(57)【要約】【課題】電磁流量計における励磁周波数が５Ｈｚ以下の超低周波励磁において、想定される複数の電源周波数のいずれも用いても商用電源ノイズを効果的に除去する。【解決手段】実施形態の電磁流量計は、測定管を流れる流体に印加する磁場を生成する励磁コイルと、当該励磁コイルに所定の励磁周波数を有する方形波状の励磁電流を流す励磁回路と、前記磁場の印加方向と前記流体を流す管軸方向とに直交する方向に設けられた一対の電極間に発生する電極間信号を所定のサンプリング期間においてサンプリングしてサンプリング信号に基づいて流量を求める演算部と、を備える。電磁流量計は、複数の電源の電源周波数に対応可能であり、サンプリング期間を、複数の電源の電源周波数の１周期に要する時間の公倍数の時間となるように設定した。【選択図】図２
2014206508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定管を流れる流体に印加する磁場を生成する励磁コイルと、当該励磁コイルに所定の励磁周波数を有する方形波状の励磁電流を流す励磁回路と、前記磁場の印加方向と前記流体を流す管軸方向とに直交する方向に設けられた一対の電極間に発生する電極間信号を所定のサンプリング期間においてサンプリングしてサンプリング信号に基づいて流量を求める演算部と、を備え、複数の電源の電源周波数に対応可能な電磁流量計であって、
前記サンプリング期間を、複数の電源の電源周波数の１周期に要する時間の公倍数の時間となるように設定した、
電磁流量計。
【請求項２】
前記複数の電源周波数は、Ｆ１［Ｈｚ］及びＦ２［Ｈｚ］であり、
前記サンプリング期間Ｔ［ｍｓ］とした場合に、前記サンプリング期間Ｔは、
（１０００／Ｆ１）［ｍｓ］及び（１０００／Ｆ２）［ｍｓ］
の公倍数となるように設定した、
請求項１記載の電磁流量計。
【請求項３】
前記複数の電源周波数は、Ｆ１＝５０［Ｈｚ］及びＦ２＝６０［Ｈｚ］であり、
前記サンプリング期間Ｔ［ｍｓ］とした場合に、前記サンプリング期間Ｔは、
（１０００／５０）［ｍｓ］及び（１０００／６０）［ｍｓ］
の公倍数となるように設定した、
請求項１または請求項２記載の電磁流量計。
【請求項４】
前記サンプリング期間Ｔ＝１００［ｍｓ］
とした、
請求項３記載の電磁流量計。
【請求項５】
測定管を流れる流体に印加する磁場を生成する励磁コイルと、当該励磁コイルに所定の励磁周波数を有する方形波状の励磁電流を流す励磁回路と、前記磁場の印加方向と前記流体を流す管軸方向とに直交する方向に設けられた一対の電極間に発生する電極間信号を所定のサンプリング期間においてサンプリングしてサンプリング信号に基づいて流量を求める演算部と、を備え、複数の電源の電源周波数に対応可能な電磁流量計において実行されるノイズ除去方法であって、
前記複数の電源の電源周波数を取得する過程と、
前記サンプリング期間を、取得した前記複数の電源の電源周波数の１周期に要する時間の公倍数の時間となるように設定する過程と、
を備えたノイズ除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電磁流量計及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、環境負荷の低減、運転コストの削減などの目的で電磁流量計にも低消費電力化が求められる傾向がある。また、内蔵電池によって駆動する方式の電磁流量計の製品化も増加している。
【０００３】
特に新興国の水道インフラ事業などで、内蔵電池によって駆動する電磁流量計が機械式流量計に代わるものとして注目されている。
従来、電磁流量計の低消費電力化のための技術的な解決策の一つとして励磁周波数を数Ｈｚから数十分の１にまで低速化する方法が提案されている。
【０００４】
以下の説明においては、便宜上、電磁流量計における励磁周波数が５Ｈｚ以下の励磁を超低周波励磁と呼ぶことにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７５２３２４号公報
【特許文献２】特許第３６９５０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、超低周波励磁においては、Ｓ／Ｎが低下し、外来ノイズの影響を受け易くなるというデメリットが知られている。
【０００７】
これを解決するための公知の技術として、外来ノイズを除去する様々な方法が提案されている。
例えば、商用電源によるノイズ影響を避けるための電磁流量計の公知の技術としては、正極性と逆極性のサンプリング間隔を商用電源周期の整数倍とする方法（特許文献１参照）や、サンプリング期間を商用電源の１周期とする方法（特許文献２参照）が挙げられる。
しかしながら、一般にこれらの技術は数十Ｈｚ程度の励磁周波数を前提とした方法が多く、昨今の状況からは、超低周波励磁においてより適したノイズ除去方法が要望されている。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、超低周波励磁において想定される複数の電源周波数のいずれも用いても商用電源ノイズを効果的に除去することが可能な電磁流量計及び制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の電磁流量計は、測定管を流れる流体に印加する磁場を生成する励磁コイルと、当該励磁コイルに所定の励磁周波数を有する方形波状の励磁電流を流す励磁回路と、前記磁場の印加方向と前記流体を流す管軸方向とに直交する方向に設けられた一対の電極間に発生する電極間信号を所定のサンプリング期間においてサンプリングしてサンプリング信号に基づいて流量を求める演算部と、を備える。
ここで、電磁流量計は、複数の電源の電源周波数に対応可能であり、サンプリング期間を、複数の電源の電源周波数の１周期に要する時間の公倍数の時間となるように設定した。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態の電磁流量計の概要構成ブロック図である。
【図２】図２は、実施形態のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
ここで、具体的な実施形態の説明に先立ち、実施形態の基本的な考え方について説明する。
【００１２】
まず、従来のノイズ低減方法の問題点について検討する。
実施形態の対象となる超低周波励磁において、正極性と逆極性のサンプリング間隔（サンプリング周期）を商用電源周期の整数倍とする方法を採用した場合、商用電源周波数の変動により、ノイズ除去効果が低下する欠点がある。
【００１３】
例えば、励磁周波数を１／２Ｈｚ程度としたい場合、正極性のサンプリングタイミングと逆極性のサンプリングタイミングとの間の間隔であるサンプリング間隔を１０００ｍｓとすれば、その間隔は５０Ｈｚ周期の５０倍、６０Ｈｚ周期の６０倍であり、いずれの商用電源周波数の周期に対しても整数倍となる。
【００１４】
しかし、商用電源周波数が＋１％変動すると、サンプリング間隔（サンプリング周期）１０００ｍｓは５０．５Ｈｚ周期の５０．５倍、６０．６Ｈｚ周期の６０．６倍となる。したがって、商用電源周波数の周期に対して（整数＋０．５）倍に近くなり、最もノイズ影響を受け易いサンプリング間隔となってしまう。
【００１５】
ところで、日本国内において商用電源周波数の目標精度は±０．３Ｈｚ以内であり、電源周波数変動によってノイズ除去効果が低下することは十分考えられる。また電力需給の調整技術が未熟な新興国や、今後増えるであろう太陽電池、風力などの不安定な電力供給源の割合が多い地域、あるいは特定の事業所内での給電を目的とした小規模発電をしている場所などにおいて、同様に電源周波数変動によってノイズ除去効果が低下することが考えられる。
【００１６】
また、設定されたサンプリング間隔となるように、サンプリングタイミングを安価なセラミック振動子やマイコン素子内蔵形のシリコン振動子によって生成した場合、温度変動環境下で１％の時間変動を生ずることもあり得る。このため、商用電源周波数が変動した場合と同様の状態となる虞がある。
【００１７】
一方、サンプリング期間を商用電源の１周期とした場合、数十Ｈｚで励磁する一般的な電磁流量計においては、サンプリング期間は５０Ｈｚ周期である１０００／５０ｍｓ=２０ｍｓか、６０Ｈｚ周期である１０００／６０ｍｓ＝約１６．７ｍｓのいずれかにせざるを得ない。したがって、このサンプリング期間を超低周波励磁において採用した場合、単位時間当たりのサンプリング期間（以下サンプリング密度と呼ぶ）が低下し、Ｓ／Ｎが低下する虞がある。
【００１８】
また、商用電源周波数の異なる地域毎に適したサンプリング期間が異なるため、設定によって切替える等の対応が必要となるというデメリットが生じ得る。
【００１９】
そこで、本実施形態の電磁流量計は、超低周波励磁において流量信号のサンプリング期間を、複数の電源の電源周波数を用い、１０００／電源周波数（Ｈｚ）の値を求め、得られた複数の値の公倍数に設定している。換言すると、電源周波数（Ｈｚ）の逆数は、電源周期であるので、各電源の電源周波数の１周期に要する時間（ｍｓ）の公倍数となるようにしている。
【００２０】
具体的には、電源として商用交流電源を用いる場合、その周波数は、５０［Ｈｚ］あるいは６０［Ｈｚ］であるので、（１０００／５０）ｍｓ及び（１０００／６０）ｍｓの公倍数に設定している。
【００２１】
この結果、流量信号に商用電源ノイズが重畳していても、そのノイズは一般に正弦波に近い、正負対象の波形であるため、サンプリング期間が商用電源周期の整数倍であることにより、ノイズのサンプリング期間の積分量をゼロとすることができ、ノイズを除去できる。
【００２２】
さらに、正極性と逆極性のサンプリング間隔（サンプリング周期）よりも、サンプリング期間の方を遥かに短い時間に設定することにより、商用電源周波数が例え変動しても、ノイズ除去効果が低下しにくくすることができる。
【００２３】
例えば、サンプリング期間を１００ｍｓに設定した場合、励磁周波数１／２Ｈｚで商用電源周波数が１％変動しても、サンプリング期間１００ｍｓは５０．５Ｈｚの５．０５倍（≒５倍）、６０．６Ｈｚの６．０６倍（≒６倍）となり、商用電源周期の整数倍に近い状態を維持できる。
【００２４】
これは、タイミング発生回路に安価なセラミック振動子やマイコン内蔵のセラミック振動子を採用したことによりサンプリング期間が温度により変動する場合も同様である。なお、低消費電力設計がなされたマイコンの内蔵振動子を使用して製品機能を実現できることは、低消費電力化設計においても有利に作用する。
【００２５】
さらにまた、サンプリング期間を商用電源周期の１周期とした場合よりサンプリング期間（例えば、１００ｍｓ）が長いため、サンプリング密度が高くなり、Ｓ／Ｎの改善に効果がある。流量信号に周波数がランダムなノイズが重畳していた場合、サンプリング期間がＮ倍となることで、１回のサンプリングにおけるノイズによるばらつきは統計的に１／√Ｎとなる。また、サンプリング期間は５０Ｈｚ周期、６０Ｈｚ周期いずれの整数倍でもあるため、設置する地域により設定を切替える等の対応を必要としない。
【００２６】
次により具体的な実施形態について説明する。
図１は、実施形態の電磁流量計の概要構成ブロック図である。
電磁流量計１００は、流量を検出するための検出器１と、検出器１の出力信号に基づいて流量信号を生成し、出力する変換器２とを備えている。
【００２７】
検出器１は、導電性の流体が流れる測定管１１と、測定管１１に導電で性の流体を挟んで設けられる１対の電極１２と、測定管１１の近傍に配置され励磁電流が流れることにより励磁用磁場を生成する励磁コイル１３と、を備えている。
【００２８】
以下の説明においては、励磁電流の一方の方向への流れを正励磁電流、他方の方向への流れを負励磁電流と呼び、正負励磁電流により生成される磁場の状態を、それぞれ、正励磁、負励磁と呼ぶものとする。
【００２９】
変換器２は、検出器１の励磁コイル１３に方形波の励磁電流を流す励磁回路２０と、電極１２間の検出信号の差動増幅を行う差動増幅器２１と、差動増幅器２１から出力された電極間信号Ｓ４を入力されたサンプリング信号Ｓ１に同期してデジタル信号である流速出力データＤ１に変換して出力するＡＤ変換器２２と、サンプリング信号Ｓ１及び励磁回路２０に供給する励磁同期信号Ｓ２を生成するとともに、電極間信号Ｓ４の正励磁時における立ち上がり部分を除き電極間信号Ｓ４が安定化した平坦部分（高電位側電圧一定部分）及び電極間信号Ｓ４の負励磁時における立ち下がり部分を除くき電極間信号Ｓ４が安定化した平坦部分（低電位側電圧一定部分）を、予め設定されるタイミングでサンプリングするためのサンプリングタイミング信号Ｓ５を生成するタイミング制御回路２４と、電極間信号Ｓ４の正励磁時における平坦部分、及び電極間信号Ｓ４の負励磁時における平坦部分をサンプリングタイミング信号Ｓ５でサンプリングされたＡＤ変換器２２の流速出力データＤ１から流体の流量を求める流量演算処理を実行する演算部２６と、演算部２６において求められた流体の流量を流量信号Ｓｏｕｔとして外部に出力する流量出力回路２７と、流量を表示する表示器２８と、を備えている。
【００３０】
上記構成において、励磁回路２０は、図示しない定電流を生成する定電流回路と、この定電流の流れる方向を反転させる切り替えスイッチとを備えており、、正負対称な値の方形波の励磁電流Ｓ３（図２参照）を生成して出力する。
【００３１】
次に、実施形態の動作を説明する。
図２は、実施形態のタイミングチャートである。
上記構成において、励磁回路２０は、タイミング制御回路２４から励磁同期信号Ｓ２が供給されて、励磁コイル１３に流す方形波の励磁電流を生成しているが、図２は、原理動作を説明するためのタイミングチャートであり、実際の励磁は、間欠的に行われており、励磁電流は常時流れているものでは無く、励磁電流が全く流れていない期間が存在しており、消費電力の低減を図っている。
【００３２】
電磁流量計１００のタイミング信号制御回路２４は、あらかじめ設定された周波数に相当する矩形波である励磁同期信号Ｓ２を生成して励磁回路２０に出力する。本実施形態においては、あらかじめ設定された周波数として５Ｈｚ以下の周波数を採用している。
【００３３】
より詳細には、時刻ｔ１において、タイミング信号制御回路２４は、励磁同期信号を“Ｈ”レベルに遷移させる。
これと並行してタイミング信号制御回路２４は、また、励磁回路１３−２には、予め設定される周波数の励磁同期信号Ｓ２を励磁回路２０に供給する。
【００３４】
励磁回路２０は、励磁同期信号Ｓ２に同期して、予め設定される強度の磁束を生成するための方形波の励磁電流Ｓ３、すなわち、この場合には、正励磁電流としての励磁電流Ｓ３を励磁コイル１３に流すこととなる。
この結果、時刻ｔ２においては、励磁コイル１３に正励磁電流が流れ始めて、その電流量は急激に増加し、その後、安定状態（一定電流値）となる。
【００３５】
これにより、電極１２間を流れ、差動増幅器２１により増幅された電極間信号Ｓ４も、一定となる。
そして、時刻ｔ１から所定の時間が経過した時刻ｔ３において、タイミング制御回路２４は、演算部２６に出力しているサンプリングタイミング信号Ｓ５を“Ｈ”レベルに遷移させる。
【００３６】
これと並行してタイミング制御回路２４は、Ａ／Ｄ変換器２２にサンプリング信号Ｓ１を出力する。
これにより、時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間、Ａ／Ｄ変換器２２は、差動増幅器２１から入力されている電極間信号Ｓ４を、サンプリング信号Ｓ１に対応するサンプリングタイミングで取り込んでアナログ／ディジタル変換し、流量に相当する流速出力データＤ１を演算部２６に出力する。
【００３７】
そして、時刻ｔ５に至ると、タイミング制御回路２４は、励磁同期信号を“Ｌ”レベルに遷移させる。
これと並行してタイミング信号制御回路２４は、また、励磁回路１３−２には、予め設定される周波数の励磁同期信号Ｓ２を励磁回路２０に供給する。
【００３８】
励磁回路２０は、励磁同期信号Ｓ２に同期して、負励磁電流としての励磁電流Ｓ３を励磁コイル１３に流すこととなる。
この結果、時刻ｔ６においては、励磁コイル１３に負励磁電流が流れ始めて、その電流量は急激に増加し、その後、安定状態（一定電流値）となる。
【００３９】
これにより、電極１２間を流れ、差動増幅器２１により増幅された電極間信号Ｓ４も、一定となる。
そして、時刻ｔ５から所定の時間が経過した時刻ｔ７において、タイミング制御回路２４は、演算部２６に出力しているサンプリングタイミング信号Ｓ５を再び“Ｈ”レベルに遷移させる。
【００４０】
これと並行してタイミング制御回路２４は、Ａ／Ｄ変換器２２にサンプリング信号Ｓ１を出力する。
これにより、時刻ｔ７〜時刻ｔ８の期間、Ａ／Ｄ変換器２２は、差動増幅器２１から入力されている電極間信号Ｓ４を、サンプリング信号Ｓ１に対応するサンプリングタイミングで取り込んでアナログ／ディジタル変換し、流量に相当する流速出力データＤ１を演算部２６に出力する。
上記動作において、励磁コイル１３−１に流れる励磁電流Ｓ３の波形は、励磁電流Ｓ３が励磁コイル１３内を流れる方向（正負）が反転する立ち上がり、及び立ち下がり部分で鈍った波形となる。
【００４１】
しかしながら、励磁電流Ｓ３が流れることにより生成され、差動増幅器２１から出力される電極間信号Ｓ４は、図２に示すように、励磁電流の方向が反転するタイミングである、時刻ｔ２、ｔ６において、磁場を微分した微分ノイズを含むものとして生成される。
【００４２】
そこで、タイミング制御回路２４が演算部２６に出力するサンプリングタイミング信号Ｓ５は、微分ノイズが無視できる正負の励磁区間の平坦部分（電流安定期間）Ｂ＋、平坦部分（電流安定期間）Ｂ−を、電極間信号Ｓ４のサンプリング期間（＝検出範囲、検出タイミングあるいは検出期間）Ｔ１として予め設定するようにされる。
【００４３】
これにより、Ａ／Ｄ変換器は、励磁区間の平坦部分（電流安定期間）Ｂ＋の部分において電極間信号Ｓ４をアナログ／ディジタルに変換し、ディジタル信号Ｖｆｓ＋に相当する流速出力データＤ１を出力する。同様に励磁区間の平坦部分（電流安定期間）Ｂ−の部分においてディジタル信号Ｖｆｓ−に相当する流速出力データＤ１を出力する。
【００４４】
これらの結果、演算部２６は、ディジタル信号Ｖｆｓ＋に相当する流速出力データＤ１と、ディジタル信号Ｖｆｓ−に相当する流速出力データＤ１と、の差、すなわち、ディジタル信号Ｖｆｓ＋と、ディジタル信号Ｖｆｓ−と、の差である流速比例信号Ｖｆｓを算出し、流量を求めて流量信号出力回路２７及び表示器２８に出力する。
これにより、流量信号出力回路２７は、流量信号Ｓｏｕｔを生成して、外部機器に出力する。外部機器は、流量信号Ｓｏｕｔに基づいて流量を制御したり、必要に応じて警報等を生成する。
また、表示器２８は、求めた流量を表示する。したがって、オペレータは流量を容易に把握できる。
【００４５】
次により具体的な動作を説明する。
以下の説明においては、サンプリング期間Ｔ１を、１０００／電源周波数（Ｈｚ）の公倍数としている。換言すると、電源周波数（Ｈｚ）の逆数は、電源周期であるので、電源周期の１周期に要する時間（ｍｓ）の公倍数となるようにしている。
【００４６】
具体的には、電源として商用交流電源を用いる場合、その周波数は、５０［Ｈｚ］あるいは６０［Ｈｚ］であるので、（１０００／５０）ｍｓあるいは（１０００／６０）ｍｓの公倍数に設定している。
したがって、以下の説明では、サンプリング期間Ｔ１を１００ｍｓとした場合を例として説明する。
【００４７】
一般的な数十Ｈｚの励磁を行う電磁流量計では、励磁周期が数十ｍｓとなるため、Ｔ１を１００ｍｓとすることはできないが、本実施形態においては、励磁周波数が５Ｈｚ以下の超低周波励磁を行っているため、このようなサンプリング期間Ｔ１の設定が可能となっている。
【００４８】
ところで、サンプリング期間Ｔ１＝１００ｍｓは、上述したように、商用電源周波数の５０Ｈｚ、６０Ｈｚいずれの周波数に対しても共に商用電源周期の整数倍であるため、サンプリング期間Ｔ１において、積分サンプリングを行うこと商用電源ノイズ成分が相殺されて、ゼロとなり、デジタル信号Ｖｆｓ＋、およびＶｆｓ−には商用電源ノイズ成分が含まれない。その結果、商用電源ノイズ（電源ノイズ）が除去された流量比例信号Ｖｆｓを求めることができる。
【００４９】
従って本実施形態によれば、励磁周波数５Ｈｚ以下の超低周波励磁において、５０Ｈｚ、６０Ｈｚいずれの周波数の電源周波ノイズに対しても、設定を切替える等の操作なしに、そのノイズを効果的に除去し、更に商用電源周波数の変動や、内部のタイミング発生回路に使用している発振子の周波数変動に対してもそのノイズ除去効果が低下しにくい電磁流量計を提供することができる。
【００５０】
以上の説明は、無励磁期間を励磁期間と比較して長い期間とする残留磁気励磁方式の場合のものであったが、電力消費の低減効率は低下するが、無励磁期間と励磁期間とを交互に設ける残留磁気励磁方式においても適用が可能である。
また、以上の実施形態では、電極間信号をディジタル処理で行う方法について説明したが、電極間信号から流速出力信号Ｖｆｓを求める処理は、アナログ回路で実行することも可能である。
【００５１】
本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１００  電磁流量計
１  検出器
２  変換器
１１  測定管
１２  電極
１３  励磁コイル
２０  励磁回路
２１  差動動増幅器
２２  ＡＤ変換器
２４  タイミング制御回路
２６  演算部
２７  流量出力回路
２８  表示器
Ｔ  サンプリング期間
【図１】
2014206508.tif 000003
【図２】
2014206508.tif 000004