JP6481443B2 - 電磁流量計 - Google Patents

Description

本発明は、電磁流量計に係り、特に、被測定流体の特性に基づく異常を検出する技術に関する。

電磁誘導を利用して導電性の流体の流量を計測する電磁流量計は、堅牢で精度もよいことから工業的用途に広く用いられている。電磁流量計は、直交方向に磁界がかけられた測定管内に導電性の被測定流体を流し、発生した起電力を計測する。この起電力は、被測定流体の流速に比例するため、計測された起電力に基づいて被測定流体の体積流量を得ることができる。

発生した起電力は、例えば、図７に示すように、測定管５０１に取り付けられた一対の電極（電極Ａ５０３ａ、電極Ｂ５０３ｂ）で計測することができる。また、直交方向の磁界は、測定管５０１近傍に配置された励磁コイル５０２に励磁回路５０５から励磁電流を流すことで発生させることができる。一般に、励磁電流Ｉｅｘは、正励磁期間と負励磁期間とが交互に入れ替わる交番電流が用いられる。

電磁流量計においては、従来から、被測定流体の抵抗（導電率）を測定することで、測定管内が空になったり、電極に絶縁性の異物が付着した等の異常検出をすることが行なわれている。特許文献１には、被測定流体の流量測定と並行して抵抗を測定するために、抵抗測定用の交流電流を電極間に流すことが記載されている。このとき、抵抗測定が流量測定に影響を与えないように、抵抗測定用の交流電流を、励磁電流の周波数の整数倍の周波数で、励磁電流と同期させるようにしている。

特開２００３−９７９８６公報

電磁流量計において発生する異常は、測定管の中が空になったり、電極に絶縁性の異物が付着した場合以外にも起こりうる。例えば、被測定流体（プロセス流体）自体の特性に基づく異常である。

被測定流体の特性に基づく異常としては、被測定流体に気泡が発生したり、被測定流体が低導電率になったり、スラリー（泥漿）流体等が挙げられる。また、被測定流体に対応した材質の電極が選定されていなかったり、酸・アルカリの被測定流体による電極腐食も被測定流体の特性に基づく異常に起因する。さらには、電極への絶縁性の異物付着も被測定流体の特性に基づく異常に含めてもよい。

従来、被測定流体の流量に加え、被測定流体の抵抗を測定する電磁流量計においては、被測定流体の特性に基づく異常の検出については十分考慮されていなかった。このため、被測定流体の特性に基づく異常を、新たなハードウェア構成を付加することなく簡易に検出できれば便利である。

そこで、本発明は、被測定流体の流量に加え、被測定流体の抵抗を測定する電磁流量計において、被測定流体の特性に基づく異常を、新たなハードウェア構成を付加することなく簡易に検出することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電磁流量計は、測定管内を流れる被測定流体に励磁電流により生じる磁界を与え、前記測定管内に設けられた電極に発生する検出信号に基づいて前記被測定流体の流量を測定する電磁流量計であって、正励磁期間と負励磁期間とを有する励磁電流を生成する励磁回路と、前記被測定流体の抵抗を測定するための矩形波状の抵抗測定電流を前記電極に出力する抵抗測定出力回路と、前記正励磁期間に対応する期間であって、前記抵抗測定電流の周期の前半に対応する期間と周期の後半に対応する期間における検出信号のレベル差である第１レベル差と、前記負励磁期間に対応する期間であって、前記抵抗測定電流の周期の前半に対応する期間と周期の後半に対応する期間における検出信号のレベル差である第２レベル差とを算出し、前記第１レベル差と前記第２レベル差との差から得られるノイズレベルに基づいて、前記被測定流体の特性に基づく異常を検出する診断部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記診断部は、連続するノイズレベルの絶対値を平均化して得られる診断用ノイズレベルが所定の基準値以上の場合に、前記被測定流体の特性に基づく異常が発生したと判定することができる。
また、前記診断部は、前記被測定流体の特性に基づく異常を検出した場合に、あらかじめ定めた基準にしたがって、異常原因の示唆を行なうようにしてもよい。
また、前記抵抗測定電流は、前記励磁電流の周波数の整数倍の周波数で、前記励磁電流と同期させることができる。
いずれの場合も、前記診断部が検出する前記被測定流体の特性に基づく異常は、気泡発生、低導電率、スラリー流体、被測定流体による電極腐食、電極への絶縁性の異物付着のいずれかを含むことができる。

本発明によれば、被測定流体の流量に加え、被測定流体の抵抗を測定する電磁流量計において、被測定流体の特性に基づく異常を、新たなハードウェア構成を付加することなく簡易に検出することができる。

本実施形態に係る電磁流量計の基本的な構成を示すブロック図である。 励磁回路の具体例を示す図である。 励磁電流の波形について説明する図である。 本実施形態に係る電磁流量計の動作を説明するフローチャートである。 流量信号サンプリング期間と抵抗信号サンプリング期間を示す図である。 被測定流体の特性に基づく異常診断処理を説明するフローチャートである。 電磁流量計による流量測定を説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る電磁流量計１００の基本的な構成を示すブロック図である。本図に示すように、電磁流量計１００は、測定管１０１、励磁コイル１０２、電極Ａ１０３ａ、電極Ｂ１０３ｂ、アース電極１０４、バッファ１０５、差動増幅回路１０６、流量信号サンプリング部１０７、励磁信号サンプリング部１０８、抵抗信号サンプリング部１０９、制御部１１０、励磁回路１２０、抵抗測定出力回路１３０、表示部１４１、操作受付部１４２、電流出力部１４３、パルス出力部１４４、ステータス出力部１４５、通信部１４６を備えている。

制御部１１０は、ＣＰＵ、メモリ等で構成することができ、回路制御部１１１、演算部１１２、診断部１１３を備えている。

回路制御部１１１は、流量信号サンプリング部１０７、励磁信号サンプリング部１０８、抵抗信号サンプリング部１０９、励磁回路１２０、抵抗測定出力回路１３０、表示部１４１、電流出力部１４３、パルス出力部１４４、ステータス出力部１４５、通信部１４６の制御を行なうとともに、操作受付部１４２を介してユーザからの各種指示を受け付ける。

演算部１１２は、流量信号サンプリング部１０７の出力データに基づいて測定管１０１を流れる被測定流体の流速および体積流量を算出し、抵抗信号サンプリング部１０９の出力データに基づいて被測定流体の抵抗（導電率）を算出する。

診断部１１３は、抵抗信号サンプリング部１０９の出力データに基づいて被測定流体の特性に基づく異常を診断する。すなわち、本実施形態の電磁流量計１００は、抵抗測定用の信号を用いて被測定流体の特性に基づく異常を診断する。このため、被測定流体の特性に基づく異常の診断のために、新たなハードウェア構成は不要である。

ここで、流量信号サンプリング部１０７、抵抗信号サンプリング部１０９とも差動増幅回路１０６の出力信号をサンプリングして出力データとするが、両者はサンプリング期間を異ならせている。流量信号サンプリング部１０７のサンプリング期間および抵抗信号サンプリング部１０９のサンプリング期間の詳細については後述する。

電磁流量計１００において、励磁回路１２０が制御部１１０の制御の下で励磁コイル１０２に励磁電流Ｉｅｘを流すと、電極Ａ１０３ａ、電極Ｂ１０３ｂで被測定流体の流速に比例した起電力が検出される。この検出信号はバッファ１０５を介して差動増幅回路１０６に入力され、コモンモードで発生する外来ノイズが除去されるとともに、所望の振幅レベルに増幅される。ただし、この検出信号には、後述する抵抗測定用の電流に基づく信号も含まれている。

差動増幅回路１０６が出力する検出信号は流量信号サンプリング部１０７でデジタルデータに変換されて制御部１１０に入力される。また、励磁回路１２０が出力する励磁電流Ｉｅｘに対応する値は、励磁信号サンプリング部１０８でデジタルデータに変換されて制御部１１０に入力される。

抵抗測定出力回路１３０は、電極Ａ１０３ａ、電極Ｂ１０３ｂを介して被測定流体に所定の抵抗測定用の電流を流す。この抵抗測定用の電流に基づく信号を含んだ検出信号は、抵抗信号サンプリング部１０９でデジタルデータに変換されて制御部１１０に入力される。

表示部１４１は、液晶表示装置等で構成することができ、測定値や診断結果等を表示する。操作受付部１４２は、複数個のキー等で構成することができ、ユーザから操作を受け付ける。電流出力部１４３は、測定値や診断結果等を４―２０ｍＡ等の所定レンジの電流値にスケーリングして出力する。パルス出力部１４４は、測定値や診断結果等を所定レンジの周波数パルスにスケーリングして出力する。ステータス出力部１４５は、電磁流量計１００の内部状態を接点のオン／オフで外部に出力する。通信部１４６は、種々の通信プロトコルで外部装置と各種情報の通信を行なう。ただし、各出力部は例示であり、本例に限られるものではない。

図２は、励磁コイル１０２に励磁電流Ｉｅｘを流す励磁回路１２０の構成例である。励磁回路１２０は、直流電源Ｅ１と、定電流源ＣＣＳと、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４とを備えている。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４は、回路制御部１１１からの信号Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４によりオンオフが制御される。なお、励磁コイル１０２に直列に接続された抵抗Ｒｉに生じる電圧Ｖｉｅｘは、励磁電流Ｉｅｘに対応する値を示し、励磁信号サンプリング部１０８でサンプリングされて制御部１１０に入力される。

図３に示すように、回路制御部１１１は、励磁の１サイクルを２つの期間に区分する。そして、Ｑ１とＱ３は前の期間のみオンとなるように信号Ｔ１、Ｔ３を出力し、Ｑ２とＱ４は後ろの期間のみオンとなるように信号Ｔ２、Ｔ４を出力する。これにより、励磁電流Ｉｅｘは、電流＋Ｉの正励磁期間、電流−Ｉの負励磁期間から構成されるサイクルを繰り返すことになる。

また、抵抗測定出力回路１３０は、抵抗測定用の電流Ｉｒを、矩形波状とし、励磁電流Ｉｅｘの周波数の整数倍の周波数で、励磁電流Ｉｅｘと同期させて出力する。これにより、それぞれのサンプリング期間を適切に設定することで、抵抗測定が流量測定に影響を与えないようにすることができる。図３に示した波形例では、抵抗測定用の電流Ｉｒの周波数を励磁電流Ｉｅｘの周波数の４倍としている。ここで、電流Ｉｒの周期の前半をＩｒ１とし、後半をＩｒ２としている。

図４は、本実施形態の電磁流量計１００の動作を示すフローチャートである。電磁流量計１００は、被測定流体の流量の測定と、被測定流体の抵抗（導電率）の測定と、被測定流体の特性に基づく異常の検出処理を並行して行なうことができる。

まず、電磁流量計１００は、測定開始に先立ち、ユーザから測定条件の設定を受け付ける（Ｓ１０１）。測定条件の設定では、例えば、流量スパン、単位等のパラメータ設定を受け付ける。

そして、測定を開始すると（Ｓ１０２）、励磁回路１２０が励磁電流Ｉｅｘを生成して励磁コイル１０２に出力するとともに、抵抗測定出力回路１３０が抵抗測定用電流Ｉｒを生成して、両電極１０３を介して被測定流体に出力する（Ｓ１０３）。上述のように、抵抗測定用の電流Ｉｒは、励磁電流Ｉｅｘの周波数の整数倍の周波数で、励磁電流Ｉｅｘと同期している。

励磁電流Ｉｅｘと抵抗測定用電流Ｉｒにより、両電極１０３間で電圧が検出されるため、差動増幅回路１０６の出力信号Ｅｅｘは、図５に示すように、励磁電流Ｉｅｘと抵抗測定用電流Ｉｒとを重畳したような波形となる。ただし、励磁電流Ｉｅｘが＋Ｉと−Ｉとで切り替わるときには、出力信号Ｅｅｘに微分ノイズが発生する。

出力信号Ｅｅｘにおいて、励磁電流Ｉｅｘの正励磁期間に対応する期間に得られる電圧の平均値と負励磁期間に対応する期間に得られる電圧の平均値との差が被測定流体の流速に比例した量となる。また、抵抗測定用電流Ｉｒの周期の前半に対応する期間に得られる電圧の平均値と周期の後半に対応する期間に得られる電圧の平均値との差が被測定流体の抵抗に比例した量となる。ただし、いずれも微分ノイズ部分は除外する。

差動増幅回路１０６の出力信号Ｅｅｘに対して、流量信号サンプリング部１０７が、流量信号サンプル期間ＥＳｎで流量信号のサンプリングを行なう。また、抵抗信号サンプリング部１０９が、抵抗信号サンプル期間ＥＮｎで抵抗信号のサンプリングを行なう（Ｓ１０４）。

ここで、図５に示すように、流量信号サンプル期間ＥＳｎは、励磁電流Ｉｅｘの正励磁期間、負励磁期間に対応する期間のそれぞれについて、抵抗測定用電流Ｉｒの周期の整数倍の期間である。このようにすることで、抵抗測定用電流Ｉｒによる出力信号Ｅｅｘの変化分が相殺されるため、抵抗測定用電流Ｉｒによる流量信号への影響を排除することができる。

なお、微分ノイズの影響を避けるため、流量信号サンプル期間ＥＳｎは、正励磁期間、負励磁期間に対応する期間において微分ノイズが収まって波形が安定した期間に設定する。

本図の例では、励磁電流Ｉｅｘの正励磁期間に対応する期間における抵抗測定用電流Ｉｒの１周期分の期間ＥＳ１と、励磁電流Ｉｅｘの負励磁期間に対応する期間における抵抗測定用電流Ｉｒの１周期分の期間ＥＳ２とを流量信号サンプル期間ＥＳｎとしている。

また、抵抗信号サンプル期間ＥＮｎは、励磁電流Ｉｅｘの正励磁期間、負励磁期間に対応する期間のそれぞれについて、抵抗測定用電流Ｉｒのある周期に対応する期間についての前半期間と後半期間である。抵抗測定用電流Ｉｒの同一周期においては、被測定流体の流速に基づく検出信号は変化しないため、前半期間と後半期間との電圧差と、抵抗測定用電流Ｉｒの前半期間と後半期間との電流差（Ｉｒ１−Ｉｒ２）とに基づいて、被測定流体の抵抗を測定することができる。抵抗信号サンプル期間ＥＮｎについても微分ノイズの影響を受けない期間に設定する。

本図の例では、励磁電流Ｉｅｘの正励磁期間に対応する期間における、抵抗測定用電流Ｉｒの２番目の周期に対応する期間についての前半期間ＥＮ１と後半期間ＥＮ２、および、励磁電流Ｉｅｘの負励磁期間に対応する期間における、抵抗測定用電流Ｉｒの２番目の周期に対応する期間についての前半期間ＥＮ３と後半期間ＥＮ４を抵抗信号サンプル期間ＥＮｎとしている。

各サンプリング期間中は、所定のサンプリングレートでサンプルデータの取得を繰り返す。繰り返し取得されたサンプルデータの平均値をその期間の検出信号とする。

演算部１１２は、流量信号サンプル期間ＥＳｎに取得した検出信号Ｅｅｘ（ＥＳｎ）に基づいて被測定流体の流量の算出を行なう（Ｓ１０５）。被測定流体の流量演算については従来と同様である。

また、抵抗信号サンプル期間ＥＮｎに取得した検出信号Ｅｅｘ（ＥＮｎ）に基づいて被測定流体の抵抗（導電率）の算出を行なう（Ｓ１０６）。被測定流体の抵抗演算については、従来と同様であり、Ｅｅｘ（ＥＮ１）−Ｅｅｘ（ＥＮ２）、Ｅｅｘ（ＥＮ３）−Ｅｅｘ（ＥＮ４）の少なくとも一方の電圧差と、電流差（Ｉｒ１−Ｉｒ２）とから算出することができる。

さらに、診断部１１３が、抵抗信号サンプル期間ＥＮｎに取得した検出信号Ｅｅｘ（ＥＮｎ）に基づいて被測定流体の特性に基づく異常診断を行なう（Ｓ１０７）。抵抗信号サンプル期間ＥＮｎに得られる検出信号Ｅｅｘ（ＥＮｎ）には、電極電位が変動することで発生するノイズが含まれており、このノイズの要因としては、気泡発生、低伝導率、スラリー流体、電極腐食、流体導電率変化、電極への絶縁性の異物付着等が挙げられる。すなわち、抵抗信号サンプル期間ＥＮｎに発生するノイズレベルを取得することで、被測定流体の特性に基づく異常を検出することができるようになる。

なお、被測定流体の特性に基づく異常により生じるノイズのスペクトラムは、一般に、１０Ｈｚから数１０Ｈｚ程度をコーナー周波数として１／ｆで減少する特性を持っている。被測定流体の特性に基づく異常診断処理の詳細な手順については後述する。

演算部１１２は、算出した流量を測定結果として、電流出力部１４３等から出力する（Ｓ１０８）。このとき、抵抗（導電率）も併せて出力するようにしてもよい。電磁流量計１００は、以上の処理（Ｓ１０３〜Ｓ１０８）を測定が終了するまで（Ｓ１０９：Ｙｅｓ）繰り返す。

次に、被測定流体の特性に基づく異常診断処理（Ｓ１０７）の詳細について図６のフローチャートを参照して説明する。本処理では、抵抗信号サンプル期間ＥＮｎに取得した検出信号Ｅｅｘ（ＥＮｎ）から異常診断用ノイズレベルを算出する（Ｓ２０１）。

異常診断用ノイズレベルの算出は、まず、抵抗演算と同様に、
レベル差Ｅ１＝Ｅｅｘ（ＥＮ１）−Ｅｅｘ（ＥＮ２）
レベル差Ｅ２＝Ｅｅｘ（ＥＮ３）−Ｅｅｘ（ＥＮ４）
を算出する。抵抗演算のときに算出した値を利用してもよい。

レベル差Ｅ１、レベル差Ｅ２は、抵抗成分については同じ値を示すが、電極電位が変動することで発生するノイズを逆極性で含んでいる。そこで、レベル差Ｅ１−レベル差Ｅ２を算出することで、ノイズ成分を抽出することができる。このため、本実施形態では、
レベル差Ｅ１−レベル差Ｅ２＝｛Ｅｅｘ（ＥＮ１）−Ｅｅｘ（ＥＮ２）｝−｛Ｅｅｘ（ＥＮ３）−Ｅｅｘ（ＥＮ４）｝
を算出して、ノイズレベルとする。

そして、連続する複数個のノイズレベルの絶対値の平均値を算出すること（ダンピング演算）で異常診断用ノイズレベルとする。

算出された診断用ノイズレベルがあらかじめ定めた基準値以上であれば（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、表示部１４１に警告を表示したり、パルス出力部１４４、ステータス出力部１４５等から警告情報等を出力する（Ｓ２０３）。これにより、ユーザは、被測定流体の特性に基づく異常が発生したことを知ることができ、メインテナンス等の対応を行なうことができる。ただし、診断用ノイズレベルの値にかかわらず、算出された診断用ノイズレベルの値を出力するようにしてもよい。

また、本実施形態では、警告を出力する際に、ユーザに対して異常の原因の示唆を行なってもよい。異常の原因の示唆を行なう場合には（Ｓ２０４）、所定の判断基準にしたがって原因推定を行ない（Ｓ２０５）、その推定結果に基づくメッセージを表示部１４１、パルス出力部１４４、ステータス出力部１４５等から出力する（Ｓ２０６）。

例えば、演算部１１２における被測定流体の抵抗演算（Ｓ１０６）の結果により、被測定流体の導電率が所定の第１基準値を超えている場合には、ノイズレベルが上昇している異常の原因として、電極腐食、固形物スラリーあるいはキャビテーション等の気泡発生が考えられる。この場合、例えば「電極が被測定流体に対して適切に選定されていれば、被測定流体が固形スラリーであるか、そうでなければキャビテーション等の気泡が発生している可能性がある」という旨のメッセージを出力する。

さらに、「スラリー流体の場合、ライニング材の損傷・摩耗が生じた可能性がある」という旨のメッセージを出力してもよい。これは、スラリー流体により電極周辺のライニング材が損傷・摩耗した場合に、電極の接液面積が増加し、ノイズレベルが上昇することを考慮したものである。

また、演算部１１２における被測定流体の抵抗演算（Ｓ１０６）の結果により、被測定流体の導電率が所定の第２基準値を下回っている場合には、例えば「流体粘度が低い場合は、被測定導電率が低い可能性がある」という旨のメッセージを出力する。

また、被測定流体の導電率が所定範囲内に収まっている場合には、例えば「被測定流体が酸・アルカリであれば、電極腐食の可能性がある」という旨のメッセージを出力する。

１００…電磁流量計、１０１…測定管、１０２…励磁コイル、１０３…電極、１０４…アース電極、１０５…バッファ、１０６…差動増幅回路、１０７…流量信号サンプリング部、１０８…励磁信号サンプリング部、１０９…抵抗信号サンプリング部、１１０…制御部、１１１…回路制御部、１１２…演算部、１１３…診断部、１２０…励磁回路、１３０…抵抗測定出力回路、１４１…表示部、１４２…操作受付部、１４３…電流出力部、１４４…パルス出力部、１４５…ステータス出力部、１４６…通信部

Claims (5)

1. 測定管内を流れる被測定流体に励磁電流により生じる磁界を与え、前記測定管内に設けられた電極に発生する検出信号に基づいて前記被測定流体の流量を測定する電磁流量計であって、
   正励磁期間と負励磁期間とを有する励磁電流を生成する励磁回路と、
   前記被測定流体の抵抗を測定するための矩形波状の抵抗測定電流を前記電極に出力する抵抗測定出力回路と、
   前記正励磁期間に対応する期間であって、前記抵抗測定電流の周期の前半に対応する期間と周期の後半に対応する期間における検出信号のレベル差である第１レベル差と、前記負励磁期間に対応する期間であって、前記抵抗測定電流の周期の前半に対応する期間と周期の後半に対応する期間における検出信号のレベル差である第２レベル差とを算出し、前記第１レベル差と前記第２レベル差との差から得られるノイズレベルに基づいて、電極電位を変動させる異常を検出する診断部と、
   を備えたことを特徴とする電磁流量計。
2. 前記診断部は、連続するノイズレベルの絶対値を平均化して得られる診断用ノイズレベルが所定の基準値以上の場合に、前記電極電位を変動させる異常が発生したと判定することを特徴とする請求項１に記載の電磁流量計。
3. 前記診断部は、前記電極電位を変動させる異常を検出した場合に、あらかじめ定めた基準にしたがって、異常原因の示唆を行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁流量計。
4. 前記抵抗測定電流は、前記励磁電流の周波数の整数倍の周波数で、前記励磁電流と同期していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁流量計。
5. 前記診断部が検出する前記電極電位を変動させる異常は、気泡発生、低導電率、スラリー流体、被測定流体による電極腐食、電極への絶縁性の異物付着のいずれかを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁流量計。