JP4004931B2 - 電磁流量計の励磁回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁流量計の励磁回路に係わり、特に、低電圧電源で駆動できる、低消費電力の電磁流量計の励磁回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に電磁流量計は、流体の流れる方向に対して直角方向の磁界を与え、流体中に発生する起電力信号を検出し、これに基づいて流量を測定している。これらの電磁流量計の励磁方式には、商用電源による交流励磁方式や直流励磁方式があるが、最近ではゼロ点の安定している方形波励磁方式が多く用いられている。
【０００３】
このような電磁流量計の構成例を図１１に示す。電磁流量計は被測定流体５ａを流す測定管５の外周で励磁コイルＬにより磁界を与える励磁回路１と、被測定流体５ａの起電力信号を検出する測定管５の両端部に対向して配置された１対の電極６及び起電力信号から流量を求める信号処理回路７から構成される。
【０００４】
励磁回路１は励磁コイルＬに流す励磁電流を制御するもので、励磁コイルＬによって測定管５の内部を流れる被測定流体５ａに直交する磁場を形成する。１対の電極６では被測定流体５ａに誘起される起電力信号を検出する。信号処理回路７は励磁回路１へ制御信号８を与え、電極６からの起電力信号を制御信号８に同期して処理し、流量値を求めて出力する。
【０００５】
従来の一般的な励磁回路例を図１２に示す。励磁回路１は励磁電流ｉａ、ｉｂの向きを切替えるための切替スイッチＳ０と、電流の大きさを一定に保つ定電流回路２と、電源３から構成される。切替えスイッチＳ０は４つの開閉スイッチＳ０１、Ｓ０２、Ｓ０３、Ｓ０４を持ち、図示しない信号処理回路からの制御信号８が１のときは開閉スイッチＳ０１、Ｓ０４がオン、開閉スイッチＳ０２とＳ０３がオフになり、励磁電流ｉａが図示した方向に流れる。
【０００６】
制御信号８が０のときは開閉スイッチＳ０１とＳ０４がオフ、開閉スイッチＳ０２とＳ０３がオンになり、励磁電流ｉｂが図示した方向に流れる。制御信号８が周期的に０、１を繰り返すことで励磁電流ｉａ、ｉｂの向きが変わり、方形波励磁電流が励磁コイルＬに印加される。
【０００７】
このような励磁電流ｉａ、ｉｂの流れる方向の切替え速度を速める方法として次のようなものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この方法では、高電圧と低電圧の２種の電圧を供給する電源によって、切替え速度を速め、消費電力の効率も高めている。
【０００８】
また、このような励磁回路の切替え速度を早める他の方法として、ＬＣ回路の充放電エネルギーを利用して、電源に高電圧を必要としない例が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−４５１９６号公報
【００１０】
【特許文献２】
特公平６−９５０３１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の励磁回路（図１２）においては、切替えスイッチＳ０を切替えた時に、励磁電流の向きが完全に反転するまでの過渡期間は、励磁コイルＬに与える電圧に比例するから、切替え時の立ちあがりを早めるために電源３に高電圧を必要としていた。
【００１２】
しかし、励磁電流が一定値となる定常期間に必要な電圧は、励磁コイルＬの抵抗による電圧降下分のみでよいので、電源３の電圧の大部分は定電流回路２で消費されることになり効率が悪くなる。
【００１３】
そこで、励磁電流を反転させるときだけ高電圧を与える前述した方法が知られているが、いずれも、励磁電圧や励磁電流の切替え回路が複雑である上に、励磁回路を構成する全ての部品は高耐圧部品を選択する必要があり、小型化、高信頼化を図るには問題があった。また、励磁電流を定常値に素早く安定させる機能が不充分であった。
【００１４】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、方形波の励磁電流の流れる方向を高効率で高速反転させ、励磁電流を素早く定常値となる様に制御できる機能を有する、電源に高電圧を必要としない構成の簡単な励磁回路を提供することを目的とする。
【００１５】
上記目的を達成するために本発明の請求項１に係る電磁流量計の励磁回路は、被測定流体を流す測定管に磁場を印加するための励磁コイルと、この励磁コイルに定常値を持つ周期的な励磁電流を流すことによって、被測定流体に磁場を印加して、これにより発生する起電力を検出して流量を測定する電磁流量計の励磁回路において、前記励磁回路の励磁電流を供給する電源と、前記励磁コイルに直列に接続される第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサに並列に接続される第１のスイッチと、前記電源と前記第１のスイッチとの間に設けられ、前記励磁コイルに流れる励磁電流の向きが変わる毎に印加される前記電源の極性を交互に切替える第２のスイッチと、前記電源から供給される前記励磁電流の定常値を一定に制御する定電流回路とから構成し、記第１のスイッチは、前記励磁コイル及び前記第１のコンデンサとの共振周波数に基づき設定される所定の周期の制御信号により開閉され、前記第１のコンデンサに放電電流を流す期間は開とし、前記定電流回路で設定される定常値の前記励磁電流を流す時に閉とする該第１のスイッチの制御手段を備え、前記第２のスイッチは、前記放電電流の流れが零と成るタイミングを検出して、前記励磁電流の流れる方向を切替える該第２のスイッチの制御手段を備えたことを特徴とする。
上記目的を達成するために本発明の請求項５に係る電磁流量計の励磁回路は、被測定流体を流す測定管に磁場を印加するための励磁コイルと、この励磁コイルに定常値を持つ周期的な励磁電流を流すことによって、被測定流体に磁場を印加して、これにより発生する起電力を検出して流量を測定する電磁流量計の励磁回路において、前記励磁回路の励磁電流を供給する電源と、前記励磁コイルに一方の端に直列に接続される第１のコンデンサと、前記励磁コイルの他方の端に直列に接続される第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの夫々に、並列に接続される第１のスイッチと、前記電源と前記第１のスイッチとの間に設けられ、前記励磁コイルに流れる励磁電流の向きが変わる毎に印加される前記電源の極性を交互に切替える第２のスイッチと、前記電源から供給される前記励磁電流の定常値を一定に制御する定電流回路とから構成し、前記第１のスイッチは、前記励磁コイルと、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの共振周波数に基づき設定される所定の周期の制御信号により開閉し、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサに放電電流を流す期間は開とし、前記定電流回路で設定される定常値の前記励磁電流を流す時に閉とする該第１のスイッチの制御手段を備え、前記第２のスイッチは、前記放電電流の流れが零と成るタイミングを検出して、前記励磁電流の流れる方向を切替える該第２のスイッチの制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
従って本発明によれば、励磁コイルと直列にコンデンサを設け、励磁電流の立下り、立ち上がり時に、夫々に蓄えられたエネルギー利用して励磁電流の切替えを早くできるようにしたので、高電圧の電源が不要になる。また、定電流回路を設けているので、切替え後素早く励磁電流を定常値になる様に自動制御することが出来る。
【００１７】
さらに、高電圧となる構成部品は、励磁コイル、コンデンサ、及びその両端に接続されるダイオードと開閉スイッチのみで、他の構成品は低電圧でよいので汎用部品が使用でき、小型化高信頼化が実現し易くなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１乃至図３を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本発明の励磁回路の動作を説明するモデル回路図、図２は動作説明図及び図３はその詳細回路図である。
【００１９】
図１において励磁回路１は、励磁コイルＬに制御された励磁電流ｉａ、ｉｂを供給するもので、コンデンサＣの充電エネルギーを開閉する開閉スイッチＳ１と、励磁電流の流れる方向を切替える切替えスイッチＳ２と、励磁電流の定常値を制御する抵抗Ｒで図示している定電流回路２及びこの励磁回路の電源３とから構成される。
【００２０】
図１と図２を参照して本発明のモデル回路の動作原理を説明する。図２（ａ）は開閉スイッチＳ１、切替えスイッチＳ２の夫々の開閉状態を示し、この時の各部の動作波形を、図２（ｂ）では励磁電流ｉａ、ｉｂを、図２（ｃ）はコンデンサＣ両端電圧を、そして図２（ｄ）には励磁コイルＬの両端電圧を夫々示す。
【００２１】
励磁コイルＬに流れる励磁電流ｉａ、ｉｂを開閉スイッチＳ１と切替えスイッチＳ２で制御して、図２（ａ）に示す、開閉スイッチＳ１がオフとなる期間Ｔ２及びＴ３と、Ｔ５及びＴ６に示す励磁電流が切り替わる期間において、励磁コイルＬとコンデンサＣ蓄えられたエネルギーを相互に授受することによって、切替えの応答を早めるために必要な高電圧を発生させて、励磁電流ｉａ、ｉｂの立下りと立ち上がりの動作を高速で行うものである。
【００２２】
即ち、励磁電流が図２（ａ）示す期間ｔ１からｔ２、及びｔ４からｔ５に切り替わる励磁電流ｉａ、ｉｂの立下り時の期間Ｔ２、及びＴ５には、励磁電流ｉａ、ｉｂが定常値に有る期間Ｔ１及びＴ４に励磁コイルＬに蓄えられたエネルギーをコンデンサＣに移動させ、励磁電流ｉａ、ｉｂが定常値に切り替わる期間ｔ２からｔ３、及びｔ５からｔ６に示す立ち上がる期間Ｔ３、及びＴ４にはコンデンサＣに蓄えられたエネルギーを励磁コイルＬに戻すように制御する。
【００２３】
図２（ｃ）にこの時の励磁電流ｉａ、ｉｂの波形を示す。図２（ａ）において開閉スイッチＳ１の開閉状態が期間Ｔ１及びＴ４の励磁期間中に励磁コイルＬに蓄えられたエネルギーをＷＬ、コンデンサＣの蓄えられるエネルギーをＷＣとすると、
【数１】
ＷＬ＝１／２ＬＩ２ ・・・（１）
（Ｌは、励磁コイルＬのインダクタンス、Ｉは定常値の励磁電流ｉａ、ｉｂ）
【数２】
ＷＣ＝１／２ＣＶ２ ・・・（２）
（Ｃは．コンデンサＣの静電容量、Ｖはコンデンサの両端電圧）
となるから、開閉スイッチＳ１の制御のタイミングｔ１、ｔ４、即ち、励磁電流ｉａ、ｉｂの立下りタイミングでは、コンデンサＣの両端には、
【数３】
なる逆起電力が印加され、開閉スイッチＳ２の立ち上がりタイミングｔ２、ｔ５では、励磁コイルＬにこの高電圧が印加され励磁の切替えが高速に行われる。
【００２４】
図２(ｃ)、(ｄ)にはこの時の励磁コイルＬとコンデンサＣの両端の電圧の変化状態を図示している。
【００２５】
以下、この様な励磁回路の動作の設定を同じく、図１と図２で説明する。開閉スイッチＳ１は、励磁周期を決めるもので励磁電流ｉａ、ｉｂの所定の励磁周波数となる様に制御信号８で設定される。
【００２６】
この励磁電流ｉａ、ｉｂの周期期間Ｔは、測定に必要な一定の励磁電流期間を確保するためにコンデンサＣと励磁コイルＬの共振周波数ｆの周期期間の４倍程度に設定する。
【００２７】
【数４】
開閉スイッチＳ１の制御のタイミング（ｔ１、ｔ４）は図示しない信号処理回路からの制御信号８を介して設定され、制御のタイミング（ｔ３、ｔ６）は、コンデンサＣの両端の電圧がゼロとなることを検出して後述する様に自動的に切替える様にしている。
【００２８】
また、切替えスイッチＳ２も励磁電流ｉａ、ｉｂの流れる方向を切替えるタイミングを制御するもので、励磁電流ｉａ、ｉｂがゼロになることを検出して後述する様に自動的に切替える。
【００２９】
以上説明した励磁回路１の動作原理に基づいた本発明の実施の形態を図３でさらにその詳細な回路を説明する。図３は、図１、図２の動作原理で説明した開閉スイッチＳ１、切替えスイッチＳ２及び定電流回路２の詳細が示されているが、各部の機能は同一である。尚、電源３は図１では正負２台で説明したが図３では１台の電源とし、その印加する方向を切替えスイッチＳ２で切替える点が異なる。
【００３０】
図３において、励磁回路１は、励磁コイルＬとこの励磁コイルＬの一端に直列に接続されるコンデンサＣと、励磁電流ｉａ、ｉｂの切替えタイミングを制御する制御手段を持ち前記コンデンサＣに並列に接続される開閉スイッチＳ１と、励磁電流ｉａ、ｉｂの流れる方向を切替える制御手段を持ち前記開閉スイッチＳ１に直列に接続された切替えスイッチＳ２と、励磁コイルの他端と電源３間に接続され励磁電流ｉａ、ｉｂを一定に制御する定電流回路２と、前記励磁回路１の電源３とから構成される。
【００３１】
次に、各スイッチの構成について説明する。開閉スイッチＳ１は、図示しない信号処理回路から供給される制御信号８を介して、図２（ａ）の開閉スイッチＳ１の開閉状態に示すタイミングで制御される開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２と、夫々の開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２に直列で逆方向の極性で接続されるダイオードＳ１３、Ｓ１４をコンデンサＣに並列に接続している。
【００３２】
なお、図２（ａ）に示す開閉スイッチＳ１の開閉状態は、図３に示す開閉スイッチＳ１内のダイオードＳ１３、Ｓ１４を含むスイッチの制御動作の全体を示すもので、開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２は一方がオンであれば他方はオフとなる様に設定される。
【００３３】
図３では、インバータＳ１５を介して開閉スイッチＳ１１とＳ１２の制御動作を逆にしているが、例えば、開閉スイッチＳ１１にＰ型のＭＯＳＦＥＴを、開閉スイッチＳ１２をＮ型のＭＯＳＦＥＴとしてインバータＳ１５を不要とすることも可能である。
【００３４】
切替えスイッチＳ２は、開閉スイッチＳ２１乃至開閉スイッチＳ２４、励磁電流ｉａ、ｉｂの流れる方向を検知する電流検出抵抗Ｓ２５、及び電流検出抵抗Ｓ２５の方向を検知するコンパレータＳ２６とで構成され、コンパレータS２６の出力で開閉スイッチＳ２１とＳ２４、Ｓ２２とＳ２３を１対として励磁電流ｉａ、ｉｂの流れる方向で自動的にオン、オフ制御される。
【００３５】
この様な開閉スイッチＳ２１乃至Ｓ２４は、前述した開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２と同様に、例えば、ＭＯＳＦＥＴで構成することも容易で、インバータＳ２１ａは省略することも可能である。
【００３６】
この開閉スイッチＳ２１と開閉スイッチＳ２２及び開閉スイッチＳ２３と開閉スイッチＳ２４は、直列に接続され、開閉スイッチＳ２１と開閉スイッチＳ２３の一方の端子は励磁回路１の電源３のプラス端子に接続される。
【００３７】
開閉スイッチＳ２１とＳ２２の接続点は、電流検知抵抗のＳ２５の一方の端子とコンパレータＳ２６のプラス端子に接続され、電流検知抵抗Ｓ２５の他方の端子はコンパレータＳ２６のマイナス端子及びコンデンサＣの一方の端子に接続されている。
【００３８】
さらに、コンデンサＣの他方の端子は励磁コイルＬの一方の端子に接続され、他方の端子は開閉スイッチＳ２３とＳ２４との接続点に合わせて接続されている。
【００３９】
また、開閉スイッチＳ２２と開閉スイッチＳ２４の他方の端子は定電流回路２のシンク端子Ｐ２２に接続される。
【００４０】
定電流回路２は、オペアンプ２１、トランジスタ２２、電流検出抵抗２３、及び基準電源２４で構成される。基準電源２４のマイナス端子は、励磁回路の電源３のマイナス端子と電流検出抵抗２３の一方の端子Ｐ２４に接続される。
【００４１】
オペアンプの２１のプラス端子は基準電源２４のプラス端子に接続され、マイナス端子は電流検知抵抗２３の高電位端子Ｐ２３に接続される。さらにオペアンプ２１の出力はトランジスタ２２のベースに接続され、トランジスタ２２のエミッタは電流検知抵抗２３の高電位端子Ｐ２３に接続され、トランジスタのコレクタ２２は、定電流回路２のシンク端子Ｐ２２と切替えスイッチ２２と２４との接続点に接続される。
【００４２】
この定電流回路２は、励磁電流ｉａ、ｉｂの定常値を決めるもので、この時定常値は基準電源２４の値を電流検知抵抗２３で割った値となるが、所定の電流値と成る様に電流検知抵抗２３以外の回路の抵抗成分を考慮して設定される。
【００４３】
上記構成において、励磁電流の切替え動作について説明する。励磁電流ｉａ、ｉｂがｉａの方向に流れている場合には、電流検出抵抗Ｓ２５でコンパレータＳ２６のプラス端子の方が高電位と判定され、コンパレータＳ２６の出力は、開閉スイッチＳ２１と開閉スイッチＳ２４をオンとし、定電流回路２で設定された励磁電流ｉａが電源３のプラス端子から開閉スイッチＳ２１、電流検知抵抗Ｓ２５、コンデンサＣ、励磁コイルＬ、開閉スイッチＳ２４を介して定電流電源２のシンク端子Ｐ２２に流れる。
【００４４】
励磁電流がｉａ、ｉｂがｉｂの方向に切り替わると、電流検出抵抗Ｓ２５でコンパレータＳ２６のマイナス端子の方が高電位と判定され、コンパレータＳ２６の出力は、開閉スイッチＳ２２と開閉スイッチＳ２３をオンとし、定電流回路２で設定された励磁電流ｉｂが電源３のプラス端子から開閉スイッチＳ２３、励磁コイルＬ、コンデンサＣ、電流検知抵抗Ｓ２５、開閉スイッチＳ２２を介して定電流回路２のシンク端子Ｐ２２に流れる。
【００４５】
開閉スイッチＳ１、切替えスイッチＳ２の動作は、図１のモデル回路図、及び図２のモデル回路の動作説明図で説明した内容と同等で有るが、さらにこの実施の形態での詳細動作について説明する。
【００４６】
図２（ａ）において、切替え開始のタイミングｔ１、ｔ４は制御信号８を介して開閉スイッチＳ１１をオンからオフに切替えるが、オフからオンには切り替わるタイミングｔ３、ｔ６は、コンデンサＣの両端電圧によってダイオードＳ１３、Ｓ１４を導通、非導通とし自動的に切替える。
【００４７】
また、切替えスイッチＳ２は、電流検知抵抗２５の発生する電位差の方向をコンパレータS２６によって高感度で検出して、自動的に電流の方向を検知して切替える。
【００４８】
さらに、励磁電流ｉａ、ｉｂの定常値は、励磁電流の方向がｉａからｉｂに切り替わるタイミングｔ２、ｔ５の動作後、定電流回路２で設定した電流によってコンデンサＣの両端間の電圧降下の発生方向をダイオードＳ１３、Ｓ１４によって検知して自動的にタイミングｔ３、ｔ６で切替え、電流検知抵抗２３のＰ２３端子の電位が一定の電流値になる様にオペアンプ２１によって素早くフィードバック制御され、定常値に制定される。
【００４９】
以上説明した様に、本実施の形態によれば、励磁電流ｉａ、ｉｂの方向を切替える動作が、電源に高電圧を必要とせず、且つ定常時の電流値のみで発生する低消費電力の励磁回路とすることが出来る。
【００５０】
また、高電圧の発生部は、励磁コイルLとコンデンサＣ部分に限定されるのでその他の部分の構成部品は低圧用の汎用部品が使用でき、製品の小型化、高信頼化が実現しやすくなる。
【００５１】
さらに、励磁電流の定常値も高精度で設定制御されているので、高精度で、応答の早い電磁流量計とすることが可能となる。
【００５２】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態を図４に示す。この第２の実施の形態は図3に示した第１の実施の形態の励磁回路に対して、開閉スイッチＳ１の構成部品を統一して、構成をシンプルにしたものである。
【００５３】
その他の構成は、図３と同様である。図４において、コンデンサＣは、コンデンサＣ１、Ｃ２の２つで構成され、開閉スイッチＳ１はコンデンサＣ１、Ｃ２にそれぞれ並列に接続された開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２、及びダイオードＳ１３、１４から構成される。
【００５４】
基本的な動作は第１の実施の形態で説明した動作と同じであるが、以下図２を用いて、その差異点について図２及び図４を参照して開閉スイッチＳ１の動作を説明する。開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２は、図示しない信号処理回路の制御信号８を介して交互にオン、オフされる。
【００５５】
開閉スイッチの動作が期間Ｔ１の状態では、励磁電流は図４のｉａの方向に流れ、Ｓ１１はオン、Ｓ１２はオフとなっている。次に、期間Ｔ２の状態ではＳ１１はオフ、Ｓ１２はオンになり、コンデンサＣ１に励磁電流ｉａが流れ始める。
【００５６】
コンデンサＣ１の両端電圧がタイミングｔ３で反転すると、ダイオードＳ１３がオンになり期間Ｔ３からＴ４の状態に移行する。このとき励磁電流の向きはｉｂの方向である。
【００５７】
次に制御信号８が制御のタイミングｔ４でオフ設定に変わると、開閉スイッチＳ１１はオン、開閉スイッチＳ１２がオフとなり、コンデンサＣ２に電流が流れ始め期間Ｔ５からＴ６の状態に移行する。コンデンサＣ２の両端電圧が反転するとダイオードＳ１４がオンとなり期間Ｔ７に自動的に移行する。
【００５８】
このようにダイオードとスイッチを組み合わせることで、開閉スイッチＳ１の制御が同一の部品で構成される。この構成では、開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２の夫々を、例えば同じＮ型ＭＯＳＦＥＴで統一することができる。
【００５９】
また、切替えスイッチＳ２を構成する開閉スイッチＳ２１乃至Ｓ２４もＮ型ＭＯＳＦＥＴで実現可能であり、全てのスイッチ素子が同一タイプのものので構成できる。なお、ダイオードＳ１３、Ｓ１４の極性を逆にすれば開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２をＰ型ＭＯＳＦＥＴで実現することも可能である。
【００６０】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態を図５を参照して説明する。本発明の実施の形態は本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態の定電流回路２を両極性定電流回路４に置き換えたものである。
【００６１】
基本的な動作は第１の実施の形態で説明したものと同じである。この両極性定電流回路４は、励磁電流ｉａ、ｉｂを供給するオペアンプ４１と、励磁電流ｉａ、ｉｂの流れる電流検出抵抗４２と、電流検出抵抗４２に発生する電位の発生方向を検出するコンパレータ４３と、励磁電流の定常値を切替える切替スイッチ４４と及び基準電圧源４５、４６とから構成される。
【００６２】
励磁回路１の電源３は、夫々正負の極性となる電源３１と電源３２とから構成され、電源３１のマイナス端子と電源３２のプラス端子が接続され、その接続点が回路の共通電位Ｇとなる。
【００６３】
また、基準電源４５のマイナス端子と、基準電源４６のプラス端子も同様に接続され、同じく回路の共通電位Ｇ接続される。
【００６４】
励磁回路の電源３１、３２は、夫々オペアンプ４１のプラス電源端子、マイナス電源端子に接続され、オペアンプ４１の出力は、励磁コイルＬに流れ励磁電流ｉａ、ｉｂをこの電源３１、３２を介して直接供給する。さらにオペアンプ４１のプラス端子は切替えスイッチ４４のコモン端子に接続される。
【００６５】
このオペアンプ４１の出力はコンデンサＣの一方の端子に接続され、コンデンサＣの他方の端子は、励磁コイルＬに接続されている。
【００６６】
この励磁コイルＬの他の端子は、電流検出抵抗４２の一方の端子とオペアンプ４１のマイナス端子とに接続され、電流検出抵抗４２の他方の端子が励磁回路１の共通電位Ｇに接続されている。
【００６７】
次に、この様に構成された両極性定電流回路４を持つ励磁回路の動作について同じく図２と図５を参照して説明する。
【００６８】
図２における切替えスイッチＳ２に相当する本発明の切替えスイッチ４４は、期間Ｔ１の状態、即ち、コンパレータ４３の出力が１のとき＋側になり、コンパレータ４３の出力が０のとき−側に切り替わる様に設定されている。
【００６９】
励磁電流ｉａ、ｉｂがｉａの方向に流れている時は、コンパレータ４３の出力は１であり、切替えスイッチ４４は＋側に接続され、オペアンプ４１は電流検出抵抗４２の両端電圧が基準電圧源４５と同じになるようにオペアンプ４１の−端子にフィードバックされた電圧を自動調整し定電流出力とする。
【００７０】
次に、図２の切替えスイッチＳ２に示される期間Ｔ２の状態が始まるとまもなく電流が減少する。励磁電流ｉａ、ｉｂの方向がｉａからｉｂに変わると、コンパレータ４３の出力は０になり、切替えスイッチ４４は−側に切り替わり、オペアンプ４１は電流検出抵抗４２の両端電圧が基準電圧源４６と同じになるようにオペアンプの４１の−端子にフィードバックされた電圧を自動調整し定電流出力とする。これは期間Ｔ３の状態に相当する。
【００７１】
スイッチＳ１の動作は、前述した第１の実施の形態での動作と同様であるので説明を省略する。
【００７２】
この構成では励磁電流ｉａ、ｉｂが、例えばオペアンプで駆動可能な微小電流の場合に回路をコンパクトに纏める上で有効である。励磁電流ｉａ、ｉｂを大きくする必要がある場合には、オペアンプ４１の出力回路にトランジスタまたはＭＯＳＦＥＴを追加すれば容易に可能である。
【００７３】
また、この構成では、励磁電源３、両極性定電流回路４は、低圧部品で構成できる。さらに、開閉スイッチＳ１の制御信号８の入力端子は低圧で良いので制御信号のレベル変換も不要とすることができる。
【００７４】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態を図６に示す。本実施の形態は、第２の実施の形態と第３の実施の形態とを組み合わせである。即ち、開閉スイッチＳ１を２台構成のスイッチとし、定電流回路を両極性形式としたものである。本組み合わせの動作説明は前述の組み合わせであるので省略する。
【００７５】
この実施の形態による効果は、励磁電流ｉａ、ｉｂが小さい場合においては、励磁電源３１、３２から基準電源４５、４６を分圧して設定できること、また切替えスイッチがＳ１１、Ｓ１２、４４が共通制御信号レベルで行える形式の素子を選択できることからさらに小型の励磁回路とすることが可能である。
【００７６】
（第５の実施の形態）
図７乃至図１０を参照して第５の実施の形態を説明する。図７はこの発明のモデル図を、図８は間欠励磁の場合の動作説明図を、図９は３値励磁の場合の動作説明図を、さらに図１０はその詳細回路図を示す。
【００７７】
第５の実施の形態を示す図７は、第１の実施の形態の図１に示すコンデンサＣに直列にスイッチＳ３を付加したものである。その他の構成は図１と同様であるので説明は省略する。
【００７８】
図８（ａ）に開閉スイッチＳ３の状態、図８（ｂ）に励磁回路１が動作中の時の励磁電流ｉａ、ｉｂを、図８（ｃ）にコンデンサＣの両端電圧を、更に
図８（ｄ）にこの時の励磁コイルＬの両端電圧を示す。
【００７９】
この励磁回路１の動作は、励磁コイルLとコンデンサＣの夫々の両端電圧がゼロの時に励磁電流ｉａ、ｉｂを定常値とする期間を作る動作の他、開閉スイッチＳ３をオフにすることによって励磁電流ｉａ、ｉｂがゼロのときに充放電の動作を一時停止して、励磁電流ｉａ、ｉｂがゼロの期間を設定、制御することが出来る。
【００８０】
開閉スイッチＳ３以外のその他の構成は第１の実施の形態と同じなので、詳細説明を適宜省略し、開閉スイッチＳ３の制御動作について図８を用いて説明する。
【００８１】
開閉スイッチＳ３がオンの図８（ａ）における期間Ｔ８の状態においては、第一の実施の形態で説明した方形波の励磁電流ｉａ、ｉｂが流れている。この状態において励磁電流ｉａ、ｉｂがゼロになった時に開閉スイッチＳ３をオフとしコンデンサＣの両端電圧は高い状態で保持し、励磁コイルＬの両端電圧はゼロ、励磁電流ｉａ、ｉｂをゼロとして休止状態の期間Ｔ９とする。
【００８２】
この期間Ｔ９の状態から開閉スイッチＳ３をオンにすると励磁コイルＬにコンデンサＣの両端電圧が印加され方形波励磁の動作期間Ｔ１０の状態に移行する。
【００８３】
次に、この様な制御動作を可能とする励磁回路１の開閉スイッチＳ３の制御動作を実現する励磁回路構成例を図１０に示す。前述した図３に示す第１の実施の形態の励磁回路１に対し、開閉スイッチＳ３と開閉スイッチＳ３の図示しない信号処理回路からの制御信号９が追加されている。
【００８４】
この制御信号９は前述した制御信号８同様に、図１１に示す電磁流量計の構成の信号処理回路７で作られ、この励磁回路１に入力される。
【００８５】
開閉スイッチＳ３は、開閉スイッチＳ３１及びこの開閉スイッチＳ３１に並列に接続したダイオードＳ３２からなる。制御信号９は、通常の励磁動作（図８の期間Ｔ８）時はオンである。励磁を休止するときには、前述した図２に示した開閉スイッチＳ１における制御信号８がオンからオフになるときに合わせて制御信号９をオンからオフにする。
【００８６】
この時、電流がｉａ方向に流れている間はダイオードＳ３２を通して電流が流れ、電流がｉｂ方向に流れようとしたときにダイオードＳ３２がオフになり、動作の期間Ｔ９が実現される。
【００８７】
ここで、開閉スイッチＳ３１は、例えば、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴで実現することができるが、ダイオードＳ３２の極性を逆すれば、スイッチＳ３１はＰ型ＭＯＳＦＥＴで実現することもできる。尚この構成にあっては間欠動作は可能であるが、図9に示す様な３値動作（正電流、ゼロ、負電流）の励磁はできないが、開閉スイッチＳ３を開閉スイッチスイッチＳ１と同じ様に励磁電流ｉａ、ｉｂの双方向の流れに対して動作が可能になる様に構成にすれば実現は容易である。
【００８８】
そして前述した開閉スイッチＳ３の追加は、第１の実施の形態の励磁回路１の全てに対しても容易に適用できるものである。
【００８９】
この様な制御機能をもつ間欠励磁の励磁回路１の動作において、電流の大きさがゼロになる、または一定電流まで復帰するのに要する時間は、励磁回路の電源３の電圧とは無関係に制御できる。
【００９０】
従って、この開閉スイッチＳ３の制御により、励磁電源として高電圧を必要とすることなく実現できるので、必要なときのみ励磁する構成が可能となるので消費電力の節約が可能となる。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、励磁電流の反転に要する時間を励磁コイルのインダクタンスＬとコンデンサとの充放電によって決定する様にしたので、電源電圧を高くする必要がなく、励磁電流の方向の切替えをシンプルな回路構成で行える効率的な励磁回路が可能となる。さらに、コンデンサ、励磁コイルの高電圧発生部以外は汎用部品が使用が可能となるので製品の小型化も容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態の励磁回路のモデル図。
【図２】 第１の実施の形態の動作説明図。
【図３】 第１の実施の形態における励磁回路。
【図４】 第２の実施の形態における励磁回路。
【図５】 第３の実施の形態における励磁回路。
【図６】 第４の実施の形態における励磁回路。
【図７】 第５の実施の形態における励磁回路のモデル図。
【図８】 第５の実施の形態の動作説明図。
【図９】 第５の実施の形態の動作説明図。
【図１０】 第５の実施の形態の励磁回路。
【図１１】 電磁流量計の構成図。
【図１２】 従来の励磁回路。
【符号の説明】
１ 励磁回路
２ 定電流回路
３ 励磁回路の電源
４ 両極性定電流回路
５ 測定管
５ａ 被測定流体
６ 電極
７ 信号処理回路
８ 制御信号
９ 開閉スイッチＳ３の制御信号
２１ オペアンプ
２２ トランジスタ
２３ 電流検出抵抗
２４ 基準電圧源
３１、３２ 励磁電源
４１ オペアンプ
４２ 電流検出抵抗
４３ コンパレータ
４４ 切替えスイッチ
４５、４６ 基準電圧源
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
Ｌ 励磁コイル
ｉａ 電流の方向を表す
ｉｂ 電流の方向を表す
Ｒ 抵抗
Ｓ１ 開閉スイッチ
Ｓ２ 切替えスイッチ
Ｓ３ 開閉スイッチ
Ｓ１１、Ｓ１２ 開閉スイッチ
Ｓ１３、Ｓ１４ ダイオード
Ｓ１５乃至Ｓ１９ インバータ
Ｓ２１乃至Ｓ２４ 開閉スイッチ
Ｓ２１ａ乃至Ｓ２３ａ インバータ
Ｓ２５ 電流検出抵抗
Ｓ２６ コンパレータ
Ｓ３１ 開閉スイッチ
Ｓ３２ ダイオード
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁流量計の励磁回路に係わり、特に、低電圧電源で駆動できる、低消費電力の電磁流量計の励磁回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に電磁流量計は、流体の流れる方向に対して直角方向の磁界を与え、流体中に発生する起電力信号を検出し、これに基づいて流量を測定している。これらの電磁流量計の励磁方式には、商用電源による交流励磁方式や直流励磁方式があるが、最近ではゼロ点の安定している方形波励磁方式が多く用いられている。
【０００３】
このような電磁流量計の構成例を図１１に示す。電磁流量計は被測定流体５ａを流す測定管５の外周で励磁コイルＬにより磁界を与える励磁回路１と、被測定流体５ａの起電力信号を検出する測定管５の両端部に対向して配置された１対の電極６及び起電力信号から流量を求める信号処理回路７から構成される。
【０００４】
励磁回路１は励磁コイルＬに流す励磁電流を制御するもので、励磁コイルＬによって測定管５の内部を流れる被測定流体５ａに直交する磁場を形成する。１対の電極６では被測定流体５ａに誘起される起電力信号を検出する。信号処理回路７は励磁回路１へ制御信号８を与え、電極６からの起電力信号を制御信号８に同期して処理し、流量値を求めて出力する。
【０００５】
従来の一般的な励磁回路例を図１２に示す。励磁回路１は励磁電流ｉａ、ｉｂの向きを切替えるための切替スイッチＳ０と、電流の大きさを一定に保つ定電流回路２と、電源３から構成される。切替えスイッチＳ０は４つの開閉スイッチＳ０１、Ｓ０２、Ｓ０３、Ｓ０４を持ち、図示しない信号処理回路からの制御信号８が１のときは開閉スイッチＳ０１、Ｓ０４がオン、開閉スイッチＳ０２とＳ０３がオフになり、励磁電流ｉａが図示した方向に流れる。
【０００６】
制御信号８が０のときは開閉スイッチＳ０１とＳ０４がオフ、開閉スイッチＳ０２とＳ０３がオンになり、励磁電流ｉｂが図示した方向に流れる。制御信号８が周期的に０、１を繰り返すことで励磁電流ｉａ、ｉｂの向きが変わり、方形波励磁電流が励磁コイルＬに印加される。
【０００７】
このような励磁電流ｉａ、ｉｂの流れる方向の切替え速度を速める方法として次のようなものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この方法では、高電圧と低電圧の２種の電圧を供給する電源によって、切替え速度を速め、消費電力の効率も高めている。
【０００８】
また、このような励磁回路の切替え速度を早める他の方法として、ＬＣ回路の充放電エネルギーを利用して、電源に高電圧を必要としない例が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−４５１９６号公報
【００１０】
【特許文献２】
特公平６−９５０３１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の励磁回路（図１２）においては、切替えスイッチＳ０を切替えた時に、励磁電流の向きが完全に反転するまでの過渡期間は、励磁コイルＬに与える電圧に比例するから、切替え時の立ちあがりを早めるために電源３に高電圧を必要としていた。
【００１２】
しかし、励磁電流が一定値となる定常期間に必要な電圧は、励磁コイルＬの抵抗による電圧降下分のみでよいので、電源３の電圧の大部分は定電流回路２で消費されることになり効率が悪くなる。
【００１３】
そこで、励磁電流を反転させるときだけ高電圧を与える前述した方法が知られているが、いずれも、励磁電圧や励磁電流の切替え回路が複雑である上に、励磁回路を構成する全ての部品は高耐圧部品を選択する必要があり、小型化、高信頼化を図るには問題があった。また、励磁電流を定常値に素早く安定させる機能が不充分であった。
【００１４】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、方形波の励磁電流の流れる方向を高効率で高速反転させ、励磁電流を素早く定常値となる様に制御できる機能を有する、電源に高電圧を必要としない構成の簡単な励磁回路を提供することを目的とする。
【００１５】
上記目的を達成するために本発明の請求項１に係る電磁流量計の励磁回路は、被測定流体を流す測定管に磁場を印加するための励磁コイルと、この励磁コイルに定常値を持つ周期的な励磁電流を流すことによって、被測定流体に磁場を印加して、これにより発生する起電力を検出して流量を測定する電磁流量計の励磁回路において、前記励磁回路の励磁電流を供給する電源と、前記励磁コイルに直列に接続される第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサに並列に接続される第１のスイッチと、前記電源と前記第１のスイッチとの間に設けられ、前記励磁コイルに流れる励磁電流の向きが変わる毎に印加される前記電源の極性を交互に切替える第２のスイッチと、前記電源から供給される前記励磁電流の定常値を一定に制御する定電流回路とから構成し、記第１のスイッチは、前記励磁コイル及び前記第１のコンデンサとの共振周波数に基づき設定される所定の周期の制御信号により開閉され、前記第１のコンデンサに放電電流を流す期間は開とし、前記定電流回路で設定される定常値の前記励磁電流を流す時に閉とする該第１のスイッチの制御手段を備え、前記第２のスイッチは、前記放電電流の流れが零と成るタイミングを検出して、前記励磁電流の流れる方向を切替える該第２のスイッチの制御手段を備えたことを特徴とする。
上記目的を達成するために本発明の請求項５に係る電磁流量計の励磁回路は、被測定流体を流す測定管に磁場を印加するための励磁コイルと、この励磁コイルに定常値を持つ周期的な励磁電流を流すことによって、被測定流体に磁場を印加して、これにより発生する起電力を検出して流量を測定する電磁流量計の励磁回路において、前記励磁回路の励磁電流を供給する電源と、前記励磁コイルに一方の端に直列に接続される第１のコンデンサと、前記励磁コイルの他方の端に直列に接続される第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの夫々に、並列に接続される第１のスイッチと、前記電源と前記第１のスイッチとの間に設けられ、前記励磁コイルに流れる励磁電流の向きが変わる毎に印加される前記電源の極性を交互に切替える第２のスイッチと、前記電源から供給される前記励磁電流の定常値を一定に制御する定電流回路とから構成し、前記第１のスイッチは、前記励磁コイルと、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの共振周波数に基づき設定される所定の周期の制御信号により開閉し、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサに放電電流を流す期間は開とし、前記定電流回路で設定される定常値の前記励磁電流を流す時に閉とする該第１のスイッチの制御手段を備え、前記第２のスイッチは、前記放電電流の流れが零と成るタイミングを検出して、前記励磁電流の流れる方向を切替える該第２のスイッチの制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
従って本発明によれば、励磁コイルと直列にコンデンサを設け、励磁電流の立下り、立ち上がり時に、夫々に蓄えられたエネルギー利用して励磁電流の切替えを早くできるようにしたので、高電圧の電源が不要になる。また、定電流回路を設けているので、切替え後素早く励磁電流を定常値になる様に自動制御することが出来る。
【００１７】
さらに、高電圧となる構成部品は、励磁コイル、コンデンサ、及びその両端に接続されるダイオードと開閉スイッチのみで、他の構成品は低電圧でよいので汎用部品が使用でき、小型化高信頼化が実現し易くなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１乃至図３を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本発明の励磁回路の動作を説明するモデル回路図、図２は動作説明図及び図３はその詳細回路図である。
【００１９】
図１において励磁回路１は、励磁コイルＬに制御された励磁電流ｉａ、ｉｂを供給するもので、コンデンサＣの充電エネルギーを開閉する開閉スイッチＳ１と、励磁電流の流れる方向を切替える切替えスイッチＳ２と、励磁電流の定常値を制御する抵抗Ｒで図示している定電流回路２及びこの励磁回路の電源３とから構成される。
【００２０】
図１と図２を参照して本発明のモデル回路の動作原理を説明する。図２（ａ）は開閉スイッチＳ１、切替えスイッチＳ２の夫々の開閉状態を示し、この時の各部の動作波形を、図２（ｂ）では励磁電流ｉａ、ｉｂを、図２（ｃ）はコンデンサＣ両端電圧を、そして図２（ｄ）には励磁コイルＬの両端電圧を夫々示す。
【００２１】
励磁コイルＬに流れる励磁電流ｉａ、ｉｂを開閉スイッチＳ１と切替えスイッチＳ２で制御して、図２（ａ）に示す、開閉スイッチＳ１がオフとなる期間Ｔ２及びＴ３と、Ｔ５及びＴ６に示す励磁電流が切り替わる期間において、励磁コイルＬとコンデンサＣ蓄えられたエネルギーを相互に授受することによって、切替えの応答を早めるために必要な高電圧を発生させて、励磁電流ｉａ、ｉｂの立下りと立ち上がりの動作を高速で行うものである。
【００２２】
即ち、励磁電流が図２（ａ）示す期間ｔ１からｔ２、及びｔ４からｔ５に切り替わる励磁電流ｉａ、ｉｂの立下り時の期間Ｔ２、及びＴ５には、励磁電流ｉａ、ｉｂが定常値に有る期間Ｔ１及びＴ４に励磁コイルＬに蓄えられたエネルギーをコンデンサＣに移動させ、励磁電流ｉａ、ｉｂが定常値に切り替わる期間ｔ２からｔ３、及びｔ５からｔ６に示す立ち上がる期間Ｔ３、及びＴ４にはコンデンサＣに蓄えられたエネルギーを励磁コイルＬに戻すように制御する。
【００２３】
図２（ｃ）にこの時の励磁電流ｉａ、ｉｂの波形を示す。図２（ａ）において開閉スイッチＳ１の開閉状態が期間Ｔ１及びＴ４の励磁期間中に励磁コイルＬに蓄えられたエネルギーをＷＬ、コンデンサＣの蓄えられるエネルギーをＷＣとすると、
【数１】
ＷＬ＝１／２ＬＩ２ ・・・（１）
（Ｌは、励磁コイルＬのインダクタンス、Ｉは定常値の励磁電流ｉａ、ｉｂ）
【数２】
ＷＣ＝１／２ＣＶ２ ・・・（２）
（Ｃは．コンデンサＣの静電容量、Ｖはコンデンサの両端電圧）
となるから、開閉スイッチＳ１の制御のタイミングｔ１、ｔ４、即ち、励磁電流ｉａ、ｉｂの立下りタイミングでは、コンデンサＣの両端には、
【数３】
【００２４】
図２(ｃ)、(ｄ)にはこの時の励磁コイルＬとコンデンサＣの両端の電圧の変化状態を図示している。
【００２５】
以下、この様な励磁回路の動作の設定を同じく、図１と図２で説明する。開閉スイッチＳ１は、励磁周期を決めるもので励磁電流ｉａ、ｉｂの所定の励磁周波数となる様に制御信号８で設定される。
【００２６】
この励磁電流ｉａ、ｉｂの周期期間Ｔは、測定に必要な一定の励磁電流期間を確保するためにコンデンサＣと励磁コイルＬの共振周波数ｆの周期期間の４倍程度に設定する。
【００２７】
【数４】
【００２８】
また、切替えスイッチＳ２も励磁電流ｉａ、ｉｂの流れる方向を切替えるタイミングを制御するもので、励磁電流ｉａ、ｉｂがゼロになることを検出して後述する様に自動的に切替える。
【００２９】
以上説明した励磁回路１の動作原理に基づいた本発明の実施の形態を図３でさらにその詳細な回路を説明する。図３は、図１、図２の動作原理で説明した開閉スイッチＳ１、切替えスイッチＳ２及び定電流回路２の詳細が示されているが、各部の機能は同一である。尚、電源３は図１では正負２台で説明したが図３では１台の電源とし、その印加する方向を切替えスイッチＳ２で切替える点が異なる。
【００３０】
図３において、励磁回路１は、励磁コイルＬとこの励磁コイルＬの一端に直列に接続されるコンデンサＣと、励磁電流ｉａ、ｉｂの切替えタイミングを制御する制御手段を持ち前記コンデンサＣに並列に接続される開閉スイッチＳ１と、励磁電流ｉａ、ｉｂの流れる方向を切替える制御手段を持ち前記開閉スイッチＳ１に直列に接続された切替えスイッチＳ２と、励磁コイルの他端と電源３間に接続され励磁電流ｉａ、ｉｂを一定に制御する定電流回路２と、前記励磁回路１の電源３とから構成される。
【００３１】
次に、各スイッチの構成について説明する。開閉スイッチＳ１は、図示しない信号処理回路から供給される制御信号８を介して、図２（ａ）の開閉スイッチＳ１の開閉状態に示すタイミングで制御される開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２と、夫々の開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２に直列で逆方向の極性で接続されるダイオードＳ１３、Ｓ１４をコンデンサＣに並列に接続している。
【００３２】
なお、図２（ａ）に示す開閉スイッチＳ１の開閉状態は、図３に示す開閉スイッチＳ１内のダイオードＳ１３、Ｓ１４を含むスイッチの制御動作の全体を示すもので、開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２は一方がオンであれば他方はオフとなる様に設定される。
【００３３】
図３では、インバータＳ１５を介して開閉スイッチＳ１１とＳ１２の制御動作を逆にしているが、例えば、開閉スイッチＳ１１にＰ型のＭＯＳＦＥＴを、開閉スイッチＳ１２をＮ型のＭＯＳＦＥＴとしてインバータＳ１５を不要とすることも可能である。
【００３４】
切替えスイッチＳ２は、開閉スイッチＳ２１乃至開閉スイッチＳ２４、励磁電流ｉａ、ｉｂの流れる方向を検知する電流検出抵抗Ｓ２５、及び電流検出抵抗Ｓ２５の方向を検知するコンパレータＳ２６とで構成され、コンパレータS２６の出力で開閉スイッチＳ２１とＳ２４、Ｓ２２とＳ２３を１対として励磁電流ｉａ、ｉｂの流れる方向で自動的にオン、オフ制御される。
【００３５】
この様な開閉スイッチＳ２１乃至Ｓ２４は、前述した開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２と同様に、例えば、ＭＯＳＦＥＴで構成することも容易で、インバータＳ２１ａは省略することも可能である。
【００３６】
この開閉スイッチＳ２１と開閉スイッチＳ２２及び開閉スイッチＳ２３と開閉スイッチＳ２４は、直列に接続され、開閉スイッチＳ２１と開閉スイッチＳ２３の一方の端子は励磁回路１の電源３のプラス端子に接続される。
【００３７】
開閉スイッチＳ２１とＳ２２の接続点は、電流検知抵抗のＳ２５の一方の端子とコンパレータＳ２６のプラス端子に接続され、電流検知抵抗Ｓ２５の他方の端子はコンパレータＳ２６のマイナス端子及びコンデンサＣの一方の端子に接続されている。
【００３８】
さらに、コンデンサＣの他方の端子は励磁コイルＬの一方の端子に接続され、他方の端子は開閉スイッチＳ２３とＳ２４との接続点に合わせて接続されている。
【００３９】
また、開閉スイッチＳ２２と開閉スイッチＳ２４の他方の端子は定電流回路２のシンク端子Ｐ２２に接続される。
【００４０】
定電流回路２は、オペアンプ２１、トランジスタ２２、電流検出抵抗２３、及び基準電源２４で構成される。基準電源２４のマイナス端子は、励磁回路の電源３のマイナス端子と電流検出抵抗２３の一方の端子Ｐ２４に接続される。
【００４１】
オペアンプの２１のプラス端子は基準電源２４のプラス端子に接続され、マイナス端子は電流検知抵抗２３の高電位端子Ｐ２３に接続される。さらにオペアンプ２１の出力はトランジスタ２２のベースに接続され、トランジスタ２２のエミッタは電流検知抵抗２３の高電位端子Ｐ２３に接続され、トランジスタのコレクタ２２は、定電流回路２のシンク端子Ｐ２２と切替えスイッチ２２と２４との接続点に接続される。
【００４２】
この定電流回路２は、励磁電流ｉａ、ｉｂの定常値を決めるもので、この時定常値は基準電源２４の値を電流検知抵抗２３で割った値となるが、所定の電流値と成る様に電流検知抵抗２３以外の回路の抵抗成分を考慮して設定される。
【００４３】
上記構成において、励磁電流の切替え動作について説明する。励磁電流ｉａ、ｉｂがｉａの方向に流れている場合には、電流検出抵抗Ｓ２５でコンパレータＳ２６のプラス端子の方が高電位と判定され、コンパレータＳ２６の出力は、開閉スイッチＳ２１と開閉スイッチＳ２４をオンとし、定電流回路２で設定された励磁電流ｉａが電源３のプラス端子から開閉スイッチＳ２１、電流検知抵抗Ｓ２５、コンデンサＣ、励磁コイルＬ、開閉スイッチＳ２４を介して定電流電源２のシンク端子Ｐ２２に流れる。
【００４４】
励磁電流がｉａ、ｉｂがｉｂの方向に切り替わると、電流検出抵抗Ｓ２５でコンパレータＳ２６のマイナス端子の方が高電位と判定され、コンパレータＳ２６の出力は、開閉スイッチＳ２２と開閉スイッチＳ２３をオンとし、定電流回路２で設定された励磁電流ｉｂが電源３のプラス端子から開閉スイッチＳ２３、励磁コイルＬ、コンデンサＣ、電流検知抵抗Ｓ２５、開閉スイッチＳ２２を介して定電流回路２のシンク端子Ｐ２２に流れる。
【００４５】
開閉スイッチＳ１、切替えスイッチＳ２の動作は、図１のモデル回路図、及び図２のモデル回路の動作説明図で説明した内容と同等で有るが、さらにこの実施の形態での詳細動作について説明する。
【００４６】
図２（ａ）において、切替え開始のタイミングｔ１、ｔ４は制御信号８を介して開閉スイッチＳ１１をオンからオフに切替えるが、オフからオンには切り替わるタイミングｔ３、ｔ６は、コンデンサＣの両端電圧によってダイオードＳ１３、Ｓ１４を導通、非導通とし自動的に切替える。
【００４７】
また、切替えスイッチＳ２は、電流検知抵抗２５の発生する電位差の方向をコンパレータS２６によって高感度で検出して、自動的に電流の方向を検知して切替える。
【００４８】
さらに、励磁電流ｉａ、ｉｂの定常値は、励磁電流の方向がｉａからｉｂに切り替わるタイミングｔ２、ｔ５の動作後、定電流回路２で設定した電流によってコンデンサＣの両端間の電圧降下の発生方向をダイオードＳ１３、Ｓ１４によって検知して自動的にタイミングｔ３、ｔ６で切替え、電流検知抵抗２３のＰ２３端子の電位が一定の電流値になる様にオペアンプ２１によって素早くフィードバック制御され、定常値に制定される。
【００４９】
以上説明した様に、本実施の形態によれば、励磁電流ｉａ、ｉｂの方向を切替える動作が、電源に高電圧を必要とせず、且つ定常時の電流値のみで発生する低消費電力の励磁回路とすることが出来る。
【００５０】
また、高電圧の発生部は、励磁コイルLとコンデンサＣ部分に限定されるのでその他の部分の構成部品は低圧用の汎用部品が使用でき、製品の小型化、高信頼化が実現しやすくなる。
【００５１】
さらに、励磁電流の定常値も高精度で設定制御されているので、高精度で、応答の早い電磁流量計とすることが可能となる。
【００５２】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態を図４に示す。この第２の実施の形態は図3に示した第１の実施の形態の励磁回路に対して、開閉スイッチＳ１の構成部品を統一して、構成をシンプルにしたものである。
【００５３】
その他の構成は、図３と同様である。図４において、コンデンサＣは、コンデンサＣ１、Ｃ２の２つで構成され、開閉スイッチＳ１はコンデンサＣ１、Ｃ２にそれぞれ並列に接続された開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２、及びダイオードＳ１３、１４から構成される。
【００５４】
基本的な動作は第１の実施の形態で説明した動作と同じであるが、以下図２を用いて、その差異点について図２及び図４を参照して開閉スイッチＳ１の動作を説明する。開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２は、図示しない信号処理回路の制御信号８を介して交互にオン、オフされる。
【００５５】
開閉スイッチの動作が期間Ｔ１の状態では、励磁電流は図４のｉａの方向に流れ、Ｓ１１はオン、Ｓ１２はオフとなっている。次に、期間Ｔ２の状態ではＳ１１はオフ、Ｓ１２はオンになり、コンデンサＣ１に励磁電流ｉａが流れ始める。
【００５６】
コンデンサＣ１の両端電圧がタイミングｔ３で反転すると、ダイオードＳ１３がオンになり期間Ｔ３からＴ４の状態に移行する。このとき励磁電流の向きはｉｂの方向である。
【００５７】
次に制御信号８が制御のタイミングｔ４でオフ設定に変わると、開閉スイッチＳ１１はオン、開閉スイッチＳ１２がオフとなり、コンデンサＣ２に電流が流れ始め期間Ｔ５からＴ６の状態に移行する。コンデンサＣ２の両端電圧が反転するとダイオードＳ１４がオンとなり期間Ｔ７に自動的に移行する。
【００５８】
このようにダイオードとスイッチを組み合わせることで、開閉スイッチＳ１の制御が同一の部品で構成される。この構成では、開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２の夫々を、例えば同じＮ型ＭＯＳＦＥＴで統一することができる。
【００５９】
また、切替えスイッチＳ２を構成する開閉スイッチＳ２１乃至Ｓ２４もＮ型ＭＯＳＦＥＴで実現可能であり、全てのスイッチ素子が同一タイプのものので構成できる。なお、ダイオードＳ１３、Ｓ１４の極性を逆にすれば開閉スイッチＳ１１、Ｓ１２をＰ型ＭＯＳＦＥＴで実現することも可能である。
【００６０】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態を図５を参照して説明する。本発明の実施の形態は本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態の定電流回路２を両極性定電流回路４に置き換えたものである。
【００６１】
基本的な動作は第１の実施の形態で説明したものと同じである。この両極性定電流回路４は、励磁電流ｉａ、ｉｂを供給するオペアンプ４１と、励磁電流ｉａ、ｉｂの流れる電流検出抵抗４２と、電流検出抵抗４２に発生する電位の発生方向を検出するコンパレータ４３と、励磁電流の定常値を切替える切替スイッチ４４と及び基準電圧源４５、４６とから構成される。
【００６２】
励磁回路１の電源３は、夫々正負の極性となる電源３１と電源３２とから構成され、電源３１のマイナス端子と電源３２のプラス端子が接続され、その接続点が回路の共通電位Ｇとなる。
【００６３】
また、基準電源４５のマイナス端子と、基準電源４６のプラス端子も同様に接続され、同じく回路の共通電位Ｇ接続される。
【００６４】
励磁回路の電源３１、３２は、夫々オペアンプ４１のプラス電源端子、マイナス電源端子に接続され、オペアンプ４１の出力は、励磁コイルＬに流れ励磁電流ｉａ、ｉｂをこの電源３１、３２を介して直接供給する。さらにオペアンプ４１のプラス端子は切替えスイッチ４４のコモン端子に接続される。
【００６５】
このオペアンプ４１の出力はコンデンサＣの一方の端子に接続され、コンデンサＣの他方の端子は、励磁コイルＬに接続されている。
【００６６】
この励磁コイルＬの他の端子は、電流検出抵抗４２の一方の端子とオペアンプ４１のマイナス端子とに接続され、電流検出抵抗４２の他方の端子が励磁回路１の共通電位Ｇに接続されている。
【００６７】
次に、この様に構成された両極性定電流回路４を持つ励磁回路の動作について同じく図２と図５を参照して説明する。
【００６８】
図２における切替えスイッチＳ２に相当する本発明の切替えスイッチ４４は、期間Ｔ１の状態、即ち、コンパレータ４３の出力が１のとき＋側になり、コンパレータ４３の出力が０のとき−側に切り替わる様に設定されている。
【００６９】
励磁電流ｉａ、ｉｂがｉａの方向に流れている時は、コンパレータ４３の出力は１であり、切替えスイッチ４４は＋側に接続され、オペアンプ４１は電流検出抵抗４２の両端電圧が基準電圧源４５と同じになるようにオペアンプ４１の−端子にフィードバックされた電圧を自動調整し定電流出力とする。
【００７０】
次に、図２の切替えスイッチＳ２に示される期間Ｔ２の状態が始まるとまもなく電流が減少する。励磁電流ｉａ、ｉｂの方向がｉａからｉｂに変わると、コンパレータ４３の出力は０になり、切替えスイッチ４４は−側に切り替わり、オペアンプ４１は電流検出抵抗４２の両端電圧が基準電圧源４６と同じになるようにオペアンプの４１の−端子にフィードバックされた電圧を自動調整し定電流出力とする。これは期間Ｔ３の状態に相当する。
【００７１】
スイッチＳ１の動作は、前述した第１の実施の形態での動作と同様であるので説明を省略する。
【００７２】
この構成では励磁電流ｉａ、ｉｂが、例えばオペアンプで駆動可能な微小電流の場合に回路をコンパクトに纏める上で有効である。励磁電流ｉａ、ｉｂを大きくする必要がある場合には、オペアンプ４１の出力回路にトランジスタまたはＭＯＳＦＥＴを追加すれば容易に可能である。
【００７３】
また、この構成では、励磁電源３、両極性定電流回路４は、低圧部品で構成できる。さらに、開閉スイッチＳ１の制御信号８の入力端子は低圧で良いので制御信号のレベル変換も不要とすることができる。
【００７４】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態を図６に示す。本実施の形態は、第２の実施の形態と第３の実施の形態とを組み合わせである。即ち、開閉スイッチＳ１を２台構成のスイッチとし、定電流回路を両極性形式としたものである。本組み合わせの動作説明は前述の組み合わせであるので省略する。
【００７５】
この実施の形態による効果は、励磁電流ｉａ、ｉｂが小さい場合においては、励磁電源３１、３２から基準電源４５、４６を分圧して設定できること、また切替えスイッチがＳ１１、Ｓ１２、４４が共通制御信号レベルで行える形式の素子を選択できることからさらに小型の励磁回路とすることが可能である。
【００７６】
（第５の実施の形態）
図７乃至図１０を参照して第５の実施の形態を説明する。図７はこの発明のモデル図を、図８は間欠励磁の場合の動作説明図を、図９は３値励磁の場合の動作説明図を、さらに図１０はその詳細回路図を示す。
【００７７】
第５の実施の形態を示す図７は、第１の実施の形態の図１に示すコンデンサＣに直列にスイッチＳ３を付加したものである。その他の構成は図１と同様であるので説明は省略する。
【００７８】
図８（ａ）に開閉スイッチＳ３の状態、図８（ｂ）に励磁回路１が動作中の時の励磁電流ｉａ、ｉｂを、図８（ｃ）にコンデンサＣの両端電圧を、更に
図８（ｄ）にこの時の励磁コイルＬの両端電圧を示す。
【００７９】
この励磁回路１の動作は、励磁コイルLとコンデンサＣの夫々の両端電圧がゼロの時に励磁電流ｉａ、ｉｂを定常値とする期間を作る動作の他、開閉スイッチＳ３をオフにすることによって励磁電流ｉａ、ｉｂがゼロのときに充放電の動作を一時停止して、励磁電流ｉａ、ｉｂがゼロの期間を設定、制御することが出来る。
【００８０】
開閉スイッチＳ３以外のその他の構成は第１の実施の形態と同じなので、詳細説明を適宜省略し、開閉スイッチＳ３の制御動作について図８を用いて説明する。
【００８１】
開閉スイッチＳ３がオンの図８（ａ）における期間Ｔ８の状態においては、第一の実施の形態で説明した方形波の励磁電流ｉａ、ｉｂが流れている。この状態において励磁電流ｉａ、ｉｂがゼロになった時に開閉スイッチＳ３をオフとしコンデンサＣの両端電圧は高い状態で保持し、励磁コイルＬの両端電圧はゼロ、励磁電流ｉａ、ｉｂをゼロとして休止状態の期間Ｔ９とする。
【００８２】
この期間Ｔ９の状態から開閉スイッチＳ３をオンにすると励磁コイルＬにコンデンサＣの両端電圧が印加され方形波励磁の動作期間Ｔ１０の状態に移行する。
【００８３】
次に、この様な制御動作を可能とする励磁回路１の開閉スイッチＳ３の制御動作を実現する励磁回路構成例を図１０に示す。前述した図３に示す第１の実施の形態の励磁回路１に対し、開閉スイッチＳ３と開閉スイッチＳ３の図示しない信号処理回路からの制御信号９が追加されている。
【００８４】
この制御信号９は前述した制御信号８同様に、図１１に示す電磁流量計の構成の信号処理回路７で作られ、この励磁回路１に入力される。
【００８５】
開閉スイッチＳ３は、開閉スイッチＳ３１及びこの開閉スイッチＳ３１に並列に接続したダイオードＳ３２からなる。制御信号９は、通常の励磁動作（図８の期間Ｔ８）時はオンである。励磁を休止するときには、前述した図２に示した開閉スイッチＳ１における制御信号８がオンからオフになるときに合わせて制御信号９をオンからオフにする。
【００８６】
この時、電流がｉａ方向に流れている間はダイオードＳ３２を通して電流が流れ、電流がｉｂ方向に流れようとしたときにダイオードＳ３２がオフになり、動作の期間Ｔ９が実現される。
【００８７】
ここで、開閉スイッチＳ３１は、例えば、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴで実現することができるが、ダイオードＳ３２の極性を逆すれば、スイッチＳ３１はＰ型ＭＯＳＦＥＴで実現することもできる。尚この構成にあっては間欠動作は可能であるが、図9に示す様な３値動作（正電流、ゼロ、負電流）の励磁はできないが、開閉スイッチＳ３を開閉スイッチスイッチＳ１と同じ様に励磁電流ｉａ、ｉｂの双方向の流れに対して動作が可能になる様に構成にすれば実現は容易である。
【００８８】
そして前述した開閉スイッチＳ３の追加は、第１の実施の形態の励磁回路１の全てに対しても容易に適用できるものである。
【００８９】
この様な制御機能をもつ間欠励磁の励磁回路１の動作において、電流の大きさがゼロになる、または一定電流まで復帰するのに要する時間は、励磁回路の電源３の電圧とは無関係に制御できる。
【００９０】
従って、この開閉スイッチＳ３の制御により、励磁電源として高電圧を必要とすることなく実現できるので、必要なときのみ励磁する構成が可能となるので消費電力の節約が可能となる。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、励磁電流の反転に要する時間を励磁コイルのインダクタンスＬとコンデンサとの充放電によって決定する様にしたので、電源電圧を高くする必要がなく、励磁電流の方向の切替えをシンプルな回路構成で行える効率的な励磁回路が可能となる。さらに、コンデンサ、励磁コイルの高電圧発生部以外は汎用部品が使用が可能となるので製品の小型化も容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態の励磁回路のモデル図。
【図２】 第１の実施の形態の動作説明図。
【図３】 第１の実施の形態における励磁回路。
【図４】 第２の実施の形態における励磁回路。
【図５】 第３の実施の形態における励磁回路。
【図６】 第４の実施の形態における励磁回路。
【図７】 第５の実施の形態における励磁回路のモデル図。
【図８】 第５の実施の形態の動作説明図。
【図９】 第５の実施の形態の動作説明図。
【図１０】 第５の実施の形態の励磁回路。
【図１１】 電磁流量計の構成図。
【図１２】 従来の励磁回路。
【符号の説明】
１ 励磁回路
２ 定電流回路
３ 励磁回路の電源
４ 両極性定電流回路
５ 測定管
５ａ 被測定流体
６ 電極
７ 信号処理回路
８ 制御信号
９ 開閉スイッチＳ３の制御信号
２１ オペアンプ
２２ トランジスタ
２３ 電流検出抵抗
２４ 基準電圧源
３１、３２ 励磁電源
４１ オペアンプ
４２ 電流検出抵抗
４３ コンパレータ
４４ 切替えスイッチ
４５、４６ 基準電圧源
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
Ｌ 励磁コイル
ｉａ 電流の方向を表す
ｉｂ 電流の方向を表す
Ｒ 抵抗
Ｓ１ 開閉スイッチ
Ｓ２ 切替えスイッチ
Ｓ３ 開閉スイッチ
Ｓ１１、Ｓ１２ 開閉スイッチ
Ｓ１３、Ｓ１４ ダイオード
Ｓ１５乃至Ｓ１９ インバータ
Ｓ２１乃至Ｓ２４ 開閉スイッチ
Ｓ２１ａ乃至Ｓ２３ａ インバータ
Ｓ２５ 電流検出抵抗
Ｓ２６ コンパレータ
Ｓ３１ 開閉スイッチ
Ｓ３２ ダイオード
Claims (6)
- 被測定流体を流す測定管に磁場を印加するための励磁コイルと、この励磁コイルに定常値を持つ周期的な励磁電流を流すことによって、被測定流体に磁場を印加して、これにより発生する起電力を検出して流量を測定する電磁流量計の励磁回路において、
前記励磁回路の励磁電流を供給する電源と、
前記励磁コイルに直列に接続される第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに並列に接続される第１のスイッチと、
前記電源と前記第１のスイッチとの間に設けられ、前記励磁コイルに流れる励磁電流の向きが変わる様に印加する前記電源の極性を交互に切替える第２のスイッチと、
前記電源から供給される前記励磁電流の定常値を一定に制御する定電流回路とから構成し、
記第１のスイッチは、前記励磁コイルと前記第１のコンデンサとの共振周波数に基づき設定される所定の周期の制御信号により開閉し、前記第１のコンデンサのエネルギーを充放電する期間は開とし、前記第１のコンデンサの両端電圧が零となることを検知して、前記定電流回路で設定される定常値の前記励磁電流を流す期間は閉とする該第１のスイッチの制御手段を備え、
前記第２のスイッチは、前記充放電する期間において励磁電流の流れが零と成るタイミングを検出して、前記励磁電流の流れる方向を切替える該第２のスイッチの制御手段を備えたことを特徴とする電磁流量計の励磁回路。 - 前記第１のスイッチは、開閉スイッチとダイオードを直列接続したものを１組とする２組を、夫々の該開閉スイッチと並列に接続し、且つ、夫々の該ダイオードは互いに逆極性になるように接続して構成し、
前記第１のスイッチの制御手段は、夫々の前記開閉スイッチの一方が開の時他方が閉となるように、且つ、前記励磁電流の流れる方向を一致させて閉となるように制御することを特徴とする請求項１記載の電磁流量計の励磁回路。 - 前記電源は、正負の極性を備える電源とし、
前記定電流回路は、両極性定電流回路としたことを特徴とする請求項１に記載の電磁流量計の励磁回路。 - 前記励磁回路は、さらに、前記第１のコンデンサと直列に接続される第３のスイッチを備え、
前記第３のスイッチは、前記励磁電流が零のタイミングで開とし、前記励磁回路の充放電動作を一時的に停止する該第３のスイッチの制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電磁流量計の励磁回路。 - 被測定流体を流す測定管に磁場を印加するための励磁コイルと、この励磁コイルに定常値を持つ周期的な励磁電流を流すことによって、被測定流体に磁場を印加して、これにより発生する起電力を検出して流量を測定する電磁流量計の励磁回路において、
前記励磁回路の励磁電流を供給する電源と、
前記励磁コイルに一方の端に直列に接続される第１のコンデンサと、
前記励磁コイルの他方の端に直列に接続される第２のコンデンサと、
前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの夫々に、並列に接続される第１のスイッチと、
前記電源と前記第１のスイッチとの間に設けられ、前記励磁コイルに流れる励磁電流の向きが変わる様に印加される前記電源の極性を交互に切替える第２のスイッチと、
前記電源から供給される前記励磁電流の定常値を一定に制御する定電流回路とから構成し、
前記第１のスイッチは、前記励磁コイルと、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの共振周波数に基づき設定される所定の周期の制御信号により開閉し、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサにエネルギーを充放電する期間は開とし、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの両端電圧が零となることを検知して、前記定電流回路で設定される定常値の前記励磁電流を流す期間は閉とする該第１のスイッチの制御手段を備え、
前記第２のスイッチは、前記充放電する期間において励磁電流の流れが零と成るタイミングを検出して、前記励磁電流の流れる方向を切替える該第２のスイッチの制御手段を備えたことを特徴とする電磁流量計の励磁回路。 - 前記第１のスイッチは、スイッチとダイオードとを一組として、夫々該ダイオードの極性は互いに逆となるようにして接続したもの２組を、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの夫々に並列に接続して構成され、
該第１のスイッチは、前記励磁電流の方向と一致させるように、前記２組のスイッチとダイオードとを交互に開閉する制御手段を備えたことを特徴とする請求項５記載の電磁流量計の励磁回路。
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