JPH10221134A - 電磁流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体抜けを高精度に検出可能とし、信頼性の
向上を図る。 【解決手段】 アースリング１１０と電極１０３ａまた
は１０３ｂとの間の電位差を増幅する増幅回路１１１、
その出力を励磁信号の極性に同期して整流する同期整流
回路１１２、その出力を平滑化する平滑化回路１１３お
よびその出力を閾値１１５と比較するコンパレータ１１
４等を設け、平滑化信号が閾値１１５以上のとき流体抜
け信号を出力する。つまり、同期整流することで直流成
分の影響を受け難くし、精度の良い流体抜け検出を可能
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、殆どの導電性流
体の流量計測に適用可能で、かつ、圧損が無視できるこ
とから、特にプラントや水処理設備などの流量の管理，
制御に好適な電磁流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電磁流量計はフレミングの法則に
より、ＪＩＳ Ｚ８７６４やＪＩＳＢ７５５４にも示さ
れるように、その流量信号は管内を流れる方向，磁界の
方向とそれぞれ直交する方向に数１０μＶから数ｍＶの
電圧信号として、管内を流れる流体速度に比例して発生
する。現在使用されている電磁流量計では、磁界を発生
する手段として配管の上下に配置した１対の励磁コイル
に交番電源から電流を流すようにしており、近年は電流
波形を矩形波状とすることで、零点ドリフトや経時変化
を軽減するようにしている。

【０００３】交番励磁とする理由は、直流磁界励磁では
流体中に発生する流量信号が直流であるため、流体と電
極間に一定方向に流れる微弱電流で、流体と電極界面に
電気化学反応が連続的に発生し、界面状態が変化して微
弱な起電力を生じたり、界面電気抵抗が増加変動したり
するからである。これらはいずれも一定値ではなく、経
時的に変化したり、流速で変わったりして、流量信号に
とってノイズとなる。このような問題を解決すべく交番
励磁とすると、流量信号も交流となり、電気化学反応も
正，逆反応が交互に生じるため進行せず、安定な計測が
可能になるというわけである。

【０００４】図７にこのような電磁流量計の例を示す。
これは、流体１０１が流れる測定管１０２、および測定
管１０２の内壁に取り付けられた１対の電極１０３ａ，
１０３ｂ、測定管１０２に磁束を与える励磁コイル１０
４からなる検出器１００と、この検出器１００の励磁コ
イル１０４に電流を流す励磁回路１０５、電極１０３
ａ，１０３ｂ間に発生する電位差（磁束の強さと測定管
１０２内を流れる流体１０１の平均速度に比例する値の
電圧）を増幅する差動増幅器（ＡＭＰ）１０６、この差
動増幅器１０６によって増幅された信号を処理する演算
回路１０７よりなる変換器１０８とから構成されてい
る。

【０００５】図８は図７の動作を説明するための各部波
形図である。以下、図７の動作について、図８を参照し
て説明する。すなわち、測定管１０２内を流れる流体１
０１の流量を測定するときは、励磁回路１０５から図８
（ａ）で示すような励磁信号（矩形波電流）を出力して
励磁コイル１０４を励磁し、測定管１０２内に図８
（ｃ）に示すような交番磁界を発生させ、各電極１０３
ａ，１０３ｂに直流成分に起因する分極電位が発生しな
いようにしながら、電極１０３ａ，１０３ｂ間に交番磁
界による磁界の強さと、流体１０１の平均速度に比例す
る電位差を図８（ｄ）の如く発生させ、これを差動増幅
器１０６によって増幅させる。

【０００６】上記動作と並行して、図８（ｃ）の方形波
電流が安定する毎に、励磁回路１０５から出力される図
８（ｂ）のようなサンプリング信号によって、演算回路
１０７にサンプリング動作を行なわせ、図８（ｅ）の如
く差動増幅器１０６から出力される流量信号を取り込ま
せるとともに、このサンプリング動作にて取り込まれる
各流量信号にもとづき所定の演算を行ない、信号ケーブ
ル１０９および検出器１００等によって構成されるルー
プ回路を横切る磁束の変化に起因するノイズや、方形波
電流の周期より長い周期を持つノイズを除去した図８
（ｆ）のような流量信号を生成し、これを表示させた
り、４−２０ｍＡの電流信号等にしてディジタル伝送す
るようにしている。

【０００７】以上のような電磁流量計では、電極１０３
ａ，１０３ｂ間の出力インピーダンスが流体１０１の導
電率に逆比例するので、流体導電率が変化しても測定結
果が変化しないようにするため、変換器１０８の入力イ
ンピーダンスを極めて高くなるようにしている。このた
め、測定管１０２から流体が抜ける（流体抜けともい
う）と、変換器１０８内の差動増幅器１０６の入力がオ
ープン状態で高インピーダンスとなるため、ノイズの影
響を受け易くなる。その結果、演算回路１０７から出力
される流量信号の値が不安定となり、流量測定が正確に
できないため、得られた流量信号を無効とし、流体抜け
を示す信号を発生させる必要がある。その手段として、
図９のようにアースリング１１０と電極１０３ａ，１０
３ｂ間の電位差を、増幅回路１１１で増幅した信号を半
波整流回路１１２Ａで半波整流し、平滑化回路１１３で
平滑化したのち、コンパレータ１１４にて予め設定され
ているしきい値（閾値）１１５と比較し、それ以上にな
ると流体抜けと判断して出力するようにしたものがあ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図９に示すよ
うな構成では、アースリング１１０と電極１０３ａ，１
０３ｂ間の電位差しか監視していないため、以下のよう
な場合に誤動作し、流量を正常に測定できるにもかかわ
らず、流体抜けと判断してしまうという問題がある。 （１）測定管１０２を流れる流体のなかには、数Ｖ以上
の直流電圧が加えられている流体があり、このような直
流電圧によりアースリング１１０と電極１０３ａ，１０
３ｂ間に余分な直流電圧が発生し、これによってコンパ
レータ１１４が流体抜けと誤判定する場合がある。

【０００９】（２）電極１０３ａ，１０３ｂと流体１０
１との境界近傍には、イオンの集積に起因する電気二重
層が存在しており、通常は電極１０３ａ，１０３ｂと流
体１０１とは一定の電位差で安定しているが、部分的に
土砂を含んだ流体（スラリー），薬注などが時々行なわ
れる流体等では、上記電気二重層による電位差が変化
し、これによってコンパレータ１１４が誤動作する。 （３）図１０（ｂ）に示すようなスラリー，同（ｃ）の
薬注のような場合の電極電圧の突変，持続的な変化によ
り、流体抜けと誤動作する。 したがって、この発明の課題は、流体抜けを高精度に検
出可能とし、信頼性を向上させることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
べく、請求項１の発明では、測定管内に交番磁界を発生
させ、前記測定管に設けられた１対の電極に、測定管内
を流れる流体の流量に応じた流量信号を発生させるとと
もに、この流量信号を取り込んで所定の演算処理を行な
い流量値を出力する電磁流量計において、アースリング
と電極の一方または両方との電位差信号を励磁信号の極
性に同期して整流する同期整流器と、この同期整流器の
出力を平滑化する平滑化回路と、その平滑化信号を予め
設定されているしきい値と比較する比較器とからなる流
体抜け検出部を設け、前記平滑化信号の値が前記しきい
値以上のとき流体抜けとして出力するようにしている。
この請求項１の発明では、前記アースリングと電極の一
方または両方との電位差信号を増幅する増幅器を付加す
ることができる（請求項２の発明）。

【００１１】請求項３の発明では、測定管内に交番磁界
を発生させ、前記測定管に設けられた１対の電極に、測
定管内を流れる流体の流量に応じた流量信号を発生させ
るとともに、この流量信号を取り込んで所定の演算処理
を行ない流量値を出力する電磁流量計において、アース
リングと電極の一方または両方との電位差信号から直流
電位成分のみを取り出すローパスフィルタと、前記電位
差信号と直流電位信号との差を求める差演算回路と、こ
の差演算回路の出力を励磁信号の極性に同期して整流す
る同期整流器と、この同期整流器の出力を平滑化する平
滑化回路と、その平滑化信号を予め設定されているしき
い値と比較する比較器とからなる流体抜け検出部を設
け、前記平滑化信号の値が前記しきい値以上のとき流体
抜けとして出力するようにしている。この請求項３の発
明では、前記アースリングと電極の一方または両方との
電位差信号を増幅する増幅器を付加することができる
（請求項４の発明）。

【００１２】請求項５の発明では、測定管内に交番磁界
を発生させ、前記測定管に設けられた１対の電極に、測
定管内を流れる流体の流量に応じた流量信号を発生させ
るとともに、この流量信号を取り込んで所定の演算処理
を行ない流量値を出力する電磁流量計において、アース
リングと電極の一方または両方との電位差信号を励磁信
号周波数の少なくとも２倍以上でサンプリングして離散
値に変換する変換回路と、その離散値から励磁信号周波
数成分のみを取り出す離散フーリエ変換器と、取り出さ
れた成分を時間的に平滑化する平滑化回路と、その平滑
化信号を予め設定されているしきい値と比較する比較器
とからなる流体抜け検出部を設け、前記平滑化信号の値
が前記しきい値以上のとき流体抜けとして出力するよう
にしている。この請求項５の発明では、前記アースリン
グと電極の一方または両方との電位差信号を増幅する増
幅器を付加することができる（請求項６の発明）。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の第１の実施の形
態を示す回路図、図２はその動作説明図である。タイミ
ング生成回路１１６ではシステムの制御信号の他に、電
源からの商用周波数を分周して図２（ａ）に示すような
励磁信号を生成し、励磁コイル１０４を励磁して測定管
１０２の内部に磁界分布を生成する。この磁界に直交す
るように測定管１０２に流体が流れると、磁界と流体の
流速方向に互いに直交するように起電力が発生し、電極
１０３ａ，１０３ｂ間に電位差が発生する。このとき、
アースリング１１０に対する各電極１０３ａ，１０３ｂ
の電位差は、図２（ｂ）のようになる。なお、電位差は
アースリング１１０と電極１０３ａ，１０３ｂのいずれ
か一方または双方の電位差とすることができ、以下同様
である。

【００１４】そして、流体が満水のときは、電極と流体
の間の電気二重層による電位差のみであるが、流体抜け
が生じたときは電極が高インピーダンスとなり、励磁信
号によるクロストークにより電極電位は大きく変動す
る。この電極電位信号を増幅回路１１１で増幅し、次段
の同期整流回路１１２で整流を行ない、図２（ｃ）のよ
うな信号を得る。この同期整流回路１１２は励磁周波数
の奇数次の成分を強調するもので、直流成分を除去する
機能を持っている。その出力は平滑化回路１１３に入力
され、図２（ｄ）のような波形となる。この信号はさら
にコンパレータ１１４に入力されて、図２（ｅ）の如き
一定の閾値１１５と比較され、それ以上の場合はコンパ
レータ１１４の出力が図２ｆのように反転し、流体抜け
を示す信号が出力される。

【００１５】図３はこの発明の第２の実施の形態を示す
ブロック図、図４はその動作を説明するための各部波形
図である。タイミング生成回路１１６ではシステムの制
御信号の他に、電源からの商用周波数を分周して図４
（ａ）に示すような励磁信号を生成し、励磁コイル１０
４を励磁して測定管１０２の内部に磁界分布を生成す
る。この磁界に直交するように測定管１０２に流体が流
れると、磁界と流体の流速方向に互いに直交するように
起電力が発生し、電極１０３ａ，１０３ｂ間に電位差が
発生する。このとき、アースリング１１０に対する各電
極１０３ａ，１０３ｂの電位差は、図４（ｂ）のように
なる。そして、流体が満水のときは、電極と流体の間の
電気二重層による電位差のみであるが、流体抜けが生じ
たときは電極が高インピーダンスとなり、励磁信号によ
るクロストークにより電極電位は大きく変動する。この
電極電位信号を増幅回路１１１で増幅するところまで
は、図１の場合と同様である。

【００１６】次段のローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２４
により励磁周波数から低周波成分のみを抽出し、図４
（ｃ）のような信号を得る。次段の差演算回路１１７で
は、増幅回路１１１からの出力信号からこのＬＰＦ１２
４の出力信号である低周波成分を差し引き、励磁周波数
以上の信号成分を図４（ｄ）のように得る。この出力を
同期整流回路１１２でタイミング生成回路１１６からの
励磁タイミング信号で同期整流し、図４（ｅ）のような
信号を得る。その後、平滑化回路１１３によって平滑化
を行ない、図４（ｆ）のような信号を得、さらに、次段
のコンパレータ１１４に入力し、図４（ｇ）に示す閾値
１１５以上の場合は、コンパレータ１１４の出力は図４
（ｈ）のように反転し、流体抜けを示す信号が出力され
る。

【００１７】図５はこの発明の第３の実施の形態を示す
ブロック図、図６はその動作を説明するための各部波形
図である。タイミング生成回路１１６ではシステムの制
御信号の他に、電源からの商用周波数を分周して図６
（ａ）に示すような励磁信号を生成し、励磁コイル１０
４を励磁して測定管１０２の内部に磁界分布を生成す
る。この磁界に直交するように測定管１０２に流体が流
れると、磁界と流体の流速方向に互いに直交するように
起電力が発生し、電極１０３ａ，１０３ｂ間に電位差が
発生する。このとき、アースリング１１０に対する各電
極１０３ａ，１０３ｂの電位差は、図６（ｂ）のように
なる。そして、流体が満水のときは、電極と流体の間の
電気二重層による電位差のみであるが、流体抜けが生じ
たときは電極が高インピーダンスとなり、励磁信号によ
るクロストークにより電極電位は大きく変動する。この
電極電位信号を増幅回路１１１で増幅するところまで
は、図１，図３の場合と同様である。

【００１８】次段のアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変
換回路１１８では、タイミング生成回路１１６からの励
磁周波数のｎ（ｎ≧２）倍の周波数のサンプリング信号
で、増幅回路１１１からの信号を量子化する。この量子
化した時間データ列に対し、ディジタル信号処理回路１
２３のＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｒｉｅｒ Ｔｒ
ａｎｓｆｏｒｍ）部１１９で離散フーリエ変換を施して
励磁周波数成分のみを取り出し、薬注，スラリー等の瞬
時的変化には応答しないよう、平滑化回路１２０で平滑
化処理を行ない、比較器（コンパレータ）１２１で閾値
１２２と比較し、閾値１２２以上のとき流体抜けを示す
信号を出力する。

【００１９】なお、図１，図３および図５のアースリン
グと電極間の電位差を増幅するための増幅器１１１は、
いずれも省略可能である。

【００２０】

【発明の効果】この発明によれば、アースリングと電極
間の電位差から、励磁周波数に同期した成分のみを取り
出すことで、測定対象となっている流体の導電率や流体
に加えられている電圧の影響を受け難くすることがで
き、信頼性を大幅に向上させることが可能になる、とい
う利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態を示す回路図であ
る。

【図２】図１の動作説明図である。

【図３】この発明の第２の実施の形態を示す回路図であ
る。

【図４】図３の動作説明図である。

【図５】この発明の第３の実施の形態を示す回路図であ
る。

【図６】図５の動作説明図である。

【図７】第１の従来例を示す回路図である。

【図８】図７の動作説明図である。

【図９】第２の従来例を示す回路図である。

【図１０】流体抜けとその他の場合を説明するための電
圧信号波形図である。

【符号の説明】

１００…検出器、１０１…流体、１０２…測定管、１０
３ａ，１０３ｂ…電極、１０４…励磁コイル、１０５…
励磁回路、１０６，１１１…増幅器、１０７…演算回
路、１０８…変換器、１０９…信号ケーブル、１１０…
アースリング、１１２…同期整流回路、１１２Ａ…半波
整流回路、１１３，１２０…平滑化回路、１１４，１２
１…コンパレータ、１１５，１２２…閾値、１１６…タ
イミング生成回路、１１７…差演算回路、１１８…Ａ／
Ｄ変換回路、１１９…ＤＦＴ（離散フーリエ変換）部、
１２３…ディジタル信号処理回路、１２４…ローパスフ
ィルタ（ＬＰＦ）。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定管内に交番磁界を発生させ、前記測
   定管に設けられた１対の電極に、測定管内を流れる流体
   の流量に応じた流量信号を発生させるとともに、この流
   量信号を取り込んで所定の演算処理を行ない流量値を出
   力する電磁流量計において、 アースリングと電極の一方または両方との電位差信号を
   励磁信号の極性に同期して整流する同期整流器と、この
   同期整流器の出力を平滑化する平滑化回路と、その平滑
   化信号を予め設定されているしきい値と比較する比較器
   とからなる流体抜け検出部を設け、前記平滑化信号の値
   が前記しきい値以上のとき流体抜けとして出力すること
   を特徴とする電磁流量計。
2. 【請求項２】 前記アースリングと電極の一方または両
   方との電位差信号を増幅する増幅器を付加することを特
   徴とする請求項１に記載の電磁流量計。
3. 【請求項３】 測定管内に交番磁界を発生させ、前記測
   定管に設けられた１対の電極に、測定管内を流れる流体
   の流量に応じた流量信号を発生させるとともに、この流
   量信号を取り込んで所定の演算処理を行ない流量値を出
   力する電磁流量計において、 アースリングと電極の一方または両方との電位差信号か
   ら直流電位成分のみを取り出すローパスフィルタと、前
   記電位差信号と直流電位信号との差を求める差演算回路
   と、この差演算回路の出力を励磁信号の極性に同期して
   整流する同期整流器と、この同期整流器の出力を平滑化
   する平滑化回路と、その平滑化信号を予め設定されてい
   るしきい値と比較する比較器とからなる流体抜け検出部
   を設け、前記平滑化信号の値が前記しきい値以上のとき
   流体抜けとして出力することを特徴とする電磁流量計。
4. 【請求項４】 前記アースリングと電極の一方または両
   方との電位差信号を増幅する増幅器を付加することを特
   徴とする請求項３に記載の電磁流量計。
5. 【請求項５】 測定管内に交番磁界を発生させ、前記測
   定管に設けられた１対の電極に、測定管内を流れる流体
   の流量に応じた流量信号を発生させるとともに、この流
   量信号を取り込んで所定の演算処理を行ない流量値を出
   力する電磁流量計において、 アースリングと電極の一方または両方との電位差信号を
   励磁信号周波数の少なくとも２倍以上でサンプリングし
   て離散値に変換する変換回路と、その離散値から励磁信
   号周波数成分のみを取り出す離散フーリエ変換器と、取
   り出された成分を時間的に平滑化する平滑化回路と、そ
   の平滑化信号を予め設定されているしきい値と比較する
   比較器とからなる流体抜け検出部を設け、前記平滑化信
   号の値が前記しきい値以上のとき流体抜けとして出力す
   ることを特徴とする電磁流量計。
6. 【請求項６】 前記アースリングと電極の一方または両
   方との電位差信号を増幅する増幅器を付加することを特
   徴とする請求項５に記載の電磁流量計。