JP2010096682A - 物理量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力信号の揺動が大きい場合にも、出力値が固定されないリミット処理を可能とする物理量測定装置を実現する。
【解決手段】突変性ノイズを含む物理量の検出値を入力し、前記突変性ノイズを除去するためのリミット処理を実行して出力する物理量測定装置において、前記検出値をデジタルの入力信号に変換するＡＤ変換手段と、前記入力信号を所定のサンプル周期で移動平均する移動平均手段と、今回サンプル周期の移動平均値と前回サンプル周期の移動平均値との差分値と、所定の閾値とを比較してサンプル周期毎に判定結果を出力するノイズ判定手段と、サンプル周期毎に前記入力信号と前記判定結果を取得し、前記突変性ノイズを含む場合には前記リミット処理を実行して出力、揺動性ノイズを含む場合には前記リミット処理を実行しないで出力するリミット処理部と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、突変性ノイズを含む物理量の検出値を入力し、前記突変性ノイズを除去するためのリミット処理を実行して出力する物理量測定装置に関するものである。

図４は、特許文献１に開示されている従来の電磁流量計の構成例を示す機能ブロック図である。この電磁流量計は、流量検出部１０と、アナログ信号で与えられる流量検出値ｅを取得してリミット処理を実行する伝送部２０よりなる。

流量検出部１０において、電磁流量計発信器１１の管路を流れる流体は、励磁回路１２より交流的に励磁され、管路に対向配置された電極に発生する交流信号が差動増幅器１３で増幅され、同期整流回路１４で整流され、アナログ信号で与えられる流量検出値ｅを出力する。

伝送部２０において、ＡＤ変換手段２１は、アナログ信号で与えられる流量検出値ｅを入力してデジタル値の入力信号に変換する。サンプリングタイマ２２は、所定周期の割り込み信号を発生する。

リミット処理部２３は、サンプリングタイマ２２より割り込み信号t(i)を受けると、ＡＤ変換手段１１より入力信号S(i)を取得し、リミット処理を実行した出力Soutを出力手段２４に渡して流量検出値s0を出力させる。リミット処理部２３は、比較基準値保持手段２５と保持時間カウンタ２６を備えている。

図５は、従来構成におけるリミット処理の信号処理手順を示すフローチャートである。
伝送部においてサンプリングタイマが定める周期で取得される流量検出値が、従前に設定された比較基準値に対し所定の範囲内にある場合には、新たにサンプリング入力された流量検出値を基準の比較値に設定する。

取得される流量検出値が前記比較基準値の範囲を超えたときには、予め定めた保持時間の間、比較基準値を従前の値に維持し、予め定めた保持時間を経過後にその時点にサンプリングされた流量検出値に置き換える。

前回出力処理周期の流量検出値に、比較基準値と該流量検出値の差分値に予め定めた１未満のダンピング係数を乗じた値を加算するダンピング処理を実行し、新たな計測流量値として出力する。リミット処理の詳細については、特許文献１に開示がある。

特開平０８−１５２３４７号公報

従来手法によるリミット処理では、サンプリング結果の流量検出値のみに基づきリミット処理の判定を実行している。従って、低導電率流体やポンプ等に起因する揺動ノイズが流量検出値に重畳している場合、このノイズのレベルが比較基準値を超える期間が長いと、常にリミットされている状態が続き、正常な流量出力値が得られない問題がある。

図６は、従来構成における突変性ノイズ及び揺動性ノイズに対する応答波形図である。図６（Ａ）は入力信号波形、（Ｂ）はリミット処理後の出力信号の応答波形である。夫々の波形において、（イ）は突変性ノイズが発生した場合、（ロ）は揺動性ノイズが大の場合、（ハ）は流量変化時に揺動性ノイズが大の場合の応答波形を示している。

図６（Ｂ）の（イ）では、突変性ノイズは除去されており、リミット処理上問題がない。（Ｂ）の（ロ）では、点線のように揺動性ノイズをそのまま出力させたいところ、この揺動性ノイズのレベルが比較基準値を超えるとリミットが入り、実線で示すような応答となり、正常な流量出力値が得られない。

図６（Ｂ）の（ハ）では、流量変化時に揺動性ノイズが大の場合にリミットが入るために、正しい出力流量値となるまでに非常に長い時間が必要になり、この期間では正常な流量出力値が得られない。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、入力信号の揺動が大きい場合にも、出力値が固定されないリミット処理を可能とする物理量測定装置の実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）突変性ノイズを含む物理量の検出値を入力し、前記突変性ノイズを除去するためのリミット処理を実行して出力する物理量測定装置において、
前記検出値をデジタルの入力信号に変換するＡＤ変換手段と、
前記入力信号を所定のサンプル周期で移動平均する移動平均手段と、
今回サンプル周期の移動平均値と前回サンプル周期の移動平均値との差分値と、所定の閾値とを比較してサンプル周期毎に判定結果を出力するノイズ判定手段と、
サンプル周期毎に前記入力信号と前記判定結果を取得し、前記突変性ノイズを含む場合には前記リミット処理を実行して出力、揺動性ノイズを含む場合には前記リミット処理を実行しないで出力するリミット処理部と、
を備えることを特徴とする物理量測定装置。

（２）前記リミット処理部は、サンプル周期毎に取得した前記入力信号を保持するホールド手段と、リミット処理を識別するリミットフラグと、ホールド時間が設定されるタイマ手段とを備えることを特徴とする（１）に記載の物理量測定装置。

（３）前記リミット処理部は、前記差分値が前記閾値よりも大であるとの判定結果を取得したとき、前記リミットフラグが“０”の場合にはこれを“１”にセットし、前回サンプル周期で取得した入力信号または移動平均値を前記ホールド手段にホールドデータとして保持し、前記タイマ手段に所定のホールド時間を設定した後に、前記ホールドデータをリミット出力として外部出力し、前記リミットフラグが“１”の場合には、前記タイマ手段に所定のホールド時間を設定した後に前記ホールドデータをリミット出力として外部出力することを特徴とする（２）に記載の物理量測定装置。

（４）前記リミット処理部は、前記差分値が前記閾値よりも小であるとの判定結果を取得したとき、前記リミットフラグが“０”の場合には、今回サンプル周期で取得した入力信号を正常出力として外部出力し、前記リミットフラグが“１”の場合には、前記タイマ手段をダウンカウントし、設定されたホールド時間が満了でなければ前記ホールドデータをリミット出力として外部出力し、満了であれば前記リミットフラグを“０”にセットした後に前記ホールドデータをリミット出力として外部出力することを特徴とする（２）または（３）に記載の物理量測定装置。

本発明の構成によれば、移動平均値の差分値に基づいてリミット処理の実行の有無を判定しているので、入力信号の揺動が大きくてもリミット動作が解除され、正常な応答を得ることができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した電磁流量計の一実施例を示す機能ブロック図である。図４で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

伝送部１００において、ＡＤ変換手段１０１、サンプリングタイマ１０２、出力手段１０９は、図４に示したＡＤ変換手段２１、サンプリングタイマ２２、出力手段２４と同一機能である。

本発明の特徴部を構成するリミット処理部１０３は、サンプル周期毎にＡＤ変換手段１０１から取得した入力信号を所定時間保持するホールド手段１０４、リミット処理を識別するリミットフラグ１０５、ホールド時間が設定されるタイマ手段１０６を備える。

移動平均手段１０７は、ＡＤ変換手段１０１より出力されるデジタルの入力信号をサンプリングタイマ１０２から与えられるサンプル周期の割り込み信号t(i)毎に入力信号S(i)を取得し、過去の所定サンプル数の入力信号を基に移動平均し、移動平均出力Sav(i)をノイズ判定手段１０８に渡す。

ノイズ判定手段１０８は、今回サンプル周期の移動平均値と前回サンプル周期の移動平均値との差分値（Sav(i)-Sav(i-1)）と、設定される所定の閾値Slimとを比較し、サンプル周期毎に判定結果c1(i)またはc2(i)を出力してリミット処理部１０３に渡す。

リミット処理部１０３は、サンプル周期毎にＡＤ変換手段１０１より出力されるデジタルの入力信号ｓｉと、判定結果c1(i)またはc2(i)を取得し、突変性ノイズを除去するためのリミット処理を実行しSoutを出力する。

図２は、本発明構成におけるリミット処理の信号処理手順を示すフローチャートである。以下、このフローチャートにより伝送部１００におけるリミット処理に関する動作を説明する。

ステップＳ１でｉ番目のサンプル周期の処理がステートすると、ステップＳ２でリミット処理部１０３及び移動平均手段１０７は、ＡＤ変換手段１０１よりの入力信号S(i)を取得する。ステップＳ３では、移動平均手段１０７は今回を含む過去のｎ個のサンプルデータΣs(n)をサンプル数ｎで除した移動平均Sav(i)=Σs(n)/nを演算し、ノイズ判定手段１０８に渡す。

ステップＳ４で、ノイズ判定手段１０８は、今回サンプル周期の移動平均値Sav(i)と前回サンプル周期の移動平均値Sav(i-1)との差分値と、リミット範囲の閾値Slimとを比較する。差分値が閾値Slimよりも大である場合には判定結果c1(i)を、差分値が閾値Slimよりも小である場合には判定結果c2(i)をサンプル周期毎に出力し、リミット処理部１０３に渡す。

差分値が閾値Slimよりも大であるとの判定結果c1(i)を取得したリミット処理部１０３は、ステップＳ５でリミットフラグ１０５を参照し、これが“０”の場合にはステップＳ６でこれを“１”にセットする。ステップＳ７では、前回サンプル周期で取得した入力信号S(i-1)または移動平均値Sav(i-1)をホールド手段１０４にホールドデータSholdとして保持する。

更にステップＳ８でタイマ手段１０６に所定のホールド時間T_holdtimeを設定した後に、ステップＳ９で前記ホールド手段１０４に保持しているホールドデータS(i-1)またはSav(i-1)をリミット出力Sout=Sholdとして出力し、ステップＳ１０で今回サンプル周期の処理を終了する。

ステップＳ５のリミットフラグ１０５の参照で、これが“１”である場合には、ステップＳ８に移行する。

ステップＳ４の判定で、差分値が閾値Slimよりも小であるとの判定結果c2(i)を取得したリミット処理部１０３は、ステップＳ１１でリミットフラグ１０５を参照し、これが“０”の場合は、ステップＳ１２に移行し、今回サンプル周期で取得した入力信号S(i)をそのまま正常出力Soutとして出力する。

ステップＳ１１でのリミットフラグ１０５の参照で、これが“１”の場合は、ステップ１３でタイマ手段１０６に設定されているホールド時間をダウンカウントし、ステップＳ１４で設定されたホールド時間が満了でなければステップＳ９に移行し、ホールド手段１０４に保持しているホールドデータをリミット出力Sout=Sholdとして外部出力する。

ステップＳ１４でタイマ手段１０６に設定されているホールド時間が満了であれば、ステップＳ１５でリミットフラグ１０５を“０”にセットした後、ステップＳ９に進み、ホールド手段１０４に保持しているホールドデータをリミット出力Sout=Sholdとして外部出力する。

このような処理手順により、今回サンプル周期以前に突変ノイズが発生してリミットフラグが“１”となり、タイマ手段１０６にホールド時間が設定された場合には、今回サンプル周期で入力信号S(i)が正常に復帰してもタイマ手段１０６がゼロにカウントダウンするまではホールドデータがリミット出力として外部出力される。

このように、本発明による構成では、ＡＤ変換結果の移動平均値の差分値に基づいてリミット処理の実行の有無を判定している点が従来構成に対する特徴点となっている。このような処理により、入力信号が正負に振れる揺動性ノイズのときは、差分値（Sav(i)-Sav(i-1)）は、ほぼゼロとなり、判定結果はc2(i)となるので、ステップＳ１２が実行されて、リミット動作が入りにくくなる。突変性ノイズ（スパイク状ノイズ）の場合には、差分値（Sav(i)-Sav(i-1)）は、偏った値となり、差分値は大きくなって、判定結果はc1(i)となるので、通常通りのリミット対象とする判定が可能となる。

図３は、本発明構成における突変性ノイズ及び揺動性ノイズに対する応答波形図である。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示した従来構成の波形図と同一である。図３（Ｃ）に同一入力条件での本発明構成の応答波形を示している。

本発明構成の応答波形では、突変性ノイズに対しては従来構成と同一のリミット特性を確保し（図３（Ｃ）の（イ））、揺動性ノイズに対してはリミットが入ることなく、入力信号がそのまま通過して出力される特性を実現することができる（図３（Ｃ）の（ロ）および（ハ））。

以上説明した実施形態では、リミット処理の対象となる物理量として電磁流量計の流量検出値を例示したが、これに限定されるものではなく、超音波流量計でも同様な課題を解決する有効な手法として本発明を適用することができる。更に、突発性ノイズと揺動性ノイズの重畳が問題となる他の物理量（圧力，温度等）にも有効な手法として本発明を適用することができる。

本発明を適用した電磁流量計の一実施例を示す機能ブロック図である。 本発明構成におけるリミット処理の信号処理手順を示すフローチャートである。 本発明構成における突変ノイズ及び揺動性ノイズに対する応答波形図である。 従来の電磁流量計の構成例を示す機能ブロック図である。 従来構成におけるリミット処理の信号処理手順を示すフローチャートである。 従来構成における突変性ノイズ及び揺動性ノイズに対する応答波形図である。

符号の説明

１０ 流量検出部
１１ 電磁流量計発信器
１２ 励磁回路
１３ 差動増幅器
１４ 同期整流回路
１００ 伝送部
１０１ ＡＤ変換手段
１０２ サンプリングタイマ
１０３ リミット処理部
１０４ ホールド手段
１０５ リミットフラグ
１０６ タイマ手段
１０７ 移動平均手段
１０８ ノイズ判定手段
１０９ 出力手段

Claims (4)

1. 突変性ノイズを含む物理量の検出値を入力し、前記突変性ノイズを除去するためのリミット処理を実行して出力する物理量測定装置において、
   前記検出値をデジタルの入力信号に変換するＡＤ変換手段と、
   前記入力信号を所定のサンプル周期で移動平均する移動平均手段と、
   今回サンプル周期の移動平均値と前回サンプル周期の移動平均値との差分値と、所定の閾値とを比較してサンプル周期毎に判定結果を出力するノイズ判定手段と、
   サンプル周期毎に前記入力信号と前記判定結果を取得し、前記突変性ノイズを含む場合には前記リミット処理を実行して出力、揺動性ノイズを含む場合には前記リミット処理を実行しないで出力するリミット処理部と、
   を備えることを特徴とする物理量測定装置。
2. 前記リミット処理部は、サンプル周期毎に取得した前記入力信号を保持するホールド手段と、リミット処理を識別するリミットフラグと、ホールド時間が設定されるタイマ手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の物理量測定装置。
3. 前記リミット処理部は、前記差分値が前記閾値よりも大であるとの判定結果を取得したとき、前記リミットフラグが“０”の場合にはこれを“１”にセットし、前回サンプル周期で取得した入力信号または移動平均値を前記ホールド手段にホールドデータとして保持し、前記タイマ手段に所定のホールド時間を設定した後に、前記ホールドデータをリミット出力として外部出力し、前記リミットフラグが“１”の場合には、前記タイマ手段に所定のホールド時間を設定した後に前記ホールドデータをリミット出力として外部出力することを特徴とする請求項２に記載の物理量測定装置。
4. 前記リミット処理部は、前記差分値が前記閾値よりも小であるとの判定結果を取得したとき、前記リミットフラグが“０”の場合には、今回サンプル周期で取得した入力信号を正常出力として外部出力し、前記リミットフラグが“１”の場合には、前記タイマ手段をダウンカウントし、設定されたホールド時間が満了でなければ前記ホールドデータをリミット出力として外部出力し、満了であれば前記リミットフラグを“０”にセットした後に前記ホールドデータをリミット出力として外部出力することを特徴とする請求項２または３に記載の物理量測定装置。

Images