JPS5828620A - 電磁流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電磁流量針の励振方式と信号処理方式に関し
、雑音の除去を図ったものである。

電磁流量針の電極から得られる流量比例の信号電圧には
、次の各種雑音が重畳する。

（１）　　励磁の磁束密度が時間的に変化することによ
シ発生する磁束変化雑音。

（２）電極と流体間で電気化学的に発生する電気化学的
雑音。

（３）　　商用電源に起因する商用周波数雑音。

そこで、しれもの雑音の除去が種々検討されている０例
えに、矩形波励振なとの低周波励振による商用周波数雑
音の除去、矩形波励振のツ゛イクルを長くして磁束変化
雑音の減衰を待つ雑音回避手段、電気化学的雑音を補償
によシ除去する手段がある。しかし、このような手段で
は全雑音の完全除去は困難であり、また一部の雑音を除
去できたとしても出力応答特性が悪化する等の欠点があ
る。

本発明は各種雑音を十分に除去でき且つ出力応答特性も
良い電磁流量計を提供するととを目的とする。そのため
本発明では励振方式と信号処理方式を改良し、サンプリ
ング値の演算により雑音を除去する。つまシ、本発明の
電磁流量計は、１サイクルに励磁期間と休止期間を含ん
で励磁コイルに励磁電流を与える励振手段と、上記励磁
期間及び休止期間の夫々で少外くとも１回電極からの信
゛号をサンプリングするサンプリング手段と、そのサン
プリング値を記憶する記憶手段と、その記憶したサンプ
リング値を用いて信号処理を行う演算子・段とを備え、
上記サンプリングは商用電源周波数に同期して行い、上
記信号処理は１サイクル内のサンプリングの数を項数と
してこの項数に対応する多元の一次方程式を設定し、こ
゛の多元−次方程式の６元ごとにサンプリング値に係数
を掛けて代入し、各係数を磁束変化雑音、電気化学的雑
音及び商用周波数雑音が零となる値に設定して上記多元
−次方程式の解を求めたことを特徴とする。

以下、図面に基づいて本発明を説明する。

今、第１図（ａ）に示す励磁電流が励磁コイルに流れ、
同図缶）に示すタイミングｊ１４　　ｔ、　ｌ　　ｔｍ
　ｔａ４で電極からの信号をサンプリングしたとする。

つ４Ｂ、正・負等振幅且つ等時間幅の励磁期間の次に休
止期間が続くという励磁電流が流れ、サンプリングは正
・負の各励磁期間で１回、休止期間で２回行われる。但
し、サンプリング間隔はｔｌｓｊｌ及びｔ、が各電流変
化時点ａ、ｂ、ｃｏｔ　　後でｔ、が０点の２−　ｔ、
後という如く等間隔であシ、更にサンプリングが商用電
源周波数に同期しているものとするりそこで、各タイミ
ングｔ、　ｊ　　ｔａ　ｊ　　ｔａ、ｔａに対応するサ
ンプリング値ｖ３．η、　Ｖ、　、ｖ４にはそれぞれ第
１図（ｅ）〜（ｆ）に示す波形中の斜線部分が含まれる
。（Ｃ）の波形は流量比例信号であシ、励磁電流波形に
相似でｔｌでは’ＶＯｗｔ！では−ｖ６　ｅ　ｉｌとｔ
ａでは０の電圧がテンプリングされる。（ｄ）の波形は
磁束変化雑音であシ、ｔｌとｔｌでは半波励振ににより
励磁電流が０→＋、−→０と同量変化しているため共に
Ｂの電圧がサンプリングされ、１、では全波励振により
励磁電流が＋→−と２倍変化するため一２Ｂの電圧がサ
ンプリングされ、ｔ、では電流変化後に十分時間が九っ
ているため０の電圧がサンプリングされる。（ｅ）の波
形は電気化学的雑音であシ、この雑音の変化率は励磁サ
イクル程度の短い期間では一定と考えられるため、１番
目のサンプリングでの電圧をＥとし、次の□サンプリン
グまでの変化をΔＥとすると１番目のサンプリングでは
Ｅ＋（ｔ−Ｌ）ΔＥの電圧となる。（ｆ）の波形は商用
周波数雑音であシ、サンシリング間隔が商用電源周期の
整数倍であると％　ｔ、〜ｔ４のいずれでも一定の電圧
Ｆがサンプリングされる。

以上をまとめると、 となる、そこで１式（１）の６値ｖ１〜ｖ４を次式（２
）の４元−次方程式に代入し、各係数人、〜入を適当な
値に設定す仝と、雑音成分が消えて流量比例信号ｖ０だ
けに関する値ｖｅが得られる。但し、ＫはＫへ０の定数
である。

Ｖｅ　＝　ＡＩＶＩ　＋　、Ａ１Ｖ１＋ＡｓＶｓ　”Ａ
４Ｖ４　　　・”、式（２）％式％） ） ） つまシ、各係数入〜Ａ４は、次式（３）の条件を満足す
る値にとれば良い。

ｖ、Ｗｚｖ、　−ｖ、−４ＶＢ＋３Ｖ４＝３ｖ＠　　−
・・式（４）が得られ、第１図（ａ）　、　（ｂ）の励
振とサンプリングの場合は、式（４）でサンプリング値
ｖ１〜ｖ４を演算することによシ磁束変化雑音、電気化
学的雑音反び商用周波数雑音の３雑音成分を除去できる
。

しかもサンプリングには磁束変化雑音が含まれてもかま
わないので出力応答特性が悪化することがない。

以上の説明は第１図（−に示した特定の励磁電流につい
ての説明であるが、これを−膜化すると式（２）に和尚
する多元の演算式は次式（５）となり、／ まえ、除去すべき雑音成分を磁束変化雑音、電気化学的
雑音反び商用周波数雑音と考えると、１番目のサンプリ
ング値Ｖｔの成分拡次の一般式（６）で表わされる。

ｖｔ＝ｓｔα１βｉｖｏ＋ｓｉα１ｒｉＢ＋Ｅ＋（１−
１）ΔＥ−１Ｆ・・・式（６） Ｓｌは極性を表わす記号であシ、１番目のサンシリング
を考えたとき、その直前の励磁電流の変化が正の場合は
流量比例信号と磁束変化雑音はともに正と表るため、Ｓ
ｌ＝＋１である。逆に直前の励磁電流の変化が負の場合
は、５ｔ＝−１である。

α１は成る励磁期間と他の励磁期間との励磁電流の比で
ある。即ち、第２図（＆）〜（ｃ）に示すように成る励
磁期間での励磁電流の大きさを１１としこのとき発生す
る流量比例信号を１６　、磁束変化雑音をＢとすると、
次の励磁期間での励磁電流の大きさが２１．であれば、
このとき発生する流量比例信号は２　ｖ６、磁束変化雑
音は２Ｂとカリ、よって最初の励磁期間の電流値を基準
にすればα１＝２となる。なお、全ての励磁期間で励磁
電流の絶対値が等しければ常にα１＝１　となる。

β１は１番のサンプリングにおける流量比例信号の有無
を表わす記号であり、励磁期間でのサンプリングであれ
ばβ１＝１．休止期間でのサンプリングであればβ１＝
０　である。

γｉは磁束変化雑音に関する記号であり、第１図（＆）
　、　（ｂ）に示した例ｔとると、サンプリフグ直前の
励磁電流の変化が０−＋、−→０と半波励振のときの磁
束変化雑音をＢとすれば、＋→−９−→＋と全波励振の
と１！は２Ｂとなるので、前者ではｒｉ＝１．後者では
ｒｉ＝２となる。また、磁束変化雑音が収れんした時点
でのサンプリングであればγ１＝０となる。

そこで、サンプリング成分の一般式（６］を演算式（５
）に代入して各成分に展開すると、次式（７）を得る。

＋ＢΣＳｔα１ｒｌＡｌ　　　　　　−・・式（７）ζ
こで、最終的に得たい出力はｖ、）に関する項だけであ
るから、係数Ａｔは次式（８）の条件を満せ式（８３社
４つの方程式から成り立っているので、磁束変化雑音、
電気化学的雑音及び商用周波数雑音の除去の場合はサン
！りング回数を１サイクルで４回即ちＢ＝４として式（
５）を４元−次方程式とし、従って式（８）ｔ−４元−
次連立方程式とすれに係数Ａ１・ｊ（１＝１．２，３．
４）が決定できる。つまシム１〜Ａ４は −１ ・・・式（９） で求められる。連立方程式（８）が解を持つ条件は行列
式Ｙ１が次式αＱの条件を満たすことである。

・・・式αＱ りまシ１式αＧの条件と、サンプルタイミングが商用電
源周波数に同期しているという条件を満たす励振方式を
採用し、且つ式（９）から係数ＡＩを求めて式（５）の
演算で信号処理を行うことによシ雑音を除去できる。

次に、上述した励振方式と信号処理方式−を実現する電
磁流量計の一実施例を第３図に基づいて説明する。第３
図において、ｌは励磁コイルで＃）シ、測定流体の流れ
方向と電極３ａ、３ｂの取付方向とに直交した低周波矩
形波状の磁界を発生する。２は測定流体を流す絶縁導管
である。４と５は電極からの信号を高インピーダンスで
受けるバッファアンプ、６は外部抵抗鴇〜鳥とから構成
される高い同相雑音除去比の差動アンプである。９は励
振制御、サンプリング制御及び信号処理の演算を行う演
算制御回路であシ、この例ではマイクロコンピュータが
使われている。差動アンプ６の出力は演算制御回路９か
らのタイミング信号１４で指令されるタイミングでＡ７
．変換器８によりデジタル信号に変換されて演算制御回
路９のメモリに読込まれる。

演算制御回路９は読込んだデジタルのサンプリング値を
用いて式（５）の演算を行い、最終出力を）を変換器１
０を介したアナログ出力１５や、あるいはそのままデジ
タル出力１３として出力する。

励磁コイルｌに対する励磁電流は、直流定電流電源１１
ａ、ｌｌｂ、１１ｃと演算制御回路９からのタイミング
信号１２で開閉されるＰＥＴなどのスイッチ素子ｓｗ□
−１５ｗ１−す、　ｓｗ、、。

ＳＷ＠−Ｂ　ｔ　８Ｗ、−、＃　５ＷＢ−ｂ、ｓ　ｓｗ
、−、とから々る励振回路１６より与えられる。各励磁
期間の電流値は直流定電流源の選択で決り、励磁期間の
長さ及びその極性と休止期間の長さ並びにこれらの組合
せはＳＷ、、とｓｗ、−ｂのスイッチ素子。

並ヒにＢＷ、−、とＳＷ、−、のスイッチ素子の開閉で
決まる。

ここで、具体的な励振方式について、第３図の電磁流量
針の動作を説明する。

第４図に示す波形の励磁電流で励振した場合は、第１図
（＆）の波形の繰返しなので、式（４）の演算で雑音を
除去できる。なお、この場合の行列式■は、 である。

第５図の例は（ａ）に示す励磁電流波形の如く正と負の
等振幅励磁期間の各間にこれらと長さの異なる休止期間
（図では２倍長）を介在させ友励振方式である。サンプ
リングのタイミングは同図（ｆ）の如く、魁と５１間及
びｔｌと１４間に対し１、とｔｓ関が２倍の時間と表っ
ている。そのため。

式（６）においてｉ＝４としたものをＶ、とみなし。

且つ１＝５としたものをＶ、とみなせば良く、第書図（
ｂ）の流量比例信号、同図（ｃ）の磁束変化雑音、同図
（（至）の電気化学的雑音及び同図（ｅ）の商用周波数
雑音の各波形からもわかるように、連立方程式（８）は
次式〇３となる。

この式ａ’ｔｒの行列式■は。

となって、第５図の励振方式並びにサンプリング方式に
おいても、式（５）の演算で各雑音成分を除去できる。

な）式ａｚを解くと、ム、＝−に、Ａ。

＝２に、λｍ”　　２に、ん＝にとなるから、Ｋ＝１と
おいて Ｖｅ＝＝　−Ｖ１＋　２　Ｖ＠−ｚｖ、＋ｖ、　＝　ｖ
、　　・−・式１式ａ４の演算をする。

第６図の例は、（ａ）に示す如く正の励磁期間の電流値
１１に対して負の励磁期間の電流値が２倍の一２Ｉで且
つ励磁期間の各間に休止期間をもつ励磁方式である。サ
ンプリング間隔は同図（ｆ）の如く等間隔としであるか
ら、連立方程式（８）は次式αりとなる。

となるから、雑音除去が可能である０式αＳを解ηＷ−
Ｖ１＋　３　Ｖ、−３Ｖ、　＋Ｖ４　＝　５マ。　・・
・式αｎを演算する。なお、第６図（ｂ）は流量比例信
号、同図（ｅ）は磁束変化雑音、同図（ｄ）は電気化学
的雑音、同図（ｅ）は商用周波数雑音の波形をそれぞれ
示す。

とζろで、以上の各列では３種の雑音成分の除去を考慮
したので、流量比例信号を含めて４つの未知数があって
４元−次連立方程式となるから４回のサンプリングが必
要である。一般には雑音の種類数プラス１回のサンプリ
ングによって、所望の雑音を除去できる。

なお、第３図の実施例は電流駆動により励磁電流を得て
いるが、電圧駆動としても良い、その場合は励磁電流を
検出し、その値で流量比例信号を除算することにより、
電流変動の影響を受けない出力を得られる。また、励磁
期間と休止期間の長さの組合せ、励磁期間の正・負ある
いは振幅の違い等は任意に設定でき、励振方式とすｙｆ
りングの関係から係数を定めれば良い。

以上説明したように１本発明によれば、磁束変化雑音、
電気化学的雑音反び商用周波数雑音を全て除去できる。

しかも磁束変化雑音の減衰を持つ必要がないので出力応
答特性が悪化し危い。

更に、励磁のサイクルに休止期間を含むので消費電力の
節減に表る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の詳細な説明するための波形
図、第３図は本発明の一実施例の回路構成図、第４〜６
脂紘その動作′ｆ：説明する波形図である。 図面中、 １は励磁コイル、 ３ａと３ｂは電極、 ８は〜を変換器、 ９は演算制御回路、 １２と１４はタイミング信号。 １６は励振回路、 ｔ１〜ｔ、はサンプリングのタイミングである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電磁流量計において、１サイクルに励磁期間と休止期間
   を含んで励磁コイルに励磁電流を与える励一手段と、上
   記励磁期間展び休止期間の夫々で少なくとも１回電極か
   らの信号をサンプリングするサンプリング手段と、その
   サンプリング値を記憶する手段と、その記憶されたサン
   プリング値を用いて信号処理を行う演算手段とを備え、
   上記サンプリングは商用電源周波数に同期して行い、上
   記信号処理はｌサイクル内のサンプリングの数を項数と
   してこの項数に対応する多元の一次方程式を設定し、こ
   の多元の一次方程式の各元ごとにサンプリング値に係数
   を掛けて代入し、各係数を磁束変化雑音、電気化学的雑
   音反びｍｅ周波数雑音が零となる値に設定して上記多元
   −次方程式の解を求め九ことを特徴とする電磁流量針。