JPH08285646A - 一体形電磁流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】電磁流量計に電流を供給する給電線に、測定流
量信号に対応したディジタル信号を重畳して通信する２
線方式の電磁流量計を構成し、通信を流量計の消費電流
が安定している期間に通信する。伝送路は給電線を兼
ね、１本のケーブルにより電磁流量計と上位システムと
のデータのやりとりができる。。 【効果】２線式でありながら、４線式と同等の性能，機
能を備えた電磁流量計が得られ、計装コストが低減でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電磁流量計の変換器に係
り、特に、上位システムとの信号の伝達方法を簡略化
し、布線ケーブル本数を最小化するために好適な電磁流
量計の変換器の回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】直流部分を持つ正，負の交流励磁電流に
よる矩形波励磁の電磁流量計は、 １）磁気誘導ノイズのない部分で信号を取り込むため、
ゼロ点の変動が少ない。 ２）電源周期に同期した積分形の信号サンプリングを行
うことで電源誘導ノイズが除去できる。

【０００３】など耐ノイズ性にすぐれた面を持ってい
る。

【０００４】最近では、工業計器としての電磁流量計
は、ほとんどがこの矩形波励磁方式を採用しており、流
量センサとしての使用実績も確実に積み上がっている。
この特長については、計測と制御(計測自動制御学会会
誌）Vol.１６ No.４ ３８頁から４０頁にくわしく論
じられている。このため、矩形波励磁方式の電磁流量計
に対するユーザの要望は多岐にわたっており、高精度
化，高安定化，高機能化，高信頼化，低コスト化，設置
の容易化等、課題は多い。特に最近では、山間部に設置
される場合など、無停電電源のＤＣ２４Ｖを電源として
使用し、かつ長距離の伝送が要求されることもあり、こ
の場合、電磁流量計全体を２線式化し、低消費電力で動
作させ、２芯のケーブル１本による信号の伝送を可能と
し、高信頼化，設置の容易化，ケーブル本数の最小化に
よる計装工事の低コスト化を図るものもある。このよう
に２線式電磁流量計はユーザの要求に沿ったものであ
り、用途の拡大が見込まれる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、２
線式化を達成できた技術的要因として変換器の低消費電
力化，検出器の磁場の高効率化，ノイズ処理技術の３点
が上げられるが、従来の４線式電磁流量計に比べ、検出
器を駆動する励磁電流が、２線式が最大４ｍＡであるの
に対して４線式が約３００ｍＡと約７５分の１であり、
流速信号対ノイズの比（Ｓ／Ｎ比）が極めて低いという
欠点を持つ。

【０００６】即ち、電磁流量計の起電力ｅは、測定管の
口径Ｄ，磁束密度Ｂと被測定流体の流速ｖの積に比例し
ｅ＝ｋＤＢｖ（ｋは比例定数）の関係にある。また、磁
束密度Ｂは励磁電流Ｉと励磁コイルの巻数Ｎに比例する
ため、起電力ｅは他のパラメータを変えなければｅ∝Ｉ
の関係が成り立つ。よって、励磁電流が７５分の１にな
ると、起電力信号も同率で減少しノイズレベルが一定で
あれば信号のＳ／Ｎ比も７５分の１に減少する。これに
より、従来方式の２線式は４線式に対して同等の精度，
安定性を持つには至らず、測定精度や流速，流体導電率
の測定可能範囲に制約があった。また、従来技術では、
２線式であるために、電磁流量計からの出力は、４〜２
０ｍＡのアナログ信号しか取り出せず、積算パルス出力
などの接点信号は、別途配線を設けなくてはならず、２
線式の長所が半減するという欠点もあった。

【０００７】以上をまとめると、従来方式の２線式は精
度，測定流量範囲，測定可能流体の制限，機能等の面
で、４線式に劣っていると言うことができる。

【０００８】本発明の目的は、２線式と４線式が同等の
性能を持てるよう、従来の２線式の概念にとらわれない
新しい方式の２線式電磁流量計を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明はディジタル通信技術を用い、この問題を解
決することを考える。一般に、通信を行う場合、ある周
波数をその通信信号に割りあて、その周波数に対するフ
ィルタリングを行い、通信情報を読みだす。この時、伝
送路上のノイズ成分が大きく、フィルタの許容範囲を越
えるようなノイズが入る場合、通信誤りが発生し、伝送
品質を劣化させる。このため、伝送路上の、通信信号レ
ベル，ノイズレベル，フィルタの能力は十分に検討され
なくてはならない。２線式を用いて通信を行う場合、従
来にもその例を見ることができるが、いずれもアナログ
４〜２０ｍＡをベースとし、その上に通信信号を重畳す
るか、４〜２０ｍＡの範囲でパルス状に変化させて通信
信号を成すものであった。いずれも、前述の３点に注意
が払われており、実用レベルである。しかし、電磁流量
計として見た場合、２線式と４線式との性能の差は先に
述べたように励磁電流の制約に起因する起電力信号のＳ
／Ｎ比の差から明らかである。

【００１０】ここで視点を変え、４線式並の励磁電流を
持つ電磁流量計の消費電流について考えると、その電流
波形には周期的なリップルが含まれており、ディジタル
通信を行う上での障害になると考えられる。この電流リ
ップルは、消費電流中の過半数を占める励磁電流のリッ
プルである。励磁電流は、交番磁界を発生させるために
周期的に流れ方向を切り替えられるが、励磁コイルのリ
アクタンスにより電流の立上りが遅れ、これに同期して
励磁電流が減少しリップルとなる。リップルは、起電力
信号のＳ／Ｎ比を改善するために励磁電流を増加させる
と、ますます大きくなる関係にある。電磁流量計の性能
を落さずにこのリップルを含む供給電流をベースとして
通信信号を乗せることを考えた場合、これだけでは通信
レベル対ノイズレベルの比が低く、実用に供さない。

【００１１】そこで、励磁切り替えに起因する消費電流
のリップルが通信の信頼性を低下させるのを防止するた
め、ディジタル通信を行うタイミングを励磁切り替えの
タイミングと重複しないようにし、消費電流が安定して
いる期間のみ通信する方式とする。このことにより、消
費電流にリップルがあっても、電源線上に安定して通信
信号を重畳させることが出来る。

【００１２】従って、第１に電磁流量計の消費電流の乱
れている期間を避けて通信信号を発生させる手段を設け
ることにより、通信電流と消費電流リップルの識別を容
易にし、第２に、通信信号を、正の定電流回路によりパ
ルス状の定電流を発生させることにより１方向又は双方
向の通信が可能となり、第３にこの通信情報に、流速情
報のみならずその他の制御情報も重畳することにより、
給電線兼伝送路である１本のケーブルにより、電磁流量
計が持つすべての情報を上位システムへ伝達する。

【００１３】

【作用】被測定流体を導く配管に取り付けられた電磁流
量計は、測定管とコイル，電極を有する検出器と、コイ
ルを励磁し電極からの起電力信号を増幅演算する変換器
とからなる。一方、電磁流量計は、計器室などの離れた
場所に設置された電源ユニットから２芯のケーブルを介
して直流電圧の供給を受けて作動する。変換器は流速信
号又は制御信号をディジタル信号（パルスコード化され
た電流信号）に変換し、ケーブルに重畳し変換器と電源
ユニットの間１方向又は双方向の通信を行う。変換器と
電源ユニットのケーブル受け口には双方向通信可能な通
信回路が具備してある。さらに電源ユニットは、ディジ
タル信号を解読しアナログ出力信号や制御信号として受
信計器に出力する。

【００１４】この時、電源ケーブルには、電磁流量計の
励磁電流のながれ方向の切り替えに同期した電流リップ
ルを含む直流電流がながれている。直流電流は、励磁電
流切り替え以外のタイミングでは電流値が比較的安定し
ている。変換器内の演算制御回路にこの電流が安定して
いる期間のみ通信データ信号を発生する手段を設ける。
一方、演算制御回路は励磁回路の励磁タイミングの制御
も行う。従って、変換器の通信回路は、演算制御回路よ
り所定のタイミング（即ち励磁方向の切り替えから一定
時間ずらしたタイミング）で通信データを受け取り、通
信回路内の定電流回路をオン／オフし、通信データを正
のパルス状の定電流信号として電源ユニットに向けて発
信する。

【００１５】この期間、給電線兼伝送路上のべースとな
る電流は安定であり、通信信号のＳ／Ｎ比の低下はな
い。また、通信用定電流回路の信号レベルは、必要に応
じてレベルを変えることができる。従って受信側のフィ
ルタの能力も、従来と同時か、それ以下でも良い。従っ
て、１本（２芯）のケーブルにより、通信が可能とな
る。そして電磁流量計本体は、従来の４線式と同等の励
磁電流を供給されるので、流量計としての特性は、従来
の４線式の特性をそのまま維持できる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の１実施例を図１及び図２を用
いて説明する。先ず図１で実施例の概略を説明する。１
は検出器，２は変換器，３は電源ユニット，４は電源ケ
ーブルである。検出器１と変換器２は、被測定流体を導
く配管に取り付けられ一体形の電磁流量計を構成してい
る。電源ユニットは、電磁流量計と離れた計器室などに
設置される。電源ユニットは交流又は直流電源を受け電
磁流量計に適した直流電圧に変換し、電源ケーブル４を
介して変換器２に電源を供給する。変換器２はこの直流
電圧を受け検出器１を励磁し交番磁界を発生させ、この
結果発生した被測定流体の流速に比例した起電力信号を
増幅演算し、その結果をディジタル信号に変換し電源ケ
ーブル４に重畳して通信し電源ユニットに伝送する。一
方、ディジタル信号を受信した電源ユニット３は、これ
を解読し４〜２０ｍＡのアナログ信号や制御用のディジ
タル信号に変換し受信計器に出力する。

【００１７】次に、各構成要素について詳細に説明す
る。検出器１には、測定管１１内に導かれた被測定流体
１２の流れ方向に直交して交番磁界を発生させファラデ
ィの電磁誘導の法則により流速に比例した起電力ｅを誘
起せしめる励磁コイル１３と起電力ｅを検出する１対の
電極１４，１５とが具備されている。

【００１８】一方、変換器２には、励磁コイル１３に対
して所定周波数の交番方形波の励磁電流を供給し励磁回
路２１と、その結果、誘起された起電力信号ｅを増幅す
る増幅回路２２と、その増幅信号Ｅをディジタル値Ｄ₁
に変換するＡ／Ｄ変換回路２３と、ディジタル値Ｄ₁ を
演算し更にその結果をコード化されたディジタルパルス
信号Ｐ₁ に変換し所定のタイミングで出力する演算制御
回路２４と、ディジタルパルス信号Ｐ₁ を電源ケーブル
４上に正の電流パルス信号Ｐ₂ として重畳し電源ユニッ
ト３と双方向通信を行う通信回路２５とが具備されてい
る。又、演算制御回路２４は、Ａ／Ｄ変換回路２３や励
磁回路２１及び通信回路２５の動作タイミングを制御す
る。更に、接地電位の影響を除去するため絶縁電源回路
２６，信号絶縁回路２７が図のように配置されている。

【００１９】一方、電源ユニット３には、電源ケーブル
４に重畳された電流パルス信号Ｐ₂を受信し、ディジタ
ルパルス信号Ｐ₃ に変換する変換器の通信回路２５と等
価な機能を有する通信回路３１と、ディジタルパルス信
号Ｐ₃ を絶縁する信号絶縁回路３２を介して、信号Ｐ₃
を受信解読し出力回路３３を介して４〜２０ｍＡのアナ
ログ信号出力Ａ／Ｏや制御信号出力Ｄ／Ｏの制御を行う
演算制御回路３４と、交流又は直流の電源Ｓを取り込み
全回路の電源を発生する絶縁電源回路３５とが具備され
ている。通信回路３１は演算制御回路３４の指令により
変換器２へ向けて測定条件の変更命令などを出力する。
本構成により変換器２と電源ユニット３は両者に具備さ
れた通信回路２５及び３１によって電源ケーブル４を介
して双方向通信を行い、ディジタル通信を活用した２線
方式の電磁流量計を構成している。

【００２０】変換器２側から出力する通信データは、流
量測定値のほか流体及び流量計自身の異常信号などを含
んでおり、一方、電源ユニット３側から出力されるデー
タは、測定条件の変更命令，通信異常時のためのリトラ
イ命令などがある。

【００２１】しかし電源ケーブル４には、以下の理由に
より大きな電流リップルが含まれており、ディジタル通
信の信頼性を阻害する恐れがある。

【００２２】すなわちこの構成で、励磁コイル１３は、
起電力信号に含まれる直流電位や、交流電源に同期した
誘導ノイズを除去するために、電源周波数またはその整
数倍の周期で励磁方向を切り替える方形波の交番電流に
より励磁される。この励磁電流の切り替え時に電磁流量
計の消費電流は大きく変動する。即ち消費電流の過半数
を占める励磁電流が、励磁コイルのリアクタンスにより
電流の立上りが遅れ、これに同期して電流値が数ｍｓの
間減少し図２に示すような消費電流のリップルを発生す
る。

【００２３】本実施例では、演算制御回路２４にこの電
流変動期間（即ち、励磁電流切り替え時から数ｍｓの時
間）を避けてディジタルパルス信号Ｐ₁ を出力するソフ
トウエアによるシーケンス手段を設けてある。演算制御
回路２４は、励磁回路２１及び通信回路２５など変換器
２内の全タイミングをコントロールしているため、演算
制御回路２３内のソフトウエアシーケンスを改良するこ
とによって電流リップルの発生する数ｍｓの期間を避け
て通信を行うようにするのは可能である。

【００２４】一方、通信回路２５は、同回路内に構成さ
れた送信スイッチ２８を制御し、これと直列に配置され
た定電流回路２９を制御する。これは、演算制御回路２
４からのディジタル信号Ｐ₁ に応じた“０”，“１”の
コードで送信スイッチ２８を作動させることにより、電
源ケーブル４上に定電流回路２９で発生させた電流をコ
ード化された電流パルス信号Ｐ₂ として重畳することと
なる。これによって通信情報を電源ユニット３の通信回
路３１側に伝送することができる。

【００２５】この時、ディジタル信号は、できるだけ短
いデータ単位に分割し、１励磁切り替え周期の間に少な
くとも１データ単位の通信を終了できるようにしてあ
る。例えば、励磁周波数を２５Ｈｚ（励磁切り替え周期
２０ｍｓ）にした場合、通信速度を６００ボー，１０ビ
ットを１データユニットとして送信すると約１６.７ms
で通信が完了できる。また、データビット数が大きい場
合は、通信速度を速くするなどの対策で実現できる。

【００２６】次に、図２で電源ケーブル４上の電流波形
を説明する。

【００２７】大きな電流のうねりは、電磁流量計の消費
電流Ｉｏの変動を示している。消費電流が大きく落ちこ
むのは励磁電流の切り替えのためであり、２０ｍｓ周期
である。小さな波は、重畳された電流パルス信号Ｐ₂で
ある。１データユニット(１０ビット）を通信するのは
１６.７ｍｓ 以内に可能であるので消費電流の変動期間
を避けて通信できる。通信信号は、消費電流Ｉｏのリッ
プル部を避け安定している期間に重畳させる。

【００２８】本実施例によれば、特別な消費電流の平滑
化策を用いずに通信の信頼性を確保できる。

【００２９】この通信情報は、電磁流量計に必要とされ
るほとんどすべての情報を乗せることができ、１本のケ
ーブルにより信号を伝送する点で従来の２線式と同等で
あり、その性能，機能面では従来の４線式と同等である
ことから、２線式の性能を飛躍的に向上させることがで
きる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、従来の２線式並の計装
工事費で、従来の４線式と同等の性能，機能が得られ
る、新しい２線式電磁流量計が提供でき、流速範囲，測
定流体の種類，口径，精度等の基本性能はもとより、積
算パルス，自動レンジ切替等の接点信号と同等に４〜２
０ｍＡ担当のアナログ信号もコード化することにより伝
送でき、計装コストの低減と性能，機能の向上を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電磁流量計のブロック図。

【図２】本発明の電磁流量計の伝送路の電流波形図。

【符号の説明】

１…検出器、２…変換器、３…電源ユニット、４…電源
ケーブル。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体の導入される絶縁性のパイプと、前記
   パイプに設けられた一対の電極と、前記パイプ内に磁界
   を発生させるための一対のコイルと、磁路を形成するた
   めのコアから成る電磁流量計の検出器と、前記電極で検
   出される起電力信号を流速信号に比例する量に変換する
   電磁流量計の変換器とから成る一体形電磁流量計におい
   て、前記検出器からの起電力信号により、前記変換器は
   流量信号に比例した量をディジタル量に変換し、そのコ
   ード化されたディジタル量を前記電磁流量計の消費電流
   の安定した期間に電流パルス信号として電源線に重畳さ
   せる手段を設けたことを特徴とする一体形電磁流量計。
2. 【請求項２】請求項１において、前記電磁流量計の消費
   電力の安定した期間は、前記検出器に交番磁界を発生さ
   せる励磁電流の極性切り替えによって生じる消費電流の
   急変する期間を除いた期間である一体形電磁流量計。
3. 【請求項３】請求項１において、前記変換器には、励磁
   電流の切替タイミングを制御すると共に前記切替タイミ
   ングから所定時間だけ遅らせて通信信号を発生させる機
   能を有する演算制御回路を具備した一体形電磁流量計。