JPH09126849A - 二線式電磁流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】二線式電磁流量計の高性能，高機能化に適した
新しい信号伝送方法を実現する。 【解決手段】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またはアナログ信号を
重畳して伝送する二線方式の電磁流量計を構成し、電磁
流量計に間歇的な励磁休止期間を有する励磁方式を採用
し消費電流が小さく安定している期間を設け、この消費
電流が安定している期間に信号伝送する。伝送路は給電
線を兼ね、一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する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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、電磁流量計全体を二線式化し、低消費電力で
動作させ、二芯のケーブル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
うに二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】従来技術では、二線式
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、従来の四線式電磁流量計に比べ、検出器
を駆動する励磁電流が、二線式が最大４ｍＡであるのに
対して四線式が約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、前記起電力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、従来方式の二線式は四線式に対して同等の精
度，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、二線式であるために、電磁流量計からの出力は、４
〜２０ｍＡ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、二線式の長所が半減するという欠点もあった。

【０００７】すなわち、従来方式の二線式は精度，測定
流量範囲，測定可能流体の制限，機能等の面で、四線式
に劣っていると言うことができる。

【０００８】本発明の目的は、二線式と四線式が同等の
性能を持てるよう、従来の二線式の概念にとらわれない
新しい方式の二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】目的を達成するために、
本発明は信号伝送の方法を改善し、二線式電磁流量計で
消費できる電力を増加させることによりこの問題を解決
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。二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、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、二線式と四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、四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、電流値が
二線式の数十倍あるだけでなく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、これだけでは伝送信号レベル対ノ
イズレベルの比（Ｓ／Ｎ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
のリップルが信号伝送の信頼性を低下させるのを防止す
るため、間歇的に励磁を休止する期間を設け信号伝送を
行うタイミングをこの励磁休止期間に同期させる。励磁
休止期間は、消費電流のレベル及びリップルが小さく消
費電流が安定しているため、この期間のみ信号伝送する
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伝送信号を重畳させること
が出来る。また、励磁休止期間だけに限れば、従来のア
ナログ二線式（４〜２０ｍＡ）の電磁流量計として機能
できる可能性も持っている。

【００１２】従って、第１に電磁流量計の励磁周期に無
励磁期間を設け（すなわち、従来から行われていた、正
・負・無励磁期間を有する三値励磁方式などを採用す
る）、消費電流のレベルもノイズも大きい期間を避けて
伝送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する。第２に、信
号伝送にディジタル通信を採用し、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する。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二本のケーブルに
より、電磁流量計が持つすべての情報を上位システムへ
伝達することが達成される。また、第２のディジタル通
信の変わりに、励磁休止期間に４〜２０ｍＡアナログ出
力による信号伝送を行うこともできる。第４に、電磁流
量計に電流供給する電源ユニットに、ディジタル通信や
間歇的なアナログ信号を受信し、連続的なアナログ信号
に復調する手段を設けることにより四線式並みの感度を
有する二線式電磁流量計を実現する。

【００１３】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二芯のケーブル
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。また、変換器と電源ユニット間
の通信は、ディジタル通信のほか間歇的なアナログ通信
であっても良い。

【００１４】電源ケーブルには、電磁流量計の所定周期
の励磁電流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。励磁方法に無励磁の状態を含む
三値励磁などの方式を選び、電流値が小さく安定してい
る期間を周期的に設ける。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（励磁休止期
間）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。（または、間
歇的なアナログ電流出力行う。） この期間、給電線兼伝送路上のべースとなる電流は小さ
く安定であり、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（二芯）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、従来の四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、従来の四線式
の特性をそのまま維持できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図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また
は間歇的なアナログ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４〜２
０ｍＡの連続的な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。

【００１６】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。

【００１７】一方、変換器２には、励磁コイル１３に対
して所定周波数の無励磁状態を含む交番方形波（三値励
磁方式：図２−（ａ）参照）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。

【００１８】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それ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Ｐ
₃ 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二線方式
の電磁流量計を構成している。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。

【００１９】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有る。

【００２０】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。即ち消費電流の殆どを
占める励磁電流（数百ｍＡ）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、これに同期して消費電
流値が変動し図２（ｂ）に示すような消費電流のリップ
ルを発生する。一方、励磁休止期間は変換器内部回路の
電流消費だけとなり、レベルの低い（数ｍＡ）安定した
消費電流となる。

【００２１】本実施例では、演算制御回路２４にこの電
流変動期間（即ち、励磁している期間）を避けてディジ
タルパルス信号Ｐ₁ を出力するためのソフトウエアによ
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励磁期間を避けて通信を行うよう
にするのは可能である。前述のように励磁休止期間は消
費電流が小さく安定しているため、この期間だけ通信を
実行すればＳ／Ｎ比の高い安定した相互通信ができる。
一方、電源ユニット３も供給電流を監視していれば変換
器２の励磁休止期間を容易に判定することができ、その
時に電源ユニット３から変換器２への通信を行うように
する。

【００２２】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。

【００２３】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励磁休止期間に少なくとも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１２.５Ｈｚ(励磁休止期間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や高い励磁
周波数を使用する場合は、通信速度を速くするなどの対
策で実現できる。

【００２４】次に、図２で電源ケーブル４上の電流波形
を説明する。（ａ）に励磁切り替えタイミングを（ｂ）
に消費電流Ｉｏ の変動を示す。

【００２５】励磁期間は、コイルのリアクタンスの影響
で電流の立上りが遅れるため電流のレベルも変動も大き
い（数百ｍＡ）。励磁休止期間は変換器内回路の消費電
流のみ供給すれば良くレベルも低く（数ｍＡ）安定して
いる。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１
６.７ms 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、励磁休止期間の消費電流
Ｉｏの安定している期間に重畳させる。

【００２６】よって、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。

【００２７】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二線式と同等で
あり、その性能，機能面では従来の四線式と同等である
ことから、二線式の性能を飛躍的に向上させることがで
きる。

【００２８】また、本発明の他の実施例を図３で説明す
る。（ａ）に電源ケーブル４上の電流波形を、（ｂ）に
電源ユニット３のアナログ出力波形（Ａ／Ｏ）を示す。
実施例の構成で励磁休止期間の消費電流の低い期間に４
〜２０ｍＡのアナログ電流出力を伝送する方式である。
すなわち、従来のアナログ二線式を間歇的に実行し、励
磁期間は数百ｍＡの電流を供給して高精度の信号検出を
行い、励磁休止期間にアナログ出力を行う。一方、電源
ユニットは、この間歇的なアナログ信号を受信し励磁期
間の電流と区別して識別し、連続したアナログ信号とし
て出力する。本方式によれば、ディジタル通信方式を用
いなくとも二線方式の電磁流量計の性能向上が可能であ
る。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、従来の二線式並の計装
工事費で、従来の四線式と同等の性能，機能が得られ
る、新しい二線式電磁流量計が提供できる。また、信号
伝送のＳ／Ｎ比が向上し信頼性が向上する。

【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。

【図３】本発明の電磁流量計の他の実施例の伝送路の電
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、１１…測定管、１２…非測定流体、１３…励
磁コイル、１４，１５…電極。

Claims (5)

【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、前記コイルに
   電流を供給し励磁するとともに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
   の変換器とから成り、二本の電源供給と信号電送とを兼
   ねたケーブルにより外部と接続された二線式電磁流量計
   において、前記電磁流量計の消費電流を周期的に変化さ
   せ、前記ケーブルを流れる電流が小さく安定している期
   間に信号伝送を行うことを特徴とする二線式電磁流量
   計。
2. 【請求項２】請求項１の前記二線式電磁流量計と二本の
   ケーブルで接続され、その電源を供給するともに前記電
   磁流量計からの間歇的な信号を受信解読し、連続した流
   量信号に変換する電源ユニットと組み合わせた二線式電
   磁流量計。
3. 【請求項３】請求項１において、前記変換器には、前記
   検出器のコイルを所定の周期で正負２方向に励磁し、こ
   れと同期または整数倍の周期で励磁を休止するタイミン
   グを設け、さらに前記タイミング中に信号電送を行う手
   段を具備した二線式電磁流量計。
4. 【請求項４】請求項３において、信号伝送は間歇的なデ
   ィジタル信号をケーブルに重畳して出力することによっ
   て行う二線式電磁流量計。
5. 【請求項５】請求項３において、信号伝送は間歇的な４
   〜２０ｍＡのアナログ信号によって行う二線式電磁流量
   計。