(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低周波側励磁波形と高周波側励磁波形の加算で構成された２周波励磁波形で変調して流量信号を生成する手段と、
該流量信号から高周波側励磁波形を構成している基本周波数とその奇数倍の高調波周波数成分を抽出する手段と、
前記基本周波数と前記奇数倍の高調波周波数成分とを合成することで高周波側流量信号と高周波側微分ノイズ成分を生成する手段と、
前記流量信号から低周波励磁波形を構成している基本周波数とその奇数倍の高調波周波数成分を抽出する手段と、
前記基本周波数とその奇数倍の高調波周波数成分とを合成することで低周波側流量信号と低周波側微分ノイズ成分を生成する手段と、
前記高周波側流量信号と前記低周波側流量信号とを合成するための手段と、
前記合成された信号から前記低周波側流量信号の半周期ごとの前記高周波側流量信号の半周期区間の無励磁区間の微分ノイズ成分を抽出する手段と、
前記高周波側流量信号から前記微分ノイズ成分を差し引く補正演算手段と、を具備していることを特徴とする電磁流量計。
【請求項２】
前記高周波側励磁波形の周波数は前記低周波側励磁波形の周波数の奇数倍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】
低周波側励磁波形と高周波側励磁波形の加算で構成された２周波励磁波形で変調して流量信号を生成する手段と、
該流量信号から高周波側励磁波形を構成している基本周波数とその奇数倍の高調波周波数成分を抽出する手段と、
前記基本周波数と前記奇数倍の高調波周波数成分とを合成することで高周波側流量信号と高周波側微分ノイズ成分を生成する手段と、
前記流量信号から微分ノイズ成分を抽出する手段と、
前記高周波側流量信号から前記微分ノイズ成分を差し引く補正演算手段と、を具備していることを特徴とする電磁流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐ノイズ特性のよい高周波励磁特性を保ちながら、かつ微分ノイズの影響を除去する流量信号演算処理を行う電磁流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に、電磁流量計のノイズと周波数との関係を示す「流体ノイズの周波数特性」を示す。これにより励磁周波数を高周波にすると流体ノイズの影響が小さい流量信号を得ることが可能であることがわかる。
【０００３】
図８に、「高周波２値励磁の演算例」を示す。図８の▲１▼では、基本となる高周波励磁波形が示されており、得られる信号には、図８の▲２▼に示すように、流速に比例した流量信号成分ｓと微分ノイズ成分ｄが加算されていることが分かる。この微分ノイズ成分ｄは流量信号成分ｓと同相であるため流量信号成分を算出する演算を行うと、次の通りとなる。
即ち、演算１として（ｓ＋ｄ）−（ｓ−ｄ）＝２ｓ＋ｓｄ、
演算2として（ｓ＋ｄ）−（ｓ−ｄ）＝２ｓ＋ｓｄとなって、
演算結果に微分ノイズ成分２ｄも加算されることになる。このように微分ノイズ成分２ｄは流量信号と同相であり、除去できず、信号のゼロ点が不安定となる。尚、一般にこの微分ノイズ成分ｄは検出器の電極の状態や流体導電率で大きさが変化し、更にある時定数で減衰することが分かっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図７に示す流体ノイズの周波数特性を見ると励磁周波数はできる限り高くする（高周波）ことが望ましいが、そうした場合、上述のように微分ノイズ成分ｄの影響が無視できなくなる。このため実際のアプリケーションにおいては、１）微分ノイズ成分ｄが十分に減衰するまで励磁周波数を低くする方式を採用したり、２）出力揺動を押さえるために、ゼロ点の不安定要因を抱えながらあえて高周波励磁方式を採用したり、３）Ｓ／Ｎが低下するのを承知で、微分ノイズ成分ｄが小さくなる励磁の後半部分でサンプリングを行うなどしていた。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するものであり、耐ノイズ特性のよい高周波励磁特性を保ちながら、かつ微分ノイズの影響を除去する高周波演算方式を実現する電磁流量計を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、低周波側励磁波形と高周波側励磁波形の加算で構成された２周波励磁波形で変調した流量信号を生成する手段と、該流量信号から高周波側励磁波形を構成している基本周波数とその奇数倍の高調波周波数成分を抽出する手段と、前記基本周波数と前記奇数倍の高調波周波数成分とを合成することで高周波側流量信号と高周波側微分ノイズ成分を生成する手段と、前記流量信号から低周波励磁波形を構成している基本周波数とその奇数倍の高調波周波数成分を抽出する手段と、前記基本周波数とその奇数倍の高調波周波数成分とを合成することで低周波側流量信号と低周波側微分ノイズ成分を生成する手段と、前記高周波側流量信号と前記低周波側流量信号とを合成するための手段と、前記合成された信号から前記低周波側流量信号の半周期ごとの前記高周波側流量信号の半周期区間の無励磁区間の微分ノイズ成分を抽出する手段と、前記高周波側流量信号から前記微分ノイズ成分を差し引く補正演算手段と、を具備していることを特徴とする。
【０００７】
従って、請求項１に記載の発明によれば、流量信号から高周波側流量信号と低周波側流量信号を生成し、そこから微分ノイズ成分を抽出し高周波側流量信号からその微分ノイズ成分を差し引くことで高周波演算出力を得ているため、ゼロ点の安定した高周波演算出力を得ることが可能になると共に、励磁波形を構成している周波数成分のみを抽出して演算しているため不要なノイズ成分は除去されることになる。さらに、微分ノイズ成分を差し引いているため、全区間（高周波半周期分）を信号サンプリング区間としてよい。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、前記高周波側励磁波形の周波数は前記低周波側励磁波形の周波数の奇数倍であることを特徴とする。
【０００９】
従って、請求項２に記載の発明によれば、高周波側励磁波形の周波数を低周波側励磁波形の周波数の奇数倍にすることで、高周波励磁波形と低周波励磁波形とを加算する場合に、低周波励磁波形の半周期毎に高周波励磁波形の１周期分の無励磁部分が現れる。これにより、低周波励磁波形の半周期毎の無励磁部分を利用して微分ノイズ成分が算出し易くなる。
【００１０】
さらに、請求項３に記載の発明は、低周波側励磁波形と高周波側励磁波形の加算で構成された２周波励磁波形で変調して流量信号を生成する手段と、該流量信号から高周波側励磁波形を構成している基本周波数とその奇数倍の高調波周波数成分を抽出する手段と、前記基本周波数と前記奇数倍の高調波周波数成分とを合成することで高周波側流量信号と高周波側微分ノイズ成分を生成する手段と、前記流量信号から微分ノイズ成分を抽出する手段と、前記高周波側流量信号から前記微分ノイズ成分を差し引く補正演算手段と、を具備していることを特徴とする。
【００１１】
従って、請求項３に記載の発明によれば、流量信号の抽出をＨＩＧＨ側（高周波側）のみ実施しており、微分ノイズ成分の平均化処理に使用するデータを多くする必要があるが、ハードウェアの削減やソフトウェアの負担軽減を図ることが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
（例１）
図１に、加算方式の励磁波形が示されている。本発明の実施の形態での励磁波形は、低周波励磁波形と高周波励磁波形とを加算した２周波構成とする（これ以降、“加算方式”と呼ぶ。尚、低周波励磁波形と高周波励磁波形と掛け合わせた方式を“乗算方式”と呼ぶ）。ここで、ｆｈを高周波側励磁周波数、ｆｌを低周波側励磁周波数とおくと、高周波側励磁周波数は、以下の式（１）を満たすことになる。
【００１４】
ｆｈ＝（２ｎ＋１）×ｆｌ      ……（１）
【００１５】
そして、低周波側励磁周波数に対して高周波数側励磁周波数は奇数倍とする。式中のｎの値は各アプリケーションに従い決定すればよい。加算方式の２周波励磁波形の例を図１の▲３▼に示す。式（１）の条件を満たす場合、低周波側励磁波形の半周期毎に高周波１周分の無励磁区間が現れる。他方、高周波側励磁周波数を低周波の偶数倍とした場合の波形の例を図１の▲４▼に示す。この場合、低周波側励磁波形の半周期毎には無励磁区間は現れない。
【００１６】
本発明の実施の形態では、最終的には半周期ごとの無励磁部分を利用し微分ノイズ成分を算出し補正を行うので、低周波の半周期毎に励磁部分が現れる図１の▲３▼の励磁波形を採用する。
【００１７】
図２に、図１の▲３▼で示す加算励磁波形のＦＦＴ解析結果を示す。図２の特性から、低周波励磁成分と高周波励磁成分が分離していることが分かる。他方、図３に乗算方式の励磁波形のＦＦＴ解析結果を示す。この場合、低周波励磁成分と高周波励磁成分が分離していないことが分かる。本発明の実施の形態では、２周波励磁で得られた流量信号を低周波側流量信号成分と高周波側流量信号成分に分離可能であることが重要である。以上より励磁波形が周波的に分離可能な加算方式を採用する。
【００１８】
図４に本発明の構成概念を示すとともに、図５に各部で得られる信号を示す。これ以降、（ａ）高周波側励磁周波数は以下に示す式（１）を満足し、
【００１９】
ｆｈ＝（２ｎ＋１）×ｆｌ      ……（１）
【００２０】
（ｂ）加算方式を採用した２周波励磁方式を条件とする。以下に具体的な信号処理を説明する。説明にあたり、図４と図５に用いた参照番号は一致させてある。
【００２１】
流量信号Ａは、図５では、わかりやすくするために若干のノイズ成分を印加してあるが、あくまで模擬的なものである。抽出（高周波側流量信号）Ｂでは、流量信号から高周波励磁波形を構成している基本周波数および奇数倍の高調波成分の抽出を行う。励磁波形は矩形波を使用しており、その波形は基本周波数および奇数倍高調波成分で構成されている。一方、流量信号はこの励磁波形により変調されたものである。従って、流量信号および励磁波形を構成する周波数は同じであると言える。以上より、高周波側流量信号を抽出するには、流量信号の中から高周波励磁波形を構成している基本周波数および奇数倍高調波成分を抽出すればよいことになる。
【００２２】
具体的には、これらの成分を通過させるバンドパスフィルターを使用する。尚、この処理を行うことで流量信号成分以外の不要なノイズは削除される。ここでは波形歪みのないＦＩＲデジタルフィルタを用いてもよい。例えば、励磁波形が乗算方式の場合は、きれいな高周波成分の抽出ができず、低周波成分も含まれてしまうことになる。
【００２３】
合成（高周波側流量信号）Ｃでは、抽出Ｂで得られた信号成分を合成する。得られる信号は、高周波流量信号と高周波側微分ノイズ成分である。周波数分離が可能な加算方式を採用しているので、ここで合成された信号は低周波成分を含まない。
【００２４】
抽出（低周波側流量信号）Ｄでは、抽出Ｂと同様であり、流量信号から低周波側励磁信号を構成している基本周波数及び奇数倍の高調波成分の抽出を行う。また、成分抽出のためにバンドパスフィルターを使用することも、抽出Ｂと同様である。合成（低周波側流量信号）Ｅでは、抽出Ｄで得られた信号成分を合成する。合成で得られる信号は、低周波側流量信号と低周波側微分ノイズ成分である。また、再合成Ｆでは、合成Ｃと合成Ｅの信号を再合成する。ここでは、流量信号Ａで重畳していた“励磁波形を構成している周波数成分以外の信号”は除去されている。
【００２５】
微分ノイズ成分の抽出Ｇでは、再合成Ｆの信号から低周波側流量信号の半周期ごとの高周波半周期区間の無励磁部分の微分ノイズ成分のみを抽出する。
この微分ノイズ成分には低周波数側の周波数成分は含まれない。つまり、低周波数の半周期毎に算出されるこの正負の信号をノイズ成分として抽出する。この値は、アプリケーションによるダンピング演算でもよい。また、この領域は低周波の微分ノイズ成分は十分に減衰しているので、高周波側周波数成分のみで構成された微分ノイズ成分である。尚、抽出した値は適宜平均化処理を実施してもよい。一般に、低周波は微分ノイズが十分に減衰する周波数を選択する。本方式では、微分ノイズが十分減衰する周波数にする必要がある。この値を上記したＢＣで得られた高周波数側流量信号から差し引くことで微分ノイズを補正した、下記の信号ＨＩを得る。
【００２６】
補正演算Ｈでは、合成Ｃで得られた高周波側信号成分から、微分ノイズ成分の抽出Ｇで得られた微分ノイズ成分を差し引き、微分ノイズの影響を受けない高周波演算出力Ｉを実現する。通常、高周波側の信号サンプリング区間は、微分ノイズが減衰する後半部分とする方式が一般的であるが、上記方式により微分ノイズ成分を差し引くことが可能となるので全区間（高周波半周期分）を信号サンプリング区間とすることが可能である。この補正演算により、微分ノイズの影響のない高周波演算出力が得られる。
【００２７】
（例２）
デジタルフィルタによる流量信号の抽出をＨＩＧＨ側（高周波側）のみにし、ＬＯＷ側は実施しない方法について説明する。詳細は図６に示してあるが、流量信号Ｊの生成、高周波側励磁波形を構成している基本周波数及び奇数倍の高調波成分の抽出Ｋ、合成Ｌまでは図５に示す工程と同じである。図５と異なるのは微分ノイズ成分の抽出Ｍ以降である。微分ノイズ成分の抽出Ｍは、元の流量信号Ｊからとする。デジタルフィルタを通していない分、ノイズ成分の重量が大きい。この微分ノイズ成分には低周波数側の周波数成分は含まれない。つまり、低周波数の半周期毎に算出されるこの正負の信号をノイズ成分として抽出する。この値は、アプリケーションによるダンピング演算でもよい。また、この場合では、例１に対して微分ノイズ成分の平均化処理に使用するデータ数を多くする必要がある。そして、補正演算Ｏを行い微分ノイズの影響を受けない高周波演算出力Ｐを実現する。この補正演算により、微分ノイズの影響のない高周波演算出力が得られる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、高周波励磁でありながら微分ノイズ成分の補正が可能になるので、今まで実現出来なかったゼロ点の安定した高周波出力が可能になる。また、流量信号成分を形成する周波数成分のみを抽出し演算しているので、それ以外の不要なノイズ成分は自ずと除去されており安定した出力が得られる。さらに、高周波励磁の全区間（高周波の半周期）に対する微分ノイズ補正が可能になるので、流量信号サンプリング区間も全区間とすることが可能になる。これより、後半１／４サンプリングでのＳ／Ｎに対して約２倍の向上が実現可能である。
【００２９】
元々、高周波側流量信号成分、低周波側流量信号成分を算出するので、これらの値を利用して、いわゆる“２周波演算出力”を実施することが可能である。但し、２周波演算出力する場合は、微分ノイズ補正演算は無くしてもかまわない。また、微分ノイズ成分の量をトレンドとして扱うことが可能であるので、指定条件のもとでは付着等の予知診断の１つの要素として利用することが可能である。
【００３０】
デジタルフィルタによる流量信号の抽出をＨＩＧＨ側のみにし、ＬＯＷ側は実施しない場合では、微分ノイズの平均化処理のデータ数を多くする必要があるが、ＬＯＷ側のデジタルフィルタ処理を実施する必要がなくなるため、ハードウェアの削減やソフトウェアの負担が軽減されるなどのメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】加算方式の励磁波形を示す波形図である。
【図２】加算方式の励磁波形のＦＦＴ解析結果を示すグラフ図である。
【図３】乗算方式の励磁波形のＦＦＴ解析結果を示すグラフ図である。
【図４】本発明の実施の形態の全体構成を示す概略図である。
【図５】図４に示す全体構成の各部で得られる信号を示す波形図である。
【図６】デジタルフィルタによる流量信号の抽出をＨＩＧＨ側のみにした場合に得られる信号を示す波形図である。
【図７】流体ノイズの周波数特性を示す説明図である。
【図８】高周波２値励磁の演算例を示す説明図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｊ        流量信号
Ｂ、Ｄ、Ｋ    抽出
Ｃ、Ｅ、Ｌ    合成
Ｆ            再合成
Ｇ、Ｍ        微分ノイズ成分の抽出
Ｈ、Ｏ        補正演算
Ｉ、Ｐ        高周波演算出力
【図１】
0004135058.tif 000002
【図２】
0004135058.tif 000003
【図３】
0004135058.tif 000004
【図４】
0004135058.tif 000005
【図５】
0004135058.tif 000006
【図６】
0004135058.tif 000007
【図７】
0004135058.tif 000008
【図８】
0004135058.tif 000009