(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定管内で交番磁界を発生させ、該測定管内に設けられた少なくとも１対の電極間の電位差の変化を流量信号として出力する検出手段と、
前記流量信号の一定周波数以下の成分を低周波数成分として抽出するノイズ分別手段と、
前記低周波数成分を基準電圧として前記流量信号のサンプリングを行うサンプリング手段と
を備えることを特徴とする電磁流量計。
【請求項２】
前記ノイズ分別手段は、前記流量信号の、前記サンプリング手段がサンプリングを行うサンプリング周波数の１／２〜１／１０以下の周波数成分を前記低周波数成分として抽出することを特徴とする請求項１記載の電磁流量計。
【請求項３】
前記ノイズ分別手段は、前記流量信号の、前記流体物による流体ノイズの周波数以下の周波数の成分を前記低周波数成分として抽出することを特徴とする請求項１記載の電磁流量計。
【請求項４】
入力された流量信号のサンプリングを行う、電磁流量計で用いられる変換器であって、
前記流量信号の一定周波数以下の成分を低周波数成分として抽出するノイズ分別手段と、
前記低周波数成分を基準電圧として前記流量信号のサンプリングを行うサンプリング手段と
を備えることを特徴とする電磁流量計の変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配管を流れる水等の導電性を有する各種流体の流量を測定する電磁流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種プラントにおいて、配管を通じて供給される水などの導電性を有する各種流体の流量の測定には電磁流量計が広く用いられている。
【０００３】
電磁流量計は、粘度や密度などの流体の組成に関わらず、殆どの導電性の流体の流量が計測可能であり、測定可能な流量範囲の広いことや、圧力損失が無視できる等の特徴を有し、特にプラントや水処理設備などにおける流量の管理・制御に利用されている。
【０００４】
図３は、この電磁流量計の基本構成を示す図である。
電磁流量計は大きく分けて、流量測定し、その変化を電圧値の変化（以下流量信号という）として出力する検出器１０と、この流量信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換してデジタルデータとして出力する変換器２０により構成されている。
【０００５】
電磁流量計の測定原理はファラデーの電磁誘導の法則に基づいており、磁束を切る導体には起電力が生じる電気磁気的現象を利用したものである。測定管内を流れる導電性流体にその流れと直交する向きに磁界を加えると、流体にはその流れの方向と加える磁界の向きとに対して共に直交する方向に起電力が生じる。この起電力の値は導体の移動速度である流体の速度に比例するので、この値を測定することによって流量を求めるのが電磁流量計である。検出器１０では測定管１１内に流れる流体に対して交番磁界を印加し、磁界と互いに直交する方向に配置された１対の電極１２、１３間に発生する起電力を測定管１１内を流れる流量に対応する流量信号として変換器２０に出力する。
【０００６】
変換器２０では、検出器１０からの起電力を差動増幅器２１により増幅する。
検出器１０から出力される流量信号は非常に微弱で、数１０μＶ〜数ｍＶ程度であり、周囲のノイズの影響を大きく受ける。従って、周囲を取り巻く商用電源の影響によるノイズを除去する為に、検出器１０では商用電源周波数に同期させて励磁を行い、また変換器２０では該商用電源周波数に同期させて信号のサンプリングを行っている。
【０００７】
差動増幅器２１により増幅された流量信号は、プラント内で用いられている商用電源によるノイズを除去するため、その周期（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）と同期したタイミングで同期サンプリング部２２でサンプルリングされる。同期サンプリング部２２では、差動増幅器２１から入力される信号を上記商用電源の周期に同期して、信号値がプラスである時はサンプル部２５により、マイナスの時はサンプル部２６によりＧＮＤ値を基準電圧としてサンプリングを行い、これを差動回路２７により増幅した後出力する。そしてこの出力信号は、後段の平滑回路２３により平滑化された後Ａ／Ｄ変換部２４によりデジタル化され、その値に基づいて不図示のマイクロプロセッサにより流量値が計算され、出力される。
【０００８】
図４は、流量信号にノイズが加わっていない理想時を想定した場合の、図３の電磁流量計の各位置での応答波形を示す図である。尚図４中の各信号に付されているａ〜ｅの記号は図３内に記載されている同一記号の位置での信号であることを示している。
【０００９】
図４に於て、流量信号ａ１は検出器１０からの出力を増幅器２１により増幅したもので、励磁コイルに加える交流電流の周期Ｔ（プラントで用いられている商用電源の周期若しくはそれを分周したもの）で流量値に比した電圧値の方形波として出力される。
【００１０】
またこの量流信号ａ１がプラスの時の信号をサンプリングするサンプル部２５には図４のサンプル信号ｂ１が、マイナス時の信号をサンプリングするサンプル部２６にはサンプル信号ｃ１がそれぞれ供給される。サンプル部２５、２６は、サンプル信号がＯＮの時は入力される流量信号をＧＮＤ値（０Ｖ）を基準として、すなわちそのまま出力し、ＯＦＦの時は０Ｖを出力する。このサンプル部２５、２６に加えられるサンプル信号ｂ１、ｃ１は、周期Ｔの方形パルス信号で、流量信号ａ１がプラス時にはサンプル部２５が、マイナス時にはサンプル部２６がサンプリングする様それぞれＴ／２周期ずれてＯＮとなる。この様にこのサンプル信号ｂ１、ｃ１によりサンプリングされて入力された信号は、ｄ１の様な一定の振幅値を持つ方形波として差動回路２７より出力され、これを平滑化部２３により平滑化するとｅ１の様なフラット直流成分が得られ、これをＡ／Ｄ変換したデータを用いることにより、正確な流量値を求めることが出来る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
この様な電磁流量形では、次の様な問題があった。
電磁流量計では、流体に加える磁界を発生させる手段として、測定管１０の外周部に対向して配置される一対の励磁コイル（不図示）を交流電流で励磁しているが、流体に励磁を行なうと、流体中を流れる微弱電流によって流体と電極界面との間で電気化学反応を連続的に発生し、この反応による界面の状態の変化や微弱な起電力の発生、あるいは界面の電気抵抗の変動などが生じる。これらはいずれも経時的に変化したり、あるいは流速によっても変動して一定せず、そのため流量信号に対するノイズとして観測される。
【００１２】
この流体のイオン性に起因する電気化学的ノイズは、その周波数をｆとすると大きさが１／ｆの特性を示す。よって低周波数領域に移るほど大きくなり、大きな直流オフセット電圧を与える。この流体ノイズは変換部回路内部で飽和を発生させたり、また測定流量値のふらつき等の原因となることが知られている。
【００１３】
図５に、電気化学的ノイズを含む流体ノイズを考慮した場合の変換部回路内の応答波形の一例を示す。
図５では、流量信号ａ２は検出器１０からの出力を増幅器２１により増幅したもので、図４の流量信号ａ１に対応する。この流量信号ａ２には、周期Ｔより波長の長い（周波数の低い）ノイズが乗っている。そのため、検出器１０からの流量信号の直流分は低い周波数で大きく変動し、またこれをサンプリングした差動回路２７の出力ｄ２は流量信号ａ２と同様に低周波数成分の波形に流量信号が畳み込まれた波形となる。よってこの後段の回路である平滑化部２３の出力ｅ２は、図５の様に低周波数成分流体ノイズによるうねりをそのまま反映したものとなる。
【００１４】
この様なうねりは、図５の差動回路２７の出力ｄ２、平滑化部２３の出力ｅ２の波形に見られるように、それぞれ差動回路２７の出力飽和、及び流量の測定値のばらつきの原因となり、精度の良い流量測定を困難とする。
【００１５】
この流体ノイズは、例えば図３の増幅部２１をＨＰＦ（ハイパスフィルタ）構成にして流量信号の低周波数成分を減衰させ、高域周波数成分を増幅してもその影響を完全に除去することは難しい。
【００１６】
また別の対策方法として、増幅部２０の電源電圧拡大によりダイナミックレンジを確保する方法、あるいは平滑化部２３の時定数の大きくする方法等が考えられるが、前者においては、電源電圧の拡大が流体ノイズのない実使用上のダイナミックレンジの拡大には寄与がなく、また、平滑回路２３の時定数を大きくした場合には、回路応答の遅れ等の問題が発生する。
【００１７】
本発明は上記問題点を解決した電磁流量計を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明による電磁流量計は、検出手段、サンプリング手段及びノイズ分別手段を備える。
【００１９】
検出手段は、測定管内で交番磁界を発生させ、該測定管内に設けられた少なくとも１対の電極間の電位差の変化を流量信号として出力する。
ノイズ分別手段は、上記流量信号の一定周波数以下の成分を低周波数成分として抽出する。
【００２０】
サンプリング手段は、ノイズ分別手段が抽出した上記低周波数成分を基準電圧として上記流量信号のサンプリングを行う。
上記ノイズ分別手段による流量信号の低周波数成分の抽出は、例えば、上記サンプリング手段がサンプリングを行うサンプリング周波数の１／２〜１／１０以下の周波数成分を抽出することにより行われる。
【００２１】
上記ノイズ分別手段による流量信号の低周波数成分の抽出は、あるいは、上記流量信号の上記流体物による流体ノイズの周波数以下の周波数の成分を上記低周波数成分として抽出することにより行われる。
【００２２】
また本発明は、電磁流量計だけでなく、電磁流量計に用いられる変換器も含む。
本発明によれば、ノイズ分別手段により流量信号内の低周波数成分が抽出され、該低周波数成分を基準電圧としてサンプリング手段によりサンプリングされるので、流量信号に低周波数のノイズが含まれていても、該ノイズの動きに追従しながらサンプリングを行うことが出来る。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１に本実施形態に於ける電磁流量計の基本構成を示す図である。
図１の電磁流量計は、検出器３０と変換器４０より構成されている。このうち検出器３０は、図３の検出器１０と基本的に同じものであり、測定管３１内を流れる流体物に商用電源と同じ周波数の交番磁界を印加し、測定管３１の内壁に設けられた電極３２、３３間に発生する電圧の変化をその流体物の流量の変化を表す流量信号として出力する。
【００２４】
変換器４０は、図３の変換器２０に対応するもので、検出器３０から出力される数１０μＶ〜数ｍＶ程度の微弱な信号を増幅した後、プラントで用いられている商用電源によるノイズを除去するために、該商用電源の周波数若しくは流量計の設置環境によっては該商用電源周波数を分周したものに同期してサンプリングを行った後に、平滑化、Ａ／Ｄ変換する。そしてその値に基づいて不図示のマイクロプロセッサにより流量値を計算し、出力する。
【００２５】
変換器４０では、検出器３０から出力される微弱な流量信号をまず増幅部４１により増幅する。この増幅部４１はＨＰＦとなっており、流量信号の低周波数成分を減衰させ、高域周波数成分を増幅して出力する。この出力信号は、サンプリング部４２に入力されてサンプリングされると共にノイズ分別部５０に入力される。
【００２６】
なお、検出器３０の電極は必ずしも１対とは限らず、複数対ある構成の場合もある。この場合には、変換器４０は、電極の各対毎に増幅部４１を設け、これらの出力を加算器により加算したものを出力信号としてサンプリング部４０及びノイズ分別部５０に入力する構成となる。
【００２７】
ノイズ分別部５０は、オペアンプ５１、抵抗Ｒ５２、５３及びキャパシタＣ５４より構成されるＬＰＦ（ローパスフィルタ）回路である。
流量信号に含まれている流体ノイズは、６Ｈｚ前後と電磁流量計が同期させている商用電源に比べて十分に低い周波数である。よって、流量信号をＬＰＦであるノイズ分別部５０に通すと、含まれている低周波の流体ノイズのみを抽出することが出来る。
【００２８】
このＬＰＦであるノイズ分別部５０は、フィルタのカットオフ周波数が流量信号の周波数に近いと流量信号の信号レベルを落とすことになる。また、流体ノイズは、その周波数ｆに対して強さが１／ｆの特性を持つため、低い周波域にほどその影響は大きくなる。よって抵抗Ｒ５３とキャパシタＣ５４の値で決定されるフィルタの時定数は、余り過大に取る必要はなく、流量信号の周波数よりある程度大きな値、すなわち流量信号の時定数の２〜１０倍程度とする。これによりノイズ分別部５０によって抽出される周波数成分は、流量信号の周波数、すなわちプラントで用いられる商用電源の周波数若しくは後述する同期サンプル部４２でのサンプリング周波数の１／２〜１／１０以下のものとなる。
【００２９】
なおこの図１のノイズ分別部５０の回路構成は一例であり、本実施形態でのノイズ分別部５０の構成はこれのみに限るものではなく、上記周波数域の成分を抽出することが出来るＬＰＦであれば、他の構成でもかまわない。
【００３０】
このノイズ分別部５０によって抽出された流量信号の低周波数成分は、同期サンプル部４２に入力される。
同期サンプル部４２は、プラント内で用いられている商用電源によるノイズを除去するため、検出部３０から出力される流量信号を商用電流の周波数、若しくはこの電磁流量計の設置環境によりそれを１／Ｎ（Ｎ＝２、３．．）に分周した周波数に同期して流量信号のサンプリングを行う。
【００３１】
この同期サンプリング部４２は、サンプル信号に同期して出力を切り替えるサンプル部４５、４６と該サンプル部４５と４６との出力の差を増幅して出力する差動回路４７により構成されている。
【００３２】
このうちサンプル部４５、４６は入力サンプル信号に同期して出力を切り替えるスイッチで、サンプル信号がＯＮの時は入力信号に基づいた出力信号を、ＯＦＦの時は０Ｖを出力する。このサンプル部４５、４６には入力信号として増幅部４１からの流量信号とノイズ分別部５０により抽出された流量信号の低周波数成分が入力され、サンプル信号がＯＮの時には、該低周波数成分を基準電圧とした流量信号、すなわち流量信号から低周波数成分を差し引いたものを出力信号として出力される。
【００３３】
また差動回路４７は、入力信号を差動増幅するもので、２つの入力のうち＋側に入力された信号と−側に入力された信号との差、すなわち＋側の信号に−側の信号を反転して重ね合わせた信号を出力する。
【００３４】
流量信号がプラスの時サンプル部４５により、流量信号がマイナスの時サンプル部４６によりサンプリングが行われるように、１／２周期位相のずれたサンプリング信号をそれぞれに与えると、同期サンプル部４２からは、流量信号の低周波数成分が除去されたものに対してサンプリングされたものが出力される。
【００３５】
この様に同期サンプル部４２では、低周波数の流体ノイズ分によるうねりに追従しながら同期サンプリングが行われる。そしてこの同期サンプル部４２からの出力信号は、後段の平滑回路４８により平滑化された後Ａ／Ｄ変換部４９によりデジタル値化され、その値に基づいて不図示のマイクロプロセッサにより流量値が計算され、出力される。
【００３６】
この様に本実施形態の電磁流量計では、流体ノイズ等による低周波数成分だけを抽出し、これを同期サンプリングのための基準値として用いることにより、流体ノイズによるうねりが同相分として差動回路４７への入力となる。よって、差動回路４７の出力からは流体ノイズによる大きな直流成分が除去される。これにより、差動回路４７の出力が大きな直流成分により飽和することが無くなり、よって、次段の平滑化部出力値も安定する。
【００３７】
図２は、流体ノイズを含んだ流量信号に対する図１の電磁流量計の各位置での応答波形を示す図である。尚図２中の各信号に付されているａ〜ｈの記号は図１内に記載されている同一記号の位置での信号であることを示している。
【００３８】
図２に於て、流量信号ａ３は検出器３０からの出力を増幅部４１により低周波数成分を減衰させ、高域周波数成分を増幅したものであるが、図２の様に、増幅部４１を通過させた後でも流体ノイズの影響を完全に除去できてはおらず、流量信号ａ３は電磁流量計が同期している商用電源の周期Ｔより大きな周期（低い周波数）でうねりが発生している。
【００３９】
この量流信号ａ３がプラスの時にサンプリングを行うサンプル部４５には、図２のサンプル信号ｂ３が、マイナスの時の信号にサンプリングするサンプル部４６にはサンプル信号ｃ３がそれぞれ供給される。このサンプル信号ｂ３、ｃ３は、周期Ｔの方形パルス信号で、流量信号ａ３がプラスになる時にサンプル部４５が、マイナスになる時にサンプル部４６がサンプリングを行う様それぞれＴ／２周期ずれてＯＮとなる。
【００４０】
ｆはノイズ分別部５０の出力で、増幅部４１から入力される流量信号ａ３より流体ノイズ等の低周波成分のみが抽出され出力されたものである。
サンプル部４５、４６ではこのノイズ分別部５０の出力ｆをサンプリングの基準電圧とし、サンプル信号ｂ３、ｃ３がＯＮの時はこの信号ｆを基準値として流量信号ａ３に対してサンプリングを行ったもの、すなわち流量信号ａ３からノイズ分別部５０からの出力ｆを引いたものが出力され、またサンプル信号ｂ３、ｃ３がＯＦＦの時は０Ｖが出力される。
【００４１】
ｇ、ｈは差動回路４７の入力信号で、信号ｇは差動回路４７の＋側の入力信号（サンプル部４５の出力信号）、信号ｈは差動回路４７の−側の入力信号（サンプル部４６の出力信号）である。信号ｇ、ｈを見ると判るように、サンプル部４５、４６で信号ｆを基準値としてサンプリングを行ったため、これらには流体ノイズによる低周波のうねりが除去されている。
【００４２】
この信号ｇ、ｈ入力信号として差動回路４７により差動増幅を行ったものが、差動回路４７の出力ｄ３である。この出力ｄ３は、図２に示す様な一定の振幅値を持つ方形波として得られ、これは平滑化部４８により容易に平滑化することが出来る。
【００４３】
ｅ３はこの平滑化部４８により平滑化された平滑化部４８の出力信号を示すものである。本実施形態の電磁流量計では、流量信号に流体ノイズによる低周波数成分が含まれていても図２のｅ３の様な流体ノイズによる大きな直流成分が除去されたフラット直流成分が得られ、これをＡ／Ｄ変換部４９によりデジタル化したデータを用いて不図示のマイクロプロセッサにより流量値を計算することにより正確な流量値を求めることが出来る。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、流体ノイズが流量信号に含まれる場合に於ても、低周波数の流体ノイズ分の動きに追従しながらサンプリングが行われるので、流体ノイズによる影響を除去することが出来、精度の良い流量の測定が可能となる。
【００４５】
また流体ノイズによる大きな直流成分が無くなるので、これにより変換器が飽和することが無くなり、またその出力値も安定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態での電磁流量計の基本構成を示す図である。
【図２】本実施形態での電磁流量計内の各位置での、流体ノイズを含んだ流量信号に対する各応答波形を示す図である。
【図３】電磁流量計の基本構成を示す図である。
【図４】流量信号にノイズが加わっていない理想時を想定した場合の電磁流量計内の応答波形を示す図である。
【図５】流体ノイズが加わった場合の電磁流量計内の信号波形の例を示す図である。
【符号の説明】
１０、３０  検出器
１１、３１  測定管
１２、１３、３２、３３  電極
２０、４０  変換部
２１、４１  増幅器
２２、４２  同期サンプル部
２３、４８  平滑化部
２４、４９  Ａ／Ｄ変換部
２５、２６、４５、４６  サンプル部
２７、４７  差動回路
５０  ノイズ分別部
【図１】
0003658975.tif 000002
【図２】
0003658975.tif 000003
【図３】
0003658975.tif 000004
【図４】
0003658975.tif 000005
【図５】
0003658975.tif 000006