JPH0816622B2 - 磁気誘導型流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気誘導型流量計に関
する。

【０００２】

【従来の技術】“ｍｓｒ”誌の１９８８年版の１９４ペ
ージから１９６ページにかけて、磁気誘導型流量計、す
なわちＤＩＳＣＯＭＡＧ型として市販されている機器、
が説明されており、その機器は、非強磁性−金属性で内
側が絶縁されているか、または電気的に非導通性材料の
いずれかで作られるパイプと、その方向が実際上パイプ
の軸に垂直であって、しかもそれがパイプを横切る、磁
界を発生するコイル装置と、コイル装置および測定用抵
抗器を通過する電流を制御するための制御回路と、パイ
プの壁の中に互いに対向して設けられた、そしてその接
続線が実際上パイプ軸に、および磁界の方向に、垂直で
ある各１つの電極と、そしてそれら電極に接続されたそ
の入力を持ち、その入力とその出力との間に以下の順序
で以下の部分回路（副回路）、すなわち電極に接続され
た差動増幅器と、加算器と、アナログ−ディジタルコン
バーターと、加算器のための補償信号を発生し、そして
シーケンサーを含んでいるマイクロプロセッサーと、そ
して表示器とを含む副回路、を含む測定用回路と、を有
している。

【０００３】本発明の基礎となる問題点は次の通りであ
る。前述の技術誌で説明された磁気誘導型流量計におい
ては、アナログ−ディジタルコンバーターは、例えばデ
ィジタル電圧計で一般的に使用されているような、デュ
アルスロープのアナログ−ディジタルコンバーターであ
る。そのようなアナログ−ディジタルコンバーターは、
各測定周期の始めにおいて加えられる、変換用の基準電
圧値のみを有している。このため、それらは各変換周期
の間一定となっている基準電圧値を基に変換する。従来
技術による磁気誘導型流量計においては、これは測定用
抵抗器両端に現われる電圧の値である。この電圧値は一
般にサンプル／ホールド段によって保持される。

【０００４】従来技術装置においては、コイル電流は電
流規制器によって一定に保たれているため、各変換周期
の間の基準電圧のこの単独のサンプリングで十分である
程度には、この値は保持されており、コイル電流が絶対
的に一定であると見做すことができるのでデュアルスロ
ープアナログ−ディジタルコンバーターが容易に使用で
きる。しかし本発明者による研究検討によれば、この仮
定は高精度磁気誘導流量計が実現されるべき場合には疑
問があることが分かった。電流制御における不安定さに
よって測定周期の間にコイル電流が変動することは常に
回避できるものではない。何の制御もなされないなら
ば、コイル電流は結果的に供給電圧の変化に伴って変動
する。しかし、誘導に関するファラデーの法則に従っ
て、測定電圧は常にコイル電流の瞬時値に厳密に比例す
るので、デュアルスロープアナログ−ディジタルコンバ
ーターは測定電圧を、測定電圧がもはや比例していない
基準に関係させる。このことは測定誤差の原因となり、
そして逆に、不正確さが基準電圧のサンプルされた値と
コイル電流の瞬時値との間の差異に比例する。

【０００５】これらの相互関係は、従来技術の磁気誘導
型流量計の動作を説明するために備えられたタイミング
図である図１を基に詳細に説明される。図１中ａ）にお
いては、以下“測定電圧Ｕ_M”として参照される、電極
から得られる電圧が時間ｔに対してプロットされてい
る。時間軸上の交差線間の距離は、タイムベースとして
用いられる、そして電子装置内の周期のための、基本ク
ロック信号の周期を表わしている。

【０００６】図１中ａにおいては、妨害電圧補償の２つ
の異なる型が、簡単化のために１方が他方の後に示され
ている。それらの各々は特別の型式の装置に用いられ
る。米国特許第４，２１０，０２２号に説明されている
１つの型式は基本クロック信号の周期Ａの間に実行され
る。米国特許第４，７０４，９０８号に説明されている
他の型式は、基本クロック信号の３つの周期Ｂの間に実
行され、これら３つの周期の中央の１つの間に零検出が
起きるものである。

【０００７】図１中ａにおいては、測定電圧は交互に正
および負となるように示されており、それは一般的に磁
気誘導型流量計においては磁界の方向がコイル電流Ｉの
コイル関係極性反転によって周期的に反転するからであ
る（図２参照）。

【０００８】図１中ｂは時間に関する基準電圧Ｕ_Rの変
化を、そしてそのためコイル電流Ｉの量的な特性を示し
ている。これは電流の両方向に関して正として示されて
おり、これは“Ｈ”回路と呼ばれる回路に加えられるも
ので、その全電流は常に測定用抵抗器を通してグランド
に、同じ方向で流れるものである。

【０００９】そのような“Ｈ”回路は前述の米国特許第
４，２１０，０２２号、図２または第４，４１０，９２
６号、図３において開示されている。この“Ｈ”回路
は、４つのブリッジアームの各々に電子式または機械式
スイッチを持ち、そしてブリッジ対角線の１つにコイル
装置を持つブリッジである。コイル装置内の電流の方向
を反転させるため、この対角線に対向する１組のスイッ
チかまたは別の組のみが導通状態とされる。測定用抵抗
器は別のブリッジ対角の１方の頂点とグランドとの間に
設けられる。

【００１０】前述の米国特許第４，４１０，９２６号の
図４に示されている“Ｔ”回路と呼ばれる回路では、コ
イル装置の１端は測定用抵抗器を通してグランドに、そ
して他端は電子式または機械式スイッチを経て直流電源
の正端子に、そして別の電子式または機械式スイッチを
経てこの直流電源の負端子に接続される。コイル装置内
の電流の方向を反転させるために、スイッチの１方また
は他方のみが導通状態とされる。こうして、“Ｈ”回路
とは違って、測定用抵抗器内の電流はその方向を変化さ
せる。こうして“Ｔ”回路においては、図１ａ内の測定
電圧Ｕ_Mと同じく、図１ｂ内の基準電圧Ｕ_Rは、交互に正
および負となる。

【００１１】図１中ｂは、一定でないコイル電流のため
に、基準電圧は水平ではなく、変動していることを示し
ている。図１中ｃの周期Ｅの間のそれぞれの波形は、Ｃ
およびＤにおける長方形によってセットオフされてい
る。

【００１２】図１中ｃは、前もって決められた時間、す
なわち基本クロック信号の周期Ｅにおける、電圧測定の
機能として実行される、デュアルスロープアナログ−デ
ィジタルコンバーターによるアツプインテグレーション
を、そして引き続く、前もって決められた一定スロープ
を用いたダウンインテグレーションを、アナログ的に示
している。ダウンインテグレーションの終わりにおけ
る、デュアルスロープアナログ−ディジタルコンバータ
ーによって発生されるディジタル信号は、ダウンインテ
グレーション時間Ｆ，Ｆ′，Ｆ″に比例している。

【００１３】こうして、測定電圧の一定しない波形と、
アップおよびダウンインテグレーションの全体期間に関
するアップインテグレーションの開始時点に存在する基
準電圧の選択とは、それぞれＣ′およびＤ′で表わされ
る測定誤差を生じさせる。

【００１４】図１中ｃはさらに、基本クロック信号の３
周期Ｂの中央の１つの間に、前述米国特許第４，７０
４，９０８号で説明されているような零検出をも、デュ
アルスロープアナログ−ディジタルコンバーターが実行
することを表わしている。ここでもまた、同じ理由によ
って測定誤差Ｎが生じる。

【００１５】この測定誤差はまた、測定電圧と基準電圧
の商Ｕ_M／Ｕ_Rを表わしている図１中ｄからも明らかであ
る。図１が成り立っている具体的な場合においては、図
１ｄの長方形のそれぞれの上方の値は正確な測定値に対
応し、１方それぞれの下方の値は図１ｃの誤差値Ｃ′，
Ｄ′，Ｎに相当する。

【００１６】こうして、基準電圧の１つのサンプル値だ
けを関係させる従来技術のデュアルスロープアナログ−
ディジタル交換は不十分であり、さらにコイル電流が急
激に立上がるならば、それは適切な回路を必要とし、最
大でも測定電圧の周期の約５０％がカバーできるのみで
ある。

【００１７】これにさらに、実際上市販されている総て
の磁気誘導型流量計においては、電気化学工程によって
電極に表われる妨害電圧の補償が必要で、それは例えば
米国特許第４，２１０，０２２号または米国特許第４，
７０４，９０８号において説明されているように、測定
周期に引は続いて実行される。デュアルスロープアナロ
グ−ディジタルコンバーターと共に、これは測定周期の
延長をもたらし、そしてそのためにさらに別の動乱が生
じるか、または２つのインテグレーターが必要となるの
であって、１つは零検出用、そして他は測定信号用であ
る。後者はまた、かなりの数の付加的な機械式および／
または電子式構成素子を必要とする。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】別の、そしてさらに一
層正確な方法でアナログ−ディジタル変換を行うことが
本発明の目的である。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明によればこの課題
は、非強磁性−金属性で内側が絶縁されているか、また
は電気的に非導電性材料で作られたパイプと、その方向
が実質的にパイプの軸線に垂直な、そしてパイプを横切
る磁界を発生するためのコイル装置と、コイル装置と測
定用抵抗器とを通って流れる電流を制御するための制御
回路と、パイプの壁の中に互いに対向して取付けられ
た、そしてその結合線が実際上、パイプ軸線に、そして
磁界の方向に、垂直である各１つの電極と、入力側で該
電極と接続された測定回路とが設けられており、該測定
回路はその入力側と出力側との間に、前記電極に接続さ
れた差動増幅器と、該差動増幅器の出力側と接続された
加算器と、該加算器の出力側と接続された信号入力側を
有するアナログ／ディジタルコンバータと、該アナログ
／ディジタルコンバータに後置接続されたマイクロプロ
セッサと、該マイクロプロセッサの出力側と接続された
表示ユニットとを有しており、前記アナログ／ディジタ
ルコンバータは、変換において連続的に基準電圧を取込
み、該アナログ／ディジタルコンバータへ基準電圧とし
て前記測定用抵抗器両端の電圧が加えられ、前記マイク
ロプロセッサは、加算器へ供給される補償信号を発生
し、かつ前記の制御回路およびアナログ／ディジタルコ
ンバータ（９）のためのシーケンサを有することにより
解決される。本発明によれば、変換において連続的に基
準電圧を取リ込むアナログ／ディジタルコンバータを使
用している。こうして、このアナログ／ディジタル変換
は、正確にコイル電流の瞬時値に比例する。そのような
アナログ／ディジタルコンバータは、スイッチドキャパ
シタまたはデルタ／シグマアナログディジタルコンバー
タであることが望ましい。

【００２０】両方の型のアナログ−ディジタルコンバー
ターは、スイッチドキャパシターアナログ−ディジタル
コンバーターに関しては“ＩＥＥＥ固体回路ジャーナ
ル”誌１９８７年版１５７ページから１６３ページ、お
よび１９８８年版７３６ページから７４１ページの論文
で、あるいはデルタ−シグマアナログ−ディジタルコン
バーターに関しては“スペース電子および遠隔測定のＩ
ＲＥ会報”誌１９６２年版２０４ページから２０９ペー
ジの論文で説明されている。後者の論文では、デルタ−
シグマモジュレーションが遠隔測定の分野に関して、す
なわちある距離にわたる測定値の伝送に関して、説明さ
れている。近年では、ラジオおよびテレビジョン受信機
におけるオーディオ信号のディジタル化のためにデルタ
−シグマアナログ−ディジタルコンバーターの特殊な適
合性が、“エレクトロニック”誌１９８５年９月２０日
号７５ページから７７ページに説明されている。

【００２１】本発明者が発見したことであるが、磁気誘
導型流量計の極低周波電極電圧が、他の用途、特に遠隔
測定のための、またはオーディオ信号のための用途に説
明されていたそのようなアナログ−ディジタルコンバー
ターによって極めて高精度に求められることは、驚くべ
きものであり、そして予想外のことであった。

【００２２】本発明の長所は、著しく不安定な電極電圧
が測定されることが可能で、アナログ−ディジタルコン
バーターのサンプリングレートが相当に高く選ばれ、そ
して測定電圧の周期の約８０％から９０％までがカバー
される。

【００２３】本発明は、同様な部分には同様な参照記号
が用いられている、他の添付図面を参照しながら行なわ
れる以下の説明から、さらに明らかとなる。

【００２４】

【実施例】図２のブロック図は、ステンレス鋼のような
非磁性材料で作られた、そしてポリテトラフルオルエチ
レン、ポリビニリデンフロライドまたはパーフルオロア
ルコキシのようなプラスチックによって、あるいはソフ
トなまたはハードなゴムによってコーティングされた内
側を持つ磁気誘導型流量計のパイプ１を含んでいる。こ
のパイプ１はまた、電気的に非導電性の材料、すなわち
セラミック、特にＡｌ₂Ｏ₃セラミックのような絶縁材料
で作ることもできる。動作においては、流れの流量が測
定されるべき電気的に導電性の液体が、紙の面に垂直な
方向でパイプ１内を流通する。

【００２５】図２に含まれるコイル装置２は、それぞれ
パイプの上および下に設けられた２つの電気的に直列に
接続されたコイルを有し、コイル装置２内を電流Ｉが流
れる時、パイプ１の長さ方向軸に垂直にパイプを横切る
磁界Ｈを発生する。この電流の強さと方向とは、制御回
路５によって決められ。電流Ｉはまた、接地された１端
を持つ測定用抵抗器６をも通って流れる。こうして、電
流Ｉはこの抵抗器両端に基準電圧Ｕ_Rを発生させる。

【００２６】直流的な、または容量性の電極３，４がパ
イプの壁の中に互いに対向するように取付けられてい
る。直流的な電極は液体と接触し、容量性のそれは接触
しない。電極間を結ぶ線はパイプ軸に、そして磁界の方
向に垂直である。誘導に関するファラデーの法則によっ
て、電極３，４間に現われる電圧、測定電圧Ｕ_M流れの
流量に比例する。最も多い場合では、測定電圧上に妨害
電圧が重なるのであり、これは電気化学的平衡電位が変
動することによって生じ、そして時にはそれが測定電圧
の数倍の値に達することもある。

【００２７】制御回路５は、電流方向が図１に示される
ように基本クロック信号に対して周期的に反転するよ
う、マイクロプロセッサー１０からの信号に従ってコイ
ル電流Ｉを制御する。電流規制が設けられていれば、基
準電圧Ｕ_Rもまた制御回路５に加えられるが、これは図
２において破線で表わされている。

【００２８】電極３，４の各々は、差動増幅器７の入力
の１つに接続されており、これは単に低い利得しか持た
ないために過大な妨害電圧によっても過負荷となること
がないようにされている。差動増幅器７の出力は加算器
８の１つの入力に結合しており、加算器の別の入力に
は、前述の米国特許第４，２１０，０２２号および第
４，７０４，９０８号において知られる方法でマイクロ
プロセッサー１０からの補償信号が供給される。

【００２９】加算器８の出力は、連続的に基準電圧を取
込んでいる、すなわち変換においてこの基準電圧のそれ
ぞれの瞬時値を取込んでいるアナログ−ディジタルコン
バーター９の信号入力に結合している。この結果、測定
用抵抗器６の両端電圧がこの基準電圧Ｕ_Rとしてアナロ
グ−ディジタルコンバーターに加えられることになる。
アナログ−ディジタル変換に必要なクロック信号は、マ
イクロプロセッサー１０からアナログ−ディジタルコン
バーター９に加えられる。

【００３０】マイクロプロセッサー１０は、制御回路５
内の電流方向反転スイッチをオン・オフさせる制御のた
めの、そしてアナログ−ディジタルコンバーター９およ
び必要な他の副回路にタイミングを与えるための、シー
ケンサーを含んでいる。さらにマイクロプロセッサー１
０は、加算器８のディジタル化された出力からの、測定
された流れの流量を表わす信号を受け取り、そしてそれ
を表示器１１に供給する。

【００３１】図３は、図１に類似であるが、本発明の磁
気誘導型流量計の動作を説明するためのタイミング図で
ある。図３中ａおよび図３中ｂは図１中ａおよび図１中
ｂに相当するものであって、そのためここで再び説明す
る必要はない。しかし、図１ａの補償フェーズＢが削除
されており、図１中ａの延長された測定周期は使用する
必要がない。しかも、図１中ｃに相当する図はないた
め、図３中ｃは図１中ｄに相当している。

【００３２】図３中ａおよび図３中ｂは、再び、測定周
期Ｃ，Ｄの間のコイル電流変動と、結果として得られる
測定電圧の比例した変動とを示している。図３ｃは商Ｕ
_M／Ｕ_Rがもはや誤差を含まず、正確な測定値を表わすこ
とを示している。

【００３３】

【発明の効果】正確なアナログ−ディジタル変換を行う
磁気誘導型流量計が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の磁気誘導型流量計の動作を説明する
ためのタイミング図。

【図２】磁気誘導型流量計の電子回路部分のブロック
図。

【図３】図１と類似であるが、本発明の磁気誘導型流量
計の動作を説明するためのタイミング図。

【符号の説明】 １ パイプ ２ コイル装置 ３，４ 電極 ５ 制御回路 ６ 抵抗器 ７ 差動増幅器 ８ 加算器 ９ コンバーター １０ マイクロプロセッサー １１ 表示器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気誘導型流量計において、 非強磁性−金属性で内側が絶縁されているか、または電
   気的に非導電性材料で作られたパイプ（１）と、 その方向が実質的にパイプの軸線に垂直な、そしてパイ
   プを横切る磁界（Ｈ）を発生するためのコイル装置
   （２）と、 コイル装置（２）と測定用抵抗器（６）とを通って流れ
   る電流を制御するための制御回路（５）と、 パイプ（１）の壁の中に互いに対向して取付けられた、
   そしてその結合線が実際上、パイプ軸線に、そして磁界
   の方向に、垂直（直角）である各１つの電極（３，４）
   と、入力側で該電極（３，４）と接続された測定回路とが設
   けられており、 該測定回路はその入力側と出力側との間に、前記電極
   （３，４）に接続された差動増幅器（７）と、該差動増
   幅器（７）の出力側と接続された加算器（８）と、該加
   算器（８）の出力側と接続された信号入力側を有するア
   ナログ／ディジタルコンバータ（９）と、該アナログ／
   ディジタルコンバータ（９）に後置接続されたマイクロ
   プロセッサ（１０）と、該マイクロプロセッサ（１０）
   の出力側と接続された表示ユニット（１１）とを有して
   おり、 前記アナログ／ディジタルコンバータ（９）は、変換に
   おいて連続的に基準電圧（Ｕ _Ｒ ）を取込み、該アナログ
   ／ディジタルコンバータ（９）へ基準電圧として前記測
   定用抵抗器（６）両端の電圧が加えられ、 前記マイクロプロセッサ（１０）は、加算器（８）へ供
   給される補償信号を発生し、かつ前記の制御回路（５）
   およびアナログ／ディジタルコンバータ（９）のための
   シーケンサを有する ことを特徴とする、磁気誘導型流量
   計。
2. 【請求項２】 スイッチドキャパシタまたはデルタ／シ
   グマアナログ−ディジタルコンバータを含む、請求項１
   記載の磁気誘導型流量計。