JPH0569631U - 容量式電磁流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 入力回路を高インピーダンスに維持し外部か
ら混入するノイズの影響を除去しながら動作が安定でス
パン誤差が生じないように改良した容量式電磁流量計を
提供するにある。 【構成】 容量式電磁流量計において、検出電極に発生
する電圧を受信する一対の高入力インピーダンスの増幅
器と、これ等の増幅器の入力端と共通電位点との間にそ
れぞれ接続され光フアイバを介する光結合によりオン／
オフするソリッドステート形のスイッチ手段と、励磁電
流が定常状態になった所定のタイミングで先のスイッチ
手段をオンとしそれ以外はオフとするタイミング信号を
先の光フアイバに出力するタイミング手段と、先のタイ
ミング信号に同期してこのスイッチ手段がオフのときに
先の各増幅器の出力の差信号を復調する復調手段とを具
備するようにしたものである。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、測定流体に磁場が印加されこの測定流体の流量に対応した電圧を測 定流体と検出電極の間に形成される静電容量を介して検出する容量式電磁流量計 に係り、特に、入力回路を高インピーダンスに維持し外部から混入するノイズの 影響を除去しながら動作が安定でスパン誤差が生じないように改良した容量式電 磁流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】

図３は従来の容量式電磁流量計の検出部近傍の構成の概要を示す構成図である 。１０は測定流体Ｑを流す絶縁性の円筒状のパイプである。この測定流体には励 磁コイル１１から例えば矩形状の波形をもつ磁場Ｂが印加されている。

【０００３】 測定流体Ｑが流れることにより発生した電圧はパイプ１０の中に埋め込まれた 円弧状の検出電極１２ａ、１２ｂで検出される。この検出電極１２ａ、１２ｂの 外周面にはパイプ１０の中に埋め込まれた円弧状のガード電極１３ａ、１３ｂが それぞれ埋め込まれている。

【０００４】 この検出電極１２ａ、１２ｂはケーブル１４ａ、１４ｂで変換器の入力回路１ ５のそれぞれ高入力インピーダンスを持つ増幅器Ｑ１とＱ２の入力端に接続され る。この増幅器Ｑ１とＱ２の出力はそれぞれ差動増幅器Ｑ３に印加されてこれ等 の差が演算されてその出力端１６に出力される。

【０００５】 また、増幅器Ｑ１とＱ２の低出力インピーダンスの出力端からはケーブル１４ ａ、１４ｂのガード電極１３ａ、１３ｂに接続されたシールド線１４ａ’、１４ ｂ’に増幅器Ｑ１とＱ２の電位と同電位のガード電圧を印加し、ケーブル１４ａ 、１４ｂで形成される浮遊容量の影響を除去している。

【０００６】 図４は図３に示す入力回路の上側の部分の詳細を示す等価回路図である。Ｖ_S は測定流体Ｑ中に発生する電圧、Ｃ１は測定流体Ｑと検出電極１２ａで形成され るコンデンサ、Ｒ１、Ｒ２はボルテージフオロワとして機能する演算増幅器Ｑ４ の入力端と共通電位点ＣＯＭとの間に直列に接続されこの演算増幅器Ｑ４によっ て発生するリーク電流を流す抵抗、Ｃ２は演算増幅器Ｑ４の出力端と抵抗Ｒ１お よびＲ２との接続点に接続されたコンデンサである。

【０００７】 このように、容量式電磁流量計では抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して検出電極１２ａ等 を共通電位点ＣＯＭに接続するのは、検出電極１２ａの直流インピーダンスが無 限大のため、演算増幅器Ｑ４からのリーク電流をこれ等の抵抗を介して流すため である。

【０００８】 いま、この演算増幅器Ｑ４の増幅度が無限大でありかつ充分に広い周波数帯域 を持っているとすれば、その入力インピーダンスＺ_iは次式で示される。 Ｚ_i＝Ｒ１＋Ｒ２＋（Ｒ１＊Ｒ２／Ｘ_C2）

【０００９】 但し、Ｘ_C2はコンデンサＣ２のリアクタンスである。そこで、定数の選定によ っては大きな入力インピーダンスＺ_iを持つ入力回路１５を構成することができ る。

【００１０】 しかしながら、このような従来の容量式電磁流量計では、入力インピーダンス を大きくするために抵抗Ｒ１、Ｒ２の値を大きくすると抵抗Ｒ１、Ｒ２で発生す る熱雑音が無視し得ない大きさになりこれが信号電圧に重畳されるので出力の流 量信号の揺動が大きくなり、また演算増幅器が不安定で発振し易くなるという問 題がある。

【００１１】 そこで、本出願人は、この点を改良すべく、平成３年１０月２２日に特願平３ ー２７４１１８号「発明の名称：容量式電磁流量計」として提案している。以下 、この出願の概要について図５，図６を用いて説明する。なお、図４、図５と同 一の機能を有する部分には同一の符号を付して適宜にその説明を省略する。

【００１２】 検出電極１２ａ、１２ｂはそれぞれ入力回路１７の演算増幅器Ｑ４、Ｑ５の非 反転入力端（＋）に接続されている。その反転入力端（−）はそれぞれ出力端に 接続されると共に差動増幅器Ｑ６の入力端に接続されている。

【００１３】 また、演算増幅器Ｑ４、Ｑ５の非反転入力端（＋）と共通電位点ＣＯＭとの間 にはスイッチＳＷ１、ＳＷ２が接続されている。これ等のスイッチＳＷ１、ＳＷ ２については、オフ時の特性として絶縁抵抗が１０¹¹Ω程度以上で端子間容量が 検出電極１２ａ、１２ｂの出力容量に比べて充分に小さいことが必要である。

【００１４】 差動増幅器Ｑ６の出力端はバッフアとして機能する演算増幅器Ｑ７の入力端と 一端が共通電位点ＣＯＭに接続された抵抗Ｒ３の他端に接続されている。 演算増幅器Ｑ７の出力端はサンプル回路１８に入力され、ここでサンプリング されたデータは、この後、アナログ／デジタル変換器１９に入力され、ここでデ ジタル信号に変換される。変換されたデジタル信号はマイクロプロセツサ２０で 流量演算がなされ、出力回路２１を介して出力端２２に出力される。

【００１５】 ２３はタイミング回路であり、ここからのタイミング信号ＳＴ₁に基づいて励 磁回路２４の励磁電流Ｉ_fの波形が、例えば矩形波に切り換えられて励磁コイル １１ａ、１１ｂに流される。また、タイミング回路２３からタイミング信号ＳＴ ₁ に同期したタイミング信号ＳＴ₂がマイクロプロセッサ２０に出力され、各々の 信号処理のタイミングがとられる。

【００１６】 さらに、マイクロプロセッサ２０からはこのタイミング信号ＳＴ₂に同期した タイミング信号ＳＴ₄、ＳＴ₃がスイッチＳＷ１、ＳＷ２とサンプル回路１８に出 力されている。なお、図５に示す検出器では図３に示す電磁流量計の構成に対し てガード電極１３ａ、１３ｂの構成が省略されているが、これ等については図３ に示すものと同様に演算増幅器Ｑ４、Ｑ５の出力端からガード電極１３ａ、１３ ｂに出力電圧を印加することによりガードが実現できる。

【００１７】 次に、以上のように構成された電磁流量計の動作について図６に示す波形図を 参照して説明する。 例えば、図６（ａ）に示すような正の定常値が＋Ｉ_fで負の定常値が−Ｉ_fの励 磁電流Ｉ_fが励磁コイル１１ａ、１１ｂに流されてこの励磁電流Ｉ_fの波形に対応 する矩形波状の磁場Ｂが印加された状態でパイプ１０を介して測定流体Ｑが流れ ると、検出電極１２ａ、１２ｂにはそれぞれ矩形波状の信号電圧ｅ_s1、ｅ_s2が発 生する。同時に、励磁電流Ｉ_fが変化する期間では図６（ｂ）に示すような微分 ノイズが発生し、これが信号電圧ｅ_s1、ｅ_s2に重畳される。

【００１８】 励磁電流を切り換えた直後の微分ノイズＮが大きい期間では、タイミング信号 ＳＴ₃（図６（ｃ））によりサンブル回路１８で微分ノイズＮが出力されるのを 防止する（図６（ｅ））。

【００１９】 次に、タイミング信号ＳＴ₄（図６（ｄ））によりスイッチＳＷ１、ＳＷ２が オフのとき信号電圧ｅ_s1、ｅ_s2を検出すると共に演算増幅器Ｑ４、Ｑ５の入力端 からのバイアス用のリーク電流ｉ₁、ｉ₂は測定流体Ｑと検出電極１２ａ、１２ｂ とで形成されるコンデンサＣ_a1、Ｃ_a2に充電させる。

【００２０】 このため、このリーク電流ｉ₁、ｉ₂とコンデンサＣ_a1、Ｃ_a2が励磁期間では一 定とすると、このリーク電流ｉ₁、ｉ₂により演算増幅器Ｑ４、Ｑ５の入力端のリ ーク電圧Ｖ１、Ｖ２が図６（ｅ）に示すように直線的に上昇し、これが図６（ｆ ）に示すように信号電圧ｅ_s1、ｅ_s2に重畳して変化し、演算増幅器Ｑ７の出力端 に現れる（図６（ｆ））。

【００２１】 リーク電圧Ｖ１、Ｖ２はそれぞれ一定方向で増加し、信号電圧ｅ_s1、ｅ_s2に重 畳されるが、リーク電圧Ｖ１、Ｖ２の極性は一定であるのに対して、信号電圧ｅ _s1 、ｅ_s2の極性は反転するので、サンプル回路１８の出力としてはリーク電圧Ｖ １、Ｖ２が全体としてキャンセルされ、信号電圧ｅ_s1、ｅ_s2のみが出力される。

【００２２】 サンプル回路１８でのサンプリングが終了した後、タイミング信号ＳＴ₄（図 ６（ｄ））で周期的にスイッチＳＷ１、ＳＷ２をオンにするとコンデンサＣ_A1、 Ｃ_a2がスイッチＳＷ１、ＳＷ２、測定流体の流体抵抗を介して放電し演算増幅器 Ｑ１、Ｑ２の入力電圧が回路の共通電位点ＣＯＭの電位と等しくなりリーク電圧 Ｖ１、Ｖ２がリセットされる。このためＱ４、Ｑ５の動作範囲が確保できる。

【００２３】 サンプル回路１８で検出された信号電圧ｅ_s1、ｅ_s2は、アナログ／デジタル変 換器Ａ／Ｄでデジタル信号に変換されてマイクロプロセッサＣＰＵに出力され、 ここで流量演算が実行されて出力回路２１に出力される。

【００２４】 以上のようにして、演算増幅器Ｑ４、Ｑ５の入力端からはバイアス用のリーク 電流ｉ₁、ｉ₂を高抵抗などを用いずに継続的に流して放電させると共に微分ノイ ズＮを除去し、かつリーク電流ｉ₁、ｉ₂により演算増幅器Ｑ４、Ｑ５が飽和する のを防止することができる。

【００２５】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、以上のような図５に示す容量式電磁流量計でも次に説明するよ うな問題がある。図７は図５に示す入力部のうち検出電極１２ａ側のみの等価回 路であるが、この等価回路を用いてこの問題点について説明する。

【００２６】 スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、実際には、ソリッドステート形のスイッチで構成 されている。したがって、このスイッチは図７に示すように発光ダイオードＰ_D と組み合わされた光結合によりマイクロプロセッサ２０から出力されるタイミン グ信号ＳＴ₃で開閉制御を行う構成となっている。

【００２７】 そして、この発光ダイオードＰ_Dの両端はいずれも演算増幅器Ｑ４の非反転入 力端（＋）との間にスイッチＳＷ１がオフの時に寄生容量Ｃ_s1、Ｃ_s2が形成され る。

【００２８】 したがって、測定流体Ｑに誘起される起電力ｅ_saをサンプリングして検出する とき、スイッチＳＷ１はオープン状態となり、このオープン状態では演算増幅器 Ｑ４の非反転入力端（＋）側は高インピーダンスとなるので、スイッチＳＷ１の 演算増幅器Ｑ４の非反転入力端（＋）側に寄生容量Ｃ_s1或いはＣ_s2を介してタイ ミング信号ＳＴ₃によるボルトのオーダを持つタイミング電圧Ｖ_Tから静電誘導を 受ける。

【００２９】 この結果、図８の波形図で示すように、スイッチＳＷ１がオフ状態（図８（ｂ ））で静電誘導のノイズＮが演算増幅器Ｑ４の出力端に発生（図８（ａ））し、 誤差要因を作る。以上の点は、検出電極１２ｂ側の起電力ｅ_sbについても同様で ある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】

本考案は、以上の課題を解決するための構成として、測定流体に励磁電流を流 すことにより磁場が印加されこの測定流体の流量に対応した電圧を先の測定流体 と検出電極の間に形成される静電容量を介して検出する容量式電磁流量計におい て、先の検出電極に発生する電圧を受信する一対の高入力インピーダンスの増幅 器と、これ等の増幅器の先の入力端と共通電位点との間にそれぞれ接続され光フ アイバを介する光結合によりオン／オフするソリッドステート形のスイッチ手段 と、先の励磁電流が定常状態になった所定のタイミングで先のスイッチ手段をオ ンとしそれ以外はオフとするタイミング信号を先の光フアイバに出力するタイミ ング手段と、先のタイミング信号に同期してこのスイッチ手段がオフのときに先 の各増幅器の出力の差信号を復調する復調手段とを具備するようにしたものであ る。

【００３１】

【作 用】

一対の高入力インピーダンスの増幅器は検出電極に発生する電圧を受信する。 そして、これ等の増幅器の入力端と共通電位点との間にそれぞれ接続されたソリ ッドステート形のスイッチ手段は光フアイバを介する光結合によりオン／オフす る。

【００３２】 タイミング手段は励磁電流が定常状態になった所定のタイミングで先のスイッ チ手段をオンとしそれ以外はオフとするタイミング信号を先の光フアイバに出力 する。 復調手段はこのタイミング信号に同期して先のスイッチ手段がオフのときに先 の各増幅器の出力の差信号を復調して先のタイミング手段から混入するノイズを 除去した流量信号を出力する。

【００３３】

【実施例】

以下、本考案の実施例について図を用いて説明する。図１は本考案の要部構成 を示す回路図である。なお、図３〜図８に示す従来の容量式電磁流量計と同一の 機能を有する部分には同一の符号を付して適宜にその説明を省略する。

【００３４】 検出電極１２ａ（１２ｂ）は演算増幅器Ｑ４（Ｑ５）の非反転入力端（＋）に 接続され、この非反転入力端（＋）はスイッチＳＷ３（ＳＷ４）の一端に接続さ れている。これ等のスイッチＳＷ３（ＳＷ４）はソリッドステート形のスイッチ であり、光信号のオン／オフにより開閉される。

【００３５】 これ等の演算増幅器Ｑ４、Ｑ５の出力信号ｅ_a0、ｅ_b0は演算増幅器Ｑ６で差動 増幅されその出力端に出力信号ｅ_d0として出力される。そして、出力信号ｅ_d0は バッフア増幅器として機能する演算増幅器Ｑ７を介してバッフアリングされ、さ らにサンプル回路１８でマイクロプロセッサ２０から出力されるタイミング信号 ＳＴ₅によりサンプリングされてその出力端にサンプリング信号ｅ_SPとして出力 される。

【００３６】 一方、発光ダイオードＰ_Dはマイクロプロセッサ２０から出力されるタイミン グ信号ＳＴ₄によりその発光が制御されて光フアイバ２５に出力する。光フアイ バ２５は光フアイバ２６と２７に分岐されてそれぞれスイッチＳＷ３とＳＷ４に 伝送され、タイミング信号ＳＴ₄に対応して開閉される。

【００３７】 次に、以上のように構成された実施例の動作について図２に示す波形図を用い て説明する。 励磁コイル１１ａ、１１ｂには図２（ａ）に示すような矩形波状の励磁電流Ｉ _f が励磁回路２４から流される。これにより検出電極１２ａ、１２ｂにはそれぞ れ図２（ｂ）、（ｃ）に示すような起電力ｅ_sa、ｅ_sbが発生する。

【００３８】 一方、マイクロプロセッサ２０からはタイミング信号ＳＴ₄（図２（ｄ））が 出力され、これに対応して発光ダイオードＰ_Dが発光し、光フアイバ２５、２６ 、２７を介してそれぞれスイッチＳＷ３とＳＷ４を開閉する。

【００３９】 スイッチＳＷ３とＳＷ４がオンの時点では演算増幅器Ｑ４、Ｑ５の出力信号ｅ _a0 、ｅ_b0はゼロ（図２（ｅ）、（ｆ））であり、この期間に演算増幅器Ｑ４、Ｑ ５の入力端からバイアス用のリーク電流ｉ₁、ｉ₂を共通電位点ＣＯＭに放出して 演算増幅器Ｑ４、Ｑ５の飽和を防止すると共に測定流体Ｑと検出電極１２ａ、１ ２ｂに蓄積された電荷を放電する。

【００４０】 演算増幅器Ｑ４、Ｑ５の出力信号ｅ_a0、ｅ_b0（図２（ｅ）、（ｆ））は演算増 幅器Ｑ６で差動増幅されその出力端に出力信号ｅ_d0（図２（ｇ））として２倍の 値で出力される。

【００４１】 この後、演算増幅器Ｑ₇を介してサンプル回路１８でタイミング信号ＳＴ₅（図 ２（ｉ））により、タイミング信号ＳＴ₄（図２（ｄ））でスイッチＳＷ３とＳ Ｗ４がオフになる直前の信号の安定した期間でサンプリング信号ＳＴ₅に同期し て図２（ｈ）に示すようにサンプリング信号ｅ_SPとしてサンプリングされる。こ のサンプリング信号ｅ_SPにはリーク電圧が重畳しているので波形が若干傾斜して いる。さらに、これを同期整流・平滑して直流電圧としてマイクロプロセッサ２ ０に出力され最終的に流量演算がなされる。

【００４２】 このような構成によれば、ソリッドステートのスイッチＳＷ３とＳＷ４とから 光フアイバ２５、２６、２７が離れて配置されるので、寄生容量Ｃ_s1或いはＣ_s2 の容量値が大幅に低減されて、スイッチＳＷ３とＳＷ４がオフの期間でも発光ダ イオードＰ_Dの両端に生じるタイミング電圧Ｖ_Tによる静電誘導により演算増幅器 Ｑ４、Ｑ５の入力端に発生するノイズ電圧を大幅に低減させることができ、実質 的に無視することができる。

【００４３】 なお、図１に示す実施例ではタイミング信号ＳＴ₄をフローテイング状態で伝 送したが、発光側とスイッチ側との容量結合が極めて弱いので、フローテイング にしなくても良い。また、発光側は複数個あってもよい。さらに、サンプリング 周期も励磁周波数と同一でなくても良い。

【００４４】

【考案の効果】

以上、実施例と共に具体的に説明したように本考案によれば、高インピーダン スの検出電極側に挿入されたスイッチを光フアイバを介しての光信号により開閉 するようにしたので、スイッチがオフの時にこのスイッチを開閉するタイミング 信号側から寄生容量を介して混入する静電誘導によるノイズの影響を大幅に低減 することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の１実施例の構成を示す要部構成図であ
る。

【図２】図１に示す実施例の動作を説明する波形図であ
る。

【図３】従来の第１の容量式電磁流量計の検出部近傍の
構成を示す構成図である。

【図４】図３に示す容量式電磁流量計の部分構成を等価
回路で示した説明図である。

【図５】従来の第２の容量式電磁流量計の構成を示すブ
ロック図である。

【図６】図５に示す容量式電磁流量計の動作を説明する
波形図である。

【図７】図５に示す容量式電磁流量計のスイッチの詳細
な構成を示す説明図である。

【図８】図５に示す容量式電磁流量計の問題点を説明す
る説明図である。

【符号の説明】

１０ パイプ １１ 励磁コイル １２ａ、１２ｂ 検出電極 １３ａ、１３ｂ ガード電極 １５、１７ 入力回路 １８ サンプル回路 ２０ マイクロプロセッサ ２３ タイミング回路 ２５、２６、２７ 光フアイバ ＳＷ１〜ＳＷ４ スイッチ ＳＴ₁〜ＳＴ₅ タイミング信号

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】測定流体に励磁電流を流すことにより磁場
   が印加されこの測定流体の流量に対応した電圧を前記測
   定流体と検出電極の間に形成される静電容量を介して検
   出する容量式電磁流量計において、前記検出電極に発生
   する電圧を受信する一対の高入力インピーダンスの増幅
   器と、これ等の増幅器の前記入力端と共通電位点との間
   にそれぞれ接続され光フアイバを介する光結合によりオ
   ン／オフするソリッドステート形のスイッチ手段と、前
   記励磁電流が定常状態になった所定のタイミングで前記
   スイッチ手段をオンとしそれ以外はオフとするタイミン
   グ信号を前記光フアイバに出力するタイミング手段と、
   前記タイミング信号に同期してこのスイッチ手段がオフ
   のときに前記各増幅器の出力の差信号を復調する復調手
   段とを具備することを特徴とする容量式電磁流量計。