JP6077843B2 - 電磁流量計 - Google Patents

Description

本発明は、各種プロセス系において導電性を有する流体の流量を測定する電磁流量計の流量積算値算出技術に関する。

一般に、導電性を有する流体の流量を測定する電磁流量計では、測定管内を流れる流体の流れ方向に対して磁界発生方向が垂直となるよう配置された励磁コイルへ、極性が交互に切り替わる励磁電流を供給し、励磁コイルからの発生磁界と直交して測定管内に配置された一対の電極間に生じる起電力を検出し、この電極間に生じる起電力に基づいて、測定管内を流れる流体の流量を測定している。

このような電磁流量計では、標準的な機能の１つとして、流量計測値を積算した流量積算値を算出する機能を備えている。一般的には、一定周期で起電力をサンプリングして得られた流量計測値（瞬時流量）に、そのサンプリング期間を積算することにより、流量積算値を求めることができる（例えば、特許文献１など参照）。

特開平５−１２６６０８号公報

しかしながら、このような従来技術では、単に流量計測値（瞬時流量）に、固定値からなるサンプリング期間を積算することにより、流量積算値を求めているため、サンプリング周期が変動した場合、流量積算値に誤差が生じるという問題点があった。
電磁流量計において、電源周波数ノイズに対するＳ／Ｎ比を向上させるため、電源周波数に同期して流量計測を実行する電源周波数同期方式を採用する場合がある。この方式は、電源周波数に同期した電源同期信号を制御回路に取り込み、これに同期して起電力をサンプリングする方法である。

この際、起電力のサンプリング周期は、電源周波数に同期して変動するが、制御回路では流量積算値の算出に用いるサンプリング周期として、予め設定した固定値を用いている。
一方、電源周波数は、５０Ｈｚ／６０Ｈｚの周波数に対して０．２〜０．３Ｈｚ程度の偏差を含んでいる。このため、電源周波数が変動すると、起電力のサンプリング周期と、流量積算値の算出に用いるサンプリング周期に誤差が生じ、結果として流量積算値に誤差が生じるものとなる。

例えば、５０Ｈｚの電源周波数では、基準周期が１／５０＝２０ｍｓであるため、サンプリング周期として基準周期の１０回分と設定した場合、サンプリング周期は２００ｍｓとなる。
一方、電源周波数が０．２Ｈｚずれて５０．２Ｈｚに変動した場合、基準周期は、１／５０．２＝１９．９２ｍｓとなるため、サンプリング周期は１９９．２ｍｓとなる。
したがって、実際の電源周波数が５０．２Ｈｚであるにも関わらず、流量積算値の算出時に、サンプリング周期として固定値２００ｍｓを用いた場合、流量積算値には（２００−１９９．２）／２００＝０．４％の誤差が生じることになる。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、電源周波数が変動しても、高い精度で流量積算値を算出できる流量積算値算出技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる電磁流量計は、測定管内を流れる流体への励磁に応じて当該流体に発生した起電力を電極で検出し、この起電力を交流増幅して得られた交流流量信号を、外部交流電源と同期するサンプリング周期でサンプリングし、得られた直流流量信号に基づき当該流体の流量計測値を算出して出力する電磁流量計であって、前記外部交流電源から当該外部交流電源の周期と同期した電源同期信号を抽出する同期信号抽出回路と、前記電源同期信号に基づく前記サンプリング周期ごとに当該サンプリング周期を計時し、この計時結果に、当該サンプリング周期に計測された前記流量計測値を乗算した値を、順次積算することにより、流量積算値を算出する制御回路とを備えている。

本発明によれば、流量積算値を算出するサンプリング周期として、流量計測値（瞬時流量）を算出するサンプリング周期と一致した値が用いられる。したがって、電源周波数が変動しても、流量積算値を算出するサンプリング周期にその変動が反映されるため、高い精度で流量積算値を算出することが可能となる。

本発明の電磁流量計の構成を示すブロック図である。 電源同期信号を示す信号波形図である。 本発明の電磁流量計の流量積算値算出処理を示すフローチャートである。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［本実施の形態の構成］
まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる電磁流量計１について説明する。図１は、本発明の電磁流量計の構成を示すブロック図である。

この電磁流量計１は、全体として検出器１Ａと変換器１Ｂとから構成されており、各種プロセス系において導電性を有する流体の流量を測定する機能を有している。本実施の形態では、電磁流量計１が、外部交流電源ＡＣで動作して、４線式の通信回線Ｗを介してコントローラなどの上位装置（図示せず）との間で、フィールドバス方式の伝送を行う、４線式電磁流量計である場合を例として説明する。なお、外部交流電源ＡＣで動作するものであれば、２線式電磁流量計であっても、同様にして本実施の形態を適用できる。

検出器１Ａには、主な構成として、測定管Ｐ、電極ＴＡ，ＴＢ、および励磁コイルＬが設けられている。
測定管Ｐは、全体としてステンレスなどの非磁性金属の筒体からなり、その内側に測定対象となる流体が流れる流路を構成する。
励磁コイルＬは、測定管Ｐの外側に対向して配置された一対のコイルからなり、変換器１Ｂから供給された交流励磁電流に応じて、流路を流れる流体の流れ方向に対して直交する方向に磁界を発生させる機能を有している。

電極ＴＡ，ＴＢは、励磁コイルＬで発生した磁界の方向と直交する方向に対向して、測定管Ｐの内壁に、流路を流れる流体と接液するよう配置された一対の電極からなり、磁界による流体への励磁に応じて当該流体に発生した起電力Ｅ０を検出し、変換器１Ｂへ出力する機能を有している。
なお、測定管Ｐの電位は、接地端子ＴＧを介して変換器１Ｂの接地電位と接続されている。

変換器１Ｂには、主な回路部として、励磁回路１０、交流増幅回路１１、サンプルホールド回路（ＳＨ）１２、Ａ／Ｄ変換器１３、制御回路１４、通信回路１５、電源回路１７、および表示器１６が設けられている。

励磁回路１０は、所定の励磁周波数を持つ交流励磁電流を検出器１Ａに供給する機能を有している。
交流増幅回路１１は、検出器１Ａで得られた起電力Ｅ０を容量素子Ｃを介して入力し、この起電力Ｅ０を交流増幅し、交流流量信号Ｅ１として出力する機能を有している。

サンプルホールド回路１２は、制御回路１４からのサンプリング制御信号ＳＨ１，ＳＨ２に基づいて、交流流量信号Ｅ１の正側波形および負側波形のうち、波形が安定している特定期間の電圧をサンプルホールドし、直流流量信号Ｖ１として出力する機能を有している。
Ａ／Ｄ変換器１３は、直流流量信号Ｖ１の電圧値をＡ／Ｄ変換して制御回路１４へ出力する機能を有している。

制御回路１４は、全体としてＣＰＵとその周辺回路からなり、メモリ（図示せず）からプログラムを読み込んで実行することにより、各種の処理を実行する機能を有している。制御回路１４が実行する主な処理として、励磁制御処理、サンプリング制御処理、流量計測値算出処理、通信制御処理、および流量積算値算出処理がある。

励磁制御処理は、同期信号抽出回路１８からの電源同期信号Ｔを基準とする励磁周波数に基づいて、励磁回路１０を駆動する処理である。サンプリング制御処理は、同期信号抽出回路１８からの電源同期信号Ｔを基準とする励磁周波数に基づきサンプリング制御信号ＳＨ１，ＳＨ２を生成してサンプルホールド回路１２，２２へ出力する処理である。流量計測値算出処理は、直流流量信号Ｖ１の電圧値に基づいて、流量計測値を算出する機能である。通信制御処理は、算出した流量計測値を、通信回路１５から通信回線Ｗを介して上位装置へ通知する処理である。

流量積算値算出処理は、同期信号抽出回路１８からの電源同期信号Ｔに基づき決定されるサンプリング周期を計時した値と、流量計測値（瞬時流量）との積を、順次積算することにより、流量積算値を算出する処理である。

通信回路１５は、通信回線Ｗを介して上位装置と通信を行うことにより、流量計測値や流量積算値などの情報を通知する機能を有している。
表示器１６は、ＬＣＤやＬＥＤなどの表示素子からなり、制御回路１４からの指示に応じて、計測電流値や空検知結果などの各種情報を表示する機能を有している。

電源回路１７は、外部交流電源ＡＣから生成した電源を変換器１Ｂ内の各回路部へ分配する機能を有している。
同期信号抽出回路１８は、電源回路１７の外部交流電源ＡＣから電源同期信号Ｔを抽出して制御回路１４へ出力する機能とを有している。

図２は、電源同期信号を示す信号波形図である。ここでは、外部交流電源ＡＣの基準周期Ｔｓを持つ電源同期信号Ｔが示されており、外部交流電源ＡＣが５０Ｈｚの場合、基準周期Ｔｓは２０ｍｓとなる。電源同期信号Ｔの生成方法については、例えば外部交流電源ＡＣを分圧してコンパレータで極性反転を検出することにより生成するなどの公知の技術を用いればよい。

［本実施の形態の動作］
次に、図３を参照して、本実施の形態にかかる電磁流量計１の動作について説明する。図３は、本発明の電磁流量計の流量積算値算出処理を示すフローチャートである。

励磁回路１０は、制御回路１４の励磁制御処理に基づいて、所定の励磁周波数の交流励磁電流を検出器１Ａの励磁コイルＬに供給する。
励磁コイルＬは、この交流励磁電流に応じて、流路を流れる流体の流れ方向に対して直交する方向に磁界を発生させる。これにより、測定管Ｐを流れる流体に、流量に応じた大きさの起電力Ｅ０が発生する。
流体が電極ＴＡ，ＴＢに接している正常状態の場合、電極ＴＡ，ＴＢは、流体に発生した起電力Ｅ０を検出し、変換器１Ｂへ出力する。

変換器１Ｂの交流増幅回路１１は、容量素子Ｃによる静電容量結合を介して入力された検出器１Ａからの起電力Ｅ０を交流増幅し、交流流量信号Ｅ１として出力する。
サンプルホールド回路１２は、制御回路１４のサンプリング制御処理で出力されたサンプリング制御信号ＳＨ１，ＳＨ２に基づいて、交流流量信号Ｅ１の正側波形および負側波形のうち、波形が安定している特定期間の電圧をサンプルホールドし、直流流量信号Ｖ１として出力する
Ａ／Ｄ変換器１３は、直流流量信号Ｖ１の電圧値をＡ／Ｄ変換して制御回路１４へ出力する。

この後、制御回路１４は、流量計測値算出処理として図３の流量積算値算出処理を実行する。以下、図３に基づいて、流量積算値算出処理の流れを説明する。
まず、制御回路１４は、同期信号抽出回路１８からの電源同期信号Ｔに基づいたサンプリング周期Ｔｓ毎に、流量積算値算出処理により、Ａ／Ｄ変換器１３から取得した直流流量信号Ｖ１の電圧値に基づいて、流量計測値（瞬時流量）Ｆｓを算出する（ステップ１００）。

次に、制御回路１４は、ＣＰＵの内部メモリ（図示せず）に保存しておいた直前の流量積算値Ｆｅを取得し（ステップ１０１）、流量計測値算出処理により算出した流量計測値（瞬時流量）Ｆｓにサンプリング周期Ｔｓを乗算して、流量積算値Ｆｅに加算することにより、新たな流量積算値Ｆｅを算出する（ステップ１０２）。
続いて、制御回路１４は、新たな流量積算値Ｆｅを内部メモリに保存し（ステップ１０３）、一連の流量積算値算出処理を終了する。この流量積算値Ｆｅは、例えば１分や１時間などの積算周期の到来に応じて、制御回路１４により内部メモリから読み出され、通信回路１５から通信回線Ｗを介して上位装置へ通知される。

流量積算値算出処理において、制御回路１４は、同期信号抽出回路１８からの電源同期信号Ｔに基づくサンプリング周期Ｔｓを計時する（ステップ１０４）。例えば、サンプリング周期Ｔｓ、電源同期信号Ｔの基準周期Ｔｃの１０回分に相当する場合、電源同期信号Ｔの基準周期Ｔｃについて１０回分の期間をＣＰＵのタイマ機能により計時する。この際、サンプリング周期Ｔｓの開始から終了までの期間を連続して計時してもよく、サンプリング周期Ｔｓを構成する基準周期Ｔｃごとに計時したものを合計してもよい。

［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、同期信号抽出回路１８が、外部交流電源ＡＣから当該外部交流電源ＡＣの周期と同期した電源同期信号Ｔを抽出し、制御回路１４が、電源同期信号Ｔに基づくサンプリング周期Ｔｓを計時し、この計時結果Ｔｓに流量計測値（瞬時流量）Ｆｓを乗算した値を順次積算することにより、流量積算値Ｆｅを算出するようにしたものである。

これにより、流量積算値Ｆｅを算出するサンプリング周期Ｔｓとして、流量計測値（瞬時流量）Ｆｓを算出するサンプリング周期Ｔｓと一致した値が用いられる。したがって、電源周波数が変動しても、流量積算値Ｆｅを算出するサンプリング周期Ｔｓにその変動が反映されるため、高い精度で流量積算値Ｆｅを算出することが可能となる。

また、本実施の形態では、制御回路１４が、サンプリング周期Ｔｓごとに当該サンプリング周期Ｔｓを計時し、この計時結果Ｔｓに、当該サンプリング周期Ｔｓに得られた流量計測値（瞬時流量）Ｆｓを乗算した値を、順次積算することにより、流量積算値Ｆｅを算出するようにしてもよい。
これにより、流量積算値Ｆｅを算出する際、同一期間に得られた計時結果Ｔｓと流量計測値（瞬時流量）Ｆｓとを用いることができ、電源周波数が短い期間で変動しても、極めて高い精度で流量積算値Ｆｅを算出することが可能となる。

なお、サンプリング周期Ｔｓの計時については、サンプリング周期Ｔｓより長い周期で、定期的に計時してＣＰＵの内部メモリに保存しておき、流量積算値Ｆｅを算出する際、内部メモリから読み出したサンプリング周期Ｔｓの計時結果を用いるようにしてもよく、制御回路１４の処理負担を軽減でき、消費電力の削減に繋がる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１…電磁流量計、１Ａ…検出器、１Ｂ…変換器、１０…励磁回路、１１…交流増幅回路、１２…サンプルホールド回路、１３…Ａ／Ｄ変換器、１４…制御回路、１５…通信回路、１６…表示器、１７…電源回路、１８…同期信号抽出回路、Ｐ…測定管、ＴＡ，ＴＢ…電極、Ｌ…励磁コイル、Ｅ０…起電力、Ｅ１…交流流量信号、Ｖ１…直流流量信号、ＳＨ１，ＳＨ２…サンプリング制御信号、ＡＣ…外部交流電源、Ｔ…電源同期信号、Ｔｓ…サンプリング周期、Ｆｓ…流量計測値、Ｆｅ…流量積算値。

Claims (1)

1. 測定管内を流れる流体への励磁に応じて当該流体に発生した起電力を電極で検出し、この起電力を交流増幅して得られた交流流量信号を、外部交流電源と同期するサンプリング周期でサンプリングし、得られた直流流量信号に基づき当該流体の流量計測値を算出して出力する電磁流量計であって、
   前記外部交流電源から当該外部交流電源の周期と同期した電源同期信号を抽出する同期信号抽出回路と、
   前記電源同期信号に基づく前記サンプリング周期ごとに当該サンプリング周期を計時し、この計時結果に、当該サンプリング周期に計測された前記流量計測値を乗算した値を、順次積算することにより、流量積算値を算出する制御回路と
   を備えることを特徴とする電磁流量計。

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