JP5293486B2 - 電磁流量計 - Google Patents

Description

本発明は、測定管内を流れる被測定流体に磁界をかけ、起電力を測定することで被測定流体の流量を測定する電磁流量計に関する。

電磁誘導を利用して導電性の流体の流量を計測する電磁流量計が工業的に広く用いられている。電磁流量計は、直交方向に磁界がかけられた測定管内に被測定流体を流し、発生した起電力を計測する。この起電力は、被測定流体の流速に比例するため、被測定流体の体積流量を得ることができる。

一般に、電磁流量計における磁界は、正負のパルス電流を励磁コイルに印加することにより生成されるが、近年では、ゼロ点を安定させるとともに、耐ノイズ性、高速応答性を高めるために高周波パルスと低周波パルスとを重畳した２周波励磁波形を励磁コイルに印加する２周波励磁方式が実用化されている。

また、起電力より得られる流量信号の取得は、励磁パルスの半周期毎に１回サンプルする方式が広く採用されていたが、励磁パルスの１周期に渡って数多くのポイントで複数サンプリングを行なう方式も行なわれている。

図５は、２周波励磁方式で得られた流量信号を複数サンプリングする電磁流量計における信号波形を示す図である。本図に示すように、励磁波形は高周波のパルスと低周波のパルスとを重畳した波形となっている。流量信号は、励磁波形と同様のパルス状となるが、立ち上がりと立ち下がりにおいて微分ノイズが発生する。

流量信号および励磁波形のサンプリングは、高周波周期の１周波に渡って高速に行なっている。そして、低周波パルスの正側に対応するサンプリング区間Ａと、低周波パルスの負側に対応するサンプリング区間Ｂをセットとして、流量の算出を行なう。

通常、正負の対応関係にある微分ノイズ１０１と微分ノイズ１０２とは、対称に生じる。このため、サンプリング区間Ａとサンプリング区間Ｂとをセットにすることにより、微分ノイズ成分が打ち消され、流量測定において微分ノイズの影響を排除することができる。

特開２００３−２１４９１９号公報

ところが、被測定流体の導電率が不安定であったり、被測定流体の温度や周辺温度が変化したり、計器に異常が発生する等によって、図６（ａ）に示すように対応する微分ノイズ１０１、微分ノイズ１０２が非対称に生じる場合がある。このような場合、微分ノイズの影響を排除できず測定結果に誤差が含まれてしまうことになる。また、導電率の変化や温度変化等により、微分ノイズの立ち上がり／立ち下がり時間が変化したり、振幅値の変化が生じた場合に、離散的なサンプリングのため、図６（ｂ）に示すように変化を検知することができない場合もある。このような場合にも、測定結果に誤差が含まれてしまうことになる。

そこで、本発明は、電磁流量計において微分ノイズが変化した場合にも計測結果の誤差を低減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電磁流量計は、第１周波数の第１交流波形を含む励磁電流を励磁コイルに印加し、測定管内を流れる被測定流体の起電力に基づく流量信号を取得して前記被測定流体の流量を計測する電磁流量計であって、前記第１交流波形の１周期に渡って複数のサンプリングポイントで前記流量信号を離散的にサンプリングして、第１サンプリングデータを取得するとともに、取得した第１サンプリングデータから、前記第１交流波形の半周期毎の後半部分のデータを抽出し、第２サンプリングデータとするサンプリング制御部と、前記第１サンプリングデータに基づいて得られる第１サンプリング流量と前記第２サンプリングデータに基づいて得られる第２サンプリング流量との比から、基準比と評価比とを算出する基準比・評価比算出部と、あらかじめ算出した前記基準比と、流量計測時に算出した評価比との差あるいは比が所定の許容範囲を超えた場合に、前記基準比を用いて流量計測時に係る第１サンプリング流量を補正する補正部とを備える。

ここで、前記励磁電流は、前記第１周波数より低い第２周波数の第２交流波形をさらに含んでおり、前記サンプリング制御部は、前記第２周波数の正側の前記第１交流波形と負側の前記第１交流波形とをセットにして前記第１サンプリングデータを取得し、前記第２サンプリングデータを抽出することができる。

より具体的には、前記補正部は、前記評価比を前記基準比で割ることにより流量計測時に係る第１サンプリング流量を補正することができる。

また、前記補正部は、あらかじめ算出した前記基準比と、流量計測時に算出した評価比との差あるいは比が所定の許容範囲を超えた状況が所定時間あるいは所定回数継続した場合に、異常の発生を通知するようにしてもよい。

本発明によれば、電磁流量計において微分ノイズが変化した場合にも計測結果の誤差を低減することができる。

本実施形態に係る電磁流量計の構成を示すブロック図である。 本実施形態の電磁流量計における信号波形を示す図である 流量信号の基準比Ａの設定手順について説明するフローチャートである。 流量測定の際の流量信号の演算について説明するフローチャートである。 ２周波励磁方式で得られた流量信号を複数サンプリングする従来の電磁流量計における信号波形を示す図である 微分ノイズが変化した様子を示す図である。

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、本実施形態に係る電磁流量計の構成を示すブロック図である。本図に示すように電磁流量計１００は、検出部１０、励磁回路２０、第１増幅回路３０、第１Ａ／Ｄ変換器４０、励磁電流検出素子５０、第２増幅回路６０、第２Ａ／Ｄ変換器７０、制御部８０を備えている。

検出部１０は、励磁コイル１１と測定管１２、電極１３を備えており、励磁コイル１１が生成する磁界、電極１３の起電力検出方向、測定管１２の流路方向は互いに直交するように構成されている。

励磁回路２０は、第１周波数の第１交流波形に相当する高周波パルスと第２周波数の第２交流波形に相当する低周波パルスとを重畳した２周波励磁波形を励磁コイル１１に出力する。ただし、本発明は、２周波励磁方式に限られず、単周波の励磁方式の電磁流量計にも適用することができる。

励磁回路２０が生成する励磁波形は、抵抗等の励磁電流検出素子５０により検出され、第２増幅回路６０によって増幅され、第２Ａ／Ｄ変換器７０によって高速サンプリング、ディジタル変換されて制御部８０に入力される。

電極１３が検出した流量信号は、第１増幅回路３０によって増幅され、第１Ａ／Ｄ変換器４０によってサンプリング、ディジタル変換されて制御部８０に入力される。

制御部８０は、ＣＰＵ、メモリ等によって構成され、本実施形態では、サンプリング制御部８１、流量算出部８２、基準比・評価比算出部８３、基準比記憶部８４、補正部８５を備えている。

サンプリング制御部８１は、第１Ａ／Ｄ変換器４０による流量信号のサンプリング処理および第２Ａ／Ｄ変換器７０による励磁波形のサンプリング処理を制御する。流量信号および励磁波形のサンプリングは、図２に示すように、高周波周期の１周波に渡って複数ポイントで高速に行なう。そして、低周波パルスの正側に対応するサンプリング区間Ａと、低周波パルスの負側に対応するサンプリング区間Ｂをセットとして取り扱う。これらを第１サンプリングと称するものとする。

本実施形態では、さらに、第１サンプリングで得られたデータから一部の区間を抽出して第２サンプリングデータを生成する。具体的には、図２に示すように、サンプリング区間Ａにおける高周波パルスの前半周期の後半部分に対応する区間Ｃにおけるサンプリングデータと、サンプリング区間Ａにおける高周波パルスの後半周期の後半部分に対応する区間Ｄにおけるサンプリングデータと、サンプリング区間Ｂにおける高周波パルスの前半周期の後半部分に対応する区間Ｅにおけるサンプリングデータと、サンプリング区間Ｂにおける高周波パルスの後半周期の後半部分に対応する区間Ｆにおけるサンプリングデータとを抽出して第２サンプリングとする。

第２サンプリングは、第１サンプリングから微分ノイズおよび立ち上がり／立ち下がりの影響の少ない区間を抽出したものである。各半周期の後半部分は、厳密に半周期の１／２とする必要はなく、微分ノイズおよび立ち上がり／立ち下がりの影響の少ない区間であれば足りる。

図１の説明に戻って、流量算出部８２は、サンプリングされた励磁波形と、流量信号とに基づいて被測定流体の体積流量を算出する。体積流量の算出アルゴリズムは従来の手法を用いることができる。

体積流量の算出には、Ｓ／Ｎ比向上の観点から、サンプリング数の多い第１サンプリングで得られたデータを用いるものとする。ただし、流量信号は、必要に応じて補正部８５によって補正された値を用いる。補正部８５による第１サンプリングで得られた流量信号の補正については後述する。

基準比・評価比算出部８３は、第１サンプリングから算出される第１サンプリング流量と第２サンプリングから算出される第２サンプリング流量との比を演算することにより基準比と評価比とを算出する。ここで、基準比は、実際の流量測定に先立ち、基準流量を測定管１２に流したときに得られる第１サンプリング流量と第２サンプリング流量との比であり、評価比は、実際の流量測定時に得られる第１サンプリング流量と第２サンプリング流量との比である。

基準比記憶部８４は、基準比・評価比算出部８３が算出した基準比を記憶する記憶領域である。

補正部８５は、評価比と基準比との差、あるいは、比が所定の許容範囲外となった場合に、流量計算に用いる第１サンプリング流量を補正する。評価比と基準比との差（比）が所定の許容範囲外になったことから、基準比を算出したときから微分ノイズが変化したと考えられる。本実施形態では、このような場合に第１サンプリング流量を補正することにより、測定結果の誤差を低減するようにしている。ここで、第１サンプリング流量の補正は、評価比を基準比で割ることにより行なう。

また、評価比と基準比との差（比）が継続的に許容範囲外になったり、乖離度が大きくなった場合には、被測定流体の温度、導電率、周辺温度等が異常値になったり、電磁流量計１００に異常が生じた状況が考えられる。ここで、電磁流量計１００の異常は、例えば、周辺温度、流体温度変化、経時劣化等による励磁回路２０、第２Ａ／Ｄ変換器７０の特性変化等である。

このため、評価比と基準比との差（比）が継続的に許容範囲外になったり、乖離度が大きくなった場合には、補正部８５が、異常の発生をユーザに通知するようにしてもよい。継続的の判断は、例えば、所定時間継続したり、所定回数継続した場合とすることができる。

次に、流量信号の基準比Ａの設定手順について図３のフローチャートを参照して説明する。基準比Ａの設定は、実際の流量測定に先立ち行なうようにする。まず、基準状態で、所定の基準量の被測定流体を測定管１２に流して得られる流量信号のＡ／Ｄ変換を行なう（Ｓ１０１）。そして、第１サンプリングデータ、すなわち、区間Ａ、区間Ｂのサンプリングデータを取得する（Ｓ１０２）。

ついで、第１サンプリングデータから第２サンプリングデータ、すなわち、区間Ｃ、区間Ｄ、区間Ｅ、区間Ｆのサンプリングデータを抽出する（Ｓ１０３）。

そして、区間Ａのサンプリングデータから区間Ｂのサンプリングデータを引くことにより、基準第１サンプリング流量Ｖｒ１を算出する（Ｓ１０４）。また、区間Ｃのサンプリングデータと区間Ｄのサンプリングデータの和から、区間Ｅのサンプリングデータと区間Ｆのサンプリングデータの和を引くことにより、基準第２サンプリング流量Ｖｒ２を算出する（Ｓ１０５）。なお、Ｖｒ１とＶｒ２の算出は、（正側）−（負側）としているが、区間Ａと区間Ｃ、Ｄのみから算出してもよい。あるいは前後のデータを使用して算出してもよい。

最後に、基準第１サンプリング流量Ｖｒ１／基準第２サンプリング流量Ｖｒ２を算出することにより基準比Ａを求め、基準比記憶部８４に格納する（Ｓ１０６）。

次に、実際の流量測定の際の、流量信号の演算について図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、被測定流体を測定管１２に流して得られる流量信号のＡ／Ｄ変換を行なう（Ｓ２０１）。そして、第１サンプリングデータ、すなわち、区間Ａ、区間Ｂのサンプリングデータを取得する（Ｓ２０２）。

ついで、第１サンプリングデータから第２サンプリングデータ、すなわち、区間Ｃ、区間Ｄ、区間Ｅ、区間Ｆのサンプリングデータを抽出する（Ｓ２０３）。

そして、区間Ａのサンプリングデータから区間Ｂのサンプリングデータを引くことにより、第１サンプリング流量Ｖｍ１を算出する（Ｓ２０４）。また、区間Ｃのサンプリングデータと区間Ｄのサンプリングデータの和から、区間Ｅのサンプリングデータと区間Ｆのサンプリングデータの和を引くことにより、第２サンプリング流量Ｖｍ２を算出する（Ｓ２０５）。

そして、第１サンプリング流量Ｖｍ１／第２サンプリング流量Ｖｍ２を算出することにより評価比Ｅｖを求める（Ｓ２０６）。

評価比Ｅｖが求まると、基準比記憶部８４に格納されている基準比Ａとの差、あるいは、比が許容範囲内であるかどうかを判定する（Ｓ２０７）。差で評価する場合には、評価比Ｅｖと基準比Ａとの差の絶対値が所定の基準値以下であるかどうかを判定し、比で評価する場合には、評価比Ｅｖと基準比Ａとの比が、所定の基準範囲内であるかどうかを判定する。なお、許容範囲については、あらかじめ適切な範囲を実験的あるいは理論的に求めておき、補正部８５に設定しておくものとする。

その結果、評価比Ｅｖの基準比Ａとの差、あるいは、比が許容範囲内であれば（Ｓ２０７：Ｙｅｓ）、第１サンプリング流量Ｖｍ１の補正は行なわず、第１サンプリング流量Ｖｍ１を用いて被測定流体の体積流量の算出を行なう。

一方、評価比Ｅｖの基準比Ａとの差、あるいは、比が許容範囲内でなければ（Ｓ２０７：Ｎｏ）、評価値Ｅｖ／基準比Ａによって第１サンプリング流量を補正する（Ｓ２０８）。そして、補正後の第１サンプリング流量Ｖｍ１'を用いて被測定流体の体積流量の算出を行なう。

なお、上述のように、評価比Ｅｖと基準比Ａとの差（比）が継続的に許容範囲外になったり、乖離度が大きくなった場合には、スパン誤差が発生するものとして、補正部８５が、異常の発生をユーザに通知するようにしてもよい。

本実施形態において、評価値Ｅｖは、周期全体のサンプリング流量と、微分ノイズ等の影響を受けない区間のサンプリング流量との比である。このため、微分ノイズ等が変化すると評価値Ｅｖが変化することになる。したがって、評価値Ｅｖと基準比Ａとの差（比）が許容範囲を超えた場合は、微分ノイズの変化が許容範囲を超えたものと考えることができる。本実施形態では、このような場合に、基準比Ａを用いて周期全体のサンプリング流量の補正を行なうことで、微分ノイズが変化した場合にも計測結果の誤差を低減するようにしている。

さらに、評価値Ｅｖと基準比Ａとの差（比）からスパン誤差の発生も検出することができるようになる。

以上説明したように、本実施形態によれば、電磁流量計において微分ノイズが変化した場合にも計測結果の誤差を低減することができる。

１０…検出部、１１…励磁コイル、１２…測定管、１３…電極、２０…励磁回路、３０…第１増幅回路、４０…第１Ａ／Ｄ変換器、５０…励磁電流検出素子、６０…第２増幅回路、７０…第２Ａ／Ｄ変換器、８０…制御部、８１…サンプリング制御部、８２…流量算出部、８３…基準比・評価比算出部、８４…基準比記憶部、８５…補正部、１００…電磁流量計

Claims (4)

1. 第１周波数の第１交流波形を含む励磁電流を励磁コイルに印加し、測定管内を流れる被測定流体の起電力に基づく流量信号を取得して前記被測定流体の流量を計測する電磁流量計であって、
   前記第１交流波形の１周期に渡って複数のサンプリングポイントで前記流量信号を離散的にサンプリングして、第１サンプリングデータを取得するとともに、取得した第１サンプリングデータから、前記第１交流波形の半周期毎の後半部分のデータを抽出し、第２サンプリングデータとするサンプリング制御部と、
   前記第１サンプリングデータに基づいて得られる第１サンプリング流量と前記第２サンプリングデータに基づいて得られる第２サンプリング流量との比から、基準比と評価比とを算出する基準比・評価比算出部と、
   あらかじめ算出した前記基準比と、流量計測時に算出した評価比との差あるいは比が所定の許容範囲を超えた場合に、前記基準比を用いて流量計測時に係る第１サンプリング流量を補正する補正部とを備えたことを特徴とする電磁流量計。
2. 請求項１に記載の電磁流量計であって、
   前記励磁電流は、前記第１周波数より低い第２周波数の第２交流波形をさらに含んでおり、
   前記サンプリング制御部は、前記第２周波数の正側の前記第１交流波形と負側の前記第１交流波形とをセットにして前記第１サンプリングデータを取得し、前記第２サンプリングデータを抽出することを特徴とする電磁流量計。
3. 請求項１または２に記載の電磁流量計であって、
   前記補正部は、前記評価比を前記基準比で割ることにより前記流量計測時に係る第１サンプリング流量を補正することを特徴とする電磁流量計。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁流量計であって、
   前記補正部は、あらかじめ算出した前記基準比と、流量計測時に算出した評価比との差あるいは比が所定の許容範囲を超えた状況が所定時間あるいは所定回数継続した場合に、異常の発生を通知することを特徴とする電磁流量計。