(57)【要約】【課題】抵抗素子を介して検出電極に直流電流を供給することなく流量信号の異常状態を検知する。【解決手段】信号増幅回路１２に、入力端子の一方が流量信号入力端子Ｔ１に接続され、入力端子の他方が流量信号入力端子Ｔ２に接続され、流量信号を差動増幅して得られた増幅出力信号Ｖ１を出力端子から出力する、ＦＥＴ入力タイプの差動増幅器を有し、異常検知回路１３が、増幅出力信号Ｖ１の電位を上限基準電位Ｖｊおよび下限基準電位−Ｖｊと比較することにより、流量信号の異常を検知する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管内に配置された一対の検出電極で検出されて第１および第２の流量信号入力端子から入力された流量信号を、信号増幅回路が差動増幅した後にＡ／Ｄ変換し、得られたＡ／Ｄ変換値から制御回路が当該配管を流れる流体の流量計測値を算出する電磁流量計であって、
前記信号増幅回路は、入力端子の一方が前記第１の流量信号入力端子に接続され、入力端子の他方が前記第２の流量信号入力端子に接続され、前記流量信号を差動増幅して得られた増幅出力信号を出力端子から出力する、ＦＥＴ入力タイプの差動増幅器を有し、
前記増幅出力信号の電位を上限基準電位および下限基準電位と比較することにより、前記流量信号の異常を検知する異常検知回路を備える
ことを特徴とする電磁流量計。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁流量計において、
前記制御回路は、前記増幅出力信号の周波数と励磁周波数の変動許容範囲とを比較することにより前記流量信号の異常を検知し、この検知結果または前記異常検知回路での検知結果のいずれかで異常が検知された場合に、前記流量信号が異常であると判定す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、電磁流量計に関し、特に配管内に配置された一対の検出電極からの流量信号が異常であることを検知する異常検知技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、配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配管内に配置された一対の検出電極間に生じる信号起電力を検出して信号増幅回路で差動増幅し、得られた流量信号をサンプリングして信号処理することにより、配管内を流れる流体の流量を測定している。
【０００３】
このような電磁流量計には、配管内の流体が空になり検出器の検出電極が非接液状態になった場合や、検出器の信号線が断線状態になった場合など、差動増幅した信号が正常でない値を示す異常状態（空状態）であることを検知し、上位装置へアラームを通知する異常検知（空検知）機能が設けられている（例えば、特許文献１など参照）。
【０００４】
図４は、従来の電磁流量計の構成を示すブロック図である。
信号増幅回路５２は、配管Ｐｅｘの検出電極ＴＡ，ＴＢで検出された信号起電力からなる流量信号を、流量信号入力端子Ｔ１１，Ｔ１２を介して取り込み、バッファアンプＵ１１，Ｕ１２およびカップリングコンデンサＣ１１，Ｃ１２を介して、オペアンプＵ１３で差動増幅する。
Ｕ１３の出力信号は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５４で電源ノイズなどの低周波成分が除去された後、Ａ／Ｄ変換回路５５でＡ／Ｄ変換される。
制御回路（ＣＰＵ）５６は、得られたＡ／Ｄ変換値を演算処理することにより流量計測値を算出し、出力Ｉ／Ｆ回路５７から上位装置へ通知する。
【０００５】
一方、異常検知回路５３は、コンパレータＵ２１で、Ｕ１３へ入力される流量信号の一方の入力電位Ｖ１１を基準電圧Ｖａと比較し、比較結果Ｖ１３を制御回路５６へ出力する。また、コンパレータＵ２２で、Ｕ１３へ入力される流量信号の他方の入力電位Ｖ１２を基準電圧−Ｖａと比較し、比較結果Ｖ１４を制御回路５６へ出力する。
【０００６】
配管Ｐｅｘが十分な量の流体で満たされている正常状態である場合、液体を介して検出電極ＴＡ，ＴＢと接地電極ＴＣとが電気的に接続される。このため、Ｖ１１，Ｖ１２の中心電位は、接地電位に等しくなる。
一方、信号増幅回路５２のＴ１１，Ｔ１２は、抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２を介して電源電位＋Ｖｃ，−Ｖｃに接続されている。このため、配管内の流体が空になり検出器６０の検出電極ＴＡ，ＴＢが非接液状態になった場合や、検出器６０の信号線が断線状態になった場合、Ｖ１１，Ｖ１２がそれぞれ＋Ｖｃ，−Ｖｃとなる。
【０００７】
したがって、異常検知回路５３の基準電圧Ｖａを、正常時における流量信号の負側振幅ピーク値よりも高く＋Ｖｃよりも低い値に設定し、基準電圧−Ｖａを、正常時における流量信号の正側振幅ピーク値よりも低く−Ｖｃよりも高い値に設定しておけば、非接液状態や断線状態などの異常を検知できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−０２１７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような従来の電磁流量計では、信号増幅回路５２において、測定対象が低導電率の流体であっても流量信号の減衰が起きないよう、信号増幅回路５２の入力インピーダンスをできるだけ高くしておく必要がある。
このため、バッファアンプＵ１１，Ｕ１２として、入力インピーダンスが高くて入力バイアス電流が小さいＦＥＴ入力タイプのアンプが使用されている。
【００１０】
しかしながら、このような従来技術では、励磁コイルＬｅｘに十分な励磁電流が供給可能で、比較的大きな信号起電力が得られる４線式電磁流量計で通常の導電率の流体を測定するのであれば、抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２を接続したままでも問題ないが、４線式で低導電率の流体を測定する場合や、励磁コイルＬｅｘに供給可能な励磁電流に制限があり、得られる信号起電力が非常に小さい２線式電磁流量計の場合は、抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２により流量信号が減衰し、Ｓ／Ｎ比が悪化してしまうという問題点があった。
【００１１】
また、抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２から電極ＴＡ，ＴＢ側へ供給される電流により、検出器の電極と流体界面との間で電気化学反応が起こって絶縁物が付着し接触抵抗が増大してしまうという問題点があった。
このため、Ｒ１１，Ｒ１２と直列にスイッチを入れ、流量測定時にはこのスイッチをオフにしてＴＡ，ＴＢ側に対する直流電流の供給を遮断し、異常検知時を行うときだけスイッチをオンにしてＴＡ，ＴＢ側へ電流供給などのという対策が必要であった。
【００１２】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、抵抗素子を介して検出電極に直流電流を供給することなく流量信号の異常状態を検知できる異常検知技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、配管内に配置された一対の検出電極で検出されて第１および第２の流量信号入力端子から入力された流量信号を、信号増幅回路が差動増幅した後にＡ／Ｄ変換し、得られたＡ／Ｄ変換値から制御回路が当該配管を流れる流体の流量計測値を算出する電磁流量計であって、前記信号増幅回路は、入力端子の一方が前記第１の流量信号入力端子に接続され、入力端子の他方が前記第２の流量信号入力端子に接続され、前記流量信号を差動増幅して得られた増幅出力信号を出力端子から出力する、ＦＥＴ入力タイプの差動増幅器を有し、前記増幅出力信号の電位を上限基準電位および下限基準電位と比較することにより、前記流量信号の異常を検知する異常検知回路を備えている。
【００１４】
また、本発明にかかる上記電磁流量計の一構成例は、前記制御回路が、前記増幅出力信号の周波数と励磁周波数の変動許容範囲とを比較することにより前記流量信号の異常を検知し、この検知結果または前記異常検知回路での検知結果のいずれかで異常が検知された場合に、前記流量信号が異常であると判定するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、信号増幅回路で得られた増幅出力信号の電位が上限基準電位および下限基準電位と比較されて、流量信号の異常を検知される。このため、抵抗素子を介して検出電極に直流電流を供給することなく、流量信号の異常状態を検知できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施の形態にかかる電磁流量計の構成を示すブロック図である。
【図２】信号増幅回路の増幅出力信号を示す信号波形図である。
【図３】本実施の形態にかかる異常判定処理を示すフローチャートである。
【図４】従来の電磁流量計の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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］
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、本実施の形態にかかる電磁流量計の構成を示すブロック図である。
【００１８】
この電磁流量計１は、変換器１０と検出器２０とからなり、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。
検出器２０には、流量測定の対象となる流体が流れる配管Ｐｅｘと、Ｐｅｘ内の流体を励磁するための励磁コイルＬｅｘとが設けられている。
変換器１０には、主な回路部として、励磁回路１１、信号増幅回路１２、異常検出回路１３、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１４、Ａ／Ｄ変換回路１５、制御回路（ＣＰＵ）１６、出力Ｉ／Ｆ回路１７、および電源回路１８が設けられている。
【００１９】
測定時には、まず、検出器２０の配管Ｐｅｘ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Ｌｅｘへ、極性が交互に切り替わる励磁電流を励磁回路１１から供給する。これにより、励磁コイルＬｅｘからの発生磁界と直交して配管Ｐｅｘ内に配置された一対の検出電極ＴＡ，ＴＢ間に信号起電力が生じ、この信号起電力は、変換器１０の信号増幅回路１２の流量信号入力端子Ｔ１，Ｔ２に入力される。
【００２０】
信号増幅回路（差動増幅器）１２は、計装アンプＵ１からなり、Ｔ１，Ｔ２から入力された流量信号を差動増幅し、増幅出力信号Ｖ１として出力する。計装アンプＵ１は、工業用・測定用として広く用いられるインスツルメンテーションアンプなどの差動増幅器からなり、反転入力端子（−：入力端子の一方）がＴ１（第１の流量信号入力端子）に接続され、非反転入力端子（＋：入力端子の他方である）がＴ２（第２の流量信号入力端子）に接続され、反転入力端子および非反転入力端子から入力された流量信号を差動増幅し、得られた増幅出力信号Ｖ１を、リファレンス端子（Ｒｅｆ）の電位を基準電位として、シングル・エンドで出力端子（Ｏｕｔ）から出力する機能を有している。
【００２１】
この際、Ｕ１として、反転入力端子および非反転入力端子がＦＥＴ入力タイプのものが用いられている。これにより、Ｔ１，Ｔ２から見た信号増幅回路１２の入力インピーダンスが非常に高いので、流量信号を減衰させてしまうことはない。これにより、信号起電力が非常に小さい２線式電磁流量計の場合でも、十分なＳ／Ｎ比を得ることができる。
また、反転入力端子および非反転入力端子から信号増幅回路１２から電極ＴＡ，ＴＢ側へ供給されるバイアス電流が非常に小さいため、検出電極ＴＡ，ＴＢと流体界面との間での電気化学反応による絶縁物の生成も押さえられる。
【００２２】
ハイパスフィルタ１４は、増幅出力信号Ｖ１から直流などの低周波成分を除去した出力信号Ｓ１を出力し、Ａ／Ｄ変換回路１５は、出力信号Ｓ１をサンプリングして、出力信号Ｓ１の振幅をＡ／Ｄ変換する。
制御回路１６は、Ａ／Ｄ変換回路１５で得られたＡ／Ｄ変換値（振幅値）を演算処理することにより、当該配管を流れる流体の流量計測値を計算し、出力Ｉ／Ｆ回路１７から上位装置へ測定結果として通知する。
電源回路１８は、上位装置や外部電源から供給された電源から各種動作電源を生成して供給する。
【００２３】
一方、異常検知回路１３は、信号増幅回路１２からの増幅出力信号Ｖ１の電位を、予め設定されている上限基準電位Ｖｊおよび下限基準電位−Ｖｊと比較することにより、流量信号の異常を検知し、検知結果Ｓ２，Ｓ３を制御回路１６へ出力する。
制御回路１６は、出力信号Ｓ１の周波数Ｆｓを計測して励磁周波数Ｆｅｘの変動許容範囲Ｆｅｘ±αと比較し、この比較結果と検知結果Ｓ２，Ｓ３に基づき、流量信号の正常／異常を判定し、異常判定の場合には、出力Ｉ／Ｆ回路１７から上位装置に対してアラームを通知する異常処理を行う。
【００２４】
［本実施の形態の動作］
次に、図２および図３を参照して、本実施の形態にかかる電磁流量計１の制御回路１６における異常判定動作について説明する。図２は、信号増幅回路の増幅出力信号を示す信号波形図である。図３は、本実施の形態にかかる異常判定処理を示すフローチャートである。
【００２５】
配管Ｐｅｘ内が流体で満たされており、検出器２０の検出電極ＴＡ，ＴＢに両方接液している場合、図２の（ａ）に示した通り、信号増幅回路１２の出力信号Ｖ１は励磁周波数と同じ周波数の正常信号となる。
一方、配管Ｐｅｘ内の流体が空になり検出器２０の検出電極ＴＡ，ＴＢの両方またはいずれか一方が非接液状態になった場合や、検出器２０の信号線が断線状態になった場合、Ｔ１，Ｔ２の両方またはいずれか一方がハイインピーダンス状態となる。
【００２６】
このため、Ｕ１からの増幅出力信号Ｖ１は、下記および図２の（ｂ）〜（ｄ）に示したケースのいずれかとなる。
ケース１：正規の流量信号周波数（励磁周波数）とは異なる周期のノイズ成分（商用電源ノイズ等）を示す信号（図２の（ｂ））
ケース２：正側動作電源＋Ｖｓで飽和した電位を示す信号（図２の（ｃ））
ケース３：負側動作電源−Ｖｓで飽和した電位を示す信号（図２の（ｄ））
【００２７】
制御回路１６は、流量測定時、一定周期で図３の異常判定処理を実行する。
まず、制御回路１６は、Ａ／Ｄ変換回路１５で得られたＡ／Ｄ変換値（Ｓ１の振幅値）を取り込み、このＡ／Ｄ変換値が後述の周波数判定処理で判定可能レベルかどうか確認する（ステップ１００）。
ここで、Ａ／Ｄ変換値（Ｓ１の振幅値）が判定可能レベルより小さく、Ｓ１の周波数判定が不可能な場合（ステップ１００：ＹＥＳ）、制御回路１６は、異常検知回路３のＵ２からの検知結果Ｓ２を取り込んで、異常検知の有無を確認する（ステップ１０１）。
【００２８】
検知結果Ｓ２が異常検知なしを示す場合（ステップ１０１：ＹＥＳ）、制御回路１６は、異常検知回路３のＵ３からの検知結果Ｓ３を取り込んで、異常検知の有無を確認する（ステップ１０２）。
検知結果Ｓ３が異常検知なしを示す場合（ステップ１０２：ＹＥＳ）、制御回路１６は、検出信号が正常であると判定し（ステップ１０３）、一連の異常判定処理を終了する。
【００２９】
一方、検知結果Ｓ２が異常検知ありを示す場合（ステップ１０１：ＮＯ）や、検知結果Ｓ３が異常検知ありを示す場合（ステップ１０２：ＮＯ）、制御回路１６は、検出信号が異常であると判定して（ステップ１０４）、一連の異常判定処理を終了する。
【００３０】
また、ステップ１００において、Ａ／Ｄ変換回路１５で得られたＡ／Ｄ変換値（Ｓ１の振幅値）がＳ１の周波数判定可能レベル以上である場合（ステップ１００：ＮＯ）、制御回路１６は、ハイパスフィルタ１４でＤＣ成分をカットした出力信号Ｓ１を取り込んで、その周波数Ｆｓを測定し（ステップ１０５）、Ｓ１の信号周波数Ｆｓと励磁周波数Ｆｅｘの変動許容範囲Ｆｅｘ±αとを比較し、ケース１であるかどうか確認する（ステップ１０３）。この際、周波数測定手法については、ＣＰＵによる公知の手法を用いればよい。また、αについては、電磁流量計１の仕様に応じて、あるいは経験値に基づいて、予め設定しておけばよい。
【００３１】
ここで、Ｓ１の信号周波数Ｆｓが変動許容範囲Ｆｅｘ±αに含まれる場合（ステップ１０６：ＹＥＳ）、制御回路１６は、検出信号が正常であると判定し（ステップ１０３）、一連の異常判定処理を終了する。
一方、Ｓ１の信号周波数Ｆｓが変動許容範囲Ｆｅｘ±αに含まれない場合（ステップ１０６：ＮＯ）、制御回路１６は、検出信号が異常であると判定して（ステップ１０４）、一連の異常判定処理を終了する。
【００３２】
［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、信号増幅回路１２に、入力端子の一方が流量信号入力端子Ｔ１に接続され、入力端子の他方が流量信号入力端子Ｔ２に接続され、流量信号を差動増幅して得られた増幅出力信号Ｖ１を出力端子から出力する、ＦＥＴ入力タイプの差動増幅器を有し、異常検知回路１３が、増幅出力信号Ｖ１の電位を上限基準電位Ｖｊおよび下限基準電位−Ｖｊと比較することにより、流量信号の異常を検知するようにしたものである。
【００３３】
すなわち、配管Ｐｅｘ内の流体が空になり検出器２０の検出電極ＴＡ，ＴＢの両方またはいずれか一方が非接液状態になった場合や、検出器２０の信号線が断線状態になった場合、Ｔ１，Ｔ２の両方またはいずれか一方がハイインピーダンス状態となって、増幅出力信号Ｖ１の電位が、正側動作電源＋Ｖｓまたは負側動作電源−Ｖｓで飽和した電位を示す信号となるケースを利用して、増幅出力信号Ｖ１の電位が上限基準電位Ｖｊおよび下限基準電位−Ｖｊと比較されて、流量信号の異常を検知される。
このため、抵抗素子を介して検出電極ＴＡ，ＴＢに直流電流を供給することなく、流量信号の異常状態を検知できる。
【００３４】
また、本実施の形態では、制御回路１６が、増幅出力信号Ｖ１の周波数Ｆｓと励磁周波数Ｆｅｘの変動許容範囲Ｆｅｘ±αとを比較することにより流量信号の異常を検知し、この検知結果または異常検知回路１３での検知結果Ｓ２，Ｓ３のいずれかで異常が検知された場合に、流量信号が異常であると判定するようにしてもよい。
これにより、増幅出力信号Ｖ１の電位が、正側動作電源＋Ｖｓまたは負側動作電源−Ｖｓで飽和した電位を示す信号とはならず、正規の流量信号周波数（励磁周波数）とは異なる周期のノイズ成分（商用電源ノイズ等）を示す信号となるケースについても、流量信号の異常を検知できる。
【００３５】
このとき、図１の信号増幅回路１２は、従来技術である図４の信号増幅回路５２のＣ１１，Ｃ１２のようなカップリンクコンデンサは使用せず、検出電極ＴＡ，ＴＢに入力端子Ｔ１、Ｔ２が直接接続されているため、入力端子の異常状態がＤＣレベルでの異常も含めて出力信号側で検出可能となっている。
このため、従来技術の図４のように、信号増幅回路５２の前段にＵ１１、Ｕ１２のような入力バッファアンプを追加し、それぞれの出力信号を取り出して異常判定する必要がなく、図１のように信号増幅回路１２の差動増幅回路としてシングルチップかつＦＥＴ入力タイプの計装アンプＵ１の出力信号だけで入力端子の異常状態が判別可能となっている。
【００３６】
また、図４の信号増幅回路５２のように差動増幅器の手前にバッファアンプＵ１１、Ｕ１２や、カップリングコンデンサＣ１１，Ｃ１２のような部品を入れると、これらの特性バラツキの影響を受けて信号増幅回路５２のＣＭＲＲ（同相信号除去比）が悪化してしまうが、本実施の形態の信号増幅回路１２では、これらの部品を全く使用していないため、計装アンプＵ１の性能を損なうことはなく、計装アンプの特長である高いＣＭＲＲを維持しており、従来よりも大幅なＳ／Ｎ比の改善が可能となっている。
【００３７】
なお、本実施の形態では信号増幅回路１２の差動増幅回路としてシングルチップかつＦＥＴ入力タイプの計装アンプＵ１を使用した例を示したが、初段にＦＥＴ入力タイプのオペアンプを使用し、入力端子が低バイアス電流かつ高入力インピーダンスとなっていれば複数個のオペアンプと抵抗素子を組み合わせた差動増幅回路であっても構わない。
【００３８】
また、ハイパスフィルタ１４からの出力信号Ｓ１に基づいて、増幅出力信号Ｖ１の周波数Ｆｓを制御回路１６で測定する際、制御回路１６とは別個の回路で測定してもよい。
また、制御回路１６でＦｓを測定する場合、Ｓ１をＡ／Ｄ変換して取り込むことになるが、周波数測定において、Ａ／Ｄ変換における高い精度は必要とされない。このため、ＣＰＵ内蔵のＡ／Ｄ変換機能を用いてＳ１を取り込むようにしてもよい。
【００３９】
［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。
【符号の説明】
【００４０】
１…電磁流量計、１０…変換器、１１…励磁回路、１２…信号増幅回路、１３…異常検出回路、１４…ハイパスフィルタ、１５…Ａ／Ｄ変換回路、１６…制御回路、１７…出力Ｉ／Ｆ回路、１８…電源回路、２０…検出器、Ｕ１…計装アンプ、Ｐｅｘ…配管、Ｌｅｘ…励磁コイル、ＴＡ，ＴＢ…検出電極、ＴＣ…接地電極、Ｔ１…流量信号入力端子（第１の流量信号入力端子）、Ｔ２…流量信号入力端子（第２の流量信号入力端子）。
【図１】
2014181919.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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