(57)【要約】【課題】励磁コイルの特性や励磁電流の大きさに応じて励磁電圧を変化させられる励磁回路および電磁流量計を提供することを目的とする。【解決手段】  励磁回路１２は、励磁電圧ＶEoutを出力し、励磁電圧ＶEoutの大きさを電圧制御信号ＳETに応じて変更可能な可変電圧電源回路１２Ａと、励磁電圧ＶEoutを所定の励磁周波数でその極性を切り替えて励磁コイルＬｅｘに印加するスイッチ回路１２Ｂと、励磁コイルＬｅｘに供給される励磁電流Ｉｅｘの大きさに基づく電流制御信号ＶAoutを生成する電流制御信号生成回路と、電流制御信号ＶAoutに基づいて励磁電流Ｉｅｘの大きさを制御する制御素子Ｔｒ５とを含み、励磁コイルＬｅｘに所定の定電流を通電させる励磁電流制御回路１２Ｃと、電流制御信号ＶAoutから電圧制御信号ＳETを生成して可変電圧電源回路１２Ａに入力する電圧制御回路１２Ｄとを備える。【選択図】  図１
2020056654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁電流の供給を受けて測定管の内部を流れる流体の流れ方向と直交する磁界を生成する励磁コイルに所定の励磁周波数でその極性を切り替えながら励磁電圧を印加するように構成された励磁回路であって、
電圧制御信号に応じてその大きさを変更可能な励磁電圧を出力するように構成された可変電圧電源回路と、
前記可変電圧電源回路が出力する励磁電圧を、所定の励磁周波数でその極性を切り替えて前記励磁コイルに印加するように構成されたスイッチ回路と、
前記スイッチ回路を通じて前記励磁コイルに供給される励磁電流の大きさに基づく電流制御信号を生成する電流制御信号生成回路と、前記電流制御信号に基づいて前記励磁電流の大きさを制御する制御素子とを含み、前記励磁コイルに所定の定電流を通電させるように構成された励磁電流制御回路と、
前記電流制御信号生成回路が生成する前記電流制御信号から前記電圧制御信号を生成して前記可変電圧電源回路に入力する電圧制御回路と
を備える
ことを特徴とする励磁回路。
【請求項２】
請求項１に記載された励磁回路において、
前記電圧制御回路は、
前記電流制御信号を検出する信号検出回路を備える
ことを特徴とする励磁回路。
【請求項３】
請求項１または２に記載された励磁回路において、
前記電圧制御回路は、
前記電流制御信号に基づいて前記電圧制御信号を徐々に変化させる時定数回路を備える
ことを特徴とする励磁回路。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載された励磁回路において、
前記電圧制御回路は、
前記励磁電圧の極性が切り替わるごとに、前記電流制御信号の変化を遅延させて前記電圧制御信号に反映させて、前記励磁電流が所定の定電流となってから所定の遅延時間が経過した後に前記励磁電圧を下げるように構成された遅延回路を備える
ことを特徴とする励磁回路。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載された励磁回路において、
前記可変電圧電源回路は、可変電圧のＤＣ／ＤＣコンバータを含む
ことを特徴とする励磁回路。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載された励磁回路において、
前記励磁電流制御回路は、
一端と他端とがそれぞれ前記制御素子の出力端子と接地端子とに接続されて、前記励磁電流の大きさを検出する抵抗と、
前記抵抗によって検出された前記励磁電流の大きさに基づいて前記制御素子の制御端子に入力する前記電流制御信号を出力する増幅器と
を含み、
前記制御素子は、
前記スイッチ回路に接続されて前記励磁電流が入力される入力端子と、前記励磁電流を出力する出力端子と、前記電流制御信号が入力される前記制御端子とを備え、前記制御素子に入力された前記電流制御信号の大きさに応じて前記入力端子と前記出力端子との間を流れる前記励磁電流の大きさを制御する三端子制御素子と
を含むことを特徴とする励磁回路。
【請求項７】
流体を流すための測定管と、この測定管の近傍に配置され、励磁電流の供給を受けて前記測定管の内部を流れる流体の流れ方向と直交する磁界を生成する励磁コイルと、前記測定管の内部を流れる流体の流れ方向および磁界の方向と直交する方向に互いに対向して配置された一対の検出電極とを有する検出器と、
前記励磁コイルに所定の励磁周波数でその極性を切り替えながら励磁電圧を印加して、前記励磁コイルに励磁電流を供給し、前記測定管の内部を流れる流体の流れ方向に対して直交する交番磁界を発生させるように構成された励磁回路と、
前記励磁回路に直流電力を供給する電源回路と、
前記励磁回路を制御して前記励磁コイルに印加する励磁電圧の極性を前記所定の励磁周波数で切り替えながら、前記検出電極から検出される検出信号に基づいて、前記測定管内を流れる流体の流量を算出する制御回路と、
を備え、
前記励磁回路は、請求項１から６のいずれか１項に記載された励磁回路
であることを特徴とする電磁流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種プロセス系において流体の流量を計測する電磁流量計、および電磁流量計の励磁コイルに励磁電流を供給する励磁回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電磁流量計は、測定管内を流れる流体の流れ方向に対して垂直な方向に磁界を発生させる励磁コイルと、その測定管内に配置され、流体の流れ方向および次回の方向と直交する方向に互いに対向して配置された一対の検出電極とを有する検出器を備えている。このような電磁流量計では、励磁コイルによって発生した磁界内を流体が流れるときに検出電極間に生ずる起電力に基づいて、その測定管内を流れる流体の流量を測定している。
【０００３】
また、このような電磁流量計においては、検出電極における分極の影響を除去するために、所定の励磁周波数でその極性を切り替えながら励磁コイルに電圧を印加する（以下、励磁するために励磁コイルに印加される電圧を「励磁電圧」という。）。これにより、励磁コイルに電流（以下、励磁コイルを流れる電流を「励磁電流」という。）を供給して交番磁界を発生させ、励磁電流が定常値となっているときに、すなわち、一定の強さの磁界が発生している期間に、検出電極間に生じる起電力（以下、「流量信号」ということがある。）を測定している。
【０００４】
ところが、矩形波からなる交流電圧を励磁コイルへ印加した場合、励磁コイルの持つ自己インダクタンスの影響で、励磁電流の立ち上がり／立ち下がりがなまる。その結果、励磁周波数を高くすると、一定の強さの磁界が発生している期間が短くなるので、流量信号を安定してサンプリングすることが難しくなり、流量値の計測誤差が大きくなる原因となる。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示された電磁流量計においては、励磁コイルに励磁電流を供給する励磁回路は、高出力電圧値と低出力電圧値の２つの異なる出力電圧値を有する直流電圧源を備え、励磁電圧の極性の切り替え後の励磁電流の過渡期間には励磁電圧として高出力電圧値が選択され、励磁電流が定常値となっている定常期間には低出力電圧値が選択される。特許文献１によれば、励磁電流の過渡期間に高出力電圧値を選択することで励磁電流をより早く定常値とする一方、定常期間には低出力電圧値を選択することで、定常期間における消費電力を抑制できることが記載されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された電磁流量計においては、２つの電圧値は固定値であるため、励磁電流の過渡期間には、励磁電流の大きさの変化にかかわらず励磁電圧として高出力電圧値の電圧が印加される。したがって、励磁電流が増大するにつれて定電流回路で無駄に消費される電力が増えてしまい、励磁回路における発熱も問題となってくる。
【０００７】
これに対し、特許文献２に開示された電磁流量計においては、可変電圧のＤＣ／ＤＣコンバータを含み、励磁コイルと直列に接続される定電圧電源と、励磁コイルと直列に接続されて、励磁コイルに流れる電流を所定値に規定するための定電流回路と、この定電流回路の残留電圧（定電流回路内の電圧降下）を検出するための残留電圧検出回路と、所定の基準電圧を出力する基準電圧回路と、残留電圧と所定の基準電圧とを比較する比較回路とを備える。特許文献２に記載された電磁流量計では、定電流回路の残留電圧と所定の基準電圧との比較結果に応じて定電圧源の出力電圧を制御する。
【０００８】
この特許文献２に開示された電磁流量計においては、定電圧電源は、残留電圧検出回路で検出された残留電圧を所定の基準電圧と比較し、比較結果が最小になるように、出力電圧を制御する。また、定電圧電源の可変電圧のＤＣ／ＤＣコンバータが、励磁コイルの電源投入時には電流を流し易くするよう高電圧を励磁コイルに印加する一方、電流が流れ出した後は電圧を降下させて一定の定電圧を印加する。
【０００９】
また、特許文献２に開示された電磁流量計によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータを使用して必要最小限度の出力電圧を生成することで、電力損失の極めて少ない励磁回路が構成できること、および、定電流回路の残留電圧に応じて定電圧源の出力電圧を制御することで、特性の異なる励磁コイルを接続しても最適な電圧を供給できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５３−０２０９５６号公報
【特許文献２】特許第５０６５６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、特許文献２に記載された電磁流量計の励磁回路を、例えば口径の異なる検出器に付け替える等、特性の異なる励磁コイルに接続する場合には、その新たな励磁コイルの特性、すなわち、直流抵抗やインダクタンスに合わせて、定電流回路の残留電圧と比較する基準電圧を変更する必要がある。
【００１２】
しかしながら、一般に基準電圧は、他の電源からレギュレータ回路等を用いて構成される。特許文献２に記載された励磁回路において、新たな励磁コイルの特性に合わせて定電流回路の残留電圧と比較する基準電圧を変更するためには、物理的な回路定数を変更しなくてはならないことに加え、基準電圧を可変とするために、基準とする要素の構成や出力電圧を変化させる信号の生成などを考えなければならず、極めて複雑な回路構成となってしまう。
【００１３】
本発明は、定電流回路の残留電圧と基準電圧とを比較することなく、励磁コイルの特性や励磁電流の大きさに応じて励磁電圧を変化させられる励磁回路および電磁流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決するために、本発明に係る励磁回路は、励磁電流の供給を受けて測定管の内部を流れる流体の流れ方向と直交する磁界を生成する励磁コイルに所定の励磁周波数でその極性を切り替えながら励磁電圧を印加するように構成された励磁回路であって、電圧制御信号に応じてその大きさを変更可能な励磁電圧を出力するように構成された可変電圧電源回路と、前記可変電圧電源回路が出力する励磁電圧を、所定の励磁周波数でその極性を切り替えて前記励磁コイルに印加するように構成されたスイッチ回路と、前記スイッチ回路を通じて前記励磁コイルに供給される励磁電流の大きさに基づく電流制御信号を生成する電流制御信号生成回路と、前記電流制御信号に基づいて前記励磁電流の大きさを制御する制御素子とを含み、前記励磁コイルに所定の定電流を通電させるように構成された励磁電流制御回路と、前記電流制御信号生成回路が生成する前記電流制御信号から前記電圧制御信号を生成して前記可変電圧電源回路に入力する電圧制御回路とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る励磁回路において、前記電圧制御回路は、前記電流制御信号を検出する信号検出回路を備えていてもよい。
【００１６】
また、本発明に係る励磁回路において、前記電圧制御回路は、前記電流制御信号に基づいて前記電圧制御信号を徐々に変化させる時定数回路を備えていてもよい。
【００１７】
また、本発明に係る励磁回路において、前記電圧制御回路は、前記励磁電圧の極性が切り替わるごとに、前記電流制御信号の変化を遅延させて前記電圧制御信号に反映させて、前記励磁電流が所定の定電流となってから所定の遅延時間が経過した後に前記励磁電圧を下げるように構成された遅延回路を備えていてもよい。
【００１８】
また、本発明に係る励磁回路において、前記可変電圧電源回路は、可変電圧のＤＣ／ＤＣコンバータを含んでいてもよい。
【００１９】
また、本発明に係る励磁回路において、前記励磁電流制御回路は、一端と他端とがそれぞれ前記制御素子の出力端子と接地端子とに接続されて、前記励磁電流の大きさを検出する抵抗と、前記抵抗によって検出された前記励磁電流の大きさに基づいて前記制御素子の制御端子に入力する前記電流制御信号を出力する増幅器とを含み、前記制御素子は、前記スイッチ回路に接続されて前記励磁電流が入力される入力端子と、前記励磁電流を出力する出力端子と、前記電流制御信号が入力される前記制御端子とを備え、前記制御素子に入力された前記電流制御信号の大きさに応じて前記入力端子と前記出力端子との間を流れる前記励磁電流の大きさを制御する三端子制御素子とを含んでいてもよい。
【００２０】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る電磁流量計は、流体を流すための測定管と、この測定管の近傍に配置され、励磁電流の供給を受けて前記測定管の内部を流れる流体の流れ方向と直交する磁界を生成する励磁コイルと、前記測定管の内部を流れる流体の流れ方向および磁界の方向と直交する方向に互いに対向して配置された一対の検出電極とを有する検出器と、前記励磁コイルに所定の励磁周波数でその極性を切り替えながら励磁電圧を印加して、前記励磁コイルに励磁電流を供給し、前記測定管の内部を流れる流体の流れ方向に対して直交する交番磁界を発生させるように構成された励磁回路と、前記励磁回路に直流電力を供給する電源回路と、前記励磁回路を制御して前記励磁コイルに印加する励磁電圧の極性を前記所定の励磁周波数で切り替えながら、前記検出電極から検出される検出信号に基づいて、前記測定管内を流れる流体の流量を算出する制御回路と、を備え、前記励磁回路は、上記に記載された励磁回路であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、励磁コイルに供給される励磁電流の大きさに基づく電流制御信号を生成し、電流制御信号から電圧制御信号を生成し可変電圧電源回路に入力するので、定電流回路の残留電圧と基準電圧とを比較することなく、励磁コイルの特性や励磁電流の大きさに応じて励磁電圧を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る電磁流量計の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る励磁回路の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る励磁回路の動作を示す信号波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［実施の形態］
以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図３を参照して詳細に説明する。
まず、図１および図２を参照して、本発明の実施の形態に係る励磁回路１２およびこれを用いた電磁流量計１について説明する。
【００２４】
［電磁流量計］
本実施の形態に係る電磁流量計１は、図１に示すように、電源回路１０、検出器１１、励磁回路１２、制御回路１３、および設定・操作器１４を備えている。
【００２５】
ここで検出器１１は、測定対象となる流体を流すための測定管Ｐｅｘと、この測定管Ｐｅｘの近傍に配置され、励磁電流Ｉｅｘの供給を受けて測定管Ｐｅｘの内部を流れる流体の流れ方向と直交する磁界を生成する励磁コイルＬｅｘと、測定管Ｐｅｘの内部を流れる流体の流れ方向および励磁コイルＬｅｘによって生成される磁界の方向と直交する方向に互いに対向して配置された一対の検出電極Ｅ１、Ｅ２とを有する。
【００２６】
励磁回路１２は、制御回路１３からの制御に基づいて、検出器１１の励磁コイルＬｅｘに対して、所定の励磁周波数で励磁極性が切り替えながら励磁電圧ＶEoutを印加して、励磁コイルＬｅｘに励磁電流Ｉｅｘを供給し、測定管Ｐｅｘの内部を流れる流体の流れ方向に対して直交する交番磁界を発生させるように構成されている。この励磁回路１２の構成および動作の詳細については後述する。
【００２７】
制御回路１３は、励磁回路１２を制御して、励磁コイルＬｅｘに印加する励磁電圧ＶEoutの極性を所定の励磁周波数で切り替えながら、検出電極Ｅ１、Ｅ２から検出される検出信号に基づいて、測定管Ｐｅｘ内を流れる流体の流量を測定するように構成されている。
【００２８】
より具体的には、この制御回路１３は、互いに相補的な二値信号である極性切替信号ＥＸＤ１、ＥＸＤ２を励磁回路１２に出力して、励磁コイルＬｅｘに印加する励磁電圧ＶEoutの極性を周期的に切り替えるとともに、励磁電流が定常値となっているときに、すなわち、一定の強さの磁界が発生している期間に検出電極Ｅ１、Ｅ２間に生じる流量信号を増幅し、増幅された流量信号をサンプリングしてその値をホールドし、サンプルホールドした値と測定管Ｐｅｘの断面積とから測定管Ｐｅｘ内を流れる流体の流量を測定する。このような制御回路１３は、図示はしないが、増幅器、中央演算回路（ＣＰＵ）または信号処理回路、Ｉ／Ｆ回路などから構成することができる。
【００２９】
なお、本実施の形態において、制御回路１３は、算出した流量を、後述する設定・操作器１４に出力するように構成されるが、例えば、ネットワークに接続されたＩ／Ｆ回路を介して図示しない上位装置に対して流量信号または流量を出力するようにしてもよい。
【００３０】
一方、電源回路１０は、交流電源ＡＣｉｎの供給を受けて直流電源を生成し、励磁回路１２および制御回路１３に供給する。このような電源回路１０は、例えば、整流回路１０Ａ、１０Ｄ、１０Ｅ、スイッチング制御回路１０Ｂ、およびトランス１０Ｃから構成することができる。
【００３１】
ここで整流回路１０Ａは、交流電源ＡＣｉｎを整流して直流電源に変換し、スイッチング制御回路１０Ｂに出力する。スイッチング制御回路１０Ｂは、直流電源の直流電圧を高周波でスイッチングしてトランス１０Ｃの一次側巻線に供給する。
整流回路１０Ｄは、トランス１０Ｃの二次側巻線から出力された高周波信号を整流して、直流のアナログ信号処理用の動作電圧と接地電圧を生成して制御回路１３に供給する。
また、整流回路１０Ｅは、トランス１０Ｃの二次側巻線から出力された高周波信号を整流して、直流の励磁用高電圧（例えば、８０Ｖ）を生成して励磁回路１２に供給する。
【００３２】
設定・操作器１４は、作業者の設定入力や操作入力を検出して制御回路１３に出力する。また、設定・操作器１４は、制御回路１３からの信号に応じて、検出された流量を示す情報などをＬＥＤやＬＣＤで表示する。
【００３３】
［励磁回路］
次に、図２を参照して、励磁回路１２について説明する。
励磁回路１２は、制御回路１３からの制御に基づいて、検出器１１の励磁コイルＬｅｘに対して、所定の励磁周波数で励磁極性が切り替えながら励磁電圧ＶEoutを印加して、励磁コイルＬｅｘに交番磁界を発生させるように励磁電流Ｉｅｘを供給する回路である。このような励磁回路１２は、図２に示すように、可変電圧電源回路１２Ａ、励磁方向切替回路１２Ｂ、励磁電流制御回路１２Ｃ、および電圧制御回路１２Ｄを備え、後述するように、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’（励磁電流制御回路１２Ｃにおいて検出された励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’）に応じて励磁コイルに印加する励磁電圧ＶEoutの大きさを変化させるように構成されている。
【００３４】
可変電圧電源回路１２Ａは、基本的には整流回路１０Ｅから直流電力の供給を受けて励磁電圧ＶEoutを出力する回路であるが、本実施の形態においては、後述する電圧制御回路１２Ｄから入力される電圧制御信号ＳETに応じて励磁電圧ＶEoutの大きさを変更可能に構成される。このような可変電圧電源回路１２Ａは、例えば、可変電圧のＤＣ／ＤＣコンバータを含むことができる。可変電圧電源回路１２Ａによって電圧値が変更された励磁電圧ＶEoutは、励磁方向切替回路１２Ｂに入力される。
【００３５】
励磁方向切替回路１２Ｂは、本発明におけるスイッチ回路として作用する回路であって、可変電圧電源回路１２Ａが出力する励磁電圧ＶEoutを、所定の励磁周波数でその極性を切り替えて励磁コイルＬｅｘに印加する。励磁方向切替回路１２Ｂによって励磁コイルＬｅｘに印加される励磁電圧の極性が所定の励磁周波数で切り替えられることによって、励磁コイルＬｅｘに供給する励磁電流Ｉｅｘの極性が正極性／負極性に切り替えられる。  
【００３６】
励磁方向切替回路１２Ｂは、具体的には、制御回路１３からの極性切替信号ＥＸＤ１、ＥＸＤ２に基づいてオン／オフするトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４から構成することができる。すなわち、励磁方向切替回路１２Ｂは、図３に示すように、それぞれ直列に接続された２対のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２とトランジスタＴｒ３、Ｔｒ４とが、ノードＮ０とノードＮ３とに互いに並列に接続されたトランジスタ回路から構成することができる。
なお、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４としては、ＦＥＴやバイポーラトランジスタなどの公知の三端子制御素子を用いることができる。
【００３７】
検出器１１の励磁コイルＬｅｘは、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２との接続点と、トランジスタＴｒ３とトランジスタＴｒ４との接続点とに、それぞれノードＮ１とノードＮ２とを介して接続される。
【００３８】
また、トランジスタＴｒ１のゲート端子とトランジスタＴｒ４のゲート端子には、上述した制御回路１３から出力される互いに相補的な二値信号である極性切替信号ＥＸＤ１、ＥＸＤ２のうちの一方（ＥＸＤ１）が入力され、トランジスタＴｒ２のゲート端子とトランジスタＴｒ３のゲート端子には、極性切替信号ＥＸＤ１、ＥＸＤ２のうちの他方（ＥＸＤ２）が入力される。すなわち、トランジスタＴｒ１は、ノードＮ０とノードＮ１との間に接続され、極性切替信号ＥＸＤ１に基づいてオンオフ動作する。トランジスタＴｒ２は、ノードＮ１と励磁方向切替回路１２Ｂの出力端子であるノードＮ３との間に接続され、極性切替信号ＥＸＤ２に基づいてオンオフ動作する。トランジスタＴｒ３は、ノードＮ０とノードＮ２との間に接続され、極性切替信号ＥＸＤ２に基づいてオンオフ動作する。トランジスタＴｒ４は、ノードＮ２とノードＮ３との間に接続され、極性切替信号ＥＸＤ１に基づいてオンオフ動作する。
【００３９】
したがって、極性切替信号ＥＸＤ１、ＥＸＤ２にしたがってトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４がオン／オフすることによって、励磁方向切替回路１２Ｂの入力端子であるノードＮ０に対して可変電圧電源回路１２Ａから供給された励磁電圧ＶEoutは、その極性を切り替えながら、ノードＮ１−Ｎ２間に接続されている検出器１１の励磁コイルＬｅｘに印加される。その結果、励磁方向切替回路１２ＢのノードＮ０に流入した励磁電流はノードＮ３から出力される。
【００４０】
励磁電流制御回路１２Ｃは、励磁方向切替回路１２ＢのノードＮ３に接続されて、励磁コイルＬｅｘに所定の定電流を通電させるように構成された制御回路である。このような励磁電流制御回路１２Ｃは、図３に示すように、ソース端子が励磁方向切替回路１２ＢのノードＮ３に接続されたトランジスタＴｒ５と、一端と他端とがそれぞれトランジスタＴｒ５のドレイン端子と接地端子とに接続されて、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’を検出する抵抗ＲEと、この抵抗ＲEによって検出された励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’、すなわち、トランジスタＴｒ５のドレイン電圧に基づいて、トランジスタＴｒ５のゲート端子に入力する電流制御信号ＶAoutを出力するオペアンプ（増幅器）Ａとから構成することができる。
【００４１】
ここで、オペアンプＡの非反転入力端子（＋）は基準電圧Ｖrefに接続され、反転入力端子（−）はトランジスタＴｒ５のドレイン端子にそれぞれ接続されている。基準電圧Ｖrefは、図示しない電源などから所望の電圧を設定すればよい。オペアンプＡが出力する電流制御信号ＶAoutは、抵抗ＲEによって検出された励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’に応じた電圧（トランジスタＴｒ５のドレイン電圧）と基準電圧Ｖrefとの差に応じた電圧信号である。したがって、電流検出用の抵抗ＲEとオペアンプＡとは、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’を一定とするためのフィードバック回路を構成し、本発明における「電流制御信号生成回路」として作用する。また、トランジスタＴｒ５は、電流制御信号ＶAoutに基づいて励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’を制御する制御素子として作用する。
【００４２】
なお、本実施の形態において、トランジスタＴｒ５として、よく知られた３端子制御素子であるＦＥＴを用い、電圧信号を電流制御信号とする電圧制御回路の例を説明したが、例えば、バイポーラトランジスタを用いた電流制御回路を用いてもよい。
【００４３】
本実施の形態においては、オペアンプＡから出力される電流制御信号ＶAoutは、トランジスタＴｒ５の制御端子に入力されるとともに、電圧制御回路１２Ｄにも入力される。
【００４４】
この電圧制御回路１２Ｄは、励磁電流制御回路１２Ｃにおいて電流検出用の抵抗ＲEとオペアンプＡとによって生成した電流制御信号ＶAoutから可変電圧電源回路１２Ａが供給する励磁電圧ＶEoutの大きさを制御する電圧制御信号ＳETを生成して、これを可変電圧電源回路１２Ａに入力する回路である。
本実施の形態において、電圧制御回路１２Ｄは、図３に示すように、信号検出回路１２Ｅ、遅延回路１２Ｆ、および時定数回路１２Ｇを備えている。
【００４５】
ここで、信号検出回路１２Ｅは、オペアンプＡから出力される電流制御信号ＶAoutを検出して、検出された電流制御信号ＶAoutに応じた検出信号Ｖdetを出力する回路である。信号検出回路１２Ｅは、よく知られたオペアンプやコンパレータなどの演算回路によって構成することができる。例えば、信号検出回路１２Ｅは、電流制御信号ＶAoutの大きさに応じた検出信号Ｖdetを出力するとともに、電流制御信号ＶAoutに対してしきい値処理を行い、電流制御信号ＶAoutの値が設定されたしきい値電圧Ｖthを下回った場合には、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’が所定の定電流の値に到達したことを検出するようにしてもよい。信号検出回路１２Ｅが出力する検出信号Ｖdetは、遅延回路１２Ｆに入力される。
【００４６】
遅延回路１２Ｆは、信号検出回路１２Ｅが出力する検出信号Ｖdet、すなわち信号検出回路１２Ｅによる電流制御信号ＶAoutの検出結果を所定の遅延時間Ｔ２だけ遅延させて出力する回路である。このような遅延回路１２Ｆは、例えば、容量素子と抵抗とを備えるＣＲ回路を用いて構成することができる。この場合、遅延時間Ｔ２は、容量や抵抗の値を調整する他、しきい値を設定することによっても所望の遅延時間とすることができる。
【００４７】
この遅延回路１２Ｆは、励磁電圧ＶEoutの極性が切り替わるごとにリセットされるとともに、電流制御信号ＶAoutに応じた検出信号Ｖdetを所定の遅延時間Ｔ２だけ遅らせた信号Ｖdelを出力する。この信号Ｖdelは、後段の時定数回路１２Ｇに入力される。
このような遅延回路１２Ｆは、定電流回路の残留電圧と基準電圧とを比較することなく、励磁コイルの特性や励磁電流の大きさに応じて励磁電圧を変化させる、という本発明の目的を達成するために必要な構成要素ではないが、本実施の形態のように遅延回路１２Ｆを設けることによって、電流制御信号ＶAoutの変化を遅延させて後述する電圧制御信号ＳETに反映させ、例えば、図３に示すように、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’が所定の定電流の値となってから所定の遅延時間Ｔ２が経過した後に励磁電圧ＶEoutを下げることができるので、励磁回路のより安定した動作を実現すること可能となる。
【００４８】
時定数回路１２Ｇは、電流制御信号ＶAoutに基づいて電圧制御信号ＳETを徐々に変化させる回路である。時定数回路１２Ｇは、例えば、容量素子と抵抗とを有する積分回路などによって構成することができる。より具体的には、時定数回路１２Ｇは、遅延回路１２Ｆから入力された信号Ｖdelに基づいて、信号Ｖdelに応じた電圧制御信号ＳETを生成し、可変電圧電源回路１２Ａに出力する。
このような時定数回路１２Ｇを設けることによって、可変電圧電源回路１２Ａが出力する励磁電圧ＶEoutを緩やかに変化させることができる。
特に、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’が所定の定電流の値となった後に容量素子を放電させるように構成することによって、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’が所定の定電流の値となるまでは、励磁電圧ＶEoutを所定の時定数にしたがって徐々に上昇させる一方、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’が所定の定電流の値となった後（遅延回路１２Ｆがあるときは、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’が所定の定電流の値となってから遅延時間Ｔ２後）に励磁電圧ＶEoutを徐々に下げることができる。
【００４９】
［励磁回路の動作］
次に、図３に示す信号波形を参照して本実施の形態に係る励磁回路１２の動作について説明する。図３においては、制御回路１３から出力される極性切替信号ＥＸＤ１、ＥＸＤ２と、励磁電流Ｉｅｘおよびその大きさＩｅｘ’と、電流制御信号ＶAoutと、検出信号Ｖdetを遅延時間Ｔ２だけ遅延させた信号Ｖdelと、電圧制御信号ＳETと、励磁電圧ＶEoutとが共通の時間軸に沿って示されている。
【００５０】
図３において、極性切替信号ＥＸＤ２がＨレベルとなり、極性切替信号ＥＸＤ１がＬレベルとなっている期間を「負極性励磁期間ＴＮ」とし、極性切替信号ＥＸＤ１がＨレベルとなり、極性切替信号ＥＸＤ２がＬレベルとなっている期間を「正極性励磁期間ＴＰ」と呼ぶことにする。
負極性励磁期間ＴＮにおいては、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ４がオフし、トランジスタＴｒ２、Ｔｒ３がオンとなるため、励磁電流ＩｅｘはノードＮ２からノードＮ１に流れる。一方、正極性励磁期間ＴＰにおいては、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ４がオンし、トランジスタＴｒ２、Ｔｒ３がオフとなるため、励磁電流ＩｅｘはノードＮ１からノードＮ２に流れる。
【００５１】
負極性励磁期間ＴＮおよび正極性励磁期間ＴＰのそれぞれ時刻Ｔ０において、励磁電圧ＶEoutの極性が切り替わると、励磁電流Ｉｅｘの方向も切り替わるが（図３、Ｉｅｘ）、励磁電圧ＶEoutの印加に伴って励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’は、励磁コイルＬｅｘのインダクタンスの影響および時定数回路１２Ｇの作用によって、予め設定された電流値まで徐々に増加していく（図３、ＩｅｘおよびＩｅｘ’のＴ０〜Ｔ１）。
【００５２】
このときも励磁電流制御回路１２ＣのオペアンプＡは、入力信号ＶREと基準電圧Ｖrefとを常時比較し、抵抗ＲEを流れる励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’が所定の定電流の値となるように、電流制御信号ＶAoutを出力して比較結果に応じてトランジスタＴｒ５を制御している。
【００５３】
オペアンプＡの出力である電流制御信号ＶAoutは、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’が所定の定電流の値となるまでは、Ｈレベルの電圧を維持し、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’が定電流の値に到達すると、オペアンプＡから出力される電流制御信号ＶAoutは、Ｌレベルの設定電圧に下がる（図３、ＶAout、Ｔ１：Ｔ０〜Ｔ１、Ｔ１’：Ｔ１〜Ｔ０）。電流制御信号ＶAoutのＨレベルの期間Ｔ１とＬレベルの期間Ｔ１’は、励磁コイルＬｅｘのインダクタンスによって変化する。
【００５４】
電圧制御回路１２Ｄの信号検出回路１２Ｅは、電流制御信号ＶAoutを検出し、検出信号Ｖdetを遅延回路１２Ｆに出力し、遅延回路１２Ｆは、検出信号Ｖdetを遅延時間Ｔ２だけ遅延させた信号Ｖdelを出力する。
【００５５】
ここで、電流制御信号ＶAoutに遅延を追加する理由を説明する。励磁電流Ｉｅｘが定電流になるまで励磁コイルＬｅｘには、電流が流れ続ける。励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’が所定の定電流の値となると、励磁コイルＬｅｘに流れ続ける電流のエネルギーなどの反発を受けて、励磁コイルＬｅｘに流れていた励磁電流Ｉｅｘが変化することになり、励磁コイルＬｅｘに印加される電流が安定しない状況が生ずる。
【００５６】
このような励磁電流Ｉｅｘの不安定な期間に励磁電圧ＶEoutを切り替えると、さらに励磁電流Ｉｅｘが不安定な状態となる。そこで、本実施の形態においては、遅延回路１２Ｆを設け、電流制御信号ＶAoutよりも遅延時間Ｔ２の遅延を与えて励磁電圧ＶEoutの切り替えを行うようにしている。
【００５７】
遅延回路１２Ｆから出力される信号Ｖdelは、電流制御信号ＶAoutおよび検出信号Ｖdetよりも遅延時間Ｔ２だけ遅れた信号であるので、時刻Ｔ３でＨレベルからＬレベルに下がるが、負極性励磁期間ＴＮから正極性励磁期間ＴＰに極性が切り替わるタイミングおよび正極性励磁期間ＴＰから負極性励磁期間ＴＮに切り替わるタイミングで、遅延回路１２Ｆの遅延処理はリセットされ、信号Ｖdelは電流制御信号ＶAoutおよび検出信号Ｖdetに対応してＨレベルとなる（図３、Ｖdel、Ｔ０）。
【００５８】
その後、時定数回路１２Ｇは、遅延回路１２Ｆから入力される信号Ｖdelに基づいて、より具体的には、信号Ｖdelを時間積分して、電圧制御信号ＳETを生成する。電圧制御信号ＳETは、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’がより早く定電流の値に到達すると、その傾きが小さくなる。なお、時定数回路１２Ｇについても、負極性励磁期間ＴＮから正極性励磁期間ＴＰに極性が切り替わると、積分効果がリセットされる。
【００５９】
可変電圧電源回路１２Ａは、時定数回路１２Ｇによって生成された電圧制御信号ＳETに応じた励磁電圧ＶEoutを出力する。励磁電圧ＶEoutのピークは電圧制御信号ＳETのピークおよび遅延が追加された信号Ｖdelのエッジの時刻とそれぞれ一致している（図３、ＶEout、Ｔ３）。
【００６０】
このように、オペアンプＡから出力される電流制御信号ＶAoutから可変電圧電源回路１２Ａの電圧制御信号ＳETを生成し、電流制御信号ＶAoutの電圧が設定された電圧に下がるまでは、可変電圧電源回路１２Ａの電圧は高い電圧となるように動作させる。すなわち、励磁コイルＬｅｘに流れる励磁電流Ｉｅｘが定電流になるまでは、可変電圧電源回路１２Ａの電圧を上げ、励磁コイルＬｅｘに印加される励磁電圧ＶEoutと、励磁電流制御回路１２Ｃへの印加電圧を上げるように動作させる。
【００６１】
励磁方向切替回路１２Ｂに印加される可変電圧電源回路１２Ａで生成された励磁電圧ＶEoutは、時定数をもって徐々に上昇させる。そのため、励磁電流制御回路１２ＣのトランジスタＴｒ５の入力端子および出力端子間の電圧を必要以上に上げることがないので、励磁電流制御回路１２Ｃでのロスを抑えることができる。
【００６２】
以上説明したように、本実施の形態に係る励磁回路１２によれば、励磁電流制御回路１２ＣのオペアンプＡから出力される電流制御信号ＶAoutを検出して、検出された電流制御信号ＶAoutに基づいて電圧制御信号ＳETを生成する。電圧制御信号ＳETによって、可変電圧電源回路１２Ａで生成される励磁電圧ＶEoutを可変に制御するので、定電流回路の残留電圧と基準電圧とを比較することなく、励磁コイルの特性や励磁電流の大きさに応じて励磁電圧を変化させることができる。
【００６３】
また、本実施の形態に係る励磁回路１２は、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’が大きくなるにつれて励磁電圧ＶEoutを徐々に上昇させるので、過渡期間における消費電力を抑えることができる。さらには、励磁コイルＬｅｘに一定の励磁電流が流れるようになると、励磁電圧ＶEoutを徐々に下げていくことで定常期間における消費電力をさらに抑えることができる。
【００６４】
また、本実施の形態に係る励磁回路１２は、特に、インダクタンスの比較的小さい励磁コイルＬｅｘを用いる場合には、より短い時間で励磁電流Ｉｅｘが定電流に到達するので、電圧制御信号ＳETによって可変電圧電源回路１２Ａで生成される励磁電圧ＶEoutを必要以上に上げることなく制御することが可能となる。
【００６５】
また、本実施の形態に係る励磁回路１２は、励磁電圧ＶEoutを可変に制御するので、定電流回路である励磁電流制御回路１２Ｃの制御素子Ｔｒ５のドレイン電圧も下げることができ、発熱などが抑えられる。
【００６６】
また、本実施の形態に係る励磁回路１２は、より簡略化された構成により、励磁回路１２を備える電磁流量計１をより小型化することができる。
【００６７】
以上、本発明の励磁回路および電磁流量計における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１…電磁流量計、１０…電源回路、１０Ａ、１９Ｄ、１０Ｅ…整流回路、１０Ｂ…スイッチング制御回路、１０Ｃ…トランス、１１…検出器、１２…励磁回路、１２Ａ…可変電圧電源回路、１２Ｂ…励磁方向切替回路、１２Ｃ…励磁電流制御回路、１２Ｄ…電圧制御回路、１２Ｅ…信号検出回路、１２Ｆ…遅延回路、１２Ｇ…時定数回路、１３…制御回路、１４…設定・操作器、Ａ…オペアンプ、Ｐｅｘ…測定管、Ｅ１、Ｅ２…検出電極、Ｌｅｘ…励磁コイル、Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４、Ｔｒ５…トランジスタ、ＲE…抵抗、Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３…ノード、ＥＸＤ１、ＥＸＤ２…極性切替信号、Ｉｅｘ…励磁電流、Ｉｅｘ’ …励磁電流の大きさ、ＶEout…励磁電圧、ＶRE…入力信号、ＶAout…電流制御信号、Ｖref…基準電圧、Ｖdet…検出信号、Ｖdel…信号、ＳET…電圧制御信号、Ｖth…しきい値電圧、Ｔｅｘ…一定周期、ＴＰ…正極性励磁期間、ＴＮ…負極性励磁期間。
【図１】
2020056654.tif 000003
【図２】
2020056654.tif 000004
【図３】
2020056654.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月31日(2019.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
一般に、電磁流量計は、測定管内を流れる流体の流れ方向に対して垂直な方向に磁界を発生させる励磁コイルと、その測定管内に配置され、流体の流れ方向および磁界の方向と直交する方向に互いに対向して配置された一対の検出電極とを有する検出器を備えている。このような電磁流量計では、励磁コイルによって発生した磁界内を流体が流れるときに検出電極間に生ずる起電力に基づいて、その測定管内を流れる流体の流量を測定している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
励磁方向切替回路１２Ｂは、具体的には、制御回路１３からの極性切替信号ＥＸＤ１、ＥＸＤ２に基づいてオン／オフするトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４から構成することができる。すなわち、励磁方向切替回路１２Ｂは、図２に示すように、それぞれ直列に接続された２対のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２とトランジスタＴｒ３、Ｔｒ４とが、ノードＮ０とノードＮ３とに互いに並列に接続されたトランジスタ回路から構成することができる。
なお、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４としては、ＦＥＴやバイポーラトランジスタなどの公知の三端子制御素子を用いることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
励磁電流制御回路１２Ｃは、励磁方向切替回路１２ＢのノードＮ３に接続されて、励磁コイルＬｅｘに所定の定電流を通電させるように構成された制御回路である。このような励磁電流制御回路１２Ｃは、図２に示すように、ソース端子が励磁方向切替回路１２ＢのノードＮ３に接続されたトランジスタＴｒ５と、一端と他端とがそれぞれトランジスタＴｒ５のドレイン端子と接地端子とに接続されて、励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’を検出する抵抗ＲEと、この抵抗ＲEによって検出された励磁電流Ｉｅｘの大きさＩｅｘ’、すなわち、トランジスタＴｒ５のドレイン電圧に基づいて、トランジスタＴｒ５のゲート端子に入力する電流制御信号ＶAoutを出力するオペアンプ（増幅器）Ａとから構成することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
この電圧制御回路１２Ｄは、励磁電流制御回路１２Ｃにおいて電流検出用の抵抗ＲEとオペアンプＡとによって生成した電流制御信号ＶAoutから可変電圧電源回路１２Ａが供給する励磁電圧ＶEoutの大きさを制御する電圧制御信号ＳETを生成して、これを可変電圧電源回路１２Ａに入力する回路である。
本実施の形態において、電圧制御回路１２Ｄは、図２に示すように、信号検出回路１２Ｅ、遅延回路１２Ｆ、および時定数回路１２Ｇを備えている。