥＴ１０６〜１０９がオン／オフ駆動され、励磁コイル１５に流れる励磁電流の向きが決まる。励磁電流の電流量は電流検出抵抗１１０により検出される。

スイッチ１０２はＦＥＴ１０６に対して短い区間でゲートのオンオフを繰り返す信号を出力し、スイッチ１０３はＦＥＴ１０７に対して短い区間でゲートのオンオフを繰り返す信号を出力する。このゲートのオンオフの時間比／デューティ比により所望の定電流に設定できる。

スイッチ１０４と１０５はゲートをオンオフするスイッチング制御は行わず、励磁コイル１５と電流検出抵抗１１０の直列回路に流す電流の方向性のみを決めている。

図１２は、ＦＥＴ１０６（Ｑ１）〜１０９（Ｑ４）の動作タイミング説明図である。正励磁の場合はＦＥＴ１０６（Ｑ１）のみがスイッチング制御を行い、負励磁の場合はＦＥＴ１０７（Ｑ２）のみがスイッチング制御を行う。無励磁の場合、すべてのＦＥＴ１０６（Ｑ１）〜１０９（Ｑ４）がオフになる。

図１３は、特許文献１に記載されている絶縁抵抗検出回路の回路例図である。図１３において、励磁コイル１５の一端はコイルの絶縁抵抗２０１を介して共通電位点に接続され、励磁コイル１５の両端には切換スイッチ２０５が接続されている。ここで、絶縁抵抗２０１は、本来絶縁されている励磁コイル１５とアース電極間の絶縁抵抗を表している。

切換スイッチ２０５の可動接点は電池ＢＡＴの陽極に接続され、電池ＢＡＴの陰極は検出抵抗２０２を介して共通電位点に接続されている。

電池ＢＡＴの陰極と検出抵抗２０２の接続点にはバッファアンプ２０３が接続され、バッファアンプ２０３にはＡ／Ｄ変換器２０４が接続されている。

これら切換スイッチ２０５、電池ＢＡＴ、検出抵抗２０２、バッファアンプ２０３およびＡ／Ｄ変換器２０４により絶縁抵抗検出回路２１が形成されている。

ところで、図１３に示す励磁コイル１５とアース電極間の絶縁が劣化すると、コイルの絶縁抵抗２０１と検出抵抗２０２との合成抵抗値が低下する。

このコイルの絶縁抵抗２０１と検出抵抗２０２との合成抵抗値の変化を監視することにより、励磁コイル１５の絶縁劣化を的確に検出できる。

特許文献１には、流量測定が正常に行えているかを検知するために、コイル部の絶縁劣化の状態を診断する具体的な回路構成が記載されている。

特開２００３−１０６８７９号公報

しかし、特許文献１に記載されている従来の構成によれば、励磁コイル１５の絶縁劣化を検知するための電子回路を別途設けなければならない。

また、励磁コイル１５に励磁電流を供給するのにあたっては、百数十ボルトの電圧を印加することから、定格電圧や定格電力が大きい部品を使わなくてはならない。

本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、特別な電子回路を設けることなく励磁コイルの絶縁劣化を検知でき、励磁コイルの異常の有無を的確に診断でき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請求項１の発明は、
直流電圧が励磁電流供給回路からパルス幅信号により駆動されるスイッチング素子を介して励磁コイルに印加され、前記励磁コイルに流れる励磁電流方向を所定の励磁基本周波数で切り替えるとともに、前記励磁電流の値が一定となるように前記スイッチング素子の開閉デューティを前記励磁基本周波数よりも大きい励磁スイッチング制御周波数でオンオフ制御されるスイッチング制御方式の電磁流量計において、
前記励磁電流の値ＩＥＸと前記励磁コイルの印加電圧の平均値ＶＥＸaveに基づき、前記励磁コイルの抵抗値Ｒcoilを、
Ｒcoil＝ＶＥＸave/ＩＥＸ
により演算する抵抗値演算手段と、
前記抵抗値演算手段で演算された前記励磁コイルの抵抗値Ｒcoilがあらかじめ設定されている所定の許容範囲内か否かを判定する抵抗値判定手段、
を備えていることを特徴とする。

請求項２の発明は、前記抵抗値演算手段で演算された前記励磁コイルの抵抗値Ｒcoilがあらかじめ設定されている所定の許容範囲内か否かを判定し、絶縁劣化であると判断することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の電磁流量計において、
前記励磁コイルの印加電圧の平均値ＶＥＸaveは、前記励磁電流供給回路の出力電圧をＶＥＸとし、前記パルス幅信号のデューティ比をＤｕｔｙとすると、
ＶＥＸave＝ＶＥＸ×Ｄｕｔｙ
で表されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１または請求項２または請求項３記載の電磁流量計において、
前記励磁コイルの抵抗値Ｒcoilの変化を継続的に監視する手段を設けたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１または請求項２または請求項３または請求項４に記載の電磁流量計において、励磁は特に２つの周波数成分を持つことを特徴とする電磁流量計。

これらにより、特別な電子回路を設けることなく励磁コイルの抵抗値を求めることができるとともに、その励磁コイルの抵抗値に基づき励磁コイルの異常の有無を的確に判定できる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 スイッチング励磁制御、及びＰＷＭ取得タイミングチャート 励磁コイル１５の抵抗値の増減によるＰＷＭの変化を示した図である。 励磁コイル１５の異常時において、励磁電流ＩＥＸの流れと増減抵抗値の増減を示した図である。 励磁コイル１５の抵抗値を演算する処理の流れを説明するフローチャートである。 タイマー部１９ｄを用いてのＰＷＭ取得時におけるタイミングチャートである。 Ａ／Ｄ部１９ｅを用いてのＰＷＭ取得時における波形である。 励磁コイル１５の異常診断処理の流れを説明するフローチャートである。 励磁が２つの周波数成分を持つ場合のスイッチング励磁制御、及びＰＷＭ取得タイミングチャート 従来から用いられている電磁流量計の一例を示すブロック図である。 励磁コイル１５の接続関係を示す構成説明図である。 ＦＥＴ１０６（Ｑ１）〜１０９（Ｑ４）の動作タイミング説明図である。 図１０に設けられている絶縁抵抗検出回路の回路例図である。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図１０と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、ＣＰＵ１９には抵抗値演算部１９ａと抵抗値比較部１９ｂと抵抗初期値格納部１９ｃが設けられていて、図１０に設けられていた絶縁抵抗検出回路２１は削除されている。ＰＷＭ信号取得のために、タイマー１９ｄ、またはＡ／Ｄ部１９ｅが設けられる場合もある。

はじめに、スイッチング励磁制御について説明する。図２はスイッチング励磁制御、及びＰＷＭ取得タイミングチャートである。スイッチング励磁制御では、電流供給部１０１の出力電圧をＶＥＸ（Ｖ）とすると、ＶＥＸ（Ｖ）が常に一定値になるように制御される。電流供給部１０１の出力電圧は励磁コイル１５と電流検出抵抗１１０の直列回路に印加され、励磁コイル１５には励磁電流が流れる。

このとき、電流検出抵抗１１０を流れる電流量が一定になるようにＰＷＭ信号のＯＮ／ＯＦＦ時間が制御され、スイッチング制御される。

ＰＷＭ取得タイミングは、正励磁、負励磁ともにＰＷＭが安定している後半で取得することで、正確にＰＷＭ信号のデューティ比を取得することができる。

図３は、励磁コイル１５の抵抗値の増減によるＰＷＭの変化を示した図である。励磁コイル１５の抵抗値が小さい場合はＰＷＭ信号のＯＮ時間が短くなり、励磁コイル１５の抵抗値が大きい場合にはＰＷＭ信号のＯＮ時間が長くなる。すなわち、励磁コイル１５の抵抗値が小さいほど電圧の印加時間は短くて済み、励磁コイル１５の抵抗値が大きいほど電圧の印加時間は長くなる。

これは、一定の電流値になるように制御していることから、励磁コイル１５の抵抗値が大きいと一定の電流値に到達するまでのも長くなり、ＰＷＭ信号のＯＮ時間も長くなることに基づく。

図４は、励磁コイル１５の異常時において、励磁電流ＩＥＸの流れと増減抵抗値の増減を示した図である。励磁コイルの通常時に対して、励磁コイルがオープンしている場合、励磁コイルの抵抗値は増加する。励磁コイルがショート、または絶縁劣化している場合、励磁コイルの抵抗値は減少する。

図５は、励磁コイル１５の抵抗値を演算する処理の流れを説明するフローチャートである。はじめに、電流供給部１０１の電圧値ＶＥＸを取得する（ステップＳ１）。この電圧値は、設計時に決まるものであり、あらかじめ入力しておく。より正確な値を入力したい場合には、直接電圧値を測定して取得してもよい。

続いて、スイッチング制御におけるＰＷＭ信号のデューティ比を取得する（ステップＳ２）。ＰＷＭ信号は、ＰＷＭ制御ＩＣや演算増幅器、コンパレータなどから出力されている場合にはＣＰＵで測定して取得する必要がある。

図６は、タイマー部１９ｄを用いてのＰＷＭ取得時におけるタイミングチャートである。ＣＰＵ内の１９ｄタイマー部を使用し、ＰＷＭの立上りと立下りにタイマーをリセット、データ読込することで、ＰＷＭのＯＮ時間、もしくはＯＦＦ時間を読取み取り、デューティ比を求める。

図７は、Ａ／Ｄ部１９ｅを用いてのＰＷＭ取得時における波形である。ＰＷＭ信号にフィルタをかけ、平均化する。平均化した後、１９ｅＡ／Ｄ部で値を読込み、デューティ比を求める。

ＣＰＵがＰＷＭ信号を出力している場合には、直接取得する。

ステップＳ１で取得した電流供給部１０１の電圧値ＶＥＸと、ステップＳ２で取得したＰＷＭ信号のデューティ比に基づき、（１）式で表されるように励磁コイル１５に印加している電圧の平均値ＶＥＸaveを求める（ステップＳ３）。
ＶＥＸave＝ＶＥＸ×Ｄｕｔｙ （１）

電流検出抵抗１１０を介して取得した電流値ＩＥＸと、ステップＳ３で求めた電圧の平均値ＶＥＸaveを用い、（２）式に基づき励磁コイル１５の抵抗値Ｒcoilを求める（ステップＳ４）。
Ｒcoil＝ＶＥＸave/ＩＥＸ （２）

図８は、励磁コイル１５の異常診断処理の流れを説明するフローチャートである。はじめに、抵抗値比較部１９ｂは抵抗初期値格納部１９ｃから基準となる励磁コイル１５の抵抗値ＲcoilRefを取得する（ステップＳ１）。

次に、抵抗値演算部１９ａは、図５のフローチャートに示した処理の流れに基づき、励磁コイル１５の抵抗値Ｒcoilを求める（ステップＳ２）。

抵抗値比較部１９ｂは、これら基準となる励磁コイル１５の抵抗値ＲcoilRefと、励磁コイル１５の抵抗値Ｒcoilを比較し、励磁コイル１５の抵抗値Ｒcoilがあらかじめ設定されている許容範囲を超えていないかを判定する（ステップＳ３）。

コイルオープン許容値Ｒopenと、励磁コイル１５の抵抗値Ｒcoilと、基準となる励磁コイル１５の抵抗値ＲcoilRefを用い、式（３）が成り立つ場合、コイルオープンになったと判定する。
Ｒcoil−ＲcoilRef ＞Ｒopen （３）

コイルショート許容値Ｒshortと、励磁コイル１５の抵抗値Ｒcoilと、基準となる励磁コイル１５の抵抗値ＲcoilRefを用い、式（４）が成り立つ場合、コイルショート、または絶縁劣化になったと判定する。
ＲcoilRef−Ｒcoil ＞Ｒshort （４）

許容範囲を超えていない場合には、所定の時間間隔でステップＳ２に戻り、ステップＳ２以降の処理を繰り返して実行することにより、励磁コイル１５の抵抗値Ｒcoilを監視する。

許容範囲を超えている場合には、次のステップＳ４に進み、励磁コイル１５の抵抗値Ｒcoilに異常が発生したと判断してアラームを出力する（ステップＳ４）。

スイッチング制御方式の励磁回路では、励磁電流を制御するパルス幅信号よりなるスイッチング信号と、励磁コイル１５に印加される電圧を用いることにより、特別な電子回路を設けることなく、励磁コイル１５の抵抗値を求めることができる。

そして、このようにして求めた励磁コイル１５の抵抗値を設置当初や校正時の励磁コイルの抵抗値と比較することにより異常の有無を診断することができ、求めた励磁コイル１５の抵抗値を継続的に蓄積監視することにより故障の予兆などを高い確率で把握して故障による測定不能に陥ることを防止改善できる。

図９は、励磁が２つの周波数成分を持つ場合の励磁スイッチング制御、及びＰＷＭ取得タイミングチャートである。励磁が１つのみの周波数成分を持つものに限らず、２つの周波数成分を持っていても、ＰＷＭを適切に取得すれば、スイッチング制御におけるＰＷＭ信号のデューティ比を取得できる。

以上詳しく説明したように、本発明によれば、特別な電子回路を設けることなく励磁コイルの抵抗値を求めることができるとともに、その励磁コイルの抵抗値に基づいて励磁コイルの異常の有無を的確に判定でき、安定した状態で測定が行える電磁流量計が実現できる。

１１ 導管
１２、１３ 電極
１４ アースリング
１５ 励磁コイル
１６ 励磁回路
１７ 差動増幅回路
１８ Ａ／Ｄ変換器
１９ ＣＰＵ
１９ａ 抵抗値演算部
１９ｂ 抵抗値比較部
１９ｃ 抵抗初期値格納部
１９ｄ タイマー部
１９ｅ Ａ／Ｄ部
２０ 出力回路

Claims (5)

1. 直流電圧が励磁電流供給回路からパルス幅信号により駆動されるスイッチング素子を介して励磁コイルに印加され、前記励磁コイルに流れる励磁電流方向を所定の励磁基本周波数で切り替えるとともに、前記励磁電流の値が一定となるように前記スイッチング素子の開閉デューティを前記励磁基本周波数よりも大きい励磁スイッチング制御周波数でオンオフ制御されるスイッチング制御方式の電磁流量計において、
   前記励磁電流の値ＩＥＸと前記励磁コイルの印加電圧の平均値ＶＥＸaveに基づき、前記励磁コイルの抵抗値Ｒcoilを、
   Ｒcoil＝ＶＥＸave/ＩＥＸ
   により演算する抵抗値演算手段と、
   前記抵抗値演算手段で演算された前記励磁コイルの抵抗値Ｒcoilがあらかじめ設定されている所定の許容範囲内か否かを判定する抵抗値判定手段、
   を備えていることを特徴とする電磁流量計。
   
2. 前記抵抗値演算手段で演算された前記励磁コイルの抵抗値Ｒcoilがあらかじめ設定されている所定の許容範囲内か否かを判定し、コイル異常を判断することを特徴とする請求項１記載の電磁流量計。
   
3. 前記励磁コイルの印加電圧の平均値ＶＥＸaveは、前記励磁電流供給回路の出力電圧をＶＥＸとし、前記パルス幅信号のデューティ比をＤｕｔｙとすると、
   ＶＥＸave＝ＶＥＸ×Ｄｕｔｙ
   で表されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電磁流量計。
   
4. 前記励磁コイルの抵抗値Ｒcoilの変化を継続的に監視する手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載の電磁流量計。
   
5. 請求項１または請求項２または請求項３または請求項４に記載の電磁流量計において、励磁は特に２つの周波数成分を持つことを特徴とする電磁流量計。

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