JP2003534543A - 電磁流量計における漏電診断法 - Google Patents
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Abstract
Description
し、詳細には、その電磁流量計の電極回路に関する。
が備わっている。該電極は送流管内に密閉されており、送流管を流れる液体に接
触している。該電極は液体内で電磁的に誘導され、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)を検知する。
が、処理プラントのオペレータによって長期にわたり見過ごされがちである。こ
のような漏れ電流の問題に対処する技術の1つに、漏電による誤差を制限する試
みがある。例えば、極端に高い入力インピーダンスをもつ送信機回路を使用して
、EMFを検出する方法がある。その場合、電極と送信機との間の導線は、漏れ
や外因性ノイズを防止するため入念に絶縁される。しかしながら、このような技
法においては、漏れ電流の診断や測量については対策が施されていない。
開示する。本発明による診断回路は、送流管に設けられた第1電極と第2電極、
および、送流管のアースとに接続されている。この回路で、第1電極とアースの
間の第1診断電位と、第2電極とアースの間の第2診断電位とを検出する。
断出力を生成する。この両電位の和は、漏れ電流の有無を示すものである。
。
る。この送信機回路では、第1電極と第2電極との間の差分電位の関数として液
体流量を示す送信機出力が生成される。
を受けているかどうかを示すものである。
示す。 図8は、正常状態から漏電流状態への遷移中における、送信機出力(流量)信
号と、加算電極信号を示す。 図9は、送流管の正常状態から漏電流状態への遷移中における送信機出力(流
量)信号の補正を示す。 図10は、診断回路を備えた電磁流量計の第3の実施形態を示す。 図11は、診断処理工程のフローチャートを示す。
る電磁流送信機について説明する。多くの場合、漏れ電流は、電磁流量計の何れ
かの電極の周囲シール部の破損部分を通過して処理液体が漏れることが原因であ
る。このような漏れ電流は、送信機出力の精度を損うことになる。そこで、前記
診断回路において、2つの各電極の電極/アース間の診断電位を検出し、この2
つの診断電位の和を算出する。この2つの診断電位の和は、流量計の電極回路に
過剰な漏れがあるかどうかを示すものである。診断回路で漏れ電流が検出される
と、処理プラントのオペレータや送信機の補正回路によって、補正処理が実行さ
れる。
るようでも、電極回路の漏れ電流のために、実際にはその流量値は不正確である
という状況を回避することができる。
には、電気的に絶縁したライナ23を備えた低透磁率素材で形成された送流管2
2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とが備わっている。前記電磁石24および電極30、32は、送信
機回路34にワイヤで接続されており、送信機回路34を作動させると電流が流
れて電磁石24が駆動し、送流管22の内側に矢印で示すような磁界36を生成
する。この送流管22内の磁界を処理液21が通過すると、該液21中に起電力
(EMF、電圧)が誘起される。液体21から前記金属製送流管22へのEMF
の漏れは、絶縁ライナ23により防止されている。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出する。なお、このEMFは、ファ
ラディの法則により、送流管22内の液体21の流量に比例する。
8を介して、送信機回路34へ伝送される。なお、この送信機回路34には、漏
れを制限するための高い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
。
劣化、または腐食による損傷により、この電極30、32と絶縁ライナ23との
間のシール部が破損することがある。すると、この破損したシール部分から処理
液21が漏出し、電極回路からアースに接続されている送流管22にかけて、漏
電経路が形成されてしまう。さらにこの漏れ電流は、電極リード28から電磁石
24にかけても漏電経路を形成する。多くの場合、送流管20や送信機34には
、電極リード38を接続するための端子ブロック(図1には図示しない)が備わ
っているため、これらの端子ブロックが液体で汚染されてしまい、さらに電極導
線からアース、または、電磁石24のドライブ回路へと漏電経路が形成されてし
まう。
には、リード線56、58、60を介して端子ブロック62に結線された電磁石
コイル52、54が備わる。絶縁ライナ66が設けられている送流管64には、
処理液68が充満されて流れる。電極70と72は、前記処理液68に接触して
おり、ライナ66に対しては封止されている。さらに、電極70と72は、漏電
防止のため送流管64から絶縁されている。電極のリード線74、76は、絶縁
かつ遮蔽されており、前記電極70、72と端子ブロック62とを接続する役割
をもつ。前記リード線は、端子ブロック62において、ケーブル(図示しない)
を介して電子送信機回路に接続している。この電子送信機回路については、後で
詳しく説明する。前記電極72とライナ66との間のシール部が損傷したり破損
すると、破損シール部から点80で示すように処理液68が漏れ出し、電極72
、電極リード線74、76、または、電磁石コイル52、54といった場所に流
入して、凝固する恐れがある。その結果、漏れ出た処理液により、電極72、電
極リード線76(つまり電極回路)から、接地送流管64や電磁石コイル52、
54にかけて、好ましくない漏電経路が形成されてしまう。
ている。絶縁ライナ94が備わった送流管92に、電極90が取付けられている
。この電極90には、ナット部98を螺合するためのネジが切られた部分96を
備えるシャフトが取り付けられている。このナット部98を、前記ネジ部に沿っ
て進めると、スプリングワッシャ100(「皿バネ」)が金属スラストワッシャ
102に対して圧縮される。同時に、スラストワッシャ102により、送流管9
2に対して絶縁ブッシュ104が押圧される。前記スプリングワッシャ100の
押圧力により、電極90の鋭角の外側リム部106が絶縁ライナ94の内部にめ
り込み、液体シール部が形成されるのである。このように形成されたシール部の
信頼性は一般的に高いのだが、老朽化、誤用、腐食などは避けられず、結局は破
損してしまう。その結果、図の点域で示すように、この破損部分から処理液10
8がしみ出すため、電極90から接地送流管92にかけて漏電経路110が形成
される。この漏電経路110により、前記流動励起EMFに負荷がかかるため、
流量測定の誤差が発生する。しかしながら、処理プラントのオペレータは、この
誤差を長期にわたって見落としてしまうことが多い。
電流を検出し、漏電発生時にはオペレータへ指示164を出すような、診断回路
122が備わる。漏れ電流は通常、図2と図3に示すような液体の漏れによって
発生する。電磁流量計120には、さらに、流れる液体128を搬送する絶縁管
、つまり、ライナ126を有する、アース130に接続された送流管124が備
わっている。前記液体128とアースとの接続は、通常、液体128が流量計に
結合した金属パイプに接触することで成立する。前記送流管124には、電磁石
132が取付けられている。この電磁石132には、コイル134と、磁気帰還
経路であるコア136とが備わる。電極回路146は、第1電極138、第2電
極140、および、電極リード線142、144とからなる。
的に増幅器148、150は、極端に高い入力インピーダンスをもち、低漏電流
を入力し、低い出力インピーダンスをもつ単位ゲインバッファである(インピー
ダンス変換器とも呼ばれる)。この増幅器148、150は、それぞれの増幅器
の出力側に、電極電圧をそのまま出力する一方、増幅器148、150の出力に
接続される負荷から各電極を絶縁する働きもする。前記増幅器148と150は
、応用形態に応じて送流管124や送信機のハウジング体に取付けても構わない
。また、前記増幅器は低漏電検出入力を電極回路146へ送るので、電極回路の
一部と考えてもよい。さらに、電極回路146を、増幅器148、150の出力
で駆動する被動シールド(図示しない)で遮蔽しても構わない。
6はバッファつまり増幅器148、150経由で)送信機回路152に接続され
ている。この送信機回路152は、従来設計のものでも構わない。この送信回路
152では、電極回路146の差分電位の関数により、液体128の流量を示す
送信機出力154を生成する。送信機回路152では、増幅器148、150の
出力値を減算して、流量値を算出する。この減算処理は、送信機回路152にお
いて、アナログ差分増幅器か、差分算出つまり減算を実行するその他公知のデジ
タル信号処理回路を使って行うことも可能である。
146およびアース130にも接続している。この診断回路122は、第1電極
138とアース130との間の第1診断電位160を検出し、さらに、第2電極
140とアース130との間の第2診断電位162も検出する。診断回路122
は、前記第1と第2の診断電位160、162の和の関数として、電極回路14
6からの漏れ電流を示す診断出力164を生成する。流量つまり差分電位の測定
にはアース130の基準値は必要ないが、この診断電位160、162を測定す
るには、液体のアース基準値が必要である。前記診断電位160と162を比較
して、アース130が2つの電極電位に対して中心値つまり平衡値であるかどう
かを表示する。このアース基準値が中心値つまり平衡値でなければ、電極に漏れ
があると推測される。
れたEMF(診断電位)は、平衡つまり等しくなるが極性は逆である。つまり、
漏電のない正常作動状態において、前記診断電位160と162を和算つまり加
算した場合、その結果値はほぼゼロになる。
均一つまり異なる値となる。そのため、これら2つの診断電位を和算つまり加算
すると、その結果値はゼロ以外の値となり、漏れの存在を示す。
囲内にある時、電極回路の一部分からアースへの漏れ電流が存在すると推測でき
る。
囲を超過する場合、前記電極回路の一部から過剰電圧をもつ電磁石およびその導
線の一部への漏れ電流が存在すると推測できる。
、電極からアースへの漏れ電流の存在を示し、前記両診断電位の和が第1範囲よ
りも大きい第2範囲にある場合には、電極から電磁石への漏れ電流の存在を示す
よう設定可能である。このことについては、図11を参照しながら以下に詳しく
説明する。
診断出力164は、4〜20mAのアナログループ信号に重畳されるHARTプロト
コル信号である。
出力つまり励磁電流が電磁石132へ送られるが、対応する電極電位も、前記流
動励起EMFが平坦で安定している場合の「平坦」時間間隔を含むほぼ矩形状の
波となる。この好適な実施形態では、前記流動励起EMFが平坦で安定している
平坦時間間隔において、診断電位がサンプルされる。そして、診断回路122に
より、電磁石132への駆動出力と同期してサンプルされたサンプル和を算出す
るため、サンプル操作が安定間隔内で確実に実行できる。このサンプルされた和
は駆動出力と交番するので、同じく診断回路122により交番を排除できるよう
サンプル和の絶対値を求める。
す。図5の電磁流量計180は、図4に示したものと同様なので、同じまたは類
似部分には図4と同じ参照番号を付与する。診断回路182は、加算回路186
、サンプル処理回路188、絶対値算出回路190を備える。このサンプル処理
回路188は、電磁パルス形状つまり矩形状の駆動出力信号の平坦な安定部分に
おいて診断電位が得られるよう、同期ライン192により同期される。
は、(漏電流を示すための補正が行われていない)送信機出力196と診断出力
198の関数として、補正送信機出力194を生成する。補正回路184では、
前記診断出力が第1の低出力範囲にある場合、無修正の送信機出力196と診断
出力198の比率の関数としての補正送信機出力194を算出する。この第1の
低出力範囲では、2つの診断電位の和は、検出した漏れがアースへの漏れ電流で
あることを示す低値であり、算出してからの補正が可能である。前記送信機出力
は、下記の演算式で補正することが好ましい。 補正出力=(1+2(CM/DM))×送信機出力 式1 ただし、CMは前記診断電位の和の1/2値で、DMは前記差分電位値である。
が使用することも可能である。
号をデジタルサンプリングした波形図である。このグラフには2つの波形を比較
できるように、正常状態および漏電状態における波形が重ね合わせてある。垂直
軸200は、デジタルサンプル処理オシロスコープのA/D変換器の正規化カウ
ント数で表された差分流量信号の振幅を示す。水平軸202は、サンプル数によ
る経過時間を示す。第1波形204は、液体の流速が約10フィート/秒の試験
条件における正常状態の差分電極信号の波形と、約6ヘルツの周波数におけるほ
ぼ矩形波をもつ電磁石ドライブ出力とを示す。前記正常波形204の平坦な安定
部の間のピークからピークの振幅は、およそ40,000カウントである。次に
、前記電極の1つに水をスプレーして、漏れ電流がアースへ流れる状態を形成す
る。この状態で、第2波形206をサンプリングする。この第2波形には、平坦
部の間に約24,000カウントのピークからピークの振幅がある。つまり、片
方の電極からアースへの漏れ電流があるとき、差分電極信号の振幅におよそ15
%の誤差が生じるのである。しかしながら、差分波形206は、それ以外の点で
は正常であるため、オペレータは、漏れ電流によって流量計に誤作動が生じてい
ることに気付かないのである。
位の和のデジタルサンプル波形(同相)を重ね合わせたグラフである。図7の垂
直軸と水平軸は、図6で説明したものと同じである。正常状態では、前記加算さ
れた診断電位210の範囲は、電力線ノイズのせいで±5000カウント程度で
あるが、この電力線(60ヘルツ)ノイズが平均化つまりフィルター処理される
と、カウント数はほぼゼロになる。しかしながら、漏電流状態では、加算診断電
位212の平均値は、電磁石ドライブ出力の極性が変るたびに−3000から+
3000カウントの間で変化する。この加算診断電位が、電極からの漏れ電流を
示す値である。
同相)電極信号のグラフ図である。図の縦軸200は、デジタルサンプル式オシ
ロスコープ内のA/D変換器の正規化カウント数としての電極信号の振幅を示す
。横軸202は、サンプル数としての経過時間を示している。アースへの漏電状
態は、送流管の外部の電極の一部に水をかけることによりシミューレートでき、
218で示す時点である。
ける差分電極信号のデジタルサンプル波形グラフである。流量を示す差分電極信
号の変化は、漏れ電流発生後では‐21.62%程度である。しかしながら、こ
の変化値は予定流量信号の正常範囲内であるため、実際の流量変化と判断できず
、見落とされる可能性がある。
る、加算電極信号つまり同相電極信号の波形が図示されている。前記漏電流が発
生した場合の同相電極信号の変化は1000%で、正常状態から容易に区別可能
であるため、明らかな漏れ電流の発生が表示される。このような波形は、液体流
速が約10フィート/秒で、ほぼ矩形波の電磁石ドライブ出力が約6ヘルツの周
波数での試験条件において形成される。
、無補正の送信機流量出力信号のデジタルサンプリング波形を示すグラフである
。漏れ電流発生後の流量出力の無補正変化つまり誤差は、およそ−21.62%
である。送信機流量出力信号230と232は、同相信号に基いた自動補正処理
がされていない。
る、加算電極信号つまり同相電極信号の波形も図示されている。前記漏電流が発
生した場合の同相電極信号における変化は約1000%で、正常作動状態から容
易に区別可能であるため、明らかに漏れ電流の発生が表示される。
ライブ出力が約6ヘルツの周波数での試験条件において形成される。
2%だった流量出力の誤差が、漏電流発生後には−1.77%になった。つまり
、この実験においては、自動補正処理の結果、その誤差が−21.62%から、
わずか−1.77%へと減少したのである。補正処理の結果はそれぞれの実験状
況に大きく左右されるが、一般的には流量表示値は、漏電流状態の下でも、補正
処理を行った場合の方がより正確になる。
52を装備した電磁流量計250である。この流量計250は、図4、図5に示
される流量計120、180と同様のものであり、その特性も図4と図5のもの
と同じか類似する。また、送流管には同じ参照番号を付与した。
メモリ256には、診断アルゴリズム258が格納されている。プロセッサ装置
252は、コイルドライバ152、アナログ/デジタル変換器260に接続し、
さらに、増幅器148、150を介して第1電極と第2電極にも接続する。この
プロセッサ装置では、第1と第2電極間の差分電位の関数として、液体の流量を
示す送信機出力154を生成する。また、この装置では、第1電極とアース間の
第1診断電位と、第2電極とアース間の第2診断電位とを検出し、この2つの診
断電位の和の関数として電極の漏れを示す診断出力164を生成する。このプロ
セッサ装置は、必要なら、前記診断アルゴリズム258を使って、補正出力の関
数としての送信機出力を補正することも可能である。
す。この診断手順の工程は、診断アルゴリズム258としてプロセッサメモリ2
56内に格納できる。また、この診断アルゴリズムは、ROMや、必要に応じて
EEPROMなどのメモリに格納することも可能である。このアルゴリズムは、
一連の命令を格納したコンピュータ読取り可能媒体からメモリに取り込むことも
可能である。電磁流量計内のプロセッサで前記一連の命令が与えられて、前記診
断工程が行われるのである。
で電極電圧の和が算出されると、その算出値は、工程276でサンプル処理され
る。この処理は、磁界と電極電圧が平坦つまり一定した時間間隔で行われるのが
好ましい。次の工程278で、サンプルされた和の絶対値を算出して、極性の交
番を排除する。工程280では、前記絶対値が基準値282と比較されて、漏電
流状態を判断する。絶対値が低ければ、工程284において漏れ電流が無い、つ
まり動作不良の無いことが表示される。絶対値がほぼ正常流量信号の範囲内であ
れば、工程286においてアースへの漏電流の発生が表示される。絶対値が前記
正常流量信号を超過した場合、工程288において電磁石コイルへの漏電流の発
生が表示される。
なれば、工程292で送信機出力を自動的に補正することも可能である。診断手
順が終了すると、アルゴリズムは工程294から開始工程へ戻り、アルゴリズム
を繰返す。
落としているために、電磁流送信機の送信機出力が正確な流量を表示しているよ
うでも実際にはその流量値は不正確であるという状況を、回避することができる
。
当業者には明らかなように、この発明の本質および範囲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。
算電極信号を示す。
の補正を示す。
24……電磁石、26……コイル、28……シールド、30,32……電極、3
4……送信機回路、36……磁界、38……リード
Claims (14)
- 【請求項1】 電磁流量計であって、 アースに接続した液流体を搬送する絶縁管と、電磁石と、第1と第2の電極を
含む電極回路とを備えた送流管と、 前記電磁石と、電極回路と、アースとに接続されており、前記電極回路の差分
電位の関数である液体流量を示す送信機出力を生成する送信機回路と、 前記電極回路とアースとに接続されており、前記第1電極とアースとの間の第
1診断電位を検出し、さらに前記第2電極とアースとの間の第2診断電位を検出
して、前記第1診断電位と第2診断電位の和の関数から、前記電極回路からの漏
れ電流を示す診断出力を生成する診断回路とからなる電磁流量計。 - 【請求項2】 前記漏れ電流が、前記電極回路からアースへ流れる、請求項
1記載の電磁流量計。 - 【請求項3】 前記漏れ電流が、前記電極回路から電磁石へ流れる、請求項
1記載の電磁流量計。 - 【請求項4】 前記診断出力が、前記両診断電位の和が第1範囲にある場合
には、電極からアースへの漏れ電流を示し、前記両診断電位の和が第1範囲より
も大きい第2範囲にある場合には、電極から電磁石への漏れ電流を示す、請求項
1記載の電磁流量計。 - 【請求項5】 前記送信機回路が駆動出力を前記電磁石に伝送し、前記診断
回路が、駆動出力と同期してサンプル処理されるサンプル和を算出する、請求項
1記載の電磁流量計。 - 【請求項6】 前記診断回路が、前記サンプル和の絶対値を算出する、請求
項5記載の電磁流量計。 - 【請求項7】 前記送信機回路に、前記送信機出力と診断出力の関数である
補正送信機出力を生成する補正回路を備える、請求項1記載の電磁流量計。 - 【請求項8】 前記補正回路が、前記診断出力が第1範囲にある場合には、
診断出力と送信機出力の比率の関数である補正送信機出力を算出する、請求項7
記載の電磁流量計。 - 【請求項9】 前記送信機出力を下記の演算式で補正する、請求項8記載の
電磁流量計。 補正出力=(1+2(CM/DM))×送信機出力 ただし、CMは前記和の1/2値で、DMは前記差分電位値である。 - 【請求項10】 電磁流量計であって、 アースに接続された液流体を搬送する絶縁管と、電磁石と、第1と第2の電極
を含む電極回路とを備えた送流管と、 前記電磁石と、第1と第2の電極と、アースとに接続されており、前記第1電
極と第2電極間の差分電位の関数である液体の流量を示す送信機出力を生成する
送信機回路と、 前記第1電極とアースとの間の第1診断電位を検出し、前記第2電極とアース
との間の第2診断電位を検出して、前記第1診断電位と第2診断電位の和の関数
から、電極漏れ電流を示す診断出力を生成するよう、前記両電極とアースに接続
された診断手段とからなる電磁流量計。 - 【請求項11】 電磁流量計内のプロセッサーで実行される複数の手順命令
を格納するコンピュータ読取可能媒体であって、前記プロセッサーが実行する手
順が、 電磁流量計の第1電極とアースとの間の第1の診断電位を入力する工程と、 電磁流量計の第2電極とアースとの間の第2の診断電位を入力する工程と、 前記第1と第2の診断電位の和の関数である電極の漏れ電流の存在を示す診断
出力を生成する工程とからなる、コンピュータ読取可能媒体。 - 【請求項12】 さらに、 前記第1診断電位と第2診断電位を加算する工程と、 前記診断電位をサンプル処理する工程と、 前記診断電位の絶対値を算出する工程と、 前記診断電位の絶対値を記憶基準値と比較する工程と、 前記比較結果の関数により電極の漏れ電流を検出する工程と、 前記検出した漏れ電流の送信機出力を補正する工程とからなる手順命令を備え
る、請求項11記載のコンピュータ読取可能媒体。 - 【請求項13】 電磁流量計の動作方法であって、 送流管の第1電極と第2電極からそれぞれ入力された第1診断電位と第2診断
電位とを加算する工程と、 前記診断電位をサンプル処理する工程と、 前記診断電位の絶対値を算出する工程と、 前記診断電位絶対値を記憶基準値と比較する工程と、 前記比較結果の関数から電極の漏れ電流を検知する工程と、 前記で検知した漏れ電流を示す送信機出力を補正する工程とからなる、電磁流
量計の動作方法。 - 【請求項14】 電磁流量計であって、 アースに接続された液流体を搬送する絶縁管と、電磁石と、第1と第2の電極
とを備えた送流管と、 前記電磁石と、第1と第2の電極とに接続されており、前記第1電極と第2電
極間の差分電位の関数である液体の流量を示す送信機出力を生成し、前記第1電
極とアースとの間の第1診断電位を検出し、前記第2電極とアースとの間の第2
診断電位を検出して、前記第1診断電位と第2診断電位の和の関数から、電極の
漏れ電流を示す診断出力を生成するプロセッサー装置とからなる、電磁流量計。
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