JP6610880B2 - 電磁流量計 - Google Patents

Description

本発明は、電磁流量計に関し、特に、励磁回路と励磁コイルとを接続する励磁ケーブルのケーブル長が長い場合であっても、測定誤差を少なくすることができる電磁流量計に関する。

電磁誘導を利用して導電性の流体の流量を計測する電磁流量計は、堅牢で高精度であることから工業的用途等に広く用いられている。電磁流量計は、直交方向に磁場がかけられた測定管内に導電性の被測定流体を流し、発生した起電力を一対の電極を用いて計測する。この起電力は、被測定流体の流速に比例するため、計測された起電力に基づいて被測定流体の体積流量を得ることができる。

図５は、従来の電磁流量計５００の構成を示す図である。本図に示すように電磁流量計５００は、検出器５１０と変換器５２０とを備えており、両者は信号ケーブル５３０および励磁ケーブル５４０によって電気的に接続される。

検出器５１０は、被測定流体が流れる測定管５１１と、励磁コイル５１５とを備えており、測定管５１１には、一対の測定電極５１３と接地電極５１４とが取り付けられている。

変換器５２０は、励磁回路５２１、差動増幅回路５２２、Ａ／Ｄ回路５２３、演算回路５２４、出力回路５２５を備えている。差動増幅回路５２２と測定電極５１３とが信号ケーブル５３０で接続され、励磁回路５２１と励磁コイル５１５とが励磁ケーブル５４０で接続される。

演算回路５２４からの励磁制御信号にしたがって、励磁回路５２１は励磁電流を出力する。この励磁電流は、励磁ケーブル５４０を介して励磁コイル５１５に流れ、測定管５１１内に磁場を与える。

被測定流体内で発生した起電力は、一対の測定電極５１３で検出され、信号ケーブル５３０を介して差動増幅回路５２２に入力されて、流量信号として出力される。Ａ／Ｄ回路５２３は、励磁回路５２１が出力する励磁電流に対応した電圧の励磁信号と、流量信号とをデジタル変換し、演算回路に出力する。演算回路５２４はこれらの信号に基づいて、具体的には、流量信号と励磁信号との比に基づいて被測定流体の流量を算出し、出力回路５２５を介して外部に出力する。

図６は、励磁ケーブル５４０を介して励磁コイル５１５と接続している励磁回路５２１の構成例を示している。なお、本例では、図７に示すように正励磁区間と負励磁区間とを交互に繰り返す励磁電流を出力する場合を例にしている。ただし、無励磁区間を含んだ励磁電流や、長短の２つの周波数を組み合わせた励磁電流の場合等もある。

本図に示すように、励磁回路５２１は、電流供給部５２６と、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４とそれぞれのスイッチに対応したスイッチ制御部ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４と、励磁電流検出抵抗Ｒｄを備えている。

スイッチＱ１とＱ３とが直列に並んで電流供給部５２６に接続され、スイッチＱ２とＱ４とが直列に並んで電流供給部５２６に接続されており、スイッチＱ１とＱ３との接続点およびスイッチＱ２とＱ４との接続点に励磁ケーブル５４０が接続されている。このとき、励磁ケーブル５４０の一端は励磁電流検出抵抗Ｒｄを挟んで接続されている。励磁電流検出抵抗Ｒｄで生じる電圧は、励磁信号Ｖｄとして出力される。

励磁ケーブル５４０に接続された励磁コイル５１５は、インダクタンス成分Ｌと抵抗成分Ｒとを含んでいる。ここで、励磁電流検出抵抗Ｒｄを流れる電流をＩｒとし、励磁コイル５１５を流れる電流をＩｅｘとする。

図８は、スイッチ制御部ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４のスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４に対する制御例である。図９に示すように、正励磁区間では、スイッチＱ２とＱ３オフ、スイッチＱ４オンの状態で、スイッチ制御部ＳＷ１が励磁電流検出抵抗Ｒｄに生じる電圧の増減に対応してスイッチＱ１のオンオフを行なうことで電流Ｉｒが一定になるようにＰＷＭ制御し、負励磁区間では、スイッチＱ１とＱ４オフ、スイッチＱ３オンの状態で、スイッチ制御部ＳＷ２がスイッチＱ２のオンオフを行なうことで電流Ｉｒが一定になるようにＰＷＭ制御する。

特開２００４−３２５１００号公報 特開２００２−１６８６６７号公報

励磁ケーブル５４０は、抵抗成分とインダクタンス成分と容量成分とを含む分布定数回路と考えることができる。励磁ケーブル５４０のケーブル長がそれほど長くないときには、これらの成分は無視することができるため、励磁電流検出抵抗Ｒｄを流れる電流Ｉｒ（検出励磁電流Ｉｒ）と励磁コイル５１５を流れる電流Ｉｅｘ（実励磁電流Ｉｅｘ）とは同一と見なすことができる。

しかしながら、励磁ケーブル５４０のケーブル長が長い場合には、図１０に示すように、容量Ｃｉを流れる電流Ｉｃが無視できなくなってくる。すなわち、実励磁電流Ｉｅｘは、検出励磁電流Ｉｒから電流Ｉｃを引いた値となる。電流Ｉｃは、電流の反転時に多く流れるため、検出励磁電流Ｉｒと実励磁電流Ｉｅｘとは、図１１に示すような関係となる。

このように、励磁電流検出抵抗Ｒｄで励磁信号Ｖｄとして検出される検出励磁電流Ｉｒは、実際に励磁コイル５１５を流れる実励磁電流Ｉｅｘと差分を有している。上述のように、被測定流体の流量は、流量信号と励磁信号との比に基づいて算出されるため、この差分は電磁流量計の測定誤差となる。

そこで、本発明は、電磁流量計において、励磁回路と励磁コイルとを接続する励磁ケーブルのケーブル長が長い場合であっても、測定誤差を少なくすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である電磁流量計は、励磁電流を出力する励磁回路と励磁コイルとが励磁ケーブルで接続される電磁流量計であって、前記励磁回路において前記励磁電流に基づいて検出される励磁信号を、前記励磁ケーブルのケーブル長を含んだ特性と、前記励磁コイルの特性と、前記励磁電流の周波数とに基づいて補正することを特徴とする。
ここで、前記励磁ケーブルの特性は、前記励磁ケーブルの単位長当たりのキャパシタンスを含むことができる。
また、前記励磁コイルの特性は、インダクタンス成分を含むことができる。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様である電磁流量計は、励磁電流を出力する励磁回路と励磁コイルとが励磁ケーブルで接続される電磁流量計であって、前記励磁回路において前記励磁電流に基づいて検出される励磁信号を、あらかじめ作成した前記励磁コイルを流れる電流と前記励磁信号との関係式を用いて補正することを特徴とする。
いずれの態様においても、前記励磁回路は、前記励磁電流が流れる検出抵抗を備え、前記励磁信号は、前記検出抵抗で生じる電圧とすることができる。
また、測定電極が取り付けられ、被測定流体が流れる測定管をさらに備え、補正された前記励磁信号と、前記測定電極で検出される流量信号に基づいて前記被測定流体の流量を算出することができる。

本発明によれば、電磁流量計において、励磁回路と励磁コイルとを接続する励磁ケーブルのケーブル長が長い場合であっても、測定誤差を少なくすることができる。

本実施形態の電磁流量計の構成を示す図である。 励磁ケーブルのケーブル長が長い場合のモデル図である。 本実施形態の電磁流量計の動作を説明するフローチャートである。 本実施形態の電磁流量計の別例を示す図である。 従来の電磁流量計の構成を示す図である。 励磁回路を説明する図である。 正励磁区間と負励磁区間とを示す図である。 スイッチ制御部の動作を説明する図表である。 スイッチ制御部の動作を説明する波形図である。 励磁ケーブルのケーブル長が長い場合の影響を説明する図である。 検出励磁電流Ｉｒと実励磁電流Ｉｅｘとの関係を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の電磁流量計１００の構成を示す図である。本図に示すように電磁流量計１００は、検出器１１０と変換器１２０とを備えており、両者は信号ケーブル１３０および励磁ケーブル１４０によって電気的に接続される。

検出器１１０は、被測定流体が流れる測定管１１１と、励磁コイル１１５とを備えており、測定管１１１には、一対の測定電極１１３と接地電極１１４とが取り付けられている。

変換器１２０は、励磁回路１２１、差動増幅回路１２２、Ａ／Ｄ回路１２３、演算回路１２４、出力回路１２５を備えている。差動増幅回路１２２と測定電極１１３とが信号ケーブル１３０で接続され、励磁回路１２１と励磁コイル１１５とが励磁ケーブル１４０で接続される。

演算回路１２４からの励磁制御信号にしたがって、励磁回路１２１は励磁電流を出力する。この励磁電流は、励磁ケーブル１４０を介して励磁コイル１１５に流れ、測定管１１１内に磁場を与える。

被測定流体内で発生した起電力は、一対の測定電極１１３で検出され、信号ケーブル１３０を介して差動増幅回路１２２に入力されて、流量信号として出力される。Ａ／Ｄ回路１２３は、励磁回路１２１が出力する励磁電流に対応した励磁信号と、流量信号とをデジタル変換し、演算回路に出力する。演算回路１２４は流量信号と励磁信号との比に基づいて被測定流体の流量を算出し、出力回路１２５を介して外部に出力する。

励磁回路１２１の構成は従来と同様である。すなわち、励磁電流検出抵抗Ｒｄを備えており、検出励磁電流Ｉｒが検出される。具体的には、励磁電流検出抵抗Ｒｄに発生する電圧として検出され、励磁信号Ｖｄとして演算回路１２４に入力される。

演算回路１２４は、励磁信号補正部１２６を備えている。励磁信号補正部１２６は、検出励磁電流Ｉｒを基準とした励磁信号Ｖｄを、実励磁電流Ｉｅｘを基準とした励磁信号Ｖｅｘに補正する。演算回路１２４は、励磁信号補正部１２６によって補正された励磁信号Ｖｅｘを用いて流量を算出する。すなわち、流量信号と補正された励磁信号との比に基づいて被測定流体の流量を算出する。これにより、励磁ケーブル１４０のケーブル長が長い場合であっても、誤差の少ない流量演算を行なうことができる。

図２は、励磁ケーブル１４０のケーブル長が長いときの簡易モデルである。励磁電流検出抵抗Ｒｄを流れる検出励磁電流Ｉｒは、励磁ケーブル１４０に流入し、一部が容量成分Ｉｃを流れる電流Ｉｃとなる。そして、残りの電流が実励磁電流Ｉｅｘとなって励磁コイル１１５を励磁し、測定管１１１内に磁場を与える。

ここで、励磁ケーブル１４０が有する容量成分ＣｉのインピーダンスをＺｃとする。また、励磁コイル１１５は、インダクタンス成分Ｌ（H）と抵抗成分Ｒ（Ω）と有しているものとし、そのインピーダンスをＺとする。なお、励磁ケーブル１４０の抵抗成分Ｒｉとインダクタンス成分Ｌｉは、本実施例では問題とならない。

励磁電流の角周波数をω（rad/s）とし、励磁ケーブル１４０の単位長当たりのキャパシタンスをＣｃｏ（F/m）とし、励磁ケーブル１４０のケーブル長をＡ（m）とすると、容量成分ＣｉのインピーダンスＺｃは、[数１]となる。
なお、角周波数ωは、励磁電流の周波数がＦｃ（Hz）の場合、［数２］で算出することができる。
［数１］が示すように、励磁ケーブル１４０のケーブル長Ａが長くなると、ケーブル容量が増え、ケーブル容量Ｃｉを介して流れる電流Ｉｃが増加する。これにより、励磁コイル１１５に流れる実励磁電流Ｉｅｘが減少し、本来得られるべき起電力よりも、実際に発生する起電力が小さくなる。

励磁コイル１１５のインピーダンスＺは、［数３］となる。
以上より、ケーブル容量Ｃｉを介して流れる電流Ｉｃと、検出励磁電流Ｉｒとの関係は、［数４］で示すことができる。
仮に、Ｉｒ＝１００（mA）、Ｒ＝１００（Ω）、Ｌ＝０．２（Ｈ）、Ｃｃｏ＝０．１（nF/m）、Ｆｃ＝５０（Hz）とした場合、ケーブル長Ａが２００（m）であれば、Ｉｃ＝０．１０２２（mA）となり、ケーブル長Ａが２０００（m）であれば、Ｉｃ＝１．０１３（mA）となる。すなわち、励磁ケーブル１４０のケーブル長Ａが長くなるとケーブル容量Ｃｉを介して流れる電流Ｉｃが増加する結果が得られる。

励磁電流検出抵抗Ｒｄで生じる電圧である励磁信号Ｖｄは、電流Ｉｃによって生じる電圧分も含んでいる。このため、実励磁電流Ｉｅｘによって生じる電圧である励磁信号Ｖｅｘは、補正係数をｋとした［数５］にしたがって求めることができる。
励磁信号補正部１２６は、［数５］にしたがって、励磁信号Ｖｄを補正した励磁信号Ｖｅｘを算出する。このため、励磁信号補正部１２６は、あらかじめ励磁ケーブル１４０のケーブル長Ａ（m）、単位長当たりのキャパシタンスＣｃｏ（F/m）の登録を受け付けておく。また、検出器１１０の仕様に基づいて、励磁コイル１１５のインダクタンス成分Ｌ（H）と抵抗成分Ｒ（Ω）を記録しておく。抵抗成分Ｒ（Ω）が十分小さい場合には、無視してもよい。励磁電流の周波数は、演算回路１２４から取得することができる。

次に、本実施形態の電磁流量計１００の流量測定動作について、図３のフローチャートを参照して説明する。

流量測定を開始すると、演算回路１２４は、デジタル変換された流量信号を取得する（Ｓ１０１）。また、デジタル変換された励磁信号Ｖｄを取得する（Ｓ１０２）。

取得した励磁信号Ｖｄに対して、励磁信号補正部１２６が励磁ケーブル１４０のケーブル長Ａ（m）、単位長当たりのキャパシタンスＣｃｏ（F/m）等の補正用のパラメータを参照して（Ｓ１０３）、［数５］にしたがった補正を行ない、補正後の励磁信号Ｖｅｘを算出する（Ｓ１０４）。

そして、演算回路１２４が、流量信号と補正後の励磁信号Ｖｅｘとの比に基づいて被測定流体の流量を算出し（Ｓ１０５）、出力回路１２５を介して外部に出力する（Ｓ１０６）。電磁流量計１００は、以上の処理を測定が終了するまで繰り返す（Ｓ１０７）。

励磁ケーブル１４０が短い場合には、補正演算は不要であるため、励磁信号補正部１２６の補正機能はオンオフを切り替えられるようにしてもよい。

なお、上述の例では、簡易モデルを用いた補正方法を用いたが、図４に示すように、実際の測定に先立ち、電流計１２７を用いて励磁コイル１１５近傍を流れる実励磁電流Ｉｅｘを測定し、実励磁電流Ｉｅｘと励磁信号Ｖｄとの関係に基づいて、励磁信号Ｖｄを励磁信号Ｖｅｘ（＝Ｉｅｘ×Ｒｄ）に変換する変換式を作成しておくようにしてもよい。変換式は励磁電流の周波数毎に作成することが望ましい。複数の励磁ケーブル１４０を付け替えて用いる場合には、励磁ケーブル１４０毎に作成する。

この場合は、測定時に、あらかじめ作成した変換式に基づいて励磁信号Ｖｄを補正することで励磁信号Ｖｅｘを求めることができる。

１００…電磁流量計、１１０…検出器、１１１…測定管、１１３…測定電極、１１４…接地電極、１１５…励磁コイル、１２０…変換器、１２１…励磁回路、１２２…差動増幅回路、１２３…Ａ／Ｄ回路、１２４…演算回路、１２５…出力回路、１２６…励磁信号補正部、１２７…電流計、１３０…信号ケーブル、１４０…励磁ケーブル

Claims (6)

1. 励磁電流を出力する励磁回路と励磁コイルとが励磁ケーブルで接続される電磁流量計であって、
   前記励磁回路において前記励磁電流に基づいて検出される励磁信号を、前記励磁ケーブルのケーブル長を含んだ特性と、前記励磁コイルの特性と、前記励磁電流の周波数とに基づいて補正することを特徴とする電磁流量計。
2. 前記励磁ケーブルの特性は、前記励磁ケーブルの単位長当たりのキャパシタンスを含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁流量計。
3. 前記励磁コイルの特性は、インダクタンス成分を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁流量計。
4. 励磁電流を出力する励磁回路と励磁コイルとが励磁ケーブルで接続される電磁流量計であって、
   前記励磁回路において前記励磁電流に基づいて検出される励磁信号を、あらかじめ作成した前記励磁コイルを流れる電流と前記励磁信号との関係式を用いて補正することを特徴とする電磁流量計。
5. 前記励磁回路は、前記励磁電流が流れる検出抵抗を備え、
   前記励磁信号は、前記検出抵抗で生じる電圧であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁流量計。
6. 測定電極が取り付けられ、被測定流体が流れる測定管をさらに備え、
   補正された前記励磁信号と、前記測定電極で検出される流量信号に基づいて前記被測定流体の流量を算出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電磁流量計。