JP5575469B2 - 磁気流量計の低減されたノイズ感度 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、工業用プロセスプラント内を流動する液体を感知する磁気流量計に関する。具体的には、本発明は、そのような磁気流量計の電極によって検出されるノイズに関する。

発明の背景
磁気流量計は、電磁石及び電極を通り過ぎて流動する液体を運ぶ、電気的に絶縁された流管を使用する。電極は、流管の中で保持され、流動する流体と電気的に接触する。電極は起電力（ＥＭＦ）を感知し、これはファラデーの電磁誘導の法則に従って液体中で磁気的に誘導され、流体の流量に比例する。

この流動ＥＭＦとともに、磁気流管の電極から、望ましくないノイズが受信されることがよくある。この電気ノイズは、流動する液体に関連する望ましくない動作条件、たとえば、液体の乏しい接地接続、流動する流体中の過剰な電気抵抗、電極に衝突する液体中の粒子、液体中で進行中の粒子溶解、液体中で進行中の化学反応、混入した気泡等を示す。

液体中で生じるこの「電極ノイズ」は、トランスミッタの流量出力における測定の不安定性又は変動性を引き起こす可能性がある。

発明の概要
プロセス流体の流動を測定するための磁気流量計は、プロセス流体に磁場を加えるように構成されたコイルを含む。電極は、加えられた磁場及び流体流動に関する流体電圧信号を感知するように配設される。アナログ・ディジタル変換器は、感知された流体電圧信号に関する複数のディジタルサンプルを含むディジタル出力を供給する。計算回路は、ディジタル化されたサンプルを受信し、流動に関する出力を応答的に供給する。

詳細な説明
非線形フィルタに従って、流体電圧信号の一部を反転させること、及び／又は流体電圧信号をフィルタリングすることにより、ノイズに対する感度が低減する磁気流量計及び方法が提供される。

図１には、磁気流量計１０２のための一般的な環境が、１００で図示されている。図１では、磁気流量計１０２はプロセス配管１０４に結合されて示され、プロセス配管もまた制御弁１０６に結合されている。磁気流量計１０２は、プロセス変数トランスミッタの一つのタイプの一例であり、スラリー、液体、化学物質の蒸気および気体、パルプ、石油、気体、薬剤、食品等のプロセスプラント内及び他の流体処理プラント内の流体に関連する一つ以上のプロセス変数を監視するように構成することができる。磁気流量計では、監視されるプロセス変数は、流管１０８を通るプロセス流体の速度に関する。磁気流量計１０２の出力は、通信バス１１２を介した、制御部又はインジケータへの長距離にわたる伝送用に構成される。一般的な処理プラントでは、通信バス１１２は、制御部、たとえばシステム制御部／モニタ１１０への４−２０ｍＡ電流ループ、フィールドバス接続、パルス出力／周波数出力、ＨＡＲＴプロトコル通信イーサネット又は光ファイバ接続にすることができる。システム制御部１１０は、プロセスモニタとして人間のオペレータに流動情報を表示するか、又はプロセス制御部として制御弁１０６を用いて通信バス１１２を通じてプロセスを制御するようにプログラムされる。

図２には、磁気流量計１０２の部分断面図が概略的に示されている。流量計１０２は、流管１０８に接続された電子ハウジング１２０を含む。流管１０８は、電磁コイル１２２を含み、これを用いて、流管１０８を通って流れる流体に磁場を誘起する。流管１０８内の電極１２４は、流動の速度及び加えられた磁場によって流体内に生成されるＥＭＦを感知するＥＭＦセンサを備え、電極はノイズにも敏感である。電子ハウジング１２０内のコイル駆動回路１３０（図３に示す）は、電磁コイル１２２に駆動信号を提供し、電極１２４は、ＥＭＦ信号増幅器１３２（同様に図３に示す）に、ＥＭＦ出力１３４を提供する。

図３には、流管アセンブリ１０８を通る導電性プロセス流体の流動を測定するための磁気流量計１０２の一つの実施形態を、ブロック図で示す。コイル１２２は、コイル駆動部１３０から加えられた駆動電流に応じて、流体流動に外部磁場を加えるように構成される。ＥＭＦセンサ（電極）１２４は、流体流動に電気的に結合し、加えられた磁場、流体速度、及びノイズのために流体流動中に生成されるＥＭＦに関して、増幅器１３２にＥＭＦ信号出力１３４を供給する。アナログ・ディジタル変換器１４２は、マイクロプロセッサシステム１４８に、ディジタル化されたＥＭＦ信号を供給する。信号処理部１５０は、ＥＭＦ出力１３４に結合する流量計電子機器１４０のマイクロプロセッサシステム１４８によって実行され、流体速度に関する出力１５２を供給する。

マイクロプロセッサシステム１４８は、ファラデーの法則で先に述べたような、ＥＭＦ出力１３４と流体速度との間の関係に従って、流管１０８を通る速度を計算し、以下のように表される。

ここで、ＥはＥＭＦ出力１３４に関する信号出力１５２であることができ、Ｖは流体の速度であり、Ｄは流管１０８の直径であり、Ｂは流体内の磁場の強さである。ｋは比例定数である。マイクロプロセッサシステム１４８は、速度を用いて、既知の技術に従って、プロセス流体の流動を計算する。マイクロプロセッサシステム１４８に結合されたディジタル・アナログ変換器１５８は、通信バス１０６に結合するためのアナログトランスミッタ出力１６０を生成する。ディジタル通信回路１６２は、ディジタルトランスミッタ出力１６４を生成する。アナログ出力１６０及びディジタル出力１６４は、プロセス制御部又はモニタに所望のように結合されることができる。

上述のように、磁気流量計１０２は、導電性流体中に誘導されるＥＭＦ信号を用いて流動を測定する。このＥＭＦ信号は、比較的低レベルであり、通常は非常に高レベルなプロセスノイズに組み込まれている。信号対ノイズの比率を改善するため、流量計のコイルは通常は非常に高レベルで、たとえば数百ミリアンペアの電流で、ノイズに比して測定可能である電極電圧を発生させるのに十分な大きさの磁場を生成するために駆動される。加えて、磁気コイルの時間定数が大きいために、コイルは比較的低周波で駆動される。これらの低周波では、１／ｆノイズが著名である。

図４は、コイルタイマ信号、電極電圧及びコイル電流対時間、たとえば流量計のグラフである。一般的に、パルスＤＣ磁気流量計は、流管のコイルに矩形波を与える。電圧は、コイルに対して９０度に位置付けられた電極から読み取られる。この電圧は、流管内の導電性液体の流動に比例する。一般的には、電極電圧は、矩形波のそれぞれ半分の最後２０％を取り出して、２つの半サイクル間の相違を計算することによって測定される。各半サイクルの第一の部分は、渦電流及びヌルイングスパイク（nulling spikes）等の影響のために無視され、コイルの時間定数のためにコイル電流が安定することが可能になる。

ロックイン増幅器を用いて、非常に小さなＡＣ信号を検出して測定することができる。これらは、ＡＣ信号のＲＭＳ値に比例するＤＣ出力を供給する。ロックイン増幅器は、基準信号を用いて入力信号を同期的に復調する。これらは、入力信号のものと同じ周波数及び位相の基準信号を必要とする。これは通常、基準信号と同じソースからの入力信号を変調することによって達成される。ロックイン増幅器は、入力周波数のあらゆる変化をトラッキングするが、これは基準回路が信号に対してロックされているためである。

図５は、ミキサ２０４に信号を供給するＡＣゲイン増幅器２０２を含むロックイン増幅器２００の一例の図である。また、ミキサ２０４は、基準信号を受信して、ローパスフィルタ２０６に出力を供給する。ＤＣゲイン増幅器２０８は、ローパスフィルタ２０６からの出力を増幅する。ＤＣレベルは、基準信号と同相である入力信号のＲＭＳ値を表す。ロックイン増幅器がトラッキングする性質であるため、きわめて小さな帯域幅を用いて、信号対ノイズの比率を改善することができる。これにより、ロックイン増幅器は、１００ｄＢを超える実効「Ｑ」値を与えることができる。一方、標準的なバンドパスフィルタでは、５０よりも大きい「Ｑ」値を得ることは困難である。結果として、基準周波数とは異なる周波数及び位相のノイズ信号は阻止され、測定には影響しない。小さな信号がより大きなノイズ源によって不明瞭になったときであっても、正確な測定を行うことができる。

図５のいくつか又は全ての構成要素は、ディジタル信号処理部及びアナログ・ディジタル変換器等を用いて、ソフトウェアによって実行することができる。平均的なフィルタを、たとえば１コイルサイクルの周期で用いて、入力がＤＣ結合された場合に振動を防止することができる。ソフトウェアで実行することにより、ロックイン増幅器をハードウェアで実行することを上回る多くの利点が提供され、向上した構成可能性及びより高度なフィルタリング機能を含む。

図６は、ディジタル信号処理部２２０によって実行されるロックイン増幅器のブロック図である。この構成では、アナログ・ディジタル変換器２２２は、アナログ・ディジタル変換器２２４からのコイル駆動信号のディジタル化された信号とともに、ディジタル信号処理部２２０に、ディジタル化された信号を供給する。ディジタル信号処理部では、ミキサ２２６は、ローパスフィルタ２２８及び回路２３０とともに実行され、情報を流動速度に変換する。そのような構成では、コイル周波数の各半周期の後方２０％のみをミキシングすることが比較的確実である。これにより、回路が、既存の流管とともに用いられるアナログ回路に使用可能である較正定数を用いることが可能になる。切換コイル電流の過渡効果、たとえばヌルイングスパイク（nulling spikes）、渦電流等は、無視することができる。ローパスフィルタ２２８は、顧客によって、又は減衰時定数に基づいて特定の用途のための他の手段によって調製し、信号対ノイズの比率を改善することができる。一方、ハードウェアローパスフィルタは、通常は既定の伝達係数を有する。

図７は、本発明を実行するソフトウェアのフローチャート３００を示す、簡略化されたブロック図である。ブロック３０２では、電極信号の半周期が取得され、ブロック３０４では、半サイクルの後方２０％は、メモリバッファに保存される。波形の任意の部分を用いることができ、本発明は２０％に限定されないことに留意されたい。ソフトウェアミキサ３０６は、ソフトウェアで実行され、ブロック３０８でコイル相が高いかを調べることを含む。位相が高い場合、制御はブロック３１０に移される。一方、コイル相が高くない場合、制御はブロック３１２に移され、ここでバッファリングされた信号が反転され、制御はその後ブロック３１０に移される。ブロック３１０では、１コイル周期にわたって平均化フィルタが適用される。次に、ブロック３１４で、任意の非線形フィルタが信号に適用される。ブロック３１６でローパス減衰フィルタが適用されて、ブロック３１８に移され、ここで、２０％フィルタリングされたバッファの平均が求められる。そして、このデータは、ブロック３２０で、上述の技術を用いて流動測定値に変換され、ブロック３２２で出力が供給される。

図８は、別の例の実施形態のフローチャート３５０である。図７の要素に類似している図８の要素は、その番号付けを維持している。図８では、ブロック３０２で、電極信号の半周期を取得した後、いくつかの付加的な機能性が挿入される。具体的には、ブロック３５４では、半サイクルの後方２０％を取得して、バッファに情報を保存した後、この情報はブロック３５６で、１コイル周期にわたってデータを平均化して流動信号を除去する平均化フィルタに供給される。ブロック３５８では、このフィルタリングされた信号は、元データから減じられて、低周波ノイズを除去する。

上述のソフトウェアロックイン増幅器構成は、信号処理における多くの利点を提供する。フィルタの伝達係数は、周波数がコイル周波数から離れると、かなり急激に低下する。好ましくは、１／ｆノイズを取り除くために、コイル周波数は、できる限り高くするべきである。本構成は、基準周波数外の線形信号を著しく低減させる。しかし、たとえば電極の衝突によって引き起こされる非線形ノイズは、依然として流動データに大きなスパイクを引き起こす可能性がある。そのようなスパイクを除去または低減するために、非線形フィルタ３１０、たとえばメジアンフィルタを実行することができる。たとえば、流管の電極に対して材料がぶつかること又は屑が擦れることによって引き起こされる電気ノイズは、電極間の電圧差に大きなスパイクを引き起こす可能性がある。このノイズを低減するための一つの技術は、コイルにより大きな電流を与えて、信号対ノイズの比率を増大させることである。しかし、流動のスパイクが、増大した信号よりも依然として著しく大きい可能性がある。そのようなスパイクに対処するために用いられてきた別の技術は、減衰フィルタの時定数を増大させることである。これは、ノイズスパイクをある程度低減させるが、システムの応答時間もまた減少させ、制御ループがプロセス変動に効果的に応答することができる程度を制限する。メジアンフィルタ３１０は、ブロック３０６での復調の後に、及び減衰フィルタ３１４の前に挿入することができる。この非線形フィルタの例では、メジアンフィルタは、既定のウィンドウサイズ内で入力データをソートし、中間点を用いる。たとえば、１５０ミリ秒のメジアンフィルタでは、結果としてウィンドウサイズの１／２、すなわち７５ミリ秒の遅延となる。

本明細書で用いられる「非線形フィルタ」とは、通常は異常値又は衝撃型のノイズシグネチャの形式の非ガウスノイズを除去するために用いられる任意のフィルタを言う。非線形フィルタの例は、リカーシブメジアンフィルタ、荷重メジアンフィルタ、中央荷重メジアンフィルタ、荷重置換メジアンフィルタ（permutation-weighted median filter）、非線形ノイズリダクション、及び局所投射ノイズリダクションを含む。さらに、本発明のソフトウェアによって実行される信号検出は、コイル駆動信号と同期させることができる。たとえば、ソフトウェアによって実行されるミキサを用いるとき、ミキサは、コイル駆動信号とともに受信された電極電圧信号をミキシングする。当然ながら、コイル駆動信号自体は必要とされず、駆動信号と同期する任意の信号がソフトウェアを起動することができる。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形状及び詳細に変更を加えてもよいことが認識されよう。

磁気流量計を含むプロセス制御システムを示す図である。 図１の磁気流量計の部分断面図である。 図２の磁気流量計の構成要素を示す、簡略化されたブロック図である。 磁気流量計のコイルタイマ、電極電圧及びコイル電流信号対時間を示すグラフである。 ロックイン増幅器の簡略化されたブロック図である。 ソフトウェアにより実行されるロックイン増幅器の簡略化されたブロック図である。 磁気流量計のソフトウェアによって実行されるステップを示すフローチャートである。 元の電圧センサ信号から低周波成分を減じることによるノイズの低減を図示する、図７と同様のフローチャートである。

Claims (8)

1. プロセス流体の流動を測定するための磁気流量計であって、
   プロセス流体に磁場を加えるように構成されたコイルと、
   コイルにコイル駆動信号を与えるように構成されたコイル駆動部と、
   加えられた磁場及び流体流動に関する流体電圧信号を感知するように配設された電極と、
   感知された流体電圧信号に関する複数のディジタル化されたサンプルを含むディジタル出力を有するアナログ・ディジタル変換器と、
   ディジタル化されたサンプルを受信し、サンプルをフィルタリングし、流動に関する出力を応答的に供給するように構成された計算回路と、
   を含み、
   計算回路は、
   流体電圧信号の半周期に対応するサンプルを取得することと、
   流体電圧信号の半周期の後方部分に対応するサンプルの一部をメモリバッファに保存することと、
   サンプルのコイル相の高さに基づいて、サンプルの一部を反転することと、
   サンプルの一部の平均を計算することと、
   ソフトウェアによって実行される非線形フィルタに従ってサンプルをフィルタリングすることと、を実行する磁気流量計。
2. 計算回路が、マイクロプロセッサシステムによって実行されるソフトウェアを含む、請求項１記載の装置。
3. 非線形フィルタが、メジアンフィルタを含む、請求項１記載の装置。
4. 反転されるサンプルの一部が、流体電圧信号の半周期の２０％を含む、請求項１記載の装置。
5. サンプルの一部の反転が、コイル駆動信号と同期する、請求項１記載の装置。
6. サンプルの一部の平均が、コイル駆動信号の一周期にわたって取り出される、請求項１記載の装置。
7. サンプルをフィルタリングするように構成されたローパスフィルタを含む、請求項１記載の装置。
8. プロセス流体の流動を測定するための方法であって、
   プロセス流体に近いコイルにコイル駆動信号を与え、それによりプロセス流体に磁場を加えることと、
   加えられた磁場及び流体流動に関するプロセス流体の流体電圧信号を感知することと、
   流体電圧信号のサンプルをディジタル化することと、
   流体電圧信号の半周期に対応するディジタル化されたサンプルを取得することと、
   流体電圧信号の半周期の後方部分に対応するサンプルの一部をメモリバッファに保存することと、
   サンプルのコイル相の高さに基づいて、サンプルの一部を反転することと、
   サンプルの一部の平均を計算することと、
   ソフトウェアによって実行される非線形フィルタを用いて、反転されたサンプルをフィルタリングし、流動に関する出力を供給すること、
   を含む方法。

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