JP5973775B2

JP5973775B2 - 電磁流量計、その励磁回路部の自己診断方法

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Publication number: JP5973775B2
Application number: JP2012104133A
Authority: JP
Inventors: 山口　祐一郎; 祐一郎山口; 樋口　隆司; 隆司樋口; 隆樹中村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: CN103376136A; US20130289897A1; MY166705A; JP2013231672A; US9651411B2; CN103376136B

Description

本発明の実施形態は、電磁流量計、及び、その励磁回路部の自己診断方法に関する。

電磁流量計には、各部の異常状態を検出する診断機能が搭載されている。コイルに励磁電流を流し、被測定流体と直交する方向から磁界を印加する励磁回路を備える電磁流量計においては、この励磁電流の異常検出は、特に重要な診断機能である。

従来、励磁電流の異常検出は、定電流を流す正励磁、無励磁、負励磁の２値励磁、または、２値励磁に無励磁を加えた３値励磁（例えば、特許文献1参照。）の励磁回路中に励磁電流の検出回路を備え、励磁電流の変化を検出することで励磁回路の異常を判定するようにしている。

従来から、電磁流量計の励磁方式には、特許文献１に示すような３値励磁方式の無励磁の状態がない正励磁、負励磁の２値励磁方式がある。また、３値励磁方式以上の低消費電力を実現した、間欠的なパルス励磁による残留磁気励磁方式がある（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００４−３５４２０５号公報特開昭６０−２４２３１８号公報

一般に励磁電流の異常検出は、特許文献１に示すように、励磁回路中を流れる電流を検出する電流検出部を備える専用回路が必要となり、励磁電流の異常検出のために新たな構成を備える必要がある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたもので、励磁電流の異常検出を新たな構成を付加しないで、励磁電流の異常検出を精度良く行える電磁流量計、及び、その励磁電流回路部の自己診断方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態の電磁流量計は、測定管を流れる流体に磁場を印加して、当該磁場の印加方向と当該流体を流す管軸方向とに直交する方向に備える一対の電極間に発生する電極間信号を処理して流量を求める電磁流量計において、前記磁場を生成する励磁コイルと、当該励磁コイルに方形波の励磁電流を流す励磁回路と、を有する励磁回路部を備える方形波励磁方式の電磁流量計であって、前記電極間信号を検出する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と前記励磁回路部に供給する励磁同期信号を生成するとともに、前記差動増幅器で増幅された前記電極間信号の正励磁の立ち上がり部分、負励磁の立下り部分、当該立ち上がり部分を除く当該正励磁の平坦部分、及び当該立ち下がり部分を除く当該負励磁の平坦部分を、予め設定されるタイミングでサンプリングするサンプリング信号を生成するタイミング制御回路と、前記正励磁の平坦部分、及び前記負励磁の平坦部分の第１のサンプリング信号でサンプリングされた前記ＡＤ変換器の流速出力信号から前記流体の流量を求める流量演算処理と、前記正励磁の立ち上がり部分、及び前記負励磁の立下り部分の第２のサンプリング信号でサンプリングされた前記ＡＤ変換器の流速出力信号成分を含む微分出力信号と前記流速出力信号とから微分ノイズを求めて、前記励磁電流の異常を検出し、前記励磁回路部の故障箇所を判定する異常判定処理と、を実行する演算部と、を備え、前記電極間信号から流量演算処理と、前記励磁回路部の異常判定処理とを、前記電極間信号から同時に処理するようにしたことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本実施形態の電磁流量計の励磁電流異常の自己診断方法は、測定管を流れる流体に磁場を印加して、当該磁場の印加方向と当該流体を流す管軸方向とに直交する方向に備える一対の電極間に発生する電極間信号を処理して流量を求める電磁流量計において、前記磁場を生成する励磁コイルと、当該励磁コイルに励磁電流を流す励磁回路と、を有する励磁回路部を備える方形波励磁方式の電磁流量計の励磁回路部の自己診断方法であって、前記差動増幅器で増幅された前記電極間信号の正励磁の立ち上がり部分、負励磁の立下り部分、当該立ち上がり部分を除く当該正励磁の平坦部分、及び当該立ち下がり部分を除く当該負励磁の平坦部分を、予め設定されるタイミングでサンプリングし、前記正励磁の平坦部分、及び前記負励磁の平坦部分の第１のサンプリング信号でサンプリングされた前記ＡＤ変換器の流速出力信号から前記流体の流量を求めるとともに、前記正励磁の立ち上がり部分、及び前記負励磁の立下り部分の第２のサンプリング信号でサンプリングされた前記ＡＤ変換器の微分出力信号を求め、前記正励磁及び前記負励磁の前記微分出力信号に含まれる流速出力信号成分を、前記流速出力信号に対して予め設定される比例定数ｋを乗じて求め、前記微分出力信号から前記流速出力信号成分を減じて微分ノイズを求め、求めた微分ノイズに対して予め設定される閾値と比較して、励磁電流の異常を検出し、当該励磁回路部の自己診断をするようにしたことを特徴とする。

第１の実施形態の電磁流量計の構成図。第１の実施形態の信号処理動作を説明するタイムチャート。微分ノイズの求める処理動作を説明するタイムチャート。第２の実施形態の信号処理動作を説明するタイムチャート。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

(第１の実施形態)
図１乃至図３を参照して説明する。図１は、第１の実施形態の電磁流量計の構成を示すブロック図である。第１の実施形態の電磁流量計１００は、検出器１と変換器２とを備え、電磁流量計１００は、測定管１１を流れる流体に磁場を印加して、当該磁場の印加方向と当該流体を流す管軸方向とに直交する方向で、測定管１１の管壁に備える一対の電極１２間に発生する電極間信号を処理して流量を求めるものである。

検出器１は、測定管１と、測定管１の管壁に備える一対の電極１２と、磁場を生成する励磁コイル１３−１に方形波の励磁電流を流す励磁回路１３−２とを有する励磁回路部１３と、を備える。

変換器２は、電極間信号を検出する差動増幅器２１と、差動増幅器２１で増幅された電極間信号ｓ４をクロック信号ｓ１に同期してデジタル信号に変換するＡＤ変換器２２と、励磁回路部１３に供給する励磁同期信号を生成するとともに、電極間信号の正励磁の立ち上がり部分、負励磁の立下り部分、当該立ち上がり部分を除く当該正励磁の平坦部分、及び当該立ち下がり部分を除く当該負励磁の平坦部分を、予め設定されるタイミングでサンプリングするサンプリング信号を生成するタイミング制御回路２４と、を備える。

ここで、励磁電流の一方の方向への流れを正励磁電流、他方の方向への流れを負励磁電流と呼び、正負励磁電流により生成される磁場の状態を、夫々正励磁、負励磁と呼ぶことにする。

更に、電極間信号ｓ４の正励磁の平坦部分、及び負励磁の平坦部分の第１のサンプリング信号ｓ５でサンプリングされたＡＤ変換器２２の流速出力信号から流体の流量を求める流量演算処理と、電極間信号ｓ４の正励磁の立ち上がり部分、及び負励磁の立下り部分の第２のサンプリング信号ｓ６でサンプリングされたＡＤ変換器２２の流速出力信号成分を含む微分出力信号と流速出力信号とから、詳細を後述する微分ノイズを求めて、励磁電流の異常を検出し、励磁回路部１３の故障箇所を判定する異常判定処理と、を実行する演算部２６と、を備える。

また、変換器２は、演算部２６で処理された流量を出力する流量出力回路２７、励磁電流の異常を警報する警報出力回路２８と、を備える。

次に、各部の詳細構成について説明する。励磁回路部１３は、方形波の磁場を生成するための励磁コイル１３−１と、タイミング制御回路２４から励磁同期信号ｓ２を供給され、励磁コイル１３に流す方形波の励磁電流を生成する励磁回路１３−２と、を備える。

ここで、励磁回路１３-２は、検出部１に備える構成を図示したが、励磁回路１３-２は、変換器２に備える構成とし、励磁コイル１３−１と励磁回路１３−２とをケーブルで接続するように構成することも出来る。

また、励磁電流の異常判定処理は、励磁回路部１３を構成する各部の何れが故障しているかを判定することを目的とするものである。

次に、図２を参照して、このように構成された電磁流量計１００の動作について説明する。図１に示す各部の入出力信号は、図２に示すタイムチャートの信号に対応する。

先ず、タイミング信号制御回路２４では、ＡＤ変換器２２及び演算部２６に、予め設定される夫々の処理の基準となるクロック信号ｓ１を生成して供給する。また、励磁回路１３−２には、予め設定される周波数の励磁同期信号ｓ２を供給する。

次に、この励磁同期信号ｓ２に同期して、励磁回路２５から、予め設定される強度の磁束を生成するための方形波の励磁電流ｓ３を励磁コイル１３に流す。励磁回路１３−２には、図示しない定電流を生成する定電流回路と、この定電流の流れる方向を反転させる切り替えスイッチとを備えて、正負対称な値の方形波の励磁電流ｓ３を生成する。

この時、励磁コイル１３−１に流れる励磁電流ｓ３の波形は、図２-ｓ３に示すように励磁電流の流れる方向（正負）が反転する立ち上がり、及び立ち下がり部分で鈍った波形となるが、この励磁電流ｓ３に基づいて生成され、差動増幅器２１から出力されたた電極間信号ｓ４は、図２-ｓ４に示すように、励磁電流の方向が反転する箇所で、磁場を微分した微分ノイズを含む電極間信号が生成される。

本第１の実施形態は、正負の２値励磁による電極間信号ｓ４から微分ノイズを抽出して、励磁電流の異常を検出し、励磁回路部３の異常個所を判定するものである。以下、その動作の詳細について説明する。

図２に示す信号ｓ５は、電極間信号ｓ４から流量を求めるための第１のサンプリング信号を示し、信号ｓ６は、電極間信号ｓ４から正負の微分ノイズを抽出するための第２のサンプリング信号を示す。

第１のサンプリング信号ｓ５、第２のサンプリング信号ｓ６は、タイミング制御回路２４で夫々を個別に生成することも可能であるが、１つの時系列信号として生成し、ＡＤ変換器２２から出力された電極間信号ｓ４を、演算部２６の図示しないメモリに夫々のサンプリング信号毎に、また、正励磁、負励磁を識別して記憶することが可能である。

また、第１のサンプリング信号ｓ５は、微分ノイズが無視できる正負の励磁区間の平坦部分Ｂ^＋、平坦部分Ｂ⁻を、流速出力信号の検出範囲として予め設定される区間Ｔ１とし、第２のサンプリング信号ｓ６は、電極間信号ｓ４の正負の立ち上がり部分Ａ^＋、立下り部分Ａ⁻の微分ノイズ波形の特徴を捉える微分出力信号の検出範囲として予め設定される区間Ｔ２とする。

そして、演算部２６では、デジタル信号に変換された電極間信号ｓ４から第２のサンプリング信号ｓ６でサンプリングされた微分出力信号Ｖｄ^＋と、第１のサンプリング信号ｓ５でサンプリングされた流速出力信号Ｖｆｓ^＋とから、微分出力信号Ｖｄ^＋に含まれる流速出力信号成分Ｖｓｆｄ^＋を除去した微分ノイズＶｎ^＋を求めて正励磁電流の異常を判定する。負励磁電流の場合も正励磁電流の場合と同様であるので、以下、その説明を省略する。

次に、図３を参照して、この微分ノイズを求める方法について説明する。図３は、図２と同様に、方形波の励磁電流ｓ３と、電極間信号ｓ４と、第１のサンプリング信号ｓ５、第２のサンプリング信号ｓ６の関係をタイムチャートで示したものである。

図３に示すように、電極間信号ｓ４の正励磁の平坦部分Ｂ^＋の流速出力信号Ｖｓｆ^＋は、第１のサンプリング信号ｓ５で予め設定されるサンプリング区間Ｔ１から求める。

また、電極間信号ｓ４の正励磁の立ち上がり部分Ａ^＋の微分出力信号Ｖｄ^＋は、第２のサンプリング信号ｓ６で予め設定されるサンプリング区間Ｔ２から求める。

サンプリング区間Ｔ２は、立ち上がり部分の微分波形の特徴を捉える範囲であれば良く、流速出力信号Ｖｓｆ^＋及び微分出力信号Ｖｄ^＋は、夫々、サンプリング区間Ｔ１及びサンプリング区間Ｔ２の区間の平均値として求めるので、サンプリングされる時間(区間)は異なる値であっても良い。但し、正励磁と負励磁とにおいては、夫々同じサンプリング区間Ｔ１、Ｔ２を設定しておく。

この微分出力信号Ｖｄ^＋に含まれる流速出力信号成分をＶｆｓｄ^＋、平坦部分の流速出力信号Ｖｆｓ^＋とすると、微分ノイズＶｎ^＋は、下記（１）式から求められる。
Ｖｎ^＋＝Ｖｄ^＋−Ｖｆｓｄ^＋・・・（１）
ここで、微分出力信号Ｖｄ^＋に含まれる流速出力信号成分Ｖｆｓｄ^＋は、流速出力信号Ｖｆｓ^＋と比例関係にあるので、この比例定数をｋとすると、流速出力信号成分Ｖｆｓｄ^＋は、Ｖｆｓｄ^＋＝ｋ・Ｖｆｓ^＋で求められるので、（１）式は、Ｖｎ^＋＝Ｖｄ^＋−ｋ・Ｖｆｓｄ^＋となる。

この比例定数ｋは、流速出力信号Ｖｆｓ^＋の対象に拠らず一定で、電磁流量計検出部の電極間信号を生成する検出構造により一義的に定まる定数である。

即ち、励磁磁束と交差する電極間１２と差動増幅器２１とを接続するループの幾何学的な形状と励磁電流波形（値）とが変わらなければ、励磁の立ち上がり部、立下り部の微分出力信号Ｖｄ＋に含まれる、流速出力信号成分Ｖｆｓｄ＋と流速出力信号Ｖｆｓ＋の比率は一定である。

この比例定数ｋは、例えば、流体の流速がゼロの場合には、流速出力信号成分Ｖｆｓｄ^＋がゼロとなるので、Ｖｎ^＋＝Ｖｄ^＋となるので、ある流速における流速出力信号Ｖｆｓ^＋と、このときの微分出力信号Ｖｄ^＋とから、検出器毎に測定により正確に求めることができる。

尚、微分ノイズＶｎ^＋は、正励磁の立ち上がり部分Ａ^＋と、負励磁の立下り部分Ｂ⁻とで同様に個別に求め、夫々の微分ノイズＶｎ^＋値を個別に記憶するようにしておく。

次に、このように設定された、方形波励磁方式の励磁回路部１３の異常判定処理動作について、再び、図２を参照して説明する。

演算部２６では、例えば、電極間信号ｓ４において、正（負）の微分ノイズＶｎ^＋（Ｖｎ⁻）は、第２のサンプリング信号ｓ６でサンプリングされたサンプリング区間Ｔ２から求める。

また、流量信号は、第１のサンプリング信号ｓ６でサンプリングされたサンプリング区間Ｔ１から求める。

微分ノイズＶｎ^＋は、サンプリング区間Ｔ２の信号の平均値、または、ピーク値から求めるが、異常の判定精度を要しない場合にはピーク値であっても良い。また、流量信号は、通常、正負の平均値で求められる。

また、微分ノイズは、励磁回路部１３の故障部分を判定するために、夫々独立に求め、夫々の有無を判定する閾値は、正負の絶対値は同じ値とする。

次に、励磁回路系部３の故障パターンと、その判定動作について説明する。励磁回路部１３の故障パターンは、以下に説明する３つの場合が考えられるが、実際には、故障パターンが重複する場合もある。

第１の故障パターンは、励磁回路１３−２と励磁コイル１３−１とを接続するケーブルの断線等により励磁電流が流れない場合、即ち、励磁電流のループが開放されるような故障の場合である。

この場合、電極間信号ｓ４は、ｓ４−１に示すようになり、予め設定される断線の図示しない検出閾値ｐ^＋（ｐ⁻）では、正負とも検出がないことで励磁電流の異常が検出されるので、この故障パターンが断線と判定される。

第２の故障パターンは、励磁回路１３−２の図示しない励磁電流の方向を切り替えるスイッチが故障して、励磁電流が、一方向（図は、正方向）のみが流れる場合がある。

この場合、電極間信号ｓ４は、ｓ４−２のようになり、予め設定される正(負)励磁異常の検出閾値ｍ^＋(ｍ⁻)では、一方の微分ノイズＶｎ^＋のみが検出されることから、この故障パターンは、励磁回路１３−１の一方の正励磁電流の生成回路系、または、その切り替えスイッチが故障したと判定される。

第３の故障パターンは、励磁電流が流れるループのいずれかの接続箇所の接触不良等により、そのループの直流抵抗値が増大して、励磁電流が低下する場合がある。

この場合、電極間信号ｓ４は、ｓ４−３のようになり、予め設定される励磁強度異常の検出閾値ｎ^＋(ｎ⁻)以下であることが検出されることで、ループのいずれかの箇所に接触不良があると判定される。

以上の説明では、異常の検出閾値は、故障パターンにより別々の閾値を設定することで説明したが、断線及び励磁異常の検出閾値は、同じ判定閾値としても良い。

励磁強度異常の検出閾値ｎ^＋(ｎ⁻)は、微分ノイズを正確に求めているので、わずかの変化を検出して故障の予兆を判定するようにすることも可能である。

また、これらの異常判定は、正負の励磁サイクル毎に毎回判定する必要はなく、励磁電流の故障パターンの経時変化に対応する周期で判定すれば良い。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電極間信号をデジタル信号に変換し、流体の流量を求める処理と励磁回路部の異常判定処理と、を同時に処理するようにした。

また、微分出力信号から流速出力信号成分を除去して微分ノイズを求め、正励磁の立ち上がり部分と負励磁の立下り部分とを夫々独立に処理し、予め設定される夫々の閾値と比較し、励磁電流を生成する励磁回路部の異常個所を判定するようにした。

したがって、励磁電流の異常検出がシンプルな構成で、精度よく検出できるので、励磁回路部の異常の判定精度と故障パターンの判定が容易に行える電磁流量計、及びその励磁回路部の自己診断方法を提供することが出来る。

(第２の実施形態)
次に、図４を参照して、第２の実施形態について説明する。本第２の実施形態が第１の実施形態と同一部分は、同じ符号を付し、その説明を省略する。第２の実施形態が、第１の実施形態と異なる点は、第１の実施形態は、励磁電流は正負の方形波による２値励磁方式であったが、第２の実施形態では、正励磁、負励磁の間に、励磁のない無励磁期間を備える、方形波の３値励磁方式としたことにある。

この３値励磁方式は、励磁回路１３−２の制御を変更し、無励磁区間の設定を設けることで容易に生成することが出来る。

図３に示すように、３値励磁の場合でも、無励磁期間が存在するだけで、第１の実施形態の流量演算処理と微分ノイズを求め励磁電流の異常判定処理と同様の処理が可能である。また、無励磁期間を間欠的に設ける残留磁気励磁方式のような励磁の場合でも同様の処理が可能であることは言うまでも無い。

また、以上の実施形態では、電極間信号をデジタル処理で行う方法について説明したが、電極間信号から流速出力信号Ｖｆｓ、及び微分ノイズを求める処理は、アナログ回路で実行することも可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、微分出力信号から流速出力信号成分を除去して微分ノイズを求め、正励磁の立ち上がり部分と負励磁の立下り部分とを夫々独立に処理し、予め設定される夫々の閾値と比較し、励磁電流の異常検出を精度良く行えるようにしたので、方形波の励磁方式のよらない、励磁電流の異常検出と、励磁回路部の故障箇所の判定とが容易に行える電磁流量計、及びその励磁回路部の自己診断方法を提供することが出来る。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１検出器
１１測定管
１２電極
１３励磁回路部
１３−１励磁コイル
１３−２励磁回路
２変換器
２１差動動増幅器
２２ＡＤ変換器
２４タイミング制御回路
２６演算部
２７流量出力回路
２８警報出力回路
１００電磁流量計

Claims

測定管を流れる流体に磁場を印加して、当該磁場の印加方向と当該流体を流す管軸方向とに直交する方向に備える一対の電極間に発生する電極間信号を処理して前記流体の流量を求める電磁流量計において、
前記磁場を生成する励磁コイルと、当該励磁コイルに方形波の励磁電流を流す励磁回路と、を有する励磁回路部を備える方形波励磁方式の電磁流量計であって、
前記電極間信号を検出する差動増幅器と、
前記差動増幅器の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、
前記励磁回路部に供給する励磁同期信号を生成するとともに、前記差動増幅器で増幅された前記電極間信号の正励磁の立ち上がり部分、負励磁の立下り部分、当該立ち上がり部分を除く当該正励磁の平坦部分、及び当該立ち下がり部分を除く当該負励磁の平坦部分を、予め設定されるタイミングでサンプリングするサンプリング信号を生成するタイミング制御回路と、
前記正励磁の平坦部分、及び前記負励磁の平坦部分の第１のサンプリング信号でサンプリングされた前記ＡＤ変換器の流速出力信号から前記流体の流量を求める流量演算処理と、前記正励磁の立ち上がり部分、及び前記負励磁の立下り部分の第２のサンプリング信号でサンプリングされた前記ＡＤ変換器の流速出力信号成分を含む微分出力信号と前記流速出力信号とから微分ノイズを求めて、前記励磁電流の異常を検出し、前記励磁回路部の故障箇所を判定する異常判定処理と、を実行する演算部と、
を備え、
前記流量演算処理と、前記異常判定処理とを、前記電極間信号から同時に処理するようにしたことを特徴とする電磁流量計。
前記異常判定処理は、前記正励磁及び前記負励磁の前記微分出力信号に含まれる流速出力信号成分を、前記流速出力信号に対して予め設定される比例定数を乗じて求め、
さらに、前記微分出力信号から、求めた前記流速出力信号成分を減じて微分ノイズを求め、
求めた当該微分ノイズに対して予め設定される閾値と比較して、励磁電流の異常を検出するようにした請求項１に記載の電磁流量計。
測定管を流れる流体に磁場を印加して、当該磁場の印加方向と当該流体を流す管軸方向とに直交する方向に備える一対の電極間に発生する電極間信号を処理して前記流体の流量を求める電磁流量計において、
前記磁場を生成する励磁コイルと、当該励磁コイルに励磁電流を流す励磁回路と、を有する励磁回路部を備える方形波励磁方式の電磁流量計の励磁回路部の自己診断方法であって、
前記差動増幅器で増幅された前記電極間信号の正励磁の立ち上がり部分、負励磁の立下り部分、当該立ち上がり部分を除く当該正励磁の平坦部分、及び当該立ち下がり部分を除く当該負励磁の平坦部分を、予め設定されるタイミングでサンプリングし、
前記正励磁の平坦部分、及び前記負励磁の平坦部分の第１のサンプリング信号でサンプリングされた前記ＡＤ変換器の流速出力信号から前記流体の流量を求めるとともに、前記正励磁の立ち上がり部分、及び前記負励磁の立下り部分の第２のサンプリング信号でサンプリングされた前記ＡＤ変換器の微分出力信号を求め、
前記正励磁及び前記負励磁の前記微分出力信号に含まれる流速出力信号成分を、前記流速出力信号に対して予め設定される比例定数ｋを乗じて求め、
前記微分出力信号から前記流速出力信号成分を減じて微分ノイズを求め、
求めた微分ノイズに対して予め設定される閾値と比較して、励磁電流の異常を検出し、当該励磁回路部の自己診断をするようにしたことを特徴とする電磁流量計の励磁回路部の自己診断方法。