JP7317221B2 - プログラム可能な双方向電流発生器を有する磁気流量計 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、磁気流量計に関し、より具体的には、流量測定中に磁場を生成するために使用される電流形状を制御するための技術に関する。

確実かつ正確な流量制御は、バルク流体の取り扱い、食品及び飲料調製、化学及び医薬品、水及び空気分配、炭化水素抽出及び処理、環境制御、ならびに、例えば、熱可塑性樹脂、薄膜、接着剤、樹脂及び他の流体材料を利用する一連の製造技術を含む、広範囲の流体処理用途にとって重要である。各特定の用途で使用される流量測定技術は、流体、及び関連するプロセス圧力、温度、及び流量に依存する。

例示的な流量測定技術は、機械的回転の関数として流量を測定するタービン装置、ベルヌーイ効果の関数として流量を測定するピトーセンサ、及び差圧装置、振動効果の関数として流量を測定する渦及びコリオリ装置、並びに熱伝導率の関数として流量を測定する質量流量計を含む。磁気流量計は、機械的又は熱力学的効果よりもむしろ電磁的相互作用に依存するファラデーの法則に基づいてフローを特徴付けることによって、これらの技術とは区別される。特に、磁気流量計は、プロセス流体の導電性に依存し、流体が磁場の領域を流れるときに誘起される起電力（ＥＭＦ）に依存する。

従来のパルス直流（ＤＣ）磁気流量計は、センサ部及び送信部を含む。送信部は、磁気流量計の動作設定点に基づいて設定される電流の大きさを有するコイル電流を生成する電流発生器又はコイル駆動部を含む。従来のコイル駆動部は、電流極性をコイルに反転させることによって、予め決定された大きさの単純な方形パルス電流形状を作り出すだけであった。コイル電流は、コイルに流体の流れを横切る交流磁場を発生させ、この交流磁場は流体の流れの速度に比例し、センサ部によって検出される流体の流れを横切るＥＭＦ、又は電位差（電圧）を誘起する。磁気流量計は、感知されたＥＭＦに基づいて流体の流量を決定する。

コイル電流の反転中に、コイルを流れる電流は、コイルのインダクタンスのために瞬間的には変化しない。これにより、コイル電流は、動作設定値によって指定されたレベルを最初にオーバーシュートし、次に、コイルによって生成された磁界が、不正確な磁界強度で沈降する。その結果、コイル電流が動作設定点に合った定常状態レベルに落ち着くまで、正確な流量測定はできない。

本開示の実施形態は、流体の流量を測定するための磁気流量計、及び磁気流量計を使用して流体の流量を測定する手法を対象とする。磁気流量計の一実施形態は、流管組立品と、プログラム可能な双方向電流発生器とを含む。流管組立品は、流体の流れを受け入れるように構成され、コイル及び起電力（ＥＭＦ）センサを含む。コイルは、コイル電流に応答して流体の流れを横切る磁場を生成するように構成される。磁場は、流量に比例するＥＭＦを流体の流れに誘起する。ＥＭＦセンサはＥＭＦを感知し、誘導ＥＭＦを示す出力を生成するように配置される。電流発生器は、形状コマンドを発行するように構成された形状発生器と、電力増幅器と、コントローラとを含む。コントローラは、電力増幅器を制御して、コイルを交互の方向に移動するコイル電流を形成するコイル電流パルスを生成するように構成される。各コイル電流パルスは、対応する形状コマンドに基づく、コイルの両端の電圧のような、時間にわたる電圧の電流形状を有する。

本方法の一実施形態では、流体の流れがコイルを有する流管組立品を通って受け取られる。形状コマンドは、経時的な電圧の電流形状を定義する形状発生器を使用して発行される。プログラム可能な双方向電流発生器を用いてコイル電流のコイル電流パルスを発生させる。各コイル電流パルスは、形状コマンドの１つに基づく、時間の経過に伴う電圧の電流形状を有する。コイル電流パルスは、コイルを介して交互の方向に駆動される。コイルを使用して、流体の流れを横切って磁場が生成される。磁場は、コイル電流パルスを生成するのに応じて、流量に比例する起電力（ＥＭＦ）を流体の流れに誘導する。誘導ＥＭＦを示す出力は、ＥＭＦセンサを使用して生成される。

この概要は、以下の「発明を実施するための形態」でさらに説明される概念の選択を簡略化された形成で紹介するために提供される。この発明の概要は、特許請求される主題の重要な特徴又は本質的な特徴を識別することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する際の補助として使用されることを意図するものでもない。特許請求される主題は、背景技術で言及される任意の又はすべての欠点を解決する実装形態に限定されない。

本開示の実施形態による、例示的な工業プロセス測定システムの簡略化された図である。 本開示の実施形態による、例示的な磁気流量計の簡略図である。 本開示の実施形態による、例示的なプログラム可能な双方向電流発生器の簡略図である。 本開示の実施形態による、例示的なプログラム可能な双方向電流発生器の簡略図である。 本開示の実施形態による、コントローラからＨブリッジの相補スイッチの組への例示的な制御信号を示すチャートである。 本開示の実施形態による、コントローラからＨブリッジの相補スイッチの組への例示的な制御信号を示すチャートである。 本開示の実施形態による、例示的な高周波フィルタされていない電流パルス、及び対応するコイル電流パルスをそれぞれ示す電圧チャートである。 本開示の実施形態による、例示的な高周波フィルタされていない電流パルス、及び対応するコイル電流パルスをそれぞれ示す電圧チャートである。 例示的な正方形コイル電流パルスの簡略化された電流形状のチャートである。 例示的な正方形形状コマンドの電流形状チャートと、正方形形状コマンドに基づいて生成されるコイル電流パルスの結果として生じる電流形状の電流形状チャートとである。 本開示の実施形態による、電流発生器、流管組立品、及び例示的形状コマンドの簡略図である。 本開示の実施形態による、例示的な台形形状コマンドの電流レベル形状を示すチャートである。 本開示の実施形態による、例示的な台形形状コマンドの電流形状のチャート、及び対応する電流パルスの電流形状のチャートを示す。 本開示の実施形態による、流体の流量を測定する方法を示すフローチャートである。

本開示の実施形態は、添付の図面を参照して、以下でより完全に説明される。同一又は類似の参照文字を使用して識別される要素は、同一又は類似の要素を参照する。しかしながら、本開示の様々な実施形態は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載された実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は本開示が完全かつ完全であり、本開示の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。

具体的な詳細は、実施形態の完全な理解を提供するために、以下の説明で与えられる。しかしながら、当業者であれば、これらの具体的な詳細なしに実施形態を実施できることを理解するのであろう。例えば、回路、システム、ネットワーク、プロセス、フレーム、サポート、コネクタ、モータ、プロセッサ、及び他の構成要素は実施形態を不必要な詳細で曖昧にすることを回避するために、図示されず、又はブロック図の形態で示されてもよい。

図１は、本開示の実施形態による、例示的な工業プロセス測定システム１００の簡略図である。システム１００は、材料（例えば、処理媒体）の処理に使用されて、材料をより価値の低い状態から、石油、化学薬品、紙、食品などのより価値があり有用な製品に変換することができる。例えば、システム１００は、原油をガソリン、燃料油、及び他の石油化学物質に加工することができる工業プロセスを実施する石油精製所で使用することができる。

システム１００は、例えばパイプ１０６を通るようなプロセス流体の流れ１０４の流量を感知するように構成されたパルス直流（ＤＣ）磁気流量計１０２を含む。磁気流量計１０２は、起電力（ＥＭＦ）センサ部１０８と送信機１１０とを含む。送信機１１０は、一般に、流体の流れ１０４を測定するためにセンサ部１０８を制御するように構成され、測定された流れを、例えば、システム１００の制御室１１４内などの流れ計１０２から遠隔に配置され得る、コンピュータ化された制御ユニットなどの外部コンピュータ装置１１２に随意的に通信する。

送信機１１０は、適切なプロセス制御ループを介して外部コンピューティング装置１１２と通信することができる。いくつかの実施形態では、プロセス制御ループが２線制御ループ１１６などの物理通信リンク、又は無線通信リンクを含む。外部コンピュータ装置１１２と送信機部との間の通信は、従来のアナログ及び／又はデジタル通信プロトコルに従って、制御ループ１１６を介して実行され得る。いくつかの実施形態では２線式制御ループ１１６が４～２０ミリアンペアの制御ループを含み、この制御ループでは処理量が２線式制御ループ１１６を流れるループ電流Ｉ_Ｌの水準によって表すことができる。例示的なデジタル通信プロトコルは、ＨＡＲＴ（登録商標）通信規格に従うような、２線式制御ループ１１６のアナログ電流レベルへのデジタル信号の変調を含む。Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ＦｉｅｌｄＢｕｓ、及びＰｒｏｆｉｂｕｓ通信プロトコルを含む、他の純粋にデジタルの技法を使用することもできる。プロセス制御ループの例示的なワイヤレスバージョンは例えば、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）（ＩＥＣ６２５９１）又はＩＳＡ１００．１１ａ(ＩＥＣ６２７３４）などのワイヤレスメッシュネットワークプロトコル、又はＷｉＦｉ、ＬｏＲａ、Ｓｉｇｆｏｘ、ＢＬＥ、又は任意の他の適切なプロトコルなどの別のワイヤレス通信プロトコルを含む。

電力は、任意の適切な電源から磁気流量計１０２に供給されてもよい。例えば、磁気流量計１０２は、制御ループ１１６を流れるループ電流Ｉ_Ｌによって完全に電力供給されてもよい。１つ又は複数の電源を利用して、内部電池、又は外部電池などのプロセス磁気流量計１０２に電力を供給することができる。発電機（例えば、太陽電池パネル、風力発電機など）もまた、磁気流量計１０２に電力を供給するために、又は磁気流量計１０２によって使用される電源を充電するために使用されてもよい。

送信機１１０は、センサ部１０８を含む筐体などのセンサ部１０８に直接取り付けられてもよく、又はセンサ１０８から離れて（例えば、１０～１０００フィート）配置されてもよい。送信機１１０がセンサ部１０８から離れて位置する場合、送信機１１０とセンサ部１０８との間の電気接続は、ケーブル、ワイヤ、データバス、制御バス、又は電気及びデータ通信のための他の適切な接続によって形成され得る、１つ以上の接続ケーブル又は伝送線１１８によって提供され得る。

図２は、本開示の実施形態による、磁気流量計１０２の簡略図である。センサ部１０８は図１に示すように、流体の流れ１０４がそこを通って進むパイプ部分１２２を有する流管組立品１２０を含んでもよい。流管組立品１２０はまた、電極１２４Ａ及び１２４Ｂなどの電極１２４を有するＥＭＦセンサ１２３を含み、流管組立品１２０は、界磁コイル１２６Ａ及び１２６Ｂなどの１つ又は複数の界磁コイル又はコイルワイヤ１２６を含む。電極１２４Ａ及び１２４Ｂ、ならびにコイル１２６Ａ及び１２６Ｂは、図２に示すように、パイプ部１２２の対向する側面上に配置されてもよい。

送信機１１０は、例えば、信号プロセッサ１２８と、デジタルプロセッサ１３０と、プログラム可能な双方向電流発生器１３２とを含むことができる。いくつかの実施形態では、送信機１１０が通信インターフェース１３４を含む。デジタルプロセッサ１３０は、非一時的な特許適格メモリに記憶することができる命令の実行に応答して、本明細書で説明する１つ又は複数の機能を実行するように磁気流量計１０２の構成要素を制御する１つ又は複数のプロセッサを表すことができる。いくつかの実施形態では、デジタルプロセッサ１３０が磁気流量計１０２の動作設定点に基づいて電流発生器１３２に制御信号を提供し、電流発生器１３２は、１つ又は複数のコイル１２６を通して交互方向に送達されるＤＣ電流パルスを含むＤＣコイル電流Ｉ_Ｃを生成する。

コイル電流Ｉ_Ｃは、流管１２０の界磁コイル１２６Ａ及び１２６Ｂを介して、図１及び図２に示す伝送線１１８のような適当な電線を介して供給される。これにより、コイル１２６Ａ及び１２６Ｂは、電磁誘導のファラデーの法則に従って流体にＥＭＦを誘導する移動導体として機能する、パイプ部１２２を通って進む流体の流れ１０４を横切る交番磁界を生成する。導電性プロセス流体に容量的に結合されるか、又はプロセス流体と直接電気的に接触する電極１２４Ａ及び１２４Ｂは、流体の流れ１０４に存在する電圧を拾う。電極１２４Ａ及び１２４Ｂにおける電圧の差は流体の流れ１０４の速度に比例し、ＥＭＦセンサ１２３の出力を形成する。

送信機１１０の信号プロセッサ１２８は、電極１２４Ａ及び１２４Ｂに接続され、差電圧の形成でセンサ１２３からの出力を受信する。デジタルプロセッサ１３０は、任意の適切な技術を用いて、電極１２４Ａと１２４Ｂとの間の電圧差をサンプリングし、測定された電圧差をデジタルプロセッサ１３０に供給するように、信号プロセッサ１２８を制御する。これは、例えば、アナログ差動電圧信号をデジタルプロセッサ１３０に供給されるデジタル値に変換することを含むことができる。デジタルプロセッサ１３０は、測定された差動電圧の付加的な信号処理を実行して、プロセス流体の流れ１０４の流量の測定値を確立することができ、これは、通信インターフェース１３４を使用して計算装置１１２に通信することができる。

いくつかの実施形態では、電流発生器１３２がコントローラ１４０、電力増幅器１４２、及び形状発生器１４４を含む。コントローラ１４０は、デジタルプロセッサ１３０からの制御信号、形状発生器１４４からの形状コマンド１４５に応答して、及び／又はコントローラ１４０によって表される非一時的な特許適格メモリに格納され得る命令の実行に応答してなど、本明細書で説明される１つ又は複数の機能を実行するように電力増幅器１４２の構成要素を制御する１つ又は複数のプロセッサを表し得る。例えば、コントローラ１４０は、電力増幅器１４２を制御して、磁気流量計１０２の動作設定値に基づくデジタルプロセッサ１３０からの信号に基づいてコイル電流Ｉ_Ｃを形成するコイル電流パルスを生成し、形状発生器１４４からの形状コマンド１４５に基づいてコイル電流パルスの各々に対する電流形状を制御することができる。本明細書で使用されるように、コイル電流Ｉ_Ｃ又はコイル電流パルスの「電流形状」は、コイル１２６を通るコイル電流Ｉ_Ｃに対応する、経時的なコイル１２６の両端又は片側の電圧に対応する。

図３及び図４は、本開示の実施形態による、例示的な電力増幅器１４２の簡略図である。電力増幅器１４２は、電圧制御電流源、又は別の適切な電流源の形成であってもよい。図示の例では、電力増幅器１４２が電源１４７と、Ｈブリッジ１４６と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４８とを含む。Ｈブリッジは、図３及び図４に示す向きに進む電源１４７（例えば、電源）からフィルタされていない電流Ｉ_ＰＳを受け取るように構成されている。いくつかの実施形態では、Ｈブリッジ１４６がスイッチ１５６Ａ及びその相補スイッチ１５６Ａ’、ならびにスイッチ１５６Ｂ及びその相補スイッチ１５６Ｂ’を含む相補スイッチ１５６の対を備える。スイッチ対１５６Ａ及び１５６Ａ’の相補的な性質はスイッチ１５６Ａが開いているとき、スイッチ１５６Ａ’が閉じていること、及びスイッチ１５６Ａが閉じているとき、スイッチ１５６Ａ’が開いていることを手段する。これは、相補スイッチ１５６Ｂ及び１５６Ｂ’にも当てはまる。

コントローラ１４０はスイッチ対１５６Ａ及び１５６Ａ’ならびに１５６Ｂ及び１５６Ｂ’を制御して、フィルタされていない電流Ｉ_ＰＳから高周波（例えば、１０～１００ｋＨｚ）のフィルタされていない電流パルスを生成し、これらのパルスは、導体１５７又は１５９を介してＬＰＦ１４８に送達されるマイクロプロセッサー及びゲート駆動部を含み得る。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４８は導体１５７又は１５９上のＨブリッジ１４６の出力からの高周波のフィルタされていない電流パルスを減衰させて、コイル電流Ｉ_Ｃを形成する低周波（例えば、５～１００Ｈｚ）コイル電流パルスを形成するように動作する。

コントローラ１４０は、スイッチ１５６のデューティサイクルを変調することによって、フィルタされたコイル電流Ｉ_Ｃが１つ以上のコイル１２６を流れる向きを制御する。例えば、図５、図６は、図４、図３に示す向きにコイル電流Ｉ_Ｃを流す制御部１４０からスイッチ１５６への制御信号の一例を示す図である。チャート中の高信号はスイッチ１５６に対する閉鎖状態に対応し、チャート中の低信号は、開状態に対応する。図５に示すように、スイッチ１５６Ａのデューティサイクルは、スイッチ１５６Ｂのデューティサイクルよりも小さい。その結果、スイッチ１５６Ａ’のデューティサイクルは、スイッチ１５６Ｂ’のデューティサイクルよりも大きい。これにより、ライン１５９の平均電圧がライン１５７の平均電圧よりも大きくなり、その結果、コイル電流Ｉ_Ｃが図３に示す向きに流れる。図６において、スイッチ１５６Ａのデューティサイクルはスイッチ１５６Ｂのデューティサイクルよりも大きく、スイッチ１５６Ａ’のデューティサイクルは、スイッチ１５６Ｂ’のデューティサイクルよりも小さい。これにより、ライン１５７の平均電圧がライン１５９の平均電圧よりも大きくなり、その結果、コイル電流Ｉ_Ｃが図４に示す向きに流れる。この構成は、Ｈブリッジを使用して、電源からの電流を、流管組立品のコイルを通って交互の方向に単純に送る、従来の磁気流量計１０２の電力増幅器とは異なっている。

図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の実施形態による、線１５７又は１５９においてＨブリッジ１４６から出力される例示的な高周波のフィルタされていない電流パルスＰ_Ｌ及びＰ_Ｈと、ＬＰＦ１４８の後のコイル１２６の側面上の対応する電圧とをそれぞれ示す電圧チャートである。フィルタされていないパルスは、それぞれ、コイル電流Ｉ_Ｃのための所望の電圧レベルを生成するように調整され得るパルス幅を有する。例えば、Ｈブリッジ１４６から線１５７又は１５９に印加される一連の高周波パルスＰ_Ｌは、図７Ａに示すように、それぞれパルス幅Ｗ_Ｌを有する可能性がある。パルスＰ_Ｌは、コイル電流Ｉ_Ｃが方向を変えるパルス又は励磁周期Ｔの間、平均電圧Ｖ_Ｌを有する。ＬＰＦ１４８は、図７Ｂに示すように、電圧パルスＰ_Ｌをフィルタして、直流電圧Ｖ_Ｌが低いコイル電流Ｉ_Ｃのコイル電流パルスＰ_ＣＬを生成する。同様に、Ｈブリッジ１４６からの一連の高周波パルスＰ_Ｈは、図７Ａに示すように、パルス幅Ｗ_Ｈを有することができる。周期Ｔの間、平均電圧パルスＰ_Ｈは平均電圧Ｖ_Ｈを有する。ＬＰＦ１４８は、電圧パルスＰ_Ｈをフィルタし、図７Ｂに示すように、直流高電圧Ｖ_Ｈを有するコイル電流Ｉ_Ｃの電圧パルスＰ_ＣＨを生成する。従って、コントローラ１４０がＨブリッジ１４６のスイッチ１５６を作動させるデューティサイクルはコイル電流パルスがコイル１２６を通って進む方向を制御するだけでなく、コイル電流パルスの電流形状も制御するように、コントローラ１４０によって変化させることができる。

図８は、電流発生器１４２によって生成され得る、例示的な正方形コイル電流パルス１５２の簡略化された電流形状のチャートである。コントローラ１４０は、Ｈブリッジ１４６の相補的なスイッチ対１５６が作動して、ＬＰＦ１４８を使用してフィルタされたときに、例えば、流量計１０２の動作設定値に基づいて設定され得る電圧レベル１５８を有するコイル電流パルス１５２を生成する、フィルタされていない電流パルスを生成するデューティサイクルを制御してもよい。また、コントローラ１４０は、相補的なスイッチ対１５６が作動されるデューティサイクルに基づいて、パルス１５２が方向を変える励起周波数を調整することができる。例えば、コイル電流Ｉ_Ｃの正の電流パルス１５２（陰影なし）は、図２及び図３に示す方向にコイル１２６を通って流れ、コイル電流ＩＣの負の電流パルス１５２（陰影付き）は図４に示す方向にコイル１２６を通って流れる。さらに、パルス１５２の電流形状は、形状発生器１４４からの形状コマンド１４５によって制御されてもよい。後述するように、パルス１５２の電流形状は、時変電圧レベルを含んでもよい。

コントローラ１４０は、電流監視回路１５０からコイル電流Ｉ_Ｃの電流レベル測定値を定期的に受信して、正確な流量測定に不可欠な磁気流量計１０２の設定値レベル１５８（図８の破線）に適合させるためにコイル電流Ｉ_Ｃの調節が必要であるかどうかを判定する。電流監視回路１５０は、任意の適切な形態をとることができる。例えば、電流監視回路１５０はコイル電流Ｉ_Ｃに関連する電圧を感知し、測定された電流値として制御部１４０に提供されるアナログデジタル変換器を用いて、サンプリングされた電圧をデジタル信号に変換するように動作することができる。コントローラ１４０は、コイル電流Ｉ_Ｃの電流レベルを磁気流量計１０２の動作設定値によって指示される設定値電流レベルに整合させようとして、測定された電流レベルに基づいてコイル電流Ｉ_Ｃを調整することができる。経時的に回路１５０によってサンプリングされた電圧はコイル電流Ｉ_Ｃ又はコイル電流パルスの電流形状を定義することができ、本明細書で説明する電流形状チャートを形成するために使用することができる。

コントローラ１４０からの方形形状コマンドに基づいて、図５及び図６に示す位相に対してＨブリッジ１４６のスイッチ１５６を継続的なデューティサイクルで作動させることによって、直流コイル電流Ｉ_Ｃとして方形電流形状を有する図８に示す電流パルス１５２を生成することが望ましい場合がある。しかしながら、コイル１２６のインダクタンスのために、コイル１２６を通って駆動されるコイル電流Ｉ_Ｃの電流パルスの測定された電流形状は、図８に示される理想的な正方形形状と整合しない。

これは一般に図９に示されており、それは形状発生器１４４からの例示的な正方形形状コマンド１４５の電流形状チャートと、コマンド１４５に基づいて生成され、流管組立品１２０のコイル１２６を通って駆動されるコイル電流パルス１６４の結果として生じる電流形状１６２とを含んでいる。図９に示すように、コマンド信号１４５の先導部１６４は、負の方形電流パルス形状１６６から正の方形電流パルス形状１６８に実質的に瞬時に遷移する。これにより、制御部１４０は、スイッチ１５６に印加される固定デューティを調整して、線路１５７、１５９の電圧レベルを切り替え、コイル電流Ｉ_Ｃの向きを変更する。例えば、コマンド１４５はコントローラ１４０に、図６に示されるデューティサイクルから図５に示されるデューティサイクルに移行させて、コイル電流Ｉ_Ｃの方向を図４に示される方向から図３に示される方向に切り替えさせることができる。

コイル１２６のインダクタンスにより、コイル電流ＩＣは、形状コマンド１４５に従って瞬時に向きを変えることができない。代わりに、電流パルス１６２の先導部分１７０は設定値レベル１５８に向かって時間の経過とともに徐々に増加し、次いで設定値レベル１５８をオーバーシュートするレベルを有する。これにより、電流パルス１６２の電流形状の先頭部１７０は、形状コマンド１４５の先頭部１６４との差に対応する先頭エラー領域１７２（斜線）を含む。同様に、電流パルス１６２の測定された電流形状のトレーリング部分１７４は、形状コマンド１４５の対応するトレーリング部分１７６と一致することができず、形状コマンド１４５のトレーリング部分１７６からの差に対応するトレーリングエラー領域１７８（陰影付き）をもたらす。

この種のオーバーシュートは、比例－積分－微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズムの整数部分から生じることができ、これはコントローラ１４０によって実現され得る。ＰＩＤ制御アルゴリズムの積分器部分は、電流フィードバックが形状コマンド１４５を正確に追跡するか、又は形状コマンド１４５と監視回路１５０からのフィードバックとの間にエラーがないことを確認する。しかしながら、フィードバック電流がコマンドされた電流よりも遅れて低下すると、積分器は、誤差の「和」がゼロになるように反対の符号の別の誤差を生成することによって、この誤差を補償しようとする。この現象は、古典的なＰＩＤコントローラを設計する制御技術者によってよく知られている。

しかしながら、コントローラ１４０が高速コマンド電流形状、及び遅いフィードバック応答によって引き起こされるエラーを補償しようとするとき、エラーをゼロにするために、大きな電圧を印加する必要がある場合がある。必要な誤差補償電圧が電源１４７の最大値を超える場合（例えば、パルス幅変調デューティサイクルが約１００パーセントである場合）、電源１４７は「飽和」になり、もはやインダクタの両端により多くの電圧を印加することができなくなる。この場合、コントローラ１４０の積分器部分は、負荷（コイル１２６）にわたって電源の電圧の全てを印加しようとした後、制御下にある電流と、コマンドされた電流（形状コマンド１４５）との間の誤差とをもたらすことができず、フィードバック電流はますます大きくなる。これは、ＰＩＤコントローラ１４０の積分器部分が「反対の符号」を有する別のエラーを生成することによって、（コマンドとフィードバックとの間の）総累積エラーをゼロに戻そうとし続けるときに、コントローラ１４０の不安定性及び共鳴をもたらし得る。

電流パルス１６２の測定電流形状の先頭及び後尾の誤差領域１７２及び１７８における電流レベルは、設定値電流レベル１５８を超える。コイル電流レベルのこのオーバーシュートは、電流パルス１６２に応答して１つ又は複数のコイル１２６によって生成された磁界を、間違った磁界強度に落ち着かせ、不正確な流量測定をもたらす可能性がある。加えて、領域１７２及び１７８における電流レベルのオーバーシュートは電力増幅器１４２をその最大電圧を超える原因となり、電力増幅器１４２を飽和させ、電力増幅器１４２の適切な調節を妨げる可能性がある。

本発明の実施形態は、コマンドされた電流形状１４５とコイル電流Ｉ_Ｃの測定された電流形状との間の不整合誤差を低減するように動作する。これにより、電流レベルのオーバーシュートが減少し、流量測定精度が向上する。さらに、コマンドされた電流形状は、電力増幅器１４２がその最大電圧を超えることを防止して、調整問題を回避するように構成されてもよい。

上述のように、コントローラ１４０は、図２に示すように、形状発生器１４４からの形状コマンド１４５に基づいて、コイル電流パルスの電圧レベル及び電流形状を制御する。形状発生器１４４は、図９の単純化された図に示されるように、コイル電流Ｉ_Ｃの直流パルスの電流形状を制御するために、形状コマンド１４５をコントローラ１４０に発行するように動作し、ここで、電力増幅器１４２は、上述の実施形態に従って形成され得る、プログラム可能な双方向電流源１５４によって表される。いくつかの実施形態では、形状発生器１４４が図１０に示すように、正方形電流形状コマンド１４５Ａ、台形電流形状コマンド１４５Ｂ、不規則電流形状コマンド１４５Ｃ、正弦波電流形状コマンド１４５Ｄ、及び／又は他の複雑な形状コマンドなど、異なる複雑な形状コマンド１４５を生成するように構成される。

いくつかの実施形態では、形状コマンド１４５が測定された電流形状がコマンドされた形状に密接に一致するように、コイル１２６のインダクタンスに合わせて調整される。コイル１２６のインダクタンスは、例えば、磁気流量計１０２のファミリー特性から経験的に導出されてもよいし、磁気流量計１０２の経験的に導出された工場の特性から導出されてもよい。いくつかの実施形態では、形状コマンド１４５が工場設定としてプログラムされ、例えば、コントローラ１４０又はデジタルプロセッサ１３０によって表されるメモリなど、磁気流量計１０２の非一時的特許適格メモリに記憶される。

さらに、形状コマンドは電力増幅器１４２の最大電圧を超えるパルス電流の電流オーバーシュートの可能性を低減するために、電源１４７（図３及び図４）などの電力増幅器１４２の最大電圧に合わせることができる。形状発生器１４２は、コイル１２６の推定インダクタンス、及び任意選択で電力増幅器１４２の最高電圧に基づいて実際に達成可能な電流レベルランプの勾配を計算し、この勾配を使用して、コイル電流Ｉ_Ｃの電流パルスによって実質的に整合させることができる非二乗電流形状を有する形状コマンドを生成する。

図１１は、本開示の実施形態による、形状発生器１４４によって電力増幅器１４２に発行され得る、例示的な台形形状コマンド１４５の電流形状１８４を示すチャートである。電流形状１８４は、それぞれ、立ち上がり時間ｔ_Ｒにわたって電流レベルが設定点電流レベル１８８まで徐々に上昇する先行部分１８６と、立ち下がり時間ｔ_Ｆにわたって電流レベルが徐々にゼロに戻る後続部分１９０とを有する。先行部分及び後続部分１８６及び１９０の傾斜は、コイル１２６の推定インダクタンス、及びオプションとして、電力増幅器１４２の最大電圧に基づいて、形状発生器１４４によって決定される。

図１２は形状発生器１４４からの例示的な台形形状コマンド１４５の電流形状１８４のチャート、及び、例えば、監視回路１５０を使用して測定され得る、電力増幅器１４２によって生成される対応する電流パルス１９４の電流形状１９２のチャートを図示する。形状コマンド１４５の先行部分１８６及び後続部分１９０の傾斜がコイル１２６のインダクタンスに合わせて調整されているため、測定された電流形状１９２は形状コマンド１４５の電流形状１８４の先行部分１８６及び後続部分１９０に密接に一致する先行部分１９５及び後続部分１９６を含み、その結果、方形電流形状・コマンド１４５（図９）が使用されるときに比べて先行誤差領域１９７（斜線領域）及び後続誤差領域１９８（斜線領域）が小さくなる。その結果、コイル電流ＩＣの電流パルス１９４は領域１９７及び１９８において減少した電流オーバーシュートを有し、それによって、コイル１２６によって生成された磁界を、電流レベルセットポイント１８８によって示される所望の磁界強度に落ち着かせるように駆動し、流量計測精度を改善する。

加えて、形状コマンド１４５は、エラー領域１９７及び１９８における電流オーバーシュート生成中を含む、形状コマンド１４５に応答して電流パルス１９４を生成する際に、電力増幅器１４２の電圧をその最大電圧よりも低く維持するように調整されてもよい。その結果、電力増幅器１４２の調整に関する課題を低減することができる。

図１３は、本開示の実施形態による、磁気流量計１０２を使用して流体の流量を測定する方法を示すフローチャートである。本方法の２００において、流体の流れ１０４は、図１及び図２に示すように、パイプ部１２２を通るなど、流管組立品１２０を通って受け入れられる。形状コマンド１４５は、２０２で発行され、形状発生器１４４を使用して、時間経過に伴う電圧の電流形状１８４（図９及び図１０）を定義する。いくつかの実施形態では、形状コマンド１４５がコイル１２６のインダクタンスに基づく。いくつかの実施形態では、形状コマンド１４５がまた、電力増幅器１４２の最大電圧に基づいている。

本方法の２０４において、電流パルスは、形状コマンド１４５に基づいて電力増幅器１４２を使用して生成され、流れ管組立品１２０のコイル１２６を通って交互の方向に駆動される。これは、例えば、異なるデューティサイクルで電力増幅器１４２のＨブリッジの相補的スイッチ１５６の対を作動させることなどによって、上述の技術に従って達成されてもよい。いくつかの実施形態では、電流パルスがそれぞれ、図１２に示される電流パルス１９４によって示されるような、非二乗電流レベル形状を有する。

２０６において、磁場が流体の流れ１０４を横切って生成され、ＥＭＦが流体の流れ１０４に誘導される。誘導されたＥＭＦは、流体の流れ１０４の流量に比例する。

２０８において、流体の流れ１０４の流量を示す出力（例えば、差動電圧）は、流管組立品１２０のＥＭＦセンサ１２３（図２）を使用して生成される。上述のように、ＥＭＦセンサ１２３からの出力は信号プロセッサ１２８及びデジタルプロセッサ１３０によって処理され、図２に示されるように、通信インターフェース１３４を使用して外部コンピュータ装置１１２に通信され得る。

本開示の実施形態は、好ましい実施形態を参照して説明されてきたが、当業者は本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細において変更がなされ得ることを認識するのであろう。

Claims (22)

1. コイル電流に応じて流体の流れを横切る磁場を生成するように構成されたコイルであって、前記磁場は、流量に比例して前記流体の流れの中に起電力（ＥＭＦ）を誘導する、前記コイルと、
   前記ＥＭＦを感知し、誘導ＥＭＦを示す出力を生成するように構成されたＥＭＦセンサと、
   を含み、液体の流れを受け入れるように構成された流管組立体と、
   形状コマンドを発生するように構成された形状発生器と、
   電源と、前記電源に結合されたＨブリッジと、第１の導体、及び第２の導体を通して前記Ｈブリッジからフィルタされていない電流パルスを受け取り、前記フィルタされていない電流パルスの高周波成分を減衰させてコイル電流パルスを形成するように構成されたローパスフィルタと、を含む電力増幅器と、
   交互方向にコイルを通りコイル電流を形成するコイル電流パルスを生成するよう電力増幅器を制御するコントローラであって、前記コイル電流パルスの各々は、前記形状コマンドに基づく時間にわたる電圧の電流形状を有する、前記コントローラと、
   を含む、プログラム可能な双方向電流発生器と、
   を含む、液体の流量を測定するための磁気流量計であって、
   前記コントローラは、前記形状コマンドに基づいて前記フィルタされていない電流パルスを生成し、前記コイルを通る前記コイル電流パルスの方向を交互に変えるために、変化するデューティサイクルで前記Ｈブリッジの相補スイッチの組を作動させるように構成される、
   磁気流量計。
2. 前記フィルタされていない電流パルスは、１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの周波数を有する、請求項１に記載の磁気流量計。
3. 前記Ｈブリッジは、
   前記第１の導体と前記電源の第１の端子とを結合するように構成された第１のスイッチと、
   前記第１のスイッチと相補的であり、前記第１の導体と前記電源の第２の端子とを結合するように構成された第２のスイッチと、
   前記第２の導体と前記電源の前記第１の端子へ結合するように構成された第３のスイッチと、
   前記第３のスイッチと相補的であり、前記第２の導体と前記電源の前記第２の端子とを結合するように構成された第４のスイッチと、
   を含む、請求項１に記載の磁気流量計。
4. 前記コントローラは、前記第３のスイッチ、及び前記第４のスイッチよりも高いデューティサイクルで前記第１のスイッチ、及び前記第２のスイッチを作動させて、前記コイルを通る第１の方向に前記コイル電流パルスを送達し、
   前記コントローラは、前記第１のスイッチ、及び前記第２のスイッチよりも高いデューティサイクルで前記第３のスイッチ、及び前記第４のスイッチを作動させて、前記コイルを通る前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記コイル電流パルスを送達する、
   請求項３に記載の磁気流量計。
5. 前記コントローラは、第１のデューティサイクルで前記第１のスイッチ、及び前記第２のスイッチを作動させ、前記形状コマンドに基づいて前記第１の導体上に第１の平均電圧を有する第１のフィルタされていない電流パルスを生成し、
   前記コントローラは、第２のデューティサイクルで前記第３のスイッチ、及び前記第４のスイッチを作動させ、前記形状コマンドに基づいて前記第２の導体上に第２の平均電圧を有する第２のフィルタされていない電流パルスを生成し、
   前記第１の平均電圧と前記第２の平均電圧との間の差によって、前記コイル電流パルスが前記コイルを通る方向が決まる、
   請求項３に記載の磁気流量計。
6. 前記コイル電流パルスの各々は、前記コイルを通って単一の方向に進み、対応する前記形状コマンドに従って、時間とともに変化する電圧レベルの電流形状を有する、請求項３に記載の磁気流量計。
7. 前記コントローラは、経時的に変化する第１のデューティサイクルで前記第１のスイッチ、及び前記第２のスイッチを作動させ、前記形状コマンドに基づいて前記第１の導体において経時的に変化する第１の平均電圧レベルを有する第１のフィルタされていない電流パルスを生成するか、又は、
   前記コントローラは、経時的に変化する第２のデューティサイクルで前記第３のスイッチ、及び前記第４のスイッチを作動させ、前記形状コマンドに基づいて前記第２の導体において経時的に変化する第２の平均電圧レベルを有する第２のフィルタされていない電流パルスを生成する、
   請求項６に記載の磁気流量計。
8. 前記形状コマンドは、前記コイル電流パルスを生成するコマンドを含み、各コイル電流パルスは、方形電流形状、非方形電流形状、台形電流形状、正弦波電流形状、及び不規則電流形状からなる群から選択される、時間にわたる電圧の電流形状を有する、請求項１に記載の磁気流量計。
9. 前記形状コマンドの各々は、先頭部分を有する非方形電流形状に対応し、電圧レベルは時間の経過とともに、設定点レベルまで徐々に上昇する、請求項８に記載の磁気流量計。
10. 前記非方形電流形状は、電流レベルが時間の経過と共に前記設定点レベルから徐々に低下するトレーリング部分を含む、請求項９に記載の磁気流量計。
11. 前記形状コマンドは、前記コイルのインダクタンスに基づく、請求項１に記載の磁気流量計。
12. 前記形状コマンドは、前記電力増幅器の電源の最大電圧に基づく、請求項１に記載の磁気流量計。
13. 前記ＥＭＦセンサは、流体に対して側面に配置された第１の電極、及び第２の電極を備え、
    前記磁気流量計は、
    前記第１の電極、及び前記第２の電極によって感知される電圧を受け取り、前記ＥＭＦ及び前記流体の流速に比例する前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧差を示すデジタル電圧信号を生成するように構成されたシグナルプロセッサと、
    前記デジタル電圧信号を処理し、流体の流量を確立するように構成されたデジタルプロセッサと、
    を含む、請求項８に記載の磁気流量計。
14. 前記流量を、前記磁気流量計に電力を供給する２線式プロセス制御ループを介して外部コンピュータ装置に通信するように構成された通信インターフェースを含む、請求項１３に記載の磁気流量計。
15. コイルを有する流管組立品を通る流体の流れを受け取り、
    形状発生器を使用して、経時的な電圧の電流形状を定義する形状コマンドを発行し、
    プログラム可能な双方向電流発生器を用いて、コイル電流の複数のコイル電流パルスを発生させることであって、前記コイル電流パルスの各々は、前記形状コマンドの１つに基づく、経時的な電圧の電流形状を有し、前記コイル電流パルスは、コイルを通って交互の方向に駆動され、
    前記コイル電流パルスの発生に応じて流量に比例する起電力（ＥＭＦ）を流体の流れに誘導する前記コイルを用いて流体の流れを横切る磁場を生成し、
    ＥＭＦセンサを用いて誘導ＥＭＦを示す出力を生成する、
    こと含む、流体の流量を測定する方法であって、
    前記コイル電流パルスを発生させることは、
    異なるデューティサイクルでＨブリッジの相補スイッチの組を作動させ、前記形状コマンドに基づいてフィルタされていない電流パルスを生成し、コイル電流の前記コイルを通る方向を交互に変え、
    前記コイル電流パルスを形成するためにローパスフィルタを用いて前記フィルタされていない電流パルスをフィルタ処理する、
    ことを含む、方法。
16. 前記フィルタされていない電流パルスは、１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの周波数を有する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記Ｈブリッジは、
    第１の導体と電源の第１の端子とを結合するように構成された第１のスイッチと、
    前記第１のスイッチと相補的であり、前記第１の導体と前記電源の第２の端子とを結合するように構成された第２のスイッチと、
    第２の導体と前記電源の前記第１の端子へ結合するように構成された第３のスイッチと、
    前記第３のスイッチと相補的であり、前記第２の導体と前記電源の前記第２の端子とを結合するように構成された第４のスイッチと、
    を含み、
    前記相補スイッチの組を作動させることは、
    コントローラを用いて、第１のデューティサイクルで前記第１のスイッチ、及び前記第２のスイッチを作動させ、前記形状コマンドに基づいて前記第１の導体上に第１の平均電圧を有する第１のフィルタされていない電流パルスを生成し、
    前記コントローラを用いて、第２のデューティサイクルで前記第３のスイッチ、及び前記第４のスイッチを作動させ、前記形状コマンドに基づいて前記第２の導体上に第２の平均電圧を有する第２のフィルタされていない電流パルスを生成する、
    ことを含み、
    前記第１の平均電圧と前記第２の平均電圧との間の差によって、前記コイル電流パルスが前記コイルを通る方向が決まる、
    請求項１５に記載の方法。
18. 前記異なるデューティサイクルでＨブリッジの相補スイッチの組を作動させることは、
    前記形状コマンドに基づいて経時的に変化する異なるデューティサイクルで相補スイッチの組を作動させる、
    ことを含み、
    前記コイル電流パルスは各々、経時的に変化する電圧の電流形状を有する、
    請求項１５に記載の方法。
19. 信号プロセッサを用いて、前記ＥＭＦセンサからの出力を処理し、
    デジタルプロセッサを用いて、流体の流量を確立するために、前記信号プロセッサからのデジタル出力信号を処理し、
    通信インターフェースを用いて、外部コンピュータ装置に前記流量を通信する、
    ことを含む、請求項１５に記載の方法。
20. 前記形状コマンドは、前記コイル電流パルスを生成するコマンドを含み、各コイル電流パルスは、方形電流形状、非方形電流形状、台形電流形状、正弦波電流形状、及び不規則電流形状からなる群から選択される、時間にわたる電圧の電流形状を有する、請求項１５に記載の方法。
21. 前記形状コマンドは、前記コイルのインダクタンスに基づく、請求項１５に記載の方法。
22. 前記形状コマンドは、電流発生器の電源の最大電圧に基づく、請求項１５に記載の方法。