JPH0566972B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、電磁流量計検出器の測定管における
空水状態を検知する回路、特に、誤動作すること
がなくかつ電磁流量計変換器から出力される流量
信号の安定化と精度維持とを図ることができる回
路構成に関する。

〔従来技術とその問題点〕

電磁流量計は、その測定管内の測定流体が少な
くなつて起電力検出用電極が測定流体外に露出す
ると（以後このようにして測定流体が電極に接触
しなくなる状態を空水状態ということがある。）、
測定流体の流量を表す出力信号が上限値または下
限値をこえてふり切れたりあるいは不安定に変動
したりする現象が発生する。したがつて、このよ
うな現象が発生すると、電磁流量計の出力信号を
受信する流量積算計の計測誤差が増大するばかり
でなく、電磁流量計がプラント制御装置の検出端
を構成している場合にはプリントの操業状態が危
険な状態になる恐れがある。このため電磁流量計
には通常空水状態を検知する手段が設けられ、こ
の手段によつて空水状態を検知すると、電磁流量
計の出力信号がベース付き信号である場合には、
たとえば該出力信号の値を強制的に０％以下の値
に引き下げるようにすることが行われている。

第７図は従来の空水検知回路を設けた電磁流量
計の構成図である。図において、１は測定流体１
５が流れる電磁流量計の測定管、２は測定管１に
設けたアース端子、３ａ，３ｂは電極で、４は上
記各部と図示していない励磁コイルおよびコアと
からなる電磁流計の検出器である。検出器４には
さらに電極３ａ，３ｂに連なる出力端子５ａ，５
ｂが設けられている。６ａ，６ｂは端子５ａ，５
ｂに現れる電圧信号Sa，Sbがそれぞれ入力され、
これらの入力信号を増幅して信号Sa，Sbの各々
に応じた交流電圧信号６ａ１，６ｂ１をそれぞれ
出力する交流増幅器で、７は信号６ａ１と６ｂ１
とが入力される差動増幅器である。Za１，Zb１
はそれぞれ増幅器６ａ，６ｂにおける各入力イン
ピーダンスを仮想的に示したものである。８は、
差動増幅器７の出力信号が入力され、所定の信号
処理を行つて測定管１を通過する測定流体１５の
流量に応じた流量信号８ａを出力する信号処理部
で、増幅器６ａ，６ｂと差動増幅器７と信号処理
部８とは変換器９を構成している。１０ａ，１０
ｂはいずれも大きい入力インピーダンスと小さい
出力インピーダンスとを有するゲイン１のインピ
ーダンスバツフアとしての直流増幅器で、Za₂，
Zb₂はそれぞれ増幅器１０ａ，１０ｂにおける各
入力インピーダンスを仮想的に示したものであ
る。この場合増幅器１０ａの入力端子１０a₂には
抵抗Raを介して直流電圧＋Vccが接続され、ま
た増幅器１０ｂの入力端子１０b₂には抵抗Rbを
介して直流電圧−Vccが接続されている。増幅器
１０ａから出力される直流電圧信号１０a₁と増幅
器１０ｂから出力される直流電圧信号１０b₁とは
直流差動増幅器１１に入力され、差動増幅器１１
の出力信号はコンパレータ１２によつて基準電圧
１３と比較されるようになつている。コンパレー
タ１２は、増幅器１１の出力信号の値が電圧１３
の値よりも大きくなるとＨレベルとなる二値信号
としての検知信号１２ａを出力するように構成さ
れている。１４は電圧±Vccと抵抗Ra，Rbと増
幅器１０ａ，１０ｂと差動増幅器１１とコンパレ
ータ１２と基準電圧１３とからなる空水検知回路
である。

第７図では空水検知回路１４が上記のように構
成されているので、電極３ａとアース端子２との
間には電圧＋Vccによる電解電流が流れ、また電
極３ｂとアース端子２との間にも電圧−Vccによ
る電解電流が流れる。また、電極３ａ，３ｂのそ
れぞれと測定流体１５との界面近傍にはイオンの
集積に起因する電気二重層が存在している。第８
図はこのような状態を示した検出器４における要
部の等価回路図で、図は電極３ａ側を示したもの
である。電極３ｂ側も第８図と同様になることは
当然である。第８図において、Ceは前記の電気
二重層に起因するキヤパシタ、Zeは電極３ａと
測定流体１５との間に界面インピーダンス、R₀
は導電路としての測定流体１５の抵抗、Ｅは電極
３ａと測定管１とを両電極とし測定流体１５を電
解質とする電池の起電力、ｅは測定流体１５の流
動に伴つて発生する信号起電力である。Zaxは電
極３ａとアース端子２との間に観測される電極イ
ンピーダンスで、このインピーダンスは流体抵抗
R₀と界面インピーダンスZeとキヤパシタCeとか
らなる図示の回路構成のインピーダンスである。
第７図に示したように、電極３ｂとアース端子２
との間にも、インピーダンスZaxに対応する電極
インピーダンスZbxが存在することは明らがであ
る。

さて、第７図においては、上述した所からかわ
るように、測定管１にたとえば水を満たした場合
と測定管１を空にした場合とでは電極インピーダ
ンスZax，Zbaが大きく変化する。実測によれ
ば、水を満たした場合ほぼ10KΩであつた電極イ
ンピーダンスが、測定管１を空にした場合たとえ
ば約100MΩというように非常に大きい値になる。
このため、直流電圧＋Vccが抵抗Raと電極イン
ピーダンスZaxとで分圧されて増幅器１０ａに入
力される電圧が、測定管１に水が満たされている
場合低くなり、測定管１から水が排出された場合
高くなる。また直流電圧−Vccが抵抗Rbと電極
インピーダンスZbxとで分圧されて増幅器１０ｂ
に入力される電圧が、測定管１に水が満たされて
いる場合高くなり、測定管１から水が排出された
場合低くなる。したがつて、差動増幅器１１の出
力信号は測定管１に水が満たされた場合小さい値
になり、測定管１が空水状態になると大きい値に
なるので、空水検知回路１４は、このように変化
する差動増幅器１１の出力信号の大きさをコンパ
レータ１２と基準電圧１３とを用いて比較検出す
ることによつて、測定管１の空水状態を検出する
ようにしたものである。

第７図においては、空水検知回路１４が上記の
ように動作するのであるが、この検知回路には以
下に説明するような問題がある。

(1) 測定流体１５の導電率が低い場合前述の流体
抵抗R₀は100KΩにもなることがあるので、電
磁流量計変換器９における増幅器６ａ，６ｂは
各入力インピーダンスZa₁，Zb₁がそれぞれ通
常100MΩ以上になるように構成されている。
ところが第７図の構成によれば、抵抗Ra，Rb
がインピーダンスZa₁，Zb₁にそれぞれ並列に
接続されていることになるので、この場合増幅
器６ａ，６ｂの各入力インピーダンスが小さく
なる。したがつて電磁流量計に空水検知回路１
４を設けると、測定流体１５の導電率にもとづ
く流量信号８ａのスパン変化が大きくなつて信
号８ａの精度が低下するという問題がある。換
言すれば、変換器９においては、流量信号８ａ
の精度を低下させないようにするために、増幅
器６ａ，６ｂの入力インピーダンスをできるだ
け大きくする必要があるが、抵抗Ra，Rbのた
めにこれらの入力インピーダンスを大きくする
ことができないという問題がある。

(2) 信号８ａの精度低下を招かないようにするた
めに、空水検知回路の増幅器１０ａ，１０ｂも
入力インピーダンスZa₂，Zb₂が非常に大きい
値であるように構成され、また抵抗Ra，Rbも
通常それぞれ100MΩ以上の値が選定されてい
る。この結果、測定管１内に導電性の測定流体
１５が液滴状態で残留しているような空水状態
の場合とか、測定管１内のライニング上に導電
性スケールが付着している場合などのような、
空水時の電極インピーダンスが小さい場合に、
空水検知回路１４が空水状態を検知しないこと
があるという問題がある。

(3) 第７図では、測定流体１５と電極３ａ，３ｂ
とが接触するように流体１５が測定管１内に満
たされている状態（以後この状態を接液状態と
いうことがある。）の時、電極３ａには抵抗Ra
を介して＋Vccによる電流が常時流れ込み、電
極３ｂからは抵抗Rbを介して−Vccによる電
流が常に流れ去る。したがつて電極３ａ側のキ
ヤパシタCeは次第に正極性充電され電極３ｂ
側にキヤパシタCeは次第に負極性に充電され
て、この結果電極３ａ，３ｂのそれぞれに対応
するキヤパシタCeの電圧がアンバランスとな
る。また電極３ａでは流入電流によつて酸化反
応が進行し電極３ｂでは流出電流によつて還元
反応が進行するので、両電極に対応する起電力
Ｅ、界面インピーダンスZeのいずれもがアン
バランスになる。このため、検知回路１４に
は、接液状態において差動増幅器１１の出力信
号が次第に大きくなつて検知信号１２ａを出力
することがあるという問題がある。本発明者
は、上記現象のために、電極３ａ，３ｂ間の電
圧が増幅器１１の出力端子において約２〔Ｖ〕
になることがあり、また前述した両起電力Ｅの
差が、増幅器１０ａ，１０ｂの各出力端子間の
電圧を観測することによつて、約0.7〔Ｖ〕にな
ることがあるという実験結果を得ている。

(4) 第７図においては、(3)項に述べた充電現象ま
たは放電現象の各進行過程で電極３ａ，３ｂの
それぞれと測定管１との間の電圧を経時的かつ
微細にしらべてみると、信号起電力ｅと同等も
しくはそれ以上のレベル変動を突発的かつ非周
期的に生じていることが認めらる。そうしてこ
のような電圧変化は、その周波数スペクトルが
信号起電力ｅの周波数スペクトルとオーバラツ
プしているので、測定流体１５の流動が定状的
であつても流量信号８ａが非周期的かつバース
ト状に振動するという現象を招来している。こ
のため、空水検知回路１４には、第７図に示し
た電磁流量計が組みこまれたプラント制御装置
を誤動作させることがあるという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は、上述したような従来回路における問
題を解消して、誤動作することがなく、かつ流量
信号の精度を低下させることがなく、さらに流量
信号の安定化を図ることができる電磁流量計の空
水検知回路を提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

本発明は、電磁流量計検出器におけるいずれか
一方の電極に発生する電圧のうちの交流分の大き
さが、接液状体の場合と空水状態の場合とでは大
きく異なるので、前記交流分を増幅した後直流化
し、この結果得られる直流電圧を基準電圧と比較
することによつて空水状態検知を行うようにした
ものである。そうして、このようにして空水検知
を行うことによつて、前述した電圧源±Vccや抵
抗Ra，Rbを不要にして、結局誤動作することが
なくかつ流量信号の安定化と精度維持とを図るこ
とができる電磁流量計の空水検知回路が得られる
ようにしたものである。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の第１実施例を設けた電磁流量
計の構成図である。図において、１６は電極３ａ
に現れる電圧信号Saを増幅する交流増幅器で、
この増幅器はブートストラツプ回路などを用いて
入力インピーダンスが100MΩ以上の非常に高い
値になるように構成したものである。１７は増幅
器１６の出力信号１６ａに現れる直流成分を除去
するハイパスフイルタで、１８はフイルタ１７の
出力信号が入力される全波整流器である。整流器
１８の出力信号１８ａは、その値がコンパレータ
１９において基準電圧Vsと比較され、信号１８
ａの値がVsよりも大であるとコンパレータ１９
から検知信号１９ａがＨレベルの二値信号として
出力されるようになつている。２０は上述した交
流増幅器１６とフイルタ１７と整流器１８とコン
パレータ１９と基準電圧Vsとからなる空水検知
回路で、この回路２０が上記した本発明の第１実
施例である。

次に検知回路２０の動作を第２図の波形説明図
を参照して説明する。まず時刻t₁では測定管１が
測定流体１５で満たされているものとする。した
がつて、時刻t₁では、信号Saの値が電池起電力Ｅ
と信号起電力ｅとの和となる。通常、ｅの最大値
は電磁流量計のフルスケールで10〔ｍＶ〕程度で
あり、この値はＥの値に比べてかなり小さいので
第２図にはＥのみが描いてある。増幅器１６は上
述したような交流増幅器であるが、これに入力オ
フセツトが存在する場合には、信号Saが上記し
たように直流的であつても前記入力オフセツトと
増幅器１６のゲインとできまる直流成分が出力信
号１６ａに現れる。図示したＶがこの直流成分の
値である。直流成分Ｖはフイルタ１７で除去され
るので、時刻t₁における整流器の出力信号１８ａ
の値は零になる。このため時刻t₁ではコンパレー
タの出力信号１９ａはＬレベルとなつている。こ
の場合、実際には信号１８ａに信号起電力ｅに対
応した成分が含まれている。しかしながら、この
成分の値が基準電圧Vsをこえることのないよう
に交流増幅器１６のゲインが設定されているの
で、信号起電力ｅに起因してコンパレータの出力
信号１９ａがＨレベルになることはない。

次に、時刻t₂で測定管１が空水状態になつたと
する。すると電極インピーダンスZax，Zbxがい
ずれも非常に大きくなるので信号Saには振幅の
大きい振動状雑音Ｎが現れる。雑音Ｎは通常複振
幅が0.1〔Ｖ〕程度である電圧で、信号起電力ｅの
10〔ｍＶ〕に比べて非常に大きい電圧である。と
ころで、交流増幅器１６のゲインは、前述したよ
うに、信号Sa中に存在する起電力ｅによつては
コンパレータ１９が動作することのないゲインで
あつたが、またこのゲインは、雑音Ｎが入力され
た場合には、増幅器１６が飽和して出力信号１６
ａが矩形波状になるようにも選定されている。こ
の矩形波の上限値Vhおよび下限値Vlはいずれも
増幅器１６の電源電圧に対応する電圧である。し
たがつて、時刻t₂では信号１８ａは階段状に上昇
するが、この上昇値はまだ基準電圧Vsをこえる
値ではないので、時刻t₂では信号１９ａはＨレベ
ルにならない。ところが、時刻t₃になると雑音Ｎ
の振幅が大きくなるので、遂に信号１８ａの値が
基準電圧Vsをこえる。故に、この時出力信号１
９ａがＨレベルになつて、空水状態の出現が報知
されることになる。すなわち検知回路２０は空水
状態の発生を検知して検知信号１９ａを出力す
る。

検知回路２０においては、各部が上記のように
動作するのであるが、この場合増幅器１６によつ
て雑音Ｎを矩形波状雑音に変換するようにしてお
り、またフイルタ１７は、そのカツト周波数が信
号１６ａを形成する前記矩形波状雑音の基本周波
数の1/10以下であるように設定されていて、入力
された矩形波状雑音をその波形を殆ど歪めること
なく出力するように構成されているので、雑音Ｎ
が揺動状態であつても整流器１８からは安定した
信号１８ａが出力される。故に、コンパレータ１
９からはＨレベルの検知信号１９ａが安定して出
力されることなになる。なお、前述したように、
信号起電力ｅの最大値は通常0.01〔V_p-p〕程度で
あり雑音Ｎの大きさは0.1〔V_p-p〕以上が普通であ
る。故に増幅器１６のゲインを100倍とすると、
出力信号１６ａの値はｅに対しては１〔V_p-p〕程
度、Ｎに対しては10〔V_p-p〕以上ということにな
るので、増幅器１６の電源電圧を±10〔Ｖ〕とす
ることにより、Ｎに対する信号１６ａを振幅がほ
ぼ20〔V_p-p〕である矩形波状とすることができ
る。この場合整流器の出力信号１８ａはｅに対し
て１〔Ｖ〕程度、Ｎに対して10〔Ｖ〕程度となるの
で、基準電圧Vsを５〔Ｖ〕程度に設定すると、検
知回路２０が適正に動作することになる。

空水検知回路２０は上述のように構成されてい
るので、その入力インピーダンスは非常に大きい
値になつている。故に、この回路２０の付設によ
つて流量信号８ａの精度が低下するという問題は
生じない。すなわち、第１図の流量形では、空水
検知回路の動作に関係なく交流増幅器１６の入力
インビーダンスを大きくして、流量信号８ａの精
度を上げることができることになる。また空水検
知回路２０では、この回路の電源から電極３ａ，
３ｂに充電電流が流れることはない。したがつて
このような空水検知回路をとりつけた第１図の電
磁流量計においては、流量信号８ａにバースト状
振動が現れることはない。またこの場合、上記の
充電電流が流れないので電極３ａ，３ｂ近傍が電
気化学的に変化することはない。故に、検知回路
２０においては、前述した従来回路におけるよう
な電極３ａ，３ｂ近傍の電気化学的変化にもとづ
く誤動作を生じることはない。なお本発明者は、
測定管１が窒水状態になつても該測定管内に測定
流体１５が液滴状に残留するなどして電極インピ
ーダンスZax，Zbxが大きくならないような場合
に、空水検知回路２０が誤動作しないことを実験
により確認している。

空水検知回路２０では、信号１６ａに現れる直
流成分Ｖを除去するためにフイルタ１７を設けた
が、増幅器１６が直流成分Ｖを発生させないもの
であればフイルタ１７が不要になることは当然で
ある。また増幅器１６は雑音Ｎに対して出力信号
１６ａが飽和するようなゲインを有するものとし
たが、本発明においては、このゲインを小さくし
て信号１６ａが雑音Ｎに対して飽和しないように
しても差し支えない。この場合、信号１８ａを平
滑する手段を追加することによつて出力信号１９
ａを安定化する必要がある。第１図では検知回路
２０に信号Saを入力させるようにしたが、本発
明では、検知回路２０には信号Sbが入力される
ようにしてもよい。

第３図は本発明の第２実施例である空水検知回
路２１を設けた電磁流量計の構成図である。本図
の第１図と異なる所は、ハイパスフイルタ１７の
出力信号が半波整流器２２に入力され、整流器２
２の出力信号２２ａはさらにローパスフイルタ２
３に入力されて、フイルタ２３の出力信号２３ａ
がコンパレータ１９に入力されるように検知回路
２１が構成されていることである。検知回路２１
は上記のように構成されているので、各部の信号
波形は、たとえば第４図に示したようになる。す
なわち、時刻t₁では測定管１内が測定流体１５で
満たされているとすると、この時フイルタ２３の
出力信号２３ａは信号Saに含まれる信号起電力
ｅに対応した値になるので、コンパレータの出力
信号１９ａはＬレベルである。時刻t₂で測定管１
が空水状態になると信号１６ａまたはフイルタ１
７の出力信号は矩形波状になるが、この時点では
前記矩形波の極性の関係で整流器の出力信号２２
ａはほぼ零レベルのままである。時刻t₃になると
整流器の出力信号２２ａに半波状矩形波が現れ
る。ところがフイルタ２３はこのような矩形波を
平滑化する機能を有しているので、出力信号２３
ａは直流状になる。そうしてこの直流状信号２３
ａの値が時刻t₄で基準電圧Vsをこえると、コン
パレータからＨレベルの検知信号１９ａが出力さ
れることになる。フイルタ２３は、この場合、そ
のカツト周波数が雑音Ｎに対応して発生する信号
２２ａ中の矩形波の基本周波数の1/10以下に設定
されているので、平滑化された信号２３ａの脈動
は非常に小さくなつている。したがつてコンパレ
ータ１９は安定した比較動作を行うことになる。
空水検知回路２１が前述した検知回路２０と同様
の効果を奏するものであることは説明するまでも
なく明らかである。

第５図は本発明の第３実施例である空水検知回
路２４を設けた電磁流量計の構成図である。図の
第１図となる所は、ハイパスフイルタ１７の前段
が直流増幅器２５になつていることと、この増幅
器２５には変換器９における交流増幅器６ａの出
力信号が入力されるようになつていることであ
る。増幅器６ａは高い入力インピーダンスを有し
ているが、そのゲインは次段増幅器７との関係上
通常低い値となつているので、空水検知回路２４
では、増幅器６ａのゲインと増幅器２５のゲイン
との合成ゲインが第１図における増幅器１６のゲ
インと同等になるように、増幅器２５のゲインが
設定されている。つまり、この場合空水検知回路
２４は、交流増幅器６ａを変換器９と共有してい
て、このような増幅器６ａと直流増幅器２５とフ
イルタ１７と整流器１８とコンパレータ１９と基
準電圧Vsとで構成されている。第５図では直流
増幅器２５が増幅器６ａの出力側に接続されてい
るので、検知回路２４のために増幅器６ａの入力
インピーダンスが小さくなることはない。すなわ
ち、検知回路２４は終了信号８ａの精度に影響を
及ぼすことがないという利点がある。なお、増幅
器２５に交流増幅器６ｂの出力信号が入力される
ようにして空水検知回路を構成してもよいことは
明らかである。

第６図は本発明の第４実施例である空水検知回
路２６を設けた電磁流量計の構成図である。本図
の第３図と異なる所は、ハイパスフイルタ１７の
前段が直流増幅器２５になつていることと、変換
器９における交流増幅器６ａの出力信号が直流増
幅器２５に入力されるようになつていることであ
る。この場合、増幅器６ａと増幅器２５との合成
ゲインが、第３図における増幅器１６と同様にな
るように増幅器６ａおよび２５構成されている。
したがつて、本図においても空水検知回路２６
は、交流増幅器６ａを変換器９と共有していて、
このような増幅器６ａと直流増幅器２５とハイパ
スフイルタ１７と半波整流器２２とローパスフイ
ルタ２３とコンパレータ１９と基準電圧Vsとで
構成されている。この検知回路２６にも流量信号
８ａの精度を低下させない利点があることは、第
５図における所論から明らかである。検知回路２
６が交流増幅器６ｂの出力信号を増幅器２５に入
力させるようにしたものであつてもよいことは、
説明するまでもなく明らかである。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明においては、電磁流量
計検出器におけるいずれか一方の電極に発生する
電圧のうちの交流分をまず増幅した後直流化し、
この直流化した電圧を基準電圧と比較することに
よつて空水検知を行うように空水検知回路を構成
した。このため本発明では、従来回路におけるよ
うな電極に対して充電電流を流すような回路要素
が存在しないので、電磁流量計から出力される流
量信号の安定化と精度維持とを図ることができる
効果があり、また誤動作をなくする効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図、第５図、第６図はそれぞれ本
発明の第１実施例、第２実施例、第３実施例、第
４実施例を設けた電磁流量計の構成図、第２図は
第１図における要部の波形説明図、第４図は第３
図における要部の波形説明図である。第７図は従
来の空水検知回路を設けた電磁流量計の構成図、
第８図は第１図、第３図、第５図、第６図および
第７図における要部の等価回路図である。 ３ａ，３ｂ……電極、４……検出器、６ａ，６
ｂ，１６……交流増幅器、１４，２０，２１，２
４，２６……空水検知回路、１８……全波整流
器、１９……コンパレータ、１９ａ……検知信
号、２２……半波整流器、２３……ローパスフイ
ルタ、Sa，Sb……電圧信号、Vs……基準電圧、
１７……ハイパスフイルタ、２５……直流増幅
器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電磁流量計の検出器におけるいずれか一方の
   電極に発生する電圧のうちの交流分を抽出して前
   記流分に応じた交流信号を出力する交流分抽出手
   段と、前記交流信号を直流信号に変換する直流化
   手段と、前記直流信号を基準信号と比較して比較
   結果に応じた信号を出力する比較手段とを備え、
   前記比較手段の出力信号にもとづき前記検出器に
   おける空水状態を検知することを特徴とする電磁
   流量計の空水検知回路。