JP4458920B2 - 電磁流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流量を計量する電磁流量計に関し、特にその測定精度を向上させる技術に関する。

従来、流体の流れ方向に対して垂直に磁界を与え、流路に設けられた電極に誘起される起電力を検出し、この検出結果に基づいて流体の流量を計測する電磁流量計が知られている（例えば、特許文献１参照）。図７は従来の電磁流量計の構成を示す図である。

この電磁流量計は、測定対象の液体が流れる測定管１、磁気回路２、電極対３、アンプ４、Ａ／Ｄ変換器５、マイクロプロセッサ６および励磁回路７を有して構成されている。磁気回路２は、測定管１に直流磁場または交番磁場を与えるためのコア２０、永久磁石２１および励磁コイル２２から構成されている。この磁気回路２は、コア２０の一部に永久磁石２１が組み込まれ、更に、励磁コイル２２を巻回することにより構成されている。この磁気回路２は、コア２０のギャップが測定管１に取り付けられた電極対３に対応するように配置されている。

電極対３は、測定管１の所定位置に、対向するように取り付けられた２個の電極から構成されている。この電極対３は、磁気回路２によって与えられる直流磁場による起電力を検出する。この電極対３で検出された起電力はアンプ４に送られる。

アンプ４は、電極対３から送られてくる起電力を増幅し、検出信号としてＡ／Ｄ変換器５に送る。Ａ／Ｄ変換器５は、アンプ４からアナログ信号として送られてくる検出信号をデジタル信号に変換し、マイクロプロセッサ６に送る。マイクロプロセッサ６は、Ａ／Ｄ変換器５から送られてくるデジタル信号に基づいて流速および流量を計算し、この計算結果に応じて励磁制御信号を生成して励磁回路７に送る。

励磁回路７は、マイクロプロセッサ６から送られてくる励磁制御信号に基づいて励磁コイル２２に流す電流を制御するための励磁信号を生成する。この励磁信号が磁気回路２の励磁コイル２２に送られることにより該励磁コイル２２が駆動され、交番磁場の生成が制御される。

以上のように構成される電磁流量計では、永久磁石２１と励磁コイル２２とが同一の磁気回路に併設されているが、通常は永久磁石２１による直流磁場のみによって励磁が行われ、必要に応じて励磁コイル２２に電流を流して磁場を変えることにより電極対３に誘起される起電力の電気化学的電位に起因する誤差を補正する処理が行われる。この電磁流量計では、励磁コイル２２の駆動は必要に応じて間欠的に行われるために消費電力の低減が可能になっている。
特公平１−２６４９１号公報

ところで、上述した従来の電磁流量計では、永久磁石２１と励磁コイル２２が同一の磁気回路に併設されているが、永久磁石２１は磁気抵抗が大きいので、励磁コイル２２による交番磁場の生成効率が低下し、測定精度の低下につながるという問題がある。この問題は、励磁コイル２２に流す電流を増加することにより解消されるが、電流を増加すると消費電力が増加するという新たな問題が生じる。

また、励磁コイル２２に電流を流して交番磁場を発生させる場合は、永久磁石２１による直流磁場も同時に発生されているので、電極対３は、これら２つの磁場が重畳された磁場による起電力を発生する。この場合、永久磁石２１の直流磁場による信号は、測定管１内に液体が流れると、その液体の複雑な動きに対応した複雑な波形になるので、励磁コイル２２によって発生される交番磁場による信号に重畳されたノイズとして観測される。その結果、測定精度が低下するという問題がある。

また、励磁コイル２２に電流を流して永久磁石２１による測定の補正をすると、励磁コイル２２による測定に誤差があれば、その後の永久磁石２１による測定結果に誤差が含まれたままになる。瞬時流量よりも積算流量が重要となる場合、測定精度を決めるのは励磁コイル２２による測定であり、永久磁石２１による測定で必ずしも測定精度が向上するわけではない。一方、消費電力の低減のために間欠動作を行う場合、休止期間を長くすると流速の急な変化に追従できず、積算流量に影響を与えるので測定精度が低下するという問題がある。

本発明は、低消費電力で安定した測定精度を得ることのできる電磁流量計を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、第１の発明に係る電磁流量計は、永久磁石による直流磁場において発生される起電力と励磁コイルによる交番磁場において発生される起電力とを併用して測定管に流れる流体の流量を測定する電磁流量計であって、前記永久磁石による直流磁場において発生された起電力が所定の許容範囲にあるかどうかを判定する判定手段と、前記判定手段により前記所定の許容範囲を越えたことが判定された場合に、前記励磁コイルを駆動する駆動手段と、前記駆動手段で駆動された前記励磁コイルによる交番磁場において発生された起電力に基づいて流速を算出し、該算出された流速に基づき流量を算出する流量算出手段とを備えたことを特徴とする。

また、第２の発明に係る電磁流量計は、前記永久磁石による前記直流磁場を与える第１磁気回路と、前記第１磁気回路により与えられた前記直流磁場において発生される前記起電力を検出する第１電極対と、磁路が前記第１磁気回路の前記永久磁石による磁路に遮らないように構成され、前記測定管に前記励磁コイルによる前記交番磁場を与える第２磁気回路と、前記第２磁気回路により与えられた前記交番磁場において発生された前記起電力を検出する第２電極対とを備えたことを特徴とする。

第１の発明によれば、永久磁石による直流磁場において発生された起電力が所定の許容範囲を越えた場合に、励磁コイルを駆動して交番磁場を発生させ、この交番磁場において発生された起電力に基づいて流速を算出し、該算出された流速に基づき流量を算出するようにしたので、消費電力の低減のための間欠動作により休止期間が長くなっても流速の急な変化に追従することができ、積算流量に影響を与えることがないので、測定精度が向上する。

第２の発明によれば、第２磁気回路の磁路が第１磁気回路の永久磁石による磁路に遮らないように構成されているので、永久磁石の磁気抵抗は励磁コイルによる交番磁場の発生に影響を与えない。その結果、交番磁場の生成効率が低下しないので、測定精度の低下を防止できるとともに、励磁コイルに流す電流を増加する必要もないので、消費電力の増加を抑制できる。また、励磁コイルによって発生される交番磁場における起電力には、永久磁石による直流磁場における起電力が重畳されることもないので、この点からも測定精度の低下を防止できる。

以下、本発明に係る電磁流量計の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電磁流量計の構成を示す図である。この電磁流量計は、測定対象の液体が流れる測定管１、第１磁気回路２ａ、第１電極対３ａ、第１アンプ４ａ、第１Ａ／Ｄ変換器５ａ、第２磁気回路２ｂ、第２電極対３ｂ、第２アンプ４ｂ、第２Ａ／Ｄ変換器５ｂ、マイクロプロセッサ６および励磁回路７から構成されている。

第１磁気回路２ａは、測定管１に直流磁場を与えるための第１コア２０ａおよび永久磁石２１から構成されている。第１磁気回路２ａは、図２（ａ）に第１電極対３ａの位置で切断して示すように、第１コア２０ａの一部に永久磁石２１が組み込まれて構成されている。第１磁気回路２ａは、第１コア２０ａのギャップが測定管１の所定位置に取り付けられた第１電極対３ａに対応するように配置されている。

第１電極対３ａは、測定管１の所定位置に、対向するように取り付けられた２個の電極から構成されている。この第１電極対３ａは、第１磁気回路２ａによって与えられる直流磁場による起電力を検出する。この第１電極対３ａで検出された起電力は第１アンプ４ａに送られる。

第１アンプ４ａは、第１電極対３ａから送られてくる起電力を増幅し、第１検出信号Ｓ１として第１Ａ／Ｄ変換器５ａに送る。第１Ａ／Ｄ変換器５ａは、第１アンプ４ａからアナログ信号として送られてくる第１検出信号Ｓ１をデジタル信号に変換し、第１起電力信号Ｓ１０としてマイクロプロセッサ６に送る。

第２磁気回路２ｂは、第１磁気回路２ａとは別体に構成されており、測定管１に交番磁場を与えるための第２コア２０ｂおよび励磁コイル２２から構成されている。この第２磁気回路２ｂは、図２（ｂ）に第２電極対３ｂの位置で切断して示すように、第２コア２０ｂの一部に励磁コイル２２を巻回することにより構成されている。第２磁気回路２ｂは、第２コア２０ｂのギャップが測定管１の上記所定位置とは異なる位置に取り付けられた第２電極対３ｂに対応するように配置される。

実施例１では、第１磁気回路２ａと第２磁気回路２ｂとを別体で構成したので、各磁気回路に最適な形状を有するように構成することができる。なお、図１および図２に示した磁気回路の構造は一例であり、第２磁気回路２ｂに形成される磁路が第１磁気回路２ａを構成する永久磁石２１によって遮られない構造であれば、別体に限らず任意の効率的な構造を採用することができる。

第２電極対３ｂは、測定管１の上記所定位置とは異なる位置に、対向するように取り付けられた２個の電極から構成されている。この第２電極対３ｂは、第２磁気回路２ｂによって与えられる交番磁場による起電力を検出する。この第２電極対３ｂで検出された起電力は第２アンプ４ｂに送られる。

第２アンプ４ｂは、第２電極対３ｂから送られてくる起電力を増幅し、第２検出信号Ｓ２として第２Ａ／Ｄ変換器５ｂに送る。第２Ａ／Ｄ変換器５ｂは、第２アンプ４ｂからアナログ信号として送られてくる第２検出信号Ｓ２をデジタル信号に変換し、第２起電力信号Ｓ２０としてマイクロプロセッサ６に送る。

マイクロプロセッサ６は、第１Ａ／Ｄ変換器５ａから送られてくる第１起電力信号Ｓ１０に基づいて流速が変化したかを判別する。また、マイクロプロセッサ６は、第２Ａ／Ｄ変換器５ｂから送られてくる第２起電力信号Ｓ２０を流速に換算して流量を計算する。さらに、マイクロプロセッサ６は、算出された流速や流量に応じて励磁制御信号を生成し、励磁回路７に送る。このマイクロプロセッサ６の詳細は後述する。

励磁回路７は、マイクロプロセッサ６から送られてくる励磁制御信号に基づいて励磁コイル２２に流す電流を制御するための励磁信号を生成する。この励磁信号が第２磁気回路２ｂの励磁コイル２２に送られることにより交番磁場の生成が制御される。

図３はマイクロプロセッサ６の機能的な構成を示すブロック図である。このマイクロプロセッサ６は、判定手段６１、駆動手段６２、流量算出手段６３および許容範囲可変手段６４から構成されている。

判定手段６１は、第１Ａ／Ｄ変換器５ａから送られてくる第１起電力信号Ｓ１０を調べることにより、永久磁石２１による直流磁場において第１電極対３ａによって検出された起電力が所定の許容範囲にあるかどうかを判定する。この判定手段６１による判定結果は、駆動手段６２に送られる。

駆動手段６２は、判定手段６１から送られてくる判定結果が所定の許容範囲を越えたことを示している場合に、励磁制御信号を生成して励磁回路７に送る。励磁回路７は、この励磁制御信号に基づいて励磁信号を生成して励磁コイル２２に送る。これにより、励磁コイル２２が駆動されて交番磁場を発生する。

流量算出手段６３は、第２Ａ／Ｄ変換器５ｂから送られてくる第２起電力信号Ｓ２０を調べることにより、駆動手段６２で駆動された励磁コイル２２による交番磁場において第２電極対３ｂによって検出された起電力に基づいて流速を算出し、該算出された流速に基づき流量を算出する。この流量算出手段６３で算出された流量は積算されて図示しない表示手段に送られ、積算流量として表示される。

次に、このように構成される本発明の実施例１に係る電磁流量計の動作を図４に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

測定管１内の液体の流量が、図４（ｄ）の期間Ｔ１およびＴ２に示すように急激な変化がない状態では、図４（ａ）の期間Ｔ１およびＴ２に示すように、励磁電流が一定の周期Ｔで間欠的に励磁コイル２２に流される。

具体的には、第１電極対３ａから第１アンプ４ａを介して常時送られてくる第１検出信号Ｓ１が第１Ａ／Ｄ変換器５ａによりデジタルの第１起電力信号Ｓ１０に変換され、第１起電力信号Ｓ１０としてマイクロプロセッサ６の判定手段６１に送られる。判定手段６１は、期間の区切り毎に、その時点の直流磁場による起電力を基準値ＶＣとし、基準値ＶＣから一定範囲（図４（ｃ）の一点鎖線で示される範囲）を許容範囲とする。実施例１では、第１検出信号Ｓ１の測定を連続して行うように構成しているが、周期Ｔより短い周期で間欠的に行うように構成することもできる。

なお、期間Ｔ１の先頭では、第１検出信号Ｓ１は、図４（ｃ）に示すように、第１電極対３ａと液体の電気化学的作用による電圧や電子回路によるオフセット電圧のためゼロ点がＶ０だけずれており、このＶ０だけずれた電圧が最初の基準値ＶＣとされる。

マイクロプロセッサ６の判定手段６１は、第１Ａ／Ｄ変換器５ａから常時送られてくる第１起電力信号Ｓ１０を調べることにより、永久磁石２１による直流磁場において第１電極対３ａによって検出された起電力が上述した所定の許容範囲にあるかどうかを判定し、判定結果を駆動手段６２に送る。

駆動手段６２は、判定手段６１からの判定結果が、所定の許容範囲を越えていないことを示している場合は、各期間の終わりで、正側と負側に一定になる部分が存在する方形波の励磁制御信号を生成して励磁回路７に送る。励磁回路７は、この励磁制御信号に基づいて励磁信号を生成して励磁コイル２２に送る。これにより、正側と負側に電流が一定になる部分が存在する方形波の電流により励磁コイル２２が駆動されて交番磁場が発生され、測定管１に与えられる。

この交番磁場が落ち着いた時点で、第２電極対３ｂから第２アンプ４ｂを介して送られてくるアナログの第２検出信号Ｓ２が第２Ａ／Ｄ変換器５ｂによりデジタル信号に変換され、第２起電力信号Ｓ２０としてマイクロプロセッサ６の流量算出手段６３に送られる。流量算出手段６３は、第２Ａ／Ｄ変換器５ｂから送られてくる第２起電力信号Ｓ２０に基づいて流速を算出し、該算出された流速に基づき流量を算出する。算出された流量は積算されて図示しない表示手段に送られ、積算流量として表示される。このように、周期Ｔで間欠的に励磁と流量測定を行うことにより消費電力の低減が可能になる。

一方、駆動手段６２は、判定手段６１からの判定結果が、所定の許容範囲を越えたことを示している場合は、その時点で直ちに、励磁制御信号を生成して励磁回路７に送る。励磁回路７は、励磁制御信号に基づいて励磁信号を生成して励磁コイル２２に送る。これにより、図４（ｃ）の期間Ｔ３における時刻ｔ１および期間Ｔ４における時刻ｔ２に示すように、第１電極対３ａによって検出された起電力が所定の許容範囲を越えた場合には、直ちに励磁コイル２２が駆動されて交番磁場が発生され、測定管１に与えられる。

交番磁場が落ち着いた時点で、第２電極対３ｂから第２アンプ４ｂを介して送られてくるアナログの第２検出信号Ｓ２が第２Ａ／Ｄ変換器５ｂによりデジタル信号に変換され、第２起電力信号Ｓ２０としてマイクロプロセッサ６の流量算出手段６３に送られる。流量算出手段６３は、上述したようにして流量を算出する。算出された流量は積算されて図示しない表示手段に送られ、積算流量として表示される。この場合、期間Ｔ３およびＴ４の周期は、期間Ｔ１およびＴ２における周期Ｔより短くなる。この構成により、流量の急激な変化があった場合には、通常の周期Ｔより短い周期で計測が行われるので、高精度での測定が可能になる。

このように、本発明の実施例１に係る電磁流量計によれば、第１磁気回路２ａと第２磁気回路２ｂとを別体に設けたので、永久磁石２１の磁気抵抗は励磁コイル２２による交番磁場の発生に影響を与えない。その結果、交流磁場の生成効率が低下しないので、測定精度の低下を防止できるとともに、励磁コイル２２に流す電流を増加する必要もないので、消費電力の増加を抑制できる。また、励磁コイル２２によって発生される交番磁場における起電力には、永久磁石による直流磁場における起電力が重畳されることもないので、この点からも測定精度の低下を防止できる。

また、永久磁石２１による直流磁場において発生された起電力が所定の許容範囲を越えた場合に、励磁コイルを駆動して交番磁場を発生させ、この交番磁場において発生された起電力に基づいて流速を算出し、該算出された流速に基づき流量を算出するようにしたので、消費電力の低減のための間欠動作により休止期間が長くなっても流速の急な変化があった場合には、直ちに交番磁場による測定を行うように追従するため、測定精度を保ちつつ消費電力を低減させることができる。

本発明の実施例２に係る電磁流量計は、実施例１に係る電磁流量計における所定の許容範囲を可変にしたことを特徴とするものである。

実施例２に係る電磁流量計の構成は、マイクロプロセッサ６の機能的な構成を除き、実施例１に係る電磁流量計の構成と同じである。以下、実施例１と相違する部分を中心に説明する。

図５は実施例２に係る電磁流量計のマイクロプロセッサ６の機能的な構成を示すブロック図である。このマイクロプロセッサ６は、判定手段６１、駆動手段６２、流量算出手段６３および許容範囲可変手段６４から構成されている。判定手段６１、駆動手段６２および流量算出手段６３は、実施例１におけるそれらと同じである。

流量算出手段６３は、第２Ａ／Ｄ変換器５ｂから送られてくる第２起電力信号Ｓ２０を調べることにより、駆動手段６２で駆動された励磁コイル２２による交番磁場において第２電極対３ｂによって検出された起電力に基づいて流速を算出し、該算出された流速に基づき流量を算出する。この流量算出手段６３で算出された流速は許容範囲可変手段６４に送られる。また、流量算出手段６３で算出された流量は積算されて図示しない表示手段に送られ、積算流量として表示される。

許容範囲可変手段６４は、流量算出手段６３から送られてくる流速に基づいて、図６に示すように許容範囲を変化させる。即ち、ある流速Ｕ０以下では許容範囲の幅を一定とし、流速Ｕ０以上では流速に比例して許容範囲を大きくする。この許容範囲可変手段６４で可変された許容範囲を表す信号は判定手段６１に送られる。

判定手段６１は、許容範囲可変手段６４から受け取った許容範囲を表す信号に基づき、上述したように、第１Ａ／Ｄ変換器５ａから常時送られてくる第１起電力信号Ｓ１０を調べることにより、永久磁石２１による直流磁場において第１電極対３ａによって検出された起電力が上述した所定の許容範囲にあるかどうかを判定する。

このように、本発明の実施例２に係る電磁流量計によれば、流速が所定値を越えた場合に流速に比例して許容範囲を大きくするように構成したので、流速が大きく変化する場合の交番磁場による測定間隔を伸ばすことができる。

本発明は、導電性流体の流量を計測する電磁流量計に適用可能である。

本発明の実施例１に係る電磁流量計の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る電磁流量計の第１磁気回路および第２磁気回路の構造を示す側断面図である。 本発明の実施例１に係る電磁流量計を構成するマイクロプロセッサの構成を機能的に示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る電磁流量計の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例２に係る電磁流量計を構成するマイクロプロセッサの構成を機能的に示すブロック図である。 本発明の実施例２に係る電磁流量計における流速と流速変化の許容範囲の関係の一例を示す図である。 従来の電磁流量計を説明するための図である。

符号の説明

１ 測定管
２ａ 第１磁気回路
２ｂ 第２磁気回路
３ａ 第１電極対
３ｂ 第２電極対
４ａ 第１アンプ
４ｂ 第２アンプ
５ａ 第１Ａ／Ｄ変換器
５ｂ 第２Ａ／Ｄ変換器
６ マイクロプロセッサ
７ 磁気回路
２０ａ 第１コア
２０ｂ 第２コア
２１ 永久磁石
２２ 励磁コイル
６１ 判定手段
６２ 駆動手段
６３ 流量算出手段
６４ 許容範囲可変手段

Claims (3)

1. 永久磁石による直流磁場において発生される起電力と励磁コイルによる交番磁場において発生される起電力とを併用して測定管に流れる流体の流量を測定する電磁流量計であって、
   前記永久磁石による直流磁場において発生された起電力が所定の許容範囲にあるかどうかを判定する判定手段と、
   前記判定手段により前記所定の許容範囲を越えたことが判定された場合に、前記励磁コイルを駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段で駆動された前記励磁コイルによる交番磁場において発生された起電力に基づいて流速を算出し、該算出された流速に基づき流量を算出する流量算出手段と、
   を備えたことを特徴とする電磁流量計。
2. 前記永久磁石による前記直流磁場を与える第１磁気回路と、
   前記第１磁気回路により与えられた前記直流磁場において発生される前記起電力を検出する第１電極対と、
   磁路が前記第１磁気回路の前記永久磁石による磁路に遮らないように構成され、前記測定管に前記励磁コイルによる前記交番磁場を与える第２磁気回路と、
   前記第２磁気回路により与えられた前記交番磁場において発生された前記起電力を検出する第２電極対と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の電磁流量計。
3. 前記流量算出手段によって算出された流速に応じて前記所定の許容範囲を可変する許容範囲可変手段を更に備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電磁流量計。

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