WO1993005367A1

WO1993005367A1 - Electromagnetic flowmeter for water conveyance in semifull state

Info

Publication number: WO1993005367A1
Application number: PCT/JP1992/001123
Authority: WO
Inventors: Yutaka Yoshida; Mitsuru Ichikawa
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co., Ltd.
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1992-09-03
Publication date: 1993-03-18
Also published as: EP0704682A3; DE69216381T2; EP0557529A4; EP0557529B1; DE69232633T2; DE69232633D1; EP0704682A2; EP0704682B1; DE69216381D1; EP0557529A1

Description

明細非満水用電磁流量計技術分野

本発明は非満水用電磁流量計に関する。

背景技術

流路の上下にコイルを配設し、各コイルの出力に基づいて流体が流路に対して満水であるか否かを検出する装置が知られている（ J P — A 5 9 — 2 3 0 1 1 5 ) 。

また、流路の上下に配置されたコイルを直列接続する構成が J P — A 5 2 - 4 8 3 5 6 にみられる。

出願人は、流路内を非満水状態で流れる流体の流量を電磁流量計の原理に基いて計測する流量計測方法と、その方法に使う流量検出器を提案した（ 1 9 9 1 年 1 月 2 2 日出願、特願平 3 — 5 6 3 1 号）。この出願は本願の優先期間である 1 9 9 2年月日に公開されてレ、る（ J P - A 。

この流量検出方法と流量検出器を、図 1 2 〜図 2 0 に基いて説明する。

図 1 2 と図 1 3 において、 1 は断面が円形の流路、 2 ， 2 は流路 1 の中心を通る垂直線に対し対称の位置に設けた 1 対の電極、 3 A と 3 B は第 1 と第 2 の励磁コイルで、それぞれ異なる磁束密度分布 B A と B Bを異なる期間 (時間）の間に発生する。符号 4 は、このような構造の流量検出器を示す。

5 は励磁回路で、タイミング回路 6 の信号に応じて、第 1 と第 2 の励磁コイル 3 Aと 3 B とを交互に励磁する < 7 は電極 2 , 2 間に誘起した電圧を増幅して出力するプリアンプ、 S i は切替えスィッチで、タイミング回路 6 の信号で切替作動し、前記 2つの励磁コイル 3 Aと 3 B の励磁時期の切替と同期して切替作動し、第 1 の励磁コィル 3 Aが励磁されているときに a側に、第 2 の励磁コィル 3 Bが励磁されているときに b側に切替えられる。

8 A と 8 B は切替スィッチ Sヽの a接点と b接点の信号を入力してオフセット捕償、サンプル &ホ一ルドする増幅回路、 9 は C P U回路、 1 0 は増幅器 8 A , 8 Bからのアナログ信号をデジタル信号に変換する A Z D変換回路、 I I は演算回路で、後述する演算を行うプログラムを備えている。 1 2 は演算結果としての流量信号を出力する出力端子である。

図 1 4 は図 1 2 の電磁流量計のタイミングチャートで、上から順に、タイミング回路 5の信号、第 1 の励磁コィル 3 Aの励磁電流、第 2 の励磁コイル 3 Bの励磁電流、切替スィッチ S i の動作、プリアンプ 7の出力、増幅回路 8 Aの入力、増幅回路 8 Bの入力をそれぞれ示す。

流路 1 に流れる非満水状態の流体の流量を計測するには、次の手順による。

手順 1. 流量を計測すべき流路 1 と同じ断面形状の流路を用い、この流路の勾配を一定にして水位 hを変え、その水位のときの流量 Qに応じた出力 O A と O B とを予め計測しておく。同一流路において、水位と流量は 1 対 1 の関係にある。なお、出力〇 A と 0 B は電磁流量計の原理による流量検出器 4 を用い、同じ流量 Qを第 1 と第 2 の励磁コィノレ 3 A と 3 Bでそれぞれ計測したときの流量信号である（図 1 5 (a) ) 。

手順 2. 被測定流体が流れている流路 1 の未知の流量 Q ' を前記流量検出器 4 で計測し、出力 0 A ' と 0 B ' を得る。

手順 3. 0 B ' と O A ' の比 O B ' / k ' を求め、手順 1 で求めた O B と O A との比 O B Z O Aが O B ' Z O A ' と同じ値になる流量 Q αを手順 1 のデ一タから求め（図 1 5 (b) (c) ) 、この流量 Q αのときの手順 1 の出力〇 Α から、手順 1 における流量 Q ひの条件のときの感度 O A ひ Z Q ひを算出する（図 1 5 (d)) 。

手順 4. 手順 2 で計測した出力 0 A ' と手順 3 で得た感度 Ο Α α / Q とから、未知の流量 Q を次の式で算出する。

Q ' = 0 A ' - Q / 0 A a このようにして、水位を検出しなくて、未知の流量 Q ' を求める方法を提案した。

図 1 6 は、図 1 2 、図 1 3 の流量検出器 4 を口径 2 0 0 m mの塩ビ管 1 3 に取付けてこの計測方法の精度を検証するために実験した装置の全体で、塩ビ管 1 3 の長さは約 8 mで、この塩ビ管の管路勾配を先ず 2 Z 1 0 0 0 に固定し、第 1 の励磁コイル 3 Aを使って測定した実流量 Q と電磁流量計の出力 0 A との関係を図 1 7 の曲線 0 Aに示す。又、同一勾配で第 2 の励磁コイル 3 Bを使つて測定した結果を曲線 0 B に示す。

図 1 7の両データと O A と Q Bから、比 0 B Z 0 Aを求めたのが図 1 8 である。図 1 8 で、流量 Qがほぼ 1 0 0 Cm ³ Z h〕以上では 0 B Z 0 Aが一定の最小値になつているが、この範囲はいわゆる満水状態である。図 1 7 においても、この流量 Qがほぼ 1 0 0 〔 m ³ h〕以上の範囲では曲線◦ Aと 0 Bが共に座標の原点を通る直線の線分になっていることからも、いわゆる普通の満水型電磁流量計として作動している範囲であることが理解できる。

図 1 9 は、図 1 6 の装置を使って、流路 1 3 の管路勾配を 6 Z 1 0 0 0 に変えて測定した実流量 Q ' m ³ / h 3 と、各励磁コイル 3 A， 3 B , でそれぞれ励磁したときの出力 O A ' と O B ' との関係である。この実験では、図 1 9 で実流量が既知であるが、実流量 Q ' Cm ³ Z h〕を未知と仮定して O B ' Ζ Ο Α ' = αを求め、その値と、一値する図 1 8 の 0 Β Ζ 0 Αの値の点の実流量 Q を求め、その流量 Q aにおける図 1 7 の曲線 O Aからの感度 O A a Z Q αを算出すれば、前述の演算方法により次の式で未知の流量 Q ' が求められる。

Q ' = 0 A ' - Q a / Q A a この方法で、いくつかの流量 Q ' の点で、器差を求めたところ、図 2 0 のように、比較的小さな値となり、この計測方法の実用性が確認できた。

上記流量計測方法では、用いる流量検出器 4 が、電極とアース間の位置関係、電極形状と励磁磁束密度分布の関係が両者ともに、その対称性が失われ易いので、導電率の影響による計測誤差が生じるという問題点があった発明の開示 '

そこで、本発明は、かかる問題点を解消できる非満水用電磁流量計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の非満水用電磁流量計は、個々に励磁できる上側励磁コイル（ C u ) と下側励磁コイル（ C 1 ) と 1 対の対抗する電極 2 2 を有する本体部分 2 4 と、

次の（a)〜(g)の要件を有する変換器部分 3 2 とを具備したことを特徴とする。

(a) 励磁回路 2 5 へ励磁のタイミングを知らせ、 '増幅回路（ A M P ) へタイミングを知らせる励磁タイミング回路 2 6 を設ける。

(b) 短絡スィッチ（ S ₂ ) の開閉を制御するタイミング信号を発生し、同時に演算処理部 3 1 へこのタイミングを知らせる導電率測定タイミング回路 2 8 を設ける。

(c) 励磁タイミング回路 2 6 からの信号を受け、二つの励磁コイル（ C u ) ( C 1 ) を励磁する励磁回路 2 5 を設ける。

(d) 電極 2 2 からプリアンプ 2 7 へ至る導線をアースへ短絡する短絡抵抗（R s ) と、導電率測定夕ィミング回路 2 8からの信号により、短絡抵抗（R s ) を接続したり、切り離したりするスィッチ（ S ₂ ) を設ける。

(e) 電極 2 2間の信号電圧を増幅するプリアンプ 2 7 を設ける。

(f) 増幅回路（AMP ) の出力を AZD変換する AZ D変換回路 3 0 と、このデータを処理して流量出力信号を出力する演算処理 Hi路 3 1 を設ける。

演算処理回路 3 1が、 AZD変換回路 3 0のデータを処理して導電率出力を出力するようにすることもできる。

図 1〜図 5 に基いて作用を説明する。

図 2に典型的な測定 1サイクルのタイミングチャートを示す。図の期簡 a〜： f で測定の 1サイクルである。まず各々の信号について簡単に説明する。

(i) 上側励磁コイル C uは期間 a， b と期間 e，

励磁される。

(ii)下側励磁コイル C 1 は期間 c， dに励磁される。

(iii) 導電率測定用短絡スィッチ S ₂ は期間 e , f の間だけ閉となる。

(ίν)プリアンプ 2 7の出力には励磁の違い、短絡スィツチ S ₂ の位置に応じた出力が現れる。

(V) 第 1 の増幅回路 A M P uは上側励磁コイル C uで励磁されている閭のプリアンプ 2 7の出力を積分し積分が完了した時点でこれをホールドレ出力する。従って期間 a , bの積分値が時刻 t ₂ に確定し、期間 e， f の積分値は時刻

t 6 に確定する。

次に得られた信号の処理手順について説明する。

1. 予め次の 3種のデータを測定し演算処理部 3 1 に記憶、しておく。

① 上側励磁（下側でも可）の時の第 1 の増幅回路 AM P uの出力 E u と、その時の実流量 Qとの比 g≡ Q / E υは水位 hと導電率 cを決めてやれば一定値となる。この g ( h， c ) を測定しておく。

② 上側励磁の時の第 1 の増幅回路 AM P uの出力

E u と、下側励磁の時の第 2の増幅回路 AM P 1 の出力 E 1 との比 pョ E 1 /E u も水位 hと導電率 cを決めれば一定値となる。この p ( h . c ) を測定しておく。

③ 上側励磁で短絡スィッチ S ₂ 開の時の出力 E u と、短絡スィッチ S ₂ 閉の出力 E u ' との比 s ≡ E u ' ZE u も水位 h と導電率 c により決定される。この s ( h , c ) を測定しておく。

. 実際の計測時に得られた信号 E u， E 1 により、比 p。二 E l ZE uを求める。 p ( h , c ) = p。とおけば h— c平面上に一つの曲線が図 3のように描ける _c 勿も、この曲線は p = p。平面上にあるが、これを h 一 c平面へ正射影した曲線を使う。

背景技術で説明した計測方法では P 。と水位 h とが一対一の関係にあるとの前提に立っていた。即ち、 p o は、図 3 の点線に示すように、縦軸に平行な直線で表わされると考えていた。この発明は、 P 。が図 3 の実線で示すように、水位 h と一対一の関係になく、そこに導電率が関与しており、これが測定誤差の原因となるという発明者らが新たにみつけた課題を解決するものである。

つまり、上側コイルと下側コイルの出力 E u及び E 1 のみから正確に水位を求めることができない。そこで本発明者らは、上側コイル及び Z又は下側コィルの出力に何らかの処理を加え、得られた結果を図 3 と同様に h— c平面上の曲線とするよう検討した。そのような曲線が得られれば、それと図 3 の曲線との交点を求めることにより、上下コイルの出力から水位 h及び導電率 c を特定できることとなるからである。換言すれば、 2 つの変数 h及び c を持つ方程式を 2つ得ることにより、その解として水位 hを求める。そのとき同時に導電率 c が求まる。 ' 本発明者らは既述の比 s ≡ E u ' Z E u に注目した。そして、 s 。 = E uノ Z E u を求め、 s

( h , c ) = s 。とおくと、同じく一つの曲線が図 4 のように得られた。 h — c平面へ正射影することは同じ。

なお、流管 1 の水位 h と被測定流体の導電率 c で決まる流量計本体部分 2 4 の出ガインピーダンスを

とすると、流量計本体に発生する流量計本体に発生する流量信号 Eは図 6 に示すように、出力インピーダンス R wとプリアンプ 2 7 の入力インピーダンス R i で分圧されてプリアンプ 2 7へ入るが、通常 R w 《 R i なので、 E i ^ Eである。

ここで短絡スィッチ S ₂ を閉じてやると、同じく R s 《 R i としておけば

E i ^ R s - E / ( R w + R s )

である。従って前記 s の定義より

s = R s / ( R w + R s ) である。 R s は既知であり、 R w ( h , c ) だから s ( h , c ) と書ける。

背景技術では水位 hが流量 Q と一対一の関係にあり . P 0 = E 1 / E υ ( = 0 Β / 0 A ) が流量 Q (即ち水位 h ) と一対一の関係にあることを前提にして実流量を求めていたが、既述の説明から p 。二 p ( h , c ) であるため、より精度の高い測定を行なうには背景技術で説明した方法は利用できない。

そこで発明者らは既述の比 g≡ Q E uが水位 h及び導電率 c の関数であることに着目した。

即ち、この図 3 と図 4 と二つの曲線の交点が現在の水位 h。と導電率 c 。を現わしている（図 5 ) から、 g = g。（ h。， c 。）により g。が求まる。 gの定義により、現在の流量 Q。を Q。 = g。 E u として求める。

本手法は、 gに影響を与えるパラメ一夕 h と c を、 s ( h , c ) = s o

p ( h , c ) = p o

なる連立方程式を解いて求めようとするもので、導電率 Cを求めることで導電率の変化による誤差を捕正するものである。

図面の簡単な説明

図 1 の（a)は本発明のブロック図、（b)はその一部の詳細を示す図。

図 2 はタイミングチヤ一卜。

図 3 は h — c平面上での p曲線の図。

図 4 は h — C平面上での s 曲線の図。

図 5 は h — c平面上での p曲線と s 曲線の図。

図 6 は本発明の電気回路の要部。

図 7 は本発明の実施例の要部の電気回路。

図 8 は実施例による h — c平面上での p 曲線の図。図 9 は実施例による h — c平面上での s 曲線の図。図 1 0 は従来技術の一例の器差曲線。

図 1 1 は本発明の実施例の器差曲線。

図 1 2 は従来技術の電磁流量計のプロック図。

図 1 3 は従来技術の流量検出器で、（a)は正面図、（b)は同図（a)の A— A断面図。

図 1 4 は図 1 2 の電磁流量計のタイミングチャート。図 1 5 は従来技術による流量計方法の手順を説明する線図で、（a)は流量計出力線図、（b)は流量計出力比を示す線図、（c)は未知の流量から得た出力比から、同一水位の流量 Q を求める手順を説明する図、（d)は出力曲線〇 A から感度を求める手順を説明する図。

図 1 6 は従来技術の計測精度の検証に使用した実験装置の略図。

図 1 7 は従来技術での、実流量 Q と流量検出器の出力 O A , O Bの関係の一例を示す線図。

図 1 8 は図 1 7 のデータから計算した比 0 B Z〇 A と実流量 Q との関係を示す線図。

図 1 9 は管路勾配を変えた状態での図 1 7 に相当する出力線図。

図 2 0 は従来技術の器差特性線図。

図 2 1 は実施例の方法を説明するフローチャート。図 2 2 は g， h , c の関係を示すグラフ。

発明を実施するための最良の形態

図 7 に示すように、流路 1 の内径が ø 2 0 0 、短絡抵抗 R s 力 1 0 0 Ω、プリアンプ 2 7 の入力インピーダンスが 1 0 0 Μ Ωの場合、前記図 3 、図 4 に相当する曲線を取ると（図 8 、図 9 ) になる。

図 9 の水位 hが 1 . 0 以上の部分は満管のまま流体を圧送している状態で、便宜上プロットされている。

図 1 1 は導電率 1 3 0 0 S Z c mの流体の流量を本発明に基づき測定したデータを横軸実流量、縦軸器差 (器差 = (測定値一真値） /真値 X 1 0 0 % ) で表わしたものである。

図 1 0 に示したデータは、前記背景技術て説明した方法で同一の流体を測定したときの結果である。

' 本発明の非満水用電磁流量計は、上述のように構成されているので、導電率の変化が測定精度に与える悪影響を捕正して測定誤差を小さくできる。

5 又、本体部分の対称性に留意する制約が小さくなるので、電磁流量計本体部分の設計の自由度が増す。

更に又、導電率の情報を外部へ出力することで、導電率計としての機能をはたすことができる。

次に、実施例の測定方法を図 2 1 のフローチヤ一卜に 10 基づいて説明する。

なお、図 2 2 は、比 g≡ Q Z E u と水位 h及び導電率 c との関係を示すグラフである。この図 2 2 の関係、更には図 8 及び 9 の関係は演算処理部 3 ί のメモリに予め格納されている。

5 ステップ 1 では、短絡スィツチ S ₂ が開のときの上側コイルの出力 E u、同スィッチ S ₂ が閉のときの出力 E u ' 及び下側コイルの出力 E 1 を検出して、演算処理部 3 1 のレジス夕へ保存しておく。

ステップ 3 では、演算処理部の演算回路がレジスタか0 らそこに保存されてレ、る E u， E 1 を読み出して、 p 0 = E 1 Z E uを計算し、結果を他のレジスタに保存 ' する。

ステップ 5では、同様にして、 S 。 = Ε 1 ' / E uを計算し、結果を他のレジス夕へ保存しておく。

5 ステップ 7では、ステップ 3 で得られた p Q の値をメモリに格納されている図 8 のデータと比較して、図 8 のデータから得られた P Q に最も近いデータを選択する。一方、ステップ 5 で得られた S 。の値をメモリに格納されている図 9 のデータと比較して、その中から得られた S 。に最も近いデータを選択する。このようにして得られた 2 つのデータの交点から測定時の水位 ]! 。及び導電率 c 。が得られる。

ステップ 9 では、メモリに格納されている図 2 2 のデ一夕を参照して、ステップ 7 で決定された水位 h 。及び導電率 c 。から g 。を特定する。

ステップ 1 1 では、上側コイルの出力 E u をレジスタから読み出すとともに、該 E u とステップ 9 で得られた比 g 。を乗算し、実流量 Q。を計算する。

なお、実施例の管路の内径は 2 4 O mmである。電極 2 の寸法は、流れ方向に 4 O mmの幅を持ち、 9 0 ° の開き角度及び 2 讓の厚さを持つ。

上下のコイル形状及び寸法を図 1 4 に示す。 ' なお、コイルは 1 3 0 0 ターン巻きのものを利用した _t この発明は上記の開示に限定されない。

Claims

請求の範囲

1. 値々に励磁できる上側励磁コイル（ C u ) と下側励磁コイル（ C 1 ) と 1 対の対向する電極（ 2 2 ) を有する本体部分（ 2 4 ) と、

次の (a)〜(g)の要件を有する変換器部分（ 3 2 ) とを具備したことを特徼とする非満水用電磁流量計。

(a) 励磁回路（ 2 5 ) へ励磁のタイミングを知らせ、増幅回路（AM P ) へタイミングを知らせる励磁タイミング回路（ 2 6 ) を設ける。

(b) 短絡スィッチ（ S ₂ ) の開閉を制御するタイミング信号を発生し、同時に演算処理部（ 3 1 ) へこのタイミングを知らせる導電率測定夕イミング回路（ 2 8 ) を設ける。

(c) 励磁タイミング回路（ 2 6 ) からの信号を受け、二つの励磁コイル（ C u ) ( C 1 ) を励磁する励磁回路 ( 2 5 ) を設ける。

(d) 電極（ 2 2 ) からプリアンプ（ 2 7 ) へ至る導線をアースへ短絡する短絡抵抗（R s ) と、導電率測定夕ィミング回路（ 2 & ) からの信号により、短絡抵抗 ( R s ) を接続したり、切り離したりするスィッチ ( S 2 ) を設ける。

(e) 電極（ 2 2 ) 間の信号電圧を増幅するプリアンプ ( 2 7 ) を設ける。

(f) 増幅回路（AM P ) の出力を A Z D変換する A Z D変換回路（ 3 0 ) と、このデータを処理して流量出力信号を出力する演算処理回路（ 3 1 ) を設ける。

2. 演算処理回路（ 3 1 ) が、 A Z D変換回路（ 3 0 ) のデータを処理して導電率出力を出力する請求項 1 の非満水用電磁流量計。

3. 短絡スィッチ開時の上側コイルの出力（ E u ) と下側コイルの出力（ E 1 ) の比（ p ) を求める手段と、前記出力（ E u ) と短絡スィッチ閉時の上側コイルの出力（ E u ' ) との比（ s ) を求める手段と、

流量（ Q ) と前記出力（ E u ) の比（ g ) と水位（ h ) 及び導電率（ c ) との関係を保存する手段と、

前記比（ P ) と比（ s ) から、水位（ h ) 及び導電率 ( c ) を特定する手段と、

特定された水位（ h ) 及び導電率（ c ) を前記保存手段に保存されている関係に照らして、前記比（ g ) を特定する手段と、

該特定された比（ g ) 及び前記出力（ E u ) から流量を演算する手段と

を備えてなる非満水用電磁流量計。

4. 短絡スィッチ開時の出力（ E u ) と下側コイルの出力（ E 1 ) の比（ p ) を求めるステップと、

前記出力（ E u ) と前記短絡スィッチ閉時の上側コィルの出力（ E u ' ) との比（ s ) を求めるステップと、前記比（ p ) と比（ s ) から、水位（ h ) 及び導電率 ( c ) を特定するステップと、特定された水位（ h ) 及び導電率（ c ) を、予め求められている流量（ Q) と前記出力（ E u ) の比（ g ) と水位（ h) 及び導電率（ c ) との関係に照らして、該比

( g ) を特定するステップと、

該特定された比（ g ) 及び前記出力（ E u ) から流量を演算するステップと

からなる非満水時の流量測定方法。