JP4913548B2

JP4913548B2 - 容量式電磁流量計

Info

Publication number: JP4913548B2
Application number: JP2006295744A
Authority: JP
Inventors: 豊原田; 一郎光武; 浩二奥田; 陽井上; 徹矢梶田
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: AU2007315667A1; JP2008111760A; WO2008053624A1; AU2007315667B2; US7950292B2; US20100071476A1

Description

この発明は、測定管内を流れる流体と静電容量結合する信号電極を備えた容量式電磁流量計に関するものである。

従来より、この種の容量式電磁流量計は、測定管内を流れる流体の流れ方向に対して直交する方向に磁界を作る励磁コイルと、測定管に設けられこの測定管内を流れる流体と静電容量結合する信号電極とを有し、励磁コイルが作る磁界により測定管内を流れる流体に発生する起電力を信号電極より取り出すようにしている。なお、通常、信号電極に対してはその信号電極をシールドするガード電極が設けられ、信号電極およびガード電極は対として、励磁コイルが作る磁界と直交する方向に設けられる。

図８（ａ）に従来の容量式電磁流量計の要部を示す（例えば、特許文献１参照）。同図において、１は測定管であり、非磁性パイプ（例えば、ステンレス製のパイプ）２の内側に絶縁性の樹脂ライニング３が施されている。４は信号電極、５は信号電極４をシールドするガード電極である。信号電極４およびガード電極５は、樹脂ライニング３中に設けられている。図８（ｂ）に図８（ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図を示す。

なお、図８には示されていないが、測定管１内を流れる流体の流れ方向に対して直交する方向に磁界を作る励磁コイルが設けられており、この励磁コイルが作る磁界と直交する方向に、対向して２つの信号電極４およびガード電極５が設けられている。

この容量式電磁流量計において、信号電極４と流体との間の絶縁部（静電容量結合部）のインピーダンスは高く、数十〜数百ＭΩある。この高インピーダンスの静電容量結合部から高精度で信号（起電力）を取り出すためには入力インピーダンスの高い回路（信号取出回路）が必要である。例えば、静電容量結合部での信号の減衰を０．１％にするには、信号取出回路の入力インピーダンスは静電容量結合部のインピーダンスの１０００倍は必要である。これを実現する回路として、例えば特許文献２に、図９に示すような信号取出回路が示されている。

図９において、Ｖｄは測定流体に発生する交流の起電力、Ｃｄは測定流体と信号電極４とで形成される静電容量、Ｑ１は電界効果トランジスタ、ＯＰ１は演算増幅器である。電界効果トランジスタＱ１のゲートＧは信号電極４に接続され、ソースＳは演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端（＋）に接続され、ドレインＤは抵抗Ｒ３を介して電源ＶＤＤ（高電位点）に接続されている。

また、電界効果トランジスタＱ１のゲートＧと共通電位点ＣＯＭとの間には抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との直列接続回路が接続され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点はコンデンサＣ１を介して演算増幅器ＯＰ１の反転入力端（−）に接続されている。この抵抗Ｒ１，Ｒ２およびコンデンサＣ１でブートストラップ回路が構成されている。

また、電界効果トランジスタＱ１のソースＳには抵抗Ｒ４を介して電源ＶＳＳ（低電位点：ＶＳＳ＜ＶＤＤ）が接続されており、演算増幅器ＯＰ１の出力端はコンデンサＣ２を介して電界効果トランジスタＱ１のドレインＤに接続されると共に、コンデンサＣ１と演算増幅器ＯＰ１の反転入力端（−）に接続されている。

この信号取出回路１００において、測定流体に発生した交流の起電力Ｖｄは、静電容量Ｃｄを通過し、電界効果トランジスタＱ１のゲートＧに与えられる。この場合、電界効果トランジスタＱ１がソースフォロワとして機能することから、電界効果トランジスタＱ１のソースＳにゲートＧに加えられた信号と同電位の信号が現れる。この信号は演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端（＋）へ与えられる。

演算増幅器ＯＰ１は、増幅度がほゞ１のバッファとして機能し、非反転入力端（＋）に加えられた信号と同電位の信号を出力する。また、演算増幅器ＯＰ１の出力端は反転入力端（−）に接続されており、演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端（＋）と反転入力端（−）とは同電位となるので、演算増幅器ＯＰ１の出力端と電界効果トランジスタＱ１のゲートＧも同電位となる。

一方、演算増幅器ＯＰ１の出力端と電界効果トランジスタＱ１のドレインＤとの間にはコンデンサＣ２が接続されているので、これらの間は交流的に同一電位に保持されることになる。したがって、電界効果トランジスタＱ１のゲートＧとドレインＤとの電位が交流的に同一になり、この間の浮遊容量を通じての電流は生じない。

また、電界効果トランジスタＱ１はソースフォロワとして機能しているので、ゲートＧとソースＳとの間も交流的にその電位が同一になり、これらの間にも浮遊容量を通じての電流は生じない。

この結果、電界効果トランジスタＱ１での浮遊容量を原因とするインピーダンスの低下が生じず、電界効果トランジスタＱ１の入力インピーダンスが高められる。また、抵抗Ｒ１とＲ２との接続点は実質的にゲートＧと同電位となっており、抵抗Ｒ１には電流が流れない。したがって、信号取出回路１００の入力インピーダンスが無限大となり、測定流体に発生する起電力Ｖｄを高精度で取り出すことが可能となる。

また、信号源インピーダンスの高い信号の検出回路として１９８９年に公知化された非特許文献１がある。この非特許文献１は、入力部に電界効果トランジスタとブートストラップ回路とを組合せ、更にコンデンサを用いて正帰還を掛けて高入力インピーダンスを実現するようにしたものである。この非特許文献１に示された構成は、上述した信号取出回路１００において演算増幅器ＯＰ１の出力端と電界効果トランジスタＱ１のドレインＤとの間にコンデンサＣ２（以下、帰還コンデンサと呼ぶ）を接続する構成を示唆している。

米国特許第４６３１９６９号特許第３１２３０４２号公報（特開平６−２４１８５６号公報）ＣＱ出版社、「精選アナログ実用回路集」、３０頁、稲葉保（著者）、１９８９年１月１０日初版

しかしながら、図９に示した従来の信号取出回路１００によると、演算増幅器ＯＰ１の出力端と電界効果トランジスタＱ１のドレインＤとの間の帰還コンデンサＣ２に大容量の電荷が蓄積される可能性があり、帰還コンデンサＣ２として大型で大容量のコンデンサを使用せざるを得ず、電気回路がスペースをとるとともに、厳重な防爆容器に回路を収容しなければならない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、帰還コンデンサをなくし、小面積の回路で、また防爆容器への収容を不要として、信号取出回路の入力インピーダンスを高めることができる容量式電磁流量計を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、測定管内を流れる流体の流れ方向に対して直交する方向に磁界を作る励磁コイルと、測定管に設けられこの測定管内を流れる流体と静電容量結合する信号電極とを備え、励磁コイルが作る磁界により測定管内を流れる流体に発生する起電力を取り出す容量式電磁流量計において、信号電極より取り出される起電力がそのゲートに与えられる第１の電界効果トランジスタと、この第１の電界効果トランジスタのソースに現れる信号がその非反転入力端に与えられる演算増幅器と、この演算増幅器の出力端からの出力信号を当該演算増幅器の反転入力端に帰還する第１の帰還経路および第１の電界効果トランジスタのドレインに帰還する第２の帰還経路と、第１の電界効果トランジスタのドレインに帰還される演算増幅器からの出力信号に電流の流れによって生成される所定の定電圧を重畳し第１の電界効果トランジスタのゲートとドレインの電位を交流的に同一に保持する電位保持手段と、第１の電界効果トランジスタのゲートと共通電位点との間に接続された第１の抵抗と第２の抵抗との直列接続回路と、第１の抵抗と第２の抵抗との接続点と演算増幅器の反転入力端との間に接続されたコンデンサとを設けたものである。

この発明において、電位保持手段は、演算増幅器からの出力信号に所定の定電圧を重畳して第１の電界効果トランジスタのドレインに帰還し、第１の電界効果トランジスタのゲートとドレインの電位を交流的に同一に保持する。これにより、第１の電界効果トランジスタのゲートとドレインとの間の浮遊容量を通じての電流が発生せず、第１の電界効果トランジスタの入力インピーダンスが高められる。本発明において、演算増幅器からの出力信号に重畳する定電圧は、電流の流れによって生成される。すなわち、従来の帰還コンデンサの場合には、その帰還コンデンサに蓄積された電荷によって定電圧が作られるが、本発明では蓄積された電荷ではなく電流の流れによって生成される。

本発明において、電位保持手段としては、例えば、演算増幅器の出力端にその一端が接続されその他端が第１の電界効果トランジスタのドレインに接続された第３の抵抗と、そのゲートが第３の抵抗の一端にそのソースが第３の抵抗の他端にそのドレインが高電位点に接続された第２の電界効果トランジスタとから構成される定電流回路を用いることができる。この定電流回路では、第３の抵抗に定電流が流れ、この定電流によって第３の抵抗に定電圧が生じ、この第３の抵抗に生じる定電圧が第１の電界効果トランジスタのドレインに帰還される演算増幅器からの出力信号に重畳される。

なお、電位保持手段として用いることができる定電流回路には、他にも色々なバリエーションが考えられる。また、電位保持手段として定電流回路を用いなくてもよく、例えばダイオードに順方向への電流を流し、このダイオードに生じる順方向電圧を所定の定電圧として演算増幅器からの出力信号に重畳するようにしてもよい。ダイオードは、そこを流れる電流を定電流としなくても、一定の順方向電圧が生じる。

また、本発明において、第１の抵抗と第２の抵抗との接続点と演算増幅器の反転入力端との間に接続されたコンデンサに対して直列に発振防止用の抵抗を接続するようにしてもよい。このようにすると、入力信号と出力信号との比と周波数との関係（入出力の周波数特性）において、その共振点ピーク値を下げ、共振点周波数信号が入力された時に生じる発振を防ぐことが可能となる。

本発明によれば、第１の電界効果トランジスタのドレインに帰還される演算増幅器からの出力信号に電流の流れによって生成される所定の定電圧を重畳し第１の電界効果トランジスタのゲートとドレインの電位を交流的に同一に保持するようにしたので、演算増幅器の出力端と第１の電界効果トランジスタのドレインとの間の帰還コンデンサをなくし、小面積の回路で、また防爆容器への収容を不要として、信号取出回路の入力インピーダンスを高めることができるようになる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１〕
図１はこの発明に係る容量式電磁流量計において用いる信号取出回路の一実施の形態（実施の形態１）を示す回路図である。同図において、図９と同一符号は、図９を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。

この実施の形態１の信号取出回路２００では、図９に示した信号取出回路１００と比較して分かるように、帰還コンデンサＣ２をなくし、その代わりに定電流回路ＣＴ１を設けている。この実施の形態１において、定電流回路ＣＴ１は、帰還コンデンサＣ２と同じ役割を果たし、電界効果トランジスタＱ１のドレインとゲートＧとの電位を交流的に同一とする電位保持手段として機能する。

定電流回路ＣＴ１は電界効果トランジスタＱ２と抵抗Ｒ５とによって構成されている。定電流回路ＣＴ１において、抵抗Ｒ５の一端は演算増幅器ＯＰ１の出力端に接続されており、抵抗Ｒ５の他端は電界効果トランジスタＱ１のドレインＤおよび電界効果トランジスタＱ２のソースＳに接続されている。また、電界効果トランジスタＱ２のゲートＧは抵抗Ｒ５の一端に接続され、ドレインＤは電源ＶＤＤに接続されている。

この信号取出回路２００において、測定流体に発生した交流の起電力Ｖｄは、静電容量Ｃｄを通過し、電界効果トランジスタＱ１のゲートＧに与えられる。この場合、電界効果トランジスタＱ１がソースフォロワとして機能することから、電界効果トランジスタＱ１のソースＳにゲートＧに加えられた信号と同電位の信号が現れる。この信号は演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端（＋）へ与えられる。

一方、演算増幅器ＯＰ１の出力端と電界効果トランジスタＱ１のドレインＤとの間には定電流回路ＣＴ１における抵抗Ｒ５が接続されており、この抵抗Ｒ５を介して演算増幅器ＯＰ１からの出力信号が電界効果トランジスタＱ１のドレインＤに帰還される。

この場合、抵抗Ｒ５には定電流が流れ、この定電流によって抵抗Ｒ５の両端に定電圧が生じ、この抵抗Ｒ５の両端に生じる定電圧が電界効果トランジスタＱ１のドレインＤに帰還される演算増幅器ＯＰ１からの出力信号に重畳され、演算増幅器ＯＰ１の出力端と電界効果トランジスタＱ１のドレインＤとの間が交流的に同一電位に保持される。

この結果、電界効果トランジスタＱ１のゲートＧとドレインＤとの電位が交流的に同一になり、この間の浮遊容量を通じての電流が生じず、帰還コンデンサＣ２を用いていた場合と同様にして、電界効果トランジスタＱ１の入力インピーダンスが高められるものとなる。

このような回路動作からも分かるように、本実施の形態の信号取出回路２００では、抵抗Ｒ５を流れる定電流によって演算増幅器ＯＰ１からの出力信号に重畳する定電圧が生成されるので、従来の信号取出回路１００のように帰還コンデンサＣ２に大容量の電荷が蓄積されるという問題は生じない。また、電界効果トランジスタＱ２と抵抗Ｒ５とから構成される定電流回路ＣＴ１は、大型で大容量の帰還コンデンサＣ２と比べて小面積の回路で済み、また防爆容器への収容も不要となる。

〔実施の形態２〕
図２は信号取出回路の他の実施の形態（実施の形態２）を示す回路図である。この実施の形態２の信号取出回路２００’では、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点と演算増幅器ＯＰ１の反転入力端（−）との間に、コンデンサＣ１と直列に抵抗Ｒ６を接続している。

この信号取出回路２００’において、抵抗Ｒ６は発振防止用の抵抗として機能し、入力信号と出力信号との比と周波数との関係（入出力の周波数特性）において、その共振点ピーク値を下げ、共振点周波数信号が入力された時に生じる発振を防ぐ役割を果たす。なお、この例では、抵抗Ｒ６を演算増幅器ＯＰ１の反転入力端（−）側に接続しているが、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点側に接続するようにしてもよい。

図３は抵抗Ｒ６の有無による信号電圧の入出力比と周波数の関係を実際に測定した結果を示している。この測定結果では、抵抗Ｒ６を設けたことにより、抵抗Ｒ６無しの場合に比べて、ピークが約１／５デシベル改善されている。このことからも、発振防止用の抵抗Ｒ６を用いることにより、共振点ピーク値が下がることが分かる。

なお、上述した実施の形態１，２では、電界効果トランジスタＱ２と抵抗Ｒ５とから構成される定電流回路ＣＴ１を電位保持手段として用いたが、電位保持手段として用いることができる定電流回路には他にも色々なバリエーションが考えられる。

例えば、図４に示すような電界効果トランジスタＱ３と抵抗Ｒ７，Ｒ８とによって構成した定電流回路ＣＴ２を用いるようにしてもよく、図５に示すようなトランジスタＴＲ１と抵抗Ｒ５，Ｒ９，Ｒ１０とによって構成した定電流回路ＣＴ３を用いるようにしてもよく、図６に示すようなトランジスタＴＲ１と、抵抗Ｒ５，Ｒ１１と、ツェナーダイオードＺＤ１とによって構成した定電流回路ＣＴ４を用いるようにしてもよい。

また、必ずしも定電流回路を電位保持手段として用いなくてもよく、例えば図７に示すように、抵抗Ｒ１２を介してダイオードＤ１に順方向への電流を流し、この電流によってダイオードＤ１に生じる順方向電圧を演算増幅器ＯＰ１からの出力信号に重畳し、電界効果トランジスタＱ１のドレインＤに帰還するようにしてもよい。ダイオードＤ１は、そこを流れる電流を定電流としなくても、一定の順方向電圧Ｖｚが生じる。

本発明に係る容量式電磁流量計において用いる信号取出回路の一実施の形態（実施の形態１）を示す回路図である。本発明に係る容量式電磁流量計において用いる信号取出回路の他の実施の形態（実施の形態２）を示す回路図である。図２の回路において抵抗Ｒ６の有無による信号電圧の入出力比と周波数の関係を実際に測定した結果を示す図である。電位保持手段として用いる定電流回路の別の例（第１例）を示す回路図である。電位保持手段として用いる定電流回路の別の例（第２例）を示す回路図である。電位保持手段として用いる定電流回路の別の例（第３例）を示す回路図である。電位保持手段の別の例（第４例）を示す回路図である。従来の容量式電磁流量計の要部を示す図である。従来の容量式電磁流量計において用いられていた信号取出回路を示す回路図である。

符号の説明

１…測定管、２…非磁性パイプ、３…樹脂ライニング、４…信号電極、５…ガード電極、Ｖｚ…起電力、Ｃｄ…静電容量、Ｑ１，Ｑ２…電界効果トランジスタ、ＯＰ１…演算増幅器、Ｒ１〜Ｒ１２…抵抗、Ｃ１…コンデンサ、ＣＴ１〜ＣＴ３…定電流回路、ＴＲ１…トランジスタ、Ｄ１…ダイオード、ＺＤ１…ツェナーダイオード、２００，２００’，２０１〜２０４…信号取出回路。

Claims

測定管内を流れる流体の流れ方向に対して直交する方向に磁界を作る励磁コイルと、前記測定管に設けられこの測定管内を流れる流体と静電容量結合する信号電極とを備え、前記励磁コイルが作る磁界により前記測定管内を流れる流体に発生する起電力を取り出す容量式電磁流量計において、
前記信号電極より取り出される起電力がそのゲートに与えられる第１の電界効果トランジスタと、
この第１の電界効果トランジスタのソースに現れる信号がその非反転入力端に与えられる演算増幅器と、
この演算増幅器の出力端からの出力信号を当該演算増幅器の反転入力端に帰還する第１の帰還経路および前記第１の電界効果トランジスタのドレインに帰還する第２の帰還経路と、
前記第１の電界効果トランジスタのドレインに帰還される前記演算増幅器からの出力信号に電流の流れによって生成される所定の定電圧を重畳し前記第１の電界効果トランジスタのゲートとドレインの電位を交流的に同一に保持する電位保持手段と、
前記第１の電界効果トランジスタのゲートと共通電位点との間に接続された第１の抵抗と第２の抵抗との直列接続回路と、
前記第１の抵抗と第２の抵抗との接続点と前記演算増幅器の反転入力端との間に接続されたコンデンサと
を備えることを特徴とする容量式電磁流量計。
請求項１に記載された容量式電磁流量計において、
前記電位保持手段は、
前記演算増幅器の出力端にその一端が接続されその他端が前記第１の電界効果トランジスタのドレインに接続された第３の抵抗と、そのゲートが前記第３の抵抗の一端にそのソースが前記第３の抵抗の他端にそのドレインが高電位点に接続された第２の電界効果トランジスタとから構成される定電流回路である
ことを特徴とする容量式電磁流量計。
請求項１又は２に記載された容量式電磁流量計において、
前記第１の抵抗と第２の抵抗との接続点と前記演算増幅器の反転入力端との間に接続されたコンデンサに対して直列に発振防止用の抵抗が接続されている
ことを特徴とする容量式電磁流量計。