JP2019007805A

JP2019007805A - キャリブレータの調整方法

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Publication number: JP2019007805A
Application number: JP2017122712A
Authority: JP
Inventors: 喜彦岡山; Yoshihiko Okayama
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2037-06-23
Also published as: JP6858655B2

Abstract

【課題】低コストをはかりつつ、精度および安定性が高い調整を行うことができるキャリブレータの調整方法を提供する。【解決手段】複数のレンジに対応して分圧した複数の信号を出力する第１分圧回路１３０と、複数の信号のうち、１つの信号を選択して出力する第２マルチプレクサ１４０と、第２マルチプレクサ１４０が出力した信号を分圧し、基準流量信号として出力する第２分圧回路１６０と、第２マルチプレクサ１４０が出力した信号の極性を反転した信号を分圧し、基準流量信号として出力する第３分圧回路１７０とを備え、第１分圧回路１３０が出力する信号のうち、最も高い電圧のレンジにおける信号により、第２分圧回路１６０および第３分圧回路１７０の入力端子間並びに出力端子間の電圧を計測する工程と、計測に係る電圧の値に基づいて、分圧に係る倍率をそれぞれ演算する工程とを有するものである。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁流量計の変換器を校正するキャリブレータの調整方法に関するものである。

電磁流量計は、たとえば、検出器および変換器を備え、流体の流速、流量などを計測することができる装置である。電磁流量計は、検出器および変換器を備えている。検出器は、流体が通過する計測管内に磁界を発生させ、流体の通過により発生する起電力に基づく信号を出力する。変換器は、検出器が出力した信号に基づいて、流量値などに変換する処理を行う。

図４は、電磁流量計の校正について説明する図である。上述したような電磁流量計において、ゲイン調整、電流出力調整など、変換器の入出力に関する校正を行うときには、キャリブレータ６００が用いられる（たとえば、特許文献１参照）。キャリブレータ６００は、たとえば、検出器からの励磁電流に応じて、基準流量に対応する電圧波形の信号である基準流量信号を擬似的に発生させることができる装置である。このとき、たとえば、複数の抵抗素子を備え、抵抗素子による分圧を行うことで、複数のレンジに対応する基準流量信号を発生させることができる。

特開２０１６−２０６０８０号公報

キャリブレータは、変換器の校正を行う装置であるため、数十ｎＶ〜数ｍＶの広いレンジの電圧に係る信号を、精度が０．０５％以下となるように出力するなど、複数の基準流量信号を、高い精度で発生させることが要求される。このため、キャリブレータを調整する場合には、ｎＶオーダの計測を行うことができる高精度のデジタル電圧計、温度補償がなされた環境にすることができる設備などが必要とされていた。したがって、キャリブレータ自体の精度を高く維持するために、高いコストが費やされていた。また、キャリブレータの調整箇所を少なくするために、高精度（絶対精度が高い）抵抗素子などを用いていたが、コストが高くなっていた。

本発明は、このような課題を解決するものであり、たとえば、低コストをはかりつつ、精度および安定性が高い調整を行うことができるキャリブレータの調整方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係るキャリブレータの調整方法は、信号発生装置が発生した基準信号の極性を反転して出力する第１インバータ回路と、信号発生装置が発生した基準信号または第１インバータ回路が出力した信号のいずれか一方を選択して出力する第１マルチプレクサと、複数のレンジに対応して分圧した複数の信号を出力する第１分圧回路と、第１分圧回路が出力した複数の信号のうち、いずれか１つの信号を選択して出力する第２マルチプレクサと、第２マルチプレクサが出力した信号を分圧し、基準流量信号として出力する第２分圧回路と、第２マルチプレクサが出力した信号の極性を反転して出力する第２インバータ回路と、第２インバータ回路が出力した信号を分圧し、基準流量信号として出力する第３分圧回路とを備えるキャリブレータの調整方法であって、第１分圧回路が出力する信号のうち、最も高い電圧のレンジにおける信号により、第２分圧回路および第３分圧回路の入力端子間の電圧並びに出力端子間の電圧を計測する工程と、計測に係る電圧の値に基づいて、第２分圧回路および第３分圧回路における分圧に係る倍率をそれぞれ演算する工程とを有するものである。

本発明によれば、キャリブレータを調整する際、第２分圧回路および第３分圧回路における分圧に係る倍率の演算に用いる電圧値の計測を、第１分圧回路が出力する信号のうち、最も高い電圧の前記レンジにおける信号によって計測するようにしたので、高精度の電圧計を用いた計測を行う必要がない。また、環境の温度が計測に与える影響が少なく、温度の管理を緩和することができる。このため、キャリブレータの調整に係るコストを抑えることができる。

本発明の実施の形態に係るキャリブレータ１００の構成を示す図である。キャリブレータ１００内の分圧例を示す図である。本発明の実施の形態に係るキャリブレータ１００の調整に係る手順を示す図である。電磁流量計の校正について説明する図である。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係るキャリブレータ１００の構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態のキャリブレータ１００は、第１インバータ回路１１０、第１マルチプレクサ回路１２０、第１分圧回路１３０、第２マルチプレクサ回路１４０、第２インバータ回路１５０、第２分圧回路１６０および第３分圧回路１７０を備える。また、信号発生装置２００、演算制御装置３００、入力装置４００および表示装置５００を備えている。

信号発生装置２００は、基準信号を発生させる装置である。信号発生装置２００は、たとえば、ＤＡ（デジタル／アナログ）変換器（図示せず）またはＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号のパルス幅を制御して、あらかじめ定められた範囲で任意の基準信号を発生させることができる。本実施の形態においては、−２．５Ｖ〜２．５Ｖ（ＰＷＭデューティで比率０．０〜１．０）の基準信号を発生するものとする。ここで、信号発生装置２００は、キャリブレータ１００外の装置であってもよい。

第１インバータ回路１１０は、信号発生装置２００から送られた基準信号の極性を反転させる。ここで、信号発生装置２００から直接に送られた基準信号をプラス側信号とする。また、第１インバータ回路１１０が極性反転した基準信号をマイナス側信号とする。第１マルチプレクサ回路１２０には、プラス側信号およびマイナス側信号が入力される。そして、演算制御装置３００から送られる励磁方向切替信号に基づいて、入力されたプラス側信号またはマイナス側信号のいずれか一方を選択して出力する。

図２は、キャリブレータ１００内の分圧例を示す図である。キャリブレータ１００内において、後述するように、演算制御装置３００からレンジを切り替えるレンジ切替信号が送られると、基準信号を分圧した信号を選択して出力することができる。図２における分圧比は、おおよその値である。第１分圧回路１３０は、複数の分圧用抵抗素子を有し、分圧により、複数のレンジ（電圧帯）に係る信号を出力することができる。実施の形態１のキャリブレータ１００の第１分圧回路１３０では、第１レンジＲ１〜第７レンジＲ７の７つのレンジに対応した分圧を行うことができる。ここで、第１レンジＲ１における信号の電圧が最も高いレンジの電圧となる。第２レンジＲ２、第３レンジＲ３、第４レンジＲ４、第５レンジＲ５、第６レンジＲ６の順に電圧が低くなり、第７レンジＲ７における信号の電圧が最も低いレンジの電圧となる。

第２マルチプレクサ回路１４０は、後述する演算制御装置３００から、レンジを切り替えるレンジ切替信号が送られると、第１分圧回路１３０が出力した複数の信号のうち、いずれかを選択して出力する。また、第２インバータ回路１５０は、第２マルチプレクサ回路１４０が出力した信号の極性を反転させる。第２分圧回路１６０は、抵抗素子を有し、第２マルチプレクサ回路１４０が出力した信号を分圧し、基準流量信号となる信号を出力する分圧回路Ｒ（＋）を有する。第２分圧回路１６０における入力端子をＣＰ１とし、出力端子をＡとする。そして、第３分圧回路１７０は、抵抗素子を有し、第２インバータ回路１５０が出力した信号を分圧し、基準流量信号となる信号を出力する分圧回路Ｒ（−）を有する。第３分圧回路１７０における入力端子をＣＰ３とし、出力端子をＢとする。

従来のキャリブレータ６００は、分圧用に用いられる抵抗素子について、絶対精度が高いものを用いていた。抵抗素子の絶対精度が高ければ、たとえば、最も高い電圧のレンジにおける信号を出力するようにし、その出力に係る電圧を計測する。そして、他のレンジについては、計測した電圧から、抵抗素子の定格値を演算して導き出した値に基づき、調整を行うことができる。

演算制御装置３００は、入力された数値などに基づいて、調整、検査並びに変換器の校正およびチェックを行うときの基準流量信号となる擬似電圧出力に係る演算を行う。入力装置４００は、操作者が、指示、データなどを入力するための装置である。表示装置５００は、演算制御装置３００からの表示信号に基づく表示を行う。

本実施の形態のキャリブレータ１００においては、計測に係る信号および計測箇所を工夫し、高精度の電圧計で計測を行わなくても調整できるようにする。ｎＶオーダの電圧を計測しなくてもすむことで、計測時の環境における温度管理を緩和することができる。また、キャリブレータ１００に用いられる抵抗素子の絶対精度が必ずしも高くなくても、変換器の校正およびチェックを行うときの擬似電圧の精度は、絶対精度が高い高価な抵抗素子を使った場合と変わらない。

図３は、本発明の実施の形態に係るキャリブレータ１００の調整に係る手順を示す図である。図３に基づいて、キャリブレータ１００の調整方法の手順について説明する。ここで、調整および演算に係る電圧値などの調整事項（パラメータ）の計測は、作業者などが行う。また、計測されたパラメータによる、調整事項の演算は、演算制御装置３００が行うものとする。また、計測電圧に基づく演算が行えるのであれば、処理の順序は、図３に示す流れに限定するものではない。

まず、第１分圧回路１３０において、第７レンジＲ７に係る信号を出力させるものとする。そして、第７レンジＲ７におけるゼロ点に係るＣＰ１−ＣＰ３間の電圧が、０μＶとなるように調整する（ステップＳ１）。この調整は、たとえば、第２インバータ回路１５０が有するトリマによって行う。第２分圧回路１６０および第３分圧回路１７０に入力する前のＣＰ１−ＣＰ３間における電圧は、第７レンジＲ７における信号の場合でも、高精度の電圧計を用いずに計測を行うことができる。

次に、第１分圧回路１３０において、第１レンジＲ１に係る信号を出力させるものとする。そして、演算制御装置３００から送られる励磁方向切替信号に基づいて、信号を切り替えながら、（ａ）〜（ｄ）に示す４つの事項について、電圧計により計測を行う（ステップＳ２）。ここで、第１レンジＲ１における信号の出力電圧は、Ａ−Ｂ間においても、ｍＶオーダでの計測であるため、高精度の電圧計を用いなくても計測を行うことができる。
（ａ）第１レンジＲ１におけるプラス側信号によるＡ−Ｂ間の計測電圧ＶＰＡＢ１
（ｂ）第１レンジＲ１におけるマイナス側信号によるＡ−Ｂ間の計測電圧ＶＭＡＢ１
（ｃ）第１レンジＲ１におけるプラス側信号によるＣＰ１−ＣＰ３間の計測電圧ＶＰ１
（ｄ）第１レンジＲ１におけるマイナス側信号によるＣＰ１−ＣＰ３間の計測電圧ＶＭ１

さらに、第１分圧回路１３０において、第２レンジＲ２〜第７レンジＲ７に関して、それぞれ（ｅ）〜（ｊ）に示す６つの事項について、計測を行う（ステップＳ３）。信号が第２分圧回路１６０および第３分圧回路１７０に入力する前のＣＰ１−ＣＰ３間における電圧は、第７レンジＲ７における信号の場合でも、ｍＶオーダでの計測である。このため、高精度の電圧計を用いなくても計測を行うことができる。
（ｅ）第２レンジＲ２におけるプラス側信号によるＣＰ１−ＣＰ３間の計測電圧ＶＰ２
（ｆ）第３レンジＲ３におけるプラス側信号によるＣＰ１−ＣＰ３間の計測電圧ＶＰ３
（ｇ）第４レンジＲ４におけるプラス側信号によるＣＰ１−ＣＰ３間の計測電圧ＶＰ４
（ｈ）第５レンジＲ５におけるプラス側信号によるＣＰ１−ＣＰ３間の計測電圧ＶＰ５
（ｉ）第６レンジＲ６におけるプラス側信号によるＣＰ１−ＣＰ３間の計測電圧ＶＰ６
（ｊ）第７レンジＲ７におけるプラス側信号によるＣＰ１−ＣＰ３間の計測電圧ＶＰ７

ここで、信号発生装置２００が発生させる信号は、ＰＷＭに基づくものである。たとえば、１回の計測における瞬時値により決定した計測電圧には、リップルによる誤差が含まれている可能性が大きい。そこで、ステップＳ２およびステップＳ３において、計測を行う際、各事項に対し、１０秒以上で３０回以上、電圧を計測する。そして、各事項における電圧の平均値を算出し、最終的にそれぞれの事項において得られる計測電圧とする。

計測電圧は、たとえば、操作者により、入力装置４００を介してデータとして入力される。演算制御装置３００は、他の調整事項を、入力装置４００を介して入力されたデータに基づいて演算する。演算制御装置３００は、たとえば、ステップＳ２において計測した（ａ）および（ｃ）の計測電圧ＶＰＡＢ１および計測電圧ＶＰ１に基づき、次式（１）のように、第２分圧回路１６０における倍率ＧＰを算出する（ステップＳ４）。

ＧＰ＝ＶＰ１／ＶＰＡＢ１ …（１）

また、ステップＳ２において計測した（ｂ）および（ｄ）の計測電圧ＶＭＡＢ１および計測電圧ＶＭ１に基づいて、次式（２）に示すように、第３分圧回路１７０における倍率ＧＭを算出する（ステップＳ５）。

ＧＭ＝ＶＭ１／ＶＭＡＢ１ …（２）

さらに、第１レンジＲ１〜第７レンジＲ７におけるゼロ点の電圧の値を、次式（３）〜（９）により算出する（ステップＳ６）。ここで、第１レンジＲ１におけるゼロ点ＶＺ１は、計測電圧ＶＰ１と計測電圧ＶＭ１の中点となる。そして、第２レンジＲ２〜第７レンジＲ７におけるゼロ点ＶＺ２〜ゼロ点ＶＺ７の電圧は、第１レンジＲ１におけるゼロ点ＶＺ１に、各分圧抵抗の分圧比を乗算することにより算出する。
ＶＺ１＝ＶＰ１＋ＶＭ１ …（３）
ＶＺ２＝ＶＺ１×ＶＰ２／ＶＰ１ …（４）
ＶＺ３＝ＶＺ１×ＶＰ３／ＶＰ１ …（５）
ＶＺ４＝ＶＺ１×ＶＰ４／ＶＰ１ …（６）
ＶＺ５＝ＶＺ１×ＶＰ５／ＶＰ１ …（７）
ＶＺ６＝ＶＺ１×ＶＰ６／ＶＰ１ …（８）
ＶＺ７＝ＶＺ１×ＶＰ７／ＶＰ１ …（９）

以上のように、本実施の形態のキャリブレータ１００によれば、（ａ）〜（ｊ）までの計測を行い、また、（１）式〜（９）式の演算を行うことにより、ゼロ点の微小な電圧を測定することなく、キャリブレータ１００の調整を行うことができる。第１レンジＲ１に係る信号の電圧および第２分圧回路１６０および第３分圧回路１７０の入力側における電圧を計測するため、高精度でない電圧計でも計測することができる。そして、温度補償された環境設備などを用意しなくても、調整を行うことができる。キャリブレータ１００の第１分圧回路１３０、第２分圧回路１６０および第３分圧回路１７０における抵抗素子の絶対精度が高くなくても、本調整を行うことで、変換器の校正およびチェックを行うときの擬似電圧の精度は、絶対精度が高い高価な抵抗素子を使った場合と変わらない。したがって、抵抗素子のコストを抑えることができる。また、キャリブレータ１００自身の校正においても、高精度のデジタル電圧計、温度補償された環境設備などを用意しなくても調整を行うことができるので、調整に関わるコストを抑制することができる。

次に、調整したキャリブレータ１００に関する疑似電圧に係る正しく調整されているかの検査または変換器の校正およびチェックを行うときに擬似電圧出力する場合について説明する。Ａ−Ｂ間に発生させたい電圧をＶとすると、ＣＰ１−ＣＰ３間電圧は、Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２となる。このとき、レンジ番号と基準信号の元となるＰＷＭのパルス幅デューティ（比率０．０〜１．０）との関係は、次のように設定される。

ＶＰ１≧Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２＞ＶＰ２であれば第１レンジＲ１となる。このとき、
ＰＷＭ＝０．５＋０．５×｛Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２−ＶＺ１｝
／（ＶＰ１−ＶＺ１） …（１０）
ＶＰ２≧Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２＞ＶＰ３であれば第２レンジＲ２となる。このとき、
ＰＷＭ＝０．５＋０．５×｛Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２−ＶＺ２｝
／（ＶＰ２−ＶＺ２） …（１１）
ＶＰ３≧Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２＞ＶＰ４であれば第３レンジＲ３となる。このとき、
ＰＷＭ＝０．５＋０．５×｛Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２−ＶＺ３｝
／（ＶＰ３−ＶＺ３） …（１２）
ＶＰ４≧Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２＞ＶＰ５であれば第４レンジＲ４となる。このとき、
ＰＷＭ＝０．５＋０．５×｛Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２−ＶＺ４｝
／（ＶＰ４−ＶＺ４） …（１３）
ＶＰ５≧Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２＞ＶＰ６であれば第５レンジＲ５となる。このとき、
ＰＷＭ＝０．５＋０．５×｛Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２−ＶＺ５｝
／（ＶＰ５−ＶＺ５） …（１４）
ＶＰ６≧Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２＞ＶＰ７であれば第６レンジＲ６となる。このとき、
ＰＷＭ＝０．５＋０．５×｛Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２−ＶＺ６｝
／（ＶＰ６−ＶＺ６） …（１５）
ＶＰ７≧Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２であれば第７レンジＲ７となる。このとき、
ＰＷＭ＝０．５＋０．５×｛Ｖ×（ＧＰ＋ＧＭ）／２−ＶＺ７｝
／（ＶＰ７−ＶＺ７） …（１６）

前述したように、第２分圧回路１６０における倍率ＧＰ、第３分圧回路１７０における倍率ＧＭ、ゼロ点ＶＺ１〜ゼロ点ＶＺ７は、演算によって得られた値である。演算制御装置３００は、発生させたい電圧Ｖの値を表示装置５００に表示するとともに、（１０）式〜（１６）式による演算に基づいて、ＰＷＭのパルス幅デューティとレンジ番号に変換する。そして、パルス幅デューティを信号発生装置２００が有する記憶装置（図示せず）に書き込む。また、レンジ番号を第２マルチプレクサ回路１４０が有する記憶装置（図示せず）に書き込むことで、正確な電圧Ｖを、Ａ−Ｂ間に出力することができる。

以上のように、本実施の形態におけるキャリブレータ１００によれば、入力装置４００で発生させたい電圧Ｖを指定すると、表示装置５００にその電圧を表示するとともに、（１０）式〜（１６）式に基づいてＰＷＭのパルス幅デューティとレンジ番号とを決定し、正確な電圧ＶをＡ−Ｂ間に出力することができるようにした。また、実際に変換器を校正およびチェックするときは、流量および流量レンジに対する％値、流速など、流量に関する値で入力することで、演算制御装置３００が電圧Ｖに変換し、さらにＰＷＭのパルス幅デューティとレンジ番号とに変換することができるので、正確な電圧ＶをＡ−Ｂ間に出力することができる。さらに、変換器からの励磁電流を測定して、極性の切り替え、励磁電流の変化などがあったときは、第１マルチプレクサ回路１２０で励磁方向を切り替え、励磁電流によって変化する信号の電圧Ｖを計算し直して、信号発生装置２００と第２マルチプレクサ回路１４０に書き込むことで、実際の検出器における計測に近い基準流量信号を作り出すことができる。

１００，６００…キャリブレータ、１１０…第１インバータ回路、１２０…第１マルチプレクサ回路、１３０…第１分圧回路、１４０…第２マルチプレクサ回路、１５０…第２インバータ回路、１６０…第２分圧回路、１７０…第３分圧回路、２００…信号発生装置、３００…演算制御装置、４００…入力装置、５００…表示装置。

Claims

信号発生装置が発生した基準信号の極性を反転して出力する第１インバータ回路と、
前記基準信号または該第１インバータ回路が出力した信号のいずれか一方を選択して出力する第１マルチプレクサと、
複数のレンジに対応して分圧した複数の信号を出力する第１分圧回路と、
該第１分圧回路が出力した前記複数の信号のうち、いずれか１つの信号を選択して出力する第２マルチプレクサと、
該第２マルチプレクサが出力した信号を分圧し、基準流量信号として出力する第２分圧回路と、
前記第２マルチプレクサが出力した信号の極性を反転して出力する第２インバータ回路と、
該第２インバータ回路が出力した信号を分圧し、前記基準流量信号として出力する第３分圧回路とを備えるキャリブレータの調整方法であって、
前記第１分圧回路が出力する信号のうち、最も高い電圧の前記レンジにおける信号により、前記第２分圧回路および前記第３分圧回路の入力端子間の電圧並びに出力端子間の電圧を計測する工程と、
計測に係る電圧の値に基づいて、前記第２分圧回路および前記第３分圧回路における分圧に係る倍率をそれぞれ演算する工程と
を有し、調整事項の調整を行うキャリブレータの調整方法。
前記第１分圧回路が出力する複数の前記レンジに対応する信号により、前記第２分圧回路および前記第３分圧回路の入力端子間の電圧をそれぞれ計測する工程と、
計測に係る電圧の値に基づいて、複数の前記レンジのゼロ点における電圧を演算する工程と
をさらに有する請求項１に記載のキャリブレータの調整方法。
（ａ）前記基準信号に係る、前記最も高い電圧の前記レンジにおける信号による前記第２分圧回路および前記第３分圧回路の入力端子間の電圧
（ｂ）前記基準信号に係る、前記最も高い電圧の前記レンジにおける信号による前記第２分圧回路および前記第３分圧回路の出力端子間の電圧
（ｃ）前記第２インバータ回路が出力した信号に係る、前記最も高い電圧の前記レンジにおける信号による前記第２分圧回路および前記第３分圧回路の入力端子間の電圧
（ｄ）前記第２インバータ回路が出力した信号に係る、前記最も高い電圧の前記レンジにおける信号による前記第２分圧回路および前記第３分圧回路の出力端子間の電圧
を計測する請求項１または請求項２に記載のキャリブレータの調整方法。
演算制御装置と表示装置とを備え、
前記演算制御装置は、計測および演算に係る電圧の値および前記分圧に係る倍率に基づいて、前記第２分圧回路および前記第３分圧回路の前記出力端子間の電圧を演算し、前記表示装置に表示させる請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のキャリブレータの調整方法。