JP5444086B2

JP5444086B2 - 電磁流量計

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Publication number: JP5444086B2
Application number: JP2010079353A
Authority: JP
Inventors: 一郎光武; 正則大平
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: US20110239778A1; JP2011209231A; US8739636B2; CN102243087B; EP2372317A1; CN102243087A

Description

この発明は、各種プロセス系において導電性を有する流体の流量を測定する電磁流量計に関し、特に励磁コイルへ無励磁期間を挟んで正方向および負方向への励磁電流を交互に供給して流体の流量を測定する電磁流量計に関するものである。

従来より、この種の電磁流量計として、電池駆動形の電磁流量計がある（以下、電池式電磁流量計と称す）。電池式電磁流量計は、商用電源によって電源が供給される代わりに、内部に電池を搭載して、その電池を電源として励磁回路を駆動するとともに、測定管内に対向して設置された一対の電極間に得られる信号起電力より流量測定信号を生成する流量測定回路を駆動する。

図６に従来の電池式電磁流量計の要部を示す（例えば、特許文献１，２参照）。同図において、１は測定管、２は測定管１内を流れる流体の流れ方向に対してその磁界の発生方向を垂直として配置された励磁コイル、３は励磁コイル２へ無励磁期間を挾んで正方向および負方向への励磁電流Ｉｅｘ（図７参照）を交互に供給し無励磁期間の前後に正励磁期間および負励磁期間を設ける励磁回路、４ａ，４ｂは測定管１内を流れる流体の流れ方向および励磁コイル２の発生磁界の方向と直交して測定管１内に対向して配置された一対の検出電極、５は接地電極、６は検出電極４ａ，４ｂ間に得られる信号起電力を検出し、この検出される信号起電力に基づいて測定管１内を流れる流体の流量に応じて周波数が変わるデューティ比のパルス信号を流量測定信号として出力する流量測定回路、７は内蔵電池である。励磁回路３および流量測定回路６には内蔵電池７からの電源電圧ＶＢが供給される。

この電池式電磁流量計において、励磁回路３は、励磁電流方向切替回路３−１や励磁電流値調整回路３−２などを備えている。励磁電流方向切替回路３−１は、流量測定回路６からの指示を受けて、励磁コイル２への励磁電流Ｉｅｘの方向を無励磁期間を挟んで正方向および負方向へ交互に切り替える。励磁電流値調整回路３−２は、流量測定回路６からの指示を受けて、励磁コイル２への励磁電流Ｉｅｘの値を調整する。流量測定回路６はＣＰＵ６−１を備えている。このＣＰＵ６−１から励磁電流方向切替回路３−１や励磁電流値調整回路３−２へ指示が出される。また、ＣＰＵ６−１によって、検出電極４ａ，４ｂ間に得られる信号起電力に基づく流量の算出が行われる。

この電池式電磁流量計では、動作電源を内蔵電池７に依存しており、内蔵電池７が消耗すれば新しい電池に交換しなければならない。このため、電池交換の周期を延ばすことが求められ、励磁コイル２への励磁電流Ｉｅｘの供給に際して、正励磁期間と負励磁期間との間に無励磁期間を設けることによって、電力消費の削減を図っている。以下、この正励磁期間と負励磁期間との間に無励磁期間を設ける方式、すなわち無励磁期間の前後に正励磁期間および負励磁期間を設ける方式を３値励磁と呼ぶ。

特許文献３には、このような３値励磁の電磁流量計において、測定管の中が空になったり、電極に絶縁性の異物が付着した場合などに生じる異常を検知できるようにした電磁流量計が示されており、正励磁期間から無励磁期間への移行開始から所定期間が経過するまでの無励磁期間を第１の期間、負励磁期間から無励磁期間への移行開始から所定期間が経過するまでの無励磁期間を第２の期間とし、第１の期間における電極間の電圧差を求め、第２の期間における電極間の電圧差を求め、この第１の期間における電極間の電圧差と第２の期間における電極間の電圧差との差を演算し、この差が所定の基準値を超えたときに異常と判定するようにしている。

すなわち、特許文献３に示された電磁流量計では、励磁期間の切り替わり時に微分ノイズが発生し、測定管の中が空になったような場合、励磁コイルと電極との間に形成される浮遊容量により、その発生する微分ノイズが大きくなる。この微分ノイズを正励磁期間から無励磁期間への移行時の第１の期間における電極間の電圧差として検出し、また負励磁期間から無励磁期間への移行時の第２の期間における電極間の電圧差として検出し、この検出した電極間の電圧差に基づいて異常判定を行う。なお、第１の期間において電極間に発生する微分ノイズと第２の期間において電極間に発生する微分ノイズは極性が逆なので、第１の期間における電極間の電圧差と第２の期間における電極間の電圧差との差を求めることによって、電極間に発生する微分ノイズは２倍の大きさとして検出される。

特開平９−１２６８４８号公報特開２００１−２８１０２９号公報特開平３−１４４３１４号公報

しかしながら、特許文献３に示された３値励磁の電磁流量計では、電極間の電圧差に基づいて異常を判定するようにしているので、すなわち図６に示した例で言えば、検出電極４ａに生じる電圧と検出電極４ｂに生じる電圧との差に基づいて異常を判定するようにしているので、微分ノイズを小さな値としてしか検出することができず、異常判定の信頼性が低いという問題があった

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、微分ノイズを大きな値として検出し、異常判定の信頼性を高めることができる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その磁界の発生方向を垂直として配置された励磁コイルと、この励磁コイルへ無励磁期間を挟んで正方向および負方向への励磁電流を交互に供給し無励磁期間の前後に正励磁期間および負励磁期間を設ける励磁回路と、測定管内を流れる流体の流れ方向および励磁コイルの発生磁界の方向と直交して測定管内に対向して配置された第１および第２の電極と、この第１および第２の電極間に得られる信号起電力に基づいて測定管内を流れる流体の流量に応じた信号を流量測定信号として出力する流量測定回路とを備えた電磁流量計において、正励磁期間から無励磁期間への移行開始から所定期間が経過するまでの無励磁期間を第１の期間、負励磁期間から無励磁期間への移行開始から所定期間が経過するまでの無励磁期間を第２の期間とし、第１および第２の期間毎にその時の第１の電極に生じる電圧と第２の電極に生じる電圧との和を電極間の電圧和として求める電極間電圧和算出手段と、この電極間電圧和算出手段によって求められた第１および第２の期間毎の電極間の電圧和に基づいて電磁流量計の異常を判定する異常判定手段とを設けたものである。

この発明によれば、第１および第２の期間毎にその時の第１の電極に生じる電圧と第２の電極に生じる電圧との和が電極間の電圧和として求められ、この求められた第１および第２の期間毎の電極間の電圧和に基づいて電磁流量計の異常が判定される。この場合、第１の電極に生じる電圧と第２の電極に生じる電圧との和をとることで、第１の電極に生じた微分ノイズと第２の電極に生じた微分ノイズとが加算され、微分ノイズが大きな値として検出されるものとなる。

なお、本発明において、第１の電極に生じる電圧と第２の電極に生じる電圧との和を電極間の電圧和として求めると、励磁コイルと電極との間に形成される浮遊容量により生じる微分ノイズ（以下、信号ノイズと呼ぶ）の成分だけではなく、商用ノイズや電極そのものに流れる１／ｆノイズなどによって生じるノイズ（以下、雑音ノイズと呼ぶ）の成分も大きな値となる。このような雑音ノイズが問題となる場合、電極間の電圧和から所定の周波数成分のみを抽出することによって、雑音ノイズとなる周波数成分を除去するようにしてもよい。

本発明によれば、正励磁期間から無励磁期間への移行開始から所定期間が経過するまでの無励磁期間を第１の期間、負励磁期間から無励磁期間への移行開始から所定期間が経過するまでの無励磁期間を第２の期間とし、第１および第２の期間毎にその時の第１の電極に生じる電圧と第２の電極に生じる電圧との和を電極間の電圧和として求め、この求めた第１および第２の期間毎の電極間の電圧和に基づいて異常を判定するようにしたので、微分ノイズを大きな値として検出し、異常判定の信頼性を高めることができるようになる。

本発明に係る電磁流量計の一実施の形態の要部を示す図である。この電磁流量計における異常検出回路のブロック図である。この電磁流量計における微分ノイズの発生状況を例示するタイムチャートである。この電磁流量計における電極間の電圧和の周波数スペクトラムの解析結果を示す図である。この電磁流量計において測定管内の流体を排水→空にしたときのサンプルホールド信号とコンパレータ出力の関係を示す図である。従来の電池式電磁流量計の要部を示す図である。無励磁期間を挟んで正方向および逆方向へ供給される励磁電流を示す図である。

以下、本発明を実施の形態に基づき詳細に説明する。
図１はこの発明に係る電磁流量計の一実施の形態の要部を示す図である。同図において、図６と同一符号は図６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。

この実施の形態では、電磁流量計内に異常検出回路８を設け、検出電極４ａに生じる電圧Ｖａおよび検出電極４ｂに生じる電圧Ｖｂを異常検出回路８へ与えるようにしている。

図２に異常検出回路８のブロック図を示す。異常検出回路８は、バンドパスフィルタ８−１，８−２、加算回路８−３、増幅回路８−４、周波数成分抽出フィルタ８−５、直流信号変換回路８−６、ローパスフィルタ８−７、増幅回路８−８および異常判定回路８−９を備えている。

図３にこの電磁流量計における微分ノイズの発生状況を例示する。図３（ａ）は励磁電流Ｉｅｘである。励磁電流Ｉｅｘは、無励磁期間を挟んで正方向および負方向へ交互に切り替えて、励磁コイル２に供給される。これにより、無励磁期間の前後に正励磁期間および負励磁期間が設けられる。図３（ｂ）は検出電極４ａに生じる微分ノイズであり、図３（ｃ）は検出電極４ｂに生じる微分ノイズであり、励磁期間の切り替わり時に発生する。

以下、異常検出回路８内の各回路の機能を交えながら、その動作について説明する。
異常検出回路８において、バンドパスフィルタ８−１は、検出電極４ａに生じる電圧Ｖａを入力とし、正励磁期間から無励磁期間への移行開始から所定期間が経過するまでの無励磁期間を第１の期間Ｔ１、負励磁期間から無励磁期間への移行開始から所定期間が経過するまでの無励磁期間を第２の期間Ｔ２とし、この第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２における入力電圧Ｖａを通過させ、後段の加算回路８−３へ送る。

バンドパスフィルタ８−２は、検出電極４ｂに生じる電圧Ｖｂを入力とし、正励磁期間から無励磁期間への移行開始から所定期間が経過するまでの無励磁期間を第１の期間Ｔ１、負励磁期間から無励磁期間への移行開始から所定期間が経過するまでの無励磁期間を第２の期間Ｔ２とし、この第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２における入力電圧Ｖｂを通過させ、後段の加算回路８−３へ送る。

加算回路８−３は、バンドパスフィルタ８−１からの入力電圧Ｖａとバンドパスフィルタ８−２からの入力電圧Ｖｂとを加算し（Ｖａ＋Ｖｂ）、その絶対値（｜Ｖａ＋Ｖｂ｜）を検出電極４ａ，４ｂ間の電圧和（電極間電圧和）Ｖａｂとして増幅回路８−４へ送る。増幅回路８−４は、加算回路８−３からの電極間電圧和Ｖａｂを増幅し、周波数成分抽出フィルタ８−５へ送る。

周波数成分抽出フィルタ８−５は、増幅回路８−４によって増幅された加算回路８−３からの電極間電圧和Ｖａｂを入力とし、この電極間電圧和Ｖａｂから所定の周波数成分のみを抽出し、直流信号変換回路８−６へ送る。

〔周波数成分抽出フィルタでの所定の周波数成分の抽出〕
例えば、測定管１の中が空になった場合、励磁コイル２と検出電極４ａおよび４ｂとの間に形成される浮遊容量により、検出電極４ａおよび４ｂに生じる微分ノイズが大きくなる。これにより、第１の期間Ｔ１においては、バンドパスフィルタ８−１からの入力電圧Ｖａおよびバンドパスフィルタ８−２からの入力電圧Ｖｂが共に負方向へ大きくなり、この入力電圧ＶａとＶｂとを加算して得られる電極間電圧和Ｖａｂも大きくなる。また、第２の期間Ｔ２においては、バンドパスフィルタ８−１からの入力電圧Ｖａおよびバンドパスフィルタ８−２からの入力電圧Ｖｂが共に正方向へ大きくなり、この入力電圧ＶａとＶｂとを加算して得られる電極間電圧和Ｖａｂも大きくなる。

この場合、電極間電圧和Ｖａｂは、励磁コイル２と検出電極４ａおよび４ｂとの間に形成される浮遊容量により生じる微分ノイズ（信号ノイズ）の成分だけではなく、商用ノイズや電極そのものに流れる１／ｆノイズなどによって生じるノイズ（雑音ノイズ）の成分も大きな値となる。

本実施の形態では、このような雑音ノイズとなる周波数成分を除去するために、周波数成分抽出フィルタ８−５において、電極間電圧和Ｖａｂから所定の周波数成分のみを抽出するようにしている。具体的には、５Ｈｚ超〜５０Ｈｚ未満の周波数成分のみを抽出する。

図４に電極間電圧和Ｖａｂの周波数スペクトラムの解析結果を示す。図４（ａ）において、ｆｅｘは励磁周波数であり、電極間電圧和Ｖａｂはｆｅｘ、３ｆｅｘ、５ｆｅｘ、７ｆｅｘ、９ｆｅｘ、１０ｆｅｘ、１１ｆｅｘの信号ノイズを含む。但し、検出電極４ａ，４ｂには、満水時または空時に、図４（ｂ）に示すような周波数成分（５Ｈｚ以下の１／ｆノイズ、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのノイズ）を持つ雑音ノイズが重畳してくる。そこで、周波数成分抽出フィルタ８−５において、５Ｈｚ超〜５０Ｈｚ未満の周波数成分のみを抽出することにより、雑音ノイズとなる周波数成分を除去する。

直流信号変換回路８−６は、周波数成分抽出フィルタ８−５によって抽出された第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２毎の所定の周波数成分の電圧和について、その期間中の電圧和が所定値よりも高い部分のみをサンプリングし、このサンプリングした電圧和の積算値に応じた値の直流信号に変換する。この場合、直流信号変換回路８−６は、サンプルホールド回路として構成される。

なお、直流信号変換回路８−６として、周波数成分抽出フィルタ８−５によって抽出された第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２毎の所定の周波数成分の電圧和について、その期間中の電圧和の最大値をピーク値として保持し、この保持した電圧和のピーク値に応じた値の直流信号に変換するピークホールド回路を用いるようにしてもよい。

直流信号変換回路８−６によって変換された直流信号は、ローパスフィルタ８−７を介し、増幅回路８−８で増幅されて、異常判定回路８−９へ与えられる。ローパスフィルタ８−７は、所定の周波数以下の信号のみを通過させることにより、直流信号変換回路８−６からの直流信号に含まれるノイズ成分を取り除く。

異常判定回路８−９は、送られてくる直流信号の値と所定の基準値とを比較し、直流信号の値が基準値を超えた場合に異常検知信号を出力する。

このようにして、本実施の形態では、検出電極４ａに生じる電圧Ｖａと検出電極４ｂに生じる電圧との和を電極間電圧和Ｖａｂとして求め、この電極間電圧和Ｖａｂに基づいて異常を判定するようにしているので、微分ノイズを大きな値として検出し、異常判定の信頼性を高めることができるようになる。

図５に測定管１内の流体を排水→空にしたときの異常判定回路８−９に与えられる直流信号（サンプルホールド信号）と異常判定回路８−９からの異常検知信号（コンパレータ出力）の関係を例示する。この例では、排水完了後１０秒程度で、測定管１内が空になったことを検知することができている。

なお、上述した実施の形態では、異常検出回路８の構成要素として周波数成分抽出フィルタ８−５を設けるようにしたが、必ずしも周波数成分抽出フィルタ８−５を設けなくてもよく、ローパスフィルタ８−７や増幅回路８−４，８−８を省略した構成としたりしてもよい。

また、上述した実施の形態では、バンドパスフィルタ８−１と８−２を加算回路８−３の前段に入れていたが、代わりに加算回路８−３の後段に１つのバンドパスフィルタを入れてもよい。

また、上述した実施の形態において、第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２は、信号ノイズの発生が予想される期間よりも長ければよく、無励磁期間が終了するまでの全期間としてもよい。

また、上述した実施の形態では、第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２毎に電極間電圧和Ｖａｂを求め、この求めた第１の期間Ｔ１および第２の期間Ｔ２毎の電極間電圧和Ｖａｂより得られる直流信号の値と基準値とを比較して異常判定を行うようにしたが、第１の期間Ｔ１で求められた電極間電圧和Ｖａｂと第２の期間Ｔ２で求められた電極間電圧和Ｖａｂとを加算し、この電極間電圧和の加算値より得られる直流信号の値と基準値とを比較して異常判定を行うようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、流量測定回路６とは別個に設けた異常検出回路８で測定管１の中が空になったり、検出電極４ａ，４ｂに絶縁性の異物が付着した場合などに生じる異常を検知するものとしたが、流量測定回路６内のＣＰＵ６−１のプログラムに従う処理動作として、同様の機能を得るようにしてもよい。

本発明の電磁流量計は、導電性を有する流体の流量を測定する電磁流量計として、各種プロセス系において利用することが可能である。

１…測定管、２…励磁コイル、３…励磁回路、３−１…励磁電流方向切替回路、３−２…励磁電流値調整回路、４ａ，４ｂ…検出電極、５…接地電極、６…流量測定回路、６−１…ＣＰＵ、７…内蔵電池、８…異常検出回路、８−１，８−２…バンドパスフィルタ、８−３…加算回路、８−４…増幅回路、８−５…周波数成分抽出フィルタ、８−６…直流信号変換回路、８−７…ローパスフィルタ、８−８…増幅回路、８−９…異常判定回路。

Claims

測定管内を流れる流体の流れ方向に対してその磁界の発生方向を垂直として配置された励磁コイルと、この励磁コイルへ無励磁期間を挟んで正方向および負方向への励磁電流を交互に供給し前記無励磁期間の前後に正励磁期間および負励磁期間を設ける励磁回路と、前記測定管内を流れる流体の流れ方向および前記励磁コイルの発生磁界の方向と直交して前記測定管内に対向して配置された第１および第２の電極と、この第１および第２の電極間に得られる信号起電力に基づいて前記測定管内を流れる流体の流量に応じた信号を流量測定信号として出力する流量測定回路とを備えた電磁流量計において、
前記正励磁期間から前記無励磁期間への移行開始から所定期間が経過するまでの無励磁期間を第１の期間、前記負励磁期間から前記無励磁期間への移行開始から所定期間が経過するまでの無励磁期間を第２の期間とし、前記第１および第２の期間毎にその時の前記第１の電極に生じる電圧と前記第２の電極に生じる電圧との和を電極間の電圧和として求める電極間電圧和算出手段と、
この電極間電圧和算出手段によって求められた前記第１および第２の期間毎の前記電極間の電圧和に基づいて前記電磁流量計の異常を判定する異常判定手段と
を備えることを特徴とする電磁流量計。
請求項１に記載された電磁流量計において、
前記電極間電圧和算出手段によって求められた前記第１および第２の期間毎の前記電極間の電圧和から所定の周波数成分のみを抽出する周波数成分抽出手段を備え、
前記異常判定手段は、
前記周波数成分抽出手段によって抽出された前記第１および第２の期間毎の前記電極間の所定の周波数成分の電圧和に基づいて前記電磁流量計の異常を判定する
ことを特徴とする電磁流量計。
請求項２に記載された電磁流量計において、
前記周波数成分抽出手段によって抽出された前記第１および第２の期間毎の前記電極間の所定の周波数成分の電圧和について、その期間中の電圧和が所定値よりも高い部分のみをサンプリングし、このサンプリングした電圧和の積算値に応じた値の直流信号に変換する直流信号変換手段を備え、
前記異常判定手段は、
前記直流信号変換手段によって変換された直流信号の値と所定の基準値とを比較し、直流信号の値が基準値を超えた場合に異常信号を出力する
ことを特徴とする電磁流量計。
請求項２に記載された電磁流量計において、
前記周波数成分抽出手段によって抽出された前記第１および第２の期間毎の前記電極間の所定の周波数成分の電圧和について、その期間中の電圧和の最大値をピーク値として保持し、この保持した電圧和のピーク値に応じた値の直流信号に変換する直流信号変換手段を備え、
前記異常判定手段は、
前記直流信号変換手段によって変換された直流信号の値と所定の基準値とを比較し、直流信号の値が基準値を超えた場合に異常信号を出力する
ことを特徴とする電磁流量計。
請求項３又は４に記載された電磁流量計において、
前記直流信号変換手段と前記異常判定回路との間に所定の周波数以下の信号を通過させるローパスフィルタが設けられている
ことを特徴とする電磁流量計。