KR102109912B1 - 전자 유량계의 여자 회로 및 전자 유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 여자 전류를 안정화시키는 정전류 회로에서 이용하는 파워 트랜지스터의 발열을 저감하는 것을 목적으로 한다.
전압 전환 회로(PSW)가, 여자 기간 중, 여자 기간 개시 시점부터 상승 시점까지의 기간에는, 여자용 고전압(VexH)을 여자 전환 회로(LSW)에 인가하고, 상승 시점부터 여자 기간 종료 시점까지의 기간에는, VexH보다 낮은 여자용 저전압(VexL)을 LSW에 인가하며, 정전류 회로(CCS)가, 전원 회로(11)로부터 PSW에 입력되는 VexL의 전류를 정전류화한다.

Description

전자 유량계의 여자 회로 및 전자 유량계{EXCITATION CIRCUIT OF ELECTROMAGNETIC FLOWMETER AND ELECTROMAGNETIC FLOWMETER}

본 발명은, 각종 프로세스계에 있어서 유체의 유량을 계측하는 전자 유량계, 및 전자 유량계의 여자(勵磁) 코일에 여자 전류를 공급하는 여자 회로에 관한 것이다.

일반적으로, 전자 유량계는, 측정관 내에 흐르는 유체의 흐름 방향에 대하여 수직 방향으로 자계를 발생시키는 여자 코일과, 측정관 내에 배치되고, 여자 코일에 의해 발생한 자계와 직교하는 방향으로 배치된 한 쌍의 검출 전극을 구비하고 있다. 이러한 전자 유량계에서는, 여자 코일에 흐르게 하는 여자 전류의 극성을 교대로 전환하면서 상기 검출 전극 사이에 발생하는 기전력을 검출함으로써, 측정관 내에 흐르는 유체의 유량을 측정하고 있다.

전자 유량계에서는, 피검출 유체의 유량을 고정밀도로 계측하는 것, 즉 계측 안정성을 향상시키는 것이 중요하다. 종래부터, 전자 유량계에서는, 계측 안정성을 향상시키기 위해 여러 가지 기술이 검토되어 왔다. 이하, 상세히 설명한다.

한 방법은, 여자 코일에 공급하는 여자 전류의 방향을 전환하는 주기를 짧게 하는, 즉 여자 주파수를 높게 하는 것이다. 이것에 의해, 상기 기전력에 기초한 유량 신호에 포함되는 1/f 노이즈를 저감하여, S/N비를 개선하는 것이 가능해진다.

일반적으로, 전자 유량계에서는, 검출 전극에 의해 검출한 기전력에 대하여, 전기 화학 노이즈, 유체 노이즈, 슬러리 노이즈 등의 여러 가지 노이즈가 중첩되어 있다. 이들 노이즈는, 저주파 대역일수록 레벨이 높은, 소위 1/f 특성을 가지고 있다. 이 때문에, 여자 주파수를 높게 하면, 기전력의 S/N비가 개선되기 때문에, 높은 정밀도로 유량치를 산출하는 것이 가능해진다.

그런데, 직사각형파로 이루어진 교류 전압을 여자 코일에 인가한 경우, 여자 코일이 갖는 자기 인덕턴스의 영향으로, 여자 전류의 상승이 완만해진다. 따라서, 여자 주파수를 높게 하면, 일방향으로 여자하는 기간에 있어서 여자 전류의 상승 기간의 비율이 커지기 때문에, 일정한 강도의 자계가 발생하고 있는 기간이 짧아진다. 그 결과, 검출 전극으로부터 검출되는 기전력에 기초한 유량 신호 중, 전압이 평탄한 정상 영역의 기간이 짧아지기 때문에, 유량 신호를 안정되게 샘플링하는 것이 어려워지고, 유량치의 계측 오차가 커진다. 따라서, 높은 여자 주파수여도 여자 전류의 상승을 빠르게 하는 것이 중요해진다.

예컨대, 특허문헌 1에는, 여자 코일에 여자 전류를 공급하는 여자 회로에 있어서, 여자 주파수를 높게 한 경우에, 여자 전류의 극성(이하, 「여자 극성」이라고 칭함)이 전환될 때의 여자 전류의 상승을 빠르게 하기 위해, 미리 전압이 상이한 2개의 전원을 준비해 두고, 여자 전류의 상승시에는 높은 쪽의 전압으로 여자하고, 정상시에는 낮은 쪽의 전압으로 여자하는 기술이 개시되어 있다.

한편, 특허문헌 2에는, 여자 극성 전환시의 여자 전류의 상승을 빠르게 하기 위해, 여자 전압을 전환하는 기술이 개시되어 있다. 도 5는 종래의 여자 회로를 나타낸 회로도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이 종래 기술은, 미리 여자용 고전압(VexH)과 여자용 저전압(VexL)의 2개의 전원을 준비해 두고, 여자 전류(Iex)가 설정 전류치에 도달했는지 여부에 따라, 이들 VexH와 VexL을 여자 전환 회로(LSW)로 전환 공급하고 있다.

구체적으로는, 여자 개시시에는, 전압 전환 회로(PSW)에 의해 VexH를 전환 공급하고, 상승 검출 회로(DET)에 의해 Iex가 설정 전류치에 도달한 것을 검출한, 상승 시점에 맞춰, PSW에 의해 VexL을 전환 공급하고 있다. 이 VexH에서 저전압(VexL)으로의 전환에 의해, LSW에 접속된, Iex를 정전류화하는 정전류 회로(CCS)의 파워 MOS-FET(Q52)에 있어서의 발열을 저감하고 있다.

일본 특허 공개 소화 제53-20956호 공보 일본 특허 공개 제2014-169871호 공보 일본 특허 제2007-298402호 공보

이러한 특허문헌 2에 기재된 종래 기술에서는, 유량 신호에 포함되는 1/f 노이즈의 저감, 나아가서는 S/N비의 개선을 목적으로, 여자 주파수를 더욱 높게 하고 싶은 경우, 여자 전류의 상승을 더욱 빠르게 할 필요가 있고, 그러기 위해서는, 여자용 고전압(VexH)을 더욱 높은 전압으로 할 필요가 있다.

그러나, VexH를 더욱 높은 전압으로 하면, 도 5의 정전류 회로(CCS)의 Q52의 드레인-소스간 전압(Vds)에도 높은 전압이 인가되게 되어, 그만큼 Q52의 발열이 증대해 버리기 때문에, 큰 방열기가 필요하게 된다고 하는 과제가 있었다. 또한, Q52의 드레인-소스간 전압(Vds)이 높아진 만큼, Q52를 Vds의 정격 전압이 높은 부품으로 변경해야만 한다는 과제도 있었다.

도 6은 종래 기술의 여자 회로의 동작을 나타낸 신호 파형도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 시각 T1부터 시각 T4까지가 정극성의 여자 기간(TP)이고, 시각 T4부터 다음 시각 T1까지가 부극성의 여자 기간(TN)이다. 이들 TP 및 TN의 선두에 있어서, 고전압(VexH)에서 여자용 저전압(VexL)으로 전환된다. 예컨대, 시각 T1부터의 TP에서는, 여자용 시각 T1부터 시각 T3까지가 고전압 여자 기간이고, 시각 T3부터 시각 T4까지가 저전압 여자 기간이다.

시각 T1에 극성 전환 신호(EXD1, EXD2)가 전환되어, 여자 전류(Iex)의 극성이 부방향에서 정방향으로 서서히 변화하고, 시각 T2에 거의 규정치까지 상승하고 있지만, 만일 Iex의 오버 슈트·언더 슈트가 있으면, 전압 전환 회로(PSW)가 채터링을 일으켜 버릴 우려가 있기 때문에, Iex가 충분히 안정되는 시각 T3까지 Q51 온의 상태를 유지하고 있다.

시각 T2부터 시각 T3까지 사이의 전류 루트는, VexH→Q51→A점→SW53→Lex→SW52→B점→Q52→R53→VexCOM이 된다. 통상, Q51, SW52, SW53의 온 저항은 매우 작기 때문에, 이들에 의한 전압 강하분을 무시하면, Q52의 드레인-소스간 전압 Vds(Q52)는,

Vds(Q52)=VexH-Vex-Vs

가 된다. Vex는 여자 전압(Lex의 양단 전압)을 나타내고, Vs는 전류 검출 저항(R55)의 검출 전압을 나타내고 있다.

여기서, Iex의 상승을 더욱 빠르게 하기 위해, VexH를 ΔVexH만큼 더 높게 설정한 경우, VexH가 높아져도 Iex가 일정해지도록, CCS의 정전류 제어가 작용하기 때문에, B점의 전위(VB)가 높아진다. 즉, VexH를 올린 만큼이 그대로 Q52의 Vds의 상승분이 된다.

이 때문에, Q52의 소비 전력 상승분 ΔP는,

ΔP(Q52)=ΔVexH×Iex

가 되어, Q52의 발열이 상승하는 것을 알 수 있다. 따라서, 큰 방열기가 필요해짐과 더불어, 출력 최대 정격이 큰 파워 MOS-FET로 변경할 필요가 있다.

최근, 특허문헌 3에 기재되어 있는 FA 시장용 소형 전자 유량계(용량식)가 실용화되고 있지만, 소형화에 따른 설계 조건의 제약에 의해 계측 안정성의 악화를 피할 수 없었다. 즉, 종래 기술의 회로에서는, 파워 MOS-FET의 방열기를 설치할 스페이스가 없기 때문에, Iex를 낮게 억제할 필요가 있었다. 또한, 여자 주파수를 높이기 위해서는 여자 극성 전환시의 Vex를 보다 높게 하여 Iex의 상승을 앞당길 필요가 있지만, 전술한 바와 같이, Vex를 보다 높게 하면, 역시 파워 트랜지스터의 발열이 증가해 버리기 때문에, Iex를 더욱 낮게 할 필요가 있었다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위한 것으로서, 여자 전류를 안정화시키는 정전류 회로로 이용하는 파워 트랜지스터의 발열을 저감할 수 있는 전자 유량계를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 여자 회로는, 일정 주기로 반복되는 정(正)/부(負)의 여자 기간마다, 전자 유량계의 여자 코일에 공급하는 여자 전류의 극성을 정극성/부극성으로 전환하는 여자 전환 회로와, 상기 여자 기간마다, 상기 여자 전류의 전류치가 미리 설정된 설정 전류치에 도달한 상승 시점을 검출하는 상승 검출 회로와, 상기 여자 기간 중, 여자 기간 개시 시점부터 상기 상승 시점까지의 기간에는, 여자용 고전압을 상기 여자 전환 회로에 인가하고, 상기 상승 시점부터 여자 기간 종료 시점까지의 기간에는, 상기 여자용 고전압보다 낮은 여자용 저전압을 상기 여자 전환 회로에 인가하는 전압 전환 회로와, 상기 전압 전환 회로에 공급되는 상기 여자용 저전압의 전류를 정전류화하는 정전류 회로를 구비하고 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 여자 회로의 일 구성예는, 상기 정전류 회로가, 입력 단자에 제1 전류 검출 소자를 통해 상기 여자용 저전압이 공급되고, 출력 단자가 상기 전압 전환 회로에 접속되어 있는 트랜지스터와, 상기 트랜지스터에 흐르는 전류에 따라 상기 제1 전류 검출 소자에서 발생하는 전압 강하분만큼 상기 여자용 저전압보다 낮은 제1 검출 전압과, 상기 여자용 저전압으로부터 일정 전압만큼 낮은 제1 기준 전압을 비교하고, 얻어진 비교 결과에 기초하여 상기 트랜지스터를 제어하는 연산 증폭기를 구비하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 상기 여자 회로의 일 구성예는, 상기 정전류 회로가, 입력 단자에 상기 여자용 저전압이 공급되고, 출력 단자가 상기 전압 전환 회로에 접속되어 있는 트랜지스터와, 상기 여자 전류에 따라 제2 전류 검출 소자에서 발생하는 전압분만큼 상기 여자 회로의 접지 전위보다 높은 제2 검출 전압과, 상기 접지 전위로부터 일정 전압만큼 높은 제2 기준 전압을 비교하고, 얻어진 비교 결과에 기초하여 상기 트랜지스터를 제어하는 연산 증폭기를 구비하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 상기 여자 회로의 일 구성예는, 상기 상승 검출 회로가, 상기 여자 회로의 접지 전위로부터 일정 전압만큼 높은 임계치 전압이 입력 단자의 한쪽에 입력되고, 상기 여자 전류를 검출하는 제3 전류 검출 소자에서 발생한 전압분만큼 상기 접지 전위보다 높은 제3 검출 전압이 입력 단자의 다른 쪽에 입력되는 비교기를 구비하며, 상기 비교기는, 상기 임계치 전압과 상기 제3 검출 전압을 비교하고, 얻어진 비교 결과에 기초하여 상기 상승 시점을 나타내는 비교 출력 신호를 출력 단자로부터 상기 전압 전환 회로로 출력하며, 상기 비교시에, 상기 비교 출력 신호에 따라 상기 입력 단자의 한쪽 또는 다른 쪽의 입력 전압을 시프트시킴으로써 얻어지는 히스테리시스 특성에 기초하여 비교하도록 한 것이다.

또한, 본 발명에 따른 상기 여자 회로의 일 구성예는, 상기 상승 검출 회로가, 상기 여자 회로의 접지 전위로부터 일정 전압만큼 높고, 또한 일정한 출력 저항치를 갖는 임계치 전압이 비반전 입력 단자에 입력되며, 상기 여자 전류를 검출하는 제3 전류 검출 소자에서 발생한 전압분만큼 상기 접지 전위보다 높은 제3 검출 전압이 반전 입력 단자에 입력되고, 상기 임계치 전압과 상기 제3 검출 전압과의 비교 결과에 기초하여 상기 상승 시점을 나타내는 비교 출력 신호를 출력 단자로부터 상기 전압 전환 회로로 출력하는 비교기와, 일단부가 상기 비교기의 비반전 입력 단자에 접속되며, 타단부가 상기 비교기의 출력 단자에 접속된 저항 소자를 구비하고 있다.

또한, 본 발명에 따른 전자 유량계는, 측정관을 흐르는 유체의 흐름 방향에 대하여 수직 방향으로 자계를 발생시키는 여자 코일과, 상기 여자 코일에 공급하는 여자 전류의 극성을 일정 주기로 전환하는 여자 회로와, 상기 유체에 발생한 기전력을 검출하는 한 쌍의 검출 전극과, 상기 검출 전극에 의해 검출된 기전력으로부터 상기 유체의 유량을 산출하는 제어 회로를 구비하고, 상기 여자 회로는, 전술한 어느 하나의 여자 회로로 이루어지는 것이다.

본 발명에 따르면, 정전류 회로에는 여자용 고전압이 인가되지 않아, 여자용 저전압의 전류만이 정전류 회로에 의해 정전류화되게 된다. 이 때문에, 종래의 여자용 고전압이 인가됨에 따른, 파워 MOS-FET 등으로 이루어진 정전류 회로의 파워 트랜지스터에서의 발열을 회피할 수 있고, 파워 트랜지스터에서의 발열량을 저감하는 것이 가능해진다.

따라서, 파워 트랜지스터를 위한 큰 방열기가 불필요해짐과 더불어, 고내압의 파워 트랜지스터로 변경할 필요도 없어진다. 또한, 파워 트랜지스터의 발열이 억제되기 때문에, 여자 주파수를 높이기 위해 여자 극성 전환시의 여자 전압을 보다 높게 하여 여자 전류의 상승을 앞당기는 것도 가능해진다. 이것에 의해, FA 시장에서 널리 이용되는, 소형이며 양호한 계측 안정성을 갖는 전자 유량계를 용이하게 실현하는 것이 가능해진다.

도 1은 제1 실시형태에 따른 여자 회로를 나타낸 회로도이다.
도 2는 전자 유량계의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 제1 실시형태에 따른 여자 회로의 동작을 나타낸 신호 파형도이다.
도 4는 제2 실시형태에 따른 여자 회로를 나타낸 회로도이다.
도 5는 종래의 여자 회로를 나타낸 회로도이다.
도 6은 종래 기술의 여자 회로의 동작을 나타낸 신호 파형도이다.

다음에, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

[제1 실시형태]

우선, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 여자 회로(10) 및 이것을 이용한 전자 유량계(1)에 대해서 설명한다. 도 1은 제1 실시형태에 따른 여자 회로를 나타낸 회로도이다. 도 2는 전자 유량계의 구성을 나타낸 블록도이다.

[전자 유량계]

본 발명에 따른 전자 유량계(1)는, 도전성을 갖는 유체의 유량을 측정하는 장치이다. 이 전자 유량계(1)에서는, 측정관(Pex) 내에 흐르는 유체의 흐름 방향에 대하여 자계 발생 방향이 수직이 되도록 배치된 여자 코일(Lex)로, 극성이 교대로 전환되는 여자 전류(Iex)를 공급하고, Lex로부터의 발생 자계와 직교하여 Pex에 배치된 한 쌍의 검출 전극(E1, E2) 사이에 생기는 기전력을 검출하며, 이 검출 전극(E1, E2) 사이에 생기는 기전력을 증폭한 후, 샘플링하여 신호 처리함으로써, Pex 내에 흐르는 유체의 유량을 측정하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전자 유량계(1)는, 주요 회로부로서, 전원 회로(11), 제어 회로(12), 여자 회로(10), 검출기(13), 및 설정·표시기(14)를 구비하고 있다.

전원 회로(11)는, 직류 전원(DCin)으로부터 각종 전원을 생성하여, 제어 회로(12) 및 여자 회로(10)에 공급하는 기능을 갖고 있고, 주요 회로부로서, 스위칭 제어 회로(11A), 트랜스(11B), 정류 회로(11C), 전압 조절기(11D, 11E), 및 승압 DC-DC 컨버터(11F)를 구비하고 있다.

스위칭 제어 회로(11A)는, 직류 전원(DCin)의 직류 전압을 고주파로 스위칭하여 트랜스(11B)의 1차측 권선으로 공급한다. 정류 회로(11C)는, 트랜스(11B)의 2차측 권선으로부터 출력된 고주파 신호를 정류하여 직류의 아날로그 신호 처리용 동작 전압(VmA)(예컨대 24 V)과 접지 전위(공통 전압)(VmCOM)(예컨대 0 V)를 생성하여 제어 회로(12)로 공급한다. 전압 조절기(11D)는, VmA에서 디지털 신호 처리용 동작 전압(VmD)(예컨대 5 V)을 생성하여 제어 회로(12)로 공급한다.

승압 DC-DC 컨버터(11F)는, 직류 전원(DCin)으로부터 직류의 여자용 고전압(VexH)(예컨대 80 V)과, 여자 회로(10)의 접지 전위(VexCOM)(예컨대 0 V)를 생성하여 여자 회로(10)로 공급한다. 또한, 직류 전원(DCin)(예컨대 24 V)은, 직류의 여자용 저전압(VexL)으로서 여자 회로(10)로 공급된다. 전압 조절기(11E)는, VexL로부터 상승 검출용 전압(VexSW)(예컨대 10 V)을 생성하여 여자 회로(10)로 공급한다.

제어 회로(12)는, CPU, 신호 처리 회로, 전송 I/F 회로 등의 회로부를 포함하고, 여자 회로(10)의 제어, 검출기(13)의 검출 전극(E1, E2)으로부터 검출한 기전력에 기초한 유량의 산출, 및 상위 장치에 대한 유량 신호 출력을 행하는 기능을 갖고 있다.

여자 회로(10)는, 제어 회로(12)로부터의 제어에 기초하여, 검출기(13)의 여자 코일(Lex)에 대하여, 일정 주기로 여자 극성이 전환되는 여자 전류(Iex)를 공급하는 기능을 갖고 있다. 이때, 여자 회로(10)는, 종래 기술과 마찬가지로, 여자 극성 전환시의 Iex의 상승을 빠르게 하기 위해, 미리 VexH와 VexL의 2개의 전원을 준비해 두고, 여자 전류 상승시에는 VexH로 여자하고, 정상시에는 VexL로 여자한다.

검출기(13)는, 유량 측정 대상이 되는 유체가 흐르는 측정관(Pex)과, 이 측정관(Pex)에 대하여 여자 회로(10)로부터의 Iex에 의해 자계를 발생시키는 여자 코일(Lex)과, 측정관(Pex)에 설치된 1쌍의 검출 전극(E1, E2)과, E1, E2와는 별개로 설치되어, 유체와 접액함과 더불어 접지 전위(VmCOM)와 접속되어 있는 공통 전극(EC)을 갖고 있다.

설정·표시기(14)는, 작업자의 설정 조작 입력을 검출하여 제어 회로(12)로 출력하는 기능과, 제어 회로(12)로부터의 표시 출력을 LED나 LCD로 표시하는 기능을 갖고 있다.

[여자 회로]

다음에, 도 1을 참조하여, 본 실시형태에 따른 여자 회로(10)에 대해서 설명한다.

본 실시형태에 따른 여자 회로(10)는, 전술한 도 5에 도시된 종래의 여자 회로와 비교하여, 정전류 회로(CCS)를 VexL의 공급 경로로 이동시키고, 원래의 CCS의 접속 부분에 저항 소자(RS)를 접속하며, RS의 여자 전환 회로(LSW) 측의 끝점인 노드 N3의 검출 전압(Vs)을, 상승 검출 회로(DET)에 입력하도록 한 점이 다르다.

여자 회로(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 주요 회로부로서, 여자 전환 회로(LSW), 상승 검출 회로(DET), 전압 전환 회로(PSW), 및 정전류 회로(CCS)를 구비하고 있다.

여자 전환 회로(LSW)는, 일정 주기로 반복되는 정/부의 여자 기간(TP, TN)마다, 여자 코일(Lex)에 공급하는 여자 전류(Iex)의 극성을 정극성/부극성으로 전환하는 기능을 갖고 있다.

구체적으로는, LSW는, 제어 회로(12)로부터의 극성 전환 신호(EXD1, EXD2)에 기초하여 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)를 전환 제어함으로써, LSW의 입력 단자인 노드 N0에 대하여 PSW로부터 공급된 공급 전압(Vout)의 극성을 전환하여, 노드 N1-N2 사이에 접속되어 있는 Lex에 인가한다.

SW1, SW4는, 일정 주기(Tex(=TN+TP)) 중 정극성 여자 기간(TP)과 부극성 여자 기간(TN)에서 여자 극성을 전환할 때에, TP에 온됨과 더불어 TN에 오프됨으로써 Iex를 정극성으로 전환하여 인가하는 스위치이다. SW2, SW3은, TN에 온됨과 더불어 TP에 오프됨으로써 Iex를 부극성으로 전환하여 인가하는 스위치이다.

구체적으로는, SW1은, N0과 N1 사이에 접속되어 EXD1에 기초하여 온 오프 동작하고, SW2는, N1과 LSW의 출력 단자인 노드 N3과의 사이에 접속되어 EXD2에 기초하여 온 오프 동작한다. SW3은, N0과 N2 사이에 접속되어 EXD2에 기초하여 온 오프 동작하고, SW4는, N2와 N3 사이에 접속되어 EXD1에 기초하여 온 오프 동작한다. 이들 SW1, SW2, SW3, SW4는, 포토커플러나 광 MOSFET를 이용한 공지된 회로로 구성하면 좋다.

상승 검출 회로(DET)는, TP, TN마다, Iex의 전류치가 미리 설정된 설정 전류치에 도달한 상승 시점을 검출하는 기능을 갖고 있다.

구체적으로는, Iex에 따라 변화하는 검출 전압(제3 검출 전압)(Vs)과, VexSW로부터 얻어진 임계치 전압(Vth)을 비교기(U3)에 의해 비교하고, 얻어진 비교 결과에 기초하여 상승 시점을 나타내는 비교 출력 신호(Vcmp)를 U3으로부터 PSW로 출력한다.

이때, U3의 비반전 입력 단자(+)에는, VexSW와 VexCOM의 전압차를 저항 소자(R3, R4)로 분압하여 얻어진, 일정 출력 저항치를 갖는 임계치 전압(Vth)이 입력된다. 또한, U3의 반전 입력 단자(-)는, LSW와 VexCOM 사이에 접속된 저항 소자(제3 전류 검출 소자)(RS)의 LSW(N3) 측에 접속되어 있고, Iex에 따라 RS에서 발생하는 전압분만큼 VexCOM보다 높은 검출 전압(제2 검출 전압)(Vs)이 입력된다. 또한, 비반전 입력 단자와 출력 단자 사이에 저항 소자(R5)가 접속되어 있다.

이것에 의해, U3의 출력 전압에 따라 Vth가 변화하기 때문에, U3은 히스테리시스 비교기로서 동작한다. 이때, Vcmp가 H 레벨에서 L 레벨로 전환하는 상승 시점(시각 T2)에 있어서, Iex가 미리 설정되어 있는 설정 전류치, 혹은 설정 전류치보다 약간 높아지도록, 저항 소자(R3, R4, R5)의 값을 선택하여 Vth가 설정되어 있다. 즉, Iex가 설정 전류치 혹은 약간 높은 경우에 발생하는 Vs의 값과 같은 값으로 Vth가 설정되어 있다. 이것에 의해, Vs가 Vth를 초과한 시점에서 Vth가 인하되기 때문에, Iex가 설정 전류치 부근에서 변동하여도, U3의 동작을 안정화할 수 있게 된다.

또한, U3에 있어서의 히스테리시스 특성을 실현하는 회로 구성은, 전술한 도 1에 도시된 R5를 이용한 회로 구성예로 한정되는 것은 아니다. U3의 비반전 입력 단자(+)와 반전 입력 단자(-)로 이루어진 입력 단자 중, 그 한쪽에 입력된 임계치 전압(Vth)과 그 다른 쪽에 입력된 검출 전압(Vs) 중 어느 한쪽을, 비교 출력 신호(Vcmp)에 따라 시프트시킴으로써, 히스테리시스 특성을 실현하여도 좋다. 예컨대, U3의 비반전 입력 단자(+)에 Vs를 입력함과 더불어, 반전 입력 단자(-)에 Vth를 입력하고, 비반전 입력 단자(+)와 출력 단자를 저항 소자로 접속함으로써, 히스테리시스 특성을 갖게 하여도 좋다.

전압 전환 회로(PSW)는, 여자 기간(TP, TN) 중, 여자 기간 개시 시점 T1부터 상승 시점 T2까지의 기간, 즉 고전압 여자 기간(TH)에는, 전원 회로(11)로부터 공급된 VexH를 LSW에 인가하고, 상승 시점 T2부터 여자 기간 종료 시점 T1까지의 기간, 즉 저전압 여자 기간(TL)에는, 전원 회로(11)로부터 공급된, VexH보다 낮은 전압치를 나타내는 VexL을 LSW에 인가하는 기능을 갖고 있다.

이때, PSW는, LSW에 대한 VexH의 공급을 온 오프 제어하는 스위치(SWP)를 가지며, DET로부터의 Vcmp에 기초하여 공지된 드라이버 회로(DRV)에 의해 SWP를 온 오프 제어한다.

이것에 의해, TP, TN 중, 그 개시 시점 T1부터 DET에 의해 검출된 상승 시점 T2까지의 TH만큼 SWP가 온되고, LSW에 대하여 VexH가 공급되게 된다. 또한, TH 이후의 TL에는, 역류 방지용 다이오드(D)를 통해 정전류 회로(CCS)로부터 공급된 VexL(VexL')이 LSW에 공급되게 된다.

정전류 회로(CCS)는, 전원 회로(11)로부터 PSW에 공급되는 VexL의 전류를 정전류화하는 기능을 갖고 있다.

구체적으로는, CCS는, VexL의 공급선에 직렬 접속된 Pch 타입의 파워 MOS-FET로 이루어진 파워 트랜지스터(Q)를, 연산 증폭기(U1)로 제어함으로써 VexL을 정전류화하고, 역류 방지용 다이오드(D)를 통해 LSW에 공급한다.

이때, Q의 소스 단자(입력 단자)에는, 저항 소자(제1 전류 검출 소자)(R1)를 통해 VexL에 접속되어 있고, Q의 드레인 단자(출력 단자)는, PSW의 D의 애노드 단자에 접속되어 있다. 또한, Q의 게이트 단자(제어 단자)는, U1의 출력 단자에 접속되어 있다. 또한, 저항 소자는, Q에 흐르는 전류를 검출할 수 있으면 좋고, 저항 소자 이외의 소자나 회로를 이용하여도 좋다.

또한, U1의 비반전 입력 단자(+)는, 션트 전압 기준 소자 등의 정전압 출력 소자(U2)를 통해 VexL에 접속되어 있고, VexL로부터 U2의 강하 전압(일정 전압)(Vr1)분만큼 낮은 기준 전압(Vref1)(제1 기준 전압)이 입력된다. 이때, U2의 캐소드 단자(입력 단자)가 VexL에 접속되고, 애노드 단자(출력 단자)가 저항 소자(R2)를 통해 VexCOM에 접속되어 있으며, U1의 비반전 입력 단자(+)는, U2의 애노드 단자에 접속되어 있다.

또한, U1의 반전 입력 단자(-)는, Q의 소스 단자에 접속되어 있고, 소스 단자의 전압인 입력 전압(Vin), 즉 Q에 흐르는 전류에 따라 R1에서 발생하는 전압 강하분만큼 VexL보다 낮은 검출 전압(제1 검출 전압)이 입력된다.

이것에 의해, Vref1과 Vin이 U1에서 비교되고, 얻어진 비교 결과에 의해, Q가 제어되게 된다. 이 때문에, Vref1과 Vin이 같아지도록, Q에서 VexL의 전류치가 제어되게 되어, 결과적으로 PSW에 공급되는 VexL의 정전류화가 행해지게 된다.

[제1 실시형태의 동작]

다음에, 도 3을 참조하여, 본 실시형태에 따른 동작에 대해서 설명한다. 도 3은 제1 실시형태에 따른 여자 회로의 동작을 나타낸 신호 파형도이다.

정극성 여자 기간(TP)에 있어서, 극성 전환 신호(EXD1)는 H 레벨이 되고, 극성 전환 신호(EXD2)는 L 레벨이 된다. 이것에 의해, 여자 전환 회로(LSW)의 스위치(SW1, SW4)가 온되고, 스위치(SW2, SW3)가 오프가 되기 때문에, 여자 전류(Iex)는 노드 N1로부터 노드 N2로 흐른다. 한편, 부극성 여자 기간(TN)에 있어서, EXD1은 L 레벨이 되고, EXD2는 H 레벨이 된다. 이것에 의해, 스위치(SW1, SW4)가 오프되고, 스위치(SW2, SW3)가 온이 되기 때문에, Iex는 노드 N2로부터 노드 N1로 흐른다.

TP, TN의 각각은, TP, TN의 선두에 위치하는, 여자용 고전압(VexH)이 인가되는 고전압 여자 기간(TH)과, TH에 후속되는, 여자용 저전압(VexL)이 인가되는 저전압 여자 기간(TL)으로 구성되어 있다.

상승 검출 회로(DET)는, 검출 전압(Vs)을 임계치 전압(Vth)과 비교하고, 얻어진 비교 출력 신호(Vcmp)로 전압 전환 회로(PSW)를 전환 제어한다.

여자 전류(Iex)는, TP, TN마다, 그 TH 개시의 시각 T1에 극성이 전환됨과 더불어, T1에 있어서의 VexH의 인가 개시에 따라, 그 전류치가 미리 설정된 설정 전류치까지 서서히 증가하고, 이것에 따라 검출 전압(Vs)도 서서히 상승한다. Vs가 Vth보다 낮은 경우, DET의 비교기(U3)로부터 H 레벨을 나타내는 Vcmp가 출력된다. 이것에 의해, PSW가 온 상태가 되고, LSW에 대한 VexH의 인가가 유지된다.

그 후, Vs가 Vth를 상회한 상승 시점, 즉 TL 개시의 시각 T2에, U3으로부터 L 레벨의 Vcmp가 출력된다. 이것에 의해, PSW가 오프 상태가 되고, VexH가 분리되기 때문에, VexL이 정전류 회로(CCS)에 의해 정전류화되어 얻어진 여자용 저전압(VexL')이 다이오드(D)를 통해 LSW에 인가된다.

CCS의 연산 증폭기(U1)는, Q의 소스 단자의 입력 전압(Vin)과 기준 전압(Vref1)을 항상 비교하고, 비교 결과에 따라 Q를 제어하고 있다. 이것에 의해, Vin이 Vref1과 같아지도록, 즉 저항 소자(R1)의 양단 전압(VexL-Vin)이 Vr1이 되도록, Q가 제어되게 된다. 이것에 의해 결과적으로, R5를 흐르는 VexL의 전류가 정전류화되어, LSW에 공급되게 된다.

[제1 실시형태의 효과]

이와 같이, 본 실시형태는, 전압 전환 회로(PSW)가, 여자 기간 중, 여자 기간 개시 시점부터 상승 시점까지의 기간에는, 여자용 고전압(VexH)을 여자 전환 회로(LSW)에 인가하고, 상승 시점부터 여자 기간 종료 시점까지의 기간에는, VexH보다 낮은 여자용 저전압(VexL)을 LSW에 인가하고, 정전류 회로(CCS)가, 전원 회로(11)로부터 PSW에 입력되는 VexL의 전류를 정전류화하도록 한 것이다.

이것에 의해, CCS에는 여자용 고전압(VexH)이 인가되지 않아, VexL의 전류만이 CCS에 의해 정전류화되게 된다. 이 때문에, 종래의 VexH가 인가됨에 따른, 파워 MOS-FET 등으로 이루어진 CCS의 파워 트랜지스터(Q)의 발열을 회피할 수 있어, 파워 트랜지스터(Q)에서의 발열량을 저감하는 것이 가능해진다.

따라서, 파워 트랜지스터(Q)를 위한 큰 방열기가 불필요해짐과 더불어, 고내압의 파워 트랜지스터(Q)로 변경할 필요도 없어진다. 또한, 파워 트랜지스터(Q)의 발열이 억제되기 때문에, 여자 주파수를 높이기 위해 여자 극성 전환시의 여자 전압(Vex)을 보다 높게 하여 여자 전류(Iex)의 상승을 앞당기는 것도 가능해진다. 이것에 의해, FA 시장에서 널리 이용되는, 소형이며 양호한 계측 안정성을 갖는 전자 유량계를 용이하게 실현하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시형태에 있어서, CCS에 대해서는, 입력 단자에 저항 소자(R1)를 통해 VexL이 공급되고, 출력 단자가 PSW에 접속되어 있는 파워 트랜지스터(Q)와, VexL로부터 일정 전압(Vr1)만큼 낮은 기준 전압(Vref1)과 입력 단자의 입력 전압(Vin)을 비교하고, 얻어진 비교 결과에 기초하여 Q를 제어하는 연산 증폭기(U1)에 의해, 구성하여도 좋다.

이것에 의해, Vref1이 VexL에 대하여 상대적으로 추종하여 변화하게 되기 때문에, VexL의 전압치가 변동하여도 VexL을 안정되게 정전류화하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시형태에 있어서, 상승 검출 회로(DET)에 대해서는, 접지 전위(VexCOM)로부터 일정 전압만큼 높은 임계치 전압(Vth)이 입력 단자의 한쪽에 입력되고, Iex를 검출하는 Rs에서 발생한 전압분만큼 VexCOM보다 높은 검출 전압(Vs)이 입력 단자의 다른 쪽에 입력되는 비교기(U3)를 구비하고, U3은 Vth와 Vs를 비교하며, 얻어진 비교 결과에 기초하여 상승 시점을 나타내는 비교 출력 신호(Vcmp)를 출력 단자로부터 PSW로 출력하고, 비교시에, Vcmp에 따라 입력 단자의 한쪽 또는 다른 쪽의 입력 전압을 시프트시킴으로써 얻어지는 히스테리시스 특성에 기초하여 비교하도록 구성하여도 좋다.

보다 구체적으로는, 일정한 출력 저항치를 갖는 Vth가 비반전 입력 단자(+)에 입력되고, Iex에 따라 변화하는 Vs가 반전 입력 단자(-)에 입력되며, Vth와 Vs와의 비교 결과에 기초하여 상승 시점을 나타내는 Vcmp를 출력 단자로부터 PSW로 출력하는 U3과, 일단부가 U3의 비반전 입력 단자에 접속되고, 타단부가 U3의 출력 단자에 접속된 저항 소자(R5)에 의해 구성하여도 좋다.

이것에 의해, 비교 출력 신호(Vcmp)에 기초하여 Vth가 전환되게 되고, Vs가 Vth를 초과한 시점에서 Vth가 인하되기 때문에, U3이 히스테리시스 특성에 기초하여 비교 동작할 수 있다. 따라서, Iex가 설정 전류치 부근에서 변동하여도 채터링을 발생시키지 않고 Vcmp를 안정적으로 출력할 수 있다. 이 때문에, PSW를 안정 제어하는 것이 가능해져 Iex의 안정 대기 시간이 불필요해짐과 더불어, 정전류화 후의 VexL'의 진폭을 작게 할 수 있다. 또한, U3의 동작점을 설정 전류치에 정확하게 맞출 필요는 없기 때문에, U3의 기준 전압으로서 고정밀도의 기준 소자를 이용할 필요는 없고, 범용의 전원 전압(예컨대 VexSW)을 이용할 수 있다.

[제2 실시형태]

다음에, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 여자 회로(10)에 대해서 설명한다. 도 4는 제2 실시형태에 따른 여자 회로를 나타낸 회로도이다.

제1 실시형태는, 정전류 회로(CCS)에 있어서, 여자용 저전압(VexL)을 기준으로 하여, 기준 전압(Vref1)과 파워 트랜지스터(Q)의 소스 단자의 입력 전압(Vin)을 연산 증폭기(U1)에서 비교함으로써, 전압 전환 회로(PSW)에 공급하는 여자용 저전압(VexL)을 정전류화하는 경우에 대해서 설명하였다. 본 실시형태에서는, 접지 전위(VexCOM)를 기준으로 하여, 여자 전류(Iex)에 따라 변화하는 검출 전압(제2 검출 전압)(Vs)을 U1에서 기준 전압(제2 기준 전압)(Vref2)과 비교함으로써, VexL을 정전류화하는 경우에 대해서 설명한다.

즉, 본 실시형태에 따른 CCS에 있어서, Q의 소스 단자(입력 단자)에 VexL이 공급되어 있고, Q의 드레인 단자(출력 단자)는, PSW의 다이오드(D)의 애노드 단자에 접속되어 있다. 또한, Q의 게이트 단자(제어 단자)는, U1의 출력 단자에 접속되어 있다.

또한, U1의 반전 입력 단자(-)는, 션트 전압 기준 소자 등의 정전압 출력 소자(U4)를 통해 VexCOM에 접속되어 있고, VexCOM으로부터 U4의 강하 전압(일정 전압)(Vr2)분만큼 높은 기준 전압(제2 기준 전압)(Vref2)이 입력된다. 이때, U4의 캐소드 단자(입력 단자)가 저항 소자(R6)를 통해 VexSW에 접속되고, 애노드 단자(출력 단자)가 VexCOM에 접속되어 있으며, U1의 반전 입력 단자(-)는, U4의 캐소드 단자에 접속되어 있다.

또한, U1의 비반전 입력 단자(+)는, LSW와 VexCOM 사이에 접속된 저항 소자(제2 전류 검출 소자)(RS)의 LSW(N3) 측에 접속되어 있고, Iex에 따라 RS에서 발생하는 전압분만큼 VexCOM보다 높은 검출 전압(제2 검출 전압)(Vs)이 입력된다. 여기서는, Vs는, 상승 검출 회로(DET)의 비교기(U3)에 입력되는 Vs(제3 검출 전압)를 겸용하고, RS도 DET의 Vs를 생성하는 RS(제3 전류 검출 소자)를 겸용하는 경우를 예로서 설명하고 있지만, 이들을 별개로 마련하여도 좋다.

이것에 의해, Vref2와 Vs가 U1에서 비교되고, 얻어진 비교 결과에 의해, Q가 제어되게 된다. 이 때문에, Vref2와 Vs가 같아지도록, Q로 VexL의 전류치가 제어되게 되어, 결과적으로 PSW에 공급되는 VexL의 정전류화가 행해지게 된다.

[제2 실시형태의 효과]

이와 같이, 본 실시형태는, 정전류 회로(CCS)에 대해서는, 입력 단자에 VexL이 공급되고, 출력 단자가 전압 전환 회로(PSW)에 접속되어 있는 파워 트랜지스터(Q)와, VexCOM으로부터 일정 전압(Vr2)만큼 높은 기준 전압(Vref2)과, 여자 전류(Iex)에 따라 RS에서 발생하는 전압분만큼 VexCOM보다 높은 검출 전압(Vs)을 비교하고, 얻어진 비교 결과에 기초하여 Q를 제어하는 연산 증폭기(U1)에 의해 구성하여도 좋다.

이것에 의해, VexCOM을 기준으로 하여 Iex의 정전류화가 행해지게 되고, VexL의 전압치가 변동하여도 VexL을 안정되게 정전류화하는 것이 가능해진다. 또한, 도 1의 CCS와 비교하여, 저항 소자(R1)가 불필요해짐과 더불어, R1에서의 VexL의 전압 강하를 회피할 수 있게 된다.

[실시형태의 확장]

이상, 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 구성이나 상세한 내용에는, 본 발명의 스코프 내에서 당업자가 이해할 수 있는 다양한 변경을 할 수 있다. 또한, 각 실시형태에 대해서는, 모순되지 않는 범위에서 임의로 조합하여 실시할 수 있다.

1 : 전자 유량계 10 : 여자 회로
11 : 전원 회로 11A : 스위칭 제어 회로
11B : 트랜스 11C : 정류 회로
11D, 11E : 전압 조절기 11F : 승압 DC-DC 컨버터
12 : 제어 회로 13 : 검출기
14 : 설정·표시기 LSW : 여자 전환 회로
DET : 상승 검출 회로 PSW : 전압 전환 회로
CCS : 정전류 회로 Pex : 측정관
E1, E2 : 검출 전극 Lex : 여자 코일
SW1, SW2, SW3, SW4, SWP : 스위치 U1 : 연산 증폭기
U3 : 비교기 U2, U4 : 정전압 출력 소자
Q : 파워 트랜지스터 R1, R24, R5, R6, RS : 저항 소자
D : 다이오드 DRV : 드라이버 회로
N0, N1, N2, N3 : 노드 VexH : 여자용 고전압
VexL, VexL' : 여자용 저전압 VexSW : 검출용 전압
VexCOM : 접지 전위 EXD1, EXD2 : 극성 전환 신호
Vout : 공급 전압 Vex : 여자 전압
Iex : 여자 전류 Vs : 검출 전압
Vth : 임계치 전압 Vcmp : 비교 출력 신호
Vin : 입력 전압 Vref1, Vref2 : 기준 전압
Tex : 일정 주기 TP : 정극성 여자 기간
TN : 부극성 여자 기간

Claims (6)

1. 일정 주기로 반복되는 정(正)/부(負)의 여자 기간마다, 전자 유량계의 여자 코일에 공급하는 여자 전류의 극성을 정극성/부극성으로 전환하는 여자 전환 회로와,
   상기 여자 기간마다, 상기 여자 전류의 전류치가 미리 설정된 설정 전류치에 도달한 상승 시점을 검출하는 상승 검출 회로와,
   상기 여자 기간 중, 여자 기간 개시 시점부터 상기 상승 시점까지의 기간에는, 여자용 고전압을 상기 여자 전환 회로에 인가하고, 상기 상승 시점부터 여자 기간 종료 시점까지의 기간에는, 상기 여자용 고전압보다 낮은 여자용 저전압을 상기 여자 전환 회로에 인가하는 전압 전환 회로와,
   상기 전압 전환 회로에 공급되는 상기 여자용 저전압의 전류를 정전류화하는 정전류 회로
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 여자 회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 정전류 회로는,
   입력 단자에 제1 전류 검출 소자를 통해 상기 여자용 저전압이 공급되고, 출력 단자가 상기 전압 전환 회로에 접속되어 있는 트랜지스터와,
   상기 트랜지스터에 흐르는 전류에 따라 상기 제1 전류 검출 소자에서 발생하는 전압 강하분만큼 상기 여자용 저전압보다 낮은 제1 검출 전압과, 상기 여자용 저전압으로부터 일정 전압만큼 낮은 제1 기준 전압을 비교하고, 얻어진 비교 결과에 기초하여 상기 트랜지스터를 제어하는 연산 증폭기
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 여자 회로.
3. 제1항에 있어서, 상기 정전류 회로는,
   입력 단자에 상기 여자용 저전압이 공급되고, 출력 단자가 상기 전압 전환 회로에 접속되어 있는 트랜지스터와,
   상기 여자 전류에 따라 제2 전류 검출 소자에서 발생하는 전압분만큼 상기 여자 회로의 접지 전위보다 높은 제2 검출 전압과, 상기 접지 전위로부터 일정 전압만큼 높은 제2 기준 전압을 비교하고, 얻어진 비교 결과에 기초하여 상기 트랜지스터를 제어하는 연산 증폭기
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 여자 회로.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상승 검출 회로는,
   상기 여자 회로의 접지 전위로부터 일정 전압만큼 높은 임계치 전압이 입력 단자의 한쪽에 입력되고, 상기 여자 전류를 검출하는 제3 전류 검출 소자에서 발생한 전압분만큼 상기 접지 전위보다 높은 제3 검출 전압이 입력 단자의 다른 쪽에 입력되는 비교기를 구비하고,
   상기 비교기는, 상기 임계치 전압과 상기 제3 검출 전압을 비교하고, 얻어진 비교 결과에 기초하여 상기 상승 시점을 나타내는 비교 출력 신호를 출력 단자로부터 상기 전압 전환 회로로 출력하고, 상기 비교시에, 상기 비교 출력 신호에 따라 상기 입력 단자의 한쪽 또는 다른 쪽의 입력 전압을 시프트시킴으로써 얻어지는 히스테리시스 특성에 기초하여 비교하는 것을 특징으로 하는 여자 회로.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상승 검출 회로는,
   상기 여자 회로의 접지 전위로부터 일정 전압만큼 높고, 또한 일정한 출력 저항치를 갖는 임계치 전압이 비반전 입력 단자에 입력되며, 상기 여자 전류를 검출하는 제3 전류 검출 소자에서 발생한 전압분만큼 상기 접지 전위보다 높은 제3 검출 전압이 반전 입력 단자에 입력되고, 상기 임계치 전압과 상기 제3 검출 전압의 비교 결과에 기초하여 상기 상승 시점을 나타내는 비교 출력 신호를 출력 단자로부터 상기 전압 전환 회로로 출력하는 비교기와,
   일단부가 상기 비교기의 비반전 입력 단자에 접속되며, 타단부가 상기 비교기의 출력 단자에 접속된 저항 소자
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 여자 회로.
6. 측정관을 흐르는 유체의 흐름 방향에 대하여 수직 방향으로 자계를 발생시키는 여자 코일과,
   상기 여자 코일에 공급하는 여자 전류의 극성을 일정 주기로 전환하는 여자 회로와,
   상기 유체에 발생한 기전력을 검출하는 한 쌍의 검출 전극과,
   상기 검출 전극에 의해 검출된 기전력으로부터 상기 유체의 유량을 산출하는 제어 회로
   를 구비하고,
   상기 여자 회로는, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 여자 회로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자 유량계.

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