JP6364470B2 - 検出複素インピーダンスに基づく自動調整機能を有した電磁式流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流体処理に関するものであり、特にプロセス流体の計測及び制御に関するものである。具体的には、本発明は、電磁式流量計のための計測技術に関係している。

電磁式流量計は、ファラデーの電磁誘導の法則、即ち電磁作用によって流量を計測するものである。この流量計では、コイルを駆動して管路を横切る磁界を発生させ、この磁界によって、プロセス流体の流動を横切る起電力（ＥＭＦ；Electromotive Force）が誘起される。こうして生じた電位差（即ち電圧）は、管路壁を貫通して延設されてプロセス流体に接する１対の電極、或いは静電結合によって計測される。流速は、誘起されるＥＭＦと比例関係にあり、体積流量は、流速及び流路断面積に比例する。

一般に、電磁式の流量計測技術は、水を主成分とする流体、イオン溶液、及びそのほかの導電体の流動に適用することが可能である。具体的な用途は、水処理施設、高純度薬品製造、衛生的な飲食物製造、並びに、危険性及び腐食性を有したプロセス流体を含む化学処理などである。また、電磁式流量計は、摩耗性や腐食性を有するスラリを利用した液圧破砕技術を伴う炭化水素燃料産業や、そのほかの炭化水素抽出処理でも使用される。

電磁式流量計は、付随して生じる圧力損失（例えば、オリフィス板やベンチュリ管を通過する際の圧力損失）のために差圧式の技術が好まれないような用途において、迅速且つ正確な流量計測を提供する。また、タービンロータ、渦生成部材、或いはピトー管といった機械要素をプロセス流体中に導入することが困難または実現不可能な場合にも、電磁式流量計を使用することが可能である。

いくつかのタイプの電磁式流量計では、交流電源電力でそのまま駆動するフィールドコイルが用いられる。また、一般的にパルス化直流励磁型電磁式流量計と称されるような別のタイプの電磁式流量計では、低い周波数の矩形波で周期的にフィールドコイルを駆動する。このパルス化直流励磁型電磁式流量計は、特定の周波数で方向が切り替わる磁界を用いる。磁界が反転する際、磁界の急激な反転によって電極電圧にスパイクが生じる。このようなスパイクは、流速とは無関係である一方で、磁界の変化速度に関係する。流量を計測するためには、このスパイクが完全に減衰するまで待機するように、電極電圧計測回路がプログラムされている必要があり、そのようにしない場合には、減衰していくスパイクに起因した電位差が、流量計測値に現れることになる。

電圧スパイクの減衰速度は、電圧スパイクに抵抗容量（ＲＣ）フィルタとして作用するプロセス流体のインピーダンスに応じて変化する。一方、このインピーダンスは、プロセス流体の導電率、電極表面の何らかの被覆、及びトランスミッタと流路管との間のケーブルの長さに依存する。従って、流量計が製造工場から出荷されると、電圧スパイクの減衰速度を知ることができなくなり、プロセス流体の導電率が変化したり、電極表面に被覆が形成されたりすると、電圧スパイクの減衰速度が時間の経過と共に変化することがある。

電極相互間のインピーダンスは、予め知ることができず、時間の経過と共に変化していく可能性があるため、パルス化直流励磁型電磁式流量計は、電圧スパイクが流量計測値に入り込む可能性が極めて低くなるような、半周期の一番最後の部分でのみサンプリングするようにプログラムするのが一般的である。このような計測の時期は、例えば各半周期の２０％しかない場合がある。

本発明は、検出した複素インピーダンスに基づき、作動パラメータの自動調整を行う電磁式流量計に関する。電磁式流量計は、管路と、前記管路の外周面に隣接するコイルと、電流供給源と、前記管路の内周面へと延設された複数の電極と、前記複数の電極の間の検出電圧に応じた流量出力信号を生成するプロセッサとを備える。前記プロセッサは、前記管路内を流動するプロセス流体の複素インピーダンスとして前記複数の電極の間、または前記複数の電極のうちの１以上と接地との間で検出した複素インピーダンスに応じてコイル駆動周波数、電極電圧サンプリング期間、及び電極信号の位相ずれのうちの１つを調整する。

本発明の更なる態様は、流量計測方法に関する。この流量計測方法は、プロセス流体の流動を横切る磁界を生成する工程と、電極電圧サンプリング期間において、前記磁界によって複数の検出電極の間に誘起された電圧を検出する工程と、検出された前記電圧に基づき、流量出力信号を生成する工程とを備える。更に、流量計測方法は、前記プロセス流体の複素インピーダンスとして、前記複数の検出電極の間、または前記複数の検出電極のうちの１以上と接地との間の複素インピーダンスを検出する工程と、検出された前記複素インピーダンスに応じてコイル駆動周波数、電極電圧サンプリング期間、及び電極信号の位相ずれのうちの１つを変化させる工程とを備える。

もう１つの態様として、電磁式流量計の作動方法は、プロセス流体の複素インピーダンスとして、複数の検出電極の間、または前記複数の検出電極のうちの１以上と接地との間の複素インピーダンスを検出する工程と、検出された前記複素インピーダンスに応じて、前記電磁式流量計のコイル駆動周波数、電極電圧サンプリング期間、及び電極信号の位相ずれのうちの１つを自動的に調整する工程とを備える。

パルス化直流励磁型の電磁式流量計のブロック図である。 検出した複素インピーダンスに応じ、作動パラメータである電極電圧サンプリング期間を調整する実施形態を例示するブロック図である。 検出した複素インピーダンスに応じ、作動パラメータであるコイル駆動パルス周波数を調整する実施形態を例示するブロック図である。 ２つの異なる導電率を有した水で、それぞれ管路を満たした場合のパルス化直流励磁型の電磁式流量計に関し、電極信号を時間の経過に応じて示すグラフである。 ２つの異なる導電率を有した水で、それぞれ管路を満たした場合のパルス化直流励磁型の電磁式流量計に関し、電極信号を時間の経過に応じて示すと共に、検出した複素インピーダンスに基づく電極電圧サンプリング期間の自動的な調整を例示するグラフである。

図１は、典型的なパルス化直流励磁型の電磁式流量計１０を示しており、電磁式流量計１０は、主要部（即ち流路管部）１０Ａと、付属部（即ちトランスミッタ）１０Ｂとを備える。流路管部１０Ａは、管路１２、絶縁用のライナ１４、電極１６Ａ、電極１６Ｂ、フィールドコイル１８Ａ、及びフィールドコイル１８Ｂを備える。

流路管部１０Ａの主たる機能は、計測対象の流体の流速に比例する電圧を生成することである。フィールドコイル１８Ａ及びフィールドコイル１８Ｂは、電流が流れることにより駆動され、磁界を生成する。パルス化直流励磁型の電磁式流量計では、コイル駆動電流の方向が周期的に反転されることにより、これらフィールドコイル１８Ａ及び１８Ｂが生成する磁界の方向が切り替わる。流路管部１０Ａの内部を通過するプロセス流体は、当該流体中に電圧を誘起する移動導電体として機能する。流路管部１０Ａの内周面と面一となるように取り付けられた２つの電極１６Ａ及び１６Ｂは、導電性を有したプロセス流体と電気的に直に接することにより、プロセス流体中に生じた電圧を捕捉する。この電圧が短絡するのを防止するため、プロセス流体は電気的絶縁材料の中に収容されている必要がある。管路１２が金属管である場合、この電気的絶縁はライナ１４によって行われ、このライナ１４は、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、または絶縁ゴム材などの非導電性材料からなる。

トランスミッタ１０Ｂは、電極１６Ａ及び電極１６Ｂに生成された電圧を解析し、標準化された信号を監視システムまたは制御システムに伝送する。付属部１０Ｂは、トランスミッタまたは信号変換器と称されるのが一般的である。

通常、トランスミッタ１０Ｂは、信号プロセッサ２０、デジタルプロセッサ２２、コイル駆動部２４、及び通信用インタフェース２６を備える。信号の変換、調整、及び伝送がトランスミッタ１０Ｂの主たる機能である。

デジタルプロセッサ２２は、コイル駆動部２４によって２つのフィールドコイル１８Ａ及び１８Ｂに供給されるパルス化直流コイル駆動電流のパルス周波数を制御する。コイル駆動部２４によって供給される電流の波形は、パルス周波数として示される周波数を有した矩形波である。コイルの駆動は周期的に遮断され、２つのフィールドコイル１８Ａ及び１８Ｂが作動を停止する。これにより、電極１６Ａと電極１６Ｂとの間、または電極１６Ａもしくは電極１６Ｂと接地との間の電圧を周期的に計測することが可能となる。このような計測は、流路管部１０Ａ内に誘起された電圧のサンプリング、及びノイズに対する補正に用いることができる。また、この計測は、複素インピーダンスの検出にも利用することが可能であり、この複素インピーダンスは、電極電圧サンプリング期間や、コイル駆動パルス周波数といった、電磁式流量計１０の作動パラメータを自動的に調整する際に用いることができる。

複素インピーダンスは、フィールドコイルの作動を停止せずに検出することも可能である。コイル駆動用の周波数から離れた周波数、及び２つのフィールドコイル１８Ａ及び１８Ｂの駆動信号とは非同期の周波数の少なくとも一方で、２つのフィールドコイル１８Ａ及び１８Ｂに電流を流すことにより、複素インピーダンスの検出を行いながら、流量の計測も継続することが可能である。

信号プロセッサ２０は、電極１６Ａ及び電極１６Ｂ、並びに接地点に接続されている。接地点への接続は、管路１２への接続であってもよいし、管路１２の上流側または下流側にあるフランジまたは配管部分への接続であってもよい。

デジタルプロセッサ２２によって定められた電極電圧サンプリング期間にわたり、信号プロセッサ２０は、電極１６Ａの電位ＶＡ及び電極１６Ｂの電位ＶＢを監視する。信号プロセッサ２０は、電極１６Ａと電極１６Ｂとの間の電位の差を表す電圧を生成し、この電圧を、電極電圧サンプリング期間における電極電圧を示すデジタル信号に変換する。デジタルプロセッサ２２は、更に、信号プロセッサ２０から受け取ったデジタル信号の信号処理や整備を行うようにしてもよい。デジタルプロセッサ２２は、通信用インタフェース２６に流量計測値を送り、通信用インタフェース２６は、この流量計測値を読み出したり、コントロールシステム（図示せず）に伝送したりするための通信を行う。通信用インタフェース２６による通信は、４ｍＡと２０ｍＡとの間で変化するアナログ電流値、デジタル情報が４〜２０ｍＡの電流に変調されるＨＡＲＴ（登録商標）プロトコル、例えばＦｉｅｌｄｂｕｓ（登録商標、ＩＥＣ６１１５８）のようなデジタルバスを介した通信プロトコル、或いは、例えばＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標、ＩＥＣ６２５９１）のようなワイヤレスプロトコルを用いるワイヤレスネットワークを介したワイヤレス通信によって行うことが可能である。

また、信号プロセッサ２０は、流路管部１０Ａ内の複素インピーダンスを監視することも可能であり、この複素インピーダンスは、流路管部１０Ａ内を流動する流体の導電率、電極１６Ａ及び電極１６Ｂの表面に形成された何らかの被覆、及び流路管部１０Ａとトランスミッタ１０Ｂとの間のケーブルの長さに応じて変化する。この検出機能において、信号プロセッサ２０は、電極１６Ａ及び電極１６Ｂに電流を流す。電極１６Ａと電極１６Ｂとの間の電圧、または電極１６Ａ及び電極１６Ｂのいずれかと接地との間の電圧は、デジタルプロセッサ２２による複素インピーダンスの検出値の取得に用いることが可能であって、この複素インピーダンスの検出値は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、電磁式流量計１０の作動パラメータの自動調整に用いることができる。図２Ａは、検出した複素インピーダンスに応じ、作動パラメータの電極電圧サンプリング期間を調整する実施形態を例示するブロック図であり、図２Ｂは、検出した複素インピーダンスに応じ、作動パラメータのコイル駆動パルス周波数を調整する実施形態を例示するブロック図である。図２Ａの実施形態に示すように、複素インピーダンスを検出し（ステップ１００）、次に、検出した複素インピーダンスに応じ、電極電圧サンプリング期間を定める（ステップ１０２）。最後に、実際の電極電圧サンプリング期間を、検出した複素インピーダンスに応じて定めた電極電圧サンプリング期間に調整し、信号対雑音比を改善する（ステップ１０４）。同様に、図２Ｂの実施形態の場合、複素インピーダンスを検出し（ステップ２００）、次に、検出した複素インピーダンスに応じ、コイル駆動パルス周波数を定める（ステップ２０２）。最後に、実際のコイル駆動パルス周波数を、検出した複素インピーダンスに応じて定めたコイル駆動パルス周波数に調整し、信号対雑音比を改善する（ステップ２０４）。一実施形態として、検出した複素インピーダンスを、電極電圧サンプリング期間及びコイル駆動パルス周波数の両方の調整に用いるようにしてもよい。

このように、検出した複素インピーダンスに基づき、デジタルプロセッサ２２は、信号対雑音比を改善するように、電極電圧サンプリング期間及びコイル駆動パルス周波数の一方または両方を変化させることができる。具体的には、電極電圧サンプリング期間を、検出された複素インピーダンスの変化と逆の方向に調整し、検出された複素インピーダンスが減少するに従い、電極電圧サンプリング期間が増大するようにしてもよい。また、コイル駆動パルス周波数の調整も、複素インピーダンスの変化と逆の方向に行い、検出された複素インピーダンスが減少するに従い、コイル駆動パルス周波数が上昇するようにしてもよい。

図３は、パルス化直流励磁型の電磁式流量計に関し、電極信号を時間の経過に応じて示すグラフである。このグラフは、２つの異なる導電率を有する水で、それぞれ６インチ（１５２．４ｍｍ）の管路を満たした場合の、ローズマウント（Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ、登録商標）社製８７０５流量計から得たものである。コイル駆動パルス周波数は３７Ｈｚに設定されている。第１サンプルは、ローズマウント社製８７０５流量計に規定された最小の導電率となる５μＳ／ｃｍに調整された導電率を有する脱イオン水（ＤＷ）である。第２サンプルは、導電率が２２０μＳ／ｃｍと計測された標準的な水道水（ＴＷ）である。

図３の領域Ａに示すように、磁界の方向が反転することによって生じたスパイクの振幅は、脱イオン水（ＤＷ）の波形の方が、水道水（ＴＷ）の波形よりも小さい。

領域Ｂには、ＤＷの波形におけるスパイクの立ち下がり端が、ＴＷの波形におけるスパイクの立ち下がり端より遅れていることが示されている。領域Ｃには、ＤＷの波形におけるスパイクが、ＴＷの波形におけるスパイクよりもゆっくりと減衰することが示されている。

図４にも、脱イオン水（ＤＷ）の波形及び水道水（ＴＷ）の波形が示されている。コイル駆動パルス周波数は３７Ｈｚである。脱イオン水は５μＳ／ｃｍの導電率を有し、水道水は２２０μＳ／ｃｍの導電率を有する。

図４では、ＴＷの信号及びＤＷの信号に、ＤＷＲＡ及びＴＷＲＡの符号を有する１５周期移動平均が重ね合わせられている。これらの起伏する平均波形により、ノイズ越しにスパイクの減衰を容易に視認できる。

図４に示すグラフには、パルス化直流励磁型の電磁式流量計で用いられる標準の２０％電極電圧サンプリング期間が示されている。この標準の２０％電極電圧サンプリング期間は、図４においてＳＴＤの符号が付されている。

また、図４中に破線で示すように、電極電圧サンプリング期間の増加分が符号ＡＤＤで示されている。これは、高い導電率を有した流体の場合に適用可能な追加サンプリング期間を示すものである。

脱イオン水のサンプルの場合、標準の２０％電極電圧サンプリング時間ＳＴＤが始まる直前まで、スパイクが０近くに減衰しない。従って、脱イオン水の場合の電極電圧サンプリング期間は、概ね最適である。

一方、水道水のサンプルの場合、標準の２０％電極電圧サンプリング時間ＳＴＤが始まるよりもかなり前に、完全にスパイクが減衰している。このことは、より長いサンプリング期間が適用可能であることを意味しており、この結果、より一層高い信号対雑音比を得ることが可能となる。図４に示す例では、電極電圧サンプリング期間ＳＴＤ＋ＡＤＤを、標準の２０％電極電圧サンプリング期間ＳＴＤのほぼ３倍とすることが可能である。

より長い電極電圧サンプリング期間を採用できるか否かは、減衰時間の推測を可能とするプロセス流体の複素インピーダンスの計測が可能であるか否かにかかっている。電磁式流量計を流動するプロセス流体の多くは、水道水と同等または水道水より大きい導電率を有しており、電磁式流量計を用いた多くの場合の流量計測で、電極電圧サンプリング期間の延長による効果が得られることになる。

信号対雑音比の上昇により、電磁式流量計の性能を向上させることができる。また、これに代え、性能を損なうことなく、フィールドコイルへの供給電力を低減するようにしてもよい。水道水より大きな導電率を有した流体は、より一層迅速に安定化しうるので、より大きな改善が得られることになる。

検出した複素インピーダンスに応じた電極電圧サンプリング期間の自動調整による効果は、著しいコストの増大を生じることなく得られる。通常、トランスミッタにおける電子回路への変更は最小限ですみ、複素インピーダンスの検出及び電極電圧サンプリング期間の決定は、デジタルプロセッサ２２におけるソフトウエアの変更によって行うことが可能である。

本発明のもう１つの実施形態として、流体の複素インピーダンスに基づき、コイル駆動パルス周波数を自動的に調整することも可能である。一般に、高い周波数であるほどプロセスノイズは低下する傾向にあるので、コイル駆動パルス周波数の上昇により、信号対雑音比が向上する。但し、電圧スパイクは完全には減衰せず、また流体の複素インピーダンスを考慮しなければ減衰時間を知ることができないため、周波数を上昇させた作動では、ゼロ点についての信頼性が低下するという制限がある。流体の複素インピーダンスを検出し、その複素インピーダンスに応じてコイル駆動パルス周波数を調整することにより、トランスミッタ１０Ｂは、ゼロ点の安定性を損なうことなく、可能な限り高い周波数で電磁式流量計１０を作動させることが可能となる。

検出した複素インピーダンスに基づく電磁式流量計の作動パラメータの調整は、交流励磁型の流量計にも適用可能である。例えば、電極インピーダンスに基づく電極信号の位相ずれの調整に、検出した複素インピーダンスを用いるようにしてもよい。これにより、更に良好な直交位相の調整が得られることで、ゼロドリフトを抑制することができ、使用計測技術に応じたノイズ低減を更に改善することが可能となる。

具体的な実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であると共に、均等物で本発明の各構成要素を置き換えることが可能であることが当業者に理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況やものを本発明の教示に適合させるための様々な変形が可能である。従って、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に包含される全ての態様を含むものである。

Claims (11)

1. 内周面と外周面とを有する管路と、
   前記管路の前記外周面に隣接するコイルと、
   前記コイルに接続され、コイル駆動周波数で交番磁界を発生させる電流供給源と、
   前記管路の前記外周面から前記管路の前記内周面へと延設された複数の電極と、
   前記複数の電極の間の検出電圧に応じた流量出力信号を生成するプロセッサとを備え、
   前記プロセッサは、前記管路内を流動するプロセス流体の複素インピーダンスとして前記複数の電極の間、または前記複数の電極のうちの１以上と接地との間で検出した複素インピーダンスに応じて前記コイル駆動周波数、電極電圧サンプリング期間、及び電極信号の位相ずれのうちの１つを調整する
   ことを特徴とする電磁式流量計。
2. 前記プロセッサは、前記複素インピーダンスの変化とは逆方向に前記コイル駆動周波数を調整することを特徴とする請求項１に記載の電磁式流量計。
3. 前記プロセッサは、前記複素インピーダンスの変化とは逆方向に前記電極電圧サンプリング期間を調整することを特徴とする請求項１に記載の電磁式流量計。
4. 前記電流供給源は、パルス化直流電流供給源であることを特徴とする請求項１に記載の電磁式流量計。
5. 前記電流供給源は、交流電流供給源であることを特徴とする請求項１に記載の電磁式流量計。
6. プロセス流体の流動を横切る交番磁界を生成する工程と、
   前記交番磁界によって複数の検出電極の間に誘起された電圧を検出する工程と、
   検出された前記電圧に基づき、流量出力信号を生成する工程と、
   前記プロセス流体の複素インピーダンスとして、前記複数の検出電極の間、または前記複数の検出電極のうちの１以上と接地との間の複素インピーダンスを検出する工程と、
   検出された前記複素インピーダンスに応じてコイル駆動周波数、電極電圧サンプリング期間、及び電極信号の位相ずれのうちの１つを変化させる工程と
   を備えることを特徴とする流量計測方法。
7. 前記電極電圧サンプリング期間は、検出された前記複素インピーダンスの変化とは逆方向に調整されることを特徴とする請求項６に記載の流量計測方法。
8. 前記コイル駆動周波数は、検出された前記複素インピーダンスの変化とは逆方向に調整されることを特徴とする請求項６に記載の流量計測方法。
9. 電磁式流量計の作動方法であって、
   プロセス流体の複素インピーダンスとして、複数の検出電極の間、または前記複数の検出電極のうちの１以上と接地との間の複素インピーダンスを検出する工程と、
   検出された前記複素インピーダンスに応じて、前記電磁式流量計のコイル駆動周波数、電極電圧サンプリング期間、及び電極信号の位相ずれのうちの１つを自動的に調整する工程と
   を備えることを特徴とする作動方法。
10. 前記電極電圧サンプリング期間は、検出された前記複素インピーダンスの変化とは逆方向に調整されることを特徴とする請求項９に記載の作動方法。
11. 前記コイル駆動周波数は、検出された前記複素インピーダンスの変化とは逆方向に調整されることを特徴とする請求項９に記載の作動方法。

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