JP2022543479A

JP2022543479A - 磁気流量計用の連続適応型デジタルコイルドライバ

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Publication number: JP2022543479A
Application number: JP2022507760A
Authority: JP
Inventors: アメリ、マスード
Original assignee: マイクロモーションインコーポレイテッド
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2022-10-12
Also published as: EP4025882A1; EP4025882B1; US11204267B2; CN211904251U; CN112444291A; US20210072056A1

Abstract

流体の流れ（１０１）を測定するための磁気流量計（３００）は、流体中に磁場を生成するためのコイル電流を受け取るための第１及び第２のコイルワイヤを有するコイル（１０４）を有する、流れを受け取る流管アセンブリ（１０２）を含む。これは、流体中に流れ（１０１）を表す起電力を発生させる。起電力センサを配置して、起電力を検知し、流量に関連した出力を生成する。電流供給回路（１１０）は、コマンド信号に応答してコイル（１０４）の第１及び第２のワイヤにコイル電流を供給する。デジタル制御回路（３０８）は、制御アルゴリズムの関数として、電流供給回路（１１０）にコマンド信号を供給する。一態様では、制御アルゴリズムはコイル（１０４）の電気パラメータの変化に適応される。また、磁気流量計（３００）を実装する方法も提供される。

Description

本開示の実施形態は、磁気流量計に関し、より具体的には、流量測定に用いられる磁場を生成するために使用される電流を制御するための技術に関する。

精密かつ正確な流量制御は、例えば、バルク流体処理、食品及び飲料の調製、化学及び医薬品、水及び空気の分配、炭化水素の抽出及び処理、環境制御、並びに、熱可塑性プラスチック、薄膜、接着剤、樹脂、及び他の流体材料を利用する一連の製造技術を含む、広範囲の流体処理用途にとって重要である。各特定の用途で使用される流量測定技術は、関連する流体と、関連するプロセスの圧力、温度、及び流量とに依存する。

例示的な流量測定技術には、機械的回転の関数として流量を測定するタービン装置と、ベルヌーイ効果又は流量制限の圧力損失の関数として流量を測定するピトーセンサ及び差圧装置と、振動効果の関数として流量を測定する渦及びコリオリ装置と、熱伝導率の関数として流量を測定する質量流量計と、が含まれる。磁気流量計は、機械的効果や熱力学的効果ではなく、電磁的相互作用に依存するファラデーの法則に基づいて流れを特徴付けることによって、これらの技術とは区別される。特に、磁気流量計は、プロセス流体の導電性と、流体が磁場領域を流れるときに誘起される起電力（ＥＭＦ）とに依存する。

従来の磁気流量計は、センサ部及びトランスミッタ部を含む。トランスミッタ部は、センサ部のコイルを介して電流を駆動し、導管部全体に磁場を発生させるコイルドライバを含む。この磁場によって、流れに、流速に比例する起電力又は電位差（電圧）が誘導される。磁気流量計は、センサ部で検出される電圧差に基づいて流量を測定する。

流量計内の電流供給回路は、磁気コイルに交流電流を印加するために使用される。供給回路は、第１及び第２のコイルワイヤの一方を供給導線（supply conductor）に接続する第１及び第２のスイッチを有するＨブリッジトランジスタ回路を含む。ブリッジ回路の第３及び第４のスイッチは、第１及び第２のコイルワイヤの他方を第２の供給導線に接続する。制御回路が、第１、第２、第３、及び第４のスイッチの導通を周期的に交替させて、コイル電流の極性を反転させる。誘導性負荷に印加される交流電流は制御が困難であり、流量測定に誤差をもたらす可能性がある。

流体の流れを測定するための磁気流量計は、流体中に磁場を生成するためのコイル電流を受け取るための第１及び第２のコイルワイヤを有するコイルを有する、流れを受け取る流管アセンブリを含む。これにより、流体中に流れを表す起電力が発生する。起電力センサを配置して、起電力を検知し、流量に関連する出力を生成する。電流供給回路は、コマンド信号に応答してコイルの第１及び第２のワイヤにコイル電流を供給する。デジタル制御回路は、制御アルゴリズムの関数として、電流供給回路にコマンド信号を供給する。一態様では、制御アルゴリズムは、コイルの電気パラメータの変化に適応される。また、磁気流量計を実装する方法も提供される。

この発明の概要は、詳細な説明で後述する概念の一部を簡略化して紹介するために提供される。この発明の概要は、特許請求される主題の重要な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図するものではないし、特許請求される主題の範囲を決定する際の補助として使用されることを意図するものでもない。また、特許請求された主題の範囲を決定する際の補助として使用することを意図していない。特許請求される主題は、背景技術で言及される任意の又はすべての欠点を解決する実装形態には限定されない。

本開示の実施形態による例示的な工業プロセス測定システムの簡略図である。磁気流量計用の従来技術のコイルドライバの簡略化された電気図である。磁気流量計の電流ドライバで使用するための電流源のブロック図である。パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて磁気流量計のコイルを駆動するためのコイル駆動回路の簡略化された概略図である。パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて磁気流量計のコイルを駆動するためのコイル駆動回路の簡略化された概略図である。本開示の実施形態によるマイクロコントローラからＨブリッジのスイッチへの例示的な制御信号を示すグラフである。本開示の実施形態による、マイクロコントローラからＨブリッジのスイッチへの例示的な制御信号を示すグラフである。適応型コイル駆動デジタル回路のブロック図である。

以下、本開示の実施形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。同一又は類似の参照文字を使用して識別される要素は、同一又は類似の要素を示す。しかしながら、本開示の様々な実施形態は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載された実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全なものとなり、本開示の範囲を当業者に完全に伝えるために提供されるものである。

以下では、本実施形態が十分に理解されるように、具体的な詳細を説明する。しかしながら、当業者であれば、本実施形態は、これらの具体的な詳細なしに実施され得ることを理解するのであろう。例えば、回路、システム、ネットワーク、プロセス、フレーム、支持体、コネクタ、モータ、プロセッサ、及び他の構成要素は、不必要な詳細で実施形態を曖昧にすることを回避するために、図示されないか、又はブロック図の形態で示される場合がある。

磁気流量計は、流体の流れを測定するために使用される。磁気流量計は、ファラデーの電磁誘導の法則に従って動作し、導管を通る導電性液体の流量を測定する。磁気流量計では、コイルを用いて導電性流体に磁場を印加する。磁場の中を導電性流体が移動すると、ファラデーの法則に従って起電力（電圧）が発生し、この起電力は検知電極によって検知され得る。この電圧の大きさは、導電性プロセス流体の流量に比例する。

磁気流量計では、信号対雑音比（１／ｆ）を高めるために、高周波の電流反転が必要である。コイルドライバは、オーバーシュートを最小限又はゼロに抑えて電流を制御し、電極電圧が測定されるまでのセトリング時間（settling time）を短縮する必要がある。システム性能を向上させるためには、最適な電流制御ループが不可欠である。磁性流管コイルドライバは、様々なサイズの流管に対応する必要がある。流管のパラメータは、時間と温度によって変化する。コイルドライバシステムは、電源投入時に接続された流管のインピーダンスを特定し、パラメータ変化を連続的に監視して、最適な電流制御を提供する。

図１は、本開示の実施形態による例示的な工業プロセス測定システム９８の簡略図である。システム９８は、材料（例えば、プロセス媒体）の処理に使用されて、材料を価値の低い状態から、石油、化学薬品、紙、食品などのより価値が高く有用な製品に変換することができる。例えば、システム９８は、原油をガソリン、燃料油、及び他の石油化学製品に加工することができる工業プロセスを実施する石油精製所で使用することができる。

システム９８は、例えば導管（pipe）又は流管（flow tube）１０２を通過するようなプロセス流体の流れ１０１の流量を検知するように構成されたパルス直流（ＤＣ）磁気流量計１００を含む。磁気流量計１００は、起電力（ＥＭＦ）センサ３１６（図４Ａ、図４Ｂ参照）と、流量計の電子機器１０６とを含む。センサ３１６は一般に、流体の流れ１０１の流量を測定又は検知するように構成されている。電子機器１０６は一般に、印加磁場を制御して流量を測定し、任意選択で、測定された流量を、システム９８のコントロールルーム１１３など、流量計１００から遠隔に配置され得るコンピュータ制御ユニットなどの外部コンピュータ装置１１１に通信するように構成されている。

電子機器１０６は、適切なプロセス制御ループを介して外部コンピュータ装置１１１と通信することができる。いくつかの実施形態では、プロセス制御ループは、２線式制御ループ１１５などの物理的通信リンク、又は無線通信リンクを含む。外部コンピュータ装置１１１と流量計１００との間の通信は、従来のアナログ及び／又はデジタル通信プロトコルに従って、制御ループ１１５を介して実行され得る。いくつかの実施形態では、２線式制御ループ１１５は、４～２０ミリアンペアの制御ループを含み、プロセス変量は、２線式制御ループ１１５を流れるループ電流ＩＬのレベルによって表すことができる。例示的なデジタル通信プロトコルは、HART（登録商標）通信規格に従うような、２線式制御ループ１１５のアナログ電流レベルへのデジタル信号の変調を含む。フィールドバス（FieldBus）及びプロフィバス（Profibus）通信プロトコルを含む、他の純粋なデジタル技法を使用することもできる。プロセス制御ループの例示的な無線バージョンには、例えば、Wireless HART（登録商標）（IEC 62591）又はISA 100.11a（IEC 62734）などの無線メッシュネットワークプロトコル、又は、WiFi、LoRa、Sigfox、BLEなどの別の無線通信プロトコルや、任意の他の適切なプロトコルが含まれる。

電力は、任意の適切な電源から磁気流量計１００に供給されてもよい。例えば、磁気流量計１００は、制御ループ１１５を流れるループ電流ＩＬによって全体的に電力供給されてもよい。また、内部バッテリ又は外部バッテリなどの１つ又は複数の電源を利用して、プロセス磁気流量計１００に電力を供給してもよい。また、発電機（例えば、太陽電池パネル、風力発電機など）を利用して、磁気流量計１００に電力を供給してもよく、磁気流量計１００によって使用される電源を充電してもよい。

図２は、コイル駆動回路１０６の構成を簡略化したブロック図である。流管１０２は、駆動回路１０６に電気的に接続されたコイル１０４を含む。コイル駆動回路１０６は、Ｈブリッジ回路１１０に接続されたアナログ電流源１０８を含む。Ｈブリッジ回路１１０は、極性コマンド信号源１１２によって駆動される４つのスイッチ（典型的にはトランジスタ）を含む。信号源からの出力は、任意の所与の時間に、図２の矢印によって示される方向に、又は交互で逆方向に、電流がコイル１０４に印加されるように、スイッチドライバ１１４を介して供給される。

従来の磁気流量計コイルドライバでは、電流源１０８及びＨブリッジ１１０を使用して、流管１０２のコイル１０４に矩形電流波を注入する。磁気流量計は電流設定点を制御し、Ｈブリッジ１１０はコイル１０４に印加される電流の極性（方向）を設定するために使用される。１つのコイル駆動回路の設計が、様々なサイズの流管に電力を供給するために使用され得るので、取り付けられた流管のインピーダンスを特定した後で、駆動回路１０６は、いくつかの異なる制御スキームのうちの１つを選択することによって構成され、これにより、電流プロファイルを変更するコイル１０４への電流を制御して、複数の流管１０２間のパラメータ変動を補償する。各制御スキームは、一組の流管への電流を制御することができる。しかしながら、制御スキームは、任意の所与の流管に対して最適化されていない可能性がある。さらに、電流が反転するときに、電流源１０８は、誘導コイル１０４内の還流電流（free-wheeling current）によって不安定になり得る。この期間の間、コイルドライバが回復するまで、制御装置の動作電圧範囲を超えることがある。さらに、コイルドライバ１２０は、新しく設計された流管構成では動作しない場合があり、その場合には回路を再設計する必要がある。

図３は、所望の電流プロファイルを生成するために使用される磁気流量計のコイルドライバにおいて使用される典型的な従来の電流源１０８構成を示す。制御スキームは、流管のインピーダンスの知識に基づいて選択される。図３において、制御装置２００は、それぞれのスイッチ２０８－１、２０８－２、２０８－３、・・・、２０８-Ｎを使用して、所望の電流制御スキーム２０２－１、２０２－２、２０２－３、・・・、２０２Ｎを選択する。制御スキームは、アナログ回路を実装することができる。電流設定点２０４が使用され、電流は、レギュレータ２０６を介して流管１０２のコイルに印加される。フィードバック電流は、選択された制御アルゴリズムによる使用のために、制御スキームに印加される。特定の制御スキームは、既知の制御アルゴリズム技法に従うことができる。例えば、ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative）アルゴリズムは、フィードバック信号及び／又はフィードフォワード信号を使用するものを含めて使用することができる。一般に、良好な制御装置は、応答時間を最小化し、及び／又はコマンド信号に可能な限り近く追従するものである。

流管が設置されると、特定のインピーダンス及び所望の電流駆動特性を用いて、適切な制御スキーム２０２－１～２０２－Ｎが選択される。制御装置２００は、必要に応じてマイクロコントローラ又は他の回路を備えることができる。但し、このような構成は、予め定めた制御スキームに限定される。さらに、流管１０２のコイルの電気的特性は、時間と共に変化するために、典型的な従来の制御スキームではこれらの変化に適応できない。

誘導負荷を流れる電流が主にアナログ回路によって制御される従来のコイルドライバの代わりに、図４Ａ及び図４Ｂに示すように完全なデジタルコイルドライバが提供される。図４Ａは、１つの例示的な実施形態によるデジタルコイル駆動回路を使用する磁気流量計３００を示す。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、図２に示す構成要素と同様の構成要素は、それらの番号付けを維持している。流管パラメータの変更に適応することができない従来の制御装置２００によって実装される所定の固定制御スキームとは対照的に、本明細書に記載されるデジタルコイルドライバを用いると、Ｈブリッジ回路を動作させるために使用される信号を制御することによって、電流プロファイルを制御することが可能である。より具体的には、Ｈブリッジのスイッチは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulated）コマンド入力信号を使用して制御することができる。

図４Ａに示すように、Ｈブリッジドライバ１１０は、バス電圧と電気接地との間に接続されており、例えば電界効果トランジスタ等である４つのスイッチ３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ及び３０２Ｄを含む。スイッチ３０２Ｂは、スイッチ３０２Ａに対して相補的であり、スイッチ３０２Ｄは、スイッチ３０２Ｂに対して相補的である。スイッチドライバ１１４は、４つのアナログ駆動回路３０４Ａ、３０４Ｂ、３０４Ｃ及び３０４Ｄとして示されている。個々のスイッチドライバ３０４Ａ～３０４Ｄは、マイクロコントローラ３０８からＰＷＭコマンドを受け取る。図４Ｂは、流量計３００のわずかに異なる構成を示し、スイッチドライバ３０４Ａ及び３０４Ｃは、反転ドライバである。これにより、上述した４つのコマンド信号が使用される図４Ａの構成とは対照的に、マイクロコントローラ３０８により印加されるＰＷＭコマンド信号を２つにすることができる。

Ｈブリッジ１１０は、バス電圧又は電源からフィルタ処理されていない電流を受け取るように構成されている。マイクロコントローラ３０８は、スイッチ対３０２Ａ及び３０２Ｃとスイッチ対３０２Ｂ及び３０２Ｄとを制御して、フィルタ処理されていない電流から高周波（例えば、１０～１００ｋＨｚ）の電流パルスを生成し、これらの電流パルスは、導線（conductors）３２０及び３２２を介してローパスフィルタ（ＬＰＦ）３１２に供給される。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３１２は、Ｈブリッジ１１０から導線３２０Ａ及び３２２Ａ上に出力された高周波電流パルスを減衰させて、コイル１０４を介して供給されるコイル電流を形成する対応する導線（lines）３２０Ｂ及び３２２Ｂ上に、低周波（例えば、５～１００Ｈｚ）のコイル電流パルスを形成するように動作する。

マイクロコントローラ３０８は、スイッチ３０２のデューティサイクルを変調することによって、フィルタ処理されたコイル電流がコイル１０４を流れる方向（向き）を制御する。図５Ａ及び図５Ｂは、コイル電流がコイル１０４を通って逆方向に流れるようにする、マイクロコントローラ３０８からスイッチ３０２への例示的な制御信号を示すグラフである。一般に、スイッチ３０２Ａ又は３０２Ｂに対する一連の狭いパルス（短い持続時間、低いデューティサイクル）は、導線３２０Ａ又は３２２Ａにおいて対応する短い電流パルスを引き起こすことになる。これらの高周波の短い電流パルスがＬＰＦ３１２を通過すると、結果として、対応する導線３２０Ｂ又は３２２Ｂに低い直流電圧を生じさせる。同様に、一連の広いパルス（長い持続時間、高いデューティサイクル）は、対応する導線３２０Ａ又は３２２Ａに高いＤＣ電圧を印加することになる。これらの高周波の長い電流パルスがＬＰＦ３１２を通過すると、その結果、対応する導線３２０Ｂ又は３２２Ｂに高い直流電圧を生じさせる。例えば、図５Ａに示すように、マイクロコントローラ３０８Ａによってスイッチ３０２が作動されるとき、スイッチ３０２Ａに対するデューティサイクルはスイッチ３０２Ｂに対するデューティサイクルよりも大きくなり、スイッチ３０２Ｃに対するデューティサイクルはスイッチ３０２Ｄに対するデューティサイクルよりも小さくなる。これにより、導線３２０Ｂ内の平均電圧が、導線３２２Ｂ内の平均電圧よりも大きくなり、その結果、コイル電流が図４Ａに示される方向に流れる。制御信号が図５Ｂに示すものに従う場合、スイッチ３０２Ａのデューティサイクルは、スイッチ３０２Ｄのデューティサイクルよりも小さい。これにより、導線３２２Ｂ内の平均電圧は、導線３２０Ｂ内の平均電圧よりも大きくなり、その結果、コイル電流は、図４Ａに示される方向とは逆方向に流れる。

この通り、Ｈブリッジ１１０に印加されるＰＷＭコマンド信号を制御することによって、マイクロコントローラ３０８は、コイル１０４に印加される電流信号の振幅、変化率、及び形状を制御することができる。コイル電流の方向及び大きさを調整するこの技術は、Ｈブリッジを使用して、電源からの電流を交互に流管アセンブリのコイルを通して単にルーティングしている従来の磁気流量計１０２の電力増幅器とは異なっている。

電流センサ３１０は、コイル１０４に印加される電流を検知するために使用される。この検知された電流は、マイクロコントローラ３０８のアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）にフィードバック信号を供給する。電流センサ３１０は、直列抵抗にわたる測定された電圧降下のような任意の適切な技術に従うことができる。

図４Ａはまた、流管１０２内の流体に電気的に結合され、例えば電極で構成されてもよい起電力センサ３１６を示している。差動増幅器３１８は、起電力センサ３１６からの出力信号を受け取り、増幅された差動信号をマイクロコントローラ３０８のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）に供給する。既に説明したように、起電力センサ３１６間の電圧の大きさは、流管１０２を通って流れるプロセス流体の流量に関連する。

図４Ａ、図４Ｂのデジタルコイルドライバ構成では、マイクロコントローラ３０８は、Ｈブリッジ回路１１０に印加されるＰＷＭコマンドを使用して、流管１０２への電流を制御する。さらに、ＰＷＭコマンドは、電流センサ３１０によって検知される電流フィードバックに基づいて決定することができ、制御アルゴリズムは、マイクロコントローラ３０８にデジタル的に実装される。これは、連続適応型のデジタルコイルドライバ４００の図である、図６に示されている。図６の図は、マイクロコントローラ３０８が、スイッチドライバ１１４でのマイクロコントローラ回路３０８によって見られるような電流経路内の他の構成要素と共に、コイル１０４からの有効負荷である「負荷」４０２に結合している様子を示している。負荷４０２を流れる電流は、電流フィードバック４０４を供給するセンサ３１０によって検知される。検知された電流フィードバック４０４は、アナログ－デジタル変換器４０６を用いてデジタル値に変換され、制御アルゴリズム４０８及びインピーダンス特定アルゴリズム４１０に適用される。制御アルゴリズム４０８は、選択された電流プロファイル４１２に従って動作し、Ｈブリッジ１１０内のスイッチ３０２Ａ～３０２Ｄの動作を制御する。これは、ＬＰＦ３１２と共に、図５においてはＰＷＭ４１６として表されている。制御アルゴリズムは、コマンド信号４１４をＰＷＭ４１６及びインピーダンス特定アルゴリズム４１０に供給する。インピーダンス特定アルゴリズム４１０は、デジタル化された電流フィードバック４０４を、制御アルゴリズム４０８によって提供されるコマンド信号４１４と比較することによって、負荷４０２のインピーダンスを決定する。インピーダンス特定アルゴリズム４１０によって特定されたインピーダンスに基づいて、インピーダンス特定アルゴリズムは、制御アルゴリズム４０８によって使用される制御パラメータを調整して、負荷４０２によって提供される特定のインピーダンスに適応させる。

動作中、電源投入時に、コイルドライバに接続された負荷インピーダンスが不明である場合がある。接続された負荷の電気的特性（インピーダンス）を特定するために、マイクロコントローラ４０８は、最初に、小さな励起信号（電圧）を使用してオープンループ（フィードバック制御なし）で負荷を励起し、電流フィードバックを測定する。電圧と電流との間に非線形関係が存在する非理想的な場合（ほとんどの誘導コイルのコアの材料（inductor core material）はヒステリシス特性を示し、コイル１０４のインピーダンスはその動作電流の関数である）、マイクロコントローラ３０８は、所望の動作電流の設定点が達成されるまで印加電圧を増加させ、電流を測定する。次に、インピーダンス特定アルゴリズム４１０は、既知の技術を使用して「負荷」インピーダンスを計算し、マイクロコントローラは、続いて、制御ループのための最適な調整パラメータ（tuning parameters）を計算する。例えば、コイル１０４に、ステップ電圧入力を印加することができる。電流センサ１１０を使用して結果として生じる電流（resultant current）の立ち上がり時間を監視することによって、コイル１０４のインダクタンスと任意の寄生抵抗の値とを決定することができる。次に、マイクロコントローラ３０８は、最初に計算された調整パラメータを用いて電流ループを閉じる。流管１０２のインピーダンスは、環境（流管１０２の温度など）によって時間と共に変化するが、閉ループで動作している間、インピーダンス特定アルゴリズム４１０は、流管のインピーダンスを連続的に測定する。新しいインピーダンスをローパスフィルタに通した後、マイクロコントローラは、実装された制御スキームに対する新しい最適な制御ループパラメータを計算する。このようにして、磁気流量計のコイルドライバは、常に最適な性能で動作する。これにより、オーバーシュートが減少し又は実質的に除去され、また、セトリング時間の短縮により高速でのコイル周波数応答を可能にする。

このように、マイクロコントローラは、電流フィードバックの知識を使用して、流管のインピーダンスを計算し、電源投入後に（適用された制御法則（control law）のための）最適な調整パラメータを導出する。連続的なインピーダンス測定によって、マイクロコントローラは、例えば、環境条件（例えば、温度）の変化や経年変化に起因する流管のパラメータ（インピーダンス）変化に応じて調整パラメータを調整することによって、この最適な性能を維持することができる。制御法則はマイクロコントローラの内部でデジタル的に実施されるので、マイクロコントローラは適切なＰＷＭ信号又はコマンドをデコードし、それらをＨブリッジスイッチのスイッチに直接適用して、流管を流れる電流を制御することも可能である。加えて、磁気流量計は、従来の磁気流量計の場合と同様に、予め定義された制御スキームなしで、新しい流管で自動的に作動するように適応させることができる。

本発明は、好ましい実施形態に関して説明されたが、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形状及び細部において様々な変更がなされ得ることを認識するであろう。この構成は、取り付けられたどのような流管に対しても最適な性能を提供する。さらに、このシステムは、温度変化及び経年変化による流管のパラメータの変化にも適応する。マイクロコントローラは、任意の技術に従うことができ、例えば、マイクロコントローラに実装することができる。本明細書に記載の磁気流量計では、コイルドライバによって矩形（又は台形）の電流波形が生成される。電流／磁場が変化した後、システムができるだけ早く定常状態に達することが望ましい。磁場が定常状態にある間に、流管の電極電圧が検知され、流量が計算される。電流が定常状態（又は直後）にあるとき、磁場は既知であると仮定する。流量測定の頻度が高いほど、「１／ｆ」ノイズ（ピンクノイズ）が低くなる。したがって、磁場（又は電流）のセトリング時間を最適化する（又はそのセトリング時間を最小化する）ことが望ましい。さらに、電流がコイル内でオーバーシュートした場合、一部の磁性材料では、磁場はオーバーシュートがなかった場合とは異なる磁界強度に落ち着く可能性がある。流管では、磁界強度が電流の大きさから測定されるため、一部のシステムでは電流のオーバーシュートが測定誤差の原因となる場合がある。本明細書に記載されるデジタル制御回路を使用して、コイルに供給される電流を制御することで、要因を最適化することができる。

図２は、コイルドライバ１２０の構成を簡略化したブロック図である。流管１０２は、コイルドライバ１２０に電気的に接続されたコイル１０４を含む。コイルドライバ１２０は、Ｈブリッジ回路１１０に接続されたアナログ電流源１０８を含む。Ｈブリッジ回路１１０は、極性コマンド信号源１１２によって駆動される４つのスイッチ（典型的にはトランジスタ）を含む。信号源からの出力は、任意の所与の時間に、図２の矢印によって示される方向に、又は交互で逆方向に、電流がコイル１０４に印加されるように、スイッチドライバ１１４を介して供給される。

従来の磁気流量計コイルドライバでは、電流源１０８及びＨブリッジ１１０を使用して、流管１０２のコイル１０４に矩形電流波を注入する。磁気流量計は電流設定点を制御し、Ｈブリッジ１１０はコイル１０４に印加される電流の極性（方向）を設定するために使用される。１つのコイル駆動回路の設計が、様々なサイズの流管に電力を供給するために使用され得るので、取り付けられた流管のインピーダンスを特定した後で、コイルドライバ１２０は、いくつかの異なる制御スキームのうちの１つを選択することによって構成され、これにより、電流プロファイルを変更するコイル１０４への電流を制御して、複数の流管１０２間のパラメータ変動を補償する。各制御スキームは、一組の流管への電流を制御することができる。しかしながら、制御スキームは、任意の所与の流管に対して最適化されていない可能性がある。さらに、電流が反転するときに、電流源１０８は、誘導コイル１０４内の還流電流（free-wheeling current）によって不安定になり得る。この期間の間、コイルドライバが回復するまで、制御装置の動作電圧範囲を超えることがある。さらに、コイルドライバ１２０は、新しく設計された流管構成では動作しない場合があり、その場合には回路を再設計する必要がある。

図４Ａ、図４Ｂのデジタルコイルドライバ構成では、マイクロコントローラ３０８は、Ｈブリッジ回路１１０に印加されるＰＷＭコマンドを使用して、流管１０２への電流を制御する。さらに、ＰＷＭコマンドは、電流センサ３１０によって検知される電流フィードバックに基づいて決定することができ、制御アルゴリズムは、マイクロコントローラ３０８にデジタル的に実装される。これは、連続適応型のデジタルコイルドライバ４００の図である、図６に示されている。図６の図は、マイクロコントローラ３０８が、スイッチドライバ１１４でのマイクロコントローラ回路３０８によって見られるような電流経路内の他の構成要素と共に、コイル１０４からの有効負荷である「負荷」４０２に結合している様子を示している。負荷４０２を流れる電流は、電流フィードバック４０４を供給するセンサ３１０によって検知される。検知された電流フィードバック４０４は、アナログ－デジタル変換器４０６を用いてデジタル値に変換され、制御アルゴリズム４０８及びインピーダンス特定アルゴリズム４１０に適用される。制御アルゴリズム４０８は、選択された電流プロファイル４１２に従って動作し、Ｈブリッジ１１０内のスイッチ３０２Ａ～３０２Ｄの動作を制御する。これは、ＬＰＦ３１２と共に、図６においてはＰＷＭ４１６として表されている。制御アルゴリズムは、コマンド信号４１４をＰＷＭ４１６及びインピーダンス特定アルゴリズム４１０に供給する。インピーダンス特定アルゴリズム４１０は、デジタル化された電流フィードバック４０４を、制御アルゴリズム４０８によって提供されるコマンド信号４１４と比較することによって、負荷４０２のインピーダンスを決定する。インピーダンス特定アルゴリズム４１０によって特定されたインピーダンスに基づいて、インピーダンス特定アルゴリズムは、制御アルゴリズム４０８によって使用される制御パラメータを調整して、負荷４０２によって提供される特定のインピーダンスに適応させる。

Claims

流体の流れを測定するための磁気流量計であって、
前記流れを受け取る流管アセンブリであって、前記流体中に流量を表す起電力を発生させる磁場を生成するコイル電流を受け取るための第１及び第２のコイルワイヤを有するコイルを有する、流管アセンブリと、
前記起電力を検知して、前記流量を示す出力を生成するように構成された起電力センサと、
コマンド入力に応答して前記コイルの前記第１及び第２のコイルワイヤにコイル電流を供給するように構成された電流供給回路と、
制御アルゴリズムの関数として前記電流供給回路に前記コマンド入力を供給するデジタル制御回路と、
を備えた磁気流量計。
前記電流供給回路が、電流源と、前記電流源を前記コイルに選択的に接続するための少なくとも１つのスイッチとを含む、請求項１に記載の磁気流量計。
前記コマンド入力は、前記少なくとも１つのスイッチに印加されるＰＷＭ（パルス波変調）信号を含む、請求項２に記載の磁気流量計。
前記電流供給回路を前記コイルに接続して、前記コイルに実質的に直流のコイル電流を供給するローパスフィルタを含む、請求項４に記載の磁気流量計。
前記電流供給回路に適用される前記コマンド入力は、前記コイルを流れる前記コイル電流の方向を反転させる、請求項１に記載の磁気流量計。
前記コマンド入力は、ＰＷＭ（パルス波変調）信号を含む、請求項１に記載の磁気流量計。
前記制御アルゴリズムは、前記コマンド入力を電流プロファイルの関数として制御するように構成される、請求項１に記載の磁気流量計。
前記電流プロファイルは、振幅、周波数、波形、及びオーバーシュートのうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の磁気流量計。
前記デジタル制御回路は、前記コイルのインピーダンスを決定するように構成されたインピーダンス特定アルゴリズムを含み、前記コマンド入力は、前記決定されたインピーダンスの関数である、請求項１に記載の磁気流量計。
前記インピーダンス特定アルゴリズムは、前記コイルのインピーダンスを決定する際に使用するために、前記コイルを流れる電流に関連する電流フィードバック信号を受け取る、請求項９に記載の磁気流量計。
前記電流供給回路は、前記コイルを流れる電流を制御するように構成された４つのスイッチを含む、請求項１に記載の磁気流量計。
前記コマンド入力は、前記４つのスイッチのそれぞれに個別に印加される４つの信号を含む、請求項１１に記載の磁気流量計。
前記コマンド入力は、前記４つのスイッチの２つのペアに印加される２つの信号を含む、請求項１１に記載の磁気流量計。
前記制御アルゴリズムは、前記コイルを流れる検知電流の関数として前記コマンド入力を生成するように構成され、
前記デジタル制御回路は、前記コイルのインピーダンスを前記検知電流及び前記コマンド入力の関数として特定し、前記制御アルゴリズムのパラメータを応答的に制御するように構成されたインピーダンス特定アルゴリズムを含む、
請求項１に記載の磁気流量計。
前記制御アルゴリズムのパラメータは、前記コイルの電気パラメータの変化に適応される、請求項１に記載の磁気流量計。
磁気流量計を用いてプロセス流体の流れを測定するための方法であって、
コイル電流を受け取る第１及び第２のワイヤを有するコイルを有する流管アセンブリを通してプロセス流体の流れを受け取り、応答的に磁場を生成し、前記流体中に流量を表す起電力を発生させるステップと、
センサで前記起電力を検知し、流量を示す出力を生成するステップと、
コマンド入力に応答する電流供給回路を使用して前記コイルの前記第１及び第２のワイヤに前記コイル電流を供給するステップと、
制御アルゴリズムに応答するデジタル制御回路を使用して前記電流供給回路に適用される前記コマンド入力を生成するステップと、
を含む方法。
前記コマンド入力は、ＰＷＭ（パルス波変調）信号を含む、請求項１６に記載の方法。
前記制御アルゴリズムは、前記コマンド入力を電流プロファイルの関数として制御するように構成される、請求項１６に記載の方法。
前記電流プロファイルは、振幅、周波数、波形、及びオーバーシュートのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
前記デジタル制御回路は、前記コイルのインピーダンスを決定するためのインピーダンス特定アルゴリズムを含み、前記コマンド入力は、前記決定されたインピーダンスの関数である、請求項１６に記載の方法。
前記インピーダンス特定アルゴリズムは、前記コイルのインピーダンスを決定する際に使用するために、前記コイルを流れる電流に関連する電流フィードバック信号を受け取る、請求項２０に記載の方法。