JPH04220525A - 電磁流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、矩形波状の３値励磁を
行う電磁流量計に係り、特にコアに残留する残留磁場の
影響を除去した信号処理回路の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は特開昭６０−１９５４１８号「電
磁流量計」で開示されている従来の電磁流量計の構成を
示すブロック図である。図４はその動作を説明する波形
図である。以下、この発明の概要について説明する。

【０００３】１は励磁部であり、励磁コイル１ａとコア
１ｂなどから成り立っている。２は導管であり、この中
に被測定流体が流される。導管２には電極３ａ、３ｂが
磁界Ｂと直角方向に配設されている。４と５は高インピ
−ダンスのバッフアアンプでありその入力端は電極３ａ
、３ｂに接続されている。６は同相雑音を除去する外部
抵抗Ｒ１〜Ｒ４を付した差動アンプでバッフアアンプ４
、５の出力を受ける。

【０００４】７は差動アンプの出力、８は差動アンプ７
の出力のサンプリング兼ねたアナログ／デジタル変換器
（以下、Ａ／Ｄ変換器と略称する）である。９はマイク
ロプロセッサ（以下、ＣＰＵと略称する）、１０はメモ
リ（ＲＯＭ／ＲＡＭ）、１１は入出力ポ−ト（Ｉ／Ｏ）
、１２はデジタル／アナログ変換器（以下、Ｄ／Ａ変換
器と略称する）であり、これ等によりマイクロコンピュ
−タ１３を構成している。１４はアドレスバス、１５は
デ−タバス、１６は最終出力である。

【０００５】励磁コイル１ａは直流定電流源１７にスイ
ッチＳＷ１−ａ、ＳＷ１−ｂ、ＳＷ２−ａ、ＳＷ２−ｂ
を介して接続されており、これ等のスイッチは励磁コイ
ル１ａに図２（ａ）のごとくゼロ・正・ゼロ・負・ゼロ
の５つの期間Ｔ０〜Ｔ５で１周期となる矩形波の励磁電
流が流れるように入出力ポ−ト１１を介したＣＰＵ９か
らのタイミング信号１８により開閉される。これ等の周
期は全て同じ間隔とし、励磁周波数は例えば５０／４Ｈ
ｚとする。

【０００６】差動アンプ６の出力７はＣＰＵ９の指定す
るタイミング、この例では図４（ｂ）に示すごとく、励
磁期間Ｔ１、Ｔ３と休止期間Ｔ０、Ｔ４の各１回励磁電
流が変化する直前のタイミングｔ０、ｔ１、ｔ３および
ｔ４でＡ／Ｄ変換器８によりサンプリングされ、そのデ
ジタル化されたデ−タがメモリ１０に格納される。

【０００７】ＣＰＵ９はメモリ１０に時系列的に得られ
たこれ等のデ−タに対し、デ−タを１つづつ更新しなが
ら各タイミングｔ０〜ｔ４における４つのデ−タを１組
みとした演算を逐次行ってその演算出力を出力する。

【０００８】電磁流量計の発信器の電極３ａ、３ｂには
図４（ｃ）に示すような励磁電流の波形（図４（ａ））
に対応した信号電圧Ｖｓ、−Ｖｓが発生している。さら
に図４（ｄ）に示すように図４（ａ）の励磁電流がゼロ
である休止期間、例えばＴ０、Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６にも発
信器のコア１ｂによる残留磁束Ｂｒ、−Ｂｒと被測定流
体の流速により発生した雑音電圧が電極３ａ、３ｂ間に
現れる。このような雑音電圧になるのは、コア１ｂの磁
気ヒステリシス曲線（Ｂ−Ｈ曲線）に起因し、休止期間
Ｔ０で残留磁束が−Ｂｒであるときには被測定流体の流
速に比例した−ｋＶｓ（ｋは定数）の雑音電圧が発生し
、励磁期間Ｔ１の正励磁に至り、さらにゼロ励磁である
休止期間Ｔ２で正の残留磁束＋Ｂｒとなり被測定流体の
流速に比例した＋ｋＶｓになり、次に負の励磁期間Ｔ３
を経て休止期間Ｔ４に至りＢ−Ｈ曲線上の元の位置とな
り雑音電圧−ｋＶｓが発生するからである。つまり、信
号のサンプリング期間である休止期間Ｔ０〜休止期間Ｔ
４を周期としてＢ−Ｈ曲線上を１巡し、以下これを繰り
返している。

【０００９】図４（ｅ）は電極と被測定流体との間に生
じる電気化学的雑音が時間的に一定の割合で増加してい
るときの電気化学的雑音を示している。サンプリングの
タイミングｔ０での電気化学的雑音の初期値をＥとし、
これに対して各サンプリング時点（ｔ１〜ｔ６）では一
定の割合△Ｅで増加している場合である。

【００１０】図４において、ｔ０〜ｔ６のタイミングに
よりＣＰＵ９の制御の下にＡ／Ｄ変換器８を介してサン
プリングされたデ−タＶ００〜Ｖ０６は同図（ｃ）に示
す被測定流体の流量と励磁電流とに比例した信号電圧、
同図（ｄ）に示すコアの残留磁気と被測定流体の流量と
に比例した雑音電圧、同図（ｅ）に示す電気化学的雑音
が重畳されたものであり、図中の値を用いれば各デ−タ
に含まれる成分は次の通りである。 　　Ｖ００＝　　　　　　−ｋＶｓ＋Ｅ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　（１）　　Ｖ０１＝　　Ｖｓ　　　　　　　　
＋Ｅ＋　　△Ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　（２）　　Ｖ０２＝　　　　　　
　　ｋＶｓ＋Ｅ＋２△Ｅ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　（３）　　Ｖ０３＝−Ｖ
ｓ　　　　　　　　＋Ｅ＋３△Ｅ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）　　Ｖ０
４＝　　　　　　−ｋＶｓ＋Ｅ＋４△Ｅ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）　
　Ｖ０５＝　　Ｖｓ　　　　　　　　＋Ｅ＋５△Ｅ　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（６）　　Ｖ０６＝　　　　　　　　ｋＶｓ＋Ｅ＋６
△Ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　（７）これ等のサンプリング値はメモリ１０
に順次格納される。格納されたこれ等のサンプリング値
から信号電圧Ｖｓのみを算出する演算式は次の各場合に
よって異なる。

【００１１】（イ）正励磁の前のタイミングから開始す
る場合（ｔ０〜ｔ４） この場合の演算式は、演算結果をＶｐとすれば次の通り
となる。 　　Ｖｐ＝−Ｖ００＋２・Ｖ０１−２・Ｖ０３＋Ｖ０４
　　　　　　　　　　　　　　　　（８）この式に前記
の（１）、（２）、（３）及び（５）式を代入すると、 　　Ｖｐ＝４・Ｖｓ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　（９）となり、雑音が除去された信号電
圧のみとなる。

【００１２】（ロ）負励磁の前のタイミングから開始す
る場合（ｔ２〜ｔ６） この場合の演算式は、演算結果をＶｎとすれば次の通り
となる。 　　Ｖｎ＝Ｖ０２−２・Ｖ０３＋２・Ｖ０５−Ｖ０６　
　　　　　　　　　　　　　　　（１０）この式に前記
の（３）、（４）、（６）及び（７）式を代入すると、 　　Ｖｎ＝−４・Ｖｓ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　（１１）となり、雑音が除去された信号電圧の
みとなる。 ここで、（イ）と（ロ）とを比較すると、正励磁の前の
タイミングから開始した場合と負励磁の前のタイミング
から開始した場合とでは、単にその演算出力の符号が変
化するだけであることが分かる。

【００１３】これ等の演算式はメモリ１０のＲＯＭ内に
格納されており、ＣＰＵ９の制御の基にこれ等の演算が
逐一実行されＩ／Ｏポ−ト１１、Ｄ／Ａ変換器１２をそ
れぞれ介して順次出力Ｖ０される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、被測定流体
と電極３ａ、３ｂからの信号リ−ド線などで形成される
磁界と直交する面積に励磁電流が切換わるときには微分
雑音が発生するが、以上の電磁流量計では、この点につ
いて格別考慮がなされていない。微分雑音をｄとしてこ
の点を考慮すると、 　　Ｖ００´＝　　　　　　−ｋＶｓ＋Ｅ　　　　　　
　　＋ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（
１）´　　Ｖ０１´＝　　Ｖｓ　　　　　　　　＋Ｅ＋
　　△Ｅ＋ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（２）´　　Ｖ０２´＝　　　　　　　　ｋＶｓ＋Ｅ
＋２△Ｅ−ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（３）´　　Ｖ０３´＝−Ｖｓ　　　　　　　　＋Ｅ
＋３△Ｅ−ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（４）´　　Ｖ０４´＝　　　　　　−ｋＶｓ＋Ｅ＋
４△Ｅ＋ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（５）´　　Ｖ０５´＝　　Ｖｓ　　　　　　　　＋Ｅ
＋５△Ｅ＋ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（６）´　　Ｖ０６´＝　　　　　　　　ｋＶｓ＋Ｅ
＋６△Ｅ−ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（７）´となる。これを（８）式に対応する 　　Ｖｐ´＝−Ｖ００´＋２・Ｖ０１´−２・Ｖ０３´
＋Ｖ０４´　　　　（８）´に代入すると、（９）式に
対応する 　　Ｖｐ´＝４・Ｖｓ＋４ｄ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（９）´を得る。この点は、Ｖｎに対しても同様であ
り、微分雑音ｄは基本的には除去することができない。

【００１５】この微分雑音を除去しようと思えば、図４
（ｆ）の図から分かるように各期間Ｔ０〜Ｔ６を大きく
して、微分雑音の影響が消滅してから信号をサンプリン
グすれば良いが、この様にすると必然的に励磁電流は低
周波で駆動せざるを得ないこととなる。しかし、低周波
励磁をするとこの周波数帯域に流体の中にスラリなどが
介在するとこのスラリが電極に当ることによりフロ−ノ
イズが発生しこの影響が現れる。そこで、高周波励磁を
したいが、高周波励磁をすると大きな微分雑音が発生す
る。本発明はこれを除去しながら残留磁気の影響をも除
去することができることを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するために、コアを介して矩形波状の励磁を行い電
極間に発生する信号電圧を処理して流量信号として出力
する電磁流量計に係り、第１休止期間・第１励磁期間・
第２休止期間・第１励磁期間と同極性に励磁される第２
励磁期間・第３休止期間を１サイクルとし、次のサイク
ルは先の第３休止期間を第１休止期間として先の第１励
磁期間・第２休止期間・第３休止期間を繰り返す励磁手
段と、信号電圧を２倍に増幅して第１信号として出力す
る第１演算手段と、信号電圧を第１信号とは逆極性で３
倍に増幅して第２信号として出力する第２演算手段と、
信号電圧を第１信号とは逆極性で２倍に増幅して第３信
号として出力する第３演算手段と、信号電圧を第１信号
とは同極性で３倍に増幅して第３信号として出力する第
４演算手段と、第１休止期間・第２休止期間・第２励磁
期間・第３休止期間でそれぞれ第１信号・第２信号・第
３信号・第４信号を検出するタイミングを出力するタイ
ミング手段と、このタイミングで検出された第１信号か
ら第４信号までの各信号を用いて加算演算をして流量信
号として出力する加算演算手段とを具備し、コアに起因
する残留磁場と矩形波状の励磁により発生する微分雑音
との双方の影響を受けないようにしたものである。

【００１７】

【作　　用】タイミング手段により第１休止期間・第２
休止期間・第２励磁期間・第３休止期間でそれぞれ第１
信号・第２信号・第３信号・第４信号を検出する。検出
された各信号は加算演算手段により加算演算を実行して
コアに起因する残留磁場と矩形波状の励磁により発生す
る微分雑音との双方の影響を受けない流量信号として出
力する。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について図を用いて説
明する。図１は本発明の１実施例の構成を示すブロック
図である。なお、図３、図４に示す従来の電流／圧力変
換装置と同一の機能を有する部分には同一の符号を付し
て適宜にその説明を省略する。

【００１９】励磁部１は励磁コイル１ａとコア１ｂなど
から成り立っている。導管２の中に被測定流体が流され
る。導管２には電極３ａ、３ｂが磁界Ｂと直角方向に配
設されている。４と５は高インピ−ダンスのバッフアア
ンプでありその入力端は電極３ａ、３ｂに接続され、こ
れ等の出力端は同相雑音を除去するための差動増幅器２
０の各入力端に接続されている。

【００２０】差動増幅器２０の出力端は、この出力端に
現れた出力電圧Ｖ１を３倍に増幅する増幅器２１、出力
電圧Ｖ１を２倍に増幅する増幅器２２、および出力電圧
Ｖ１の極性を反転するインバ−タ２３の各入力端に接続
されている。さらに、インバ−タ２３の出力端は、この
出力端に現れた反転電圧＜Ｖ１＞を３倍に増幅する増幅
器２４、反転電圧＜Ｖ１＞を２倍に増幅する増幅器２５
の各々の入力端に接続されている。

【００２１】増幅器２１、２２、２４、２５の各出力端
はこの出力端に現れた電圧を切換えるスイッチＳＷ３、
ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６を含むマルチプレクサ２６の各
スイッチの入力端にそれぞれ接続されている。このマル
チプレクサ２６の各スイッチの出力端は共通に接続され
抵抗、コンデンサとスイッチで構成されたホ−ルド回路
２７の入力端に接続されている。その出力端に現れた電
圧はＡ／Ｄ変換器、メモリなどの信号処理に必要な部分
を含むマイクロプロセッサ２８に出力され、ここで必要
な信号処理がなされて出力端２９に流量信号を出力する
。

【００２２】励磁コイル１ａは直流定電流源１７にスイ
ッチＳＷ１−ａ、ＳＷ１−ｂ、ＳＷ２−ａ、ＳＷ２−ｂ
を介して接続されており、これ等のスイッチは励磁コイ
ル１ａに図２（ａ）のごとくゼロ・正・ゼロ・正・ゼロ
の５つの期間Ｔ０´〜Ｔ４´で最初の１周期、次の周期
はゼロ・負・ゼロ・負・ゼロの５つの期間Ｔ４´〜Ｔ８
´で１周期となりこれを繰り返す矩形波の励磁電流が流
れるようにタイミング回路３０から出力されるタイミン
グ信号３１により開閉される。

【００２３】この他に、タイミング回路３０はマルチプ
レクサ２６のスイッチＳＷ３〜６を切換えるタイミング
信号３２もタイミング信号３１と同期して出力している
。これ等のスイッチは、最初の１周期では、期間Ｔ０´
ではスイッチＳＷ６をオン、期間Ｔ１´ではいずれのス
イッチもオフ、期間Ｔ２´ではスイツチＳＷ３をオン、
期間Ｔ３´ではスイツチＳＷ４をオン、期間Ｔ４´では
スイツチＳＷ５をオンとする。次の１周期では、期間Ｔ
４´ではスイッチＳＷ４をオン、期間Ｔ５´ではいずれ
のスイッチもオフ、期間Ｔ６´ではスイツチＳＷ５をオ
ン、期間Ｔ７´ではスイツチＳＷ６をオン、期間Ｔ８´
ではスイツチＳＷ３をオンとする。

【００２４】以上の各スイッチの開閉によりホ−ルド回
路２７には各周期で得られた信号の和の信号がホ−ルド
される。なお、ホ−ルド回路２７のコンデンサは和の信
号が得られた後に短い期間マイクロプロセッサ２８から
のタイミング信号３３により一旦オンにされて電荷が放
電される。また、タイミング回路３０はマイクロプロセ
ッサ２８からの制御信号３４により制御されてタイミン
グ信号３１、３２を出力している。

【００２５】次に、この様に構成された電磁流量計の動
作について図２に示す波形図を用いて説明する。図２（
ａ）は励磁波形、図２（ｂ）は電極間に発生する電圧波
形、図２（ｃ）は電気化学的雑音、図２（ｄ）は信号サ
ンプリングの期間をそれぞれ示している。

【００２６】図２（ａ）に示すような励磁がなされてい
るときには、電極３ａ、３ｂには図２（ｂ）に示すよう
に励磁電流の切換えに伴なって発生する微分雑音Ｄ、励
磁極性の状態によって決定されるコア１ｂのＢ−Ｈ曲線
の残留磁気に基づく直流の雑音電圧ｋＶｓ、−ｋＶｓと
これに信号電圧Ｖｓが重畳された電圧が発生する。従っ
て、最初の１周期においては、期間Ｔ０´で、　　　　
　　　　　　　　　　　　　　Ｄ−　　　　ｋＶｓ＋Ｅ
＋△Ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１
２）　　期間Ｔ２´で、 　　　　　　　　　　　　　　　　−Ｄ＋　　　　ｋＶ
ｓ＋Ｅ＋３△Ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（１３）　　期間Ｔ３´で、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｄ＋Ｖｓ　　　
　　　＋Ｅ＋４△Ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　（１４）　　期間Ｔ４´で、 　　　　　　　　　　　　　　　　−Ｄ＋　　　　ｋＶ
ｓ＋Ｅ＋５△Ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（１５）となる。

【００２７】そして、期間Ｔ０´ではスイッチＳＷ６を
、期間Ｔ２´ではスイツチＳＷ３を、期間Ｔ３´ではス
イツチＳＷ４を、期間Ｔ４´ではスイツチＳＷ５をそれ
ぞれオンとするので、ホ−ルド回路２７にはＳ１＝−２
ｘ式（１２）＋３ｘ式（１３）＋２ｘ式（１４）−３ｘ
式（１５）なる電圧が得られる。この式を演算すると、
　　　　　　　　Ｓ１＝２Ｖｓ＋２ｋＶｓ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（１６）となる。ここで第２項目は残留磁気によって
発生する電圧であるが、通常この残留磁気は急激な変化
を示さないので一定であり、またこのＳ１は微分雑音Ｄ
の影響を受けないことが分かる。

【００２８】また、次の１周期では、期間Ｔ４´で、　
　　　　　　　　　　　　　　　−Ｄ＋　　　　ｋＶｓ
＋Ｅ＋５△Ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　（
１７）　　期間Ｔ６´で、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｄ−　　　　ｋ
Ｖｓ＋Ｅ＋７△Ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（１８）　　期間Ｔ７´で、 　　　　　　　　　　　　　　　　−Ｄ−Ｖｓ＋　　　
　　　Ｅ＋８△Ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（１９）　　期間Ｔ８´で、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｄ−　　　　ｋ
Ｖｓ＋Ｅ＋９△Ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（２０）となる。

【００２９】そして、期間Ｔ４´ではスイッチＳＷ４を
、期間Ｔ６´ではスイツチＳＷ５を、期間Ｔ７´ではス
イツチＳＷ６を、期間Ｔ８´ではスイツチＳＷ３をそれ
ぞれオンとするので、ホ−ルド回路２７には　　Ｓ２＝
２ｘ式（１７）−３ｘ式（１８）−２ｘ式（１９）＋３
ｘ式（２１）なる電圧が得られる。この式を演算すると
、　　　　　　　　Ｓ２＝２Ｖｓ＋２ｋＶｓ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　（２２）となり、（１６）式と同じ結果を得る。以
上の演算を繰り返して微分雑音Ｄの影響を受けない流量
信号を連続的に得ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに本発明によれば、第１休止期間・第１励磁期間・第
２休止期間・第１励磁期間と同極性に励磁される第２励
磁期間・第３休止期間を１サイクルとし、次のサイクル
は先の第３休止期間を第１休止期間として先の第１励磁
期間・第２休止期間・第３休止期間を繰り返す励磁を行
い、第１休止期間・第２休止期間・第２励磁期間・第３
休止期間でそれぞれ信号電圧の負の２倍の第１信号・３
倍の第２信号・２倍の第３信号・負の３倍の第４信号を
検出しこれ等を加算演算するようにしたので、残留磁場
の影響を受けずに微分雑音を含まないようにすることが
できる。さらに、励磁周波数を高周波の領域まで拡張す
ることができるので、フロ−ノイズの影響も受けずまた
応答も速くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１に示す実施例の動作を説明する波形図であ
る。

【図３】従来の電磁流量計の構成を示すブロック図であ
る。

【図４】図３に示す電磁流量計の動作を説明する波形図
である。

【符号の説明】

１　　励磁部、 １ａ　　励磁コイル １ｂ　　コア ２　　導管 ３ａ、３ｂ　　電極 １３　　マイクロコンピュ−タ １７　　直流定電流源 １８　　タイミング信号 ２１、２２、２４、２５　　増幅器 ２３　　インバ−タ ２６　　マルチプレクサ ２７　　ホ−ルド回路 ２８　　マイクロプロセッサ ３０　　タイミング回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　コアを介して矩形波状の励磁を行い電
   極間に発生する信号電圧を処理して流量信号として出力
   する電磁流量計において、第１休止期間・第１励磁期間
   ・第２休止期間・前記第１励磁期間と同極性に励磁され
   る第２励磁期間・第３休止期間を１サイクルとし、次の
   サイクルは前記第３休止期間を前記第１休止期間として
   前記第１励磁期間・第２休止期間・第３休止期間を繰り
   返す励磁手段と、前記信号電圧を２倍に増幅して第１信
   号として出力する第１演算手段と、前記信号電圧を前記
   第１信号とは逆極性で３倍に増幅して第２信号として出
   力する第２演算手段と、前記信号電圧を前記第１信号と
   は逆極性で２倍に増幅して第３信号として出力する第３
   演算手段と、前記信号電圧を前記第１信号とは同極性で
   ３倍に増幅して第３信号として出力する第４演算手段と
   、前記第１休止期間・前記第２休止期間・前記第２励磁
   期間・前記第３休止期間でそれぞれ前記第１信号・前記
   第２信号・前記第３信号・前記第４信号を検出するタイ
   ミングを出力するタイミング手段と、このタイミングで
   検出された前記第１信号から第４信号までの各信号を用
   いて加算演算をして流量信号として出力する加算演算手
   段とを具備し、前記コアに起因する残留磁場と前記矩形
   波状の励磁により発生する微分雑音との双方の影響を受
   けないようにしたことを特徴とする電磁流量計。