JP5337260B2 - コイル接地経路検出機能付き磁気流量計 - Google Patents

Description

本発明は、磁気流量計に関し、より具体的には、コイル接地経路検出機能付き磁気流量計に関する。

磁気流量計は、磁界を通過する流体の速度を検出することによって導電性流体の容積流速を測定する。磁気流量計システムは、一般的に流管アセンブリおよび送信機アセンブリを有する。流管アセンブリはプロセスパイプライン内において垂直または水平に設置され、パイプ部、コイル部および電極を有する。コイルはパイプの断面の両側に配置される。送信機からのコイル駆動電流によって駆動されるコイルはパイプの断面に沿った磁界を発生する。２本の電極はそれぞれパイプを横切り、磁界と垂直なラインに沿って配置される。パイプを通過する流体は導電性である。したがって、磁界を通過している導体の動きによって電位つまり起電力（ＥＭＦ）が流体内に誘起され、電極間をまたいで検出される。こうして、動作は、電磁誘導に係るファラデー理論に基づく。

磁気流量計における流管内のコイルは、コイル室内へのプロセス流体の漏れによる危険にさらされる。この漏れによってコイルおよび電気接地間に電気的経路を形成することがある。コイルおよび電気接地間の電気的経路は、老朽化や部品の疲労を含む他の原因からも生じることがあり得る。電気的接地経路により、コイル駆動信号の一部が電気的接地に流れるので、コイルに与えられる駆動信号は低減される。このことは、適用されるＥＭＦの低減およびこれに対応した検知電極からの出力の低減をもたらす。これは流量測定の不正確さをもたらす。

コイル駆動信号の損失は、一般的に、コイル駆動電流を測定するだけでは検出できない。コイル駆動制御回路の出力は接地への漏電のいかんに拘わらず、設定電流レベルに固定されるからである。

磁気流量計は、プロセス流体を受け入れるように配置された流管と、プロセス流体に磁界を与えるように流管近傍に配置されたコイルとを含んでいる。検出電極は与えられた磁界に応じた流管内の電圧を検知するように配置される。検知された電圧は流管内を通過するプロセス流体の流速を示す。診断回路は、コイルおよび電気的接地間の電気的経路に関連する出力を提供する。

本発明によれば、コイルおよび接地間の信号経路の抵抗を、外部回路を使うことなしに、診断回路により自動的に測定することができる。

２線式通信ループ内における磁気流量計のブロック図である。 磁気流量計用の、パルス制御された電流ドライバのブリッジを示す回路図である。 一実施例におけるコイルに接続された駆動回路を示す簡略図である。 第２実施例におけるコイルに接続された駆動回路を示す簡略図である。 コイルと接地間の抵抗測定を示す簡略図である。 本発明のステップの例を示す簡略図である。

図１において、磁気流量計システム２は、電流Ｉを搬送する２線式４−１０ｍＡ通信ループと、ＡＣ電力ライン（図示しない）とに接続される。送信機９は流管４に隣接して流体内で磁界を発生するコイル２６、２６にコイル駆動電流ＩＬを供給する。電極６、８は、流体の流れによって誘導されるＥＭＦを検知するため、流体内の磁界に垂直なラインに沿って流管４内に据え付けられる。送信機９は電極６、８間のＥＭＦを検知し、検知されたＥＭＦを代表するとともに流体流量に比例しているＤＣ出力電流を制御する。送信機９は４−２０ｍＡ電流ループを通って遠隔の受信局１１に電流Ｉを送信する。送信機９はまた、ＨＡＲＴデジタルプロトコル、フィールドバスプロトコル、無線プロトコル、または他の技術を使ってデジタル的に流量出力を送信する。

図２は送信機９内のドライバ回路１０を示す。磁気流量計システム２のＨ型ブリッジ流管ドライバは、負荷（コイル）２６に対して交流駆動電流ＩＬを発生する。Ｈ型ブリッジドライバ１０において、電源１２はトランジスタブリッジ回路１４を付勢する。ブリッジ回路１４において、負荷２６に交流を供給するため制御回路２８および３０を電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１６、ＦＥＴ１８、ＦＥＴ２０および２２のゲートに接続し、２個１組で切り替える。電源１２からのラインをＦＥＴ１６および１８のドレーン端子並びにＦＥＴ２０、２２のソース端子に接続する。ＦＥＴ１６のソース端子およびＦＥＴ２０のドレーン端子を負荷２６の一方側に接続する。制御回路２８および３０は、オンおよびオフ状態間の切り替えを行うため、ハイおよびローの論理レベル入力を、トランジスタ１６、１８、２０、２２のゲートに適合する所望の電圧バイアスレベルに変換する。

マイクロプロセッサ４０は、所望の動作周波数、一般的には検知された電流の関数である３７．５Ｈｚの制御出力ａおよびａ'を生成する。出力ａおよびａ'はそれぞれ回路２８および３０に論理レベルを提供する。マイクロプロセッサ４０は、メモリ４４、クロック４６、動作入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路４８、およびループＩ／Ｏ回路４９に接続される。メモリ４４はマイクロプロセッサ４０の動作を制御するプログラム命令を有している。マイクロプロセッサ４０は少なくともクロック４６によって決定される速度で動作し、入力／出力回路４８を通じて動作命令を受信する。入力／出力回路４９は４−２０ｍＡ電流ループを通じた出力接続を提供するために用いられる。ループ接続に代えてまたはループ接続に加えて、Ｉ／Ｏ経路４９は無線通信用として使用することができる。

一つの実施例において、電源１２はスイッチング電源である。次に述べるように、ブリッジ回路１４は負荷２６を通る電源１２からの電流を周期的に交番する、つまり電流の向きを変化させる。

第１の交番つまり第１の状態期間を通じて、信号ａはハイになり、信号ａ'はローになる。制御回路は、駆動信号ｂをハイにし、駆動信号ｂ'をローにしてトランジスタ１６および２２を導通させる一方、トランジスタ１８および２０をオフにすることにより、前記矢印で示す方向に電流Ｉ_Ｌを供給させる。同様に、第２の交番つまり導通期間を通じて、信号ａはローになり、信号ａ'はハイになる。制御回路２８および３０は信号ｂをローに駆動し、信号ｂ'をハイに駆動して、トランジスタ１８および２０をオンにする一方、トランジスタ１６および２２をオフにすることにより、前記矢印で示すのとは反対方向に電流Ｉ_Ｌを供給させる。通常の動作中、この交番は３７．５Ｈｚであり、ある場合には６Ｈｚである。しかし、他の周波数を使用することはできる。

電源１２からの電流Ｉｓは検知抵抗Ｒ_{ＳＥＮＳＥ}５２を通じて戻り経路５０に流れる。抵抗５２はまた信号接地５４に接続する。アナログ／デジタル変換器５８を検知抵抗５２に接続して、負荷（コイル）２６を流れる電流を表す出力をマイクロコンピュータ４０に供給する。Ａ／Ｄ変換器５８の出力は検知抵抗５２を通じて流れる電流Ｉｓの大きさを表わす。マイクロプロセッサ４０は次に述べるように電流Ｉｓの大きさを監視する。

図３Ａおよび３Ｂは通常動作中の電界効果トランジスタ１６〜２２の状態を示す簡略図である。トランジスタ１６〜２２はスイッチとして記載されている。図３Ａにおいて、電界効果トランジス１６および２２は閉状態であり、一方、トランジスタ１８および２０は開状態である。これによって、電源１２からの電流が、コイル２６を通じて、示されている方向に沿って流れる。これとは反対に、図３Ｂにおける電界効果トランジスタ１６および２２は開であり、一方トランジスタ１８および２０は閉位置にある。これにより、電源１２からの電流が図示した方向に流れるのを可能にする。また、プロセス接地に対応する電気的接地６１が示される。

一般的な流管では、コイル２６および電気的接地間の抵抗は実質的に無限大である。しかし、接地に対して高抵抗経路が形成される場合には、流量測定値は不正確になる可能性がある。本発明はコイル２６および電気的接地６１間の漏洩抵抗を測定する技術を提供する。この測定結果はオペレータに警告を提供するのに使用することができ、流管が修理を必要としていることの指示を提供する。抵抗はまた、消失される電流駆動信号の百分率（％）を計算するのに、および／または漏電によって引き起こされるエラーを訂正するために使用されることができる。

図４は本発明の構成の一例を示す簡略化した電気回路図であり、マイクロプロセッサ４０およびアナログ／デジタル変換器５８はコイル２６と電気的接地６１との間の接地経路抵抗７０を測定するための診断回路として動作するように構成される。図４に示したように、電界効果トランジスタ１６は閉じている。これによって電源１２からコイル２６へ電流を供給するための電気的経路が提供される。しかし、この構成では電界効果トランジスタ１８、２０および２２は開である。したがって、アナログ／デジタル変換器５８によって測定される、検知抵抗５２を通じて流れるいかなる電流も接地経路抵抗７０を通って流れる電流に関係する。接地経路の抵抗７０の値Ｒは、Ｒ＝Ｖ／Ｉによって計算することができる。ここで、Ｒは接地経路抵抗、Ｖはコイル２６の両端の電圧であり、Ｉはコイル２６を流れる電流である。その他の例による構成では、電界効果トランジスタ１６および１８は閉状態であり、トランジスタ２０および２２は開である。また別の例の構成では、電界効果トランジスタ１８だけが閉状態である。

実験によれば、電気的抵抗７０が１００キロオーム以上であれば、電気的抵抗７０は流量測定値の精度に重大な影響はない（０．０１％以下）と判定された。信号損失は、接地抵抗７０に対してコイルと並列にコイル抵抗を配置し、移動流体中に電界を生成するためのコイル２６を通過しない駆動電流の百分率を計算することによって計算することができる。コイル抵抗として、例えば、一般的には、１０オームが想定される。これにより、表１が得られる。

上の記述は検知抵抗を使用した接地経路に対するコイルの電気的抵抗測定を示したものであるが、いかなる適当な構成をも使用することができる。例えば、検知抵抗は他の場所に位置させるか、その他の電流抵抗測定技術を使用することができる。測定技術は抵抗検知および／またはアナログ／デジタル変換器に限定されない。

本発明は、コイルが、外部回路を使うことなしに、かつマイクロプロセッサ４０によって自動的に実行されて、チェックされるべき抵抗７０を接地するのを可能にする。これは、工業プロセスを遮断するか、そうでなければ磁気流量計をオフラインにするという時間のかかるプロセスを回避する。手動テストでは、またオペレータがエラーをしがちである。テストは例えば制御室から遠隔で実行されることがある。マイクロプロセッサ４０は２線式プロセス制御ループを通して行われる通信または無線もしくは無線通信技術を含むその他の技術によってテストを行うために命令することができる。このテストはバックグラウンドの処理として行うこともできる。例えば、テストは駆動電流の半サイクルの間、周期的に実行されることができる。この自動テストは、例えば、数分毎または所望のサイクルで周期的に実行されることができる。

コイルおよび接地間の信号経路の抵抗が測定されたならば、この情報は駆動信号中の合成損失による流量測定値を修正するために使用することができる。例えば、マイクロプロセッサ４０は、例えば、多項曲線適合、直線オフセット等の補正アルゴリズムを使って流量測定値を補正することができる。これは、磁気流量計を、故障した構成要素の交換または修理の前まで継続して動作させることを可能にする。さらに、接地経路の決定にあたって、流量計は、例えば、２線プロセス制御ループを通じた無線通信等でデータ送信する警報を使ってオペレータにエラーを知らせるように流量計を構成できる。

診断を実行するために使用される個別のステップは、マイクロプロセッサ４０による使用のためにメモリ４４内にプログラム命令として格納することができる。図５は本発明に従ったステップを表す簡略化したフローチャート１００である。フローチャート１００は開始ブロック１０２から始まる。ブロック１０４では電界効果トランジスタ１６〜２２が上述したように制御される。ブロック１０６では電源１２によって駆動電流が供給され、ブロック１０８で、例えばアナログ／デジタル変換器５８を使って合成電流Ｉｓが測定される。ブロック１１０では測定された電流Ｉｓが閾値と比較される。閾値は望むように設定される。例えば、閾値は漏電経路が誤って特定されるのを防止するために十分に高くすることが望まれる。電流Ｉｓが閾値未満であった場合、運転はなんら誤りを特定することなく継続される。しかし、検知された電流が閾値以上であったならば、ブロック１１２において警告出力を提供することができる。さらに、もしくはこれに代えて、ブロック１１４では、接地経路を通って漏洩している電流の大きさに基づいて流量測定値を補正することができ、ブロック１１６では、補正された流量測定値が出力される。ブロック１１０に示したように閾値と比較するのに加え、一定の期間にわたる漏洩電流の動向や、漏洩電流の急激な変化、もしくはその他の技術等の監視を含むその他の診断技術を使用することができる。さらに、出力１１２は、漏洩電流値、接地経路の抵抗、修理を必要とするまでの推定残寿命、漏洩電流による流量測定値中の百分率誤差等の付加的情報を含むことができる。

本発明を好ましい実施例を参照して記述したが、本発明の精神および範囲から離れることがない外形や詳細の変更を当業者は認識するであろう。個別の測定回路および駆動回路は必要に応じて選択することができる。その他のタイプの診断回路およびアルゴリズムを適用することができる。回路は、自動的に、もしくは記録された命令に従って動作するように構成することができる。

６，８…電極、 １２…電源、 １６，１８，２０，２２…電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、 ２６…負荷、 ２８，３０…制御回路、 ４０…マイクロプロセッサ、 ５８…アナログ／デジタル変換器

Claims (10)

1. プロセス流体の流れを受け入れるために配置された流管と、
   前記流管に隣接して前記プロセス流体に磁界を作用させるために配置されたコイルと、
   前記コイルに電流を供給するように構成されたＨ型ブリッジを備えている電源と、
   作用された磁界に応じた流管中の電位差であって、前記流管を通過するプロセス流体の流速を示す電位差を検知するために配置された検知電極と、
   前記コイルおよび電気的接地間の電気的経路を示す出力を有する診断回路とを備え、
   前記診断回路が、前記Ｈ型ブリッジのスイッチの動作を制御する磁気流量計。
2. 前記診断回路が、前記コイルからの電流戻り経路の電気的接続部を開く請求項１記載の磁気流量計。
3. 前記診断回路が、電源および前記コイル間の電気的接続部を閉じる請求項１記載の磁気流量計。
4. 前記診断回路が、受信命令に応答して動作する請求項１記載の磁気流量計。
5. 前記診断回路が、前記コイルおよび接地間の電気抵抗を周期的に測定する請求項１記載の磁気流量計。
6. 前記診断回路が、前記コイルに与えられる駆動信号の半サイクルの間、前記コイルおよび接地間の電気抵抗を測定する請求項１記載の磁気流量計。
7. 前記診断回路が、検知抵抗を通る電流を測定する請求項１記載の磁気流量計。
8. 前記診断回路が、前記コイルおよび接地間の電気抵抗に関連する測定値を比較し、測定値を閾値と比較する請求項１記載の磁気流量計。
9. 前記診断回路が、前記コイルおよび電気的接地間の電気抵抗に基づいて流量測定値を補正する請求項１記載の磁気流量計。
10. 前記診断回路からの出力が２線プロセスループに接続される請求項１記載の磁気流量計。