(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁流量送信機であって、
液体を搬送する送流管上のコイルに所定基本波の駆動出力を提供するドライバと、
前記送流管の電極に接続された増幅器入力と増幅器出力とを有する増幅器と、
前記増幅器出力に応じたデジタル出力を出力するアナログ／デジタル変換器と、
前記デジタル出力を入力し、基本波と既知の電位ノイズ源の周波数の両方を含むデジタル出力のスペクトル成分を生成して、基本波またはそれに近似の少なくとも１つのスペクトル成分の要素として流量出力を出力し、かつ、前記ノイズ源の周波数またはそれに近似の少なくとも１つのスペクトル成分の要素として診断出力を出力するデジタルプロセッサーと、
前記ドライバと前記デジタルプロセッサーの間に接続された同期配線とを備え、
前記ドライバからの駆動出力は、基本波Ｆｏを含むほぼ矩形波であり、
前記同期配線により前記ドライバを制御することで、前記スペクトル成分が前記駆動出力に同期して生成される電磁流量送信機。
【請求項２】
前記プロセッサーがデジタル信号プロセッサーである、請求項１記載の電磁流量送信機。
【請求項３】
前記プロセッサーがマイクロプロセッサーである、請求項１記載の電磁流量送信機。
【請求項４】
前記プロセッサーが、デジタル出力で、時間領域の変換関数である周波数領域のスペクトル成分を生成する、請求項１記載の電磁流量送信機。
【請求項５】
前記変換関数がフーリエ変換関数である、請求項４記載の電磁流量送信機。
【請求項６】
前記フーリエ変換関数が高速フーリエ変換関数である、請求項５記載の電磁流量送信機。
【請求項７】
前記フーリエ変換関数が離散フーリエ変換関数である、請求項５記載の電磁流量送信機。
【請求項８】
前記基本波を制御するため、前記プロセッサーとドライバとを接続する制御配線を備える、請求項１記載の電磁流量送信機。
【請求項９】
前記流量出力と診断出力が前記増幅器入力からガルバノ絶縁されている、請求項１記載の電磁流量送信機。
【請求項１０】
前記デジタルプロセッサーが診断出力のスペクトル分析の結果で制御されるデジタルフィルターからなる、請求項１記載の電磁流量送信機。
【請求項１１】
電磁流量送信機の作動方法であって、
選定基本波Ｆｏの反復周波数で、液体を搬送する送流管上のコイルをドライバによる駆動出力により駆動する工程と、
前記送流管上の電極からの信号を増幅して、増幅器出力を生成する工程と、
前記増幅器出力をデジタル出力に変換する工程と、
前記デジタル出力をデジタル処理して、基本波と既知の電位ノイズ源の周波数の両方を含むデジタル出力のスペクトル成分を生成する工程と、
前記基本波またはそれに近似の少なくとも１つのスペクトル成分に基づく流量出力を生成する工程と、
前記ノイズ源周波数またはそれに近似の少なくとも１つのスペクトル成分に基づく診断出力を生成する工程と、を備え、
前記ドライバが前記流量出力を入力することで、前記スペクトル成分が前記ドライバからの駆動出力に同期して生成されるものである、
電磁流量送信機の作動方法。
【請求項１２】
前記診断出力におけるスペクトル分析の結果から基本波Ｆｏを選定する工程を備える、請求項１１記載の電磁流量送信機の作動方法。
【請求項１３】
前記診断出力のスペクトル成分に対してデジタル処理を施すことにより診断出力を調整する工程を備える、請求項１１記載の電磁流量送信機の作動方法。
【請求項１４】
前記電磁流量送信機から遠隔位置へ診断出力を送信する工程を備える、請求項１１記載の電磁流量送信機の作動方法。
【請求項１５】
前記電磁流量送信機のディスプレイに診断出力を表示する工程を備える、請求項１１記載の電磁流量送信機の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の技術背景
本発明は、産業処理プラントにおける液体流量を感知する電磁流量計に関し、詳細には、前記ような電磁流量計の電極回路により検出されるノイズに関する。
【０００２】
電磁流量計では、電磁石と電極の間を通って液体が流れるような絶縁流管が使用されている。前記電極は、送流管内においてシールドされており、送流管を流れる液体に接触する。そこで、流体内で電磁誘導され、かつ、電磁誘導のファラディの法則に従い流量に比例する起電力（ＥＭＦ）が、前記電極により検出できる。
【０００３】
しかしながら前記ＥＭＦには、電磁送流管の電極から出力される不要なノイズを伴なうことが多い。この電気ノイズは、液体とアース端子との不充分な接触状態、流れる液体の過剰な電気抵抗率、電極に衝撃を与える液体内の粒子、液体内で発生している粒子溶解、液体内の化学反応、流れに乗って運ばれる気泡の存在といった、液流体に関係する望ましくない動作状態を示すものである。
【０００４】
前記ような液体に起因する「電極ノイズ」は、送信機の出力流量の測定値を不安定なものにするおそれがある。しかしながら、処理プラントのオペレータは、前記ような測定不良を長期に渡って見過ごしがちである。
【０００５】
本発明の要旨
ノイズ診断装置を備えた電磁流量計と、そのノイズ診断方法について開示する。本発明の送信機には、流れる液体を通す送流管から出力される、デジタル化かつ増幅された電極信号のスペクトル成分を生成するデジタルプロセッサが備わっている。これらスペクトル成分は、送流管に配備されたコイルドライバの出力に選定された基本周波と、少なくとも１つの周知の電位ノイズ源の周波数とを含んでいる。前記デジタルプロセッサは、前記ノイズ源の周波数、または、それに近似する少なくとも１つのスペクトル成分の関数により診断出力を生成する。また、このデジタルプロセッサでは、前記基本波、または、その近似の少なくとも１つのスペクトル成分の関数による流量出力も生成する。
【０００６】
前記診断出力は、流体から検出されたノイズの周波数および振幅とを示すもので、さらに、流量出力の安定性を損なうほどノイズが大きく、その補正処理が必要であるかどうかを判定するものである。
【０００７】
図面の簡単な説明
図１は、電磁送流管と電磁流量送信機を示す。
図２は、診断器を備えた電磁流量送信機の第１の実施形態を示すブロック図である。
図３は、診断器を備えた電磁流量送信機の第２の実施形態を示すブロック図である。
図４は、複数の周波数における流量信号とノイズ信号を含む、増幅かつデジタル化された電極信号のスペクトル成分のサンプル波形を示す。
図５は、第１診断工程を示すフローチャートである。
図６は、第２診断工程を示すフローチャートである。
【０００８】
発明の実施形態の詳細な説明
診断装置を備えたデジタルプロセッサにより、電磁送流管内の電極回路における不要ノイズを検出するような電磁流量送信機について開示する。この電気ノイズは、液体とアース端子の接触不良や、流れる液体内の過剰な電気抵抗、電極に衝撃を与える液体内粒子、液体内で発生している粒子溶解や化学反応、流れに乗って運ばれる気泡の存在などの前記液体の望ましくない動作状態を示すものである。
【０００９】
つまり、前記ノイズが過剰であると、電磁流量送信機の流量出力の安定性が損なわれてしまうのである。
【００１０】
本発明による送信機には、液体を搬送する送流管から出力されるデジタル化かつ増幅した電極信号のスペクトル成分を生成するための、デジタルプロセッサが備わっている。このスペクトル成分は、前記送流管へ入力されるコイルドライバの出力に使用するよう設定された基本周波数、および、少なくとも１つの電位ノイズ源の周波数を含んでいる。また、前記デジタルプロセッサは、前記ノイズ源周波数、または、それに近似の少なくとも１つのスペクトル成分の関数である診断出力を生成する。また、前記デジタルプロセッサは、前記基本周波数、または、それに近似の少なくとも１つのスペクトル成分の関数である流量出力を生成する。
【００１１】
前記診断出力は、流量出力の安定性が補正処理が必要な程の大きなノイズの影響を受けているかどうかを示している。
【００１２】
図１には、実施形態の一例である電磁流量計２０の部分断面図を示す。電磁流量計２０は、電気的に絶縁したライナ２３を有する、低透磁率材料で形成された送流管２２と、コイル２６を備えた電磁石２４と、強磁性コアつまりシールド２８と、電極３０、３２とを備える。前記電磁石２４および電極３０、３２は、送信機回路３４に結線されている。駆動されると、送信機回路３４からの電流で電磁石２４が駆動し、送流管２２の内側に矢印で示す磁界３６が形成される。処理液体２１が送流管２２に充満して、前記送流管２２内の磁界を通過すると、この流れにより、液体２１内に起電力（ＥＭＦ、電圧）が誘起される。前記絶縁ライナ２３は、前記ＥＭＦが液体２１から金属製送流管２２へ漏れるのを防止するものである。前記電極３０、３２は、液体２１に接触してＥＭＦをピックアップつまり検知する。なお、このＥＭＦは、ファラディの法則に従い、送流管２２内の液体２１の流量（flow rate）に比例するものである。
【００１３】
前記電極３０、３２で検知されたＥＭＦは、漏電防止のため絶縁されたリード線３８を経由して送信機回路３４へ送られる。この送信機回路３４には、漏れを抑制するために高入力インピーダンスをもつ電極入力回路が備わっている。
【００１４】
前記電極３０、３２は、ノイズ源および送流管２２の外部要因による漏電流からは十分に隔離されているが、送流管２２を通る液体２１に接触するよう露出設置されているため、そこに存在する電気ノイズや、液体２１自体により伝導される電気ノイズの影響を受け易い。前記電気ノイズは、液体とアース端子の接触不良や、流れる液体における過剰な電気抵抗、電極に衝撃を与える液体内粒子、液体内で発生している粒子溶解や化学反応、流れに乗って運ばれる気泡の存在など、前記液体の好ましくない作動状態を示すものである。
【００１５】
図２は、第１実施形態である電磁流量送信機４０を、電磁送流管４２に接続した状態で示した概略図である。この電磁流量送信機４０には、第１高調波、または、複合波の最低周波数成分と呼ばれる所定基本波“Ｆo”にてドライバ出力４６を提供できるドライバ４４が備わっている。電磁送流管４２には、前記ドライバ出力４６によって直接的または間接的に駆動するような、電磁石つまりコイル４８が装備されている。ドライバ４４は通常、ほぼ矩形状の波形の１アンペアの電流を、コイル４８に供給する。このコイル４８に入力された電流により、送流管４２を流れる液体５０に磁界が生成される。この磁界と液体５０の流れが作用して、ファラディの法則に従い、流速に比例する起電力（ＥＭＦつまり電圧）が誘起される。このＥＭＦは、電極５２、５４においてピックアップ、つまり検知される。なお、前記電極５２、５４は、リード線５６、５８を介して増幅器６０に接続されている。
【００１６】
前記増幅器６０は、送流管４２の電極５２、５４に接続する入力部６２と、出力部６４とを備える。前記増幅器の入力部６２には、通常、電極５２、５４からの極端な漏電を防止するための高インピーダンスの単一ゲイン増幅器、つまりバッファが備わっている。当業者には明らかなことであるが、前記増幅器出力部６４は、回路共通部つまりアース部として作用する１個の終端出力を有する。一般的に、増幅器６０では差分／単一端子変換機能（differential-to-single ended conversion function）が行われる。
【００１７】
アナログ／デジタル変換器６６には、前記増幅器出力６４が入力され、そこでデジタル出力６８が生成される。この出力は、前記増幅器出力６４に比例するデジタルワード列である。
【００１８】
次に、デジタルプロセッサ７０に前記デジタル出力６８が入力され、この出力のスペクトル成分７２が生成される。この成分７２は、基本波７４と既知の電位ノイズ源の周波数７６との両方を含んでいる。なお、前記既知の電位ノイズ源とは、前述したように送流管内の液体５０に起因するまたは伝導されるノイズである。
【００１９】
前記プロセッサ７０は、基本波７４またはそれに近似の少なくとも１つのスペクトル成分の関数である流量出力８０を生成する。このプロセッサ７０とドライバ４４は同じクロックで制御され、前記流量出力は、厳密には基本波７４のスペクトル成分で表されることが好ましい。さらに、前記プロセッサ７０は、前記ノイズ源の周波数７６またはそれに近似のなくとも１つのスペクトル成分の関数である診断出力８２を生成する。また、前記流量出力８０と診断出力８２は、ガルバニック絶縁により前記電極５２、５４から隔絶されていることが好ましい。このガルバニック絶縁を送信機４０において実現するには、いくつかの異なる方法がある。例えば、増幅器６０に分離形増幅器を採用したり、デジタル出力部６８を光アイソレータを介して接続したり、出力部８０、８２を光アイソレータを介して接続するといった方法である。
【００２０】
好適な実施形態の例として、前記プロセッサ７０は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を備える。このデジタル信号プロセッサは、送信機の遅延時間および応答時間を短縮できるよう、Ａ／Ｄ変換器６６で実行されるサンプル処理と同期動作することが好ましい。別の実施形態では、前記プロセッサ７０に、送信機４０内で他の制御機能や計算機能を実行するためのマイクロプロセッサが設けられている。このマイクロプロセッサ装置を使用すれば、その内蔵のメモリに蓄積されたソフトプログラムの送信機機能により、前記デジタル信号処理の精密な積分演算が可能になるという利点がある。さらに別の実施形態として、前記プロセッサにデジタル帯域通過フィルタを備えて、前記流量信号周波数に等しい中心周波数と、既知のノイズつまり干渉周波数の少数のスペクトル成分を提供するよう選定された周波数を通過させるようにしてもよい。
【００２１】
さらに、前記プロセッサ７０では、前記デジタル出力６８における時間領域データのうちの２４ビットデジタルデータの１０２４バイトブロックの変換関数として、周波数領域のスペクトル成分７２が生成されることが好ましい。メモリブロックが大きければ、２０４８バイトや４０９６バイトなどのブロックを使用できるため、各データビンの分解能がより精細になり、ノイズ測定の精度が改善されて、特にノイズ周波数が１００Ｈｚ未満の場合には、近接ビンに入力される流量信号の「漏成分」を減少させることができる。なお、前記変換関数は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）や離散フーリエ変換（ＤＥＴ）などのフーリエ変換関数であることが好ましい。前記変換で処理されたデジタル出力の時間領域データは、ノイズが重畳されたほぼ矩形または正方形の波形をもつ。このデータ出力波は、ドライバ４４からの出力波と波形状および基本波Ｆoがほぼ同じである。
【００２２】
前記プロセッサ７０は、また、ドライバ出力４６と同期するスペクトル成分７２を生成することが好ましい。デジタル出力６８に含まれる矩形または正方形波成分と位相同期ループとを使用すれば、プロセッサ７０をドライバ４４に同期動作させることが可能である。また、前記プロセッサ７０とドライバ４４は、共通クロックで制御して同期させることもできる。しかしながら、図３を参照して以下に説明するように、前記プロセッサによりドライバ４４を制御するのが好ましい。
【００２３】
図３は、同期ライン９６を使ってデジタルプロセッサ９２をドライバ９４と同期動作させる実施形態の電磁流量送信機９０の他の実施形態を示す。この実施形態は、図２に示す実施形態と類似しているため、同じまたは類似する部分には、図２で使用した参照番号を付与してある。ほぼ矩形波の流量信号を補正相の同期方式で処理できるよう、デジタルプロセッサ９２の制御により、ドライバ９４は前記同期ライン９６を介して同期動作される。このプロセッサ９２は、所望の同期処理を実行するため、ライン９６を介して前記ドライバ９４を制御する。
【００２４】
ノイズが流量出力９８の安定性を損なうほどの高いレベルであれば、前記プロセッサ９２において、ドライバ９４とプロセッサ９２の間に接続された選択ライン１００を経由して、基本波Ｆoを設定および変更つまり制御することができる。基本波Ｆoを変更することで、プロセッサ９２による流量信号の周波数領域内での移動が可能となり、検出ノイズを排除して、流量送信機の出力の安定性を自動的に回復できる。また、高レベルのノイズが検出された場合、プロセッサ９２は、安定性を改善するため、出力信号の減衰といった信号処理機能を選定および変更して制御することも、また公知のノイズ除去ソフトウェアルーチンの使用を選択することも可能である。また、安定性を向上させるために、ノイズ除去ソフトウェア技術を使って、ノイズ信号の平均化時間を効果的に増加させてもよい。このノイズ除去ソフトウェアルーチンにおけるアルゴリズムにより、信号の変動に迅速に応答できるよう、ノイズと処理変数の変化とが区別される。また、信号処理技術については、前出の継続出願第０９／２０９，１３４号で説明された複数の技術から選択することもできる。これらのソフトウェアルーチンで使用できるアルゴリズムは、ニューラルネットワーク処理、ウェーブレット信号処理、および、その他の公知のフィルタ処理技術などがある。
【００２５】
図４に、複数の周波数における流量信号とノイズ信号とを含む増幅化、デジタル化電極信号のスペクトル成分が、スペクトルアナライザーの出力イメージ中に示されている。ここには、周波数がゼロ付近である１１０地点から１００ヘルツである１１２地点までの範囲のスペクトル成分が表示されている。前記ドライブ信号および流量信号の基本波Ｆoの周波数は１１４で示すように約３７．５ヘルツで、流量信号の第２高調波の周波数は１１６で示すように約７５ヘルツである。送流管内の液体からの信号には、１１８で示すような電力線からの６０ヘルツのノイズが含まれている。いわゆる「レッドノイズ」、「ピンクノイズ」、「１／Ｆノイズ」と呼ばれる電極への粒子衝撃や化学反応によるノイズは、１２０で示されている。
【００２６】
図４に示したデータのデジタル処理では、より高い反復性や安定性を実現するため、スペクトルの平均化処理、「フォーカス処理」、回帰処理といった様々な公知技術を使って、より多くのスペクトルデータ点を、少数の隣接データ点の平均値と統合することができる。例えば、流量信号を、基本波Ｆo付近の複数のデータ点における数値回帰形態で示すことができる。このような平均化処理や回帰処理の技術は、プロセッサがドライバと正確に同期しない場合や、プロセッサが作成するスペクトルデータが、流量を算出するのに実際に必要なデータ量よりももっと多くのデータ量を精細なスペクトル増加率で作成される場合に、特に都合がよい。また、ノイズが１００ヘルツ未満の場合には、特定のノイズ問題に対応できるよう、スペクトルデータ点を一定でない増加率で分布させても構わない。
【００２７】
図５に、診断方法をより詳細に示す。図５の方法を電磁流量計に採用した場合、液体流を搬送する送流管に設けられたコイルは、反復周波数の矩形波形つまり所定基本波Ｆoにより駆動される。この送流管の電極からの信号は増幅されて、増幅器出力として出力される。次に、前記増幅器出力は、Ａ／Ｄ変換器でデジタル出力へと変換される。図５の１４０で示すＡ／Ｄ変換器からのデジタル出力は、Ａ／Ｄ変換器を制御するソフトルーチン１４２へデータ入力として送られる。前記デジタル出力からのデータブロックは、１４４で示すＲＡＭに蓄積される。１４４で示すＲＡＭに蓄積されたデータブロックの一部は、前記プロセッサーにより、コイル駆動に同期した前記データの評価から流量を算出する１４６で示すソフトルーチンで利用される。ルーチン１４６からの算出結果は、流量出力１５０を制御する出力ソフト制御ルーチン１４８へと伝送される。
【００２８】
前記１４４で蓄積されたデータブロックの一部は、電極ノイズのスペクトル分布を算出するスペクトルソフトウェアルーチン１５２へも送られる。ノイズ値はソフトルーチン１５４で診断され、１５６で示すノイズ出力として出力される。前記診断ソフトルーチン１５４では、１５８で示す補正処理の推奨値であるテキスト列が作成される。１５６で示すノイズ出力と１５８で示すテキスト列とは、診断出力１６０として、デジタル通信や送信にて遠隔地へ送られ、同時に、送信機の液晶ディスプレイ上に表示されるか、あるいは、ノイズ除去のため別の基本周波数Ｆoを選定するのに使用される。
【００２９】
図６では、別の診断方法であるソフトウェアルーチンを示す。このソフトウェアルーチンは１７０から開始する。Ａ／Ｄ変換器のデジタル出力からのデータは１７２で示すＲＡＭに蓄積され、そのデータの診断ルーチンが１７４で実行される。この１７４で示す診断ルーチンでは、時間領域データのフーリエ変換が行われて、基本周波と既知の干渉ノイズ周波数を含むスペクトル値を示す周波数領域データが作成される。次のステップ１７６で、６０ヘルツのノイズが安定性を損なう程の高さかどうかを判断するため、前記スペクトル値を蓄積された参照値と比較する。前記６０ヘルツノイズが高すぎると、ルーチンは１７８から１８０へ分岐して、１８２で示すように、遠隔地の利用者へノイズ値と共に警告を発信して、ノイズ値と警告を局地ディスプレイに表示する。同時に、ノイズを除去するための補正処理を促すテキスト列を与えて、１８４に示すように、基本波Ｆoを異なる値に変更するか、１８６で示すような別の補正処理を実行する。
【００３０】
ここで６０ヘルツのノイズが検出されなければ、プログラムを分岐１８８に進め、ステップ１９０において、蓄積されたスペクトル値とメモリに記憶された参照値とを比較する。もし低周波数（ｌ／Ｆ）ノイズが高すぎると、プログラムは１９２へ分岐して、上述の補正処理を実行する。もし低周波数が高くなければ、プログラムは分岐１９４へ進み、１９６で示すようにメインプログラムのルーチンに戻る。
【００３１】
前記ソフトウェアルーチンおよびインストラクションは、ハードディスク、交換可能ディスク、ＣＤＲＯＭまたは電磁流量計のメモリにダウンロードまたはアップロードする様々な媒体といったコンピュータで読出し可能な媒体に蓄積することができる。
【００３２】
本発明について、いくつかの好適な実施形態をもとに説明してきたが、当業者には明らかなように、本発明の範囲および本質から逸脱することなくその形態や細部に変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図２】  診断器を備えた電磁流量送信機の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図３】  診断器を備えた電磁流量送信機の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図４】  複数の周波数における流量信号とノイズ信号を含む、増幅かつデジタル化された電極信号のスペクトル成分のサンプル波形を示す。
【図５】  第１診断工程を示すフローチャートである。
【図６】  第２診断工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２０……電磁流量計、２１……液体、２２……送流管、２３……絶縁ライナ、２４……電磁石、２６……コイル、２８……シールド、３０，３２……電極、３４……送信機回路、３６……磁界、３８……リード線
【図１】
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【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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