JPH09502267A - 空のパイプ検出器を有する磁気流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電磁流体流量計（２６）は空のパイプ検出回路を含んでいる。該空のパイプ検出回路は流量計（２６）中の一対の電極（１６Ａ，１６Ｂ）に、共通モードの非同期信号を印加する。流体のインピーダンスは、電極（１６Ａ，１６Ｂ）と電気的な接地間の非同期信号の大きさを測定することによって決定される。インピーダンスは空のパイプ状態を決定するのに使用される。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 空のパイプ検出器を有する磁気流量計 発明の背景 この発明は、流体の流量(flow rate)を測定するための磁気流量計に関する。 特に、本発明は、流体のインピーダンスを測定することおよび磁気流量計の空の パイプ状態をモニタすることに関する。 電子磁気流量計において、パルス化された磁束は、測定しているパイプを通っ て流れる流体の流れ方向に垂直な方向に印加される。この磁束は、流体中に、流 量の関数として変化する電位差を誘起する。そして、この電位差は、パイプ中に 置かれた２個の電極によって検知される。流量計において、測定しているパイプ を通って流れる流体のインピーダンスを検出することは有意義なことである。こ の情報は、空のパイプの状態を検知するのに使用することができる。一つの検知 方法は、複数の電極、接地電極、および付加回路を流れる直流を使用して、空の パイプ状態を検知する方法である。しかし、この検知方法は、電極をメッキして しまうという不具合があるので、これらの電極は交換されなくてはならなくなる 。 １９９０年１１月１３日に望月に対して発行された米国特許第４９６９３６３号 「流体の流量と導電率を同時に測定することのできる電子磁気流量計」は、電極 に電流パルスを印加して、コイル駆動電流が立ち上がっている間のみ流体のイン ピーダンスをモニタするようした空のパイプ検出器を開示している。大部分の流 量計は、コイル駆動電流の立上がり時間が変化するように、コイルを駆動する多 数の周波数をもっているので、この装置は必然的に、この装置を異なる立上がり 時間で動作させることを可能にするタイミング回路を含むことになる。さらに、 幾つかの流量計設備は、コイルの駆動周波数が約３５Ｈｚより大きい時に、流体 のインピーダンスの測定が邪魔されるような大きなケーブル容量をもつことにな る。その結果、望月の装置は低い容量のケーブル応用装置に限定され、付加的な タイミング回路をもち、パルス化された磁束と同期させられなければならなくな るので、流体の導電率を連続的にモニタすることができない。 それゆえ、簡単な回路をもちかつ連続的にモニタできる空のパイプ検出器をも ち、コイル駆動周波数に依存しないがしかし電極を分極せず、大容量ケーブルに 適用できる流量計を提供することが必要になる。 本発明の要約 この発明は、測定パイプ中を運ばれる流体のインピーダンスを測定するための 回路を含む電子磁気流量計を提供することにある。この流量計は、流体の流れに 実質的に垂直な方向の、パルス化された磁束を測定パイプに印加するための手段 を含んでいる。第１と第２の電極は、流体測定パイプの中に装着され、電気的に 流体と接触している。流量は、前記印加されたパルス化された磁束によって発生 される前記第１と第２の電極間の電位差を測定することによって検出される。イ ンピータンスを検出し、それによって空のパイプ状態を検出するための回路は、 コイル駆動回路に非同期な交流電流発生装置を含んでいる。該交流電流発生装置 から出力された電流は、前記第１と第２の電極に、接地に対して共通（コモン） モードとして印加される。合算回路は、少なくとも一つの電極からの共通モード 電流を合算する。該共通モード電流は流体のインピーダンスの関数であり、それ ゆえ空または一杯のパイプ状態を示す前記電極のインピーダンスに依存し、また 該共通モード電流は二つの部分に分割される。信号処理回路は、前記共通電流の 一部分が流れる検知インピーダンスの両端の電位を検出する。検出された電位は 、流体のインピーダ ンスに応じて変化し、それゆえパイプが空であるか一杯であるかを示す。 本発明の他の実施例では、交流電流は流体信号より低い周波数で、二つの電極 間に印加される。電流分割器は、流体のインピーダンスの関数として、電流を二 つの部分に分割し、フィルタ回路は、（空のパイプの状態を示す）高い周波数の 流体信号から流体のインピーダンスを表す低い周波数の信号を除去する。 図面の簡単な説明 図１は、従来の磁気流量計のブロック図である。 図２は、本発明による空のパイプ検出回路を含む磁気流量計の電気回路図であ る。 図３は、本発明の空のパイプ検出回路の簡単化された電気回路図である。 実施例の詳細な説明 図１は、従来の磁気流量計１０のブロック図である。従来の流量計１０は、電 気的に接地された測定パイプ１２を含んでいる。磁気励起コイル１４は、測定パ イプ１２に隣接して配置されており、一対の電極１６はパイプ１２の内部まで延 長して設けられている。ドライバ回路１８は、コイル１４に 結合されている。差動増幅器２０は一対の電極１６に接続された二つの入力を有 している。差動増幅器２０の出力は、流量検出回路２２に接続され、該流量検出 回路２２は出力回路２４に接続されている。 その動作を説明すると、従来の流量計１０は、測定パイプ１２を通って流れる 流体の流量を検出する。コイル１４は、ドライバ回路１８によって発生されるパ ルス化された励起電流によって励起され、パイプ１２を通る流体の流れに実質的 に垂直な方向にパルス化された磁束を提供する。この磁束は、流体に電位を誘起 し、電極１６はこれらの電極間に電位差をもつ。差動増幅器２０は、この電位差 を増幅し、流量検出回路２２に増幅された出力を提供する。流量検出回路２２は 、差動増幅器２０からの出力を流量の単位に変換し、その出力を出力回路２４に 提供する。出力回路２４は有益な流量情報の出力を提供する。この流量情報は、 例えば、２線４−２０ｍＡプロセス制御ループによって伝送されることができる 。 本発明は、流量計回路装置１０による流量の測定を変えないで、パイプ１２を 通って流れる流体のインピーダンスを決定することができるようにするための、 図１の従来の流量計１０に付加される回路装置を提供するものである。 図２は、本発明による磁気流量計２６の回路図である。磁気流量計２６は、流 量出力を提供するのに使用される従来の流量計１０と同じ回路を含んでいる。磁 気流量計２６は、接地された測定パイプ１２、磁気励起コイル１４および一対の 電極１６（電極１６Ａと電極１６Ｂとからなる）を含んでいる。電極１６Ａ、１ ６Ｂ間の接地に対するインピーダンスは、流体が両電極を覆っている時は小さく 、一方覆っていない時は大きい。たとえ、流体の導電率が装置が変わると、その 大きさが数次に渡って変わるとしても、覆われた電極と覆われない電極の間のイ ンピータンスの差は、一般的には１０のファクタ（factor）程度である。しかし 、１０００のファクタになることもある。差動増幅器２０はバッフアアンプ３０ Ａ、３０Ｂを経て伝えられた電極１６Ａ、１６Ｂ間の電圧差を増幅し、その出力 を出力回路装置２４に接続されている流量検出回路装置２２に提供する。上記し た構成からなる回路装置は、図１に示されている従来の流量計１０と同様に動作 する。 磁気流量計２６は、発振器２８、高入力インピーダンス増幅器３０Ａ、３０Ｂ 、合算回路３４、合算増幅器３６および信号処理回路３８を含んでいる。発振器 ２８は、方形波発生回路４０、抵抗４２、およびコンデンサ４８を含んでいる。 高インピーダンス増幅器３０Ａは、直流阻止コンデンサ５２Ａを通って電極１６ Ａに接続され、抵抗４４Ａ、５６Ａ、５８Ａ、６０Ａ、コンデンサ５０Ａ、およ び負帰還で接続された演算増幅器５４Ａを含んでいる。“Ｂ”で終わる符号の回 路部分は、“Ａ”で終わる回路部分と同じ構成になっている。演算増幅器５４Ａ 及び５４Ｂからの出力は、それぞれ、合算回路３４のバッファ増幅器６２Ａと６ ２Ｂに接続されている。演算増幅器５４Ａと５４Ｂからの出力は、また、差動増 幅器２０に接続され、図１の流量を決定するために使用される。バッファ増幅器 ６２Ａ、６２Ｂからの出力は、抵抗６４と６６に接続され、増幅器３６へ送られ る。増幅器３６の出力は、信号処理回路３８へ送られる。 図３は、本発明による空のパイプ検出回路装置の簡単化された回路図であり、 本発明の回路モデルを示している。図３は、発振器２８と電極１６に接続された 直流阻止コンデンサ５２を示している。電極１６のインピーダンスは、抵抗６８ によって代表的に表されている。図２に示されている増幅器５４Ａの大きな入力 インピーダンスは、抵抗７０で代表的に表されている。コンデンサ７２は、電極 １６を流量計に接続するのに使用されるケーブルの容量を代表的に表している。 発振器２８は、流量計に、最低と最高の幅（ピークツピーク値）が２ｎＡで０． ５Ｈｚの三角波電流を供給する。この周波数はコイル駆動周波数とは無関係であ り、最低の予想流量周波数より低く設定されている。この結果、本発明は、交流 および直流流量計の両方に好適に使用することができるようになる。前記回路要 素の好ましい定数は、直流阻止コンデンサ５２は１．０μＦであり、抵抗６８は １００ｋΩ（一杯のパイプ）と１０ＭΩ（空のパイプ）の間で変化し、コンデン サ７２は１０００フィートの長さのケーブルに対して５０ｎＦであり、検出抵抗 ７０は１０⁹Ωである。 図３は空のパイプ検出回路の基本的な動作を示している。流体のインピーダン スをモデル的に表している抵抗６８は、電極の上端を越える量の流体を流すパイ プに対する１００ｋΩと、流体のレベルが電極を覆わない時である空のパイプの 状態に対する１０ＭΩとの間で変化する。これらの値は、増幅器５４の入力イン ピーダンスよりはるかに小さいから、増幅器６２の入力点での抵抗７０の両端の 電位は、抵抗６８の値に大きく依存する。このように、増幅器６２の出力は、パ イプ１２中の流体のインピーダンスに関連したものとなる。 図２に戻って、構成要素の一実施例の値を説明する。方形 波発生装置４０は、最低と最高の幅（ピークツピーク値）が１４ボルトの０．５ Ｈｚの方形波である。抵抗４２は１．０ＭΩ、コンデンサ４８は０．６８μＦ、 抵抗４４Ａは１０ＭΩ、そして、コンデンサ５０Ａは４７ｐＦである。直流阻止 コンデンサ５２Ａは１．０μＦ、抵抗５６Ａは２．２ＭΩ、抵抗５８Ａは４．４ １ｋΩ、抵抗６０Ａは２．２ＭΩである。抵抗６４と６６は少なくとも１００ｋ Ωあり、これらは実質的に同じ値である。 動作を説明すると、発振器２８は、０．５Ｈｚで、約１μＡ_ppの三角波電流信 号を発生する。この三角波電流信号は、抵抗５６Ａと６０Ａの間の接続点に印加 される。この電流の一部は、それぞれ電極１６Ａ、１６Ｂ間と、電極１６Ａと電 気的な接地間とを流れる。この電圧降下は、次の値で与えられる。 ＫＩ_ppＺ_E …（１） ここに、Ｚ_Eは電極の一つ（すなわち、Ｚ_16A）と入力結合コンデンサと直列に接 続されているケーブル容量Ｃ₅₂（図３ においてＣ₇₂とモデル化されている）との並列結合のインピーダンスであり、Ｋ は増幅器５４Ａ、５４Ｂの電流減衰率であり、次の式で表される。 Ｋ=Ｒ_58A,B／（Ｒ_58A,B＋Ｒ_60A,B）…（２） 図３の例において、ケーブル容量は５０ｎＦであり、検出インピーダンスは１ ０⁹Ωである。Ｒ_58A,B＜＜Ｒ60_A,Bであるから、Ｋは４．４１ｋΩ／２．２ＭΩ または１／５００に近似することができる。このように、流体のインピーダンス Ｒ₆₈が大きい（１０ＭΩ）空のパイプ状態においては、電位差は次の式で与えら れる。 （４．４ｋΩ／２．２ｋΩ）（１μＡ）（Ｒ₆₈‖Ｚ_C72＋Ｚ_C52）…（３） Ｒ₆₈‖Ｚ_C72は、Ｒ₆₈とＺ_C72の並列合成抵抗を示している。（Ｒ₆₈‖Ｚ_C72＋ Ｚ_C52）は４．２ＭΩで置き換えることができ、この値は次のように簡単化する ことができる。 （４．４ｋΩ／２．２ｋΩ）（１μＡ）（４．２ＭΩ）＝約８ｍＶ…（４） インピーダンスＲ₆₈が１ＭΩである一杯のパイプ状態に対しても同様の計算方 法が予測できる。すなわち、増幅器５４Ａ、Ｂの出力における接地に対する電位 は、約２ｍＶ_ppであり、パイプが空の時の接地に対する電位よりも４倍小さな値 である。換言すれば、有効な電極インピーダンスＺ_Eはパイプが空の時のそれは 、一杯の時より、約４倍大きくなる。 演算増幅器５４Ａ、５４Ｂの出力点に現われる信号のうち、パイプ１２中の流 体のインピーダンスによって生じる部分の信号は共通（コモン）モードであり、 一方、電極１６Ａと１６Ｂ間の誘起電位によって生じる部分の流量信号は差分信 号である。増幅器５４Ａ、５４Ｂの出力点における接地に対する電位が増幅器６ ２Ａ、６２Ｂと抵抗６４と６６とによって合算される時、共通モードの信号の大 きさは共に加算され、一方、差分信号の合算値は零になる。このため、増幅器３ ６に入力する信号は、流体のインピーダンス、すなわち流体が電極１６Ａと１６ Ｂを覆う程度を表し、本質的に流量と関わりのないものとなる。信号処理回路３ ８は、もし、増幅器 ３６の出力点における接地に対する電位が予め決められた最小のしきい値以下に 落ちるなら、空のパイプ状態をオペレータに告げるために、警報を出力する。信 号処理回路３８は、またパイプ１２中の流体のインピーダンスを表す出力を提供 する。 発振器２８は、電極の分極を防止するために、交流信号を発生する。一実施例 では、信号源４０は流量計２６を動作させるために使用されるマイクロプロセッ サであり、信号処理回路３８は三角波の最大値の期間に、増幅器３６の出力をサ ンプリングする。そのようなサンプリングのタイミングは、ノイズの影響を低減 し、また、接地に対する電位の位相要素（in-phase component）を収集（サンプ ル）する。この結果、インピーダンスの実数部分を使用することができるように なる。 本発明は、好ましい実施例に関して記述されたが、当業者は、本発明の精神お よび範囲を逸脱せずに、変形することが可能であろう。例えば、流体のインピー ダンスは、二つの電極間の差分により測定されてもよい。この場合には、交流信 号は、一方の電極に印加され、他方の電極の出力が測定される。印加された信号 の周波数は、流量信号とは異なるものと なり、流量信号から除去されることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気的に接地された流体パイプ、 該流体パイプの近傍であって、該流体パイプを通って流れる流体の流れに垂直 な方向に磁束を提供するように向けられた磁気コイル、 該磁気コイルに結合され、該磁気コイルを励起するドライブ回路、 前記流体パイプの内部にあり、その接地に対するインピーダンスが流体が前記 電極を覆ったかどうかを表す一対の電極、 流量の出力を、前記磁束によって発生される前記電極間の電位差の関数として 生成する手段、 および前記電極の少なくとも一つと検出抵抗に結合された信号発生装置を具備 し、 この該信号発生装置は磁気コイルの励起と非同期であり、その信号は検出抵抗 と接地に対する電極インピーダンスとの間に配分され、その結果として、検出抵 抗の両端電位が、流体が前記電極を覆っているかどうかを示すようにした流量計 。 ２．前記信号発生装置が三角波発生手段から構成されていることを特徴とする請 求の範囲１の流量計。 ３．空のパイプ状態を表す出力を、検出抵抗の両端の電位の 関数として提供する信号処理手段をさらに含む請求の範囲１の流量計。 ４．電気的に接地され、これを通って流体を流すのに適した流体パイプ、 流体の流れの方向に実質的に垂直な方向にパルス化された磁束を印加するコイ ル手段、 前記流体パイプの内部にある第１と第２の電極であって、該第１と第２の電極 はパルス化された磁束によって流体中に発生された誘起電位を検出し、該電極の 接地に対するインピーダンスは流体のインピーダンスの関数として変化する第１ と第２の電極、 流量の出力を、前記電極間の電位差の関数として生成し、その流量信号は前記 第１と第２の電極間の差信号である流量検出手段、 および、少なくとも前記電極の一つと検知抵抗を通る流れとに分配される電流 を提供し、その分配が電極のインピーダンスの関数であり、その結果として、検 知抵抗の両端の電位差が流体のインピーダンスの関数となる電流発生装置とを具 備した流量計。 ５．前記電流発生装置がコイルの励起と非同期であり、三角 波を発生することを特徴とする請求の範囲４の流量計。 ６．空のパイプ状態を示す出力を、前記検知抵抗の両端の電位差の関数として提 供する検知抵抗に接続された信号処理手段を含む請求の範囲４の流量計。 ７．電気的に接地され、これを通って流体を流すのに適した流体パイプ、 流体の流れの方向に実質的に垂直な方向にパルス化された磁束を印加するコイ ル手段、 前記流体パイプの内部にある第１と第２の電極であって、該第１と第２の電極 はパルス化された磁束によって流体中に発生された誘起電位を検出し、該電極の 接地に対するインピーダンスは流体のインピーダンスの関数として変化する第１ と第２の電極、 流量の出力を、前記電極間の電位差の関数として生成し、その流量信号は前記 第１と第２の電極間の差信号である流量検出手段、 および、少なくとも一つの電極にパルス化された磁束に非同期な電流を印加す る手段であって、流体のインピーダンスの関数として、該電流を第１および第２ の部分に分割し、該部分の一方における電流の大きさが流体のインピーダンスを 表す手段とからなる流量計。 ８．流体が流れるパイプに接続された流量計、流量出力を流体の流れの割合の関 数として提供する流量計、流体の内部に電場を誘起する磁束を供給するように励 起されるコイルをもち、流量の関数として変化する電位差を検出するために流体 に結合されている一対の電極をもつ流量計であって、 少なくとも一つの電極と検知抵抗に接続され非同期交流電流発生装置であって 、該電極はパイプ中の流体のレベルと共に変化するインピーダンスをもち、電流 は前記検知抵抗と前記電極インピーダンスの間で分割され、その結果前記検知抵 抗の両端の電位差は流体のインピーダンスを表す非同期交流電流発生装置と、 前記検知抵抗の両端の電位差を基準電位と比較し、検出された電位が前記基準 電位より小さい時に空のパイプ状態を示す出力を提供する該検知抵抗に接続され た比較手段とを具備したことを特徴とする流量計。