JP3057495B2 - 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】本発明は、矩形波状の波形を持つ
励磁電流で励磁して測定流量に対応する起電力を検出す
る電磁流量計に係り、特に、励磁電流の切り換えに伴な
って発生する微分ノイズの影響を受けないように改良し
高周波励磁を可能とした電磁流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の電磁流量計の構成を示す構
成図である。検出器１０は、インダクタンスがＬ_fで抵
抗値がＲ_fの励磁コイル１１、内面が絶縁された導管１
２、測定流体に接液し導管１２に固定された一対の検出
電極１３ａ、１３ｂなどから構成されている。

【０００３】この励磁コイル１１は、励磁回路１４から
供給される矩形波状で無励磁期間を有する励磁電流Ｉ_f1
により測定流体に磁場Ｂを印加する。励磁回路１４は直
流電源Ｅ₁、定電流回路ＣＣなどにより構成され、この
定電流回路ＣＣは制御信号Ｖ_{C 1}によりオン／オフ制御さ
れて矩形波状の励磁電流Ｉ_f1を供給する。

【０００４】検出電極１３ａ、１３ｂは、差動増幅器１
５の入力端にそれぞれ接続され、その出力端は抵抗Ｒ_h
とコンデンサＣ_hで構成されるハイパスフイルタ１６の
入力端に接続されている。

【０００５】ハイパスフイルタ１６の出力端は、スイッ
チ１７を介してアナログ／デジタル変換器１８に接続さ
れ、このスイッチ１７は制御信号Ｖ_C2によりその開閉が
制御される。

【０００６】１９はマイクロコンピュータであり、これ
はプロセッサＣＰＵ、ランダムアクセスメモリＲＡＭ
１、リードオンリメモリＲＯＭ１、出力ポートＯＵＴお
よびこれらを接続するバスＢＵＳなどで構成されてい
る。

【０００７】さらに、マイクロコンピュータ１９は、定
電流回路ＣＣの開閉を制御する制御信号Ｖ_C1、スイッチ
１７の開閉を制御する制御信号Ｖ_C2をそれぞれ定電流回
路ＣＣとスイッチ１７に出力する。

【０００８】次に、以上のように構成された電磁流量計
の動作について図６に示す波形図を用いて説明する。定
電流回路ＣＣはマイクロコンピュータ１９から図６
（ａ）に示す制御信号Ｖ_C1によりその開閉が制御されて
図６（ｂ）に示すような矩形波状の励磁電流Ｉ_f1を励磁
コイル１１に流す。

【０００９】この励磁電流Ｉ_f1によりほぼ同一の波形を
持つ磁場Ｂが測定流体に印加され、これに伴って検出電
極１３ａと１３ｂとの間には図６（ｃ）に示すように磁
場Ｂと同一波形で測定流体の流量に比例した検出信号ｅ
_sが発生する。

【００１０】検出電極１３ａと１３ｂには、検出信号ｅ
_sの他に、図６（ｄ）に示すように励磁電流Ｉ_f1の変化
に比例して微分ノイズｅ_dfが発生する。

【００１１】マイクロコンピュータ１９は、検出信号ｅ
_sをサンプリングするスイッチ１７を、制御信号Ｖ_C2に
より図６（ｅ）に示すタイミングでサンプリングしてラ
ンダムアクセスメモリＲＡＭ１の所定領域に格納する。

【００１２】しかし、ここに格納されたデータには微分
ノイズを含んでおり、この中からこのノイズを低減させ
るために、次に示す演算がマイクロコンピュータ１９に
より実行される。この演算式は、例えばＲＯＭ２に格納
されている。

【００１３】３つの連続したサンプリングデータをサン
プリングする場合に、添字（ｉ）は最初の励磁期間、添
字（ｉ＋１）はこの後に続く無励磁期間、添字（ｉ＋
２）は次の励磁期間を意味するものとすると、通常は ｅ₁＝ｅ_i−２ｅ_i+1＋ｅ_i+2 （１） なる演算をする。

【００１４】ここで、各サンプリングデータは図６を参
照して次のようになる。 ｅ_i＝ｅ_Si＋ｅ_dfi （２） ｅ_i+1＝ｅ_Si+1＋ｅ_dfi+1 （３） ｅ_i+2＝ｅ_Si+2＋ｅ_dfi+2 （４）

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来の演算では、微分ノイズｅ_dfと検出信号ｅ_s
とが同相であるので、これらの演算処理によっては微分
ノイズを完全に除去することができないという問題があ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための構成として、矩形波状の波形を持つ励磁
電流で励磁して測定流量に対応する起電力を検出する電
磁流量計において、同一の先の励磁電流波形の信号を少
なくとも２回に亘って異なる時点でサンプリングして第
１・第２のタイミング信号を発生するタイミング発生手
段と、先の起電力を増幅して流量信号として出力する増
幅手段と、先の流量信号を微分して微分信号として出力
する微分手段と、先の第１タイミング信号により先の流
量信号を第１信号Ｓ₁としてサンプリングする第１サン
プリング手段と、先の第２タイミング信号により先の流
量信号を第２信号Ｓ₂としてサンプリングする第２サン
プリング手段と、先の第１タイミング信号により先の微
分信号を第３信号Ｓ₃としてサンプリングする第３サン
プリング手段と、先の第２タイミング信号により先の微
分信号を第４信号Ｓ₄としてサンプリングする第４サン
プリング手段と、これらの信号Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ₄を用
いて Ｓ₄［（Ｓ₁−Ｓ₂）／（Ｓ₃−Ｓ₄）］ なる演算を実行する演算手段とを具備するようにしたも
のである。

【００１７】

【作 用】タイミング発生手段は矩形波状の波形を持つ
同一の励磁電流波形の信号を少なくとも２回に亘って異
なる時点でサンプリングして第１・第２のタイミング信
号を発生する。増幅手段は測定流量に対応する起電力を
増幅して流量信号として出力する。そして、微分手段は
先の流量信号を微分して微分信号として出力する。

【００１８】第１サンプリング手段は先の第１タイミン
グ信号により先の流量信号を第１信号Ｓ₁としてサンプ
リングする。第２サンプリング手段は先の第２タイミン
グ信号により先の流量信号を第２信号Ｓ₂としてサンプ
リングする。第３サンプリング手段は先の第１タイミン
グ信号により先の微分信号を第３信号Ｓ₃としてサンプ
リングする。第４サンプリング手段は先の第２タイミン
グ信号により先の微分信号を第４信号Ｓ₄としてサンプ
リングする。

【００１９】そして、演算手段はこれらの信号Ｓ₁、
Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ₄を用いて Ｓ₄［（Ｓ₁−Ｓ₂）／（Ｓ₃−Ｓ₄）］ なる演算を実行する。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図を用いて説
明する。図１は本発明の１実施例の構成を示す構成図で
ある。なお、図５に示す従来の電磁流量計と同一の機能
を有する部分には同一の符号を付して適宜にその説明を
省略する。

【００２１】検出器２０は、励磁コイル１１、内面が絶
縁された導管１２、測定流体に接液し導管１２に固定さ
れた一対の検出電極１３ａ、１３ｂ、接地電極２１など
から構成されている。

【００２２】この励磁コイル１１は、励磁回路２２から
供給される矩形波状の励磁波形を持つ励磁電流Ｉ_f2によ
り測定流体に磁場Ｂを印加する。励磁回路２２はタイミ
ング発生回路２３から出力されるタイミング信号Ｔ_i0に
より励磁電流Ｉ_f2を切り換えるタイミングが制御され
る。また、タイミング発生回路２３は信号をサンプリン
グするタイミングを与えるタイミング信号Ｔ_i1、Ｔ_i2を
出力する。

【００２３】検出電極１３ａ、１３ｂは、差動増幅器１
５の入力端にそれぞれ接続され、差動増幅器１５はその
出力端にインピーダンス変換されて低出力インピーダン
スとされた流量信号Ｖ_fを出力する。また、この流量信
号Ｖ_fは微分回路２４に出力されて微分されてその出力
端に微分信号Ｖ_dを出力する。

【００２４】スイッチと抵抗とコンデンサで構成された
サンプリング回路２５はタイミング信号Ｔ_i1で制御され
て流量信号Ｖ_fをサンプリングして第１信号Ｓ₁を出力
し、同様に構成されたサンプリング回路２６はタイミン
グ信号Ｔ_i2で制御されて流量信号Ｖ_fをサンプリングし
て第２信号Ｓ₂を出力する。

【００２５】また、同様に構成されたサンプリング回路
２７はタイミング信号Ｔ_i1で制御されて微分信号Ｖ_dを
サンプリングして第３信号Ｓ₃を出力し、同様に構成さ
れたサンプリング回路２８はタイミング信号Ｔ_i2で制御
されて微分信号Ｖ_dをサンプリングして第４信号Ｓ₄を出
力する。

【００２６】これらの第１信号Ｓ₁、第２信号Ｓ₂、第３
信号Ｓ₃、および第４信号Ｓ₄は、それぞれアナログ／デ
ジタル変換器（Ａ／Ｄ）２９に出力されてデジタル信号
に変換され、その後マイクロプロセッサ（μＰ）３０に
出力される。

【００２７】マイクロプロセッサ３０は、内部にはマイ
クロプロセッサＣＰＵ、ランダムアクセスメモリＲＡ
Ｍ、リードオンリメモリＲＯＭなどが内蔵され、さらに
信号処理の演算に必要な計算式、手順、パラメータなど
が格納されている。

【００２８】次に、以上のように構成された実施例の動
作について、図２に示す波形図、図３に示す波形説明図
を用いて説明する。タイミング発生回路２３から出力さ
れるタイミング信号Ｔ_i0にしたがって励磁回路２２が流
す励磁電流が切り換えられて図２（ａ）に示す波形の励
磁電流Ｉ_f2が励磁コイル１１に流される。

【００２９】導管１２に測定流体が流れると検出電極１
３ａ、１３ｂには対応する起電力が発生し、差動増幅器
１５を介してその出力端に図２（ｂ）に示す流量信号Ｖ
_fが発生する。また、この流量信号Ｖ_fは微分回路２４に
出力されて、これを微分して図２（ｃ）に示すような波
形の微分信号Ｖ_dを出力する。

【００３０】さらに、タイミング発生回路２３は、タイ
ミング信号Ｔ_i1（図２（ｄ））、Ｔ _i2（図２（ｅ））を
サンプリング回路２５、２６、２７、２８に出力する。
そして、サンプリング回路２５では流量信号Ｖ_f（図２
（ｂ））がタイミング信号Ｔ_{i 1}（図２（ｄ））で示すタ
イミングでサンプリングされて第２図（ｆ）に示す第１
信号Ｓ₁として出力される。

【００３１】また、サンプリング回路２６では流量信号
Ｖ_f（図２（ｂ））がタイミング信号Ｔ_i2（図２
（ｅ））で示すタイミングでサンプリングされて第２図
（ｇ）に示す第２信号Ｓ₂として出力される。

【００３２】サンプリング回路２７では微分信号Ｖ
_d（図２（ｃ））がタイミング信号Ｔ_i1（図２（ｄ））
で示すタイミングでサンプリングされて第２図（ｈ）に
示す第３信号Ｓ₃として出力される。

【００３３】サンプリング回路２８では微分信号Ｖ
_d（図２（ｃ））がタイミング信号Ｔ_i2（図２（ｅ））
で示すタイミングでサンプリングされて第２図（ｉ）に
示す第４信号Ｓ₄として出力される。

【００３４】これらの第１信号Ｓ₁〜第４信号Ｓ₄は、ア
ナログ／デジタル変換器２９を介してマイクロプロセッ
サ３０のランダムアクセスメモリＲＡＭの所定領域に格
納される。

【００３５】そして、マイクロプロセッサＣＰＵは、こ
れらの第１信号Ｓ₁〜第４信号Ｓ₄を用いて、例えばリー
ドオンリメモリＲＯＭに格納されている所定の演算式に
基づいて演算を実行し微分ノイズの影響を除去した流量
信号を出力する。

【００３６】ところで、図２（ｂ）に示す流量信号Ｖ_f
の波形を見ると、流量に比例する信号Ｓ_gと微分ノイズ
Ｎに基づくノイズとの和となっているが、このうち、流
量に比例する信号Ｓ_gは短い期間では図３（ａ）（Ａ）
に示すように一定とみなせ、また微分ノイズＮは図３
（ｂ）（Ａ）に示すようにエクスポーネンシャルｅｘｐ
状に変化するものとみなせる。

【００３７】したがって、この流量信号Ｖ_fを微分回路
２４を介して微分信号Ｖ_dとして出力すると、流量に比
例する信号Ｓ_gは図３（ａ）（Ｂ）に示すように、サン
プリング期間Ｔ_SMP内では無視し得るが、微分ノイズＮ
は図３（ｂ）（Ｂ）に示すように、振幅は小さくなるが
そのエンベロープ形が同じ微分信号Ｖ_dとなる。

【００３８】したがって、この微分信号Ｖ_dを用いてノ
イズ補償をするには、微分ノイズＮと同じ振幅になるま
で所定倍の増幅をすれば良い。これは、例えばマイクロ
プロセッサＣＰＵの演算の過程で実行できる。

【００３９】次に、ノイズ除去のための演算式につい
て、図４に示す演算に必要な符号を定義する符号説明図
を用いて説明する。図４（ａ）は励磁電流の半周期の期
間における流量信号Ｖ_fの波形を、図４（ｂ）はこれを
微分回路２４を通して得られた微分信号Ｖ_dの波形をそ
れぞれ示している。

【００４０】先ず、第１信号Ｓ₁、第２信号Ｓ₂について
説明する。Ｔ_Sをサンプリング間隔、τを時定数とする
と、Ｓ₁とＳ₂は Ｓ₁＝_2TS∫^3TSＳ_g＋Ｎ・ｅｘｐ（−Ｔ／τ）ｄｔ ＝Ｓ_gＴ_S＋Ｎτ［ｅｘｐ（−２Ｔ_S／τ）−ｅｘｐ（−３Ｔ_S／τ）］ …（５） Ｓ₂＝_3TS∫^4TSＳ_g＋Ｎ・ｅｘｐ（−Ｔ／τ）ｄｔ ＝Ｓ_gＴ_S＋Ｎτ［ｅｘｐ（−３Ｔ_S／τ）−ｅｘｐ（−４Ｔ_S／τ）］ …（６） で示される。

【００４１】ここで、流量信号Ｖ_fは励磁電流の半周期
の期間における時間変化を考慮すると、ｓをラプラス演
算子として、（Ｓ_g／ｓ）＋Ｎ／（ｓ＋１／τ）で示さ
れるが、微分回路２４の伝達関数はｓ／（ｓ＋１／Ｔ）
で示されるので、微分信号Ｖ _dは次式で得られる。但
し、Ｔは微分回路２４の時定数である。

【００４２】 Ｖ_d＝［（Ｓ_g／ｓ）＋Ｎ／（ｓ＋１／τ）］×［ｓ／（ｓ＋１／Ｔ）］ ＝［Ｓ_g／（ｓ＋１／τ）］＋Ｎ［−（Ｔ／τ）／（１−Ｔ／τ）］ ×［１／（ｓ＋１／τ）］＋［Ｎ／｛（１−Ｔ／τ）（ｓ＋１／Ｔ）｝］

【００４３】ここで、Ｔ≪τとすると、（ｓ＋１／Ｔ）
を逆ラプラス変換すればｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）となるよう
に、早く減衰するので、 Ｖ_d（ｓ）＝Ｎ［−（Ｔ／τ）／（１−Ｔ／τ）］（ｓ
＋１／τ） となる。

【００４４】そこで、このＶ_d（ｓ）を逆ラプラス変換
すれば、 Ｖ_d（ｔ）＝Ｎ［−（Ｔ／τ）／（１−Ｔ／τ）］ｅｘｐ（−ｔ／τ） …（７） となる。

【００４５】これは、流量信号Ｖ_fに乗ったノイズＮを
［−（Ｔ／τ）／（１−Ｔ／τ）］倍した形となってい
る。したがって、図４（ｂ）において、初期値Ｎ_dは Ｎ_d＝Ｎ［−（Ｔ／τ）／（１−Ｔ／τ）］ …（８） で示される。

【００４６】そこで、この関係を用いて第３信号Ｓ₃、
第４信号Ｓ₄の値を求めると、次のようになる。 Ｓ₃＝_2TS∫^3TSＮ_dｅｘｐ（−ｔ／τ）ｄｔ ＝_2TS∫^3TSＮ［−（Ｔ／τ）／（１−Ｔ／τ）］ｅｘｐ（−ｔ／τ）ｄｔ ＝Ｎ［−（Ｔ／τ）／（１−Ｔ／τ）］τ ×［ｅｘｐ（−２Ｔ_S／τ）−ｅｘｐ（−３Ｔ_S／τ）］ …（９）

【００４７】 Ｓ₄＝_3TS∫^4TSＮ_dｅｘｐ（−ｔ／τ）ｄｔ ＝_3TS∫^4TSＮ［−（Ｔ／τ）／（１−Ｔ／τ）］ｅｘｐ（−ｔ／τ）ｄｔ ＝Ｎ［−（Ｔ／τ）／（１−Ｔ／τ）］τ ×［ｅｘｐ（−３Ｔ_S／τ）−ｅｘｐ（−４Ｔ_S／τ）］ …（１０）

【００４８】ここで、Ｓ₁−Ｓ₂、Ｓ₃−Ｓ₄を求めると、 Ｓ₁−Ｓ₂＝Ｎτ［ｅｘｐ（−２Ｔ_S／τ） −２ｅｘｐ（−３Ｔ_S／τ）＋ｅｘｐ（−４Ｔ_S／τ）］…（１１） Ｓ₃−Ｓ₄＝Ｎ［−（Ｔ／τ）／（１−Ｔ／τ）］τ［ｅｘｐ（−２Ｔ_S／τ ）−２ｅｘｐ（−３Ｔ_S／τ）＋ｅｘｐ（−４Ｔ_S／τ）］ …（１２） となる。

【００４９】そこで、これ等の比を演算すると、 （Ｓ₁−Ｓ₂）／（Ｓ₃−Ｓ₄）＝１／［−（Ｔ／τ）／（１−Ｔ／τ）］ …（１３） を得る。

【００５０】ここで、この（１３）式にＳ₄を乗ずる
と、 Ｓ₄（Ｓ₁−Ｓ₂）／（Ｓ₃−Ｓ₄） ＝Ｎτ［ｅｘｐ（−３Ｔ_S／τ）−ｅｘｐ（−４Ｔ_S／τ）］ …（１４） を得るが、これは（６）式に示す第２信号Ｓ₂のノイズ
成分に等しい。

【００５１】したがって、次の演算を実行すると Ｓ₂−［Ｓ₄（Ｓ₁−Ｓ₂）／（Ｓ₃−Ｓ₄）］＝Ｓ_gＴ_S …（１５） となり、ノイズが除去された流量信号のみが算出でき
る。

【００５２】具体的には、この（１５）式に示す演算式
は、マイクロコンピュータ３０の中の例えばリードオン
リメモリＲＯＭの中に格納しておき、これとランダムア
クセスメモリＲＡＭに格納された信号Ｓ₁〜Ｓ₄を用い
て、ノイズが除去された流量信号をマイクロプロセッサ
ＣＰＵが演算する。

【００５３】

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに本発明によれば、同一の励磁波形を用いてこれに含
まれる微分ノイズを算定しこれを除去する構成としたの
で励磁波形が各波形で異なっても微分ノイズを除去する
ことができ、しかも微分ノイズが相対的に大きくなる高
周波励磁をしたときでもこれを除去できるのでゼロ点の
安定した電磁流量計を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の構成を示す構成図である。

【図２】図１に示す実施例の動作を説明するための波形
図である。

【図３】図１に示す実施例の動作を説明するための説明
図である。

【図４】図１に示す実施例の演算式の算定のための定義
をする説明図である。

【図５】従来の電磁流量計の構成を示す構成図である。

【図６】図５に示す電磁流量計の動作を説明するための
波形図である。

【符号の説明】

１０、２０ 検出器 １１ 励磁コイル １２ 導管 １３ａ、１３ｂ 検出電極 １４、２２ 励磁回路 １９、３０ マイクロコンピュータ ２３ タイミング発生回路 ２４ 微分回路 ２５、２６、２７、２８ サンプリング回路 ２９ アナログ／デジタル変換器 Ｖ_f 流量信号 Ｖ_d 微分信号 Ｓ₁ 第１信号 Ｓ₂ 第２信号 Ｓ₃ 第３信号 Ｓ₄ 第４信号 Ｔ_i1、Ｔ_i2 タイミング信号

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】矩形波状の波形を持つ励磁電流で励磁して
   測定流量に対応する起電力を検出する電磁流量計におい
   て、同一の前記励磁電流波形の信号を少なくとも２回に
   亘って異なる時点でサンプリングして第１・第２のタイ
   ミング信号を発生するタイミング発生手段と、前記起電
   力を増幅して流量信号として出力する増幅手段と、前記
   流量信号を微分して微分信号として出力する微分手段
   と、前記第１タイミング信号により前記流量信号を第１
   信号Ｓ₁としてサンプリングする第１サンプリング手段
   と、前記第２タイミング信号により前記流量信号を第２
   信号Ｓ₂としてサンプリングする第２サンプリング手段
   と、前記第１タイミング信号により前記微分信号を第３
   信号Ｓ₃としてサンプリングする第３サンプリング手段
   と、前記第２タイミング信号により前記微分信号を第４
   信号Ｓ₄としてサンプリングする第４サンプリング手段
   と、これらの信号Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ₄を用いて Ｓ₄［（Ｓ₁−Ｓ₂）／（Ｓ₃−Ｓ₄）］ なる演算を実行する演算手段とを具備することを特徴と
   する電磁流量計。