JP5973897B2 - 電磁流量計 - Google Patents

Description

本発明は、各種プロセス系において導電性を有する流体の流量を測定する電磁流量計の空検知技術に関する。

一般に、導電性を有する流体の流量を測定する電磁流量計では、測定管内を流れる流体の流れ方向に対して磁界発生方向が垂直となるよう配置された励磁コイルへ、極性が交互に切り替わる励磁電流を供給し、励磁コイルからの発生磁界と直交して測定管内に配置された一対の電極間に生じる起電力を検出し、この電極間に生じる起電力に基づいて、測定管内を流れる流体の流量を測定している。

図７は、一般的な電磁流量計の構成を示すブロック図である。図８は、一般的な電磁流量計の動作（正常状態）を示す信号波形図である。
この電磁流量計５は、検出器５Ａと変換器５Ｂとから構成されている。
検出器５Ａには、主な構成として、測定管Ｐ、電極ＴＡ，ＴＢ、および励磁コイルＬが設けられている。
変換器５Ｂには、主な回路部として、励磁回路５０、交流増幅回路５１、サンプルホールド回路（ＳＨ）５２、Ａ／Ｄ変換器５３、制御回路５４、通信回路５５、電源回路５６、および表示器５７が設けられている。

励磁回路５０から検出器５Ａの励磁コイルＬに交流励磁電流を供給した場合、検出器５Ａの電極ＴＡ，ＴＢに、流体の流量に応じた大きさの起電力Ｅ０が発生する。この起電力Ｅ０は、容量素子Ｃを介して交流増幅回路５１に入力されて交流増幅された後、交流流量信号Ｅ１として出力される。

この交流流量信号Ｅ１は、サンプルホールド回路５２で、制御回路５４からのサンプリング制御信号ＳＨ１，ＳＨ２に基づいて、正側波形および負側波形のうち、波形が安定している特定期間の電圧がサンプルホールドされ、直流流量信号Ｖ１となる。この直流流量信号Ｖ１は、Ａ／Ｄ変換器５３でＡ／Ｄ変換されて制御回路５４に入力される。
制御回路５４は、直流流量信号Ｖ１の電圧値を取得して、この電圧値から流量計測値を算出し、通信回路１５で４〜２０ｍＡのアナログ直流電流に変換した後、通信回線Ｗを介してコントローラなどの上位装置（図示せず）へ通知する。

このような電磁流量計５０では、検出器５Ａの測定管Ｐ内の流体が少なく電極ＴＡ，ＴＢと接液していない、いわゆる空状態である場合、流量とは関係なく、電極ＴＡ，ＴＢで得られる起電力Ｅ０が不安定となり、流量計測値が安定しない。
図９は、一般的な電磁流量計の動作（空状態）を示す信号波形図である。流体が電極ＴＡ，ＴＢに接している正常状態では、図８に示したように、流量に応じた大きさの起電力Ｅ０が検出されるが、流体が電極ＴＡ，ＴＢに接していない空状態では、図９に示すように、起電力Ｅ０に、例えば電源周波数を持つノイズが混入する。

これは、極めて微弱な起電力Ｅ０を検出するため、電極ＴＡ，ＴＢ間のインピーダンスおよび交流増幅回路５１の入力インピーダンスがいずれも高く設計されているため、空状態の場合に、商用電源などの周囲の電磁波の影響を受けるものと考えられる。
このため、この計測流量値の不安定が、実際の流量が不安定であるために発生しているのか、流体が空状態であるために発生しているのかを検知する必要がある。

従来、このような電磁流量計における空検知技術として、検出器５Ａの電極ＴＡ，ＴＢ間におけるインピーダンスを測定して判定する技術が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。具体的には、検出器５Ａの電極ＴＡ，ＴＢと接地電位との間に電流を流して、電極ＴＡ，ＴＢに発生する電位を検出し、この電位をしきい値と比較することにより空状態か否かを判定している。

特開２０１１−２０９２３１号公報

しかしながら、このような従来技術では、検出器５Ａの電極ＴＡ，ＴＢと接地電位との間に電流を流して、電極ＴＡ，ＴＢに発生する電位を検出する必要があるため、流量検出とは別個に余分な電力を常に消費するという問題点があった。このことは、電力を潤沢に使用できる４線式電磁流量計ではあまり問題とはならないが、使用電力が制限されている２線式の電磁流量計においては、極めて深刻である。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、消費電力の増加を抑制しつつ、空状態を正確に検知できる空検知技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる電磁流量計は、測定管内を流れる流体への励磁に応じて当該流体に発生した起電力を電極で検出し、この起電力を交流増幅して得られた第１の交流流量信号を第１のサンプルホールド回路でサンプリングし、得られた第１の直流流量信号に基づき当該流体の流量値を制御回路で算出して出力する電磁流量計であって、前記第１の交流流量信号から、前記流体が前記電極に接していない空状態の際に前記起電力に混入するノイズの周波数成分を減衰させた第２の交流流量信号を出力する帯域減衰フィルタと、前記第２の交流流量信号をサンプリングすることにより第２の直流流量信号を出力する第２のサンプルホールド回路とを備え、前記制御回路は、前記第１の直流流量信号と前記第２の直流流量信号との電圧比を、所定のしきい値と比較することにより、前記空状態であるか否かを判定するようにしたものである。

また、本発明にかかる上記電磁流量計の一構成例は、前記帯域減衰フィルが、前記ノイズの周波数成分として、商用電源周波数の成分を減衰させるようにしたものである。

本発明によれば、帯域減衰フィルタとサンプルホールド回路を追加するだけで、空状態を検知することができ、消費電力の増加を抑制しつつ、空状態を正確に検知することが可能となる。

本発明の電磁流量計の構成を示すブロック図である。 帯域減衰フィルタの回路構成例である。 帯域減衰フィルタの周波数特性例である。 本発明の電磁流量計の動作（正常状態）を示す信号波形図である。 本発明の電磁流量計の動作（空状態）を示す信号波形図である。 本発明の空検知処理を示すフローチャートである。 一般的な電磁流量計の構成を示すブロック図である。 一般的な電磁流量計の動作（正常状態）を示す信号波形図である。 一般的な電磁流量計の動作（空状態）を示す信号波形図である。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［本実施の形態の構成］
まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる電磁流量計１について説明する。図１は、本発明の電磁流量計の構成を示すブロック図である。

この電磁流量計１は、全体として検出器１Ａと変換器１Ｂとから構成されており、各種プロセス系において導電性を有する流体の流量を測定する機能を有している。本実施の形態では、電磁流量計１が、２線式の通信回線Ｗを介してコントローラなどの上位装置（図示せず）との間で、４〜２０ｍＡのアナログ直流電流を用いて伝送を行う、２線式電磁流量計である場合を例として説明する。なお、４線式電流計についても、同様にして適用できる。

検出器１Ａには、主な構成として、測定管Ｐ、電極ＴＡ，ＴＢ、および励磁コイルＬが設けられている。
測定管Ｐは、全体としてステンレスなどの非磁性金属の筒体からなり、その内側に測定対象となる流体が流れる流路を構成する。
励磁コイルＬは、測定管Ｐの外側に対向して配置された一対のコイルからなり、変換器１Ｂから供給された交流励磁電流に応じて、流路を流れる流体の流れ方向に対して直交する方向に磁界を発生させる機能を有している。

電極ＴＡ，ＴＢは、励磁コイルＬで発生した磁界の方向と直交する方向に対向して、測定管Ｐの内壁に、流路を流れる流体と接液するよう配置された一対の電極からなり、磁界による流体への励磁に応じて当該流体に発生した起電力Ｅ０を検出し、変換器１Ｂへ出力する機能を有している。
なお、測定管Ｐの電位は、接地端子ＴＧを介して変換器１Ｂの接地電位と接続されている。

変換器１Ｂには、主な回路部として、励磁回路１０、交流増幅回路１１、サンプルホールド回路（ＳＨ）１２、Ａ／Ｄ変換器１３、制御回路１４、通信回路１５、電源回路１６、および表示器１７に加えて、帯域減衰フィルタ（ＢＥＦ）２１、サンプルホールド回路（ＳＨ）２２、およびＡ／Ｄ変換器２３が設けられている。

励磁回路１０は、所定の励磁周波数を持つ交流励磁電流を検出器１Ａに供給する機能を有している。
交流増幅回路１１は、検出器１Ａで得られた起電力Ｅ０を容量素子Ｃを介して入力し、この起電力Ｅ０を交流増幅し、交流流量信号Ｅ１として出力する機能を有している。

サンプルホールド回路（第１のサンプルホールド回路）１２は、制御回路１４からのサンプリング制御信号ＳＨ１，ＳＨ２に基づいて、交流流量信号Ｅ１の正側波形および負側波形のうち、波形が安定している特定期間の電圧をサンプルホールドし、直流流量信号（第１の直流流量信号）Ｖ１として出力する機能を有している。
Ａ／Ｄ変換器１３は、直流流量信号Ｖ１の電圧値をＡ／Ｄ変換して制御回路１４へ出力する機能を有している。

帯域減衰フィルタ２１は、交流流量信号Ｅ１のうち、例えば商用電源周波数の成分など、空状態の際に起電力Ｅ０に混入するノイズの周波数成分を減衰し、交流流量信号Ｅ２として出力する機能を有している。
図２は、帯域減衰フィルタの回路構成例である。ここでは、ツインＴ型のノッチ・フィルタを用いるとともに、帰還系にもオペアンプを用いた回路例が示されている。
図３は、帯域減衰フィルタの周波数特性例である。ここでは、図２の回路構成例のゲインに関する周波数特性が示されており、商用電源周波数である５０Ｈｚで、４０ｄＢ程度の減衰が得られていることが分かる。

サンプルホールド回路（第２のサンプルホールド回路）２２は、制御回路１４からのサンプリング制御信号ＳＨ１，ＳＨ２に基づいて、交流流量信号Ｅ１の正側波形および負側波形のうち、波形が安定している特定期間の電圧をサンプルホールドし、直流流量信号（第２の直流流量信号）Ｖ２として出力する機能を有している。
Ａ／Ｄ変換器２３は、直流流量信号Ｖ２の電圧値をＡ／Ｄ変換して制御回路１４へ出力する機能を有している。

制御回路１４は、全体としてＣＰＵとその周辺回路からなり、メモリ（図示せず）からプログラムを読み込んで実行することにより、各種の処理を実行する機能を有している。制御回路１４が実行する主な処理として、励磁制御処理、サンプリング制御処理、流量計測値算出処理、通信制御処理、および空検知処理がある。

励磁制御処理は、所定の励磁周波数に基づいて、励磁回路１０を駆動する処理である。サンプリング制御処理は、励磁周波数に基づきサンプリング制御信号ＳＨ１，ＳＨ２を生成してサンプルホールド回路１２，２２へ出力する処理である。流量計測値算出処理は、直流流量信号Ｖ１の電圧値に基づいて、流量計測値を算出する機能である。通信制御処理は、算出した流量計測値を、通信回路１５から通信回線Ｗを介して上位装置へ通知する処理である。

空検知処理は、Ａ／Ｄ変換器１３からの直流流量信号Ｖ１とＡ／Ｄ変換器１４からの直流流量信号Ｖ２との電圧比を、しきい値と比較することにより、検出器１Ａの測定管Ｐが空状態であるか否かを判定し、空状態と判定した場合は、通信回路１５から通信回線Ｗを介して上位装置へアラームを通知する処理である。

通信回路１５は、通信回線Ｗを介して上位装置と通信を行うことにより、流量計測値やアラームなどの情報を通知する機能を有している。
電源回路１６は、通信回線Ｗを介して上位装置から供給された電源を通信回路１５から受け取って、変換器１Ｂ内の各回路部へ分配する機能を有している。
表示器１７は、ＬＣＤやＬＥＤなどの表示素子からなり、制御回路１４からの指示に応じて、計測電流値や空検知結果などの各種情報を表示する機能を有している。

［第１の実施の形態の動作］
次に、図４および図５を参照して、本実施の形態にかかる電磁流量計１の動作について説明する。図４は、本発明の電磁流量計の動作（正常状態）を示す信号波形図である。図５は、本発明の電磁流量計の動作（空状態）を示す信号波形図である。ここでは、空状態において起電力Ｅ０に商用電源周波数の成分がノイズとして混入する場合を例として説明する。

励磁回路１０は、制御回路１４の励磁制御処理に基づいて、所定の励磁周波数の交流励磁電流を検出器１Ａの励磁コイルＬに供給する。
励磁コイルＬは、この交流励磁電流に応じて、流路を流れる流体の流れ方向に対して直交する方向に磁界を発生させる。これにより、測定管Ｐを流れる流体に、流量に応じた大きさの起電力Ｅ０が発生する。
流体が電極ＴＡ，ＴＢに接している正常状態の場合、電極ＴＡ，ＴＢは、流体に発生した起電力Ｅ０を検出し、変換器１Ｂへ出力する。

変換器１Ｂの交流増幅回路１１は、容量素子Ｃによる静電容量結合を介して入力された検出器１Ａからの起電力Ｅ０を交流増幅し、交流流量信号Ｅ１として出力する。
サンプルホールド回路１２は、制御回路１４のサンプリング制御処理で出力されたサンプリング制御信号ＳＨ１，ＳＨ２に基づいて、交流流量信号Ｅ１の正側波形および負側波形のうち、波形が安定している特定期間の電圧をサンプルホールドし、直流流量信号Ｖ１として出力する
Ａ／Ｄ変換器１３は、直流流量信号Ｖ１の電圧値をＡ／Ｄ変換して制御回路１４へ出力する。

一方、帯域減衰フィルタ２１は、交流増幅回路１１からの交流流量信号Ｅ１のうち、商用電源周波数の成分を減衰し、交流流量信号Ｅ２として出力する。
サンプルホールド回路２２は、制御回路１４からのサンプリング制御信号ＳＨ１，ＳＨ２に基づいて、交流流量信号Ｅ２の正側波形および負側波形のうち、波形が安定している特定期間の電圧をサンプルホールドし、直流流量信号Ｖ２として出力する
Ａ／Ｄ変換器２３は、直流流量信号Ｖ２の電圧値をＡ／Ｄ変換して制御回路１４へ出力する。

したがって、正常状態の場合、図４に示すように、励磁周波数と同期した起電力Ｅ０が得られるため、直流流量信号Ｖ１と直流流量信号Ｖ２の両方が、流量に応じた電圧値を示すことになる。
一方、空状態の場合、図５に示すように、励磁周波数と同期した起電力Ｅ０が得られず、起電力Ｅ０に商用電源周波数の成分が混入する。このため、商用電源周波数成分を減衰させていないＶ１は、不安定ながら、ある程度の電圧値を示すものの、商用電源周波数成分を減衰させたＶ２は、Ｖ１より大幅に小さい電圧値を示すものとなる。

この後、制御回路１４は、Ａ／Ｄ変換器１３から取得した直流流量信号Ｖ１の電圧値と、Ａ／Ｄ変換器２３から取得した直流流量信号Ｖ２の電圧値とに基づいて、空検知処理を実行する。
図６は、本発明の空検知処理を示すフローチャートである。

空検知処理において、制御回路１４は、まず、Ａ／Ｄ変換器１３から直流流量信号Ｖ１を取得するとともに（ステップ１００）、Ａ／Ｄ変換器２３から直流流量信号Ｖ２を取得する（ステップ１０１）。
次に、制御回路１４は、直流流量信号Ｖ１で直流流量信号Ｖ２を除算することにより、Ｖ１とＶ２との電圧比を計算し、この電圧比を予め設定されているしきい値Ｒｔｈと比較する（ステップ１０２）。

ここで、電圧比がＲｔｈ以上である場合（ステップ１０２：ＹＥＳ）、商用周波数成分を減衰したＶ２が、商用周波数成分の減衰していないＶ１と比較して、ある程度の大きさを有していることから、正常状態であると判定し（ステップ１０３）、一連の空検知処理を終了する。

したがって、空検知処理により正常状態と判定した場合、制御回路１４は、流量計測値算出処理により、Ａ／Ｄ変換器１３から取得した直流流量信号Ｖ１の電圧値に基づいて流量計測値を算出し、通信制御処理により、通信回路１５で４〜２０ｍＡのアナログ直流電流に変換した後、通信回線Ｗを介して上位装置へ通知する。また、その時点で空状態であった場合、制御回路１４は、通信回路１５から通信回線Ｗを介した上位装置へのアラーム通知を停止する。

一方、電圧比がＲｔｈ未満である場合（ステップ１０２：ＮＯ）、Ｖ２がＶ１に比較して、極めて小さい値を示していることから、空状態であると判定し（ステップ１０４）、一連の空検知処理を終了する。

したがって、空検知処理により空状態と判定した場合、制御回路１４は、流量ゼロを示す流量値（固定）を、通信回路１５で４〜２０ｍＡのアナログ直流電流に変換した後、通信回線Ｗを介して上位装置へ通知する。また、制御回路１４は、通信回路１５から通信回線Ｗを介して上位装置へアラーム発生を通知する。

［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、帯域減衰フィルタ２１が、交流流量信号（第１の交流流量信号）Ｅ１のうちからノイズ成分を減衰させることにより交流流量信号（第２の交流流量信号）Ｅ２を出力し、サンプルホールド回路（第２のサンプルホールド回路）２２が、交流流量信号Ｅ２をサンプリングすることにより直流流量信号（第２の直流流量信号）Ｖ２を出力し、制御回路１４が、直流流量信号（第１の直流流量信号）Ｖ１と直流流量信号Ｖ２との電圧比を、所定のしきい値Ｒｔｈと比較することにより、流体が電極ＴＡ，ＴＢに接していない空状態であるか否かを判定するようにしたものである。

これにより、正常状態である場合には、交流流量信号Ｅ１，Ｅ２がほぼ同じ電圧値を示すのに対して、空状態である場合には、起電力Ｅ０に商用電源周波数の成分などのノイズ成分が混入し、交流流量信号Ｅ１に比べて交流流量信号Ｅ２の電圧値が低下するため、空状態であると検出される。
したがって、帯域減衰フィルタ２１とサンプルホールド回路２２を追加するだけで、空状態を検知することができ、消費電力の増加を抑制しつつ、空状態を正確に検知することが可能となる。

また、本実施の形態では、しきい値を任意に設定することができるため、電磁流量計１が設置されている環境や、流量を測定する流体の種類などの要因で、空状態のときに起電力Ｅに混入するノイズ成分の大きさが変化する場合でも、しきい値を調整することにより、空状態を適切に検知することができる。

また、本実施の形態では、帯域減衰フィルタ２１で減衰させる周波数を５０Ｈｚの商用電源周波数とした場合を例として説明したがこれに限定されるものではなく、商用電源周波数が６０Ｈｚの地域では、６０Ｈｚ成分を減衰させればよい。また、帯域フィルタで減衰させる周波数を５５Ｈｚとすれば、判定精度がやや悪化するが、商用電源周波数が５０Ｈｚか６０Ｈｚかを問わず、すなわち使用地域に関係なく安定して空状態の検出が可能となる。

また、商用電源周波数以外の周波数のノイズが混入する場合には、当該ノイズの周波数成分を減衰させればよい。なお、帯域減衰フィルタ２１を回路ではなくソフトウェアで実現してもよく、これにより減衰させる周波数を任意に選択することができ、商用電源周波数の変更、さらには商用電源周波数以外の周波数のノイズが発生する場合にも、柔軟に対応できる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１…電磁流量計、１Ａ…検出器、１Ｂ…変換器、１０…励磁回路、１１…交流増幅回路、１２…サンプルホールド回路（第１のサンプルホールド回路）、１３…Ａ／Ｄ変換器、１４…制御回路、１５…通信回路、１６…電源回路、１７…表示器、２１…帯域減衰フィルタ、２２…サンプルホールド回路（第２のサンプルホールド回路）、２３…Ａ／Ｄ変換器、Ｐ…測定管、ＴＡ，ＴＢ…電極、Ｌ…励磁コイル、Ｅ０…起電力、Ｅ１…交流流量信号（第１の交流流量信号）、Ｅ２…交流流量信号（第２の交流流量信号）、Ｖ１…直流流量信号（第１の直流流量信号）、Ｖ２…直流流量信号（第２の直流流量信号）、ＳＨ１，ＳＨ２…サンプリング制御信号。

Claims (2)

1. 測定管内を流れる流体への励磁に応じて当該流体に発生した起電力を電極で検出し、この起電力を交流増幅して得られた第１の交流流量信号を第１のサンプルホールド回路でサンプリングし、得られた第１の直流流量信号に基づき当該流体の流量値を制御回路で算出して出力する電磁流量計であって、
   前記第１の交流流量信号から、前記流体が前記電極に接していない空状態の際に前記起電力に混入するノイズの周波数成分を減衰させた第２の交流流量信号を出力する帯域減衰フィルタと、
   前記第２の交流流量信号をサンプリングすることにより第２の直流流量信号を出力する第２のサンプルホールド回路とを備え、
   前記制御回路は、前記第１の直流流量信号と前記第２の直流流量信号との電圧比を、所定のしきい値と比較することにより、前記空状態であるか否かを判定する
   ことを特徴とする電磁流量計。
2. 請求項１に記載の電磁流量計において、
   前記帯域減衰フィルタは、前記ノイズの周波数成分として、商用電源周波数の成分を減衰させることを特徴とする電磁流量計。

Images