(57)【要約】【課題】電磁流量計において適切なサンプル区間を設定する。【解決手段】単位期間毎に切り替わる励磁信号を励磁コイルに印加し、測定管内を流れる被測定流体による起電力を流速信号として一対の電極で取得して被測定流体の流速を測定する電磁流量計であって、流速信号を、単位期間より短い所定のサンプリング周期でサンプリングする流速信号サンプリング部と、単位期間内に連続して得られる流速信号のサンプリング値について、所定の基準にしたがって、微分ノイズが収束したかどうかを判定する収束判定部と、微分ノイズが収束したと判定された以降に得られる流速信号のサンプリング値に基づいて、その単位期間における流速指標を算出する流速指標算出部と、流速指標と励磁信号をサンプリングして得られる励磁指標とに基づいて、被測定流体の流速を算出する流速算出部とを備える。【選択図】図１
2015203674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位期間毎に切り替わる励磁信号を励磁コイルに印加し、測定管内を流れる被測定流体による起電力を流速信号として一対の電極で取得して前記被測定流体の流速を測定する電磁流量計であって、
前記流速信号を、前記単位期間より短い所定のサンプリング周期でサンプリングする流速信号サンプリング部と、
単位期間内に連続して得られる流速信号のサンプリング値について、所定の基準にしたがって、微分ノイズが収束したかどうかを判定する収束判定部と、
微分ノイズが収束したと判定された以降に得られる流速信号のサンプリング値に基づいて、その単位期間における流速指標を算出する流速指標算出部と、
前記流速指標と前記励磁信号をサンプリングして得られる励磁指標とに基づいて、前記被測定流体の流速を算出する流速算出部と、
を備えることを特徴とする電磁流量計。
【請求項２】
前記流速指標は、微分ノイズが収束したと判定された以降に得られる流速信号のサンプリング値を積算し、積算した流速信号のサンプリング値の個数と、単位期間内の全サンプリング数とに基づいて積算値を正規化したものであることを特徴とする請求項１に記載の電磁流量計。
【請求項３】
前記励磁信号を、前記流速信号サンプリング部と同じサンプリング周期でサンプリングする励磁信号サンプリング部と、
微分ノイズが収束したと判定された以降に前記励磁信号サンプリング部で得られる励磁信号のサンプリング値に基づいて、その単位期間における励磁指標を算出する励磁指標算出部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁流量計。
【請求項４】
前記収束判定部は、微分ノイズが収束したと判定したタイミングを示す情報の履歴を記録することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定管内を流れる被測定流体に磁界をかけ、起電力を測定することで被測定流体の流量を測定する電磁流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘導を利用して導電性の流体の流量を測定する電磁流量計が知られている。電磁流量計は、直交方向に磁界がかけられた測定管内に被測定流体を流し、発生した起電力を測定管内に取り付けられた一対の検出電極を用いて測定する。この起電力は被測定流体の流速に比例するため、測定信号は流速信号として取得される。測定管の断面積は既知であるから、流速信号に基づいて被測定流体の体積流量を得ることができる。
【０００３】
図５は、測定管内に磁界をかけるための励磁信号波形と、磁界により発生する流速信号との関係を示す波形図である。本図に示すように、励磁信号は、単位時間毎に正励磁と負励磁とが切り替わり、起電力による流速信号が同じ周期で取得される。このとき、流速信号には、磁束密度の時間変化に比例した微分ノイズが発生する。
【０００４】
図６は、励磁信号と流速信号のサンプリングについて説明する図である。ここでは、励磁信号の１周期（正励磁区間＋負励磁区間）に渡って数多くのポイントでサンプリングを行なう方式について説明する。
【０００５】
なお、流速Ｖは、励磁信号の正側の値をＩｐ、負側の値をＩｎとし、流速信号の正側の値をＳｐ、負側の値をＳｎとしたとき、αを比例係数として
Ｖ＝α×（Ｓｐ−Ｓｎ）／（Ｉｐ−Ｉｎ）
で求めることができる。
【０００６】
本図に示すように、励磁信号、流速信号とも１周期に渡ってサンプリングを行なうが、微分ノイズの影響を受けないように、正励磁区間については、負励磁に切り替わる直前の区間であるＴａに得られたサンプリング値を流速演算に使用し、負励磁区間については、正励磁に切り替わる直前の区間であるＴｂに得られたサンプリング値を流速演算に使用している。ここでは、サンプリング値を流速演算に使用する区間をサンプル区間と称するものとする。
【０００７】
サンプル区間Ｔａ、サンプル区間Ｔｂは、微分ノイズが十分収束することが見込まれる範囲としており、例えば、正負それぞれの励磁区間の最後の１／４程度の長さとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−３３４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
微分ノイズの大きさは、口径により大きく異なり、また、流体の導電率や、温度、被測定流体の速度等によって変化する。図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、微分ノイズが大きければ微分ノイズが収束するまでの時間が長くなり、微分ノイズが小さければ微分ノイズが収束するまでの時間が短くなる。
【００１０】
従来は、微分ノイズが大きい場合でも、流速演算に微分ノイズが影響を及ぼさないようなサンプル区間Ｔａ（＝Ｔｂ）を定めている。このため、微分ノイズが小さい場合には、微分ノイズの影響がないにもかかわらず、演算に用いられないサンプリング値が多く存在することになる。
【００１１】
一般に、流速演算に用いるサンプリング値の数が多いほど、ＳＮ比が向上し、流速演算の精度を高めることができる。一方で、流速演算に用いるサンプリング値の数を多くするために流速演算に用いるサンプル区間をむやみに長くすると微分ノイズの影響を受けてかえって精度が低下するおそれがある。このため、流速演算の精度を高めるためには、適切なサンプル区間を設定することが必要である。
【００１２】
そこで、本発明は、電磁流量計において適切なサンプル区間を設定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の電磁流量計は、単位期間毎に切り替わる励磁信号を励磁コイルに印加し、測定管内を流れる被測定流体による起電力を流速信号として一対の電極で取得して前記被測定流体の流速を測定する電磁流量計であって、前記流速信号を、前記単位期間より短い所定のサンプリング周期でサンプリングする流速信号サンプリング部と、単位期間内に連続して得られる流速信号のサンプリング値について、所定の基準にしたがって、微分ノイズが収束したかどうかを判定する収束判定部と、微分ノイズが収束したと判定された以降に得られる流速信号のサンプリング値に基づいて、その単位期間における流速指標を算出する流速指標算出部と、前記流速指標と前記励磁信号をサンプリングして得られる励磁指標とに基づいて、前記被測定流体の流速を算出する流速算出部と、
を備えることを特徴とする。
ここで、前記流速指標は、微分ノイズが収束したと判定された以降に得られる流速信号のサンプリング値を積算し、積算した流速信号のサンプリング値の個数と、単位期間内の全サンプリング数とに基づいて積算値を正規化したものとすることができる。
また、前記励磁信号を、前記流速信号サンプリング部と同じサンプリング周期でサンプリングする励磁信号サンプリング部と、微分ノイズが収束したと判定された以降に前記励磁信号サンプリング部で得られる励磁信号のサンプリング値に基づいて、その単位期間における励磁指標を算出する励磁指標算出部と、をさらに備えるようにしてもよい。
また、前記収束判定部は、微分ノイズが収束したと判定したタイミングを示す情報の履歴を記録するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電磁流量計において適切なサンプル区間を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施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】本実施形態の電磁流量計の単位期間毎の動作を説明するフローチャートである。
【図３】微分ノイズの大小とサンプル区間との関係を示す図である。
【図４】単位期間毎に設定されるサンプル区間を示す図である。
【図５】測定管内に磁界をかけるための励磁信号波形と、磁界により発生する流速信号との関係を示す波形図である。
【図６】励磁信号と流速信号のサンプリングについて説明する図である。
【図７】大小の微分ノイズを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る電磁流量計の構成を示すブロック図である。電磁流量計１００は、測定管２００を流れる被測定流体の流量を測定する。
【００１７】
本図に示すように、測定管２００には励磁コイル１１と、一対の電極１３が配置される。励磁コイル１１は、励磁回路２０が出力する励磁信号により被測定流体の流路に直交する磁界を発生する。励磁回路２０は、単位期間毎に切り替わるパルス電流の励磁信号を出力する。
【００１８】
なお、ここでは、単位期間毎に正励磁、負励磁が切り替わる励磁信号を例に説明するが、短周期の単位期間毎に正負が切り替わるパルス信号と、長周期で正負が切り替わるパルス信号とを重畳した２周波励磁信号を用いるようにしてもよい。２周波励磁信号を用いることで、ゼロ点を安定させるとともに、耐ノイズ性、高速応答性を高めることができる。また、俊敏に極性が変化するパルス信号に限られず、なだらかに極性が変化するパルス信号を用いてもよい。
【００１９】
一対の電極１３が検出した起電力は、一対のバッファ３２を介して第１差動増幅部３０に入力される。第１差動増幅部３０が出力するアナログ流速信号は、流速信号サンプリング部４０により、単位期間より短い所定のサンプリング周期でディジタル変換されて演算部８０に入力される。
【００２０】
励磁コイル１１に印加される励磁信号は、検出抵抗５０により電圧変化として取り出され、第２差動増幅部６０で増幅される。第２差動増幅部６０が出力するアナログ励磁信号は、励磁信号サンプリング部７０により流速信号サンプリング部４０と同じタイミングでディジタル変換されて演算部８０に入力される。
【００２１】
演算部８０は、ＣＰＵ等の演算処理装置を用いて構成することができ、収束判定部８１、流速指標算出部８２、励磁指標算出部８３、流速算出部８４、流量変換部８５を備えている。
【００２２】
収束判定部８１は、励磁信号が切り替わる単位期間内に連続して得られる流速信号のサンプリング値について、所定の基準にしたがって、微分ノイズが収束したかどうかを判定する。所定の基準は、連続するサンプリング値が安定したとみなせる条件であり、例えば、連続する２つのサンプリング値の差が基準値以下になったこととすることができる。
【００２３】
流速指標算出部８２は、微分ノイズが収束したと判定された以降に得られる流速信号のサンプリング値に基づいて、その単位期間における流速指標を算出する。ここで、流速指標は、微分ノイズが収束したと判定された以降に得られる流速信号のサンプリング値を積算し、積算したサンプリング値の個数と、単位期間内の全サンプリング数とに基づいて積算値を正規化したものである。
【００２４】
励磁指標算出部８３は、流速信号の微分ノイズが収束したと判定された以降に得られる励磁信号のサンプリング値に基づいて、その単位期間における励磁指標を算出する。ここで、励磁指標は、流速信号の微分ノイズが収束したと判定された以降に得られる励磁信号のサンプリング値を積算し、積算したサンプリング値の個数と、単位期間内の全サンプリング数とに基づいて積算値を正規化したものである。
【００２５】
流速算出部８４は、流速指標と励磁指標とに基づいて流速を算出し、流量変換部８５は、算出された流速を流量に変換する。流速から流量への変換は、測定管２００の断面積が既知であるため容易に行なうことができる。求められた流量は、図示しない表示装置に表示したり、図示しない出力回路を介して外部に出力することができる。
【００２６】
図２は、本実施形態の電磁流量計１００の単位期間毎の動作を説明するフローチャートである。まず、サンプリングの番号を示す変数ｎを０に初期化し（Ｓ１０１）、微分ノイズが収束したことを示す微分ノイズ収束フラグをＦＡＬＳＥにセットする（Ｓ１０２）。ここで、収束フラグは、「ＴＵＲＥ」で微分ノイズが収束したことを示し、「ＦＡＬＳＥ」で微分ノイズが収束していないことを示すものとする。収束フラグは、例えば、演算部８０内に設けるようにする。
【００２７】
次いで、変数ｎを１増分し（Ｓ１０３）、励磁信号サンプリング部７０が励磁信号のサンプリングを行ない、流速信号サンプリング部４０が流速信号のサンプリングを行なう（Ｓ１０４）。これにより、励磁信号のｎ番目のサンプリング値Ｉ（ｎ）と、流速信号のｎ番目のサンプリング値Ｓ（ｎ）が演算部８０に入力される。
【００２８】
微分ノイズ収束フラグがＴＲＵＥでなければ（Ｓ１０５：Ｎｏ）、収束判定部８１が、流速信号の微分ノイズが収束したかどうかの判定を行なう（Ｓ１０６）。
【００２９】
流速信号の微分ノイズが収束したかどうかの判定は、種々の条件を採用することができ、例えば、連続する２つの流速信号のサンプリング値の差Ｅ（ｎ）＝Ｓ（ｎ−１）−Ｓ（ｎ）が、所定の基準値以下であれば微分ノイズが収束したと判定することができる。基準値は、ユーザが設定できるようにしてもよい。
【００３０】
あるいは、連続する流速信号のサンプリング値の比Ｒ（ｎ）＝Ｓ（ｎ−１）／Ｓ（ｎ）が、１を中心とする所定の範囲内であれば微分ノイズが収束したと判定するようにしてもよい。
【００３１】
さらには、連続する２つの流速信号のサンプリング値の差Ｅ（ｎ）＝Ｓ（ｎ−１）−Ｓ（ｎ）が所定の基準値以下である状態が、所定回数連続した場合に微分ノイズが収束したと判定するようにしたり、流速信号のサンプリング値のトレンド（傾向変動）が一定となった場合に微分ノイズが収束したと判定するようにしてもよい。
【００３２】
この結果、微分ノイズが収束していないと判定した場合（Ｓ１０７：Ｎｏ）には、処理（Ｓ１０３）に戻って、ｎを増分し、以降の処理を繰り返す。なお、微分ノイズが収束しないままその単位期間が終了してしまった場合には、異常が発生したものとしてアラームを出力するようにしてもよい。
【００３３】
一方、微分ノイズが収束したと判定した場合（Ｓ１０７：Ｙｅｓ）は、収束判定部８１が、微分ノイズ収束フラグにＴＲＵＥをセットし（Ｓ１０８）、そのときのｎの値を、演算開始番号Ｎとして記憶する（Ｓ１０９）。これにより、サンプル区間が開始する。そして、処理（Ｓ１０３）に戻って、ｎを増分し、次のサンプリングを行なう（Ｓ１０４）。
【００３４】
処理（Ｓ１０５）で、微分ノイズ収束フラグがＴＲＵＥであれば（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、サンプル区間内であることを示しているため、励磁信号のサンプリング値Ｉ（ｎ）と、流速信号のサンプリング値Ｓ（ｎ）をそれぞれ積算する（Ｓ１１０）。そして、処理対象の単位期間の全サンプリングが完了していなければ（Ｓ１１１：Ｎｏ）、処理（Ｓ１０３）に戻って、ｎを増分し、次のサンプリングを行ない（Ｓ１０４）、積算処理を行なう（Ｓ１１０）。
【００３５】
一方、処理対象の単位期間の全サンプリングが完了した場合（Ｓ１１１：Ｙｅｓ）は、流速指標算出部８２が、流速信号サンプリング値の積算値を正規化して流速指標を算出する（Ｓ１１２）。これは、微分ノイズの収束状況により、積算に用いるサンプリングの個数が単位期間毎に異なることを考慮したものである。
【００３６】
流速指標は、流速信号サンプリング値の積算値に、｛（単位期間の全サンプリング数（ｎ））／（積算した流速信号のサンプリング値の個数）｝を乗じることで求めることができる。これにより、積算に用いたサンプリングの個数によらず、全サンプリング数に換算した値に正規化される。なお、積算した流速信号のサンプリング値の個数は、全サンプリング数（ｎ）から、処理（Ｓ１０９）で記憶した演算開始番号Ｎを引いた数に１を加えた数である。
【００３７】
また、励磁指標算出部８３が、励磁信号サンプリング値の積算値を正規化して励磁指標を算出する（Ｓ１１３）。励磁指標は、励磁信号サンプリング値の積算値に、｛（単位期間の全サンプリング数（ｎ））／（積算した励磁信号のサンプリング値の個数）｝を乗じることで求めることができる。なお、積算した励磁信号のサンプリング値の個数は、積算した流速信号のサンプリング値の個数と同じであり、全サンプリング数（ｎ）から、処理（Ｓ１０９）で記憶した演算開始番号Ｎを引いた数に１を加えた数である。
【００３８】
以上の処理により、微分ノイズが収束した状態のサンプリング値が流速演算に用いられるため、微分ノイズの大きさに応じて、演算に用いるサンプリング値の数が変化することになる。
【００３９】
例えば、図３（ａ）に示すように、微分ノイズが大きい場合には、サンプル区間Ｓａ１、サンプル区間Ｓｂ１のように短いサンプル区間でのサンプリング値を流速演算に用いることで微分ノイズの影響を受けることを適切に防いでいる。
【００４０】
一方、図３（ｂ）に示すように、微分ノイズが小さい場合には、サンプル区間Ｓａ２、サンプル区間Ｓｂ２のように長いサンプル区間で取得される多くのサンプリング値を流速演算に用いることで、ＳＮ比を向上させ、精度の高い流速演算が行なえるようにしている。
【００４１】
この結果、図４に示すように、微分ノイズの大きさが単位期間毎に変化する場合であっても、単位期間毎に適切なサンプル区間が設定され、精度の高い流速演算を行なうことができる。
【００４２】
サンプル区間ａ０１で求められる流速指標をＡ０１と表わし、サンプル区間ｂｈ０１で求められる流速指標をＢ０１と表わすとすると、流速算出部８４は、例えば、以下のような演算により流速を連続的に算出することができる。なお、励磁指標差分は、流速指標と同様の単位時間に得られる値を利用して算出することができる。
【００４３】
流速値１＝α×｛（Ａ０１−Ｂ０１）＋（Ａ０２−Ｂ０２）｝／励磁指標差分
流速値２＝α×｛（Ａ０２−Ｂ０２）＋（Ａ０３−Ｂ０３）｝／励磁指標差分
流速値３＝α×｛（Ａ０３−Ｂ０３）＋（Ａ０４−Ｂ０４）｝／励磁指標差分
…
あるいは、以下のような平均化を用いてもよい。
【００４４】
流速値１＝α×（Ａ０１−２×Ｂ０１＋Ａ０２）／励磁指標差分
流速値２＝α×（Ａ０２−２×Ｂ０２＋Ａ０３）／励磁指標差分
流速値１＝α×（Ａ０３−２×Ｂ０３＋Ａ０４）／励磁指標差分
…
【００４５】
なお、図２の処理（Ｓ１０９）で記憶した演算開始番号Ｎは、単位時間において、サンプリングを開始してから微分ノイズが収束するまでのサンプリング数であるから、微分ノイズが収束したタイミングを示す値である。このため、収束判定部８１が、演算開始番号Ｎの履歴を記録することで、微分ノイズの大小の変化を把握し、自己診断に用いることが可能となる。
【００４６】
例えば、単位期間毎の演算開始番号Ｎのばらつきが大きい場合には、微分ノイズの大きさのばらつきが大きいことを示すため、測定結果の安定性が損なわれるおそれがあるとして、アラームを出力するようにしてもよい。演算開始番号Ｎのばらつきの判定は、例えば、前回値との差が所定の基準値以上である状態が複数回発生したことを検出することで行なうことができる。また、演算開始番号Ｎの履歴をパラメータとして出力し、ユーザが確認できるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１１…励磁コイル、１３…電極、２０…励磁回路、３０…第１差動増幅部、３２…バッファ、４０…流速信号サンプリング部、５０…検出抵抗、６０…第２差動増幅部、７０…励磁信号サンプリング部、８０…演算部、８１…収束判定部、８２…流速指標算出部、８３…励磁指標算出部、８４…流速算出部、８５…流量変換部、１００…電磁流量計、２００…測定管
【図１】
2015203674.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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