JPH11237262A - 電磁流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の電磁流量計による流量検出方式では、
流体ノイズが流量信号に乗った場合、精度良く流量検出
が出来なくなることが有った。 【解決手段】 検出器３０が出力する流量信号の低周波
数成分をノイズ分別部５０により抽出する。これを同期
サンプル部４２で、サンプリングの基準電圧として用い
て流量信号のサンプリングを行うことにより、流体ノイ
ズによる変動に追従しながらサンプリングを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配管を流れる水等
の導電性を有する各種流体の流量を測定する電磁流量計
に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種プラントにおいて、配管を通じて供
給される水などの導電性を有する各種流体の流量の測定
には電磁流量計が広く用いられている。

【０００３】電磁流量計は、粘度や密度などの流体の組
成に関わらず、殆どの導電性の流体の流量が計測可能で
あり、測定可能な流量範囲の広いことや、圧力損失が無
視できる等の特徴を有し、特にプラントや水処理設備な
どにおける流量の管理・制御に利用されている。

【０００４】図３は、この電磁流量計の基本構成を示す
図である。電磁流量計は大きく分けて、流量測定し、そ
の変化を電圧値の変化（以下流量信号という）として出
力する検出器１０と、この流量信号を増幅し、Ａ／Ｄ変
換してデジタルデータとして出力する変換器２０により
構成されている。

【０００５】電磁流量計の測定原理はファラデーの電磁
誘導の法則に基づいており、磁束を切る導体には起電力
が生じる電気磁気的現象を利用したものである。測定管
内を流れる導電性流体にその流れと直交する向きに磁界
を加えると、流体にはその流れの方向と加える磁界の向
きとに対して共に直交する方向に起電力が生じる。この
起電力の値は導体の移動速度である流体の速度に比例す
るので、この値を測定することによって流量を求めるの
が電磁流量計である。検出器１０では測定管１１内に流
れる流体に対して交番磁界を印加し、磁界と互いに直交
する方向に配置された１対の電極１２、１３間に発生す
る起電力を測定管１１内を流れる流量に対応する流量信
号として変換器２０に出力する。

【０００６】変換器２０では、検出器１０からの起電力
を差動増幅器２１により増幅する。検出器１０から出力
される流量信号は非常に微弱で、数１０μＶ〜数ｍＶ程
度であり、周囲のノイズの影響を大きく受ける。従っ
て、周囲を取り巻く商用電源の影響によるノイズを除去
する為に、検出器１０では商用電源周波数に同期させて
励磁を行い、また変換器２０では該商用電源周波数に同
期させて信号のサンプリングを行っている。

【０００７】差動増幅器２１により増幅された流量信号
は、プラント内で用いられている商用電源によるノイズ
を除去するため、その周期（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）
と同期したタイミングで同期サンプリング部２２でサン
プルリングされる。同期サンプリング部２２では、差動
増幅器２１から入力される信号を上記商用電源の周期に
同期して、信号値がプラスである時はサンプル部２５に
より、マイナスの時はサンプル部２６によりＧＮＤ値を
基準電圧としてサンプリングを行い、これを差動回路２
７により増幅した後出力する。そしてこの出力信号は、
後段の平滑回路２３により平滑化された後Ａ／Ｄ変換部
２４によりデジタル化され、その値に基づいて不図示の
マイクロプロセッサにより流量値が計算され、出力され
る。

【０００８】図４は、流量信号にノイズが加わっていな
い理想時を想定した場合の、図３の電磁流量計の各位置
での応答波形を示す図である。尚図４中の各信号に付さ
れているａ〜ｅの記号は図３内に記載されている同一記
号の位置での信号であることを示している。

【０００９】図４に於て、流量信号ａ１は検出器１０か
らの出力を増幅器２１により増幅したもので、励磁コイ
ルに加える交流電流の周期Ｔ（プラントで用いられてい
る商用電源の周期若しくはそれを分周したもの）で流量
値に比した電圧値の方形波として出力される。

【００１０】またこの量流信号ａ１がプラスの時の信号
をサンプリングするサンプル部２５には図４のサンプル
信号ｂ１が、マイナス時の信号をサンプリングするサン
プル部２６にはサンプル信号ｃ１がそれぞれ供給され
る。サンプル部２５、２６は、サンプル信号がＯＮの時
は入力される流量信号をＧＮＤ値（０Ｖ）を基準とし
て、すなわちそのまま出力し、ＯＦＦの時は０Ｖを出力
する。このサンプル部２５、２６に加えられるサンプル
信号ｂ１、ｃ１は、周期Ｔの方形パルス信号で、流量信
号ａ１がプラス時にはサンプル部２５が、マイナス時に
はサンプル部２６がサンプリングする様それぞれＴ／２
周期ずれてＯＮとなる。この様にこのサンプル信号ｂ
１、ｃ１によりサンプリングされて入力された信号は、
ｄ１の様な一定の振幅値を持つ方形波として差動回路２
７より出力され、これを平滑化部２３により平滑化する
とｅ１の様なフラット直流成分が得られ、これをＡ／Ｄ
変換したデータを用いることにより、正確な流量値を求
めることが出来る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】この様な電磁流量形で
は、次の様な問題があった。電磁流量計では、流体に加
える磁界を発生させる手段として、測定管１０の外周部
に対向して配置される一対の励磁コイル（不図示）を交
流電流で励磁しているが、流体に励磁を行なうと、流体
中を流れる微弱電流によって流体と電極界面との間で電
気化学反応を連続的に発生し、この反応による界面の状
態の変化や微弱な起電力の発生、あるいは界面の電気抵
抗の変動などが生じる。これらはいずれも経時的に変化
したり、あるいは流速によっても変動して一定せず、そ
のため流量信号に対するノイズとして観測される。

【００１２】この流体のイオン性に起因する電気化学的
ノイズは、その周波数をｆとすると大きさが１／ｆの特
性を示す。よって低周波数領域に移るほど大きくなり、
大きな直流オフセット電圧を与える。この流体ノイズは
変換部回路内部で飽和を発生させたり、また測定流量値
のふらつき等の原因となることが知られている。

【００１３】図５に、電気化学的ノイズを含む流体ノイ
ズを考慮した場合の変換部回路内の応答波形の一例を示
す。図５では、流量信号ａ２は検出器１０からの出力を
増幅器２１により増幅したもので、図４の流量信号ａ１
に対応する。この流量信号ａ２には、周期Ｔより波長の
長い（周波数の低い）ノイズが乗っている。そのため、
検出器１０からの流量信号の直流分は低い周波数で大き
く変動し、またこれをサンプリングした差動回路２７の
出力ｄ２は流量信号ａ２と同様に低周波数成分の波形に
流量信号が畳み込まれた波形となる。よってこの後段の
回路である平滑化部２３の出力ｅ２は、図５の様に低周
波数成分流体ノイズによるうねりをそのまま反映したも
のとなる。

【００１４】この様なうねりは、図５の差動回路２７の
出力ｄ２、平滑化部２３の出力ｅ２の波形に見られるよ
うに、それぞれ差動回路２７の出力飽和、及び流量の測
定値のばらつきの原因となり、精度の良い流量測定を困
難とする。

【００１５】この流体ノイズは、例えば図３の増幅部２
１をＨＰＦ（ハイパスフィルタ）構成にして流量信号の
低周波数成分を減衰させ、高域周波数成分を増幅しても
その影響を完全に除去することは難しい。

【００１６】また別の対策方法として、増幅部２０の電
源電圧拡大によりダイナミックレンジを確保する方法、
あるいは平滑化部２３の時定数の大きくする方法等が考
えられるが、前者においては、電源電圧の拡大が流体ノ
イズのない実使用上のダイナミックレンジの拡大には寄
与がなく、また、平滑回路２３の時定数を大きくした場
合には、回路応答の遅れ等の問題が発生する。

【００１７】本発明は上記問題点を解決した電磁流量計
を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明による電磁流量計
は、検出手段、サンプリング手段及びノイズ分別手段を
備える。

【００１９】検出手段は、測定管内で交番磁界を発生さ
せ、該測定管内に設けられた少なくとも１対の電極間の
電位差の変化を流量信号として出力する。ノイズ分別手
段は、上記流量信号の一定周波数以下の成分を低周波数
成分として抽出する。

【００２０】サンプリング手段は、ノイズ分別手段が抽
出した上記低周波数成分を基準電圧として上記流量信号
のサンプリングを行う。上記ノイズ分別手段による流量
信号の低周波数成分の抽出は、例えば、上記サンプリン
グ手段がサンプリングを行うサンプリング周波数の１／
２〜１／１０以下の周波数成分を抽出することにより行
われる。

【００２１】上記ノイズ分別手段による流量信号の低周
波数成分の抽出は、あるいは、上記流量信号の上記流体
物による流体ノイズの周波数以下の周波数の成分を上記
低周波数成分として抽出することにより行われる。

【００２２】また本発明は、電磁流量計だけでなく、電
磁流量計に用いられる変換器も含む。本発明によれば、
ノイズ分別手段により流量信号内の低周波数成分が抽出
され、該低周波数成分を基準電圧としてサンプリング手
段によりサンプリングされるので、流量信号に低周波数
のノイズが含まれていても、該ノイズの動きに追従しな
がらサンプリングを行うことが出来る。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１に本実施形態に於ける電磁流
量計の基本構成を示す図である。図１の電磁流量計は、
検出器３０と変換器４０より構成されている。このうち
検出器３０は、図３の検出器１０と基本的に同じもので
あり、測定管３１内を流れる流体物に商用電源と同じ周
波数の交番磁界を印加し、測定管３１の内壁に設けられ
た電極３２、３３間に発生する電圧の変化をその流体物
の流量の変化を表す流量信号として出力する。

【００２４】変換器４０は、図３の変換器２０に対応す
るもので、検出器３０から出力される数１０μＶ〜数ｍ
Ｖ程度の微弱な信号を増幅した後、プラントで用いられ
ている商用電源によるノイズを除去するために、該商用
電源の周波数若しくは流量計の設置環境によっては該商
用電源周波数を分周したものに同期してサンプリングを
行った後に、平滑化、Ａ／Ｄ変換する。そしてその値に
基づいて不図示のマイクロプロセッサにより流量値を計
算し、出力する。

【００２５】変換器４０では、検出器３０から出力され
る微弱な流量信号をまず増幅部４１により増幅する。こ
の増幅部４１はＨＰＦとなっており、流量信号の低周波
数成分を減衰させ、高域周波数成分を増幅して出力す
る。この出力信号は、サンプリング部４２に入力されて
サンプリングされると共にノイズ分別部５０に入力され
る。

【００２６】なお、検出器３０の電極は必ずしも１対と
は限らず、複数対ある構成の場合もある。この場合に
は、変換器４０は、電極の各対毎に増幅部４１を設け、
これらの出力を加算器により加算したものを出力信号と
してサンプリング部４０及びノイズ分別部５０に入力す
る構成となる。

【００２７】ノイズ分別部５０は、オペアンプ５１、抵
抗Ｒ５２、５３及びキャパシタＣ５４より構成されるＬ
ＰＦ（ローパスフィルタ）回路である。流量信号に含ま
れている流体ノイズは、６Ｈｚ前後と電磁流量計が同期
させている商用電源に比べて十分に低い周波数である。
よって、流量信号をＬＰＦであるノイズ分別部５０に通
すと、含まれている低周波の流体ノイズのみを抽出する
ことが出来る。

【００２８】このＬＰＦであるノイズ分別部５０は、フ
ィルタのカットオフ周波数が流量信号の周波数に近いと
流量信号の信号レベルを落とすことになる。また、流体
ノイズは、その周波数ｆに対して強さが１／ｆの特性を
持つため、低い周波域にほどその影響は大きくなる。よ
って抵抗Ｒ５３とキャパシタＣ５４の値で決定されるフ
ィルタの時定数は、余り過大に取る必要はなく、流量信
号の周波数よりある程度大きな値、すなわち流量信号の
時定数の２〜１０倍程度とする。これによりノイズ分別
部５０によって抽出される周波数成分は、流量信号の周
波数、すなわちプラントで用いられる商用電源の周波数
若しくは後述する同期サンプル部４２でのサンプリング
周波数の１／２〜１／１０以下のものとなる。

【００２９】なおこの図１のノイズ分別部５０の回路構
成は一例であり、本実施形態でのノイズ分別部５０の構
成はこれのみに限るものではなく、上記周波数域の成分
を抽出することが出来るＬＰＦであれば、他の構成でも
かまわない。

【００３０】このノイズ分別部５０によって抽出された
流量信号の低周波数成分は、同期サンプル部４２に入力
される。同期サンプル部４２は、プラント内で用いられ
ている商用電源によるノイズを除去するため、検出部３
０から出力される流量信号を商用電流の周波数、若しく
はこの電磁流量計の設置環境によりそれを１／Ｎ（Ｎ＝
２、３．．）に分周した周波数に同期して流量信号のサ
ンプリングを行う。

【００３１】この同期サンプリング部４２は、サンプル
信号に同期して出力を切り替えるサンプル部４５、４６
と該サンプル部４５と４６との出力の差を増幅して出力
する差動回路４７により構成されている。

【００３２】このうちサンプル部４５、４６は入力サン
プル信号に同期して出力を切り替えるスイッチで、サン
プル信号がＯＮの時は入力信号に基づいた出力信号を、
ＯＦＦの時は０Ｖを出力する。このサンプル部４５、４
６には入力信号として増幅部４１からの流量信号とノイ
ズ分別部５０により抽出された流量信号の低周波数成分
が入力され、サンプル信号がＯＮの時には、該低周波数
成分を基準電圧とした流量信号、すなわち流量信号から
低周波数成分を差し引いたものを出力信号として出力さ
れる。

【００３３】また差動回路４７は、入力信号を差動増幅
するもので、２つの入力のうち＋側に入力された信号と
−側に入力された信号との差、すなわち＋側の信号に−
側の信号を反転して重ね合わせた信号を出力する。

【００３４】流量信号がプラスの時サンプル部４５によ
り、流量信号がマイナスの時サンプル部４６によりサン
プリングが行われるように、１／２周期位相のずれたサ
ンプリング信号をそれぞれに与えると、同期サンプル部
４２からは、流量信号の低周波数成分が除去されたもの
に対してサンプリングされたものが出力される。

【００３５】この様に同期サンプル部４２では、低周波
数の流体ノイズ分によるうねりに追従しながら同期サン
プリングが行われる。そしてこの同期サンプル部４２か
らの出力信号は、後段の平滑回路４８により平滑化され
た後Ａ／Ｄ変換部４９によりデジタル値化され、その値
に基づいて不図示のマイクロプロセッサにより流量値が
計算され、出力される。

【００３６】この様に本実施形態の電磁流量計では、流
体ノイズ等による低周波数成分だけを抽出し、これを同
期サンプリングのための基準値として用いることによ
り、流体ノイズによるうねりが同相分として差動回路４
７への入力となる。よって、差動回路４７の出力からは
流体ノイズによる大きな直流成分が除去される。これに
より、差動回路４７の出力が大きな直流成分により飽和
することが無くなり、よって、次段の平滑化部出力値も
安定する。

【００３７】図２は、流体ノイズを含んだ流量信号に対
する図１の電磁流量計の各位置での応答波形を示す図で
ある。尚図２中の各信号に付されているａ〜ｈの記号は
図１内に記載されている同一記号の位置での信号である
ことを示している。

【００３８】図２に於て、流量信号ａ３は検出器３０か
らの出力を増幅部４１により低周波数成分を減衰させ、
高域周波数成分を増幅したものであるが、図２の様に、
増幅部４１を通過させた後でも流体ノイズの影響を完全
に除去できてはおらず、流量信号ａ３は電磁流量計が同
期している商用電源の周期Ｔより大きな周期（低い周波
数）でうねりが発生している。

【００３９】この量流信号ａ３がプラスの時にサンプリ
ングを行うサンプル部４５には、図２のサンプル信号ｂ
３が、マイナスの時の信号にサンプリングするサンプル
部４６にはサンプル信号ｃ３がそれぞれ供給される。こ
のサンプル信号ｂ３、ｃ３は、周期Ｔの方形パルス信号
で、流量信号ａ３がプラスになる時にサンプル部４５
が、マイナスになる時にサンプル部４６がサンプリング
を行う様それぞれＴ／２周期ずれてＯＮとなる。

【００４０】ｆはノイズ分別部５０の出力で、増幅部４
１から入力される流量信号ａ３より流体ノイズ等の低周
波成分のみが抽出され出力されたものである。サンプル
部４５、４６ではこのノイズ分別部５０の出力ｆをサン
プリングの基準電圧とし、サンプル信号ｂ３、ｃ３がＯ
Ｎの時はこの信号ｆを基準値として流量信号ａ３に対し
てサンプリングを行ったもの、すなわち流量信号ａ３か
らノイズ分別部５０からの出力ｆを引いたものが出力さ
れ、またサンプル信号ｂ３、ｃ３がＯＦＦの時は０Ｖが
出力される。

【００４１】ｇ、ｈは差動回路４７の入力信号で、信号
ｇは差動回路４７の＋側の入力信号（サンプル部４５の
出力信号）、信号ｈは差動回路４７の−側の入力信号
（サンプル部４６の出力信号）である。信号ｇ、ｈを見
ると判るように、サンプル部４５、４６で信号ｆを基準
値としてサンプリングを行ったため、これらには流体ノ
イズによる低周波のうねりが除去されている。

【００４２】この信号ｇ、ｈ入力信号として差動回路４
７により差動増幅を行ったものが、差動回路４７の出力
ｄ３である。この出力ｄ３は、図２に示す様な一定の振
幅値を持つ方形波として得られ、これは平滑化部４８に
より容易に平滑化することが出来る。

【００４３】ｅ３はこの平滑化部４８により平滑化され
た平滑化部４８の出力信号を示すものである。本実施形
態の電磁流量計では、流量信号に流体ノイズによる低周
波数成分が含まれていても図２のｅ３の様な流体ノイズ
による大きな直流成分が除去されたフラット直流成分が
得られ、これをＡ／Ｄ変換部４９によりデジタル化した
データを用いて不図示のマイクロプロセッサにより流量
値を計算することにより正確な流量値を求めることが出
来る。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、流体ノイズが流量信号
に含まれる場合に於ても、低周波数の流体ノイズ分の動
きに追従しながらサンプリングが行われるので、流体ノ
イズによる影響を除去することが出来、精度の良い流量
の測定が可能となる。

【００４５】また流体ノイズによる大きな直流成分が無
くなるので、これにより変換器が飽和することが無くな
り、またその出力値も安定する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態での電磁流量計の基本構成を示す図
である。

【図２】本実施形態での電磁流量計内の各位置での、流
体ノイズを含んだ流量信号に対する各応答波形を示す図
である。

【図３】電磁流量計の基本構成を示す図である。

【図４】流量信号にノイズが加わっていない理想時を想
定した場合の電磁流量計内の応答波形を示す図である。

【図５】流体ノイズが加わった場合の電磁流量計内の信
号波形の例を示す図である。

【符号の説明】

１０、３０ 検出器 １１、３１ 測定管 １２、１３、３２、３３ 電極 ２０、４０ 変換部 ２１、４１ 増幅器 ２２、４２ 同期サンプル部 ２３、４８ 平滑化部 ２４、４９ Ａ／Ｄ変換部 ２５、２６、４５、４６ サンプル部 ２７、４７ 差動回路 ５０ ノイズ分別部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定管内で交番磁界を発生させ、該測定
   管内に設けられた少なくとも１対の電極間の電位差の変
   化を流量信号として出力する検出手段と、 前記流量信号の一定周波数以下の成分を低周波数成分と
   して抽出するノイズ分別手段と、 前記低周波数成分を基準電圧として前記流量信号のサン
   プリングを行うサンプリング手段とを備えることを特徴
   とする電磁流量計。
2. 【請求項２】 前記ノイズ分別手段は、前記流量信号
   の、前記サンプリング手段がサンプリングを行うサンプ
   リング周波数の１／２〜１／１０以下の周波数成分を前
   記低周波数成分として抽出することを特徴とする請求項
   １記載の電磁流量計。
3. 【請求項３】 前記ノイズ分別手段は、前記流量信号
   の、前記流体物による流体ノイズの周波数以下の周波数
   の成分を前記低周波数成分として抽出することを特徴と
   する請求項１記載の電磁流量計。
4. 【請求項４】 入力された流量信号のサンプリングを行
   う、電磁流量計で用いられる変換器であって、 前記流量信号の一定周波数以下の成分を低周波数成分と
   して抽出するノイズ分別手段と、 前記低周波数成分を基準電圧として前記流量信号のサン
   プリングを行うサンプリング手段とを備えることを特徴
   とする電磁流量計の変換器。