JP7098465B2 - 電磁流量計 - Google Patents
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Description
これにより、上記のような干渉を低減するため、流量計測用の電極と電気伝導率用の電極との距離を大きくする必要はない。このため、測定管の長さを延長したり、互いの電極間にアースリングを配置したりする必要がなり、結果として、電磁流量計を大型化することなく、流体の流量と電気伝導率とを精度よく計測することが可能となる。
[第1の実施の形態]
まず、図1を参照して、本発明の第1の実施の形態にかかる電磁流量計10について説明する。図1は、第1の実施の形態にかかる電磁流量計の回路構成を示すブロック図である。
以下では、流量計測用の一対の電極Ta,Tbが測定管内を流れる流体と直接接液しない容量式電磁流量計を例として説明するが、これに限定されるものではなく、流体と直接接液する接液式の電磁流量計であっても、本発明を同様に適用できる。
次に、図1を参照して、本実施の形態にかかる電気伝導率検出回路11の構成について詳細に説明する。
図1に示すように、電気伝導率検出回路11は、主な回路部として、クロック生成回路11A、信号生成回路11B、バッファアンプ11C、サンプルホールド回路11D、およびA/D変換回路11Eとを備えている。
本実施の形態では、電気伝導率計測用の電極T2として、測定管2内を流れる流体と直接接液しない非接液電極を用いる場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、T2として接液電極を用いてもよい。
次に、図1を参照して、本実施の形態にかかる流量検出回路12の構成について詳細に説明する。
図1に示すように、流量検出回路12は、主な回路部として、励磁回路12A、信号増幅回路12B、および信号検出回路12Cを備えている。
信号検出回路12Cは、信号増幅回路12Bからの流量信号VFをサンプルホールドし、得られた直流電圧を流量データDFにA/D変換して、演算処理回路13へ出力する機能を有している。
次に、図1を参照して、本実施の形態にかかる演算処理回路13の構成について詳細に説明する。
演算処理回路13は、CPUとその周辺回路を備え、予め設定されているプログラムをCPUで実行して、ハードウェアとソフトウェアを協働させることにより、流量計測に関する処理を実行する各種の処理部を実現する機能を有している。
演算処理回路13で実現される主な処理部として、電気伝導率算出部13A、空状態判定部13B、励磁制御部13C、および流量算出部13Dがある。
通常、流体の電気伝導率は、空気の電気伝導率より大きい。このため、空状態判定部13Bは、電気伝導率算出部13Aで算出された流体の電気伝導率を、閾値処理することにより、流体の存在有無を判定している。
流量算出部13Dは、流量検出回路12からの流量データDFに基づいて流体の流量を算出する機能と、流量計測結果を設定・表示回路14や伝送回路15へ出力する機能とを有している。
次に、図2~図4参照して、電磁流量計10の構造の構成について詳細に説明する。図2は、第1の実施の形態にかかる電磁流量計の上面図である。図3は、第1の実施の形態にかかる電磁流量計の断面側面図である。図4は、第1の実施の形態にかかる電磁流量計の組立図である。
これにより、交流の励磁電流Iexを励磁コイル3A,3Bに供給すると、励磁コイル3A,3Bの中央に位置するヨーク面4A,4B間に磁束が発生して、測定管2内を流れる流体に、電極方向Zに沿って流体の流速に応じた振幅を持つ交流の起電力が発生し、この起電力が、流体と電極Ta,Tbとの間の静電容量を介して電極Ta,Tbで検出される。
このように、電極T1を金属からなる継手1Aによって実現することにより、T1の流体と接触する面積が広くなる。これにより、T1に異物の付着や腐食が生じた場合であっても、異物の付着や腐食が生じた部分の面積がT1の全面積に対して相対的に小さくなるため、分極容量の変化による測定誤差を抑えることが可能となる。
プリント基板5は、電子部品を実装するための一般的なプリント基板(例えば、板厚1.6mmのガラス布基材エポキシ樹脂銅張積層板)であり、図4に示すように、プリント基板5のほぼ中央位置に、測定管2を貫通させるための管孔5Hが形成されている。したがって、プリント基板5は測定管2と交差する方向に沿って取り付けられることになる。この管孔5Hの大きさは、測定管2の外周部の大きさと同じもしくは少し小さめに設定されている。測定管2が管孔5Hに圧入されてプリント基板5に係止される。
次に、図5および図6を参照して、本実施の形態にかかる電気伝導率用の電極T1,T2について説明する。図5は、第1の実施の形態にかかる電磁流量計の要部側面図である。図6は、第1の実施の形態にかかる電磁流量計の要部上面図である。
これにより、プリント基板6と電極T1,T2とを接続するJ1,J2の長さを極めて短くでき、J1,J2のインピーダンスを極めて低く抑えることができる。
次に、図7を参照して、本実施の形態にかかる電磁流量計10の動作について説明する。図7は、第1の実施の形態にかかる電磁流量計の動作を示す信号波形図である。
ここでは、電極T2が非接液電極であって、矩形波信号SGが矩形波定電圧信号である場合を例として説明する。
一般には、交流の検出電圧Vtを全波整流する方法、例えばTLにおける検出電圧VtをVtの中間レベルで折り返してTHのVtと加算する方法が考えられる。しかし、このような方法では、TLとTHのVtが等しくないと、全波整流しても脈流が残り、安定した直流電圧とならないため、計測誤差の原因となる。
また、空状態判定部13Bは、電気伝導率算出部13Aで得られた電気伝導率を閾値伝導率と比較することにより、測定管2内が空状態であるか否か判定する。
このように、本実施の形態は、信号生成回路11Bが、予め設定された信号周波数fsで一定振幅を有する交流の矩形波電流を矩形波信号SGとして生成して、測定管2に取り付けられている電極T1,T2に印加し、電気伝導率検出回路11が、これらT1,T2から検出した検出電圧Vtをサンプリングすることにより検出電圧Vtの振幅を検出するようにしたものである。
本実施の形態によれば、Vtの傾斜が直線的となるため、電気伝導率計測用の信号周波数fsとして、fexより高い周波数、例えばfexの100倍以上高い、数kHz~数十kHz程度の周波数を用いても、検出電圧Vtの振幅を安定して検出することができる。
これにより、上記のような干渉を低減するため、流量計測用の電極Ta,Tbと電気伝導率用の電極T1,T2との距離を大きくする必要はない。このため、測定管2の長さを延長したり、互いの電極間にアースリングを配置したりする必要がなり、結果として、電磁流量計10を大型化することなく、流体の流量と電気伝導率とを精度よく計測することが可能となる。
これにより、電極面への汚れ付着や電極の腐食に起因する計測誤差の発生を抑止できる。また、白金黒のような高価な接液電極を用いる必要がなく、大幅なコストダウンが図れる。また、非接液電極を用いた場合、電極と流体との間に電極容量Ctが生じるものの、矩形波信号SGとして矩形波定電流信号を用いているため、検出電圧Vtの振幅を安定して検出することができる。
これにより、T2として非接液電極を用いた場合でも、ハイレベル期間THにサンプリングしたVHに含まれるT2の電極容量Ctの両端電圧VctHと、ローレベル期間TLにサンプリングしたVLに含まれるCtの両端電圧VctLとが等しくなる。したがって、VHとVLの差分電圧ΔVtを採ることによりVctHとVctLが相殺され、Vctを含まない振幅データDAが得られる。このため、高い精度で電気伝導率を計測することが可能となる。
これにより、信号生成回路11Bやバッファアンプ11Cと電極T1,T2とを接続する電極配線、すなわちジャンパー線J1,J2の長さを大幅に短縮することができ、電極配線間の線間容量を小さくすることができる。このため、比較的高い信号周波数を用いても、高い精度で電気伝導率を計測することが可能となる。
これにより、取付ネジなどの固定部材を用いることなく極めて簡素な構成で、プリント基板6を測定管2に固定することができる。
これにより、コネクタを用いることなく、プリント基板6に実装されている信号生成回路11Bやバッファアンプ11Cと、電極T1,T2とをジャンパー線J1,J2により極めて容易に接続することができる。
次に、図12および図13を参照して、本発明の第2の実施の形態にかかる電磁流量計10について説明する。図12は、第2の実施の形態にかかる電磁流量計の側面図である。図13は、第2の実施の形態にかかる電磁流量計の上面図である。
第1の実施の形態では、電極T2として流体に接液しない非接液電極を用いた場合を例として説明した。本実施の形態では、電極T2として流体に接液する接液電極を用いる場合について説明する。
この際、T2は、ジャンパー線J2を介してプリント基板6に形成されたパッドP2に接続されている。J2はP2およびT2に半田付けされる。
次に、本実施の形態にかかる電磁流量計10の動作について説明する。
電極T2を非接液電極から接液電極に変更した場合、非接液電極の場合におけるT2と流体との間の電極容量Ctがなくなる。このため、図9に示した等価回路Ztは、分極容量Cpおよび分極抵抗Rpの並列回路と、流体抵抗Rlとが直列接続された等価回路で表される。本実施の形態にかかるこのほかの電気伝導率計測動作については、第1の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。
このように、本実施の形態は、電極T1,T2が、流体と接液する接液電極からなるものである。これにより、T2として非接液電極を用いた場合に特有の、流体と電極T2との間に発生する容量Ctによる影響を排除することができ、矩形波信号SGの信号周波数として比較的低い周波数を用いることができる。このため、電極配線、すなわちジャンパー線J1,J2の線間容量による影響を極めて小さくでき、極めて高い精度で電気伝導率を計測することが可能となる。
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
Claims (6)
- 測定管内を流れる流体の流量を計測する電磁流量計であって、
前記測定管内に磁界を発生させる励磁コイルと、
前記励磁コイルへ所定の励磁周波数の交流電流を供給する励磁回路と、
前記測定管の延伸方向および前記磁界の方向と直交して互いに対向して設置される一対の流量測定用電極と、
前記磁界中を流れる前記流体によって前記一対の流量測定用電極に生じる電流信号を検出する電流信号検出回路と、
前記電流信号に基づいて前記流体の流量を算出する流量算出部と、
予め設定された信号周波数で一定振幅を有する交流の矩形波電流を矩形波信号として生成する信号生成回路と、
前記測定管に取り付けられて前記矩形波信号を前記流体に印加する第1および第2の電極と、
前記第1および第2の電極から検出した検出電圧をサンプリングすることにより前記検出電圧の振幅を検出する検出回路と、
前記振幅に基づいて前記流体に関する電気伝導率を演算処理により求める演算処理回路と
を備え、
前記矩形波信号の周波数は、前記励磁コイルに供給される交流電流の励磁周波数の少なくとも100倍であることを特徴とする電磁流量計。 - 請求項1に記載の電磁流量計において、
前記第1および第2の電極の近傍位置に配置されて、前記信号生成回路、および、前記検出電圧を安定化して前記検出回路へ出力するバッファアンプのうち、少なくともいずれか一方または両方を搭載するプリント基板をさらに備えることを特徴とする電磁流量計。 - 請求項1または請求項2に記載の電磁流量計において、
前記第1の電極は、前記流体と接液する接液電極からなり、前記第2の電極は、前記測定管の外周部に形成されて、前記流体と接液していない非接液電極からなることを特徴とする電磁流量計。 - 請求項1または請求項2に記載の電磁流量計において、
前記第1および第2の電極は、前記流体と接液する接液電極からなることを特徴とする電磁流量計。 - 請求項1~請求項4のいずれかに記載の電磁流量計において、
前記検出回路は、前記矩形波信号の半周期の中央時間位置で、前記検出電圧をサンプリングすることを特徴とする電磁流量計。 - 請求項1~請求項5のいずれかに記載の電磁流量計において、
前記信号生成回路は、
前記矩形波信号の大きさを検出する電流検出回路と、
前記信号周波数を示すクロック信号と前記電流検出回路からの検出結果とに基づいて、前記矩形波信号の振幅を設定電流に維持するオペアンプと
を含むことを特徴とする電磁流量計。
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