JPH1183574A - 電磁流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 周囲温度が変化した場合でも、計測誤差を少
なくする。 【解決手段】 検出器１０から検出された検出信号の高
周波成分を減衰させるローパスフィルタ２を設けて、励
磁信号９Ｃの後縁付近に設けられたサンプリング期間に
おける交流流量信号１２を平滑化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁流量計に関
し、特に矩形波の交流励磁電流により管内の流体に磁界
を印加し、電極から得られた流体の信号起電力に混入す
るパルス状ノイズや低周波ノイズをハイパスフィルタで
除去した後に信号処理することにより計測流量を得る電
磁流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、この種の電磁流量計では、図５
に示すような構成となっている。同図において、１０は
所定の交流励磁電流に基づいて管内の流体に磁界を印加
し、流体に発生した信号起電力を検出信号として検出出
力する検出器、１１は検出器１０に対して所定の交流励
磁電流を出力するとともに、検出器１０からの検出信号
を信号処理することにより管内の流量を算出出力する変
換器である。

【０００３】励磁部８は、スイッチング部９からの励磁
信号９Ａに基づいて矩形波からなる所定周波数の交流励
磁電流を出力する。検出器１０の励磁コイル１０Ｄは、
変換器１１からの交流励磁電流により励磁されて、管１
０Ｃ内を流れる流体に対して所定の磁界を印加し、これ
により流体の流速に応じた振幅を有する信号起電力が発
生する。この信号起電力は、管１０Ｃの内壁であって対
向する位置に設けられた電極１０Ａ，１０Ｂにより検出
され、検出信号として変換器１１に出力される。

【０００４】変換器１１では、ハイパスフィルタ（以
下、ＨＰＦという）１において、検出器１０から得られ
た検出信号のうち低周波数成分を減衰させることによ
り、この検出信号に混入するパルス状ノイズや低周波ノ
イズを除去する。続いて、ＡＣ増幅部３において、ＨＰ
Ｆ１からの出力を交流増幅し交流流量信号１２として出
力する。

【０００５】サンプルホールド部４では、スイッチング
部９からのサンプリング信号９Ａ，９Ｂに基づいて、Ａ
Ｃ増幅部３からの交流流量信号１２をサンプリングし直
流流量信号１３として出力する。演算処理部６は、Ａ−
Ｄ変換部５を介してサンプルホールド部４からの直流流
量信号１３をディジタル情報として取り込み、所定の演
算処理を実行することにより所望の計測流量値を算出
し、出力部７で所定の信号に変換して出力する。

【０００６】図６は、従来のサンプリング動作を示すタ
イミングチャートであり、９Ｃはスイッチング部９から
の励磁信号、１２はサンプルホールド部４へ入力される
交流流量信号である。また、９Ａ，９Ｂはスイッチング
部９からサンプルホールド部４へ入力されるサンプリン
グ信号であり、交流流量信号１２のサンプリング期間
（斜線部）を規定している。

【０００７】この場合、サンプリング期間は、その波形
安定性から励磁信号９Ｃ（交流流量信号１２）の各パル
スの後縁付近に設けられており、サンプルホールド部４
では、このサンプリング期間だけスイッチ４Ａ，４Ｂを
それぞれ短絡して交流流量信号１２を積分し、直流流量
信号１３として出力する。なお、交流流量信号１２が正
側の場合には、サンプリング信号９Ａに基づいてスイッ
チ４Ａのみが短絡され、交流流量信号１２が負側の場合
には、サンプリング信号９Ｂに基づいてスイッチ４Ｂの
みが短絡される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の電磁流量計では、検出器１０からサンプルホ
ールド部４までの間、例えばＨＰＦ１やＡＣ増幅部３に
おいて、検出信号に直列にコンデンサ１Ａ，１Ｂ，３Ａ
を配置して、この検出信号に混入するパルス状ノイズや
低周波ノイズを除去し、あるいは直流成分をカットする
ものとなっているため、周囲温度の変化に応じてこれら
コンデンサの容量が変化した場合、サンプルホールド部
４に入力される交流流量信号１２の波形が変化し、これ
に起因して演算処理部６で算出される計測流量値のズ
レ、いわゆるスパンシフトが発生するという問題点があ
った。

【０００９】図７は交流流量信号とコンデンサ容量との
関係を示す説明図であり、交流流量信号１２の１パルス
（正側）を拡大したものである。同図において、交流流
量信号７１，７２は同一の流量を示す交流流量信号、差
分７３はサンプリング期間における交流流量信号７１，
７２の積分値の差分を示している。特に、交流流量信号
７１は、常温時に比較して、各コンデンサの容量が約１
０％増大した場合を示し、また交流流量信号７２は、常
温時に比較して、各コンデンサの容量が約１０％減少し
た場合を示している。

【００１０】したがって、交流流量信号７１は周囲温度
が比較的高い場合の交流流量信号、交流流量信号７２は
周囲温度が比較的低い場合の交流流量信号と見なすこと
ができる。なお、交流流量信号７１，７２が得られた温
度、すなわちコンデンサの容量が１０％増減する周囲温
度とは、電磁流量計の動作周囲温度の上限および下限に
近い温度に匹敵する。

【００１１】サンプルホールド部４では、サンプリング
信号９Ａ，９Ｂ（図５参照）が示すサンプリング期間Ｔ
０〜Ｔ１において、これら交流流量信号７１，７２を積
分して直流流量信号１３を出力する。したがって、コン
デンサ１Ａ，１Ｂ，３Ａなど検出信号と直列に配置され
た容量素子の容量が温度により変化し、交流流量信号７
１，７２の傾きが変化すると、サンプリング期間におけ
る交流流量信号７１，７２の積分値も大きく変化し、差
分７３が生じる。

【００１２】これにより、その差分７３が直流流量信号
１３のシフト分として出力されてしまい、結果として演
算処理部６で算出される計測流量値にスパンシフトが発
生し、計測誤差が増大する原因となっていた。本発明は
このような課題を解決するためのものであり、周囲温度
が変化した場合でも、計測誤差の少ない電磁流量計を提
供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による電磁流量計は、検出信号の高周
波成分を減衰させてサンプリング期間内の交流流量信号
を平滑化する低域通過フィルタ手段を備えるものであ
る。したがって、流体に生じた信号起電力を含む検出信
号のうち高周波成分が減衰し、サンプリング期間内の交
流流量信号が平滑化される。

【００１４】また、低域通過フィルタ手段は、交流励磁
電流の励磁周波数の３〜７倍の周波数のいずれかをカッ
トオフ周波数として有するものである。したがって、励
磁周波数の３〜７倍の周波数から高い周波数が減衰され
る。また、低域通過フィルタ手段は、ベッセル型のロー
パスフィルタからなるものである。したがって、矩形は
信号のサンプリング期間における歪みが抑止される。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照
して説明する。図１は本発明の一実施の形態である電磁
流量計のブロック図であり、同図において、前述の説明
（図５参照）と同じまたは同等部分には、同一符号を付
してある。図１において、１０は所定の交流励磁電流に
基づいて管内の流体に磁界を印加し、流体に発生した信
号起電力を検出信号として検出出力する検出器、１１は
検出器１０に対して所定の交流励磁電流を出力するとと
もに、検出器１０からの検出信号を信号処理することに
より管内の流量を算出出力する変換器である。

【００１６】検出器１０において、電極１０Ａ，１０Ｂ
は被測定流体が流れる管１０Ｃの内壁に対向して配置さ
れ、流体に発生した信号起電力を検出する電極、励磁コ
イル１０Ｄは変換器１１からの交流励磁電流に基づいて
励磁され、管１０Ｃ内の流体に磁界を印加する励磁コイ
ルである。変換器１１において、スイッチング部９は、
所定クロックに基づいて後述するサンプリング信号９
Ａ，９Ｂおよび励磁信号９Ｃを生成出力する回路部、励
磁部８はスイッチング部９からの励磁信号に基づいて矩
形波からなる所定周波数の交流励磁電流を出力する回路
部である。

【００１７】ハイパスフィルタ（以下、ＨＰＦという）
１は、検出器１０の電極１０Ａ，１０Ｂから得られた検
出信号のうち、低周波数成分を減衰させることにより、
この検出信号に混入するパルス状ノイズや低周波ノイズ
を除去する回路部、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと
いう：低域通過フィルタ手段）２は、ＨＰＦ１からの検
出信号のうち、高周波成分を減衰させることにより、周
囲温度変化に起因して発生するサンプリング期間での交
流流量信号の変化を低減する回路部、ＡＣ増幅部３は、
ＬＰＦ２からの検出信号を交流増幅し、流体流速に応じ
て振幅が変化する交流流量信号１２として出力する回路
部である。

【００１８】サンプルホールド部４は、スイッチング部
９からのサンプリング信号９Ａ，９Ｂに基づいて、ＡＣ
増幅部３からの交流流量信号１２をサンプリングし、流
体流速に応じて直流電位が変化する直流流量信号１３と
して出力する回路部、Ａ−Ｄ変換部５はサンプルホール
ド部４からの直流流量信号１３をディジタル情報に変換
する回路部、演算処理部６はＡ−Ｄ変換部５からのディ
ジタル情報に対して所定の演算処理を実行することによ
り所望の流量を算出する回路部、出力部７は演算処理部
６で算出された流量を所定の信号に変換して出力する回
路部である。

【００１９】次に、図１および図２を参照して、本発明
の動作について説明する。図２は本発明のサンプリング
動作を示すタイミングチャートである。スイッチング部
９からの励磁信号９Ａ（図２参照）に基づいて、矩形波
からなる所定周波数の交流励磁電流が変換器１１の励磁
部８から出力され、検出器１０の励磁コイル１０Ｄが励
磁される。これにより、励磁コイル１０Ｄが励磁され
て、管１０Ｃ内を流れる流体に対して所定の磁界が印加
され、流体の流速に応じた振幅を有する信号起電力が発
生する。

【００２０】この信号起電力は、管１０Ｃの内壁であっ
て対向する位置に設けられた電極１０Ａ，１０Ｂにより
検出され、検出信号として変換器１１に出力される。変
換器１１のＨＰＦ１では、検出器１０から得られた検出
信号のうち低周波数成分が減衰されて、この検出信号に
混入するパルス状ノイズや低周波ノイズが除去される。

【００２１】続いて、ＬＰＦ２では、ＨＰＦ１からの検
出信号のうち、高周波成分が減衰されて、周囲温度変化
に起因して発生するサンプリング期間での交流流量信号
の変化が低減される。その後、ＡＣ増幅部３において、
ＬＰＦ２からの出力が交流増幅され交流流量信号１２
（図２参照）として出力される。この場合、交流流量信
号１２は、前述の説明（図６参照）と比較して、ＬＰＦ
２により、その波形が立ち上がり部分で緩やかになると
ともに、サンプリング期間（斜線部）でほぼ平坦になっ
ている。

【００２２】サンプルホールド部４では、スイッチング
部９からのサンプリング信号９Ａ，９Ｂが示すサンプリ
ング期間Ｔ０〜Ｔ１において、ＡＣ増幅部３からの交流
流量信号１２がサンプリングされ直流流量信号１３とし
て出力される。演算処理部６では、サンプルホールド部
４からの直流流量信号１３がＡ−Ｄ変換部５を介してデ
ィジタル情報として取り込まれ、所定の演算処理を実行
することにより、流体流速から所望の計測流量値を算出
し、出力部７で所定の信号に変換して出力する。

【００２３】なお、サンプリング期間は、その波形安定
性から交流流量信号１２の各パルスの後縁付近に設けら
れており、サンプルホールド部４では、このサンプリン
グ期間だけスイッチ４Ａ，４Ｂをそれぞれ短絡して交流
流量信号１２を積分し、直流流量信号１３として出力す
る。また、交流流量信号１２が正側の場合には、サンプ
リング信号９Ａに基づいてスイッチ４Ａのみが短絡さ
れ、交流流量信号１２が負側の場合には、サンプリング
信号９Ｂに基づいてスイッチ４Ｂのみが短絡される。

【００２４】図３は本発明による交流流量信号とコンデ
ンサ容量との関係を示す説明図であり、交流流量信号１
２の１パルス（正側）を拡大したものである。同図にお
いて、交流流量信号３１，３２は同一の流量を示す交流
流量信号、差分３３，３４はサンプリング期間における
交流流量信号３１，３２の積分値の差分を示している。
特に、交流流量信号３１は、常温時に比較して、各コン
デンサの容量が約１０％増大した場合を示し、また交流
流量信号３２は、常温時に比較して、各コンデンサの容
量が約１０％減少した場合を示している。

【００２５】したがって、前述の図７と同様に、交流流
量信号３１は周囲温度が比較的高い場合の交流流量信
号、交流流量信号３２は周囲温度が比較的低い場合の交
流流量信号と見なすことができる。なお、交流流量信号
３１，３２が得られた温度、すなわちコンデンサの容量
が１０％増減する周囲温度とは、電磁流量計の動作周囲
温度の上限および下限に近い温度に匹敵する。

【００２６】サンプルホールド部４では、サンプリング
信号９Ａ，９Ｂ（図２参照）が示すサンプリング期間Ｔ
０〜Ｔ１において、これら交流流量信号３１，３２を積
分して直流流量信号１３を出力する。ここで、交流流量
信号３１，３２を比較してみると、サンプリング期間Ｔ
０〜Ｔ１では平坦化され、あるいは波形変化により発生
した差分３３，３４が打ち消されて、両交流流量信号３
１，３２の積分値がほぼ等しくなっている。

【００２７】さらに、従来の交流流量信号７１，７２と
比較して、その積分値の差分が明らかに減少しているこ
とがわかる。したがって、ＬＰＦ２の時定数を選択する
ことにより、周囲温度が低温の場合であって各コンデン
サの容量が常温時に比較して減少した場合と、周囲温度
が高温の場合であって各コンデンサの容量が常温時に比
較して増大した場合とで、サンプリング期間における交
流流量信号の積分値の変化を抑制できる。

【００２８】発明者の実験によれば、各コンデンサの容
量が−１０％から＋１０％に変化する場合、従来の構成
（図５参照）では、積分値として０．６％の変化が認め
られたが、本発明の構成（図１参照）によれば、積分値
として０．０７％の変化まで抑制できることが確認され
た。

【００２９】このように、検出器１０から検出された検
出信号の高周波成分を減衰させるローパスフィルタ２を
設けて、励磁信号９Ｃの後縁付近に設けられたサンプリ
ング期間における交流流量信号１２を平滑化するように
したので、検出信号に直列に配置された各容量成分、す
なわちコンデンサ１Ａ，１Ｂやコンデンサ３Ａの容量が
周囲温度に応じて変化した場合でも、サンプリング期間
における交流流量信号１２の積分値の変化を抑制でき
る。

【００３０】また、ローパスフィルタ２をＡＣ増幅部３
より前段に設けたので、比較的周波数の高いノイズ、例
えば電極１０Ａ，１０Ｂへの固形物の衝突などに起因し
て発生するパルス状のノイズをＡＣ増幅部３の前段で減
衰させることができ、比較的増幅ゲインの高いＡＣ増幅
部３への過大入力を阻止することがで、安定した計測を
実現できる。

【００３１】なお、ローパスフィルタ２のカットオフ周
波数は、励磁信号９Ｃの周波数すなわち励磁周波数ｆex
の３〜７倍の範囲から選択すればよい。カットオフ周波
数が高い場合には、ローパスフィルタ２により、交流流
量信号１２の波形前縁部分のなまりが比較的大きくなる
が波形後端部分のサンプリング期間での落ち込みがなく
なる。一方、カットオフ周波数が低い場合には、ローパ
スフィルタ２により、交流流量信号１２の波形前縁部分
のなまりが比較的小さくなるが波形後端部分のサンプリ
ング期間での落ち込みが生じてくる。

【００３２】発明者の実験によれば、ローパスフィルタ
２のカットオフ周波数を、励磁周波数ｆexの３倍にした
場合、交流流量信号３１，３２（図３参照）のサンプリ
ング期間における積分値の変化は０．３５％であり、ま
た、ローパスフィルタ２のカットオフ周波数を、励磁周
波数ｆexの７倍にした場合には０．５％であった。した
がって、この積分値の変化幅は、電磁流量計に要求され
る計測精度０．５〜１％を十分満たすものであり、ロー
パスフィルタ２のカットオフ周波数は、励磁信号９Ｃの
周波数すなわち励磁周波数ｆexの３〜７倍の範囲から選
択すればよいことが確認された。

【００３３】なお、ＬＰＦ２は、演算増幅器（オペアン
プ）を用いたアクティブフィルタでもよく、またデータ
演算処理によりフィルタを実現するディジタルフィルタ
でもよい。図４はアクティブフィルタによるＬＰＦの構
成例を示す説明図である。

【００３４】図４（ａ）は、一般的な２次のＬＰＦの構
成例であり、この場合には、入力信号ＩＮが抵抗Ｒ１を
介して演算増幅器Ａ１の非反転入力（＋）に入力されて
いるとともに、演算増幅器Ａ１の出力が反転入力（−）
に直接フィードバックされている。さらに、抵抗Ｒ１の
両端と接地電位との間にそれぞれコンデンサＣ１，Ｃ２
が接続されている。

【００３５】また図４（ｂ）は、ベッセル型のＬＰＦの
構成例であり、この場合には、入力信号ＩＮが直列接続
の抵抗Ｒ２，Ｒ３を介して演算増幅器Ａ２の非反転入力
（＋）に入力されているとともに、演算増幅器Ａ２の出
力が反転入力（−）に直接フィードバックされている。
さらに、抵抗Ｒ２，Ｒ３の接続点と接地電位との間にコ
ンデンサＣ３が接続され、抵抗Ｒ２，Ｒ３の接続点と演
算増幅器Ａ２の出力との間にコンデンサＣ４が接続され
ている。

【００３６】このように、ＬＰＦ２として、通過帯域内
において遅延時間（入力信号の周波数変化に対する位相
角の変化の割合）の周波数特性が平坦になるように考慮
されたベッセル特性を有するＬＰＦ、すなわち通過帯域
内での位相遅れが周波数に比例するベッセル型のＬＰＦ
を用いることにより、フィルタ次数を上げても、バター
ワース型やチェビシェフ型と比較して、得られた交流流
量信号のサンプリング期間におけるオーバーシュートや
その後のリンギングなどの歪みが発生せず、矩形波の交
流励磁電流で励磁する場合に精度良く検出できる。

【００３７】また図４（ｃ）は、ＡＣ増幅部３で１次の
ＬＰＦを実現したものであり、この場合には、入力信号
ＩＮが直流成分をカットするＣ５および抵抗Ｒ４を介し
て、演算増幅器Ａ３の非反転入力（＋）に入力されてい
る。

【００３８】さらに、演算増幅器Ａ３の出力と接地との
間に接続された直列接続の抵抗Ｒ５，Ｒ６の接続点か
ら、反転入力（−）にフィードバックされているととも
に、演算増幅器Ａ３の非反転入力（＋）と接地電位との
間にＬＰＦ用のコンデンサＣ６が接続されている。この
ように、ＡＣ増幅部３でＬＰＦを構成することにより、
追加回路部品を削減することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、矩形波
の交流励磁電流により管内の流体に磁界を印加し、その
流体に生じた信号起電力を検出信号として検出し、これ
を増幅して得た交流流量信号を所定サンプリング期間だ
け積分してサンプリングし、得られた直流流量信号をデ
ィジタル情報に変換して計測流量を算出する電磁流量計
において、検出信号の高周波成分を減衰させてサンプリ
ング期間内の交流流量信号を平滑化する低域通過フィル
タ手段を備えるものである。したがって、流体に生じた
信号起電力を含む検出信号のうち高周波成分が減衰し、
サンプリング期間内の交流流量信号が平滑化されるもの
となり、周囲温度が変化し検出信号に対して直列に挿入
されている各コンデンサの容量が変化した場合でも、サ
ンプリング期間における交流流量信号の積分値の変化が
抑制され、この積分値に基づいて算出される計測流量値
のスパンシフトが低減されて、誤差の少ない流量が得ら
れる。

【００４０】また、低域通過フィルタ手段のカットオフ
周波数を、交流励磁電流の励磁周波数の３〜７倍の周波
数から選択するようにしたので、サンプリング期間にお
ける交流流量信号の積分値の変化がさらに抑制され、誤
差の少ない流量が安定して得られる。また、低域通過フ
ィルタ手段を、ベッセル型のローパスフィルタから構成
したので、低域通過フィルタ手段での信号成分のオーバ
ーシュートやリンギングが生じなくなり、矩形波の交流
励磁電流を用いて励磁する場合に、流体から検出した検
出信号と矩形波の交流励磁電流に同期して設けられてい
るサンプリング期間において信号成分の歪みが発生せ
ず、精度良く流量を計測できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態による電磁流量計のブ
ロック図である。

【図２】 本発明のサンプリング動作を示すタイミング
チャートである。

【図３】 本発明によるコンデンサ容量の変化による交
流流量信号の変化を示す説明図である。

【図４】 ＬＰＦの構成例を示す説明図である。

【図５】 従来の電磁流量計のブロック図である。

【図６】 従来のサンプリング動作を示すタイミングチ
ャートである。

【図７】 交流流量信号とコンデンサ容量との関係を示
す説明図である。

【符号の説明】

１…ハイパスフィルタ、２…ローパスフィルタ（低域通
過フィルタ手段）、３…ＡＣ増幅部（交流増幅部）、４
…サンプルホールド部、５…Ａ−Ｄ変換部、６…演算処
理部、７…出力部、８…励磁部、９…スイッチング部、
９Ａ，９Ｂ…サンプリング信号、９Ｃ…励磁信号、１０
…検出器、１０Ａ，１０Ｂ…電極、１０Ｃ…管、１０Ｄ
…励磁コイル、１１…変換器、１２…交流流量信号、１
３…直流流量信号。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 矩形波の交流励磁電流により管内の流体
   に磁界を印加し、その流体に生じた信号起電力を検出信
   号として検出し、これを増幅して得た交流流量信号を所
   定サンプリング期間だけ積分してサンプリングし、得ら
   れた直流流量信号をディジタル情報に変換して計測流量
   を算出する電磁流量計において、 検出信号の高周波成分を減衰させてサンプリング期間内
   の交流流量信号を平滑化する低域通過フィルタ手段を備
   えることを特徴とする電磁流量計。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電磁流量計において、 低域通過フィルタ手段は、 交流励磁電流の励磁周波数の３〜７倍の周波数のいずれ
   かをカットオフ周波数として有することを特徴とする電
   磁流量計。
3. 【請求項３】 請求項１記載の電磁流量計において、 低域通過フィルタ手段は、 ベッセル型のローパスフィルタからなることを特徴とす
   る電磁流量計。