本発明は、測定管内を流れる被測定流体に磁界をかけ、起電力を測定することで被測定流体の流量を測定する電磁流量計に関する。

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が種々の用途で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、被測定流体の体積流量を得ることができる。

図５は、従来の電磁流量計の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４００は、検出部４１０、一対のバッファ４２０、差動増幅器４３０、Ａ／Ｄ変換部４４０、制御部４５０、励磁回路４６０、出力部４７０、表示部４８０を備えている。

検出部４１０は、測定管４１１、対向する一対の電極４１２、励磁コイル４１３を備えており、励磁コイル４１３が生成する磁界、電極４１２の起電力検出方向、測定管４１１の流路方向は互いに直交するように構成されている。

励磁回路４６０が、励磁コイル４１３に励磁電流を流すと、測定管４１１内に磁界が発生する。 この磁界により、測定管４１１を流れる導電性の被測定流体の流速に比例する起電力が発生するので、一対の電極４１２で流量信号として検出する。

電極４１２が検出した流量信号は、バッファ４２０を介して入力される差動増幅器４３０により増幅され、Ａ／Ｄ変換部４４０によってディジタル変換される。 ディジタル変換された流量信号は、制御部４５０に入力され、制御部４５０において流量が算出される。 算出された流量は、出力部４７０により外部に出力され、表示部４８０により画面等に表示される。

一般に、電磁流量計において用いられる磁界は、正負のパルス電流を励磁コイルに印加することにより生成されるが、近年では、ゼロ点を安定させるとともに、耐ノイズ性、高速応答性を高めるために高周波パルスと低周波パルスとを重畳した２周波励磁波形を励磁コイルに印加する２周波励磁方式が実用化されている。

また、起電力より得られる流量信号をディジタル変換する際に、積分型Ａ／Ｄ変換器を用いて励磁パルスの半周期毎に１回サンプルする方式が広く採用されていたが、逐次比較型のＡ／Ｄ変換器を用いて、励磁パルスの１周期に渡って数多くのポイントで離散的にサンプリングを行なう方式も行なわれている。 この離散サンプリング方式は、低消費電流で信号処理に優れるという特徴を有している。

図６は、２周波励磁方式で得られた流量信号を離散サンプリングする電磁流量計における信号波形を示す図である。 本図に示すように、励磁波形は高周波のパルスと低周波のパルスとを重畳した波形となっている。 流量信号は、励磁波形と同様のパルス状となるが、立ち上がりと立ち下がりにおいて微分ノイズが発生する。

流量信号のサンプリングは、高周波周期の１周波に渡って高速に行なっている。 このとき、微分ノイズの影響を受ける範囲をサンプリング区間から除外することも行なわれている。 そして、低周波パルスの正側に対応するサンプリング区間Ａと、低周波パルスの負側に対応するサンプリング区間Ｂをセットとして、流量の算出を行なう。

励磁回路４６０に、低消費電力のスイッチング方式を用いた場合、スイッチングが繰り返され、一定の周波数で電流リプルが生じる場合がある。 図７（ａ）は、このときの励磁電流波形の拡大図である。 本図に示すようにパルス形状の励磁電流波形に、スイッチング周波数Ｆａの成分が含まれている。

このスイッチング周波数Ｆａの成分は、図７（ｂ）に示すように、電極４１２で検出される流量信号波形にも現れることになる。 このため、図７（ｃ）に示すようにサンプリング周波数Ｆｓで流量信号をサンプリングすると、ディジタル変換後の流量信号に、周波数の差に相当するビートが発生する場合がある。 このビートは、測定結果に影響を与え、測定精度を低下させるおそれがあるため、排除することが望ましい。

そこで、本発明は、電磁流量計において、流量信号をサンプリングする場合に、ビートの影響を低減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、励磁電流を励磁コイルに流す励磁回路と、測定管内を流れる被測定流体の起電力に基づく流量信号を検出する電極と、検出された流量信号を、サンプリング周波数Ｆｓでディジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、ディジタル変換された流量信号に基づいて被測定流体の流量を算出する制御部とを備え、前記制御部は、ディジタル変換された流量信号からビート成分を抽出し、抽出されたビート成分が所定の条件を満たす場合に、前記Ａ／Ｄ変換部におけるサンプリング周波数Ｆｓを変更することを特徴とする。
ここで、前記所定の条件は、抽出されたビート成分の周波数が基準周波数未満であり、かつ抽出されたビート成分の大きさが基準値超であるとすることができる。
また、前記励磁回路はスイッチング方式で励磁電流を生成することができる。
また、前記励磁回路は、正励磁、負励磁を交互に前記励磁コイルに流し、前記制御部は、正励磁、負励磁における流量信号をセットにして被測定流体の流量を算出するとともに、前記Ａ／Ｄ変換部におけるサンプリング周波数Ｆｓを変更する際には、負励磁から正励磁への切り換え時に変更することができる。

本発明によれば、電磁流量計において、流量信号をサンプリングする場合に、ビートの影響を低減することができる。

本実施形態に係る電磁流量計の構成を示すブロック図である。

本実施形態の電磁流量計の流量測定動作を説明するフローチャートである。

サンプリング周波数調整動作を説明するフローチャートである。

サンプリング周波数の変更タイミングを説明する図である。

従来の電磁流量計の構成を示すブロック図である。

２周波励磁方式で得られた流量信号を離散サンプリングする電磁流量計における信号波形を示す図である。

ビートの発生理由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の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、電磁流量計１００は、検出部１１０、一対のバッファ１２０、差動増幅器１３０、Ａ／Ｄ変換部１４０、制御部１５０、励磁回路１６０、出力部１７０、表示部１８０を備えている。

検出部１１０は、測定管１１１、対向する一対の電極１１２、励磁コイル１１３を備えており、励磁コイル１１３が生成する磁界、電極１１２の起電力検出方向、測定管１１１の流路方向は互いに直交するように構成されている。

励磁回路１６０が、励磁コイル１１３に励磁電流を流すと、測定管１１１内に磁界が発生する。 この磁界により、測定管１１１を流れる導電性の被測定流体の流速に比例する起電力が発生するので、一対の電極１１２で流量信号として検出する。 励磁回路１６０は、スイッチング方式を用いているものとする。 このため、励磁電流に一定の周波数で電流リプルが生じる場合がある。 一般に、この周波数は、周囲の状況等に応じて変化する。

電極１１２が検出した流量信号は、バッファ１２０を介して入力される差動増幅器１３０により増幅され、Ａ／Ｄ変換部１４０によってディジタル変換される。 ディジタル変換された流量信号は、制御部１５０に入力され、制御部１５０において流量が算出される。 算出された流量は、出力部１７０により外部に出力され、表示部１８０により画面等に表示される。 電磁流量計１００を伝送器として構成した場合は、出力部１７０は、流量を４−２０ｍＡの電流に変換して出力する。

また、制御部１５０は、周波数解析部１５１、周波数調整部１５２を備えている。 周波数解析部１５１は、Ａ／Ｄ変換部１４０が出力するディジタル流量信号を、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）等を用いて周波数解析し、ビート成分を抽出する。 抽出するビート成分は、例えば、所定の周波数帯域内のピーク周波数とすることができる。

周波数調整部１５２は、抽出されたビート成分の周波数が、予め定めた基準周波数未満であり、ビート成分の大きさが予め定めた基準値超の場合、Ａ／Ｄ変換部１４０のサンプリング周波数を変化させる。

ビートは、流量信号のリプル成分と、サンプリング周波数との関係で生じるため、Ａ／Ｄ変換部１４０のサンプリング周波数を変化させると、ビートの発生具合も異なる。 このため、サンプリング周波数を、抽出されたビートが周波数の基準あるいは大きさの基準を満たさなくなるように変化させることで、ビートの影響を少なくしている。 ここでは、サンプリング周波数は、予め用意したいくつかの候補から任意に選択して変化させるものとする。 ただし、順次高くしたり、低くしたり、あるいは、ビートの変化を評価してサンプリング周波数を変化させるようにしてもよい。

図２は、本実施形態の電磁流量計１００の流量測定動作を説明するフローチャートである。 測定を開始すると、励磁回路１６０が励磁コイル１１３に励磁電流を流し、一対の電極１１２で流量信号を検出する（Ｓ１１）。

この流量信号をＡ／Ｄ変換部１４０が初期値のサンプリング周波数でサンプリングし、ディジタル変換する（Ｓ１２）。 そして、ディジタル変換された流量信号に基づいて制御部１５０が流量を算出する（Ｓ１３）。 算出された流量は、出力部１７０により外部に出力されたり、表示部１８０により測定結果として表示される。

制御部１５０は、サンプリング周波数の調整タイミングであるかどうかを判定する（Ｓ１４）。 ビートの周波数は、周囲の環境等に応じて変化する場合があるため、本実施形態では、所定の間隔毎に、サンプリング周波数の調整を行なうようにしている。 調整タイミングは、所定時間毎、所定測定回数毎等とすることができる。

その結果、調整タイミングであると判定した場合は、サンプリング周波数調整処理（Ｓ１５）を行なう。 サンプリング周波数調整処理（Ｓ１５）により、サンプリング周波数が変更された場合は、Ａ／Ｄ変換部１４０は、変更された周波数で流量信号のサンプリングを行なう。 電磁流量計１００は、以上の処理を測定が終了するまで繰り返す（Ｓ１６）。

次に、サンプリング周波数調整処理（Ｓ１５）の詳細な動作について図３のフローチャートを参照して説明する。 まず、制御部１５０の周波数解析部１５１が、ディジタル変換された流量信号に対して、ＦＦＴ等により、周波数解析を行なう（Ｓ１５１）。

そして、周波数解析部１５１は、解析結果に基づいて流量信号からビートを抽出する（Ｓ１５２）。 一般に、ビートは低い周波数で発生するため、周波数解析部１５１は、所定の低周波数帯域のピークをビートとして抽出することができる。 抽出されたビートの周波数をＦｂとし、大きさをＡｂとする。

ビートが抽出されると、周波数調整部１５２は、ビートの周波数Ｆｂが所定の基準周波数Ｆｔｈ未満で（Ｓ１５３：Ｙｅｓ）、かつビートの大きさＡｂが所定の基準値Ａｔｈを超える場合（Ｓ１５４：Ｙｅｓ）、Ａ／Ｄ変換部１４０のサンプリング周波数を変更する（Ｓ１５５）。 ここで、ビートの周波数Ｆｂが所定の基準周波数Ｆｔｈ未満という周波数条件を設けているのは、一般に、高い周波数のビートは測定に影響を与えず、問題にならないからである。

周波数条件、大きさ条件のいずれか一方の条件を満たさない場合には、測定への影響は無いものとして、サンプリング周波数は変更しない。 サンプリング周波数の変更は、Ａ／Ｄ変換部１４０に周波数設定信号を送ってもよいし、Ａ／Ｄ変換部１４０に送るサンプリングタイミング信号を変更するようにしてもよい。 また、サンプリング周波数を変更した場合、いずれかの条件を満たさなくなるまで、繰り返しサンプリング周波数を変更するようにしてもよい。

このように、抽出されたビートが、周波数条件および大きさ条件を満たす場合に、サンプリングタイミング信号を変更することにより、本実施形態の電磁流量計１００は、ビートの影響の少ない安定した測定結果を出力することができる。

なお、ディジタル変換された流量信号のばらつきを評価することで、ディジタル流量信号に含まれる特定の周波数成分の影響を排除することも考えられるが、そのばらつきが、サンプリング周波数によるビートの影響か、他のノイズによる影響であるかの判別が困難となる。 このため、サンプリング周波数によるビートの影響を直接的に排除できる本実施形態の方式が望ましい。

サンプリング周波数を変更する場合、正励磁、負励磁をセットにして流量を算出しているときは、微分ノイズ除去に影響を与えないように、セットの切り替わり時にサンプリング周波数を変更するようにする。 例えば、図４（ａ）に示すように、２周波励磁方式において、正励磁と負励磁をセットにしている場合、負励磁から正励磁への切り替わり時にサンプリング周波数を変更するようにする。 単周波励磁方式を用いている場合も、図４（ｂ）に示すように、正励磁と負励磁をセットにしているときは、負励磁から正励磁への切り換え時にサンプリング周波数を変更するようにする。

また、一般に、サンプリング周波数を高く変更すると消費電力が増えるが、電磁流量計１００を２線式伝送器に適用した場合、消費電力に制限が生じるため、サンプリング周波数をむやみに高くすることはできない。 このような場合、測定結果を示す４−２０ｍＡの電流に応じて、サンプリング周波数を調整する機能を付加してもよい。 具体的には、消費電力が大きいときは、サンプリング周波数を低く変化させるようにする。

また、サンプリング周波数を低くする際には、それまでのサンプリングタイミングでデータを間引きすればよいため、処理を容易に行なうことができる。 このため、Ａ／Ｄ変換部１４０は、オーバーサンプリングを基本に設計することが望ましい。

１００…電磁流量計、１１０…検出部、１１１…測定管、１１２…電極、１１３…励磁コイル、１２０…バッファ、１３０…差動増幅器、１４０…Ａ／Ｄ変換部、１５０…制御部、１５１…周波数解析部、１５２…周波数調整部、１６０…励磁回路、１７０…出力部、１８０…表示部、４００…電磁流量計、４１０…検出部、４１１…測定管、４１２…電極、４１３…励磁コイル、４２０…バッファ、４３０…差動増幅器、４４０…Ａ／Ｄ変換部、４５０…制御部、４６０…励磁回路、４７０…出力部、４８０…表示部