JP5877261B1 - 電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁流量計の励磁コイルが短絡しているか否かを判定する。【解決手段】励磁コイルが短絡すると励磁コイルに基づく平滑化処理がなくなり、ＦＥＴスイッチがオンオフ処理により、励磁電流Ｉｅｘは大きな上下変動のリップルを有する三角波形による出力を繰り返す。励磁電流Ｉｅｘのリップルチェックのための所定時間間隔毎に励磁電流Ｉｅｘを測定し、これらの測定時毎の励磁電流Ｉｅｘの平均値Ｈを算出し、この平均値Ｈからプラス方向、マイナス方向に変動したリップルの変動値ｈを算出する。このリップルの大きさを示す変動値ｈと予め設定した閾値とを比較して、励磁負荷である励磁コイルの短絡状態を判定する。【選択図】図４

Description

本発明は、励磁コイルが短絡しているか否かを判定する電磁流量計の励磁コイル短絡判定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、励磁コイルにより交流磁場を印加して、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から流体の流速を求め、流量に換算している。

図５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と、測定管３の周囲に配置される励磁コイル４と、測定管３内に配置された一対の電極５ａ、５ｂとから成っている。

変換部２には、電極５ａ、５ｂにより誘起される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するＣＰＵ７、出力回路８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で生成される低周波周期に同期して、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、更にバッファアンプ６から出力される起電力Ｅｓは、次の（１）式で与えられる。
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は被測定流体の流速、Ｄは測定管３の口径である。

磁束密度Ｂが励磁電流Ｉexに比例するとすれば、（１）式を基に流速ｖは次の（２）式で得られる。
ｖ＝α・Ｅｓ／Ｉex ・・・（２）

なお、αは検出部１ごとに定まる定数である。

電極５ａ、５ｂからの起電力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では、タイミング信号発生回路１０の出力を基に、励磁電流Ｉexに同期したタイミングで同期整流をすると同時に、（２）式による励磁電流Ｉexとの比較演算が施され、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信号に変換される。

また、電磁流量計では定電流回路での損失を削減するため、励磁コイル４への励磁をスイッチング方式で行うことが多く、この定電流回路では負荷が変化しても、定電流の供給を継続する。異なる口径の測定管３の励磁コイル４に対しても、励磁による安定した磁場を作る等の目的で、励磁回路９により励磁コイル４に定電流である励磁電流Ｉexを供給している。

この励磁回路９による定電流の出力により、励磁コイル４によって流体に磁場を印加する。導電性を有する流体に対して、流体方向と磁場方向に直交方向に誘起される起電力Ｅｓに基づいて、流体の流速ｖを求め、更にこの流速ｖに測定管３の断面積を乗じて流量を求めることができる。

更に電磁流量計には、プラント操業の安全化を図るための各種自己判定を実施する機能が付与されており、励磁コイルオープン、及び励磁コイル短絡によるトラブルを検出する機能を有している。

特許文献１には、励磁コイルの短絡を検出する発明として、励磁回路と励磁コイルとの間に励磁コイルの短絡検出回路を設けることが開示されている。励磁コイルが短絡すると、短絡検出回路内の電圧リミッタによって電圧は閾値以下に下がらなくなり、この結果として、励磁回路からの電流が増加する。そして、励磁コイルと直列に接続された検出抵抗の両端電圧を経時的に計測することで、励磁コイルの短絡を検出することができる。

特開２００２−２０６９５６号公報

上述のように電磁流量計の自己判定として、励磁コイルのオープントラブルについては、励磁電流Ｉexが零となることから容易に検出できるが、励磁コイルの短絡については、定電流制御されているため励磁電流Ｉexを基に短絡を検出することが難しい。

特に、図５に示すように、測定管３の近傍で起電力Ｅｓを検出する検出部１と、励磁回路９やＣＰＵ７を備える変換部２との間に距離を有する場合においては、検出部１と変換部２間の接続ケーブルの破損等が発生し易く、図５の点線Ｓで示すケーブル内の個所で短絡が発生することが多々ある。

そこで、従来の図６の回路構成図に示す短絡判定方法では、励磁回路９内に検出すべき励磁コイル４に対する専用の短絡判定回路Ｐが設けられている。この短絡判定回路Ｐは、励磁コイル４に励磁電流Ｉexを供給するタイミングで励磁コイル４の両端の電圧を測定し、励磁コイル４のコイル抵抗成分Ｒｃと励磁コイル４に流れる励磁電流Ｉexとの積(Ｒｃ・Ｉex)を継時的に比較して励磁コイル４の短絡を判断している。

この図６の従来方法では、専用の短絡判定回路Ｐが必要となる他に、励磁コイル４毎に異なるコイル抵抗成分Ｒｃについて考慮する必要がある。

また、特許文献１の短絡検出回路を設けた電磁流量計においても、短絡検出回路内に電圧リミッタ等を設けたり、測定管の寸法、励磁コイルのコイル抵抗成分等に基づく電圧リミッタのリミッタ値を設定する必要が生ずる等の問題がある。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、コイル抵抗成分を考慮することなく、スイッチング方式の励磁による励磁コイルの短絡状態を判定することができる電磁流量計の励磁コイル短絡判定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励磁コイル短絡判定方法は、スイッチング方式によって定電流の励磁電流を励磁コイルに供給し、前記励磁電流による励磁を周期的にオン、オフ制御する電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法において、前記励磁オン時に、所定時間間隔毎に励磁電流を測定し、蓄積した複数の前記励磁電流の測定値から平均値を算出し、前記励磁電流と前記平均値との差分から励磁電流の波形のリップルの大きさである変動値を算出し、該変動値と予め設定した閾値とを比較することで前記励磁コイルが短絡状態にあるか否かを判定することを特徴とする。
また、本発明に係る電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法は、スイッチング方式によって定電流の励磁電流を励磁コイルに供給し、前記励磁電流による励磁を周期的にオン、オフ制御する電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法において、前記励磁オン直後の時間帯を除く励磁オン時に所定時間間隔毎に励磁電流を測定し、測定した励磁電流の最小値と最大値の差分である変動値を算出し、該変動値と予め設定した閾値とを比較することで前記励磁コイルが短絡状態にあるか否かを判定することを特徴とする。

本発明に係る電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法によれば、基本の回路構成のみで、励磁コイルの短絡を判定でき、測定管の寸法、励磁コイルの抵抗成分、インダクタンスに関係なく、励磁コイルの短絡状態を容易に、かつ確実に判定することができる。

スイッチング方式の励磁定電流回路の回路図である。 正常動作時の励磁タイミング、デューティサイクル信号及び励磁電流の波形図である。 励磁コイルの短絡時の励磁定電流回路の回路図である。 励磁コイルの短絡時の励磁タイミング、デューティサイクル信号及び励磁電流の波形図である。 一般的な電磁流量計の回路構成図である。 従来の励磁コイル短絡判定方法で使用する励磁定電流回路の回路図である。

本発明を図１〜図４に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１はスイッチング方式の励磁定電流回路の構成図を示している。なお、図６に示す従来例と比較して、従来の短絡判定回路Ｐが削除されている。

図１において、励磁回路９には直流電圧を印加する励磁電源と、定電流を得るためオン／オフを行うＦＥＴスイッチ１１と、インダクタンスＬ１及びコンデンサＣから成るＬＣフィルタ１２を有しており、このＬＣフィルタ１２によってＦＥＴスイッチ１１でスイッチングされた電圧の平滑化を行っている。

更に励磁回路９には、電流検出抵抗Ｒと定電流制御部１３とが設けられており、この電流検出抵抗Ｒを励磁定電流回路に直列に配置することで、励磁コイル４を流れる励磁電流Ｉexを検出することができる。

また、定電流制御部１３は、偏差アンプ１４とデューティサイクル変換器１５とを有しており、偏差アンプ１４には、電流検出抵抗Ｒに励磁電流Ｉexが流れたときの電圧（Ｒ・Ｉex）を入力し、励磁電流Ｉexの大きさを決める一定の基準電圧Ｖrefが印加されている。

そして、偏差アンプ１４により増幅した電圧（Ｒ・Ｉex）と基準電圧Ｖrefとの偏差値がデューティサイクル変換器１５に入力される。デューティサイクル変換器１５で算出されたデューティ比はＦＥＴスイッチ１１にフィードバックされ、オン／オフ制御を行う。

ＦＥＴスイッチ１１によってオン／オフすることで印加された電圧は、ＬＣフィルタ１２により平滑されて、図１に図示する電圧Ｖexとなる。この電圧Ｖexによって励磁コイル４に励磁電流Ｉexが流れる。

デューティサイクル変換器１５における電圧（Ｒ・Ｉex）と基準電圧Ｖrefの処理については、電圧（Ｒ・Ｉex）が基準電圧Ｖrefよりも小さいときには、デューティサイクル変換器１５の出力のデューティ比は増加し、このデューティ比に基づくＦＥＴスイッチ１１のオン／オフ制御を行う。デューティ比の増加により、電圧Ｖexは大きくなり、この電圧Ｖexの増加に伴い励磁電流Ｉexが増加する。

電圧（Ｒ・Ｉex）が基準電圧Ｖrefよりも大きいときには、デューティサイクル変換器１５の出力のデューティ比が減少し、電圧Ｖexは小さくなり、併せて励磁電流Ｉexも減少する。

このようなフィードバック制御によって、電圧Ｒ・Ｉexは基準電圧Ｖrefと同値になるように補正されるので、励磁電流Ｉexは基準電圧Ｖrefによって決まる一定電流値に保持されることになる。

図２は励磁回路９で所定値の励磁電流Ｉexが出力され、励磁コイル４が接続した正常な励磁が行われている場合における波形図である。（ａ）は励磁のオン、オフのタイミング信号、（ｂ）は定電流制御するためのデューティサイクル変換器１５の出力であるデューティサイクル信号、（ｃ）はデューティサイクル変換器１５の入力である励磁電流Ｉexを示している。

なお、励磁電流Ｉexによる励磁は、（ａ）に示すように周期的にオン、オフをタイミング信号発生回路１０により制御しているが、本発明では詳細なオン、オフのタイミング制御の説明については省略している。この励磁電流Ｉexのオン、オフ制御は、常時励磁に比べ省電力化を図ることができ、この励磁オン時に励磁コイル４が短絡状態にあるか否かを判定する。

（ａ）の励磁オンの区間では、励磁電流ＩexはＦＥＴスイッチ１１でスイッチングされた電圧をＬＣフィルタ１２で平滑しているが、多少のリップルを含んでいる。励磁コイル４を流れる励磁電流Ｉexは、励磁コイル４のコイル抵抗成分Ｒｃ、インダクタンス成分Ｌｃによって更に平滑され、図２（ｃ）に示すようにリップルは小さくなる。

更に、（ｂ）のデューティサイクル信号の周期を、励磁コイル４の時定数τ=Ｌｃ／Ｒｃに比べて十分に小さくすることで、励磁電流Ｉexの波形は平滑化され、リップル成分はほぼ無視できることになる。

図３は励磁コイル４が短絡したときの励磁定電流回路の回路図である。図４は波形図であり、（ｄ）は励磁のオン、オフのタイミング信号、（ｅ）はデューティサイクル信号、（ｆ）は励磁電流Ｉexの出力信号である。

図３に示すように励磁コイル４が短絡すると、励磁コイル４に励磁電流Ｉexが流れずに、励磁回路９の負荷は電流検出抵抗Ｒのみとなる。従って、上述の励磁コイル４に基づく平滑化処理がなくなり、コンデンサＣの両端電圧の上昇に比例して、（ｆ）に示すように励磁電流Ｉexは急激に増加する。

このとき、電圧（Ｒ・Ｉex）が基準電圧Ｖrefよりも直線的に急激に大きくなるので、励磁電流Ｉexも併せて上昇する。電圧（Ｒ・Ｉex）が基準電圧Ｖrefを超えると、定電流制御部１３のデューティサイクル変換器１５は直ちにデューティ比を減少する。つまり、ＦＥＴスイッチ１１をオフにする制御を行うが、制御ループの遅れのために、直ちにはＦＥＴスイッチ１１をオフにできず、制御ループの遅れの間は励磁電流Ｉexは増加を続ける。

また、ＦＥＴスイッチ１１がオフになると、励磁電流Ｉexは逆に急激に低下することになる。励磁電流Ｉexの上昇時と同様に制御ループの遅れが生ずるので、励磁電流Ｉexは（ｆ）に示すように大きな上下変動のリップルに相当する三角波形又は台形波による出力を繰り返すことになる。このときの三角波あるいは台形波となるデューティサイクル信号の周期は、上述の制御ループの遅れ等により図２の（ｂ）で示す正常動作時のデューティサイクル信号の周期より大きな周期となる。

励磁回路９の定電流制御部１３は、励磁電流Ｉexのリップルチェックのための所定時間間隔毎に励磁電流Ｉexを測定し、デューティ比を演算してＦＥＴスイッチ１１の制御を行っている。同時に、励磁回路９は短絡判定処理部を兼ねるＣＰＵ７に励磁電流Ｉexの測定値の出力を行う。

励磁電流Ｉexの測定値を入力したＣＰＵ７は、励磁がオン時において、蓄積した複数の励磁電流Ｉexの測定値から平均値Ｈを算出する。次に、各測定値に対して、平均値Ｈからプラス方向、マイナス方向に変動した変動値ｈ、つまり平均値Ｈと測定値との差分を求めてリップルの大きさを算出する。そして、測定毎の変動値ｈと予め設定した閾値とを比較して、励磁負荷である励磁コイル４の短絡状態を判定する。

または、励磁オン直後の時間帯を除く励磁オン時において、測定した励磁電流Ｉexの最小値と最大値の差分である変動値ｈ’を算出し、この変動値ｈ’と予め設定した閾値を比較して、励磁コイル４の短絡状態を判定するようにしてもよい。この場合は、上述の平均値Ｈを算出する必要はない。

大きなリップルの発生、つまり変動値ｈが閾値を超えたことを励磁回路９に接続したＣＰＵ７が検出することにより、励磁コイル４が短絡状態であると判定する。この判定は、所定時間間隔毎の前記変動値ｈのうち、１つ以上の変動値ｈが閾値より大きい場合に、励磁コイルは短絡状態であると判定する。また、一定時間内で複数の変動値ｈ、例えば２つ以上の変動値ｈが閾値より大きい場合に、短絡していると判定するようにしてもよい。

また、突発的なノイズ等による短絡状態の誤検出を防止するために、所定時間間隔毎の変動値ｈのうち、複数回連続して励磁電流Ｉexの変動値ｈが閾値よりも大きい場合に、短絡していると判定するようにしてもよい。

このように、正常時においては励磁電流Ｉexの変動値ｈは極めて小さい値を示すのに対して、短絡時においては変動値ｈが極端に大きい値となるので、励磁オン時のリップルに相当する変動値ｈを監視することで、容易にかつ確実に励磁コイル４の短絡状態を検出できる。

４ 励磁コイル
９ 励磁回路
１１ ＦＥＴスイッチ
１２ ＬＣフィルタ
１３ 定電流制御部
１４ 偏差アンプ
１５ デューティサイクル変換器

Claims (4)

1. スイッチング方式によって定電流の励磁電流を励磁コイルに供給し、前記励磁電流による励磁を周期的にオン、オフ制御する電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法において、
   前記励磁オン時に、所定時間間隔毎に励磁電流を測定し、蓄積した複数の前記励磁電流の測定値から平均値を算出し、前記励磁電流と前記平均値との差分から励磁電流の波形のリップルの大きさである変動値を算出し、該変動値と予め設定した閾値とを比較することで前記励磁コイルが短絡状態にあるか否かを判定することを特徴とする電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法。
2. スイッチング方式によって定電流の励磁電流を励磁コイルに供給し、前記励磁電流による励磁を周期的にオン、オフ制御する電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法において、
   前記励磁オン直後の時間帯を除く励磁オン時に所定時間間隔毎に励磁電流を測定し、測定した励磁電流の最小値と最大値の差分である変動値を算出し、該変動値と予め設定した閾値とを比較することで前記励磁コイルが短絡状態にあるか否かを判定することを特徴とする電磁流量計の励磁コイル短絡判定方法。
3. 前記所定時間間隔毎の前記変動値のうち、１つ以上の前記変動値が前記閾値より大きい場合に、前記励磁コイルは短絡状態であると判定する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励磁コイル短絡判定方法。
4. 前記所定時間間隔毎の前記変動値のうち、複数回連続して前記変動値が前記閾値より大きい場合に、前記励磁コイルは短絡状態であると判定する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励磁コイル短絡判定方法。

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