JP2022138376A - 電磁流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】差動増幅回路による流量信号の増幅を安定して行うことができる電磁流量計を提供する。【解決手段】第１差動増幅回路２２が、接地されたコモン電位（０Ｖ）を基準電位とし、流量信号Ｖ２に含まれる、起電力つまり流量を表す交流成分と、バイアス電圧ＶｂＡとバイアス電圧ＶｂＢとの差である電圧Ｖｄｅｆつまり直流成分と、を増幅するので、基準電位が不安定となることはない（接地されているため）。従って、第１差動増幅回路２２よる流量信号Ｖ２の増幅が安定して行われる。なお、接地されたコモン電位（０Ｖ）を基準電位としても、電圧Ｖｄｅｆが大きいと、電圧Ｖｄｅｆを増幅した値が大きなって、第１差動増幅回路２２で出力飽和が生じ、流量信号Ｖ２の増幅が安定しない。そこで、この実施の形態では、電圧Ｖｄｅｆに増幅率Ｇ１を乗じた値が、０より大きくかつ直流の電源電圧Ｖａｎａよりも小さくなるように電磁流量計１０が構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、流体の流量を計測する電磁流量計に関する。

電磁流量計は、流体の流れ方向に直交する方向に磁界を発生させることにより生じる起電力を利用して流体の流量を計測する。このような電磁流量計は、起電力を流量信号として取り出すが、当該流量信号は電圧値の小さな微弱な信号である。従って、電磁流量計には、流量信号を増幅する増幅回路が設けられている。この増幅回路に関する技術として、特許文献１には、起電力に基づく流量信号を増幅する差動増幅回路のオペアンプ用の電源電圧Ｖ１と、Ｖ１の１／２の電圧である電源電圧Ｖ２とを用いて、流量信号を増幅する技術が開示されている。

特開２００１－３２４３６１号公報

特許文献１に記載の技術では、流量信号を増幅する基準電圧が電源電圧Ｖ２となっているが、この場合、電源電圧Ｖ２の電圧安定性が良いことが要求される。しかしながら、電源電圧Ｖ２の電圧安定性は、一般に良くない。電源電圧Ｖ２の電圧安定性が悪いと、流量信号の増幅の安定性も悪くなる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、差動増幅回路による流量信号の増幅を安定して行うことができる電磁流量計を提供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の観点に係る電磁流量計は、流体の流れ方向に直交する方向に沿って磁界をその向きが所定周期で反転するように発生させ、前記流れ方向と前記磁界の方向とに直交する方向に生じる起電力に基づいて前記流体の流量を計測する電磁流量計であって、前記流れ方向と前記磁界の方向との両者に直交する方向に沿って対向し、前記磁界と前記流体の流量とに応じて生じる起電力を表す交流電圧信号を第１流量信号として出力する１対の第１検出電極及び第２検出電極と、前記流体に接触しかつ接地されたコモン電位を有するコモン電極と、前記第１検出電極及び前記第２検出電極にそれぞれ接続され、前記第１流量信号を伝送する第１信号ライン及び第２信号ラインと、前記第１信号ラインに第１バイアス電圧ＶｂＡを印加し、前記第２信号ラインに前記第１バイアス電圧よりも小さい第２バイアス電圧ＶｂＢを印加することで、前記第１流量信号をバイアスする第１バイアス回路と、直流電源電圧Ｖａｎａにより動作し、前記第１バイアス回路によりバイアスされた前記第１流量信号である第２流量信号を増幅率Ｇ１で増幅して第３流量信号を得る差動増幅回路と、を備え、前記差動増幅回路は、前記コモン電位を基準電位とし、前記第２流量信号の直流成分である、前記第１バイアス電圧ＶｂＡから前記第２バイアス電圧ＶｂＢを減じた電圧Ｖｄｅｆと、前記第２流量信号の交流成分と、を前記増幅率Ｇ１で増幅して、前記第３流量信号を得て、前記電圧Ｖｄｅｆに前記増幅率Ｇ１を乗じた値が、０より大きくかつ前記直流電源電圧Ｖａｎａよりも小さい。

前記差動増幅回路は、前記第３流量信号を出力端子から出力するオペアンプを備え、前記オペアンプの非反転入力端子が抵抗を介して前記コモン電位に接続されることで、前記差動増幅回路の前記基準電位が前記コモン電位に設定されている、ようにしてもよい。

前記差動増幅回路は、前記第１信号ラインが接続された非反転入力端子を有する第１オペアンプと、前記第２信号ラインが接続された非反転入力端子を有する第２オペアンプと、を備え、前記第２流量信号を増幅する第１回路と、反転入力端子と、前記第１回路により増幅された前記第２流量信号が入力される非反転入力端子とを備え、前記コモン電位を基準電位とする前記第３流量信号を出力端子から出力する第３オペアンプと、を備え、前記第３オペアンプの前記非反転入力端子が抵抗を介して前記コモン電位に接続されることで、前記差動増幅回路の前記基準電位が前記コモン電位に設定されている、ようにしてもよい。

前記差動増幅回路の後段に設けられ、前記差動増幅回路から出力された前記第３流量信号を増幅する後段増幅回路と、前記差動増幅回路と前記後段増幅回路との間に配置され、前記差動増幅回路から出力された前記第３流量信号の直流成分をカットするカップリングコンデンサと、をさらに備える、ようにしてもよい。

前記カップリングコンデンサにより直流成分がカットされた前記第３流量信号を第３バイアス電圧ＶｂＣでバイアスする第２バイアス回路と、前記後段増幅回路は、前記第２バイアス回路によりバイアスされた前記第３流量信号を増幅率Ｇ２で増幅して第４流量信号として得て、前記第４流量信号が直接又は間接的に入力されるアナログ／デジタル変換回路をさらに備え、前記後段増幅回路は、前記コモン電位を基準電位とし、前記第２バイアス回路によりバイアスされた前記第３流量信号の直流成分である前記第３バイアス電圧ＶｂＣを前記増幅率Ｇ２で増幅し、前記第２バイアス回路によりバイアスされた前記第３流量信号の交流成分を前記増幅率Ｇ２で増幅して、前記第４流量信号を得て、前記第３バイアス電圧ＶｂＣに前記増幅率Ｇ２を乗じた値が、０より大きくかつ前記アナログ／デジタル変換回路に入力される電圧の上限値よりも小さい、ようにしてもよい。

前記後段増幅回路は、前記第３流量信号が入力される非反転入力端子と前記第４流量信号を出力する出力端子とを備える第４オペアンプを備え、前記第４オペアンプの反転入力端子が抵抗を介して前記コモン電位に接続されることで、前記後段増幅回路の前記基準電位が前記コモン電位に設定されている、ようにしてもよい。

本発明によれば、差動増幅回路による流量信号の増幅が安定して行われる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電磁流量計の構成図である。 図２は、電磁流量計の信号処理回路の回路図である。 図３は、信号処理回路の動作波形を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１に示すように、本発明の実施の形態に係る電磁流量計１０は、非接液型の電磁流量計として構成され、計測管Ｐを流れる流体の流れ方向に直交する方向に沿って磁界をその向きが所定周期で反転するように発生させ、流体の流れ方向と磁界の方向とに直交する方向に生じる起電力に基づいて流体の流量を計測する。電磁流量計１０は、信号処理回路２０と、検出部３０と、電源回路４０と、励磁回路５０と、制御回路６０と、測定結果出力部７０と、を備える。本実施の形態では、信号処理回路２０に特徴があり、検出部３０、電源回路４０、励磁回路５０、制御回路６０、及び、測定結果出力部７０の各構造は公知の構造が採用されている。以下、検出部３０～測定結果出力部７０を簡単に説明してから、信号処理回路２０について説明する。

検出部３０は、一対の励磁コイル３１Ａ及び３１Ｂと、一対の検出電極３２Ａ及び３２Ｂと、コモン電極３２Ｃと、を備える。検出部３０は、計測管Ｐを含んで構成されてもよい。励磁コイル３１Ａ及び３１Ｂは、計測管Ｐを挟んで配置され、励磁回路５０により励磁され磁界を発生させる（詳細は後述）。検出電極３２Ａ及び３２Ｂは、計測管Ｐを挟んで、励磁コイル３１Ａ及び３１Ｂが発生させる磁界の方向と計測管Ｐ内を流れる流体が流れる方向との両者に直交する方向に沿って対向している。検出電極３２Ａ及び３２Ｂは、励磁コイル３１Ａ及び３１Ｂにより発生した磁界により発生する、計測管Ｐを流れる流体の流量（ここでは流速）に応じた起電力を表す電圧信号を流量信号として出力する。コモン電極３２Ｃは、計測管Ｐを流れる流体と接触している。コモン電極３２Ｃは、接地されており、０Ｖのコモン電位Ａｃｏｍを有する。

電源回路４０は、上位装置（図示せず）から供給される入力直流電力ＤＣｉｎ（例えば２４Ｖ）から複数の直流電力を生成し、生成した各直流電力を、信号処理回路２０、励磁回路５０、及び、制御回路６０に供給する電源として機能している。電源回路４０は、コモン電位Ａｃｏｍ（０Ｖ）を基準電位とする電源電圧Ｖａｎａ（例えば、５Ｖ）を信号処理回路２０に供給する。さらに、電源回路４０は、励磁回路５０及び制御回路６０それぞれにも、コモン電位（０Ｖ）を基準電位とした電源電圧を供給する。

励磁回路５０は、電源回路４０からの直流電力により動作する。励磁回路５０は、制御回路６０により制御され、検出部３０の励磁コイル３１Ａ及び３１Ｂに対して、所定周期で励磁極性が切り替えられる励磁電流を供給する。これにより、計測管Ｐには、所定周期で極性が反転する磁界が発生する。

検出電極３２Ａと検出電極３２Ｂとの間には、励磁回路５０によって発生する磁界及び計測管Ｐを流れる流体の流量に応じて、前記の一定周期で正負が反転する交流の起電力が生じる。検出電極３２Ａ及び３２Ｂは、この交流の起電力を表す交流電圧信号を流量信号として信号処理回路２０に出力する。詳細は後述するが、信号処理回路２０は、検出電極３２Ａ及び３２Ｂからの交流電圧信号を増幅及びアナログ・デジタル変換し、計測管Ｐを流れる流体の流量に応じた数値のデジタルデータを制御回路６０に出力する。

制御回路６０は、電磁流量計１０全体を制御する。制御回路６０は、特に、信号処理回路２０及び励磁回路５０の動作を制御する。上述のように、制御回路６０には、信号処理回路２０から出力された前記数値のデジタルデータに基づいて、計測管Ｐを流れる流体の流量を算出し、算出した流量を測定結果出力部７０に出力する。制御回路６０は、例えば、前記数値に計測管Ｐの断面積をかけて流量を算出する。

測定結果出力部７０は、制御回路６０から供給された流量をアナログ信号（例えば、４～２０ｍＡの信号）に変換して電磁流量計１０の外部に出力するアナログ出力回路７１を備える。測定結果出力部７０は、制御回路６０に制御されて流量を表示するディスプレイ７２も備える。

図２に示すように、信号処理回路２０は、カップリングコンデンサＣ１～Ｃ３と、第１バイアス回路２１と、第１差動増幅回路２２と、第２バイアス回路２３と、非反転増幅回路２４と、サンプルホールド回路２５と、第２差動増幅回路２６と、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路２７と、を備える。なお、以下の説明では、適宜図３に示す動作波形も適宜参照する。図３に示す波形は、流量が一定のときの波形であり、後述の流量信号Ｖ１～Ｖ８などの波形を示す。

信号処理回路２０において、カップリングコンデンサＣ１及びＣ２の各一端は、検出電極３２Ａ及び３２Ｂにそれぞれ接続されている。カップリングコンデンサＣ１及びＣ２の各他端は、信号ラインＬ１及びＬ２をそれぞれ介して第１差動増幅回路２２に接続されている。検出電極３２Ａ及び３２Ｂからの流量信号Ｖ１は、その直流成分がカップリングコンデンサＣ１及びＣ２によりカットされて、第１差動増幅回路２２に供給される。図３に示すように、ここでの流量信号Ｖ１は、励磁コイル３１Ａ及び３１Ｂの励磁極性に応じて、－１．０ｍＶと１．０ｍＶとの値を交互にとる交流電圧信号であるものとする。なお、流量信号Ｖ１の振幅の中心電位（流量が０のときの電位）は、０ｍＶとなっている。流量信号Ｖ１は、検出電極３２Ａ及び３２Ｂにより検出された、上記磁界と流体の流量とに応じて生じた起電力を表す。

第１バイアス回路２１は、信号ラインＬ１及びＬ２に、バイアス電圧ＶｂＡ及びＶｂＢをそれぞれ印加し、信号ラインＬ１及びＬ２により伝送される流量信号Ｖ１をバイアスする。バイアス後の流量信号Ｖ１を、流量信号Ｖ２ともいう。第１バイアス回路２１は、抵抗Ｒ１～Ｒ５から構成されている。

抵抗Ｒ１～Ｒ３は、直列に接続されており、その両端には電源回路４０からの電源電圧Ｖａｎａが印加される。抵抗Ｒ４及びＲ５は、バイアス電圧印加用の抵抗である。抵抗Ｒ４の一端は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とを接続している節点Ｎ１に接続され、他端は、信号ラインＬ１に接続されている。抵抗Ｒ５の一端は、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３とを接続している節点Ｎ２に接続され、他端は、信号ラインＬ２に接続されている。抵抗Ｒ４及びＲ５の各抵抗値は、流量信号の信号インピーダンスに対して小さいと流量信号が減衰してしまうため、十分に大きい抵抗値（例えば１０ＭΩ以上）であることが望ましい。

以上のような第１バイアス回路２１の構成により、信号ラインＬ１には、電源電圧Ｖａｎａを抵抗Ｒ１～Ｒ３により分圧したバイアス電圧ＶｂＡが、抵抗Ｒ４を介して印加される。信号ラインＬ２には、電源電圧Ｖａｎａを抵抗Ｒ１～Ｒ３により分圧したバイアス電圧ＶｂＢが、抵抗Ｒ５を介して印加される。バイアス電圧ＶｂＡは、バイアス電圧ＶｂＢよりも大きい電圧値を有する（詳細は後述）。図３に示すように、流量信号Ｖ２は、バイアス電圧ＶｂＡ－バイアス電圧ＶｂＢで求まる電圧分、ここでは、２５０ｍＶだけバイアスされる。流量信号Ｖ２は、２５０ｍＶを振幅の中心電位として、流量信号Ｖ１と同じ振幅幅で振幅している。つまり、流量信号Ｖ２は、バイアス分の２５０ｍＶの直流成分と、上記起電力を表す交流成分と、を含んでいる。

第１差動増幅回路２２は、第１バイアス回路２１によるバイアス後の流量信号Ｖ２を増幅する。第１差動増幅回路２２は、オペアンプＵ１～Ｕ３及び抵抗Ｒ６～Ｒ１２を含んで構成されている。オペアンプＵ１～Ｕ３それぞれは、電源回路４０からの電源電圧Ｖａｎａにより動作する。オペアンプＵ１及びＵ２と抵抗Ｒ６～８とは、流量信号Ｖ２を増幅するプリアンプ回路を構成する。増幅された流量信号Ｖ２を流量信号Ｖ３ともいう。オペアンプＵ３と抵抗Ｒ９～Ｒ１２は、プリアンプ回路により増幅された後の流量信号Ｖ３の電位差を、コモン電位Ａｃｏｍ（０Ｖ）を基準電位とした電位を示す流量信号Ｖ４に変換する。

オペアンプＵ１の非反転入力端子（＋）には、信号ラインＬ１が接続されている。オペアンプＵ１の反転入力端子（－）及び出力端子には、抵抗Ｒ７の一端及び他端がそれぞれ接続されている。オペアンプＵ２の非反転入力端子（＋）には、信号ラインＬ２が接続されている。オペアンプＵ２の反転入力端子（－）及び出力端子には、抵抗Ｒ８の一端及び他端がそれぞれ接続されている。オペアンプＵ１及びＵ２の反転入力端子（－）同士は、抵抗Ｒ６を介して接続されている。

オペアンプＵ１の出力端子は、抵抗Ｒ９を介して、オペアンプＵ３の非反転入力端子（＋）に接続されている。抵抗Ｒ９とオペアンプＵ３の非反転入力端子（＋）とが接続されている節点Ｎ３は、抵抗Ｒ１１を介してコモン電位Ａｃｏｍに接続されている。これにより、第１差動増幅回路２２の増幅の基準電圧がコモン電位Ａｃｏｍに設定されている。オペアンプＵ２の出力端子は、抵抗Ｒ１０を介して、オペアンプＵ３の反転入力端子（－）に接続されている。オペアンプＵ３の反転入力端子（－）及び出力端子には、抵抗Ｒ１２の一端及び他端がそれぞれ接続されている。

以上のような構成の第１差動増幅回路２２により、流量信号Ｖ２の直流成分は、基準電位をコモン電位Ａｃｏｍとして、流量信号Ｖ４の直流成分Ｖｂ４に増幅される。流量信号Ｖ２の交流成分も、基準電位をコモン電位Ａｃｏｍとして、第１差動増幅回路２２により増幅され、増幅された交流成分は、流量信号Ｖ４の交流成分となる。このような流量信号Ｖ４は、直流成分Ｖｂ４の電圧値を振幅の中心電位として交流成分が振幅する交流信号となる。

流量信号Ｖ４の直流成分Ｖｂ４（振幅の中心電位）は、例えば、下記の式（１）のように、電源電圧Ｖａｎａの１／２に設定される。下記のＧ１は、第１差動増幅回路２２（ここでは、特に、プリアンプ回路）の増幅率である。
Ｖｂ４＝（ＶｂＡ－ＶｂＢ）＊Ｇ１＝Ｖａｎａ／２・・・（１）

ここで、Ｖａｎａ＝５Ｖ、Ｇ１＝１０倍、抵抗Ｒ１＝Ｒ３＝９．５ｋΩ、抵抗Ｒ２＝１ｋΩ、として、ＶｂＡ＝２．６２５Ｖ、ＶｂＢ＝２．３７５Ｖに設定すると、Ｖｂ４＝（２．６２５－２．３７５）×１０＝２．５Ｖとなり、電源電圧Ｖａｎａの中間値が得られる。

なお、ＶｂＡ－ＶｂＢ＝電圧Ｖｄｅｆとすると、電圧Ｖｄｅｆに増幅率Ｇ１を乗じた値が、０より大きくかつ直流の電源電圧Ｖａｎａよりも小さければよい。これにより、電圧Ｖｄｅｆを増幅した値が大きくなって、第１差動増幅回路２２で出力飽和が生じるといった不都合の発生を抑制できる。

図３に示すように、流量信号Ｖ３及びＶ４は、直流成分Ｖｂ４の電圧値である２．５Ｖを振幅の中心電位として、±１０ｍＶ振幅する交流信号となっている。流量信号Ｖ３等と、流量信号Ｖ２とを比較すると、第１差動増幅回路２２（ここでは、特に、プリアンプ回路）により流量信号Ｖ２の直流成分の電位２５０ｍＶ及び交流成分の±１ｍＶの振幅が増幅率１０倍で増幅されている。従って、流量信号Ｖ３及びＶ４は、２５０ｍＶ×１０＝２．５Ｖを振幅の中心電位として、±１ｍＶ×１０＝±１０ｍＶだけ振幅している。

オペアンプＵ３の出力端子と抵抗Ｒ１２とが接続された接点Ｎ５には、カップリングコンデンサＣ３の一端が接続されている。カップリングコンデンサＣ３の他端は、信号ラインＬ３を介して非反転増幅回路２４に接続されている。カップリングコンデンサＣ３は、第１差動増幅回路２２から出力された流量信号Ｖ４の直流成分Ｖｂ４をカットする。

第２バイアス回路２３は、信号ラインＬ３に、バイアス電圧ＶｂＣを印加し、信号ラインＬ３により伝送される、カップリングコンデンサＣ３により直流成分Ｖｂ４がカットされた後の流量信号Ｖ４をバイアス電圧ＶｂＣでバイアスする。バイアス後の流量信号Ｖ４を、流量信号Ｖ５ともいう。第１バイアス回路２１は、抵抗Ｒ１３～Ｒ１５から構成されている。カップリングコンデンサＣ３により直流成分Ｖｂ４がカットされているので、バイアス電圧ＶｂＣは、直流成分Ｖｂ４とは関係なく設定可能であり、直流成分Ｖｂ４よりも低くしてもよい。

抵抗Ｒ１３及びＲ１４は、直列に接続されており、その両端には電源回路４０からの電源電圧Ｖａｎａが印加される。抵抗Ｒ１５は、バイアス電圧印加用の抵抗である。抵抗Ｒ１５の一端は、抵抗Ｒ１３と抵抗Ｒ１４とを接続している節点Ｎ６に接続され、他端は、信号ラインＬ３に接続されている。抵抗Ｒ１５の抵抗値は、カップリングコンデンサＣ３のインピーダンスに対して小さいと流量信号が減衰してしまうため、十分に大きい抵抗値（例えば１ＭΩ以上）であることが望ましい。

以上のような第２バイアス回路２３の構成により、信号ラインＬ３には、電源電圧Ｖａｎａを抵抗Ｒ１３及びＲ１４により分圧したバイアス電圧ＶｂＣが、抵抗Ｒ１５を介して印加される。

図３のように、流量信号Ｖ５は、直流成分がカットされた流量信号Ｖ４から５００ｍＶ分バイアスされており、流量信号Ｖ５は、５００ｍＶを振幅の中心電位として、流量信号Ｖ４と同じ振幅幅（１０ｍＶ）で振幅している。つまり、流量信号Ｖ５は、バイアス分の５００ｍＶの直流成分と、±１０ｍＶの振幅の交流成分と、を含んでいる。

非反転増幅回路２４は、第２バイアス回路２３によるバイアス後の流量信号Ｖ５を増幅する。非反転増幅回路２４により増幅され出力された流量信号Ｖ５を流量信号Ｖ６ともいう。非反転増幅回路２４は、オペアンプＵ４と抵抗Ｒ１６及びＲ１７とを含んで構成されている。オペアンプＵ４は、電源回路４０からの電源電圧Ｖａｎａにより動作する。

オペアンプＵ４の非反転入力端子（＋）には、信号ラインＬ３が接続されている。オペアンプＵ４の反転入力端子（－）及び出力端子には、抵抗Ｒ１６の一端及び他端がそれぞれ接続されている。オペアンプＵ４の反転入力端子（－）は、抵抗Ｒ１７を介して接地され、これにより、コモン電位Ａｃｏｍに接続されている。これにより、非反転増幅回路２４の基準電位は、コモン電位Ａｃｏｍに設定されている。

非反転増幅回路２４は、コモン電位Ａｃｏｍを基準電位として、流量信号Ｖ５の直流成分つまりバイアス電圧ＶｂＣを増幅するとともに、流量信号Ｖ５の交流成分つまりカップリングコンデンサＣ３により直流成分Ｖｂ４がカットされた後の流量信号Ｖ４を増幅する。非反転増幅回路２４から出力される流量信号Ｖ６は、バイアス電圧ＶｂＣを非反転増幅回路２４で増幅した流量信号Ｖ６の直流成分Ｖｂ６の電圧値を振幅の中心電圧として交流成分が振幅する交流信号となる。

バイアス電圧ＶｂＣは、例えば、下記の式（２）のように、流量信号Ｖ６の直流成分Ｖｂ６が、後段のＡ／Ｄ変換回路２７の入力電圧範囲の上限値Ｖｍａｘの１／２となるように設定される。下記のＧ２は、非反転増幅回路２４の増幅率である。
Ｖｂ６＝ＶｂＣ＊Ｇ２＝Ｖｍａｘ／２・・・（２）

ここで、Ｖａｎａ＝５Ｖ、Ｖｍａｘ＝５Ｖ、Ｇ２＝５倍、抵抗Ｒ１３＝９ｋΩ、抵抗Ｒ１４＝１ｋΩ、として、ＶｂＣ＝０．５Ｖに設定すると、Ｖｂ６＝０．５×５＝２．５Ｖとなり、Ｖｍａｘ＝５Ｖの中間値が得られる。

バイアス電圧ＶｂＣに増幅率Ｇ２を乗じた値は、０より大きくかつＶｍａｘよりも小さければよい。これにより、バイアス電圧ＶｂＣを増幅した電圧値が大きくなって、Ａ／Ｄ変換回路２７でレンジオーバーが生じることが抑制される。なお、このような効果は、特に、第２差動増幅回路２６が省略されたときに有効である。

図３に示すように、流量信号Ｖ６は、直流成分Ｖｂ６の電圧値である２．５Ｖを振幅の中心電位として、±５０ｍＶ振幅する交流信号となっている。流量信号Ｖ６と、流量信号Ｖ５とを比較すると、非反転増幅回路２４により流量信号Ｖ５の直流成分の電位５００ｍＶ及び交流成分の±１０ｍＶの振幅が増幅率５倍で増幅されている。従って、流量信号Ｖ６は、５００ｍＶ×５＝２．５Ｖを振幅の中心電位として、±１０ｍＶ×５＝±５０ｍＶだけ振幅している。

オペアンプＵ４の出力端子は、サンプルホールド回路２５の節点Ｎ７に接続されている。サンプルホールド回路２５は、スイッチＳＷ１及びＳＷ２と、コンデンサＣ４及びＣ５とを備える。スイッチＳＷ１及びＳＷ２の各一端は、節点Ｎ７に接続されている。コンデンサＣ４は、一端がスイッチＳＷ１に接続され、他端が、接地されコモン電位Ａｃｏｍに接続されている。コンデンサＣ５は、一端がスイッチＳＷ２に接続され、他端が、接地されコモン電位Ａｃｏｍに接続されている。

サンプルホールド回路２５は、制御回路６０により制御される。制御回路６０は、励磁回路５０とともにサンプルホールド回路２５を制御する。制御回路６０は、図３に示すように励磁コイル３１Ａ及び３１Ｂの励磁周期の正極性期間の後半（例えば１／８の期間）だけＳＷ１をオンする制御信号ＳＭＰ１をサンプルホールド回路２５に供給する。制御回路６０は、励磁コイル３１Ａ及び３１Ｂの励磁周期の負極性期間の後半（例えば１／８の期間）だけＳＷ２をオンする制御信号ＳＭＰ２をサンプルホールド回路２５に供給する。このオンにより、サンプルホールド回路２５は、流量信号Ｖ６の振幅をコンデンサＣ４及びＣ５にて保持する。これにより、流量信号Ｖ６は交流信号から直流信号に変換され、サンプルホールド回路２５から出力される。このサンプルホールド回路２５から出力される直流信号を流量信号Ｖ７ともいう。図３に示すように、流量信号Ｖ７は、流量信号Ｖ６の振幅×２の１００ｍＶの直流信号である。

第２差動増幅回路２６は、サンプルホールド回路２５から出力される流量信号Ｖ７を、後段のＡ／Ｄ変換回路２７で十分な分解能が得られるレベルまで、さらに差動増幅する。差動増幅された後の流量信号Ｖ７を流量信号Ｖ８ともいう。第２差動増幅回路２６は、第１差動増幅回路２２のプリアンプ回路と同様に、オペアンプＵ５及びＵ６と抵抗Ｒ２０～Ｒ２２とを備える。第２差動増幅回路２６は、流量信号Ｖ８をＡ／Ｄ変換回路２７に出力する。第２差動増幅回路２６は、増幅率２０倍で流量信号Ｖ７を増幅して流量信号Ｖ８（図３参照）を得る。

Ａ／Ｄ変換回路２７は、制御回路６０により制御され、流量信号Ｖ８（直流信号）をアナログ・デジタル変換し、変換後のデジタルデータの数値を制御回路６０に供給する。Ａ／Ｄ変換回路２７は、差動入力タイプであるので、第２差動増幅回路２６からの出力はそのままＡ／Ｄ変換回路２７に入力されることができる。これにより、第２差動増幅回路２６は、基準電位に接続される必要がなく、特別な基準電圧電源なども不要である。

本実施の形態では、第１差動増幅回路２２が、接地されたコモン電位（０Ｖ）を基準電位とし、流量信号Ｖ２に含まれる、起電力つまり流量を表す交流成分と、バイアス電圧ＶｂＡとバイアス電圧ＶｂＢとの差である電圧Ｖｄｅｆつまり直流成分と、を増幅するので、基準電位が不安定となることはない（接地されているため）。従って、第１差動増幅回路２２よる流量信号Ｖ２の増幅が安定して行われる。なお、接地されたコモン電位（０Ｖ）を基準電位としても、電圧Ｖｄｅｆが大きいと、電圧Ｖｄｅｆを増幅した値が大きなって、第１差動増幅回路２２で出力飽和が生じ、流量信号Ｖ２の増幅が安定しない。そこで、この実施の形態では、電圧Ｖｄｅｆに増幅率Ｇ１を乗じた値が、０より大きくかつ直流の電源電圧Ｖａｎａよりも小さくなるように電磁流量計１０が構成されている。これにより、前記の出力飽和を抑制でき、第１差動増幅回路２２により流量信号Ｖ２の増幅が安定して行われる。

この実施の形態では、信号処理回路２０を動作させる電力が電源回路４０という単一の電源から供給されるので、電磁流量計の製造コストを抑えることができる。

また、この実施の形態では、第１差動増幅回路２２と、非反転増幅回路２４と、第２差動増幅回路２６との３段で信号増幅を行い、それぞれの増幅率を低くすることにより（上記では、１０倍、５倍、２０倍とし、全体で１０００倍)、各増幅回路での出力飽和およびＡ／Ｄ変換回路２７でのレンジオーバーの発生を抑制している。

さらに、この実施の形態では、第１差動増幅回路２２と、非反転増幅回路２４と、の間に、第１差動増幅回路２２から出力された流量信号Ｖ４の直流成分をカットするカップリングコンデンサＣ３が設けられている。これにより、非反転増幅回路２４以降で、流量信号の電圧が大きくなって、出力飽和が発生する可能性を軽減できる。また、第１差動増幅回路２２から出力された流量信号Ｖ４に対して、第１バイアス回路２１で印加されたバイアス電圧とは別のバイアス電圧ＶｂＣを加えることができる。上記のように、増幅回路を多段階として、増幅回路の間に、増幅された流量信号の直流成分をカットするカップリングコンデンサＣ３を設けることで、流量信号の電圧値（特に、直流分の電圧値つまり交流成分の振幅の中心電位）が必要以上に高くなることが抑制される。

非反転増幅回路２４でも、基準電位をコモン電位Ｖｃｏｍとしたので、当該基準電位が安定し、非反転増幅回路２４での増幅も安定して行われる。

Ａ／Ｄ変換回路２７に最終的に入力される流量信号は、サンプルホールド回路２５のコンデンサＣ４及びＣ５によって直流化および平均化されている。このため、計測対象の流体に気泡又は異物などが混入したり、計測対象の流体が低導電率流体であったりして、瞬間的に異常な流量信号が発生したとしても、第２差動増幅回路２６への差動入力信号の急激な変化は抑制される。これにより、第２差動増幅回路２６が非反転増幅回路２４より大きな増幅率を有しても、Ａ／Ｄ変換回路２７に入力電圧範囲外の電圧が入力されてしまうことが抑制される。

Ａ／Ｄ変換回路２７が差動入力タイプであることにより、逆流方向の流量も計測可能である。Ａ／Ｄ変換回路２７の入力端子ＩＮＰとＩＮＮに入力される電圧の大小関係は、通常方向の流れのときはＩＮＰ＞ＩＮＮであるが、逆流のときＩＮＰ＜ＩＮＮとなる。

上記実施の形態について変形を施してもよい。たとえば、第１差動増幅回路２２と、非反転増幅回路２４と、第２差動増幅回路２６との各増幅率の割り当ては任意である。非反転増幅回路２４を増幅率１倍のバッファアンプとしてもよい。なお、「増幅」は、増幅率１倍を含んでもよい。つまり、増幅回路は、オペアンプ等を用いて信号を１倍よりも大きくする回路の他、適宜１倍する回路であってもよい。非反転増幅回路２４の増幅率を大きくして第２差動増幅回路２６を省略してもよい。

非反転増幅回路２４からの出力は、Ａ／Ｄ変換回路２７の入力端子ＩＮＰに直接入力されてもよい。この場合、入力端子ＩＮＮはコモン電位Ａｃｏｍ（０Ｖ）に接続する。

本発明は、検出電極が接液しない容量式電磁流量計に限らず、検出電極が計測対象の流体に接触する接液式電磁流量計などにも適用可能である。信号処理回路２０などの回路構成は任意であり、上記構成には限定されない。

（本発明の範囲）
以上、実施形態及び変形例を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、本発明には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る、上記実施形態及び変形例に対する様々な変更が含まれる。上記実施形態及び変形例に挙げた各構成は、矛盾の無い範囲で適宜組み合わせることができる。

１０…電磁流量計、２０…信号処理回路、２１…第１バイアス回路、２２…第１差動増幅回路、２３…第２バイアス回路、２４…非反転増幅回路、２５…サンプルホールド回路２６…第２差動増幅回路、２７…Ａ／Ｄ変換回路、３０…検出部、３１Ａ，３１Ｂ…励磁コイル、３２Ａ，３２Ｂ…検出電極、３２Ｃ…コモン電極、４０…電源回路、５０…励磁回路、６０…制御回路、Ｃ１～Ｃ３…カップリングコンデンサ、Ｌ１～Ｌ３…信号ライン、Ｐ…計測管、Ｒ１～Ｒ２２…抵抗、Ｕ１～Ｕ６…オペアンプ。

Claims (6)

1. 流体の流れ方向に直交する方向に沿って磁界をその向きが所定周期で反転するように発生させ、前記流れ方向と前記磁界の方向とに直交する方向に生じる起電力に基づいて前記流体の流量を計測する電磁流量計であって、
   前記流れ方向と前記磁界の方向との両者に直交する方向に沿って対向し、前記磁界と前記流体の流量とに応じて生じる起電力を表す交流電圧信号を第１流量信号として出力する１対の第１検出電極及び第２検出電極と、
   前記流体に接触しかつ接地されたコモン電位を有するコモン電極と、
   前記第１検出電極及び前記第２検出電極にそれぞれ接続され、前記第１流量信号を伝送する第１信号ライン及び第２信号ラインと、
   前記第１信号ラインに第１バイアス電圧ＶｂＡを印加し、前記第２信号ラインに前記第１バイアス電圧よりも小さい第２バイアス電圧ＶｂＢを印加することで、前記第１流量信号をバイアスする第１バイアス回路と、
   直流電源電圧Ｖａｎａにより動作し、前記第１バイアス回路によりバイアスされた前記第１流量信号である第２流量信号を増幅率Ｇ１で増幅して第３流量信号を得る差動増幅回路と、を備え、
   前記差動増幅回路は、前記コモン電位を基準電位とし、前記第２流量信号の直流成分である、前記第１バイアス電圧ＶｂＡから前記第２バイアス電圧ＶｂＢを減じた電圧Ｖｄｅｆと、前記第２流量信号の交流成分と、を前記増幅率Ｇ１で増幅して、前記第３流量信号を得て、
   前記電圧Ｖｄｅｆに前記増幅率Ｇ１を乗じた値が、０より大きくかつ前記直流電源電圧Ｖａｎａよりも小さい、
   電磁流量計。
2. 前記差動増幅回路は、前記第３流量信号を出力端子から出力するオペアンプを備え、
   前記オペアンプの非反転入力端子が抵抗を介して前記コモン電位に接続されることで、前記差動増幅回路の前記基準電位が前記コモン電位に設定されている、
   請求項１に記載の電磁流量計。
3. 前記差動増幅回路は、
   前記第１信号ラインが接続された非反転入力端子を有する第１オペアンプと、前記第２信号ラインが接続された非反転入力端子を有する第２オペアンプと、を備え、前記第２流量信号を増幅する第１回路と、
   反転入力端子と、前記第１回路により増幅された前記第２流量信号が入力される非反転入力端子とを備え、前記コモン電位を基準電位とする前記第３流量信号を出力端子から出力する第３オペアンプと、を備え、
   前記第３オペアンプの前記非反転入力端子が抵抗を介して前記コモン電位に接続されることで、前記差動増幅回路の前記基準電位が前記コモン電位に設定されている、
   請求項１又は２に記載の電磁流量計。
4. 前記差動増幅回路の後段に設けられ、前記差動増幅回路から出力された前記第３流量信号を増幅する後段増幅回路と、
   前記差動増幅回路と前記後段増幅回路との間に配置され、前記差動増幅回路から出力された前記第３流量信号の直流成分をカットするカップリングコンデンサと、
   をさらに備える請求項１から３のいずれか１項に記載の電磁流量計。
5. 前記カップリングコンデンサにより直流成分がカットされた前記第３流量信号を第３バイアス電圧ＶｂＣでバイアスする第２バイアス回路と、
   前記後段増幅回路は、前記第２バイアス回路によりバイアスされた前記第３流量信号を増幅率Ｇ２で増幅して第４流量信号として得て、
   前記第４流量信号が直接又は間接的に入力されるアナログ／デジタル変換回路をさらに備え、
   前記後段増幅回路は、前記コモン電位を基準電位とし、前記第２バイアス回路によりバイアスされた前記第３流量信号の直流成分である前記第３バイアス電圧ＶｂＣを前記増幅率Ｇ２で増幅し、前記第２バイアス回路によりバイアスされた前記第３流量信号の交流成分を前記増幅率Ｇ２で増幅して、前記第４流量信号を得て、
   前記第３バイアス電圧ＶｂＣに前記増幅率Ｇ２を乗じた値が、０より大きくかつ前記アナログ／デジタル変換回路に入力される電圧の上限値よりも小さい、
   請求項４に記載の電磁流量計。
6. 前記後段増幅回路は、前記第３流量信号が入力される非反転入力端子と前記第４流量信号を出力する出力端子とを備える第４オペアンプを備え、
   前記第４オペアンプの反転入力端子が抵抗を介して前記コモン電位に接続されることで、前記後段増幅回路の前記基準電位が前記コモン電位に設定されている、
   請求項５に記載の電磁流量計。

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