JP2016206078A - 電磁流量計の空状態判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁流量計における測定管内の流体の空状態を正確に判定できる。
【解決手段】時間ｔに測定管内の流体が接液状態から非接液状態になった場合に、電極とアース間の電極インピーダンスが無限大となり、外部からの誘導ノイズの影響を大きく受けることになる。そのため、（ｃ）の正弦波に示すような商用交流電源に基づく誘導ノイズが、非接液状態となった時間ｔ以降に発生する。この誘導ノイズの周波数成分の信号レベルが、予め流体が静止し測定管中に前記流体が満たされているときの自動ゼロ点調整処理時に設定した閾値ｓ１又は閾値ｓ２を上回る又は下回ることで、測定管内の流体が空状態であることを検知する。
【選択図】図３

Description

本発明は、測定管内の流体の空状態を判定する電磁流量計の空状態判定方法に関するものである。

電磁流量計は、測定管中を流れ導電性を有する流体に、励磁コイルにより交流磁場を印加して、ファラディの法則に従い、流体方向と磁場方向に直交する方向に誘起される起電力から流体の流速を求め、流量に換算している。

図４は特許文献１に開示された従来の空検知機能を備えた電磁流量計の構成図を示している。この電磁流量計は、検出部１と変換部２とから構成されており、検出部１は被測定流体が流れる測定管３と、この測定管３の周囲に配置される励磁コイル４と、測定管３内に配置された一対の電極５ａ、５ｂとから成っている。

変換部２には、電極５ａ、５ｂにより誘起される２つの流量信号を受信するバッファアンプ６ａ、６ｂが設けられている。これらのバッファアンプ６ａ、６ｂの出力は、バッファアンプ６ａ、６ｂの出力差を求める差動アンプ７に接続され、更に差動アンプ７の出力は、流量演算等を実行するＣＰＵ８、出力回路９の順に接続されている。

また、励磁回路１０による励磁電流の出力が励磁コイル４及びＣＰＵ８に接続されている。この励磁回路１０により励磁コイル４に定電流である励磁電流を供給している。

この励磁回路１０による定電流の出力により、励磁コイル４によって測定管３内に磁場を印加する。導電性を有する流体に対して、流体方向と磁場方向に直交方向に誘起される起電力ＥｓをＣＰＵ８に出力することで、流体の流速ｖが測定され、更にこの流速ｖに測定管３の断面積を乗じて流量を求めることができる。

電磁流量計では、測定中に検出部１の測定管３が導電性流体で満たされていることが精度保証の条件となっている。しかし、実際のプラントでは流体が測定管３内で空状態となって、測定管３が完全に流体で満たされずに、電極５ａ、５ｂが露出してしまうことがある。このように、電極５ａ、５ｂが露出してしまうと、電磁流量計の出力は不定となり、プラント操業上に大きな支障をもたらすことになる。

そこで、図４に示すように変換部２に空検知部１１を配置し、測定管３内の流体の空状態を判定し、警報を出力するようにしている。空検知部１１で発生した正負パルス電流を電極５ａ、５ｂ間に通電し、パルス電流により発生した両電極５ａ、５ｂ間のインピーダンスに応じた交流電圧信号は、差動アンプ７で差動増幅される。差動アンプ７の出力信号を空検知部１１で直流電圧に変換した後に、この直流電圧に比例した周波数信号に変換され、ＣＰＵ８に出力される。ＣＰＵ８は入力値と記憶している基準周波数信号と比較して空検知出力信号を発生する。

また、図４に示すような空検知部１１を変換部２に設けずに、差動アンプ７の出力を監視して、流体の空状態を判定する方法も従来から知られている。

特開２００２−１６２２６７号公報

特許文献１に示す空検知部１１は、電極５ａ、５ｂと直結するように配置するため、変換部２全体のインピーダンスが影響を受けてしまうという問題がある。また、正負パルス電流を電極５ａ、５ｂ間に供給する必要があり、例えば電極５ａ、５ｂの接点及び空検知部１１間で地絡等が発生した場合には、流体の空検知ができなくなるという問題もある。

また、上述の空検知部１１を変換部２に設けずに差動アンプ７の出力を監視して、流体の空状態を判定する方法では、２つの電極５ａ、５ｂに誘起される商用交流電源ノイズがほぼ同相になり、差動アンプ７の出力においてこれらのノイズが相殺されるため、コモンモードで重畳するノイズに基づく流体の空状態を検知することは難しい。なお、このノイズの相殺は、特許文献１の変換部２でも発生する。

このように、電極５ａ、５ｂ間の差動電圧出力の異常を検出し、空状態を判定する手法は従来から知られているが、電極５ａ、５ｂに誘導されるノイズは同相成分が大きく、差動出力では正確な空状態を検知することが難しい。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、ノイズの影響を除去して、測定管内の流体の空状態を正確に判定できる電磁流量計の空状態判定方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る電磁流量計の空状態判定方法は、流体が静止し測定管中に前記流体が満たされているときの自動ゼロ点調整処理に併せて所定のサンプリング周期で測定した各電極の電位をＡ／Ｄ変換処理し、該Ａ／Ｄ変換値に対して、交流電源周波数のバンドパスフィルタによる抽出処理を行い、抽出した周波数成分に基づいて空判定閾値を設定し、前記所定のサンプリング周期で測定した前記各電極の電位測定値をＡ／Ｄ変換処理し、該Ａ／Ｄ変換値に対して、前記バンドパスフィルタによる抽出処理を行うことで抽出した交流電源周波数成分の信号レベルと前記空判定閾値とを比較して、前記測定管中の前記流体の空状態を判定することを特徴とする。

また、本発明に係る電磁流量計の空状態判定方法は、流体が静止し測定管中に前記流体が満たされているときの自動ゼロ点調整処理に併せて所定のサンプリング周期で測定した各電極の電位測定値をＡ／Ｄ変換処理し、該Ａ／Ｄ変換値に対して、交流電源周波数以下の周波数成分のみを抽出するローパスフィルタによる抽出処理を行い、抽出した周波数成分に基づいて空判定閾値を設定し、前記所定のサンプリング周期で測定した前記各電極の電位測定値をＡ／Ｄ変換処理し、該Ａ／Ｄ変換値に対して、前記ローパスフィルタによる抽出処理を行うことで抽出した周波数成分の信号レベルと前記空判定閾値とを比較して、前記測定管中の前記流体の空状態を判定することを特徴とする。

本発明に係る電磁流量計の空状態判定方法によれば、自動ゼロ点調整時に各電極の個別の誘導電位を測定し、測定したノイズを空状態の判定基準として使用しているため、設置条件等に関係なく実使用状態における条件を基に正確な空状態を判定することができる。

実施例の電磁流量計の構成図である。 電極に誘導される外部ノイズ伝達の説明図である。 接液状態から非接液状態になった状態の波形図である。 従来の空検知機能を備えた電磁流量計の構成図である。

本発明を図１〜図３に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例の電磁流量計の構成図であり、図４と同一の符号は同一の回路を示している。検出部１は、流体が流れる測定管３、この測定管３の周囲に配置された励磁コイル４、測定管３中に一対の電極５ａ、５ｂが露出して配置されている。測定管３の内壁は絶縁材によりコーティングされているが、測定管３自体は地絡されており、外部からの誘導ノイズをシールドしている。

変換部２には、電極５ａ、５ｂにそれぞれ対応するバッファアンプ６ａ、６ｂが設けられ、バッファアンプ６ａ、６ｂのそれぞれの出力は差動アンプ７及びマルチプレクサ１２に接続されている。このマルチプレクサ１２はタイミング信号発生回路１３から入力されるタイミング信号により、タイミング信号発生回路１３で生成したタイミングに同期して、バッファアンプ６ａ、６ｂの出力を交互に切り替えてＣＰＵ８に出力する。

差動アンプ７の出力は、Ａ／Ｄ変換部の機能を有すると共に流量演算等を実行するＣＰＵ８、更に出力回路９に順次に接続されている。また、ＣＰＵ８ではバッファアンプ６ａ、６ｂからの出力を継続的にサンプリングしてＡ／Ｄ変換処理した後に、商用交流電源周波数をバンドパスフィルタ処理をして空診断に利用する。

一方、変換部２内の励磁回路１０の出力は、励磁コイル４とＣＰＵ８に接続され、タイミング信号発生回路１３の出力は、マルチプレクサ１２、ＣＰＵ８、励磁回路１０に接続されている。

タイミング信号発生回路１３で生成される低周波の周期に同期して、励磁回路１０から正励磁、負励磁を有する励磁周期Ｔの励磁電流Ｉexが励磁コイル４に供給されると、測定管３を流れる流体の流速に比例する流量信号として、電極５ａ、５ｂ間に起電力Ｅｓが誘起される。

電極５ａ、５ｂ間に誘起され、更にバッファアンプ６ａ又は６ｂから出力される起電力Ｅｓは、次の（１）式で与えられる。
起電力Ｅｓ＝κ・Ｂ・ｖ・Ｄ ・・・（１）

なお、κは比例定数、Ｂは励磁コイル４による磁束密度、ｖは被測定流体の流速、Ｄは測定管３の口径である。

磁束密度Ｂが励磁電流Ｉexに比例するとすれば、（１）式を基に流速ｖは次の（２）式で得られる。なお、αは検出部１ごとに定まる定数である。
ｖ＝α・Ｅｓ／Ｉex ・・・（２）

起電力Ｅｓはバッファアンプ６ａ又は６ｂで受信され、差動アンプ７を経てＣＰＵ８に入力される。ＣＰＵ８では、差動アンプ７から入力された電極５ａ、５ｂからの起電力Ｅｓ及びタイミング信号発生回路１３の出力を基に、励磁電流Ｉexに同期したタイミングで同期整流をすると同時に、（２）式による励磁電流Ｉexとの比較演算がなされ、得られた流速ｖが出力回路９に入力される。出力回路９では、プロセス用の所定の出力信号に変換される。

また、電磁流量計では定電流回路での損失を削減するため、励磁をスイッチング方式で行うことが多く、この定電流回路では負荷が変化しても、定電流の供給を継続する。異なる口径の測定管３の励磁コイル４に対しても、励磁による安定した磁場を作る等の目的で、励磁回路１０により励磁コイル４に定電流である励磁電流Ｉexを区間供給している。

励磁回路１０による定電流の出力により、励磁コイル４によって磁場を流体に印加する。導電性を有する流体に対して、流体方向と磁場方向に直交方向に誘起される起電力Ｅｓに基づいて、流体の流速ｖを求め、更にこの流速ｖに測定管３の断面積を乗じて流量を求めることができる。

図２は電極５ａ、５ｂに誘導される外部ノイズの伝達の様子を示している。通常の流体測定状態では、測定管３は導電性流体で満たされており、電極５ａ、５ｂが接液状態のときは、電極５ａ、５ｂ間に発生する流量起電力の信号源抵抗Ｒｓは、流体導電率σ、電極５ａ、５ｂの直径ｄを用いて、（３）式で表される。
Ｒｓ＝１／（σ・ｄ） ・・・（３）

ノイズ源の起電力をＥｎ、ノイズ源インピーダンスをＺｎとし、図示のように信号源抵抗Ｒｓを電極５ａ、５ｂと大地間の抵抗と仮定すると、電極５ａ、５ｂに誘導される誘導ノイズの大きさｅｎは、次の（４）式で表される。
ｅｎ＝｛Ｒｓ／（Ｒｓ＋Ｚｎ）｝・Ｅｎ ・・・（４）

これらの（３）、（４）式から分かるように、誘導ノイズｅｎの大きさは使用条件である流体導電率σに依存している。流体導電率σが電磁流量計の定める流体導電率の仕様の範囲内（Ｒｓ＜＜Ｚｎ）であるならば、外部からの誘導ノイズｅｎは測定管３の地絡によりシールドされているので、流量測定結果に与える影響は少ない。

測定管３が非満水状態となり、更に電極５ａ、５ｂに対して流体が非接液状態となると、電極５ａ、５ｂと大地間の電極インピーダンスが無限大となり、外部からの誘導ノイズの影響を大きく受けることになる。

外部からの誘導ノイズで最も顕著なものは、商用交流電源からの誘導ノイズである。従って、各電極５ａ、５ｂの電極電位に重畳されている商用交流電源の周波数成分により、電極インピーダンスを推測し、検出部１が空状態か否かを判断する方法が考えられる。

しかし、商用交流電源による誘導ノイズ源の大きさ、ノイズ源インピーダンスＺｎの大きさは設置条件によって大きく異なり、流体導電率σも測定管３内の流体の種類等により異なるため、空状態の判定のためには、電磁流量計毎に設定した判断基準が必要とされる。

この判断基準は、流量のゼロ点に調整保存する自動ゼロ点調整時の調整処理と併せて、所定のサンプリング周期で各電極５ａ、５ｂの電極電位を連続的に測定し、Ａ／Ｄ変換処理をした後に、商用交流電源周波数のバンドパスフィルタを通過させた周波数成分に基づいて設定される。

自動ゼロ点調整時において複数回の励磁周期Ｔ毎に、所定のサンプリング周期の測定値に対して、上述のバンドパスフィルタを通過させる。このバンドパスフィルタの出力成分に対して最大値、最小値を求め、これらの複数の最大値及び複数の最小値のそれぞれの平均値を算出する。ただし、これらの平均値は、自動ゼロ点調整時は測定管３内に流体を満たした状態での値があるので、微少の揺動範囲に過ぎないものである。

従って、複数の最大値及び複数の最小値のそれぞれの平均値に対して、数十〜数百倍した値を閾値とし、こららのプラスマイナスの閾値を、閾値ｓ１、ｓ２として設定する。或いは、バンドパスフィルタ出力した絶対値を平均値の数十〜数百倍した値を閾値ｓと設定してもよい。これらの倍率は流体及び測定管３の径等に応じて適宜に設定しておく。

なお、自動ゼロ点調整とは、測定管３内を満たした流体が流速ゼロの状態であっても、一定のバイアス量がオフセットとして出力しているので、このオフセット分を差し引いてゼロ点に調整する処理のことであり、この処理によりＣＰＵ８において、より正確な流量を算出することが可能となる。

次に、判断基準である閾値ｓ１、ｓ２を利用して測定管３の流体の空判定を行う場合は、まずマルチプレクサ１２によって、タイミング信号発生回路１３からのタイミング時間によりバッファアンプ６ａ、６ｂの出力を別個にＣＰＵ８に電極電位を選択入力を行う。

次にＣＰＵ８において、バッファアンプ６ａ、６ｂから入力値に対して継続的に所定の時間間隔でサンプリングしてＡ／Ｄ変換処理を行う。これらのＡ／Ｄ変換処理を行った測定値に商用交流電源周波数をバンドパスフィルタ処理して、商用交流電源周波数以外の周波数帯域の信号成分を減衰させて、５０／６０Ｈｚの商用交流電源の周波数成分のみを抽出する。

そして、この抽出処理を行った商用交流電源の誘導ノイズ成分である周波数成分と、自動ゼロ点調整時に設定した閾値ｓ１、ｓ２とを比較する。商用交流電源の周波数成分の信号レベルが閾値ｓ１又は閾値ｓ２を上回った又は下回った場合は、測定管３内の流体が非接液状態、つまり空状態と判定する。このように、コモンモードで入力してくる商用交流電源に基づく誘導ノイズを監視することで、空状態の判定が可能となる。

また、励磁周期Ｔ以下の所定間隔毎にＡ／Ｄ変換値のバンドパスフィルタ処理した周波数成分の信号レベルが、複数回に渡って閾値ｓ１又は閾値ｓ２を上回った又は下回った場合、或いはＡ／Ｄ変換値のバンドパスフィルタ処理を行った周波数成分の信号レベルの絶対値が、１回又は複数回に渡って閾値ｓを上回った場合に、空状態と判定することもできる。

更に、複数の連続する周波数成分の信号レベルの絶対値の平均値が、閾値ｓを上回った場合に空状態と判定してもよいし、複数回の励磁周期Ｔ毎の周波数成分の信号レベルの最大値、最小値を求め、これらの複数の最大値及び複数の最小値のそれぞれの平均値に対して、閾値ｓ１又は閾値ｓ２を上回った又は下回った場合に、空状態と判定するようにしてもよい。

このようにバンドパスフィルタ処理した周波数成分の信号レベルの平均値を算出することで、突発的なノイズやフローノイズに基づく空状態の誤検知を回避することができる。

図３は時間ｔに流体が接液状態から非接液状態になった際の、（ａ）励磁電流波形、（ｂ）励磁電流Ｉexと相似の振幅を持つ信号波形である流量信号波形、（ｃ）バンドパスフィルタ処理後の商用交流電源周波数成分の波形である。

（ａ）の励磁電流波形では、励磁周期Ｔ内で正励磁区間、負励磁区間の次に励磁休止区間を設けている。なお、励磁周期Ｔは商用交流電源の周期の整数倍に同期しており、間欠的な励磁処理が省電力化のためになされている。

時間ｔに測定管３内の流体が接液状態から非接液状態になった場合に、上述の通り電極５ａ、５ｂと大地間の電極インピーダンスが無限大となり、商用交流電源からの誘導ノイズの影響を大きく受けることになる。このため、（ｃ）の波形図に示すように時間ｔ以前の接液状態である微少の信号レベルは、非接液状態の時間ｔ以降に極端に増大することになる。

周波数成分の信号レベルと、予め流体が静止し測定管中に流体が満たされているときの自動ゼロ点調整処理時に設定したプラスマイナスの閾値ｓ１又は閾値ｓ２とを比較することで、測定管３内の流体が接液状態か非接液状態、つまり空状態であるか否かを検知することができる。

本実施例では、使用条件、流体導電率、接地条件に関係なく、自動ゼロ調時に保存した判断基準である閾値ｓを利用して、空状態を判定することもできる。従って、特許文献１に示すような空検知部１１を設置する必要はない。

また、バンドパスフィルタの代りに商用電源周波数以下の周波数成分のみを抽出するローパスフィルタを使用してもよい。このローパスフィルタにより、Ａ／Ｄ変換の際の折り返し雑音の除去及び突発的なディジタル誤差による影響を避けることができる。

ＣＲフィルタ等のハードウェアから成るローパスフィルタを用いることによって、前述のバンドパスフィルタ処理時のＣＰＵ８のソフトウェア処理による負荷を軽減することが可能である。

更には、図３（ａ）に示すような励起休止区間を設けて励磁を間欠的に行う場合には、励磁休止区間において空判定処理を行うようにしてもよい。励磁電流が存在している期間、つまり正励磁、負励磁の励磁電流Ｉexを出力している期間では、流量信号起電力及び励磁電流の時間変化に伴う電磁流動ノイズが発生している。

この励磁電流が存在している期間においては、電磁流動ノイズも重畳されて出力されてしまうので、電磁流動ノイズの影響をカットする空判定を行うために、励磁休止区間にサンプリングしたＡ／Ｄ変換値のバンドパスフィルタ処理を行った信号レベルを基に上述の空判定処理を行うことが好ましい。

１ 検出部
２ 変換部
３ 測定管
４ 励磁コイル
５ａ、５ｂ 電極
６ａ、６ｂ バッファアンプ
７ 差動アンプ
８ ＣＰＵ
９ 出力回路
１０ 励磁回路
１２ マルチプレクサ
１３ タイミング信号発生回路

上記目的を達成するための本発明に係る電磁流量計の空状態判定方法は、所定の周期で励磁コイルに間欠的に通電し励磁及び励磁休止を繰り返す電磁流量計において、流体が静止し測定管中に前記流体が満たされているときの自動ゼロ点調整処理に併せて、前記励磁休止時の励磁休止区間で測定した電極電位の測定値をＡ／Ｄ変換処理し、該Ａ／Ｄ変換値に対して、交流電源周波数のバンドパスフィルタによる抽出処理を行い、抽出した周波数成分に基づいて空判定閾値を設定し、前記流体の流量測定中に前記励磁休止区間で測定した前記電極電位の測定値をＡ／Ｄ変換処理し、該Ａ／Ｄ変換値に対して、前記バンドパスフィルタによる抽出処理を行うことで抽出した交流電源周波数成分の信号レベルと前記空判定閾値とを比較して、前記流体の空状態を判定することを特徴とする。

従って、複数の最大値及び複数の最小値のそれぞれの平均値に対して、数十〜数百倍した値を閾値とし、これらのプラスマイナスの閾値を、閾値ｓ１、ｓ２として設定する。或いは、バンドパスフィルタ出力した絶対値の平均値の数十〜数百倍した値を閾値ｓと設定してもよい。これらの倍率は流体及び測定管３の径等に応じて適宜に設定しておく。

Claims (4)

1. 流体が静止し測定管中に前記流体が満たされているときの自動ゼロ点調整処理に併せて所定のサンプリング周期で測定した各電極の電位をＡ／Ｄ変換処理し、該Ａ／Ｄ変換値に対して、交流電源周波数のバンドパスフィルタによる抽出処理を行い、抽出した周波数成分に基づいて空判定閾値を設定し、
   前記所定のサンプリング周期で測定した前記各電極の電位測定値をＡ／Ｄ変換処理し、該Ａ／Ｄ変換値に対して、前記バンドパスフィルタによる抽出処理を行うことで抽出した交流電源周波数成分の信号レベルと前記空判定閾値とを比較して、前記測定管中の前記流体の空状態を判定することを特徴とする電磁流量計の空状態判定方法。
2. 流体が静止し測定管中に前記流体が満たされているときの自動ゼロ点調整処理に併せて所定のサンプリング周期で測定した各電極の電位測定値をＡ／Ｄ変換処理し、該Ａ／Ｄ変換値に対して、交流電源周波数以下の周波数成分のみを抽出するローパスフィルタによる抽出処理を行い、抽出した周波数成分に基づいて空判定閾値を設定し、
   前記所定のサンプリング周期で測定した前記各電極の電位測定値をＡ／Ｄ変換処理し、該Ａ／Ｄ変換値に対して、前記ローパスフィルタによる抽出処理を行うことで抽出した周波数成分の信号レベルと前記空判定閾値とを比較して、前記測定管中の前記流体の空状態を判定することを特徴とする電磁流量計の空状態判定方法。
3. 複数回の励磁周期毎の前記フィルタによる抽出処理を行った際の周波数成分の信号レベルの最大値、最小値を求め、複数の前記最大値及び複数の前記最小値のそれぞれの平均値と、前記空判定閾値を比較して、前記測定管中の前記流体の空状態を判定することを特徴とする特徴とする請求項１又は２に記載の電磁流量計の空状態判定方法。
4. 正励磁区間と負励磁区間の間に励磁休止区間を設けた励磁周期により励磁電流を供給する場合には、前記励磁休止区間時に前記流体の空状態の判定を行うことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電磁流量計の空状態判定方法。

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