JP2945475B2

JP2945475B2 - 非満水用電磁流量計

Info

Publication number: JP2945475B2
Application number: JP5505106A
Authority: JP
Inventors: 豊吉田; 満市川
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1992-09-03
Publication date: 1999-09-06
Anticipated expiration: 2014-09-06

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は非満水用電磁流量計に関する。

背景技術流路の上下にコイルを配設し、各コイルの出力に基づ
いて流体が流路に対して満水であるか否かを検出する装
置が知られている（JP−A 59−230115）。

また、流路の上下に配置されたコイルを直列接続する
構成がJP−A 52−48356にみられる。

出願人は、流路内を非満水状態で流れる流体の流量を
電磁流量計の原理に基いて計測する流量計測方法と、そ
の方法に使う流量検出器を提案した（1991年１月22日出
願、特願平３−5631号）。

この流量検出方法と流量検出器を、図12〜図20に基い
て説明する。

図12と図13において、参照符号１は断面が円形の流
路、2,2は流路１の中心を通る垂直線に対し対称の位置
に設けた１対の電極、3Aと3Bは第１と第２の励磁コイル
で、それぞれ異なる磁束密度分布BAとBBを異なる期間
（時間）の間に発生する。即ち、図23に示すようなそれ
ぞれの励磁コイルに流す電流を制御することにより、第
１の励磁コイル3Aに流す励磁電流により磁束密度分布BA
が発生し、第２の励磁コイル3Bに流す励磁電流により磁
束密度分布BBが発生する。符号４は、このような構造の
流量検出器を示す。

５は励磁回路で、タイミング回路６の信号に応じて、
第１と第２の励磁コイル3Aと3Bとを交互に励磁する。７
は電極2,2間に誘起した電圧を増幅して出力するプリア
ンプ、S₁は切替えスイッチで、タイミング回路６の信号
で切替作動し、前記２つの励磁コイル3Aと3Bの励磁時期
の切替と同期して切替作動し、第１の励磁コイル3Aが励
磁されているときにａ側に、第２の励磁コイル3Bが励磁
されているときにｂ側に切替えられる。

8Aと8Bは切替スイッチS₁のａ接点とｂ接点の信号を入
力してオフセット補償、サンプル＆ホールドする増幅回
路、９はCPU回路、10は増幅器8A,8Bからのアナログ信号
をデジタル信号に変換するA/D変換回路、11は演算回路
で、後述する演算を行うプログラムを備えている。12は
演算結果としての流量信号を出力する出力端子である。

図14は図12の電磁流量計のタイミングチャートで、上
から順に、タイミング回路５の信号、第１の励磁コイル
3Aの励磁電流、磁束密度分布BAの強さ第２の励磁コイル
3Bの励磁電流、磁束密度分布BBの強さ切替スイッチS₁の
動作、プリアンプ７の出力、増幅回路8Aの入力、増幅回
路8Bの入力をそれぞれ示す。

流路１に流れる非満水状態の流体の流量を計測するに
は、次の手順による。

手順1.流量を計測すべき流路１と同じ断面形状の流路
を用い、この流路の勾配を一定にして水位ｈを変え、そ
の水位のときの流量Ｑに応じた出力OAとOBとを予め計測
しておく。同一流路において、水位と流量は１対１の関
係にある。なお、出力OAとOBは電磁流量計に原理による
流量検出器４を用い、同じ流量Ｑを第１と第２の励磁コ
イル3Aと3Bでそれぞれ計測したときの流量信号を流量に
対してプロットしたものである。（図15（ａ））。第１
の励磁コイル3Aが発生する励磁磁束密度分布BAと第２の
励磁コイル3Bが発生する励磁磁束密度分布BBとは、流路
１の中心軸に対し、概略上・下反対の分布となるため同
じ流量に対しても対応する出力OAとOBとは違った値とな
る。

手順2.被測定流体が流れている流路１の未知の流量
Ｑ′を前記流量検出器４で計測し、出力OA′とOB′を得
る。

手順3.OB′とOA′の比OB′/OA′を求め、手順１で求
めたOBとOAとの比OB/OAがOB′/OA′と同じ値になる流量
Ｑαを手順１のデータから求め（図15（ｂ）（ｃ））、
この流量Ｑαのときの手順１の出力OAαから、手順１に
おける流量Ｑαの条件のときの感度OAα/Qαを算出する
（図15（ｄ））。

手順4.手順２で計測した出力OA′と、手順３で得た感
度OAα/Qαとから、未知の流量Ｑ′を次の式で算出す
る。

Ｑ′＝OA′・Ｑα/OAα このようにして、水位を検出しなくて、未知の流量
Ｑ′を求める方法を提案した。

図16は、図12、図13の流量検出器４を口径200mmの塩
ビ管13に取付けてこの計測方法の精度を検証するために
実験した装置の全体で、塩ビ管13の長さは約8mで、この
塩ビ管の管路勾配を先ず2/1000に固定し、第１の励磁コ
イル3Aを使って測定した実流量Ｑと電磁流量計の出力OA
との関係を図17の曲線OAに示す。又、同一勾配で第２の
励磁コイル3Bを使って測定した結果を曲線OBに示す。

図17の両データとOAとOBから、比OB/OAを求めたのが
図18である。図18で、流量Ｑがほぼ100〔m³/h〕以上で
はOB/OAが一定の最小値になっているが、この範囲はい
わゆる満水状態である。図17においても、この流量Ｑが
ほぼ100〔m³/h〕以上の範囲では曲線OAとOBが共に座標
の原点を通る直線の線分になっていることからも、いわ
ゆる普通の満水型電磁流量計として作動している範囲で
あることが理解できる。

図19は、図16の装置を使って、流量13の管路勾配を6/
1000に変えて測定した実流量Ｑ′〔m³/h〕と、各励磁コ
イル3A,3B,でそれぞれ励磁したときの出力OA′とOB′と
の関係である。この実験では、図19で実流量が既知であ
るが、実流量Ｑ′〔m³/h〕を未知と仮定してOB′/OA′
＝αを求め、その値と、一値する図18のOB/OAの値の点
の実流量Ｑαを求め、その流量Ｑαにおける図17の曲線
OAからの感度OAα/Qαを算出すれば、前述の演算方法に
より次の式で未知の流量Ｑ′が求められる。

Ｑ′＝OA′・Ｑα/OAα この方法で、図19のデータからいくつかの流量Ｑ′の
点で、器差を求めたところ、図20のように、比較的小さ
な値となり、この計測方法の実用性が確認できた。

上記流量計測方法では、用いる流量検出器４が、電極
とアース間の位置関係、電極形状と励磁磁束密度分布の
関係が両者ともに、その対称性が失われ易いので、導電
率の影響による計測誤差が生じるという問題点があっ
た。

発明の開示そこで、本発明は、かかる問題点を解消できる非満水
用電磁流量計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の非満水用電磁流
量計は、個々に励磁できる上側励磁コイル（Cu）と下側
励磁コイル（Cl）と１対の対抗する電極22を有する本体
部分24と、次の（ａ）〜（ｇ）の要件を有する変換器部分32とを
具備したことを特徴とする。

（ａ）励磁回路25へ励磁のタイミングを知らせ、増幅回
路（AMP）へタイミングを知らせる励磁タイミング回路2
6を設ける。

（ｂ）短絡スイッチ（S₂）の開閉を制御するタイミング
信号を発生し、同時に演算処理部31へこのタイミングを
知らせる導電率測定タイミング回路28を設ける。

（ｃ）励磁タイミング回路26からの信号を受け、二つの
励磁コイル（Cu）（Cl）を励磁する励磁回路25を設け
る。

（ｄ）電極22からプリアンプ27へ至る導線をアースへ短
絡する短絡抵抗（Rs）と、導電率測定タイミング回路28
からの信号により、短絡抵抗（Rs）を接続したり、切り
離したりするスイッチ（S₂）を設ける。

（ｅ）電極22間の信号電圧を増幅するプリアンプ27を設
ける。

（ｆ）増幅回路（AMP）の出力をA/D変換するA/D変換回
路30と、このデータを処理して流量出力信号を出力する
演算処理回路31を設ける。

演算処理回路31が、A/D変換回路30のデータを処理し
て導電率出力を出力するようにすることもできる。

図１〜図５に基いて作用を説明する。

図２に典型的な測定１サイクルのタイミングチャート
を示す。図の期間ａ〜ｆで測定の１サイクルである。ま
ず各々の信号について簡単に説明する。

（ｉ）上側励磁コイルCuは期間a,bと期間e,fに励磁され
る。

（ii）下側励磁コイルClは期間c,dに励磁される。

（iii）導電率測定用短絡スイッチS₂は期間e,fの間だけ
閉となる。

（iv）プリアンプ27の出力には励磁の違い、短絡スイッ
チS₂の位置に応じた出力が現れる。

（ｖ）第１の増幅回路AMPuは上側励磁コイルCuで励磁さ
れている間のプリアンプ27の出力を積分し積分が完了し
た時点でこれをホールドし出力する。従って期間a,bの
積分値が時刻t₂に確定し、期間e,fの積分値は時刻t₆に
確定する。

次に得られた信号の処理手順について説明する。

1.予め次の３種のデータを測定し演算処理部31に記憶し
ておく。

上側励磁（下側でも可）の時の第１の増幅回路AMPuの
出力Euと、その時の実流量Ｑとの比ｇ≡Q/Euは水位ｈと
導電率ｃを決めてやれば一定値となる。このｇ（h,c）
を測定しておく。

上側励磁の時の第１の増幅回路AMPuのcEuと、下側励
磁の時の第２の増幅回路AMPlの出力Elとの比ｐ≡El/Eu
も水位ｈと導電率ｃを決めれば一定値となる。このｐ
（h.c）を測定しておく。

上側励磁で短絡スイッチS₂開の時の出力Euと、短絡ス
イッチS₂閉の出力Eu′との比ｓ≡Eu′/Euも水位ｈと導
電率ｃにより決定される。このｓ（h,c）を測定してお
く。

2.実際の計測時に得られた信号Eu,Elにより、比p_o＝El/
Euを求める。ｐ（h,c）＝p_oとおけばｈ−ｃ平面上に一
つの曲線が図３のように描ける。勿も、この曲線はｐ＝
p_o平面上にあるが、これをｈ−ｃ平面へ正射影した曲線
を使う。同様に実測した信号Eu′,Euにより、比S₀を求
め、ｓ（h,c）＝S₀とおいて、ｈ−ｃ平面上の曲線を図
４の様に得る。こうして得た２つの曲線の交点は即ち実
測時の水位h₀と導電率C₀を表す。（図５）このh₀，C₀を
使って流量Ｑ＝ｇ（h₀，C₀）・E₀として流量を求める。

以下では背景技術に対応して上記手順の内容を解読す
る。

背景技術で説明した計測方法ではp_oと水位ｈとが一対
一の関係にあるとの前提に立っていた。即ち、p_oは、図
３の点線に示すように、縦軸に平行な直線で表わされる
と考えていた。この発明は、p_oが図３の実線で示すよう
に、水位ｈと一対一の関係になく、そこに導電率が関与
しており、これが測定誤差の原因となるという発明者ら
が新たにみつけた課題を解決するものである。

つまり、上側コイルと下側コイルの出力Eu及びElのみ
から正確に水位を求めることができない。

そこで本発明者らは、上側コイル及び／又は下側コイ
ルの出力に何らかの処理を加え、得られた結果を図３と
同様にｈ−ｃ平面上の曲線とするよう検討した。そのよ
うな曲線が得られれば、それと図３の曲線との交点を求
めることにより、上下コイルの出力から水位ｈ及び導電
率ｃを特定できることとなるからである。

換言すれば、２つの変数ｈ及びｃを持つ方程式を２つ
得ることにより、その解として水位ｈを求める。そのと
き同時に導電率ｃが求まる。

本発明者らは既述の比ｓ≡Eu′/Euに注目した。そし
て、s₀＝Eu′/Euを求め、ｓ（h,c）＝s₀とおくと、同じ
く一つの曲線が図４のように得られた。ｈ−ｃ平面へ正
射影することは同じ。

なお、流管１内の水位ｈと被測定流体の導電率ｃで決
まる流量計本体部分24の出力インピーダンスをRwとする
と、流量計本体に発生する流量計本体に発生する流量信
号Ｅは図６に示すように、出力インピーダンスRwとプリ
アンプ27の入力インピーダンスRiで分圧されてプリアン
プ27へ入るが、通常Rw《Riなので、Ei≒Ｅである。

ここで短絡スイッチS₂を閉じてやると、同じくRs《Ri
としておけば Ei≒Rs・E/（Rw＋Rs）である。従って前記ｓの定義よりｓ＝Rs/（Rw＋Rs）である。Rsは既知であり、Rw（h,c）だからｓ（h,c）と
書ける。

背景技術では水位ｈが流量Ｑと一対一の関係にあり、
p₀＝El/Eu（＝OB/OA）が流量Ｑ（即ち水位ｈ）と一対一
の関係にあることを前提にして実流量を求めていたが、
既述の説明からp₀＝ｐ（h,c）であるため、より精度の
高い測定を行なうには背景技術で説明した方法は利用で
きない。

そこで発明者らは既述の比ｇ≡Q/Euが水位ｈ及び導電
率ｃの関数であることに着目した。

即ち、この図３の図４と二つの曲線の交点が現在の水
位h₀と導電率c₀を現わしている（図５）から、ｇ＝g
₀（h₀，c₀）によりg₀が求まる。ｇの定義により、現在
の流量Q₀をQ₀＝g₀Euとして求める。

本手法は、ｇに影響を与えるパラメータｈとｃを、ｓ（h,c）＝s₀ ｐ（h,c）＝p₀ なる連立方程式を解いて求めようとするもので、導電率
Ｃを求めることで導電率の変化による誤差を補正するも
のである。

発明を実施するための最良の形態図７に示すように、流量１の内径がφ200、短絡抵抗Rs
が100Ω、プリアンプ27の入力インピーダンスが100MΩ
の場合、前記図３、図４に相当する曲線を取ると（図
８、図９）になる。

図９の水位ｈが1.0以上の部分は満管のまま流体を圧
送している状態で、便宜上プロットされている。

図11は導電率1300μS/cmの流体の流量を本発明に基づ
き測定したデータを横軸実流量、縦軸器差（器差＝（測
定値−真値）／真値×100％）で表わしたものである。

図10に示したデータは、前記背景技術で説明した方法
で同一の流体を測定したときの結果である。

本発明の非満水用電磁流量計は、上述のように構成さ
れているので、導電率の変化が測定精度に与える悪影響
を補正して測定誤差を小さくできる。

又、本体部分の対称性に留意する制約が小さくなるの
で、電磁流量計本体部分の設計の自由度が増す。

更に又、導電率の情報を外部へ出力することで、導電
率計としての機能をはたすことができる。

次に、実施例の測定方法を図21のフローチャートに基
づいて説明する。

なお、図22は、比ｇ≡Q/Euと水位ｈ及び導電率ｃとの
関係を示すグラフである。この図22の関係、更には図８
及び９の関係は演算処理部31のメモリに予め格納されて
いる。

ステップ１では、短絡スイッチS₂が開のときの上側コ
イルの出力Eu、同スイッチS₂が閉のときの出力Eu′及び
下側コイルの出力Elを検出して、演算処理部31のレジス
タへ保存しておく。

ステップ３では、演算処理部の演算回路がレジスタか
らそこに保存されているEu,Elを読み出して、p₀＝El/Eu
を計算し、結果を他のレジスタに保存する。

ステップ５では、同様にして、S₀＝El′/Euを計算
し、結果を他のレジスタへ保存しておく。

ステップ７では、ステップ３で得られたp₀の値をメモ
リに格納されている図８のデータと比較して、図８のデ
ータから得られたp₀に最も近いデータを選択する。一
方、ステップ５で得られたS₀の値をメモリに格納されて
いる図９のデータと比較して、その中から得られたS₀に
最も近いデータを選択する。このようにして得られた２
つのデータの交点から測定時の水位h₀及び導電率c₀が得
られる。

ステップ９では、メモリに格納されている図22のデー
タを参照して、ステップ７で決定された水位h₀及び導電
率c₀からg₀を特定する。

ステップ11では、上側コイルの出力Euをレジスタから
読み出すとともに、該Euとステップ９で得られた比g₀を
乗算し、実流量Q₀を計算する。

なお、実施例の管路の内径は240mmである。電極２の
寸法は、流れ方向に40mmの幅を持ち、90°の開き角度及
び2mmの厚さを持つ。

上下のコイル形状及び寸法を図23に示す。

なお、コイルは1300ターン巻きのものを利用した。

この発明は上記の開示に限定されない。

図面の簡単な説明図１の（ａ）は本発明のブロック図、ｂはその一部の
詳細を示す図。

図２はタイミングチャート。

図３はｈ−ｃ平面上でのｐ曲線の図。

図４はｈ−ｃ平面上でのｓ曲線の図。

図５はｈ−ｃ平面上でのｐ曲線とｓ曲線の図。

図６は本発明の電気回路の要部。

図７は本発明の実施例の要部の電気回路。

図８は実施例によるｈ−ｃ平面上でのｐ曲線の図。

図９は実施例によるｈ−ｃ平面上でのｓ曲線の図。

図10は従来技術の一例の器差曲線。

図11は本発明の実施例の器差曲線。

図12は従来技術の電磁流量計のブロック図。

図13は従来技術の流量検出器で、ａは正面図、ｂは同
図（ａ）Ａ−Ａ断面図。

図14は図12の電磁流量計のタイミングチャート。

図15は従来技術による流量計方法の手順を説明する線
図で、（ａ）は流量計出力線図、（ｂ）は流量計出力比
を示す線図、（ｃ）は未知の流量から得た出力比から、
同一水位の流量Ｑαを求める手順を説明する図、（ｄ）
は出力曲線OAから感度を求める手順を説明する図。

図16は従来技術の計測精度の検証に使用した実験装置
の略図。

図17は従来技術での、実流量Ｑと流量検出器の出力OA,O
Bの関係の一例を示す線図。

図18は図17のデータから計算した比OB/OAと実流量Ｑ
との関係を示す線図。

図19は管路勾配を変えた状態での図17に相当する出力
線図。

図20は従来技術の器差特性線図。

図21は実施例の方法を説明するフローチャート。

図22はg,h,cの関係を示すグラフ。

図23は実施例におけるコイルの斜視図。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】個々に励磁できる上側励磁コイル（Cu）と
下側励磁コイル（Cl）と１対の対向する電極（22）を有
する本体部分（24）と、次の（ａ）〜（ｇ）の要件を有する変換器部分（32）と
を具備したことを特徴とする非満水用電磁流量計。（ａ）励磁回路（25）へ励磁のタイミングを知らせ、増
幅回路（AMP）へタイミングを知らせる励磁タイミング
回路（26）を設ける。（ｂ）短絡スイッチ（S₂）の開閉を制御するタイミング
信号を発生し、同時に演算処理部（31）へこのタイミン
グを知らせる導電率測定タイミング回路（28）を設け
る。（ｃ）励磁タイミング回路（26）からの信号を受け、二
つの励磁コイル（Cu）（Cl）を励磁する励磁回路（25）
を設ける。（ｄ）電極（22）からプリアンプ（27）へ至る導線をア
ースへ短絡する短絡抵抗（Rs）と、導電率測定タイミン
グ回路（28）からの信号により、短絡抵抗（Rs）を接続
したり、切り離したりするスイッチ（S₂）を設ける。（ｅ）電極（22）間の信号電圧を増幅するプリアンプ
（27）を設ける。（ｆ）増幅回路（AMP）の出力をA/D変換するA/D変換回
路（30）と、このデータを処理して流量出力信号を出力
する演算処理回路（31）を設ける。
【請求項２】演算処理回路（31）が、A/D変換回路（3
0）のデータを処理して導電率出力を出力する請求項１
の非満水用電磁流量計。
【請求項３】短絡スイッチ開時の上側コイルの出力（E
u）と下側コイルの出力（El）の比（ｐ）を求める手段
と、前記出力（Eu）と短絡スイッチ閉時の上側コイルの出力
（Eu′）との比（ｓ）を求める手段と、流量（Ｑ）と前記出力（Eu）の比（ｇ）と水位（ｈ）及
び導電率（ｃ）との関係を保存する手段と、前記比（ｐ）と比（ｓ）から、水位（ｈ）及び導電率
（ｃ）を特定する手段と、特定された水位（ｈ）及び導電率（ｃ）を前記保存手段
に保存されている関係に照らして、前記比（ｇ）を特定
する手段と、該特定された比（ｇ）及び前記出力（Eu）から流量を演
算する手段とを備えてなる非満水用電磁流量計。
【請求項４】短絡スイッチ開時の出力（Eu）と下側コイ
ルの出力（El）の比（ｐ）を求めるステップと、前記出力（Eu）と前記短絡スイッチ閉時の上側コイルの
出力（Eu′）との比（ｓ）を求めるステップと、前記比（ｐ）と比（ｓ）から、水位（ｈ）及び導電率
（ｃ）を特定するステップと、特定された水位（ｈ）及び導電率（ｃ）を、予め求めら
れている流量（Ｑ）と前記出力（Eu）の比（ｇ）と水位
（ｈ）及び導電率（ｃ）との関係に照らして、該比
（ｇ）を特定するステップと、該特定された比（ｇ）及び前記出力（Eu）から流量を演
算するステップとからなる非満水時の流量測定方法。