JP4002132B2

JP4002132B2 - 電磁流量計

Info

Publication number: JP4002132B2
Application number: JP2002116288A
Authority: JP
Inventors: 伸鈴木; 一郎光武
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-04-18
Also published as: JP2003315120A; CN1707226A; CN100354608C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁流量計に関し、特に流体に混入している商用電源ノイズによる計測流量のふらつきを抑制する機能を有する電磁流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電磁流量計の計測対象となる流体は、ポンプや電磁弁を通過する際、これら機器から生ずる５０Ｈｚ／６０Ｈｚの商用電源ノイズが流体に混入する場合がある。このような商用電源ノイズが流体に混入している場合、検出器から得られた信号起電力にも商用電源ノイズが重畳するため、その信号起電力をサンプリングして得られる直流流量信号にも、商用電源周波数とサンプリング周波数との差分周波数を有する差分ノイズが重畳する。したがって、このような直流流量信号をデジタル流量信号として取り込んだ場合、差分ノイズの影響で計測流量にふらつきが生ずる。
【０００３】
従来、このような商用電源ノイズに起因する計測流量のふらつきを抑制する電磁流量計として、図５に示すように、直流流量信号１２の差分ノイズを除去するための帯域減衰フィルタ（以下、ＢＥＦという）５０を設けた電磁流量計が提案されている（例えば、特開２０００−２５８２１１号公報など参照）。
同図において、検出器１０Ｂでは、所定の交流励磁電流に基づいて管路内の流体に磁界を印加し、流体に発生した信号起電力を検出信号として検出出力する。変換器１０Ａでは、検出器１０Ｂに対して所定の交流励磁電流を出力するとともに、検出器１０Ｂからの検出信号を信号処理することにより管路内の流量を算出出力する。
【０００４】
励磁部７は、図６に示すように、スイッチング部８からの励磁信号８Ｃに基づいて矩形波からなる所定周波数の交流励磁電流を出力する。
検出器１０Ｂのコイル９Ｃは、変換器１０Ａからの交流励磁電流により励磁されて、管路９内を流れる流体に対して所定の磁界を印加し、これにより流体の流速に応じた振幅を有する信号起電力が発生する。
この信号起電力は、管路９の内壁であって対向する位置に設けられた検出電極９Ａ，９Ｂにより検出され、検出信号として変換器１０Ａに出力される。
【０００５】
変換器１０Ａでは、初段増幅部１において、ハイパスフィルタなどを用いて検出器１０Ｂから得られた検出信号のうち低周波数成分を減衰させることにより、この検出信号に混入するパルス状ノイズや低周波ノイズを減衰させるとともに、交流増幅し交流流量信号１１として出力する。
【０００６】
サンプルホールド部２では、スイッチング部８からのスイッチング信号８Ａ，８Ｂに基づいて、初段増幅部１からの交流流量信号１１のうちコイル９Ｃによる磁束微分ノイズの影響が少ない波形後短部（斜線ハッチング部分）をサンプリングし直流流量信号１２として出力する。帯域減衰フィルタ５０はサンプルホールド部２からの直流流量信号１２に含まれる、励磁周波数ｆｅｘと商用電源周波数ｆｎとの差の周波数Δｆ＝｜ｆｎ−ｆｅｘ｜の差分ノイズ成分を減衰させる。
演算処理部５は、ＢＥＦ５０を介してサンプルホールド部２からの直流流量信号１２をデジタル流量信号として取り込み、所定の演算処理を実行することにより所望の計測流量値を算出し、出力部６で所定の流量信号（ループ電流）に変換して出力する。
このようにして、差分ノイズの影響で生じるふらつきが抑制された計測流量を得ていた。
【０００７】
一方、上記のようにして差分ノイズを直接低減させるのではなく、図７に示すように、各検出電極９Ａ，９Ｂから得られた電極電圧Ｅ_A，Ｅ_Bの差分を示す出力電圧ＥＳを得ることにより、その元となる商用電源ノイズを低減させるようにした電磁流量計もある。
通常、流体に混入する商用電源ノイズは、コモンモードノイズＮ_Cとして、各検出電極９Ａ，９Ｂに等しく混入する場合が多い。このようなコモンモードノイズＮＣが混入する場合、各検出電極９Ａ，９Ｂと接地電位９Ｄの間に生ずる電極電圧Ｅ_A，Ｅ_Bは、各検出電極９Ａ，９Ｂの信号起電力をＳ_A，Ｓ_Bとすると、
Ｅ_A＝Ｓ_A＋Ｎ_C
Ｅ_B＝Ｓ_B＋Ｎ_C
となる。
【０００８】
このとき、信号起電力Ｓ_A＝−Ｓ_Bであることから、減算器５１でこれら電極電圧Ｅ_A，Ｅ_Bの差分をとると、図８に示すように、コモンモードノイズＮ_Cが互いに打ち消された出力電圧Ｅ_S、
Ｅ_S＝Ｅ_A−Ｅ_B＝２Ｓ_A
が得られる。
これとは逆に、加算器５２で電極電圧Ｅ_A，Ｅ_Bを加算すると、流量信号が互いにうち消されて、商用電源ノイズを示すノイズ電圧Ｅ_N、
Ｅ_N＝Ｅ_A＋Ｅ_B＝２Ｎ_C
が得られる。
【０００９】
このノイズ電圧から商用電源周波数を抽出し、これに同期させて励磁することにより、減算器５１での演算を演算処理部５で行うことができる。
すなわち、図５に示したサンプルホールド部２と同様にして、電極電圧Ｅ_A，Ｅ_Bを半周期ごとにサンプリングし、半周期だけ位相がずれたＥ_A，Ｅ_Bを用いてＥ_Sを求めればよい。このとき、励磁タイミングは商用電源周波数に同期しているため、位相が半周期ずれたＥ_A，Ｅ_Bに対して、コモンモードノイズＮ_Cがそれぞれ等しく混入していることになり、位相のずれがなく、減算器５１を用いることなく効果的にコモンモードノイズＮ_Cをうち消すことができる。
このようにして、差分ノイズの影響で生じるふらつきが抑制された計測流量を得ていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の電磁流量計では、商用電源周波数とサンプリング周波数との差分周波数を有する差分ノイズの影響で生じるふらつきを抑制するためのアナログ信号処理回路を追加する必要があり、製品コストの上昇や電力消費の増大を招くという問題点があった。特に、最大消費電流が４ｍＡ以下に制限される２線式電磁流量計において電力消費の増大は深刻な問題となる。
前者のように差分ノイズをＢＥＦで除去する場合は、差分周波数付近の比較的狭い周波数帯域を効果的に除去する必要があり、ある程度の規模のフィルタ回路が必要となり、消費電力も増大する。
【００１１】
また、後者のように元となる商用電源ノイズを低減させる場合には、逆位相の電極電圧から商用電源ノイズを精度よく除去するための減算回路や、商用電源ノイズから商用電源周波数を精度よく抽出するための加算回路が必要となり、消費電流も増大する。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、商用電源周波数とサンプリング周波数との差分周波数を有する差分ノイズの影響で生じるふらつきを、比較的簡素な回路構成で消費電力を余り増大させることなく効率よく抑制できる電磁流量計を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明にかかる電磁流量計は、所定励磁周波数の交流励磁電流により管路内の流体に磁界を印加し、その流体から検出した信号起電力をサンプリングし、得られた直流流量信号をデジタル流量信号として演算処理部へ取込んで計測流量を算出する電磁流量計において、流体に混入している商用電源ノイズの商用電源周波数と励磁周波数との差分周波数の整数分の１の周波数の取込制御信号を生成する回路部と、取込制御信号の周波数に基づき直流流量信号をサンプリングし、演算処理部へデジタル流量信号として出力する取込部とを備えるようにしたものである。
【００１３】
好ましくは、本発明にかかる他の電磁流量計は、演算処理部で、流体に混入している商用電源ノイズの商用電源周波数と励磁周波数との差分周波数の整数分の１の周波数で、直流流量信号から取り込んだデジタル流量信号を用いて計測流量を算出するようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態にかかる電磁流量計の構成を示すブロック図であり、同図において、前述の説明（図５参照）と同じまたは同等部分には、同一符号を付してある。
この電磁流量計において、検出器１０Ｂは、所定の励磁電流に基づいて管内の流体に磁界を印加し、流体に発生した信号起電力を検出信号として検出出力する。変換器１０Ａは、検出器１０Ｂに対して所定の交流励磁電流を出力するとともに、検出器１０Ｂからの検出信号を信号処理することにより管路９内の流量を算出出力する。
【００１５】
検出器１０Ｂにおいて、検出電極９Ａ，９Ｂは被測定流体が流れる管路９の内壁に対向して配置され、流体に発生した信号起電力を検出する電極、コイル９Ｃは変換器１０Ａからの励磁電流に基づいて励磁され、管路９内の流体に磁界を印加するコイルである。
変換器１０Ａにおいて、スイッチング部８は、所定クロックに基づいてサンプリング信号８Ａ，８Ｂおよび励磁信号８Ｃを生成出力する回路部、励磁部７はスイッチング部８からの励磁信号８Ｃに基づいて交流矩形波で所定周波数の励磁電流を出力する回路部である。
【００１６】
初段増幅部１は、検出器１０Ｂの検出電極９Ａ，９Ｂから得られた検出信号に混入するパルス状ノイズや低周波ノイズをハイパスフィルタで減衰させた後、交流増幅回路によりその検出信号を交流増幅し、流量に応じて振幅が変化する交流流量信号１１として出力する回路部である。
サンプルホールド部２は、スイッチング部８からのサンプリング信号８Ａ，８Ｂに基づいて、初段増幅部１からの交流流量信号１１をサンプリングし、流量に応じて直流電位が変化する直流流量信号１２として出力する回路部である。
【００１７】
Ａ／Ｄ変換部３は、サンプルホールド部２からの直流流量信号１２をＡ／Ｄ変換しデジタル流量信号１３に変換して出力する回路部である。
取込部４は、演算処理部５からの取込制御信号１７に基づき取込周波数ｆｔでＡ／Ｄ変換部３からのデジタル流量信号１３を取込デジタル流量信号１４として演算処理部５へ取り込む回路部である。
【００１８】
演算処理部５は、取込部４からの取込デジタル流量信号１４に対して所定の演算処理を実行することにより所望の流量を算出するとともに、そのときの励磁電流値に応じた調整係数に基づき算出した流量を補正し、計測流量１５として出力する回路部である。また演算処理部５では、算出した計測流量に基づき励磁電流の電流値の切替制御も行う。
出力部６は演算処理部５から出力された計測流量１５を所定の流量信号（ループ電流）１６に変換して出力する回路部である。
【００１９】
次に、図２を参照して、本実施の形態にかるる電磁流量計の動作について説明する。図２は本実施の形態にかかわる電磁流量計の動作を示す信号波形図である。
スイッチング部８からの励磁信号８Ｃに基づいて、商用電源周波数ｆｎより高い所定周波数ｆｅｘを有する矩形波の交流励磁電流が変換器１０Ａの励磁部７から検出器１０Ｂのコイル９Ｃへ供給される。
これにより、コイル９Ｃが励磁されて、管路９内を流れる流体に対して所定の磁界が印加され、流体の流速に応じた振幅を有する信号起電力が発生する。
【００２０】
この信号起電力は、管路９の内壁であって対向する位置に設けられた検出電極９Ａ，９Ｂにより検出され、検出信号として変換器１０Ａに出力される。変換器１０Ａの初段増幅部１では、検出器１０Ｂから得られた検出信号のうち低周波数成分が減衰されて、この検出信号に混入するパルス状ノイズや低周波ノイズが減衰されるとともに、交流増幅され交流流量信号１１として出力される。
サンプルホールド部２では、スイッチング部８からのスイッチング信号８Ａ，８Ｂが示すサンプリング期間に基づいて、初段増幅部１からの交流流量信号１１がサンプリングされ直流流量信号１２として出力される。
【００２１】
なお、サンプリング期間は、初段増幅部１からの交流流量信号１１のうちコイル９Ｃによる磁束微分ノイズの影響が少ない波形後短部（斜線ハッチング部分）に設けられており、サンプルホールド部２では、このサンプリング期間だけスイッチ２Ａ，２Ｂをそれぞれ短絡して交流流量信号１１を積分し、直流流量信号１２として出力する。
また、交流流量信号１１が正側の場合には、スイッチング信号８Ａに基づいてスイッチ２Ａのみが短絡され、交流流量信号１１が負側の場合には、その交流流量信号１１がインバータ２Ｃで反転された後、スイッチング信号８Ｂに基づいてスイッチ２Ｂのみが短絡される。
【００２２】
ここで、サンプルホールド部２から出力される直流流量信号１２のノイズ特性について説明する。
前述のように、交流流量信号１１に商用電源ノイズが混入する場合、サンプルホールド部２でのサンプリング周波数すなわち励磁周波数との関係で、直流流量信号１２に差分ノイズが発生し、結果として計測流量にふらつきが発生する。
【００２３】
図３は直流流量信号に含まれる差分ノイズの周波数特性を示す説明図であり、直流流量信号１２のふらつきは、励磁周波数ｆｅｘ（２１）のｍ倍の周波数と商用電源周波数ｆｎ（２２）のｎ倍の周波数（ｍ，ｎは正整数）との差の周波数Δｆ＝｜ｍｆｅｘ±ｎｆｎ｜に発生する。特にｍ＝１，ｎ＝１では、ｆｅｘ−ｆｎ（２３），ｆｅｘ＋ｆｎ（２４）は、励磁周波数ｆｅｘにも近く計測流量に対して比較的影響が大きい。
【００２４】
本実施の形態では、取込部４を設けて所定のタイミングで直流流量信号を取り込むことにより、直流流量信号に含まれる差分ノイズの影響によるふらつきを抑制している。例えば、図２に示すように、差分ノイズの周波数に同期させて直流流量信号１２を取り込むことにより、各取込タイミングにおける差分ノイズの量はほぼ等しくなり、ふらつきが抑制される。
この取込タイミングの周波数すなわち取込周波数ｆｔは、差分ノイズの周波数すなわち差分周波数Δｆの整数分の１倍であればよく、ｆｔ＝Δｆ／ｋ（但し、ｋは自然数）と表される。
【００２５】
なお、差分ノイズ成分２４は、差分ノイズ成分２３よりも信号周波数成分（直流とその付近）から離れた周波数に位置していることから、一般的なローパスフィルタで十分に減衰できる場合も多い。
したがって、差分ノイズ成分２４については、その周波数が励磁周波数ｆｅｘより高く、演算処理部５での平均化処理によりある程度減衰されることから、取込部４において差分ノイズ成分２３のみを減衰させるようにしてもよい。
【００２６】
このようにして、直流流量信号１２、ここではＡ／Ｄ変換部３からのデジタル流量信号１３が取込部４により所定の取込周波数ｆｔで取込デジタル流量信号１４として演算処理部５へ取り込まれる。
演算処理部５では、この取込デジタル流量信号１４に対して所定の演算処理を実行することにより、流体流速から所望の計測流量値を算出し、出力部６で所定の信号に変換して出力する。
【００２７】
図４は取込部４による取込処理の周波数特性を示す説明図であり、横軸は差分ノイズの差分周波数Δｆを取込周波数ｆｔで除算した値Δｆ／ｆｔ（＝ｋ）を示し、縦軸は出力のレベルを示している。
上記のような取込処理は、Δｆ／ｆｔが整数となる周波数で、出力レベルが大幅に減衰するという特性を有している。
この特性を利用して、商用電源周波数に対する励磁周波数（サンプリング周波数）や取込周波数ｆｔの関係を調整して、取込処理で大幅に減衰する周波数を、前述したふらつきの周波数成分である差分ノイズ成分２３，２４（図３参照）と一致させることにより、直流流量信号１２に含まれるふらつきを減衰させることができる。
【００２８】
たとえば、励磁周波数ｆｅｘ＝２７．５Ｈｚで、商用電源周波数ｆｎ＝５０Ｈｚの場合には、低周波数側の差分ノイズの周波数はΔｆ（＝ｆｎ−ｆｅｘ）＝２２．５Ｈｚ（ｍ＝１，ｎ＝１）となる。
したがって、例えば取込周波数ｆｔ（＝Δｆ／ｋ）を２．５Ｈｚとすると、ｆｔはΔｆの１／９倍（ｋ＝９）の周波数となり、この差分ノイズが抑制されることがわかる。この場合、高周波数側の差分ノイズの周波数Δｆ＝ｆｎ＋ｆｅｘは、Δｆ＝７７．５Ｈｚ（ｍ＝１，ｎ＝１）となるが、差分周波数Δｆの１／３１（ｋ＝３１）となるため、この差分ノイズも抑制されることがわかる。したがって、これら２つの差分周波数の公約周波数を取込周波数として用いることにより、効率よく差分ノイズを抑制できる。
【００２９】
取込部４を制御するための取込制御信号１７については、商用電源周波数ｆｎとサンプリング周波数すなわち励磁周波数の２倍の周波数とが既知であることからその取込周波数ｆｔを容易に算出でき、この取込周波数ｆｔの取込制御信号１７を演算処理部５で生成できる。なお、取込制御信号１７の生成は、演算処理部５に限定されるものではなく、他の回路部例えばスイッチング部８で生成してもよい。
【００３０】
また、取込部４は、一般的なスイッチ回路やゲート回路で実現でき、従来のようなアナログ信号処理回路を必要とせず、商用電源周波数とサンプリング周波数との差分周波数を有する差分ノイズの影響で生じるふらつきを、比較的簡素な回路構成で消費電力を余り増大させることなく効率よく抑制できる。
なお、取込部４については、演算処理部５のＣＰＵの入力ポートによる取込タイミング制御機能で実現してもよく、さらには演算処理部５内部におけるデジタル流量信号１３の取り捨て処理で行ってもよい。あるいは、Ａ／Ｄ変換部３へ取込制御信号１７を供給し、Ａ／Ｄ変換部３におけるＡ／Ｄ変換処理の変換タイミング制御機能で実現してもよい。
【００３１】
なお、以上の説明では、信号と電源が同じ１対の信号線を共用して伝送される方式すなわち２線式の電磁流量計を例にして説明したが、これに限定されるものではなく、信号と電源とが異なる線路で伝送される方式、例えば４線式の電磁流量計であっても本発明を適用でき、前述と同様の作用効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、回路部により、流体に混入している商用電源ノイズの商用電源周波数と励磁周波数との差分周波数の整数分の１の周波数の取込制御信号を生成し、取込部により、取込制御信号の周波数に基づき直流流量信号をサンプリングして、演算処理部へデジタル流量信号として出力し、このデジタル流量信号に基づき計測流量を算出するようにしたので、従来のようにアナログ信号処理回路を用いる必要がなくなり、比較的簡素な回路構成で安価に、また消費電力を増大させずに、差分ノイズの影響で生じる計測流量のふらつきを効率よく抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる電磁流量計の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の電磁流量計の動作を示す信号波形図である。
【図３】差分ノイズの周波数特性を示す説明図である。
【図４】取込処理の周波数特性を示す説明図である。
【図５】従来の電磁流量計の構成を示すブロック図である。
【図６】図５の電磁流量計の動作を示す信号波形図である。
【図７】従来の他の電磁流量計の基本構成を示す説明図である。
【図８】図７の電磁流量計の動作を示す信号波形図である。
【符号の説明】
１０Ａ…変換器、１…初段増幅部、２…サンプルホールド部、２Ａ，２Ｂ…スイッチ、２Ｃ…インバータ、３…Ａ／Ｄ変換部、４…取込部、５…演算処理部、６…出力部、７…励磁部、８…スイッチング部、８Ａ，８Ｂ…サンプリング信号、８Ｃ…励磁信号、１０Ｂ…検出器、９…管路、９Ａ，９Ｂ…検出電極、９Ｃ…コイル、１１…交流流量信号、１２…直流流量信号、１３…デジタル流量信号、１４…取込デジタル流量信号、１５…計測流量、１６…流量信号、１７…取込制御信号、ｆｎ…商用電源周波数、ｆｅｘ…励磁周波数、Δｆ…差分周波数、ｆｔ…取込周波数。

Claims

所定励磁周波数の交流励磁電流により管路内の流体に磁界を印加し、その流体から検出した信号起電力をサンプリングし、得られた直流流量信号をデジタル流量信号として演算処理部へ取込んで計測流量を算出する電磁流量計において、
前記流体に混入している商用電源ノイズの商用電源周波数と前記励磁周波数との差分周波数の整数分の１の周波数の取込制御信号を生成する回路部と、
前記取込制御信号の周波数に基づき前記直流流量信号をサンプリングし、前記演算処理部へ前記デジタル流量信号として出力する取込部と
を備えることを特徴とする電磁流量計。