JP5877259B1 - 電磁流量計の信号抽出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力の少ない励磁方法によりＳ／Ｎを改善し、出力変動の少ない信号処理を行う。【解決手段】 励磁電流波形（ｃ）では、正励磁区間、負励磁区間の間に励磁休止区間を設け、タイミング信号（ｄ）に従って、正負の励磁区間のそれぞれのサンプリング時間Ｔ１、Ｔ２、励磁休止区間のサンプリング時間Ｔ０を定め、時間Ｔ１、Ｔ２と、時間Ｔ０に抽出された電極電位の差分により、流速及び流量を求める。時間Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２でサンプリングされる電極電位には、流量信号である起電力の他に、電極に重畳されているフローノイズ（ｅ）、及び緩やかに変動する電極電位（ｆ）も共にサンプリングされる。時間Ｔ１、Ｔ２と直前の時間Ｔ０の電極電位の差分を求め、短いサンプリング周期で流量を得ることにより、正確な流速及び流量を得ると共に、フローノイズ（ｅ）、電極電位の変動（ｆ）は相殺され有効に除去できる。【選択図】図１

Description

本発明は、ノイズの影響を除去し流量信号を精度良く求めるための電磁流量計の信号抽出方法に関するものである。

電磁流量計は、測定管中を流れ導電性を有する流体に、励磁コイルを用いて交流磁場を印加し、ファラディの法則に従い、流体方向と磁場方向に直交する方向に誘起される起電力を基に、流体の流速を求めている。

この電磁流量計では、得られる信号起電力が微弱であることから、Ｓ／Ｎを改善し出力の安定化を図るために、従来から次の２つの対策が採られている。

（１）大きな励磁電流を流して強い磁場を形成し、誘起される起電力信号を大きくする。
（２）電磁流量計に寄生するノイズに対し、適切な信号処理を採用する。

しかし、（１）の対策では、励磁で消費される電力が増大して、省電力化の要求に反する。

また、（２）の対策で考慮しなければならない電磁流量計に寄生する主なノイズとして、（ア）電極の接触電位差による電極電位とこの電極電位の緩やかな継時的変動、（イ）時間的に変化する磁場によって電極間に誘起される電磁誘導ノイズ、（ウ）流体内の不純物や気泡等の流れに起因するフローノイズ、（エ）商用交流電源からの誘導ノイズ等がある。

これらの対策として、（ア）に対しては、印加する磁場を交流磁場として誘起される電極電位の交流成分で流量を測定する。

（イ）のノイズについては、磁場の変化しているタイミングを避けて、つまり磁場が一定であるタイミングで電極電位をサンプリングしている。

（ウ）のフローノイズについては、図３に示すように周波数Ｆｃを境に高周波に応じてノイズの大きさが減少する１／Ｆ特性を持つことが知られており、信号処理の周波数を高くすることでノイズの大きさは低減する。

なお、フローノイズには、流れに含まれる固形物が電極に衝突することで生ずるスラリーノイズ、薬注などにより不均一な流体が電極部を通過するときに生ずる流体ノイズ、低導電率流体が発生する低導電率ノイズなどが含まれる。

（エ）のノイズについては、商用交流電源とサンプリング時間のタイミングを同期させる等の対策が採られている。

図４は一般的な電磁流量計の構成図を示し、検出部１と変換部２とから構成されている。検出部１は被測定流体が流れる測定管３、測定管３の周囲に配置された励磁コイル４、測定管３内に設けた一対の電極５ａ、５ｂから成っている。

変換部２には、電極５ａ、５ｂで誘起される２つの流量信号を差動受信するバッファアンプ６が設けられ、このバッファアンプ６の出力は、流量演算等を実行し、Ａ／Ｄ変換器の機能を有するＣＰＵ７、更に出力回路８に順次に接続されている。一方、励磁回路９による励磁電流の出力が励磁コイル４及び流量演算等を実行するＣＰＵ７に接続され、タイミング信号発生回路１０の出力が励磁回路９及びＣＰＵ７に接続されている。

タイミング信号発生回路１０で生成される信号周期に同期して、励磁回路９から正負の励磁電流Ｉexが励磁コイル４に供給されると、測定管３内を流れる流体の流速に比例する流量信号として、電極５ａ、５ｂ間に起電力Ｅｓが誘起される。

電極５ａ、５ｂ間に誘起され、バッファアンプ６から出力される電極５ａ、５ｂ間の電極電位である起電力Ｅｓは、各種ノイズを考慮しない場合は次の（１）式で表すことができる。
起電力Ｅｓ＝κ・Ｂ・Ｖ・Ｄ ・・・（１）

なお、κは比例定数、Ｂは励磁コイル４による磁束密度、Ｖは流体の流速、Ｄは測定管３の口径である。

磁束密度Ｂは励磁電流Ｉexに比例するので、（１）式から流速Ｖは次の（２）式で得られる。なお、αは検出部１ごとに定まる定数である。
Ｖ＝α・Ｅｓ／Ｉex ・・・（２）

起電力Ｅｓはバッファアンプ６で受信され、更にＣＰＵ７に入力される。ＣＰＵ７は入力した起電力Ｅｓをタイミング信号発生回路１０で作られたサンプルタイミング信号によりサンプリングし、励磁回路９の出力値である（２）式の励磁電流Ｉexとの除算が実施され、得られた流速Ｖが出力回路８に入力される。出力回路８では、プロセス用の所定の出力に変換され出力される。

特開平３−１８６７１６号公報 特開平７−３０６０６９号公報

図５は従来の励磁電流波形とサンプルタイミング信号の説明図である。励磁回路９は励磁コイル４に、（ａ）に示すように１励磁周期Ｔにおいて正負の出力を交互に出力する励磁電流Ｉexを供給する。バッファアンプ６の出力は、励磁電流Ｉexが正負の一定値に到達した後に、タイミング信号発生回路１０から出力されるタイミング信号Ｔに基づくサンプリング時間Ｔ１、Ｔ２でＣＰＵ７においてサンプリングし、更にＣＰＵ７で励磁回路９から得られる励磁電流Ｉexの振幅との除算が実施され、測定管３を流れる流体の流速Ｖが求められる。

このような正負の交流励磁状態において、励磁電流Ｉexを定常状態のタイミングでサンプリングして求めた電極５ａ、５ｂ間の差動電圧を同期整流することによって、先に述べた主なノイズのうち、（ア）の電極の電極電位とその緩やかな継時的変動によるノイズ、（イ）の時間的に変化する磁場によって電極に誘起される電磁誘導ノイズを除去して、流量を測定している。

一方、先述の（ウ）のフローノイズは、図３に示すように、高い周波数成分Ｆのノイズは低い周波数成分Ｆよりも小さいことが知られている。低周波の励磁周期で同期整流が必要な低周波励磁式の電磁流量計においては、（ウ）のフローノイズが大きく不利となるという問題を有する。

また、全ての励磁周期Ｔに渡って励磁コイル４に正負何れかの交流励磁をしているため、励磁のための電力を常時消費しており、省電力化には不向きである。このため省電力化のために、間欠的な励磁、所謂３値励磁によって、励磁に要する電力を削減する技術が、特許文献１、２に開示されている。

特許文献１では、間欠的に励磁することによって消費電力の低減を図る技術や、先の（イ）の電磁誘導ノイズの影響を低減する技術を開示しており、間欠励磁の繰り返し周期による電極電位のサンプリングと同期整流により流量信号を得ている。このため、１／Ｆ特性を持つフローノイズについての改善は期待できない。

特許文献２は特許文献１の改良発明であり、間欠的な励磁によって、励磁コイルの励磁に要する電力を削減する技術や、先の（イ）の電磁誘導ノイズの影響を低減する技術が開示されている。しかし、サンプリングの前後に変換部２内の電気回路により電極信号をリセットしているため、リセット前後の電極電位の情報が失われ、先の（ア）の電極の電極電位の緩やかな変動によるノイズを有効に除去することができない。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、消費電力を少なくすると共に、各種ノイズの影響を除去し出力変動を少なくする電磁流量計の信号抽出方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る電磁流量計の信号抽出方法は、所定の周期で励磁コイルに間欠的に通電し励磁及び励磁休止を繰り返し、前記励磁休止時の励磁休止区間の長さを前記励磁時の励磁区間の長さよりも大きくした電磁流量計において、前記励磁区間では前記励磁時の電極電位をサンプリングし、前記励磁休止区間では前記励磁区間の直前及び直後の励磁休止時の電極電位をサンプリングし、前記励磁時にサンプリングした電極電位と、前記励磁区間の直前及び直後の前記励磁休止時にサンプリングした２つの電極電位の平均値との差分に基づいて流量を算出することを特徴とする。

本発明に係る電磁流量計の信号抽出方法によれば、励磁休止区間を設けることにより、測定信号の振幅を確保したまま、励磁で消費される電力を削減し、励磁休止時において信号のサンプリングを２回行って各種ノイズに対するＳ／Ｎを改善し、出力の変動を低減することができる。

参考例の励磁電流波形、タイミング信号の波形図である。 実施例の励磁電流波形、タイミング信号の波形図である。 フローノイズの周波数特性図である。 一般的な電磁流量計の構成図である。 従来の励磁電流波形、タイミング信号の波形図である。

［参考例］
本参考例の電磁流量計の回路構成は、基本的に図４の従来例と同様であるが、タイミング信号発生回路１０が発生するサンプルタイミング、ＣＰＵ７における演算方式が従来例と異なっている。

図１は参考例の励磁電流波形、タイミング信号の波形図である。図１において、（ｃ）は励磁回路９から出力される励磁電流波形、（ｄ）はタイミング信号発生回路１０から出力されるタイミング信号、（ｅ）は先の（ウ）で述べた低周波のフローノイズの大きさ、（ｆ）は先の（ア）で述べた緩やかに変動している電極５ａ、５ｂの電極電位を示している。

励磁電流波形（ｃ）では、正励磁区間、負励磁区間の間に励磁休止区間を設けている。なお、励磁周期Ｔ内の正負の励磁区間内のサンプリング時間Ｔ１、Ｔ２を、励磁休止区間のサンプリング時間をＴ０と同じ時間幅としており、サンプリング時間Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２は、基本的に商用交流電源の周期の整数倍に同期したタイミングとしている。

タイミング信号（ｄ）では、正、負の励磁区間の励磁のサンプリング時間Ｔ１、Ｔ２、及び正励磁の立ち上がりの開始直前の、負励磁の立下りの開始直前の励磁休止区間、つまりサンプリング時間Ｔ１、Ｔ２の直前におけるサンプリング時間Ｔ０に、電極５ａ、５ｂに誘起されフローノイズ（ｅ）、及び緩やかに変動する電極電位（ｆ）を混在した起電力に相当する電極電位Ｅａが出力される。なお、サンプリング時間Ｔ０はサンプリング時間Ｔ１、Ｔ２の直後の励磁休止区間内であっても支障はない。

電極５ａ、５ｂ間の電極電位の正、負の励磁のサンプリング時間Ｔ１、Ｔ２にサンプリングされた起電力Ｅｓと直前のサンプリング時間Ｔ０にサンプリングされた電極電位Ｅａとに基づいて、正確な流速Ｖを算出することができ、この流速Ｖに測定管３の断面積を乗ずることで流量を求めることができる。

サンプリング時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ０でサンプリングされる電極電位には、流量信号である起電力Ｅｓの他に、電極に重畳されているフローノイズ（ｅ）、及び緩やかに変動する電極５ａ、５ｂの電極電位（ｆ）を混在した電極電位Ｅａもサンプリングされることになる。

励磁区間のサンプリング時間Ｔ１、Ｔ２のサンプリング値と、直前のサンプリング時間Ｔ０の励磁休止区間のサンプリング値の差分を求めることで、フローノイズ（ｅ）、電極電位の変動（ｆ）を混在した電極電位Ｅａは、効果的に相殺され有効に除去することができ、起電力Ｅｓに電極電位Ｅａを含まない正確な流速Ｖ及び流量を得ることができる。

更にはフローノイズは図３に示す１／Ｆ特性を持つので、励磁休止区間のサンプリングを正・負励磁タイミングの直近とする高周波処理することにより効果的に除去される。また、これらのサンプリング周期を商用電源の周期の整数倍に同期することにより効果的な商用電源ノイズ除去が可能となる。

また、従来技術と同様に、本参考例でも、（ｄ）のタイミング信号は、供給時の励磁電流Ｉexが変化している間には発生されないので、先の（イ）で述べた電磁誘導ノイズの影響を受けない。

また、先の（４）で述べた商用交流電源からの誘導ノイズは、各サンプリング時間Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２の商用交流電源周期の整数倍に等しくすることによって、完全に除去することができる。

消費電力については、励磁コイル４に対して励磁休止区間を設けることにより、励磁電流の振幅（流量信号振幅）を従来の低周波励磁と同様に保持したまま、励磁のための電力を削減でき、省電力を実現できる。

電磁流量計は口径２ｍｍ〜２００ｍｍ程度の広範囲のサイズが存在し、口径によっては励磁電流Ｉexが一定値に収束した後も、磁場が収束するために時間を要する場合や、特にゼロ点の安定性を強く要求される場合など、アプリケーションによって低周波励磁の励磁周期、サンプルタイミングの要求が異なる場合が存在する。

このような低周波励磁用のアプリケーションを有効に適用可能とするために、励磁周期Ｔやサンプリング時間Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２を可変パラメータとして設定できるようにしておくと、アプリケーションの自由度を高めることができる。

本参考例では、各正負励磁区間と励磁休止区間でのサンプリング例を説明したが、正励磁と励磁休止、又は負励磁と励磁休止の何れか一方の２値励磁を用いることで、励磁区間と励磁休止区間のサンプリング値の差分から流速Ｖ及び流量を求めることもできる。この場合に、正負値励磁に比較して信号振幅は半分になるが、励磁する際の正負を逆転する回路が不要となり、簡単化することができるという利点を有する。

上述の参考例では、正負の励磁区間においてサンプリングした起電力Ｅｓと、正負の励磁区間の直前又は直後の励磁休止区間においてサンプリングした電極電位Ｅａとの差分を用いて流速Ｖ及び流量を演算し、フローノイズ及び電極電位の緩やかな変動の影響を低減する方法を説明した。

本実施例では、図２に示すように正負の励磁直前の励磁休止区間内のサンプリング時間Ｔ０と、励磁直後の励磁休止区間内のサンプリング時間Ｔ０’でサンプリングを実施する。正励磁区間に対しては、（Ｔ０、Ｔ１、Ｔ０’）の３つのタイミング時間でサンプリングされた、励磁休止区間の直前の励磁休止時における電極電位Ｅａ１、励磁区間の起電力Ｅｓと同義である電極電位Ｅｓ、励磁区間の直後の励磁休止時における電極電位Ｅａ２により演算を行う。つまり、ＣＰＵ７において、それぞれ１、２、１の重み係数を乗じた後に、正励磁区間と励磁休止区間の差分値を（−１・Ｅａ１＋２・Ｅｓ−１・Ｅａ２）／２の演算式により演算する。この演算式により負励磁に対しても同様に、負励磁区間と励磁休止区間の差分値を演算することができる。

このような演算により、参考例と同様に省電力化した流量信号を得る。同時に、電極５ａ、５ｂの緩やかな変動の電極電位及びフローノイズに対しては、励磁区間前後の励磁休止区間における電極電位Ｅａ１、Ｅａ２に基づく電極電位Ｅａの平均値を利用して、正負の励磁区間においてサンプリングした起電力Ｅｓから、より精度良くノイズ成分を除去することが可能となる。

１ 検出部
２ 変換部
３ 測定管
４ 励磁コイル
５ａ、５ｂ 電極
６ バッファアンプ
７ ＣＰＵ
８ 出力回路
９ 励磁回路
１０ タイミング信号発生回路

Claims (5)

1. 所定の周期で励磁コイルに間欠的に通電し励磁及び励磁休止を繰り返し、前記励磁休止時の励磁休止区間の長さを前記励磁時の励磁区間の長さよりも大きくした電磁流量計において、
   前記励磁区間では前記励磁時の電極電位をサンプリングし、
   前記励磁休止区間では前記励磁区間の直前及び直後の励磁休止時の電極電位をサンプリングし、
   前記励磁時にサンプリングした電極電位と、前記励磁区間の直前及び直後の前記励磁休止時にサンプリングした２つの電極電位の平均値との差分に基づいて流量を算出することを特徴とする電磁流量計の信号抽出方法。
2. 前記励磁区間、前記励磁休止区間の電極電位に対するサンプリングのタイミングを交流電源の周期の整数倍に同期するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電磁流量計の信号抽出方法。
3. 前記励磁区間の周期及びサンプリング時間を可変パラメータとして設定可能としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁流量計の信号抽出方法。
4. 前記励磁は正又は負の極性のみとしたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電磁流量計の信号抽出方法。
5. 前記励磁区間の直前の前記励磁休止時の電極電位Ｅａ１、前記励磁区間の電極電位Ｅｓ、前記励磁区間の直後の前記励磁休止時の電極電位Ｅａ２に対し、それぞれ１、２、１の重み係数を乗じ、前記励磁区間と前記励磁休止区間の差分値を（−１・Ｅａ１＋２・Ｅｓ−１・Ｅａ２）／２の演算式により演算して流量を算出することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電磁流量計の信号抽出方法。

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