JP2016206079A - Exciting coil short circuit determination method of electromagnetic flow meter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、励磁コイルが短絡しているか否かを判定する電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法に関するものである。 The present invention relates to an excitation coil short-circuit determination method for an electromagnetic flow meter that determines whether an excitation coil is short-circuited.
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。 An electromagnetic flowmeter applies an alternating magnetic field to a fluid that flows through a measuring tube and has electrical conductivity by means of an excitation coil, and in accordance with Faraday's law, an electromotive force induced in a direction perpendicular to the fluid direction and the direction of the magnetic field. The flow velocity is obtained and converted to a flow rate.
図5は一般的な電磁流量計の構成図を示し、検出部1と変換部2とから構成されている。検出部1は被測定流体が流れる測定管3と、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。
FIG. 5 shows a configuration diagram of a general electromagnetic flow meter, which includes a detection unit 1 and a
変換部2には、電極5a、5bにより誘起される2つの流量信号を差動受信するバッファアンプ6が設けられ、このバッファアンプ6の出力は流量演算等を実行するCPU7、出力回路8に接続されている。一方、励磁回路9による励磁電流の出力が励磁コイル4及びCPU7に接続され、タイミング信号発生回路10の出力が励磁回路9及びCPU7に接続されている。
The
タイミング信号発生回路10で生成される低周波周期に同期して、励磁回路9から正負の励磁電流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。
When a positive and negative excitation current Iex is supplied from the
電極5a、5b間に誘起され、更にバッファアンプ6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)
The electromotive force Es induced between the
Electromotive force 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。
Here, κ is a proportional constant, B is the magnetic flux density by the
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。
v=α・Es/Iex ・・・(2)
If the magnetic flux density B is proportional to the excitation current Iex, the flow velocity v can be obtained from the following equation (2) based on the equation (1).
v = α · Es / Iex (2)
なお、αは検出部1ごとに定まる定数である。 Α is a constant determined for each detection unit 1.
電極5a、5bからの起電力Esはバッファアンプ6で受信され、更にCPU7に入力される。CPU7では、タイミング信号発生回路10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との比較演算が施され、得られた流速vが出力回路8に入力される。出力回路8では、プロセス用の所定の出力信号に変換される。
The electromotive force Es from the
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、励磁コイル4への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9により励磁コイル4に定電流である励磁電流Iexを供給している。
Moreover, in order to reduce the loss in the constant current circuit in the electromagnetic flow meter, the
この励磁回路9による定電流の出力により、励磁コイル4によって流体に磁場を印加する。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。
A magnetic field is applied to the fluid by the
更に電磁流量計には、プラント操業の安全化を図るための各種自己判定を実施する機能が付与されており、励磁コイルオープン、及び励磁コイル短絡によるトラブルを検出する機能を有している。 Further, the electromagnetic flow meter is provided with a function of performing various self-judgments for ensuring the safety of the plant operation, and has a function of detecting trouble due to excitation coil open and excitation coil short circuit.
特許文献1には、励磁コイルの短絡を検出する発明として、励磁回路と励磁コイルとの間に励磁コイルの短絡検出回路を設けることが開示されている。励磁コイルが短絡すると、短絡検出回路内の電圧リミッタによって電圧は閾値以下に下がらなくなり、この結果として、励磁回路からの電流が増加する。そして、励磁コイルと直列に接続された検出抵抗の両端電圧を経時的に計測することで、励磁コイルの短絡を検出することができる。 Patent Document 1 discloses that an excitation coil short-circuit detection circuit is provided between the excitation circuit and the excitation coil as an invention for detecting an excitation coil short-circuit. When the exciting coil is short-circuited, the voltage is not lowered below the threshold by the voltage limiter in the short-circuit detecting circuit, and as a result, the current from the exciting circuit increases. And the short circuit of an exciting coil is detectable by measuring the both-ends voltage of the detection resistor connected in series with the exciting coil with time.
上述のように電磁流量計の自己判定として、励磁コイルのオープントラブルについては、励磁電流Iexが零となることから容易に検出できるが、励磁コイルの短絡については、定電流制御されているため励磁電流Iexを基に短絡を検出することが難しい。 As described above, as an electromagnetic flow meter self-determination, an excitation coil open trouble can be easily detected because the excitation current Iex becomes zero. However, the excitation coil short circuit is controlled by constant current control. It is difficult to detect a short circuit based on the current Iex.
特に、図5に示すように、測定管3の近傍で起電力Esを検出する検出部1と、励磁回路9やCPU7を備える変換部2との間に距離を有する場合においては、検出部1と変換部2間の接続ケーブルの破損等が発生し易く、図5の点線Sで示すケーブル内の個所で短絡が発生することが多々ある。
In particular, as shown in FIG. 5, when there is a distance between the detection unit 1 that detects the electromotive force Es in the vicinity of the
そこで、従来の図6の回路構成図に示す短絡判定方法では、励磁回路9内に検出すべき励磁コイル4に対する専用の短絡判定回路Pが設けられている。この短絡判定回路Pは、励磁コイル4に励磁電流Iexを供給するタイミングで励磁コイル4の両端の電圧を測定し、励磁コイル4のコイル抵抗成分Rcと励磁コイル4に流れる励磁電流Iexとの積(Rc・Iex)を継時的に比較して励磁コイル4の短絡を判断している。
Therefore, in the conventional short circuit determination method shown in the circuit configuration diagram of FIG. 6, a dedicated short circuit determination circuit P for the
この図6の従来方法では、専用の短絡判定回路Pが必要となる他に、励磁コイル4毎に異なるコイル抵抗成分Rcについて考慮する必要がある。
In the conventional method of FIG. 6, a dedicated short-circuit determination circuit P is required, and a coil resistance component Rc that differs for each
また、特許文献1の短絡検出回路を設けた電磁流量計においても、短絡検出回路内に電圧リミッタ等を設けたり、測定管の寸法、励磁コイルのコイル抵抗成分等に基づく電圧リミッタのリミッタ値を設定する必要が生ずる等の問題がある。 Also, in the electromagnetic flow meter provided with the short circuit detection circuit of Patent Document 1, a voltage limiter or the like is provided in the short circuit detection circuit, or the limit value of the voltage limiter based on the dimensions of the measurement tube, the coil resistance component of the excitation coil, or the like. There are problems such as the need to set.
本発明の目的は、上述の課題を解決し、コイル抵抗成分を考慮することなく、スイッチング方式の励磁による励磁コイルの短絡状態を判定することができる電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide an excitation coil short-circuit determination method for an electromagnetic flowmeter that can determine a short-circuit state of an excitation coil by switching-type excitation without considering a coil resistance component. There is.
上記目的を達成するための本発明に係る電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法は、励磁電流の励磁のオン、オフを間欠的に繰り返すスイッチング方式によって定電流の前記励磁電流を励磁コイルに供給する電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法において、前記励磁オン時に、所定時間間隔毎に励磁電流を測定し、これらの測定値の平均値と前記測定値との差分である変動値を算出し、該変動値と予め設定した閾値とを比較することで前記励磁コイルが短絡状態にあるか否かを判定することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an excitation coil short-circuit determination method for an electromagnetic flow meter according to the present invention supplies the excitation current having a constant current to the excitation coil by a switching method in which excitation current excitation is intermittently turned on and off. In the excitation coil short-circuit determination method of the electromagnetic flow meter, when the excitation is turned on, an excitation current is measured every predetermined time interval, and a variation value that is a difference between an average value of these measurement values and the measurement value is calculated. It is characterized in that it is determined whether or not the exciting coil is in a short circuit state by comparing a fluctuation value with a preset threshold value.
本発明に係る電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法によれば、基本の回路構成のみで、励磁コイルの短絡を判定でき、測定管の寸法、励磁コイルの抵抗成分、インダクタンスに関係なく、励磁コイルの短絡状態を容易に、かつ確実に判定することができる。 According to the method for determining an excitation coil short circuit of an electromagnetic flow meter according to the present invention, an excitation coil short circuit can be determined with only a basic circuit configuration, and the excitation coil is independent of the dimensions of the measurement tube, the resistance component of the excitation coil, and the inductance. It is possible to easily and reliably determine the short circuit state.
本発明を図1〜図4に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図1はスイッチング方式の励磁定電流回路の構成図を示している。なお、図6に示す従来例と比較して、従来の短絡判定回路Pが削除されている。
The present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.
FIG. 1 shows a configuration diagram of a switching-type excitation constant current circuit. In addition, the conventional short circuit determination circuit P is deleted compared with the conventional example shown in FIG.
図1において、励磁回路9には直流電圧を印加する励磁電源と、定電流を得るためオン/オフを行うFETスイッチ11と、インダクタンスL1及びコンデンサCから成るLCフィルタ12を有しており、このLCフィルタ12によってFETスイッチ11でスイッチングされた電圧の平滑化を行っている。
In FIG. 1, an
更に励磁回路9には、電流検出抵抗Rと定電流制御部13とが設けられており、この電流検出抵抗Rを励磁定電流回路に直列に配置することで、励磁コイル4を流れる励磁電流Iexを検出することができる。
Further, the
また、定電流制御部13は、偏差アンプ14とデューティサイクル変換器15とを有しており、偏差アンプ14には、電流検出抵抗Rに励磁電流Iexが流れたときの電圧(R・Iex)を入力し、励磁電流Iexの大きさを決める一定の基準電圧Vrefが印加されている。
The constant
そして、偏差アンプ14により増幅した電圧(R・Iex)と基準電圧Vrefとの偏差値がデューティサイクル変換器15に入力される。デューティサイクル変換器15で算出されたデューティ比はFETスイッチ11にフィードバックされ、オン/オフ制御を行う。
The deviation value between the voltage (R · Iex) amplified by the
FETスイッチ11によってオン/オフすることで印加された電圧は、LCフィルタ12により平滑されて、図1に図示する電圧Vexとなる。この電圧Vexによって励磁コイル4に励磁電流Iexが流れる。
The voltage applied by turning on / off the
デューティサイクル変換器15における電圧(R・Iex)と基準電圧Vrefの処理については、電圧(R・Iex)が基準電圧Vrefよりも小さいときには、デューティサイクル変換器15の出力のデューティ比は増加し、このデューティ比に基づくFETスイッチ11のオン/オフ制御を行う。デューティ比の増加により、電圧Vexは大きくなり、この電圧Vexの増加に伴い励磁電流Iexが増加する。
Regarding the processing of the voltage (R · Iex) and the reference voltage Vref in the
電圧(R・Iex)が基準電圧Vrefよりも大きいときには、デューティサイクル変換器15の出力のデューティ比が減少し、電圧Vexは小さくなり、併せて励磁電流Iexも減少する。
When the voltage (R · Iex) is larger than the reference voltage Vref, the duty ratio of the output of the
このようなフィードバック制御によって、電圧R・Iexは基準電圧Vrefと同値になるように補正されるので、励磁電流Iexは基準電圧Vrefによって決まる一定電流値に保持されることになる。 By such feedback control, the voltage R · Iex is corrected to have the same value as the reference voltage Vref, so that the excitation current Iex is held at a constant current value determined by the reference voltage Vref.
図2は励磁回路9で所定値の励磁電流Iexが出力され、励磁コイル4が接続した正常な励磁が行われている場合における波形図である。(a)は励磁のオン、オフのタイミング信号、(b)は定電流制御するためのデューティサイクル変換器15の出力であるデューティサイクル信号、(c)はデューティサイクル変換器15の入力である励磁電流Iexを示している。
FIG. 2 is a waveform diagram when the
なお、励磁電流Iexによる励磁は、(a)に示すように周期的にオン、オフをタイミング信号発生回路10により制御しているが、本発明では詳細なオン、オフのタイミング制御の説明については省略している。この励磁電流Iexのオン、オフ制御は、常時励磁に比べ省電力化を図ることができ、この励磁オン時に励磁コイル4が短絡状態にあるか否かを判定する。
The excitation by the excitation current Iex is periodically turned on and off by the timing
(a)の励磁オンの区間では、励磁電流IexはFETスイッチ11でスイッチングされた電圧をLCフィルタ12で平滑しているが、多少のリップルを含んでいる。励磁コイル4を流れる励磁電流Iexは、励磁コイル4のコイル抵抗成分Rc、インダクタンス成分Lcによって更に平滑され、図3(c)に示すようにリップルは小さくなる。
In the excitation-on period of (a), the excitation current Iex smooths the voltage switched by the
更に、(b)のデューティサイクル信号の周期を、励磁コイル4の時定数τ=Lc/Rcに比べて十分に小さくすることで、励磁電流Iexの波形は平滑化され、リップル成分はほぼ無視できることになる。
Furthermore, by making the cycle of the duty cycle signal of (b) sufficiently smaller than the time constant τ = Lc / Rc of the
図3は励磁コイル4が短絡したときの励磁定電流回路の回路図である。図4は波形図であり、(d)は励磁のオン、オフのタイミング信号、(e)はデューティサイクル信号、(f)は励磁電流Iexの出力信号である。
FIG. 3 is a circuit diagram of an excitation constant current circuit when the
図3に示すように励磁コイル4が短絡すると、励磁コイル4に励磁電流Iexが流れずに、励磁回路9の負荷は電流検出抵抗Rのみとなる。従って、上述の励磁コイル4に基づく平滑化処理がなくなり、コンデンサCの両端電圧の上昇に比例して、(f)に示すように励磁電流Iexは急激に増加する。
When the
このとき、電圧(R・Iex)が基準電圧Vrefよりも直線的に急激に大きくなるので、励磁電流Iexも併せて上昇する。電圧(R・Iex)が基準電圧Vrefを超えると、定電流制御部13のデューティサイクル変換器15は直ちにデューティ比を減少する。つまり、FETスイッチ11をオフにする制御を行うが、制御ループの遅れのために、直ちにはFETスイッチ11をオフにできず、制御ループの遅れの間は励磁電流Iexは増加を続ける。
At this time, the voltage (R · Iex) increases linearly more rapidly than the reference voltage Vref, so that the excitation current Iex also increases. When the voltage (R · Iex) exceeds the reference voltage Vref, the
また、FETスイッチ11がオフになると、励磁電流Iexは逆に急激に低下することになる。励磁電流Iexの上昇時と同様に制御ループの遅れが生ずるので、励磁電流Iexは(f)に示すように大きな上下変動のリップルに相当する三角波形又は台形波による出力を繰り返すことになる。このときの三角波あるいは台形波となるデューティサイクル信号の周期は、上述の制御ループの遅れ等により図2の(b)で示す正常動作時のデューティサイクル信号の周期より大きな周期となる。
On the other hand, when the
励磁回路9の定電流制御部13は、励磁電流Iexのリップルチェックのための所定時間間隔毎に励磁電流Iexを測定し、デューティ比を演算してFETスイッチ11の制御を行っている。同時に、励磁回路9は短絡判定処理部を兼ねるCPU7に励磁電流Iexの測定値の出力を行う。
The constant
励磁電流Iexの測定値を入力したCPU7は、励磁がオン時において、蓄積した複数の励磁電流Iexの測定値から平均値Hを算出する。次に、各測定値に対して、平均値Hからプラス方向、マイナス方向に変動した変動値h、つまり平均値Hと測定値との差分を求めてリップルの大きさを算出する。そして、測定毎の変動値hと予め設定した閾値とを比較して、励磁負荷である励磁コイル4の短絡状態を判定する。
The
または、励磁オン直後の時間帯を除く励磁オン時において、測定した励磁電流Iexの最小値と最大値の差分である変動値h’を算出し、この変動値h’と予め設定した閾値を比較して、励磁コイル4の短絡状態を判定するようにしてもよい。この場合は、上述の平均値Hを算出する必要はない。
Or, when the excitation is turned on excluding the time zone immediately after the excitation is turned on, a fluctuation value h ′ that is a difference between the minimum value and the maximum value of the measured excitation current Iex is calculated, and the fluctuation value h ′ is compared with a preset threshold value. Then, the short-circuit state of the
大きなリップルの発生、つまり変動値hが閾値を超えたことを励磁回路9に接続したCPU7が検出することにより、励磁コイル4が短絡状態であると判定する。この判定は、所定時間間隔毎の前記変動値hのうち、1つ以上の変動値hが閾値より大きい場合に、励磁コイルは短絡状態であると判定する。また、一定時間内で複数の変動値h、例えば2つ以上の変動値hが閾値より大きい場合に、短絡していると判定するようにしてもよい。
When the
また、突発的なノイズ等による短絡状態の誤検出を防止するために、所定時間間隔毎の変動値hのうち、複数回連続して励磁電流Iexの変動値hが閾値よりも大きい場合に、短絡していると判定するようにしてもよい。 Further, in order to prevent erroneous detection of a short-circuit state due to sudden noise or the like, when the fluctuation value h of the excitation current Iex is larger than the threshold value among the fluctuation values h for each predetermined time interval, You may make it determine with having short-circuited.
このように、正常時においては励磁電流Iexの変動値hは極めて小さい値を示すのに対して、短絡時においては変動値hが極端に大きい値となるので、励磁オン時のリップルに相当する変動値hを監視することで、容易にかつ確実に励磁コイル4の短絡状態を検出できる。
As described above, the fluctuation value h of the excitation current Iex is extremely small during normal operation, whereas the fluctuation value h is extremely large during short-circuiting, which corresponds to a ripple when excitation is on. By monitoring the fluctuation value h, the short-circuit state of the
4 励磁コイル
9 励磁回路
11 FETスイッチ
12 LCフィルタ
13 定電流制御部
14 偏差アンプ
15 デューティサイクル変換器
4
上記目的を達成するための本発明に係る電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法は、スイッチング方式によって定電流の励磁電流を励磁コイルに供給し、前記励磁電流による励磁を周期的にオン、オフ制御する電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法において、前記励磁オン時に、所定時間間隔毎に励磁電流を測定し、蓄積した複数の前記励磁電流の測定値から平均値を算出し、前記励磁電流と前記平均値との差分から励磁電流の波形のリップルの大きさである変動値を算出し、該変動値と予め設定した閾値とを比較することで前記励磁コイルが短絡状態にあるか否か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励磁コイル短絡判定方法は、スイッチング方式によって定電流の励磁電流を励磁コイルに供給し、前記励磁電流による励磁を周期的にオン、オフ制御する電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法において、前記励磁オン直後の時間帯を除く励磁オン時に所定時間間隔毎に励磁電流を測定し、測定した励磁電流の最小値と最大値の差分である変動値を算出し、該変動値と予め設定した閾値とを比較することで前記励磁コイルが短絡状態にあるか否かを判定することを特徴とする。
In order to achieve the above object, an exciting coil short-circuit determination method for an electromagnetic flow meter according to the present invention supplies a constant-current exciting current to an exciting coil by a switching method, and periodically turns on and off excitation by the exciting current. In the method for determining an excitation coil short circuit of an electromagnetic flow meter, when the excitation is turned on, an excitation current is measured at predetermined time intervals, an average value is calculated from a plurality of accumulated measurement values of the excitation current, and the excitation current and the The fluctuation value, which is the magnitude of the ripple of the excitation current waveform, is calculated from the difference from the average value, and it is determined whether the excitation coil is in a short-circuited state by comparing the fluctuation value with a preset threshold value. It is characterized by doing.
Also, the excitation coil short-circuit determination method of the electromagnetic flow meter according to the present invention is a method of supplying an excitation current of constant current to the excitation coil by a switching method, and periodically turning on and off the excitation by the excitation current. In the excitation coil short-circuit determination method, the excitation current is measured at every predetermined time interval when excitation is turned on excluding the time zone immediately after the excitation is turned on, and a fluctuation value that is a difference between the minimum value and the maximum value of the measured excitation current is calculated. It is characterized in that it is determined whether or not the exciting coil is in a short circuit state by comparing the fluctuation value with a preset threshold value.
(a)の励磁オンの区間では、励磁電流IexはFETスイッチ11でスイッチングされた電圧をLCフィルタ12で平滑しているが、多少のリップルを含んでいる。励磁コイル4を流れる励磁電流Iexは、励磁コイル4のコイル抵抗成分Rc、インダクタンス成分Lcによって更に平滑され、図2(c)に示すようにリップルは小さくなる。
In the excitation-on period of (a), the excitation current Iex smooths the voltage switched by the
Claims (4)
前記励磁オン時に、所定時間間隔毎に励磁電流を測定し、こららの測定値に基づいて励磁電流の変動値を算出し、該変動値と予め設定した閾値とを比較することで前記励磁コイルが短絡状態にあるか否かを判定することを特徴とする電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法。 In the excitation coil short-circuit determination method of the electromagnetic flowmeter that supplies a constant current excitation current to the excitation coil by a switching method and periodically controls on / off excitation by the excitation current.
When the excitation is turned on, the excitation current is measured at predetermined time intervals, the fluctuation value of the excitation current is calculated based on these measurement values, and the fluctuation value is compared with a preset threshold value to thereby calculate the excitation coil. A method for determining an excitation coil short circuit in an electromagnetic flow meter, wherein:
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