JP6806532B2 - 電磁流量計の励磁回路、および電磁流量計 - Google Patents
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Description
しかしながら、従来の電磁流量計(例えば特許文献1参照)では、パワートランジスタをOPアンプによって負帰還制御する定電流回路によって励磁電流を生成しているため、励磁電流を大きくすると、パワートランジスタの発熱が大きくなり、大きな放熱器が必要になる。したがって、発熱を抑えつつ、励磁電流を大きくすることが重要となる。
一般に、電磁流量計は、測定管に設けられた電極を計測対象の流体に直接接触させて、上記流体の起電力を検出する接液式と、測定管に設けられた電極を計測対象の流体に接触させることなく、上記流体の起電力を流体と電極間の静電容量を介して検出する容量式(非接液式)とに大別されるが、近年、電極が劣化し難くメンテナンスが容易な、容量式の小型の電磁流量計が特に注目されている。
具体的には、計測安定性の向上のために、上述した特許文献1に開示された励磁回路を採用した場合、励磁電流の立ち上がりを速くするために励磁極性切り替え時の励磁電圧をより高くする必要があるが、励磁電圧を大きくすると、定電流回路のパワートランジスタの消費電力が増大し、発熱が大きくなるため、放熱器が必要となる。しかしながら、電磁流量計の小型化のためには放熱器を設けるスペースを確保できないため、放熱器が不要となるように励磁電圧および励磁電流を低く抑えなければならず、十分な計測安定性は期待できない。
したがって、特許文献3に開示された励磁回路を採用した場合、放熱器を設けることなく励磁電圧および励磁周波数を上げることができたとしても、励磁回路が複雑になるため、電磁流量計の小型化が困難となる。
〈電磁流量計の構成〉
図1は、本発明の一実施の形態に係る励磁回路を備えた電磁流量計の構成を示す図である。
図1に示される電磁流量計10は、導電性を有する流体の流量を測定する機能を有しており、検出器16の測定管Pex内を流れる流体の流れ方向に対して磁界発生方向が垂直となるよう配置された励磁コイルLexへ、極性が交互に切り替わる励磁電流Iexを供給し、励磁コイルLexからの発生磁界と直交して測定管Pexに配設された一対の電極E1,E2の間に生じる起電力を検出し、この起電力を増幅した後、サンプリングして信号処理することにより、測定管Pex内を流れる流体の流量を測定する。
なお、以下の説明では、電圧を表す参照符号“VexSW”,“VexH”,“VexCOM”,および“VmD”等は、電圧のみならず、その電圧が供給される信号ラインをも表すものとする。
図2Aは、本発明の一実施の形態に係る励磁回路の構成を概念的に示す図である。
励磁回路15は、励磁コイルLexの励磁極性を切り替えるためのスイッチと、励磁コイルを直接パルス駆動して励磁電流を定電流制御するためのスイッチとを、別個の制御機構によって制御することを一つの特徴としている。
具体的に、スイッチング制御回路150は、共通電圧VexCOMを基準とした電流検出用抵抗Rsの検出電圧(フィードバック電圧)VFBを入力し、その検出電圧VFBが、上記目標電流値に対応する基準電圧Vrefと一致するようにパルス幅を可変したPWM信号を生成する。
図2Aに示した励磁回路15の一実施の形態を図2Bに示す。
図2Bは、実施の形態1に係る励磁回路の構成を示す図である。
図2Bに示すように、低速スイッチS11〜S14は、データ処理制御回路14(例えばCPU)からの励磁極性信号EXD1,EXD2によってオン/オフの切替制御が行われる。
次に、実施の形態1に係る励磁回路15の動作について詳細に説明する。
先ず、データ処理制御回路14(例えばCPU)が、低速スイッチS11,S13の一次側のフォトダイオードFDのアノード側にデジタル信号処理用の動作電圧VmDを印加した状態において、励磁極性信号EXD1,EXD2の論理(例えば、ハイレベル:VmD,ローレベル:VmCOM)を切り替えて、低速スイッチS11〜S14の一次側のフォトダイオードに流れる電流を制御することにより、一定の周期で各低速スイッチS11〜S14をスイッチングする(ステップST1)。ここで、低速スイッチS11〜S14のスイッチング周波数は、上述したように1kHz以下である。
これにより、励磁電流Iexが目標電流値よりも低い場合に高速スイッチS1のオン時間が長くなり、励磁電流Iexが目標電流値よりも高い場合にオン時間が短くなるように、パルス幅が制御されたPWM信号が生成され、高速スイッチS1が制御される(ステップST7)。
上記ステップST2〜ST7のフィードバック制御により、励磁電流Iexが一定値となるように制御される。
励磁極性が“正極性”の場合、低速スイッチS11,S14がオンし、低速スイッチS12,S13がオフしている。この状態において、高速スイッチS1がオンしたとき、図3Aに示すように、励磁電流Iexは、信号ラインVexHから、高速スイッチS1、低速スイッチS11、ダイオードD11、励磁コイルLex、低速スイッチS14、ダイオードD14、および電流検出用抵抗Rsを経由して、信号ラインVexCOMに流れ込み、励磁コイルLexは正極性に励磁される。このとき、励磁コイルLexにはエネルギーが蓄えられる。
励磁極性が“負極性”の場合、低速スイッチS11,S14がオフし、低速スイッチS12,S13がオンしている。この状態において、高速スイッチS1がオンしたとき、図3Cに示すように、励磁電流Iexは、信号ラインVexHから、高速スイッチS1、低速スイッチS13、ダイオードD13、励磁コイルLex、低速スイッチS12、ダイオードD12、および電流検出用抵抗Rsを経由して、信号ラインVexCOMに流れ込み、励磁コイルLexは負極性に励磁される。このとき、励磁コイルLexにはエネルギーが蓄えられる。
上述したように、ダイオードD11〜D14は、高速スイッチS1がオフしたときに、励磁電流Iexが電流検出用抵抗Rsを通る経路(図3A〜図3D参照)以外の経路に流れないようにするための逆流防止素子である。
図5には、励磁用VexH=30V,励磁電流Iexの目標電流値を100mA(絶対値)、スイッチング制御回路150によるPWM信号の最大デューティ比(最大パルス幅)を100%とした場合のシミュレーション結果が示され、図6には、図5の期間T1における各電圧および電流の波形が示されている。また、図5,6に示される各電圧および電流の波形の参照符号は、図7に示される励磁回路15における参照符号に夫々対応している。
以上、本発明に係る励磁回路によれば、励磁極性を切り替えるための低速スイッチS11〜S14と、励磁コイルLexを直接パルス駆動して励磁電流を定電流制御するための高速スイッチS1と、電流検出用抵抗Rsと、励磁コイルLexとを図2Aに示すように接続し、高速スイッチS1を、低速スイッチS11〜S14とは別に、スイッチング制御回路150によって電流検出用抵抗Rsを流れる電流が一定になるように駆動することにより、上述の特許文献1の励磁回路のように励磁電流を定電流駆動するためのパワートランジスタのような発熱量の大きい部品が不要となる。これにより、放熱器を設けなくても励磁電流の大電流化が可能となるので、流量信号の信号レベルを大きくして計測安定性の向上を図りつつ、電磁流量計を小型化することが可能となる。
例えば、上述の特許文献3の励磁回路では、一組のハイサイドスイッチによって励磁極性の切替と励磁コイルのパルス駆動を兼ねた回路構成を採用しているため、上記ハイサイドスイッチを最低でも10kHzのスイッチング周波数で高速スイッチングする必要があり、上記ハイサイドスイッチを駆動するためのドライブ回路が複雑となる。一方、本励磁回路によれば、低速スイッチS11〜S14は励磁極性を切り替える機能のみを担っているので、最大でも1kHzのスイッチング周波数によってスイッチングすればよく、低速スイッチS11〜S14を駆動するドライブ回路を簡単な回路構成で実現することが可能となる。
これによれば、上述したように、低速スイッチS11〜S14の寄生ダイオードDs11〜Ds14を経由した電流が発生し得る状況であっても、励磁電流Iexの全てを電流検出用抵抗Rsに流し込むことが可能となるので、電源電圧VexHの変動等の外乱要因の発生があったとしても、より正確な励磁電流の計測・制御が可能となる。
〈実施の形態2に係る励磁回路の構成〉
図8は、実施の形態2に係る励磁回路の構成を示す図である。
同図に示される励磁回路15Aは、スイッチング制御回路がPFM(Pulse Frequency Modulation)制御によって高速スイッチS1を駆動する点において実施の形態1に係る励磁回路15と相違し、それ以外の点においては、実施の形態1に係る励磁回路15と同様である。
実施の形態2に係る励磁回路15Aによれば、誤差増幅回路(および位相補償器)を用いていないので、PWM方式よりも応答速度が速くなる。これにより、励磁周波数を更に高くすることが可能となり、電磁流量計の計測安定性を更に向上させることが可能となる。
〈実施の形態3に係る励磁回路の構成〉
図9は、実施の形態3に係る励磁回路の構成を示す図である。
同図に示される励磁回路15Bは、電流還流素子としてのダイオードをスイッチに置き換えた同期整流型のスイッチング制御回路を備える点において実施の形態1に係る励磁回路15と相違し、それ以外の点においては、実施の形態1に係る励磁回路15と同様である。
スイッチング制御回路150Bは、実施の形態1に係るスイッチング制御回路150に対して、同期整流用スイッチS2とドライブ回路158とを更に備えている。
実施の形態3に係る励磁回路15Bによれば、ダイオードD1での発熱がなくなるので、励磁電流の更なる大電流化が可能となり、電磁流量計の計測安定性を更に向上させることが可能となる。
〈実施の形態4に係る励磁回路の構成〉
図10は、実施の形態4に係る励磁回路の構成を示す図である。
同図に示される励磁回路15Cは、電流還流素子としての2個のフライホイール・ダイオードを有する点において実施の形態1に係る励磁回路15と相違し、それ以外の点においては、実施の形態1に係る励磁回路15と同様である。
図11A〜11Dは、実施の形態4に係る励磁回路15Cにおける励磁電流の電流経路を示す図である。図11A〜11Dには、励磁回路15Cにおける一部の回路構成のみが図示されている。
励磁極性が“正極性”の場合、低速スイッチS11,S14がオンし、低速スイッチS12,S13がオフしている。この状態において、高速スイッチS1がオンしたときの電流経路は、実施の形態1に係る励磁回路15と同様である。具体的には、図11Aに示すように、励磁電流Iexは、信号ラインVexHから、高速スイッチS1、低速スイッチS11、ダイオードD11、励磁コイルLex、低速スイッチS14、ダイオードD14、および電流検出用抵抗Rsを経由して、信号ラインVexCOMに流れ込み、励磁コイルLexは正極性に励磁される。このとき、励磁コイルLexにはエネルギーが蓄えられる。
励磁極性が“負極性”の場合、低速スイッチS11,S14がオフし、低速スイッチS12,S13がオンしている。この状態において、高速スイッチS1がオンしたときの電流経路は、実施の形態1に係る励磁回路15と同様である。具体的には、図11Cに示すように、励磁電流Iexは、信号ラインVexHから、高速スイッチS1、低速スイッチS13、ダイオードD13、励磁コイルLex、低速スイッチS12、ダイオードD12、および電流検出用抵抗Rsを経由して、信号ラインVexCOMに流れ込み、励磁コイルLexは負極性に励磁される。このとき、励磁コイルLexにはエネルギーが蓄えられる。
実施の形態4に係る励磁回路15Cによれば、励磁極性が正極性である場合と負極性である場合とにおいて、夫々異なるダイオードD1a,D1bを通して励磁電流を還流させるので、励磁極性によらず一つのダイオードD1を用いて電流を還流させる場合に比べて、1つダイオードによる発熱量の平均値を小さくすることができる。これにより、励磁電流の更なる大電流化が可能となり、電磁流量計の計測安定性を更に向上させることが可能となる。
〈実施の形態5に係る励磁回路の構成〉
図12は、実施の形態5に係る励磁回路の構成を示す図である。
同図に示される励磁回路15Dは、逆流防止素子としてダイオードの代わりにMOSFETから成るスイッチ回路を用いる点において、実施の形態3に係る励磁回路15と相違し、それ以外の点においては、実施の形態3に係る励磁回路15Bと同様である。
図13Aは、ハイサイドの低速スイッチ回路S11D,S13Dの回路構成を示す図である。
図13Aに示すように、ハイサイドの低速スイッチ回路S11D,S13Dは、トランジスタMP1,MP2と、抵抗RHと、フォトカプラPCHとを夫々含んで構成されている。
図13Bは、ローサイドの低速スイッチ回路S12D,S14Dの回路構成を示す図である。
図13Bに示すように、ローサイドの低速スイッチ回路S12D,S14Dは、トランジスタMN1,MN2と、抵抗RLと、フォトカプラPCLとを夫々含んで構成されている。
実施の形態5に係る励磁回路15Dによれば、逆流防止素子としてダイオードD11〜D14の代わりにトランジスタから成るスイッチ回路S11D〜S14Dを用いることにより、ダイオードD11〜D14での発熱がなくなるので、励磁電流の更なる大電流化が可能となり、電磁流量計の計測安定性を更に向上させることが可能となる。また、励磁回路15Dによれば、電源回路としての効率を高めることも可能となる。
〈実施の形態6に係る励磁回路の構成〉
図14は、実施の形態6に係る励磁回路の構成を示す図である。
同図に示される励磁回路15Eは、励磁コイルの逆起電力を利用してより大きな励磁電圧を生成する機能を有する点において実施の形態4に係る励磁回路15Cと相違し、それ以外の点においては、実施の形態4に係る励磁回路15Cと同様である。
実施の形態6に係る励磁回路15Eによれば、励磁用直流電圧VexHよりも大きい電圧によって励磁コイルLexを励磁することができるので、励磁電流Iexが安定するまでの時間(静定時間)を早めることができる。これにより、励磁周波数を更に上げることが可能となり、電磁流量計の計測安定性を更に向上させることが可能となる。
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
Claims (12)
- 電磁流量計の励磁コイルに対して励磁電流を供給する励磁回路であって、
第1直流電圧が供給される第1信号ラインと、
前記第1直流電圧よりも低い第2直流電圧が供給される第2信号ラインと、
第3信号ラインおよび第4信号ラインと、
前記第1信号ラインと前記第3信号ラインとの間に接続された第1スイッチと、
前記第3信号ラインと前記励磁コイルの一端との間に接続され、前記励磁コイルの励磁極性の切替周期に応じてスイッチングされる第2スイッチと、
前記励磁コイルの前記一端と前記第4信号ラインとの間に接続され、前記励磁極性の切替周期に応じてスイッチングされる第3スイッチと、
前記第3信号ラインと前記励磁コイルの他端との間に接続され、前記励磁極性の切替周期に応じてスイッチングされる第4スイッチと、
前記励磁コイルの前記他端と前記第4信号ラインとの間に接続され、前記励磁極性の切替周期に応じてスイッチングされる第5スイッチと、
前記第4信号ラインと前記第2信号ラインとの間に接続された電流検出用抵抗と、
前記励磁極性の切替周期の1/10以下の短い周期で前記第1スイッチのオンとオフを切り替えて、前記電流検出用抵抗に流れる電流が一定になるように前記第1スイッチのオン時間とオフ時間の比率を制御するスイッチング制御回路と、
前記第1スイッチがオフしたときに、前記励磁コイルの電流を、前記電流検出用抵抗を介して還流させる少なくとも一つの電流還流素子と、を備える
励磁回路。 - 請求項1に記載の励磁回路において、
前記第3信号ラインと前記励磁コイルの前記一端との間に、前記第2スイッチと直列に接続され、前記第3信号ライン側から前記励磁コイルの前記一端側へ流れる電流を通過させ、その逆方向に流れる電流を遮断する第1逆流防止素子と、
前記励磁コイルの前記一端と前記第4信号ラインとの間に、前記第3スイッチと直列に接続され、前記励磁コイルの前記一端側から前記第4信号ライン側へ流れる電流を通過させ、その逆方向に流れる電流を遮断する第2逆流防止素子と、
前記第3信号ラインと前記励磁コイルの前記他端との間に、前記第4スイッチと直列に接続され、前記第3信号ライン側から前記励磁コイルの前記他端側へ流れる電流を通過させ、その逆方向に流れる電流を遮断する第3逆流防止素子と、
前記励磁コイルの前記他端と前記第4信号ラインとの間に、前記第5スイッチと直列に接続され、前記励磁コイルの前記他端側から前記第4信号ライン側へ流れる電流を通過させ、その逆方向に流れる電流を遮断する第4逆流防止素子と、を更に備える
ことを特徴とする励磁回路。 - 請求項2に記載の励磁回路において、
前記第1逆流防止素子は、ソースが前記励磁コイルの前記一端側に接続され、ドレインが前記第3信号ライン側に接続された第1MOSトランジスタを含み、
前記第2逆流防止素子は、ソースが前記第2信号ライン側に接続され、ドレインが前記励磁コイルの前記一端側に接続された第2MOSトランジスタを含み、
前記第3逆流防止素子は、ソースが前記励磁コイルの前記他端側に接続され、ドレインが前記第3信号ライン側に接続された第3MOSトランジスタを含み、
前記第4逆流防止素子は、ソースが前記第2信号ライン側に接続され、ドレインが前記励磁コイルの前記他端側に接続された第4MOSトランジスタを含む
ことを特徴とする励磁回路。 - 請求項1乃至3の何れか一項に記載の励磁回路において、
前記電流還流素子は、前記第2信号ラインと前記第3信号ラインとの間に接続され、前記第2信号ラインから前記第3信号ラインへ流れる電流を通過させ、その逆方向に流れる電流を遮断する整流素子を含む
ことを特徴とする励磁回路。 - 請求項1乃至3の何れか一項に記載の励磁回路において、
前記電流還流素子は、前記第2信号ラインと前記第3信号ラインとの間に接続された同期整流用スイッチであり、
前記スイッチング制御回路は、前記第1スイッチをオンさせるときに前記同期整流用スイッチをオフさせ、前記第1スイッチをオフさせるときに前記同期整流用スイッチをオンさせる
ことを特徴とする励磁回路。 - 請求項1乃至3の何れか一項に記載の励磁回路において、
前記電流還流素子は、
前記励磁コイルの前記一端と前記第2信号ラインとの間に接続され、前記第2信号ラインから前記励磁コイルの前記一端へ流れる電流を通過させ、その逆方向に流れる電流を遮断する第1整流素子と、
前記励磁コイルの前記他端と前記第2信号ラインとの間に接続され、前記第2信号ラインから前記励磁コイルの前記他端へ流れる電流を通過させ、その逆方向に流れる電流を遮断する第2整流素子とを含む
ことを特徴とする励磁回路。 - 請求項6に記載の励磁回路において、
前記第1信号ラインと前記第1スイッチとの間に接続され、前記第1信号ラインから前記第1スイッチ側へ流れる電流を通過させ、その逆方向に流れる電流を遮断する第3整流素子と、
前記第3整流素子と前記第1スイッチとが接続された第5信号ラインと、
前記第5信号ラインと前記第2信号ラインとの間に接続された容量と、
前記第5信号ラインと前記励磁コイルの前記一端との間に接続され、前記励磁コイルの前記一端から前記第5信号ラインへ流れる電流を通過させ、その逆方向に流れる電流を遮断する第4整流素子と、
前記第5信号ラインと前記励磁コイルの前記他端との間に接続され、前記励磁コイルの前記他端から前記第5信号ラインへ流れる電流を通過させ、その逆方向に流れる電流を遮断する第5整流素子と、を更に備える
ことを特徴とする励磁回路。 - 請求項1乃至7の何れか一項に記載の励磁回路において、
前記スイッチング制御回路は、前記電流検出用抵抗に流れる電流と目標電流値との差に応じてパルス幅を可変したPWM信号を出力し、前記第1スイッチをスイッチングする
ことを特徴とする励磁回路。 - 請求項1乃至7の何れか一項に記載の励磁回路において、
前記スイッチング制御回路は、前記電流検出用抵抗に流れる電流と目標電流値との差に応じて周波数を可変したPFM信号を出力し、前記第1スイッチをスイッチングする
ことを特徴とする励磁回路。 - 請求項1乃至9の何れか一項に記載の励磁回路において、
前記スイッチング制御回路は、一つの半導体集積回路によって構成されている
ことを特徴とする励磁回路。 - 計測対象の流体が流れる測定管と、
前記測定管の外側に配設された前記励磁コイルと、
請求項1乃至10の何れか一項に記載の励磁回路と、
前記測定管に設けられ、前記励磁コイルから発生した磁界に対して垂直な方向に対向して配設された一対の電極と、
前記一対の電極間に発生した起電力に基づいて前記流体の流量を算出するデータ処理制御回路とを有する
電磁流量計。 - 請求項11に記載の電磁流量計において、
前記一対の電極は、前記測定管において前記流体と非接触に配設されている
ことを特徴とする電磁流量計。
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