JP2894875B2 - 電磁流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ファラデーの電磁誘
導の法則に基づいて、被測定流体の流量又は流速を測定
する技術に関し、特に、偏流等の影響を受けにくい電磁
流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】電磁流量計の技術分野において、測定誤
差の減少を目的とする発明が多数提案されている。提案
の１つとして、関数分布磁界を用いることが知られてい
る。この関数分布磁界を生成するための励磁コイルの構
造等も提案されているが、関数分布磁界に近似した磁界
を生成できるにすぎない。

【０００３】また、複数の電極対を備え、各電極対の検
出信号を増幅し、平均化することにより流量を測定する
電磁流量計が特許公告公報昭５５−２８３２５に開示さ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の関数分布磁界を
用いる電磁流量計では、正確な関数分布磁界を生成でき
ず、測定に誤差が生ずるという欠点があった。

【０００５】また、特許公告公報昭５５−２８３２５に
開示されている電磁流量計では、各増幅器の増幅率が不
明であり、具体的にどの様にして被測定流体の流量を正
確に測定するのか、不明である。

【０００６】この発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、この発明の目的は、被測定流体に関数分布磁界を印
加した場合に得られる流量信号と実質的に同等な測定信
号が得られる電磁流量計を提供することである。この発
明の他の目的は、管内の被測定流体の流量を正確に測定
できる技術を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段と作用】上記目的を達成す
るため、この発明にかかる電磁流量計は、被測定流体が
通過する測定管と、前記被測定流体に磁界を印加するた
めの励磁コイルと、前記磁界により前記被測定流体に誘
導された電圧を検出する複数の電極と、前記複数の電極
の検出信号に基づいて被測定流体の流量を求める信号処
理手段を備え、

【０００８】前記信号処理手段は、前記測定管内の任意
の点の磁束密度Ｂと重み関数Ｗの逆数のずれを補償し、
実質的にＢ・Ｗ＝Ｋ（Ｋは定数）を近似的に達成するよ
うに前記複数電極からの信号を処理するように構成され
ている。

【０００９】

【作用】上記構成により、物理的にＢ・Ｗ＝Ｋが達成さ
れていない場合であっても、例えば、主電極対について
のＢ・Ｗ＝Ｋ（Ｋは定数）を近似的に達成するように、
補助となる電極対の検出信号で前記主電極対の検出信号
を補償して処理することにより、等価的にＢ・Ｗ＝Ｋを
近似的に達成できる。

【００１０】信号処理の具体的手法としては、電極から
の検出信号の増幅率をＢ・Ｗ＝Ｋを近似的に達成するよ
うに設定する手法、検出信号の測定期間をＢ・Ｗ＝Ｋが
近似的に達成されるように設定する手法等がある。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例に
かかる電磁流量計について説明する。

【００１２】初めに、この実施例の原理について図１を
参照して簡単に説明する。図１は１対の誘導電力検出用
電極１３ａ、１３ｂを備える電磁流量計の断面構造を示
す。電極１３ａ、１３ｂに関する重み関数は図２（ａ）
に示されるようになる。この重み関数Ｗは、通常知られ
ているように、ある点で発生した単位起電力が測定電極
に与える影響の度合いを示す。この重み関数Ｗの逆数で
表される強度分布を有する磁界をコイル１５ａ、１５ｂ
で被測定流体に印加すると、Ｂ・Ｗ＝Ｋ（Ｂは磁界の強
度、Ｗは重み関数、Ｋは定数）となる。Ｂ・Ｗ＝Ｋの場
合、測定管１１内の任意の位置の流量（流速）が等しい
割合で起電力を電極１３ａ、１３ｂに供給することとな
り、偏流等の有無にかかわらず流量を正確に測定でき
る。

【００１３】しかし、上記重み関数Ｗと磁界強度Ｂの積
を完全に均一に設定することは事実上不可能である。例
えば、コイルの構造上の問題より、図３に示される領域
Ａ（測定管１１の上部及び下部）で、理想の分布磁界よ
り、磁界が弱い場合、測定管内の領域Ａを流れる流体の
流量が測定値に影響し、測定値は正しい値より小さくな
る。

【００１４】このような場合に、領域Ａを流れる流量を
別個に測定し、その値を主たる測定値（電極１３ａ、１
３ｂにより測定された測定値）に加算すれば、関数分布
磁界を被測定流体に印加した場合と同様な測定値を得る
ことができる。なお、各領域の流量の測定を行う場合
は、測定値をホールド回路でホールドしておき、測定値
に悪影響がでないようにしてもよい。同様に、例えば、
図３に示される、測定管領域Ａで磁界が理想値の分布磁
界より強い場合、測定管内の領域Ａを流れる流体の流量
が測定値に影響し、測定値は正確な値より大きくなる。
このような場合に、領域Ａを流れる流量を個別に測定
し、その値を主たる測定値から減算すれば、関数分布磁
界を被測定流体に印加した場合と同様な測定値を得るこ
とができる。即ち、等価的・近似的にＢ・Ｗ＝Ｋが達成
されるように、補助電極対１３ｃ〜１３ｆの検出信号を
用いて、主電極対１３ａ、１３ｂの検出信号を補償する
ことができる。この基本的な考えに基づいた電磁流量計
の実施例を図４を参照して説明する。

【００１５】図４において、被測定流体が通過する測定
管１１には３対の測定電極１３ａ〜１３ｆが設置されて
いる。励磁コイル１５ａ、１５ｂは図示せぬ励磁回路か
らの励磁電流により励磁され、被測定流体に磁界を印加
する。励磁回路は、例えば、方形波の励磁電流を励磁コ
イル１５ａ、１５ｂに供給する。

【００１６】電極対１３ａ、１３ｂで検出された誘導起
電力は増幅器ＡＭ１を介して、流量測定回路１７に供給
される。電極対１３ｃ、１３ｄで検出された誘導起電力
は増幅器ＡＭ２を介して、流量測定回路１７に供給され
る。電極対１３ｅ、１３ｆで検出された誘導起電力は増
幅器ＡＭ３を介して、流量測定回路１７に供給される。
流量測定回路１７は入力された、各信号に基づいて流量
を求め、それを平均化して、最終的な流量を測定する。
次に、増幅器ＡＭ１〜ＡＭ３の増幅率β１、β２、β３
について説明する。

【００１７】コイルの設計が終了した段階で、例えば、
プローブを使用し、測定管１１内の磁界を測定し、磁束
分布を求める。この磁束分布と理想的な磁束分布の間に
ずれが存在する場合には、補助電極１３ｃ〜１３ｆの測
定値を用いて補正を行う必要がある。この場合に、増幅
率β１、β２、β３を適切に設定し、Ｂ・Ｗ＝Ｋを実質
的に達成する必要がある。この際、増幅率β１、β２、
β３は次のようにして求めることができる。

【００１８】補助電極についての重み関数の分布は図２
ｂ、２ｃのようになる。増幅率β１を１に仮定し、図２
（ｂ）、２（ｃ）に示される重み関数に任意の増幅率β
２、β３（負の値でもよい）を乗算し、図２（ａ）に示
される重み関数に加算し、加算後の値がほぼＢ・Ｗ＝Ｋ
になるように比較する。増幅率β２、β３を順次変更し
つつ、加算後の重み関数の分布と測定された磁界の強度
分布の逆数とを比較し、最も近似する時の増幅率β２、
β３を選択する。必要とされる信号レベルに応じて、増
幅率β１を選択し、増幅率β２、β３にβ１を乗算し、
最終的な増幅率β２、β３が求められる。こうして求め
られた増幅率β１、β２、β３が増幅器に設定される。
なお、加算後の重み関数の分布と測定された磁界の強度
分布の逆数の近似度の特定は通常のパターン認識技術を
用いて行えば良い。なお、増幅率β１、β２、β３は実
験的に求められても良い。

【００１９】流量測定時には、励磁回路からの方形波の
励磁電流に応答して、励磁コイル１５ａ、１５ｂは方形
波磁界を被測定流体に印加する。３つの電極対１３ａと
１３ｂ、１３ｃと１３ｄ、１３ｅと１３ｆはそれぞれ被
測定流体に誘導された起電力を検出し、増幅器に供給す
る。流量測定回路１７は増幅器ＡＭ１〜ＡＭ３の出力信
号を受けて、各増幅器の出力から通常の方形波励磁方式
の電磁流量計と同様に流量に対応する３つの信号レベル
を求める。流量測定回路１７はこの３つの信号レベルを
平均し、最終的な流量信号として出力する。

【００２０】上記構成とすれば、主電極対１３ａと１３
ｂからの検出信号により求められた流量が補助電極対１
３ｃと１３ｄ、１３ｅと１３ｆからの検出信号により求
められた流量により補償され、被測定流体に分布関数磁
界が印加された時に主電極からの信号により得られる流
量信号と実質的に同一の流量信号が得られる。

【００２１】上記実施例においては、３対の電極からの
信号を増幅器で増幅してから、増幅器の出力信号に対応
する流量を求め、求められた流量を平均化して、最終的
な流量信号を求めた。しかし、例えば、増幅動作を流量
測定装置自身が行う場合には、増幅器ＡＭ１〜ＡＭ３は
取り除かれても良い。また、３つの電極対の出力信号か
ら流量を求め、この流量に前述の増幅率に対応する数を
乗算（係数の取り方によっては、割算でもよい）した
後、これを平均化しても良い。補正演算の手法は上記実
施例に限定されず、同一の作用・効果を達成できるなら
ば、他の演算方法を使用しても良い。

【００２２】また、前述の実施例では、流量測定回路１
７が流量に対応する流量信号を出力する例を示したが、
例えば、流量測定回路がマイクロコンピュータ等から構
成される場合には、流量をデジタルデータの形式で出力
するようにしても良い。次に、この発明の第２実施例に
ついて説明する。

【００２３】この実施例においては、第１実施例と同一
の技術的効果を得るため、３対の電極から得られた信号
のサンプリング数を磁束分布に応じて変更して流量を求
め、主電極からの信号により求められた流量を補助電極
対からの信号により求められた流量により補償して、最
終的な流量を求める。以下、方形波励磁方式の電磁流量
計を例にこの発明の第２実施例について図５及び図６を
参照して説明する。図５において図４と同一部分には同
一符号を付し説明を省略する。

【００２４】励磁回路２１は、タイミング制御回路２３
からのタイミング信号に応答して励磁コイル１５ａ、１
５ｂに方形波の励磁電流を供給する。タイミング制御回
路２３は、さらに、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３に切替信号
を供給し、励磁電流の極性切替に同期してスイッチＳＷ
１〜ＳＷ３にオンオフ状態を切り替える。スイッチＳＷ
１〜ＳＷ３は切替信号に応答して、１つがオンし、増幅
器ＡＭ１〜ＡＭ３の出力信号のうちの１つを流量測定回
路１７に供給する。どの増幅器の出力をどの程度の時間
選択するかという問題は第１実施例における増幅器ＡＭ
１〜ＡＭ３の増幅率を設定することに対応する。

【００２５】例えば、図６の例では、タイミング制御回
路２３は所定周期で励磁信号の極性を切り替えると共
に、ｎ周期間スイッチＳＷ１をオンし、その後、ＳＷ２
とＳＷ３をｍ周期の間それぞれオンする。

【００２６】流量測定回路１７は、通常の方形波励磁の
電磁流量計と同様に、供給された信号の極性が反転する
直前の最も安定した時点での信号値をサンプリングし、
例えば、移動平均を求める。さらに、流量測定回路１７
は３つの電極対からの信号により求められた流量信号
を、平均化し、最終的な流量信号を求める。

【００２７】このような構成によれば、各電極対による
測定時間（図６では、ｍとｎの値）を変更することによ
り、前述の増幅率を適当に設定する場合と同様の効果を
得ることができる。例えば、図２の領域Ａの磁界が理想
値より弱い場合には、ｍの値が大きくし（あるいは、ｎ
の値を小さくし）は、図３の領域Ａの磁界が理想値より
強い場合には、ｍの値を小さく（あるいは、ｎの値を大
きく）すればよい。また、図３の領域Ａの磁界が強すぎ
るような場合には、補助電極１３ｃ〜１３ｆの検出信号
から求められた流量を主電極対１３ａ、１３ｂの検出信
号から求められた流量から減算して補償された流量を求
めることができる。このような構成によれば、各電極対
による測定時間（図６では、ｍとｎの値）を変更するこ
とにより、前述の増幅率β１、β２、β３を適当に設定
する場合と同様に、実質的に、Ｂ・Ｗ＝Ｋが達成でき
る。

【００２８】第１実施例では増幅器の増幅率を、第２実
施例では各電極対による測定時間を変更して、主電極に
よる測定値を理想値に近づけるように補償したが、両特
徴を組み合わせても良い。

【００２９】例えば、図５の回路で、増幅器ＡＭ１〜Ａ
Ｍ３の増幅率β１、β２、β３を磁束分布に応じて変更
すると共に測定期間（スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のオン時
間）を変更するようにしても良い。

【００３０】さらに、増幅器ＡＭ１〜ＡＭ３の増幅率を
変更することに代えて、または、増幅率を変更すると共
に、励磁回路２１が励磁電流の電流レベル（即ち、磁界
強度）を変更するようにしても良い。例えば、図３の領
域Ａの磁束が理想的な分布関数磁界の強度よりも弱い場
合には、スイッチＳＷ２、ＳＷ３がオンしているタイミ
ングで、励磁回路２１が励磁電流の値を大きくするよう
にすれば良い。

【００３１】図６の例では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を
周期的にオンする場合を説明したが、流量測定回路内に
メモリを組み込み、補助電極対１３ｃと１３ｄ、１３ｅ
と１３ｆによる測定値をメモリに記憶しておき、通常時
は主電極対１３ａと１３ｂで流量の測定を行い、求めら
れた測定値をメモリに記憶された流量で補償するように
しても良い。逆に、主電極対１３ａと１３ｂによる測定
値をメモリに記憶しておき、通常時は補助電極対１３ｃ
と１３ｄ、１３ｅと１３ｆで流量の測定を行い、求めら
れた測定値でメモリに記憶された流量（主電極対で測定
された流量）を補償するようにしても良い。この構成は
被測定流体の流量の変化が少ない場合に有利である。

【００３２】上記実施例においては、理解を容易にする
ため、３電極対を使用する実施例を中心に説明を行っ
た。この発明は上記実施例に限定されない。励磁コイル
の構造や電極の配置に応じて種々の変更が可能である。
例えば、図７に示されるように、非平衡の２対の電極対
２３ａ２３ｂ、２３ｂと２３ｃを使用するような回路に
も本願発明は応用可能である。また、上記実施例では、
被測定流体に接触するタイプの電極を使用する実施例を
中心に説明したが、図８に示される静電容量型の電極３
３ａ〜３３ｆを使用する構成にも応用できる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本願発明によれ
ば、実際の磁束密度の分布と重み関数の逆数の積が一定
値にならない場合であっても、電極により得られた信
号、被測定流体に印加する磁界、測定時間等を操作する
ことで、実質的に関数分布磁界が生成された場合と同様
に流量を測定をできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例にかかる電磁流量計の基
本構成を示す図。

【図２】測定管内の重み関数分布の例を示す図。

【図３】測定管の断面を示す図。

【図４】この発明の第１実施例にかかる電磁流量計の構
成を示す図。

【図５】この発明の第２実施例にかかる電磁流量計の構
成を示す図。

【図６】図５に示される電磁流量計の動作を説明するた
めのタイミングチャート。

【図７】図５に示される電磁流量計の変形例を説明する
ための構成図。

【図８】静電容量型の電極の一例を説明するための図。

【符号の説明】

１１…測定管、１３ａ〜１３ｆ…電極、１５ａ、１５
ｂ、…励磁コイル、１７…流量測定回路、２１…励磁回
路、ＡＭ１〜ＡＭ３…増幅器、ＳＷ１〜ＳＷ３…スイッ
チ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01F 1/58 G01F 1/60

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定流体が通過する測定管と、 前記被測定流体に磁界を印加するための励磁コイルと、 前記磁界により前記被測定流体に誘導された電圧を検出
   するとともに、主電極対と補助電極対を含む複数の電極
   と、 前記複数の電極の検出信号に基づいて被測定流体の流量
   を求める信号処理手段を備え、 前記信号処理手段は、前記測定管内の任意の点の磁束密
   度Ｂと重み関数Ｗの逆数のずれを補償し、実質的にＢ・
   Ｗ＝Ｋ（Ｋは定数）を近似的に達成するように前記複数
   電極からの検出信号を処理するとともに、前記主電極対
   についてのＢ・Ｗ＝Ｋ（Ｋは定数）を近似的に達成する
   ように、前記補助電極対からの検出信号を用いて前記補
   助電極対からの検出信号を補償して処理するように構成
   されていることを特徴とする電磁流量計。
2. 【請求項２】被測定流体が通過する測定管と、 前記被測定流体に磁界を印加するための励磁コイルと、 前記被測定流体に誘導された起電力を検出する複数の電
   極と、 前記複数の電極の検出信号を増幅する増幅手段と、 前記増幅手段の出力信号に従って被測定流体の流量に対
   応する流量信号を出力する手段を備え、 前記増幅手段の増幅率は前記被測定流体に分布関数磁界
   が印加された場合と実質的に等価な流量信号が得られる
   ように設定されていることを特徴とする電磁流量計。
3. 【請求項３】被測定流体が通過する測定管と、 前記被測定流体に磁界を印加するための励磁コイルと、 前記磁界により前記被測定流体に誘導された電圧を検出
   する複数の電極と、 前記複数の電極の検出信号を選択的に出力する複数のス
   イッチと、 前記スイッチのオン・オフのタイミングを制御するタイ
   ミング制御回路と、 前記スイッチを通過した信号に従って被測定流体の流量
   に対応する信号を出力する手段を備え、 前記タイミング制御回路は、前記被測定流体に分布関数
   磁界が印加された場合と実質的に等価な流量信号が得ら
   れるように、前記スイッチを切り替えることを特徴とす
   る電磁流量計。