JPH0228806B2 - Denjiryuryokei - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電磁流量計の励磁方式とそれに伴う信
号処理の改良に関する。

一般に電磁流量計においてその電磁流量計発信
器の電極間に発生する電圧は、(1)流体の流速に比
例する信号電圧、(2)励磁の磁束密度が時間的に変
化することに起因して発生する電磁誘導ノイズ電
圧、(3)電極と流体の間で電気化学的に発生し、し
かも緩慢ながら時間的に変化する直流ノイズ電
圧、(4)商用電源に起因する商用周波ノイズ電圧、
の４つがある。

電磁流量計としては、これら４つの電圧のう
ち、(1)の信号電圧だけを得る必要がある。そこ
で、例えば矩形波励振などの低周波励振形の電磁
流量計が従来から用いられており、下記(A)〜(D)の
技術が知られている。

(A) 特開昭53−75966号；「電磁流量計」 (B) 特公昭54−39750号；「交流式電磁血流量計」 (C) 特開昭50−128551号；「２つの磁気誘導度間
で切換られる直流磁界を用いた電磁流量計の電
気化学的障害直流電圧補償方式」 (D) 特開昭54−89658号；「誘導型流量測定方法お
よび装置」 しかし従来の低周波励振形の電磁流量計には、
(2)の電磁誘導ノイズ電圧、(3)の電気化学的な直流
ノイズ電圧及び(4)の商用周波ノイズ電圧を十分に
除去でき、且つ出力応答性が早くて回路構成が簡
単であるというものは見当らない。つまり、 (イ) 電磁誘導ノイズ電圧があると流体の流速がゼ
ロであつても一定の出力となつて現われてこれ
がゼロ点バイアスとなるため、その都度流体を
止めてゼロ点調整を行う必要がある。しかも一
旦ゼロ点調整を行なつたとしても、例えば電極
表面に絶縁性の付着物が付いたりすると、電磁
誘導ノイズ量が変つてしまうためゼロ点変動を
生じてしまう。前記従来技術(A)と(B)ではこの問
題の改善が図られているが、(C)と(D)では改善さ
れていないため励振周波数をできるだけ低くす
ることでノイズから逃れる必要があり、この結
果、応答性能が悪くなる欠点があつた。

(ロ) 一方、従来技術(C)と(D)では電気化学的直流ノ
イズ電圧を除去するための補償手段が図られて
いるが、(A)と(B)ではこの補償手段が講じられて
いないため電気化学的直流ノイズ電圧が時間的
に変動した場合は出力に誤差がでたり、ひげ状
のノイズがでる欠点があるため、電気化学的直
流ノイズ電圧の変動し易いスラリー流体測定に
(A)と(B)は不向きであつた。

(ハ) また工業用電磁流量計では、商用電源からの
誘導ノイズが電源に混入した場合に誤差となる
が、この場合の対策も必要である。

本発明は電磁誘導ノイズ電圧，電気化学的な直
流ノイズ電圧及び商用周波ノイズ電圧を十分に除
去でき、しかも出力応答特性が早くて構成の簡単
な電磁流量計を提供することを目的とする。その
ため本発明では、励磁期間と休止期間を交互に繰
返して励磁する励磁方式を採用し、また電極から
の信号を休止期間と励磁期間並びにこれらの期間
のうち電磁誘導ノイズの消滅した期間でサンプリ
ングして連続する所定間隔の４個のサンプル値の
夫々に係数を掛けて演算し、ノイズ成分を除去し
た流量信号を得るという信号処理方式を採用す
る。以下、図面を参照して本発明を詳説する。

第１図に本発明の一実施例の全体構成を示し、
第２図にその動作タイミングを示す。この例は、
励磁のサイクルとして相互に反対極性の励磁期間
の間にこれらの時間幅の３倍長の休止期間を介在
させたサイクルを採用して消費電力の低減を図つ
た場合の例である。

第１図において、１は励磁コイルであり、この
例では流体の流れ方向と電極３ａ，３ｂの取付方
向とに夫々直交する磁界を発生するものである。
２は流体を流すための絶縁導管、４と５は電極に
高インピーダンスで接続されたバツフアアンプ、
６は外部抵抗R₁〜R₄を有する差動アンプである。
７は演算制御回路であり、この例ではマイクロコ
ンピユータ構成とし、アナログ−デジタル変換器
７ａ（以下、Ａ／Ｄ変換器と略称する）、マイクロ
プロセツサ７ｂ，メモリ７ｃ，入出力ポート７ｄ
（以下、Ｉ／Ｏポートと略称する），デジタル−ア
ナログ変換器７ｅ（以下、Ｄ／Ａ変換器と略称す
る），アドレス・バス７ｆ及びデータ・バス７ｇ
から構成されている。

励磁コイル１は直流定電流源８に電界効果トラ
ンジスタなどのスイツチ素子SW₁−SW₁−ｂ，
SW₂−ａ，SW₂−ｂを介して接続され、各スイツ
チ素子が演算制御回路７内のＩ／Ｏポート７ｄか
らのタイミング信号９によつて第２図ａ，ｂの波
形で開閉することにより同図ｃに示す低周波矩形
波状の励磁電流が流れる。第２図ｃ中で、正の励
磁期間Ａと負の励磁期間Ｂとは等時間幅Ｔであ
り、２つの休止期間Ｃ，Ｄは各励磁期間Ａ，Ｂの
３倍長としてある。励磁のサイクルを１つの励磁
期間Ａ又はＢと１つの休止期間Ｃ又はＤとで１サ
イクルと考えれば、この例では商用商波数の１／
４の周波数に設定している。

信号処理について述べると、差動アンプ６の出
力はＩ／Ｏポート７ｄからのタイミング信号１０
によつてＡ／Ｄ変換器７ａによりサンプリングさ
れ且つデジタル化される。サンプリングのタイミ
ングは第２図ｄの波形に示す如く、励磁期間の時
間幅Ｔを間隔にとつて行われ、この例では励磁サ
イクルの励磁期間に１回、休止期間に３回のサン
プリングが行われ、休止期間のうち２回のサンプ
リングは電磁誘導ノイズが消滅した期間で行われ
る。Ａ／Ｄ変換器７ａにより取込まれたサンプル
値は連続する４個ずつについて次式(1)の演算が行
われ、その演算結果V₀がデジタル流量信号１１
又はこれをＤ／Ａ変換器１７ｅに通したアナログ
流量信号１２として出力される。

V₀＝aV₁＋bV₂＋cV₃＋dV₄ ………式(1) 但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄは係数 V₁〜V₄はサンプル値である。

式(1)における各係数は演算結果V₀から電磁誘
導ノイズ、電気化学的直流ノイズ及び商用周波ノ
イズを除去する値に選ばれるが、その値は励磁と
サンプリングとの関係により定まる。１例として
正の励磁期間Ａを対象に第２図ｄのt₁〜t₈のう
ち、t₁〜t₄のタイミングにより得たサンプル値を
V₁〜V₄とした場合について説明する。ここで電
極からの信号である差動アンプ６の出力を考える
と、この信号は第２図ｅに示す流量と励磁電流に
比例する流量比例信号、同図ｆに示す電気化学的
直流ノイズ、同図ｇに示す電磁誘導ノイズ及び同
図ｈに示す商用周波ノイズの合成である。したが
つて、それぞれに斜線を付した部分が各サンプル
値に含まれるからV₁〜V₄は次式(2)で与えられる。

V₁＝Ｅ−Ｆ V₂＝v₀＋d₀＋Ｅ＋△Ｅ−Ｆ V₃＝−d₀＋Ｅ＋２△Ｅ−Ｆ V₄＝Ｅ＋３△Ｅ−Ｆ… ……式(2) 但しv₀は流量比例信号のサンプル値、d₀と−d₀
は電磁誘導ノイズのサンプル値、−Ｆは商用周波
ノイズのサンプル値である。またＥ〜Ｅ＋３△Ｅ
は電気化学的直流ノイズのサンプル値であるが、
電気化学的直流ノイズは短い時間では時間に対し
て一定変化率で変化する電圧とみなせるので、サ
ンプリングが進むにつれ初回の値Ｅに順次△Ｅが
加わることになる。なお、V₁とV₄は電磁誘導ノ
イズの消滅した期間での値であるからd₀は含まれ
ない。

そこで式(2)を式(1)に代入して整理すれば V₀＝bv₀＋（ｂ−ｃ）d₀＋（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）Ｅ ＋（ｂ＋2c＋3d）△Ｅ−（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）Ｆ
………式(3) となり、式(3)のノイズ成分の項をゼロとする解を
式(4)から求めれば各係数が定まり、 ｂ＝ｋ≠０ ｂ−ｃ＝０ ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝０ ｂ＋2c＋3d＝０ ………式(4) 式(4)より、ａ＝−ｋ、ｂ＝ｋ、ｃ＝ｋ、ｄ＝−
ｋとなる。そこでt₁〜t₄のタイミングにより得た
サンプル値を演算する場合は、 V₀＝Ｋ（−V₁＋V₂＋V₃−V₄） ………式(5) の式を用いることとなり、式(3)からもわかる通
り、ノイズ成分を含まない演算結果V₀＝Kv₀を得
られる。

演算式(5)は負の励磁期間Ｂを対象としてt₅〜t₈
のサンプル値を演算する場合にも適用でき、この
場合は、 V₀＝−Kv₀ なる演算結果が得られる。したがつてt₁〜t₄間と
t₅〜t₈間のサンプル値をそれぞれ演算式(5)で演算
すれば各励磁期間毎に流量信号を得られることに
なり出力応答特性が早くなる。出力応答特性につ
いては、サンプル値に電磁誘導ノイズが含まれて
いても演算によりこれが除去されるため、励磁期
間が短かくてもかまわないこととなり、それだけ
応答が早い。

ここで演算の処理サイクルと係数ａ，ｂ，ｃ，
ｄについて付言すると、正の励磁期間Ａを対象と
して考えるに、t₁〜t₄のタイミング間の他にt₇〜
t₂間、t₈〜t₃間、t₂〜t₅間の各サンプリング値を式
(1)におけるV₁〜V₄とおいて演算しても良く、い
ずれの場合でも上述した同様の手順により各場合
の係数が求まる。即ち、 t₇〜t₂の間をとれば、 V₀＝Ｋ（−V₁＋3V₂−3V₃＋V₄） t₈〜t₃の間をとれば、 V₀＝Ｋ（3V₁−5V₂＋V₃＋V₄） t₂〜t₅の間をとれば、 V₀＝Ｋ（V₁＋V₂−5V₃＋3V₄） となる。

以上説明した例は第２図ｃに示す如く、正と負
の反対極性の励磁期間Ａ，Ｂの間に休止期間Ｃ，
Ｄを介在させた励磁方式についての例であるが、
励磁期間を同一極性のものとする励磁方式であつ
ても本発明を適用できる。更に、励磁期間の時間
幅を休止期間の３倍長としても、消費電力はやや
増すが、ノイズ除去は同様に達成できる。また更
に、励磁期間と休止期間の比は任意で良く、１対
３あるいは３対１に限られるものではない。因み
に、励磁期間を正極性のみとして且つその長さを
休止期間の３倍長とした例について第３図を参照
して説明し、また励磁期間を正極性のみとし且つ
その長さを休止期間の1/4とした例について第４
図を参照して説明する。

第３図中、ａは励磁電流波形、ｂはサンプリン
グのタイミング、ｃは流量比例信号波形、ｄは電
磁誘導ノイズ波形、ｅは電気化学的直流ノイズ波
形、ｆは商用周波ノイズ波形を夫々示し、斜線部
分がサンプリングされたところである。この例の
場合は、例えば演算処理を同図ｂ中のt′₁〜t′₄間
のタイミングで行うとすれば夫々のサンプル値を
V′₁〜V′₄とすることにより、次式(6)の演算を行う
ことになる。

V₀＝Ｋ（−V′₁＋V′₂＋V′₃−V′₄） ………式(6) 第４図の例では、サンプリングの間隔を励磁期
間の時間幅Ｔに等しくするが、t″₁〜t″₄に続く１
回のサンプリングを欠落して信号処理が行われ
る。同図中、ａは励磁電流波形、ｂはサンプリン
グの波形、ｃは流量比例信号波形、ｄは電磁誘導
ノイズ波形、ｅは電気化学的直流ノイズ波形、ｆ
は商用周波ノイズ波形をそれぞれ示し、斜線部分
が信号処理に用いられる。この例の場合も、同図
ｂのt″₁〜t″₄のタイミングでのサンプル値をV″₁〜
V″₄とすれば、次式(7)の演算を行うことにより各
ノイズが除去される。

V₀＝Ｋ（−V″₁＋V″₂＋V″₃−V″₄） ………式(7) このように、信号処理から適宜なサンプリング
を欠落することにより、励磁期間と休止期間の比
が任意であつてもノイズ成分のない流量信号が得
られる。

ここで付言するに、上述した実施例では各サン
プル値を１回のサンプリングにより得ているが、
各回のサンプリングを更に細分し、例えば第５図
に示す如く４つのサンプリングに細分し、得られ
た値の平均値をそれぞれのサンプル値としても良
い。なお細分の仕方によつては各サンプル値自体
で商用周波ノイズを除去することも可能である。
一方、直流定電流源８の代りに励磁電流が変動し
てしまう直流源を用いることができるが、この場
合は、励磁電流を検出してこの値で電極からの信
号を除算する回路を設けて励磁電流の変動による
誤差を取除けば良い。また、演算制御回路７はマ
イクロコンピユータによる構成に限らず、通常の
回路構成としても良い。

以上詳細に説明したように、本発明の電磁流量
計では、電磁誘導ノイズ、電気化学的直流ノイズ
及び商用周波ノイズの全てを簡単な構成で除去で
き、しかもその出力応答特性は一部のサンプル値
に電磁誘導ノイズを含んでもかまわないこと及び
１つの励磁期間毎に流量信号を得られることによ
り、極めて応答が早い。なお、本発明は電極が１
対だけでなく３個以上の電磁流量計にも適用でき
ることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク構成
図、第２図ａ〜ｈは第１図中の各部の動作を説明
するための波形図、第３図ａ〜ｆは他の実施例を
説明するための波形図、第４図ａ〜ｆは更に他の
実施例を説明するための波形図、第５図はサンプ
リングの他の例を示す波形図である。 図面中、１は励磁コイル、２は絶縁導管、３
ａ，３ｂは電極、７は演算制御回路である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 矩形波状励磁の電磁流量計において、励磁期
   間と休止期間を交互に繰返して励磁する励磁回路
   と、電極からの信号を休止期間と励磁期間並びに
   これらの期間のうち電磁誘導ノイズの消滅した期
   間でサンプリングするサンプリング回路及びこの
   サンプリング回路からの信号を入力して連続する
   所定間隔の４個のサンプル値の夫々に係数を掛け
   て加算する演算により流量信号を出力し、各係数
   は励磁とサンプリングの関係により定まり加算に
   よつて商用周波ノイズ、電気化学的直流ノイズ及
   び電磁誘導ノイズを夫々相殺する数値とした演算
   回路からなる演算制御回路とを具備したことを特
   徴とする電磁流量計。 ２ 上記励磁期間の極性が休止期間を挟んで交互
   に反対の極性であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の電磁流量計。 ３ 上記励磁期間の極性が一定の極性であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電磁流
   量計。