JP2019100709A - ２線式電磁流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】測定管内を流れる流体の流量を示す電流出力の精度向上を実現する２線式電磁流量計を提供すること。【解決手段】測定管内を流れる流体に磁界を印加する励磁コイルを有し、流体の流速に応じて発生する信号起電力を検出する検出器と、信号起電力をもとに流体の流量を示す電流出力を調整する変換器と、を備えた２線式電磁流量計。変換器は、励磁コイルに所定の励磁周波数の励磁電流を供給する励磁回路と、信号起電力に基づくアナログ信号から流速を示すＡＤカウント値を生成するＡＤ変換器と、電流出力を調整する電流制御回路と、を有する。また、変換器は、ＡＤカウント値の変化に応じて、励磁電流を電流出力に追従させて連続的に変化させる制御装置を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、導電性を有する流体の流量を測定する２線式電磁流量計に関する。

２線式電磁流量計は、測定管内を流れる流体の流れ方向に対して垂直に磁界を加え、流体の流速に比例した起電力を検出する。そして、２線式電磁流量計は、検出した起電力に基づいて流体の流量を示す電流出力を調整する。電流出力とは、外部の機器に出力される４ｍＡ〜２０ｍＡの範囲の電流信号である。２線式電磁流量計は、４−２０ｍＡの電流出力から供給される電力を使って動作することから、消費電力を抑えることができ、一対の信号線で電力供給と電流による出力とを行うことから、省配線化を図ることができるため、広く一般に用いられている。

ここで、２線式電磁流量計において、最も電力を消費する構成部材は、コイルに電流を流して磁場を作る励磁回路である。ファラデーの電磁誘導の法則に従うと、電極間に生じる流量に比例した電圧を示す信号起電力は、磁束密度に比例する。そして、磁束密度は励磁電流に比例するため、励磁電流は信号起電力に比例することとなる。

２線式電磁流量計の電流出力は、信号起電力から求めた流量によって電流値が変化する。そのため、測定管内の流体が低流量になると、電流出力の電流値が４ｍＡ近くまで小さくなり、各回路に供給する電力及び励磁電流が不足する。よって、２線式電磁流量計は、電流出力の変化に応じて、励磁電流を変化させる必要がある。

そこで、従来の２線式電磁流量計は、電流出力に対する閾値を設け、励磁電流を段階的に変えることにより、電力が不足しないように調整している（例えば、特許文献１参照）。ただし、励磁電流を段階的に変化させると、所定のスパン補正に起因して、励磁電流の切り替えの過渡区間における計測値に、突発的な変化を示すヒゲなどの現象が生じる。そのため、２線式電磁流量計には、励磁電流の切り替え直後の１秒間において、流量演算を中断して、励磁電流の切り替え直前の流量を用いる前回値ホールド処理を行うものもある。

特開２００４−６１４５１号公報

しかしながら、従来の２線式電磁流量計のように、前回値ホールド処理を行うと、流量演算を中断している１秒間の電流出力の精度が低下するという課題がある。また、前回値ホールド処理の１秒間で、電流出力と閾値との大小関係が逆転すると、さらに１秒間、当初の切り替え直前の流量が維持される。つまり、前回値ホールド処理の１秒間で、電流出力と閾値との大小関係の逆転が繰り返されると、電流出力が貼りついてしまい、電流出力の精度がさらに低下するという課題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、測定管内を流れる流体の流量を示す電流出力の精度向上を実現する２線式電磁流量計を提供することを目的とする。

本発明に係る２線式電磁流量計は、測定管内を流れる流体に磁界を印加する励磁コイルを有し、測定管内を流れる流体の流速に応じて発生する信号起電力を検出する検出器と、検出器において検出された信号起電力をもとに、測定管内を流れる流体の流量を示す電流出力を調整する変換器と、を備え、変換器は、励磁コイルに所定の励磁周波数の励磁電流を供給する励磁回路と、信号起電力に基づくアナログ信号から流速を示すＡＤカウント値を生成するＡＤ変換器と、電流出力を調整する電流制御回路と、ＡＤ変換器において生成されたＡＤカウント値の変化に応じて、励磁回路が励磁コイルに供給する励磁電流を電流出力に追従させて連続的に変化させる制御装置と、を有するものである。

本発明によれば、ＡＤカウント値の変化に応じて、励磁電流を電流出力に追従させて連続的に変化させることから、ヒゲの発生を防ぐことができ、かつ前回値ホールド処理が不要となるため、測定管内を流れる流体の流量を示す電流出力の精度向上を実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る電磁流量計の構成を概略的に示すブロック図である。 図１の電磁流量計において、第２スイッチ及び第３スイッチをオンにしたときの電流の流れを概略的に示す説明図である。 図１の電磁流量計において、第１スイッチ及び第４スイッチをオンにしたときの電流の流れを概略的に示す説明図である。 図１の制御装置の機能的構成を示すブロック図である。 図１の電磁流量計において、流速を一定の割合で経時的に低下させた場合におけるＡＤカウント値及び流量割合の変化を示すグラフである。 図１の電磁流量計において、流速を一定の割合で経時的に低下させ、数回のゲインの切り替えを行った場合のＡＤカウント値及び流量割合の変化を示すグラフである。 図１の電磁流量計において、励磁電流及び流速を一定の割合で経時的に低下させ、数回のゲインの切り替えを行った場合のＡＤカウント値及び流量割合の変化を示すグラフである。 図７のシミュレーションの比較例であり、電流補正を行わなかった場合のＡＤカウント値及び流量割合の変化を示すグラフである。 図５〜図８のシミュレーションに用いるキャリブレータを例示した説明図である。 本発明の実施の形態２に係る電磁流量計の構成を概略的に示すブロック図である。 図１０の制御装置の機能的構成を示すブロック図である。 図１０の電磁流量計において、流速を一定の割合で経時的に低下させた場合におけるＡＤカウント値及び流量割合の変化を示すグラフである。 図１０の電磁流量計において、励磁電流及び流速を一定の割合で経時的に低下させ、数回のゲインの切り替えを行った場合のＡＤカウント値及び流量割合の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態３に係る電磁流量計の構成を概略的に示すブロック図である。 測定管の口径が異なる検出器を備えた電磁流量計のそれぞれについて、ある励磁電流での信号起電力に対する、他の励磁電流での信号起電力の割合を示す表である。 図１４の制御装置の機能的構成の一例を示すブロック図である。 図１４の制御装置の機能的構成の他の例を示すブロック図である。 従来の２線式流量計において、励磁電流を段階的に切り替えた様子を示すグラフである。 従来の２線式流量計において、図１８のように励磁電流を変更した場合のＡＤカウント値の変化を示すグラフである。 図１９の初期時間帯でスパン補正を切り替えた場合のＡＤカウント値の変化を示すグラフである。 図１９の中期時間帯でスパン補正を切り替えた場合のＡＤカウント値の変化を示すグラフである。 図１９の後期時間帯でスパン補正を切り替えた場合のＡＤカウント値の変化を示すグラフである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電磁流量計の構成を概略的に示すブロック図である。図２は、図１の電磁流量計において、第２スイッチ及び第３スイッチをオンにしたときの電流の流れを概略的に示す説明図である。図３は、図１の電磁流量計において、第１スイッチ及び第４スイッチをオンにしたときの電流の流れを概略的に示す説明図である。図１〜図３を参照して、電磁流量計１００の全体的な構成を説明する。

電磁流量計１００は、導電性を有する流体の流量を測定する２線式電磁流量計である。電磁流量計１００には、一対の信号線である信号線Ｌ１及び信号線Ｌ２を介して、外部電源５００から電圧が供給される。外部電源５００としては、例えばＤＣ２４Ｖの直流電源を用いることができる。信号線Ｌ２には、外部負荷ＲＬとして、例えば２５０Ωの抵抗が接続されている。よって、電磁流量計１００に供給される電圧は、外部電源５００による外部電圧Ｖｓから外部負荷ＲＬにおける電圧降下を差し引いたものとなる。

すなわち、電磁流量計１００は、外部電源５００に接続された一対の信号線である信号線Ｌ１及び信号線Ｌ２に流れる電流を制御することにより、測定管１１内に流れる流体の流量を示す電流出力Ｉｏｕｔを調整する。そして、外部負荷ＲＬには、電流出力Ｉｏｕｔが流れるようになっており、外部の機器は、外部負荷ＲＬの両端の電圧（外部負荷ＲＬの抵抗値が２５０Ωの場合は１Ｖ〜５Ｖ）から、測定管１１内を流れる流体の流量を知ることができる。

図１に示すように、電磁流量計１００は、検出器１０と、変換器２０と、を有している。検出器１０は、測定管１１と、励磁コイル１２と、電極１３ａと、電極１３ｂと、接地電極１４と、を有している。測定管１１は、パイプ状に形成され、流体を通過させるものである。電磁流量計１００は、導電性を有する流体が測定管１１内を流れるように配設される。励磁コイル１２は、測定管１１内に磁界を発生させ、測定管１１内を流れる流体に磁界を印加するものである。励磁コイル１２は、磁界の発生方向が、測定管１１内を流れる流体の流れ方向に対して垂直となるように配置されている。

電極１３ａ及び電極１３ｂは、電極１３ａと電極１３ｂとを結ぶ直線が、測定管１１内を流れる流体の流れ方向、及び励磁コイル１２が発生させる磁界の方向に対して直交するように測定管１１内に配置されている。電極１３ａ及び電極１３ｂは、信号起電力Ｅを取り出すための一対の電極を構成している。信号起電力Ｅとは、電極１３ａと電極１３ｂとの間に生じる流体の流量に比例した電圧である。すなわち、検出器１０は、電極１３ａと電極１３ｂとにより、励磁コイル１２が発生させる磁界中を流体が流れることで発生する起電力に基づく信号起電力Ｅを検出し、検出した信号起電力Ｅを変換器２０へ出力する。

ここで、信号起電力Ｅと、磁束密度Ｂ［Ｎ／Ａ・ｍ］と、測定管１１の口径（内径）Ｄ［ｍ］と、測定管１１内を流れる流体の流速（平均軸方向流体速度）Ｖ［ｍ／ｓ］との間には、定数ｋを用いた下記の式（１）の関係がある。

［数１］
Ｅ＝ｋＢＤＶ ・・・（１）

変換器２０は、検出器１０において検出された信号起電力Ｅをもとに、測定管１１内の流体の流量を求める。変換器２０は、交流増幅回路３０と、サンプルホールド回路４０と、ＡＤ変換器５０と、制御装置６０と、記憶装置７０と、励磁回路８０と、電流制御回路９０と、を有している。

励磁回路８０は、制御装置６０からの周波数指令信号に応じて、極性が交互に変化する励磁周波数Ｆの励磁電流Ｉｅｘを生成し、生成した励磁電流Ｉｅｘを励磁コイル１２へ供給する。励磁回路８０は、励磁切替回路８１と、スイッチ回路８２と、を含んでいる。

スイッチ回路８２は、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３、及び第４スイッチＳＷ４を有している。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３、及び第４スイッチＳＷ４は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、又はＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子により構成することができる。

第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２との接続点Ｐは、外部電源５００のプラス側に接続されている。第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４との接続点Ｑは、電流制御回路９０に接続されている。第１スイッチＳＷ１と第３スイッチＳＷ３との接続点Ｒは、検出器１０の端子Ｙに接続されている。第２スイッチＳＷ２と第４スイッチＳＷ４との接続点Ｓは、検出器１０の端子Ｘに接続されている。つまり、励磁コイル１２は、接続点Ｒと接続点Ｓとの間に接続されている。

励磁切替回路８１は、制御装置６０からの周波数指令信号に従い、図２のように第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３をオンにしたＸＹ状態と、図３のように第１スイッチＳＷ１及び第４スイッチＳＷ４をオンにしたＹＸ状態とを所定の周期で繰り返す。すなわち、励磁切替回路８１は、スイッチ回路８２の各スイッチのオンオフ動作を制御することにより、極性が交互に切り替わる矩形波状の励磁電流Ｉｅｘを生成する。なお、ＸＹ状態において、第１スイッチＳＷ１及び第４スイッチＳＷ４はオフであり、ＹＸ状態において、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３はオフである。ＸＹ状態では、励磁電流Ｉｅｘが端子Ｘから端子Ｙに流れ、ＹＸ状態では、励磁電流Ｉｅｘが端子Ｙから端子Ｘに流れる。

ここで、電磁流量計１００では、スイッチ回路８２を構成する２つのスイッチと励磁コイル１２と電流制御回路９０とが、信号線Ｌ１と信号線Ｌ２との間で直列に接続されている。つまり、図２の状態では、外部電源５００と、第２スイッチＳＷ２と、励磁コイル１２と、第３スイッチＳＷ３と、電流制御回路９０と、外部負荷ＲＬとが、閉ループ回路を形成している。また、図３の状態では、外部電源５００と、第１スイッチＳＷ１と、励磁コイル１２と、第４スイッチＳＷ４と、電流制御回路９０と、外部負荷ＲＬとが、閉ループ回路を形成している。したがって、電磁流量計１００は、電流出力Ｉｏｕｔの大きさと励磁電流Ｉｅｘの大きさとが等しくなっている。

電流制御回路９０は、制御装置６０からの電流制御信号に従い、電流出力Ｉｏｕｔを４ｍＡ〜２０ｍＡの範囲で調整する。より具体的に、電流制御回路９０は、抵抗値が可変となるように構成されており、制御装置６０からの電流制御信号に応じて抵抗値を変化させることで、電流出力Ｉｏｕｔを調整する。電磁流量計１００では、電流出力Ｉｏｕｔと励磁電流Ｉｅｘとが等しくなっているため、電流制御回路９０は、制御装置６０からの電流制御信号に従って励磁電流Ｉｅｘも調整する。

交流増幅回路３０は、検出器１０から信号起電力Ｅを取得して増幅する。サンプルホールド回路４０は、交流増幅回路３０の出力側に配設されており、制御装置６０からのＳＨ時間制御信号に応じて動作する。サンプルホールド回路４０は、交流増幅回路３０において増幅された信号起電力Ｅを、励磁電流Ｉｅｘの極性が入れ替わる直前の値で保持してサンプルホールドする。

ＡＤ変換器５０は、直流増幅機能を備えたＡＤ変換器である。ＡＤ変換器５０は、ゲイン設定部５１と、直流増幅部５２と、変換部５３と、を有している。ゲイン設定部５１は、例えばＰＧＡ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｉｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）からなり、制御装置６０からのゲイン調整信号に応じて変換器２０のゲインＧを設定する。直流増幅部５２は、ゲイン設定部５１によって設定されたゲインＧを用いて、サンプルホールド回路４０によってサンプルホールドされた信号起電力Ｅを増幅する。変換部５３は、信号起電力Ｅに基づくアナログ信号から流速Ｖを示すＡＤカウント値を生成する。すなわち、変換部５３は、直流増幅部５２によって増幅されたアナログの信号起電力Ｅをデジタルの値であるＡＤカウント値に変換する。

記憶装置７０には、後述する式（２）〜（５）に関連する種々のデータ、及び制御装置６０の動作プログラムなどが記憶されている。例えば、記憶装置７０には、ゼロ基準値Ｄ_０と、スパン基準値Ｄ_Ｓと、が記憶されている。ゼロ基準値Ｄ_０及びスパン基準値Ｄ_Ｓは、それぞれ、励磁電流Ｉｅｘの基準である基準励磁電流Ｉ_０と、励磁周波数Ｆの基準である基準励磁周波数Ｆ_０と、ゲインＧの基準である基準ゲインＧ_０とを用いて求められる。

すなわち、ゼロ基準値Ｄ_０は、基準励磁電流Ｉ_０、基準励磁周波数Ｆ_０、及び基準ゲインＧ_０のときの、ゼロ点でのＡＤカウント値である。ゼロ点とは、流体の流量が０の状態でも流れるオフセット電流などのバイアスを差し引いて調整された点である。より具体的に、ゼロ基準値Ｄ_０は、励磁電流Ｉｅｘを基準励磁電流Ｉ_０とし、励磁周波数Ｆを基準励磁周波数Ｆ_０とし、ゲインＧを基準ゲインＧ_０とし、図１の接点Ａと接点Ｂと接点Ｃとをショートさせた状態で求められるＡＤカウント値である。

スパン基準値Ｄ_Ｓは、基準励磁電流Ｉ_０、基準励磁周波数Ｆ_０、及び基準ゲインＧ_０のときの、最大の流速に基づくＡＤカウント値である。より具体的に、スパン基準値Ｄ_Ｓは、最大調整カウント値Ｄ_ＭＡＸからゼロ基準値Ｄ_０を減算した値である。最大調整カウント値Ｄ_ＭＡＸは、励磁電流Ｉｅｘを基準励磁電流Ｉ_０とし、励磁周波数Ｆを基準励磁周波数Ｆ_０とし、ゲインＧを基準ゲインＧ_０としたときの、検出可能な流速の最大値（１００％の値）に対応する起電力に基づくＡＤカウント値である。

例えば、基準励磁電流Ｉ_０は２０［ｍＡ］に設定され、基準励磁周波数Ｆ_０は２２．５［Ｈｚ］に設定され、基準ゲインＧ_０は１に設定される。ゼロ基準値Ｄ_０及びスパン基準値Ｄ_Ｓは、製造工場での出荷前などに設定される。

図４は、図１の制御装置の機能的構成を示すブロック図である。制御装置６０は、測定周期ごとに、ＡＤ変換器５０からＡＤカウント値を読み込み、読み込んだＡＤカウント値の変化に応じて、励磁電流Ｉｅｘを電流出力Ｉｏｕｔに追従させて連続的に変化させる。測定周期は、例えば２００［ｍｓ］に設定され、適宜変更することができる。図４に示すように、制御装置６０は、ゼロ調整値演算部６１と、スパン調整値演算部６２と、流速演算部６３と、電流制御部６４と、励磁制御部６５と、ゲイン調整部６６と、ＳＨ時間調整部６７と、を有している。

ゼロ調整値演算部６１は、ゲインＧを用いてゼロ基準値Ｄ_０を補正することにより、任意の励磁電流Ｉｅｘ及びゲインＧのときのゼロ調整カウント値Ｃ_ＺＥＲＯを求める。すなわち、ゼロ調整値演算部６１は、下記の式（２）に基づき、ゼロ基準値Ｄ_０にゲインＧを乗じることにより、ゼロ調整カウント値Ｃ_ＺＥＲＯを求める。

［数２］
Ｃ_ＺＥＲＯ＝Ｄ_０×Ｇ ・・・（２）

スパン調整値演算部６２は、励磁電流Ｉｅｘの基準励磁電流Ｉ_０に対する割合とゲインＧとを用いてスパン基準値Ｄ_Ｓを補正することにより、任意の励磁電流Ｉｅｘ及びゲインＧのときのスパン調整カウント値Ｃ_ＳＰＡＮを求める。すなわち、スパン調整値演算部６２は、下記の式（３）に基づき、スパン基準値Ｄ_Ｓに、励磁電流Ｉｅｘの基準励磁電流Ｉ_０に対する割合及びゲインＧを乗じてスパン調整カウント値Ｃ_ＳＰＡＮを求める。

［数３］
Ｃ_ＳＰＡＮ＝Ｄ_Ｓ×（Ｉｅｘ／Ｉ_０）×Ｇ ・・・（３）

流速演算部６３は、ＡＤ変換器５０おいて生成された測定周期ごとのＡＤカウント値、ゼロ調整カウント値Ｃ_ＺＥＲＯ、及びスパン調整カウント値Ｃ_ＳＰＡＮを用いて、下記の式（４）により、流速Ｖを演算する。ここで、最大流速（１００％の流速）は、検出可能な流速Ｖの最大値であり、電磁流量計１００の回路特性のバラツキなどに応じて決まるもので、キャリブレーション等において予め記憶装置７０に記憶される。

［数４］
流速Ｖ［ｍ／ｓ］＝最大流速［ｍ／ｓ］×(ＡＤカウント値−Ｃ_ＺＥＲＯ)／Ｃ_ＳＰＡＮ ・・・（４）

つまり、流速演算部６３は、流速Ｖの最大値と、現在のＡＤカウント値からゼロ調整カウント値Ｃ_ＺＥＲＯを減算した値とを乗算した値を、スパン調整カウント値Ｃ_ＳＰＡＮで除して、流速Ｖを求める。流速演算部６３は、式（４）により求めた流速Ｖと、測定管１１の口径Ｄとを用いて、下記の式（５）により、１［ｓ］あたりの流量である瞬時流量を求める機能を有していてもよい。

［数５］
瞬時流量［ｍ^３／ｓ］＝流速Ｖ［ｍ／ｓ］×π×口径［ｍ］×口径［ｍ］／４ ・・・（５）

電流制御部６４は、ＡＤカウント値、励磁電流Ｉｅｘ、及びゲインＧの変化に応じて定まる流速Ｖの変化に応じて電流制御回路９０の抵抗値を調整し、電流出力Ｉｏｕｔを連続的に変化させる。つまり、電流制御部６４は、流速Ｖが大きくなれば電流出力Ｉｏｕｔが大きくなり、流速Ｖが小さくなれば電流出力Ｉｏｕｔが小さくなるように電流制御回路９０の抵抗値を調整し、電流出力Ｉｏｕｔを連続的に変化させる。より具体的に、電流制御部６４は、流速演算部６３において演算された流速Ｖに応じて電流制御信号を生成し、電流制御信号を電流制御回路９０へ出力することにより、電流制御回路９０の抵抗値を調整する。これにより、電流出力Ｉｏｕｔ及び励磁電流Ｉｅｘが、流速Ｖの変化に応じて連続的に変化する。

励磁制御部６５は、励磁電流Ｉｅｘの励磁周波数Ｆを制御する。すなわち、励磁制御部６５は、励磁電流Ｉｅｘの励磁周波数Ｆを指示する周波数指令信号を生成し、周波数指令信号を励磁回路８０へ出力することにより、励磁電流Ｉｅｘの励磁周波数Ｆを調整する。

励磁制御部６５は、電流出力Ｉｏｕｔの変化、すなわち流速演算部６３において演算された流速Ｖの変化に応じて励磁周波数Ｆを制御する。つまり、励磁制御部６５は、電流出力Ｉｏｕｔが相対的に小さくなると励磁周波数Ｆを低くし、電流出力Ｉｏｕｔが相対的に大きくなると励磁周波数Ｆを高くする。

ゲイン調整部６６は、電流出力Ｉｏｕｔの変化、すなわち流速演算部６３において演算された流速Ｖの変化に応じて変換器２０のゲインＧを調整する。すなわち、ゲイン調整部６６は、電流出力Ｉｏｕｔの変化に応じてゲインＧの調整を指示するゲイン調整信号をゲイン設定部５１へ出力することにより、直流増幅部５２が用いるゲインＧを調整する。ＳＨ時間調整部６７は、信号起電力Ｅのサンプルホールドに用いるクロックを含むＳＨ時間制御信号をサンプルホールド回路４０へ出力する。

制御装置６０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の演算装置と、こうした演算装置と協働して上記の各種機能を実現させる動作プログラムとによって構成することができる。記憶装置７０は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ等のＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、又はＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等により構成することができる。

図５は、図１の電磁流量計において、流速を一定の割合で経時的に低下させた場合におけるＡＤカウント値及び流量割合の変化を示すグラフである。図６は、図１の電磁流量計において、流速を一定の割合で経時的に低下させ、数回のゲインの切り替えを行った場合のＡＤカウント値及び流量割合の変化を示すグラフである。図７は、図１の電磁流量計において、励磁電流及び流速を一定の割合で経時的に低下させ、数回のゲインの切り替えを行った場合のＡＤカウント値及び流量割合の変化を示すグラフである。図８は、図７のシミュレーションの比較例であり、電流補正を行わなかった場合のＡＤカウント値及び流量割合の変化を示すグラフである。図９は、図５〜図８のシミュレーションに用いるキャリブレータを例示した説明図である。図５〜図８では、横軸に時間［ｓ］をとり、縦軸にＡＤカウント値と流量割合［％］とをとっている。

ここで、図９に例示するキャリブレータ３００は、一般に、電磁流量計において、変換器の入出力に関する校正を行うときに用いられる。キャリブレータ３００は、変換器２０からの励磁電流Ｉｅｘに応じて、基準流量に対応する電圧波形の信号を擬似的に発生させる機能を有する。

図５〜図８のシミュレーションは、流体の流量に連動させて、ゲインＧ、励磁周波数Ｆ、励磁電流を連続的に変化させたときに、流速Ｖを正確に求めることができるか否かを確かめた結果である。図５〜図８のシミュレーションでは、キャリブレータ３００を使って、励磁周波数Ｆに同期し、かつ電流出力Ｉｏｕｔに比例した信号電圧を生成させている。キャリブレータ３００は、信号電圧を、流量割合１００［％］に対応する値から、１秒間隔で０．１［％］ずつ下げていくように設定されている。励磁周波数Ｆは、流量割合１００［％］から流量割合０［％］までに対して、２２．５［Ｈｚ］から３．１２５［Ｈｚ］まで連続的に低下させるように設定されている。励磁電流Ｉｅｘと電流出力Ｉｏｕｔとは同一になっている。

図６〜図８のシミュレーションでは、ＡＤカウント値の上限値を「２０００００」に設定し、ＡＤカウント値の下限値を「５００００」に設定している。そして、変換器２０は、ゲインＧは、１倍、４倍、１６倍、６４倍の４段階で切り替えるように設定されている。つまり、変換器２０は、ゲインＧの初期値を１倍にしておき、ＡＤカウント値が下限値まで低下したときに、ゲインＧの切り替えを行うように設定されている。変換器２０は、計測したＡＤカウント値から、上述した式（２）〜（５）などに基づく演算によって流量割合［％］を計算し、２００［ｍｓ］のサンプリング周期で１０００秒間のトレンドを記録するように設定されている。ここで、流量割合［％］は、式（５）で求まる瞬時流量の最大値を１００［％］として、瞬時流量を割合に換算した値である。

本実施の形態１の電磁流量計１００によれば、図５のようにゲインＧを変化させない場合だけでなく、図６のようにゲインＧを変化させる場合においても、流量割合［％］が信号電圧の変化に追従して連続的に変化することがわかる。ところで、図６には、流量割合［％］の理想直線を破線で示している。ここで、理想直線と流量割合［％］の実測値を表す直線とを比較すると、傾き及び低流量の領域に若干の違いがあるものの、電磁流量計１００によれば、従来のように励磁電流Ｉｅｘを段階的に切り替える構成よりも計測値を精度よく演算することができる。

また、図８の比較例のように、式（３）の「Ｉｅｘ／Ｉ_０」に相当する電流補正を行わなければ、流量割合［％］が直線的に変化せず、正確な計測値を演算することができない。この点、電磁流量計１００は、電流補正を含む式（３）によって求めるスパン調整カウント値Ｃ_ＳＰＡＮを用いて流速Ｖを演算するようになっている。よって、図７に示すように、信号電圧の変化に追従させて、流量割合［％］を直線的に変化させることができる。

以上のように、本実施の形態１の電磁流量計１００は、ＡＤカウント値の変化に応じて、励磁電流Ｉｅｘを電流出力Ｉｏｕｔに追従させて連続的に変化させることから、ヒゲの発生を防ぐことができ、かつ前回値ホールド処理が不要となる。よって、測定管内を流れる流体の流量を示す電流出力Ｉｏｕｔの精度向上を実現することができる。

また、電磁流量計１００は、電流出力Ｉｏｕｔの大きさと励磁電流Ｉｅｘの大きさとが等しくなるように構成されている。よって、電流出力Ｉｏｕｔと励磁電流Ｉｅｘとを個別に制御しなくてよいため、電流出力Ｉｏｕｔの制御用の定電流回路と、励磁電流Ｉｅｘの制御用の定電流回路と、を個別に設ける必要がなく、特許文献１のような励磁電圧回路も不要となる。つまり、電磁流量計１００は、図１に示すように、電流制御用の定電流回路として、電流制御回路９０を１つだけ備えていればよいため、構成の単純化及びコストの削減を図ると共に、演算処理の単純化を図ることができる。

さらに、電磁流量計１００は、流速Ｖを求めるための基準値として、ゼロ基準値Ｄ_０とスパン基準値Ｄ_Ｓとの２つだけを設定しておけばよい。よって、励磁電流Ｉｅｘを段階的に変化させる従来の構成よりも、出荷時等における調整箇所を減らすことができるため、調整時に要する時間を削減することができる。そして、電磁流量計１００は、電流補正を採り入れていることから、流速Ｖの演算精度が向上するため、電流出力Ｉｏｕｔの精度を高めることができる。

加えて、励磁電流を段階的に変更する従来の構成では、キャリブレータ３００でゼロスパン調整又は疑似入力を行うとき、キャリブレータ３００が段階的な励磁電流の切り替えに対応した信号電圧を生成している場合は、キャリブレータ３００の切替判定と変換器の切替判定とが同期していないため、切り替え点で信号電圧に矛盾が発生することがある。これに対し、励磁電流Ｉｅｘを連続的に変化させる電磁流量計１００を用いる場合は、キャリブレータ３００が交流の励磁電流Ｉｅｘを正確に測る機能を備えていなくても、直流である４−２０ｍＡの電流出力Ｉｏｕｔから、キャリブレータ３００に、変換器２０が要求している励磁電流Ｉｅｘ及び励磁周波数Ｆに対応する信号電圧を出力させることができる。

ところで、本実施の形態１では、基準励磁周波数Ｆ_０が２２．５［Ｈｚ］に設定される例を示したが、これに限らず、基準励磁周波数Ｆ_０は、３．１２５［Ｈｚ］から２２．５［Ｈｚ］までの範囲内で設定し、適宜変更することができる。基準励磁電流Ｉ_０及び基準ゲインＧ_０についても同様に、適宜変更することができる。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２に係る電磁流量計の構成を概略的に示すブロック図である。本実施の形態２の電磁流量計１００Ａの全体的な構成は、実施の形態１と同様であるため、同等の構成部材については同一の符号を用いて説明は省略する。

本実施の形態２の記憶装置７０には、上述した式（４）及び式（５）と後述する式（６）〜（９）とに関連する種々のデータ、及び制御装置６０の動作プログラムなどが記憶されている。例えば、記憶装置７０には、第１ゼロ基準値Ｄ_０１と、第２ゼロ基準値Ｄ_０２と、第１スパン基準値Ｄ_Ｓ１と、第２スパン基準値Ｄ_Ｓ２と、が記憶されている。

第１ゼロ基準値Ｄ_０１は、基準励磁電流Ｉ_０、第１基準励磁周波数Ｆ_Ｌ、及び基準ゲインＧ_０のときの、ゼロ点でのＡＤカウント値である。第２ゼロ基準値Ｄ_０２は、基準励磁電流Ｉ_０、第２基準励磁周波数Ｆ_Ｈ、及び基準ゲインＧ_０のときの、ゼロ点でのＡＤカウント値である。第１スパン基準値Ｄ_Ｓ１は、基準励磁電流Ｉ_０、第１基準励磁周波数Ｆ_Ｌ、及び基準ゲインＧ_０のときの、検出可能な流速の最大値に対応する起電力に基づくＡＤカウント値である。第２スパン基準値Ｄ_Ｓ２は、基準励磁電流Ｉ_０、第２基準励磁周波数Ｆ_Ｈ、及び基準ゲインＧ_０のときの、検出可能な流速の最大値に対応する起電力に基づくＡＤカウント値である。ここで、第２基準励磁周波数Ｆ_Ｈは、第１基準励磁周波数Ｆ_Ｌよりも高くなるように設定される。

例えば、基準励磁電流Ｉ_０は２０ｍＡに設定され、基準ゲインＧ_０は１に設定される。また、第１基準励磁周波数Ｆ_Ｌは、励磁周波数Ｆの最小値である３．１２５［Ｈｚ］に設定され、第２基準励磁周波数Ｆ_Ｈは、励磁周波数Ｆの最大値である２２．５［Ｈｚ］に設定される。第１ゼロ基準値Ｄ_０１、第２ゼロ基準値Ｄ_０２、第１スパン基準値Ｄ_Ｓ１、及び第２スパン基準値Ｄ_Ｓ２は、製造工場での出荷前などに設定される。

図１１は、図１０の制御装置の機能的構成を示すブロック図である。図１１に示すように、制御装置６０Ａは、ゼロ調整値演算部６１Ａと、スパン調整値演算部６２Ａと、流速演算部６３と、電流制御部６４と、励磁制御部６５と、ゲイン調整部６６と、ＳＨ時間調整部６７と、を有している。

ゼロ調整値演算部６１Ａは、第１ゼロ基準値Ｄ_０１と、第２ゼロ基準値Ｄ_０２とを用いて、下記の式（６）により、任意の励磁電流Ｉｅｘ、励磁周波数Ｆ、及びゲインＧのときのゼロ調整カウント値Ｃ_ＺＥＲＯを求める。

［数６］
Ｃ_ＺＥＲＯ＝［（Ｄ_０２−Ｄ_０１）×（Ｆ−Ｆ_Ｌ）／（Ｆ_Ｈ−Ｆ_Ｌ）＋Ｄ_０１］×Ｇ ・・・（６）

すなわち、ゼロ調整値演算部６１Ａは、第１ゼロ基準値Ｄ_０１及び第１基準励磁周波数Ｆ_Ｌと、第２ゼロ基準値Ｄ_０２及び第２基準励磁周波数Ｆ_Ｈとに基づく線形補完により、現在の励磁周波数Ｆに対応するゼロ基準カウント値を求める。そして、ゼロ調整値演算部６１Ａは、求めたゼロ基準カウント値に変換器２０のゲインＧを乗じることにより、ゼロ調整カウント値Ｃ_ＺＥＲＯを求める。

スパン調整値演算部６２Ａは、第１スパン基準値Ｄ_Ｓ１と、第２スパン基準値Ｄ_Ｓ２とを用いて、下記の式（７）により、任意の励磁電流Ｉｅｘ、励磁周波数Ｆ、及びゲインＧのときのスパン調整カウント値Ｃ_ＳＰＡＮを求める。

［数７］
Ｃ_ＳＰＡＮ＝［（Ｄ_Ｓ２−Ｄ_Ｓ１）×（Ｆ−Ｆ_Ｌ）／（Ｆ_Ｈ−Ｆ_Ｌ）＋Ｄ_Ｓ１］×（Ｉｅｘ／Ｉ_０）×Ｇ ・・・（７）

すなわち、スパン調整値演算部６２Ａは、第１スパン基準値Ｄ_Ｓ１及び第１基準励磁周波数Ｆ_Ｌと、第２スパン基準値Ｄ_Ｓ２及び第２基準励磁周波数Ｆ_Ｈとに基づく線形補完により、現在の励磁周波数Ｆに対応するスパン基準カウント値を求める。そして、スパン調整値演算部６２Ａは、求めたスパン基準カウント値にゲインＧを乗じることにより、スパン調整カウント値Ｃ_ＳＰＡＮを求める。

ここで、基準励磁電流Ｉ_０が２０ｍＡに設定され、第１基準励磁周波数Ｆ_Ｌが３．１２５［Ｈｚ］に設定され、第２基準励磁周波数Ｆ_Ｈが２２．５［Ｈｚ］に設定された場合、式（６）は下記の式（８）のようになり、式（７）は下記の式（９）のようになる。

［数８］
Ｃ_ＺＥＲＯ＝［（Ｄ_０２−Ｄ_０１）×（Ｆ−３．１２５）／１９．３７５＋Ｄ_０１］×Ｇ ・・・（８）

［数９］
Ｃ_ＳＰＡＮ＝［（Ｄ_Ｓ２−Ｄ_Ｓ１）×（Ｆ−３．１２５）／（１９．３７５）＋Ｄ_Ｓ１］×（Ｉｅｘ／Ｉ_０）×Ｇ ・・・（９）

本実施の形態２の流速演算部６３は、現在のＡＤカウント値と、ゼロ調整値演算部６１Ａが求めるゼロ調整カウント値Ｃ_ＺＥＲＯと、スパン調整値演算部６２Ａが求めるスパン調整カウント値Ｃ_ＳＰＡＮとを用いて、式（４）から、流速Ｖを演算する。制御装置６０Ａの他の構成は、実施の形態１の制御装置６０と同様である。

図１２は、図１０の電磁流量計において、流速を一定の割合で経時的に低下させた場合におけるＡＤカウント値及び流量割合の変化を示すグラフである。図１３は、図１０の電磁流量計において、励磁電流及び流速を一定の割合で経時的に低下させ、数回のゲインの切り替えを行った場合のＡＤカウント値及び流量割合の変化を示すグラフである。図１２及び図１３のシミュレーションは、図５〜図８のシミュレーションと同様の条件で行っている。

本実施の形態２の電磁流量計１００Ａは、ゼロ調整カウント値Ｃ_ＺＥＲＯ及びスパン調整カウント値Ｃ_ＳＰＡＮの演算に、２点間の線形補完である励磁周波数補正を採り入れている。そのため、図１２に示すように、流量割合［％］の実測値を表す直線の傾きが、図６の場合よりも、さらに理想直線に近づいている。より具体的に、流量割合［％］の実測値を表す直線の傾きは、電磁流量計１００Ａの方が電磁流量計１００よりも、理想直線の傾きに１［％］程度に近いことがわかる。よって、図１２では、低流量の領域を除いて、理想直線の視認が困難になっている。また、図１２では、低流量の領域においても、図６の場合と比べて、計測値の精度が向上していることがわかる。

以上のように、本実施の形態２の電磁流量計１００Ａによっても、実施の形態１の電磁流量計１００と同様、測定管内を流れる流体の流量を示す電流出力Ｉｏｕｔの精度向上を実現することができる。また、電磁流量計１００Ａにおいても、電流出力Ｉｏｕｔの大きさと励磁電流Ｉｅｘの大きさとが等しくなるように構成されているため、構成の単純化及びコストの削減を図ると共に、演算処理の単純化を図ることができる。

加えて、電磁流量計１００Ａは、流速Ｖを求めるための基準値として、第１ゼロ基準値Ｄ_０１と第２ゼロ基準値Ｄ_０２と第１スパン基準値Ｄ_Ｓ１と及び第２スパン基準値Ｄ_Ｓ２との４つだけを設定しておけばよい。よって、励磁電流Ｉｅｘを段階的に変化させる従来の構成よりも、出荷時等における調整箇所を減らすことができるため、調整時に要する時間を削減することができる。そして、電磁流量計１００Ａは、電流補正と共に励磁周波数補正を採り入れていることから、流速Ｖの演算精度がさらに向上するため、電流出力Ｉｏｕｔの精度向上を図ることができる。また、電磁流量計１００Ａは、励磁電流Ｉｅｘを連続的に変化させるため、キャリブレータ３００に、直流である４−２０ｍＡの電流出力Ｉｏｕｔを入力することで、変換器２０が要求している励磁電流Ｉｅｘ及び励磁周波数Ｆに対応する信号電圧を出力させることができる。

ところで、本実施の形態２では、第１基準励磁周波数Ｆ_Ｌが３．１２５［Ｈｚ］に設定され、第２基準励磁周波数Ｆ_Ｈが２２．５［Ｈｚ］に設定される例を示したが、これに限定されない。第１基準励磁周波数Ｆ_Ｌ及び第２基準励磁周波数Ｆ_Ｈは、「Ｆ_Ｌ＜Ｆ_Ｈ」という条件を満たす限り、３．１２５［Ｈｚ］から２２．５［Ｈｚ］までの範囲内において、適宜設定変更することができる。基準励磁電流Ｉ_０及び基準ゲインＧ_０についても同様に、適宜変更することができる。

実施の形態３．
図１４は、本発明の実施の形態３に係る電磁流量計の構成を概略的に示すブロック図である。図１５は、測定管の口径が異なる検出器を備えた電磁流量計のそれぞれについて、ある励磁電流での信号起電力に対する、他の励磁電流での信号起電力の割合を示す表である。本実施の形態３の電磁流量計１００Ｂの全体的な構成は、実施の形態１及び２と同様であるため、同等の構成部材については同一の符号を用いて説明は省略する。

実施の形態１及び２で説明した流速Ｖの計算は、励磁電流Ｉｅｘと磁束密度Ｂ（信号起電力Ｅ）とが比例関係にあるという前提では正しい。しかし、実際には、磁束密度Ｂは、検出器１０のコイルの特性によって湾曲する。この点について、図１５を用いて説明する。

図１５には、測定管１１の口径Ｄが５［ｍｍ］、１０［ｍｍ］、１５［ｍｍ］、２５［ｍｍ］、４０［ｍｍ］、５０［ｍｍ］、６５［ｍｍ］、８０［ｍｍ］、１００［ｍｍ］、２００［ｍｍ］である電磁流量計１００のそれぞれに関する各種データを示している。測定管１１の口径Ｄが５［ｍｍ］、１００［ｍｍ］、及び２００［ｍｍ］である電磁流量計１００での計測処理は、励磁周波数Ｆを１７．５［Ｈｚ］にして行っている。測定管１１の口径が１０［ｍｍ］、１５［ｍｍ］、２５［ｍｍ］、４０［ｍｍ］、５０［ｍｍ］、６５［ｍｍ］、及び８０［ｍｍ］である電磁流量計１００での計測処理は、励磁周波数Ｆを２２．５［Ｈｚ］にして行っている。

図１５の「励磁電流による信号起電力比」の欄では、励磁電流Ｉｅｘが１１．９［ｍＡ］のときの信号起電力Ｅを１としている。そして、７．０［ｍＡ］の欄には、励磁電流Ｉｅｘが１１．９［ｍＡ］のときの信号起電力Ｅに対する励磁電流Ｉｅｘが７．０［ｍＡ］のときの信号起電力Ｅの割合（比の値）が記載されている。同様に、４．９［ｍＡ］の欄には、励磁電流Ｉｅｘが１１．９［ｍＡ］のときの信号起電力Ｅに対する励磁電流Ｉｅｘが４．９［ｍＡ］のときの信号起電力Ｅの割合（比の値）が記載されている。

図１５からは、励磁電流Ｉｅｘが小さい方が、信号起電力Ｅが相対的に高くなることがわかる。これは、励磁電流Ｉｅｘを相対的に大きくすると、磁場をつくるエネルギーが熱などで消費され、磁場が減ってくるためであると推察される。そこで、本実施の形態３では、励磁電流Ｉｅｘと磁束密度Ｂ（信号起電力Ｅ）との関係を、流速Ｖの補正用の補正係数Ｃｏ（Ｉｅｘ）を用いて補正するようになっている。

図１６は、図１４の制御装置の機能的構成の一例を示すブロック図である。図１６に示すように、制御装置６０Ｂは、図１３に示すように、ゼロ調整値演算部６１と、スパン調整値演算部６２と、電流制御部６４と、励磁制御部６５と、ゲイン調整部６６と、ＳＨ時間調整部６７と、を有している。また、制御装置６０Ｂは、補正係数演算部６８Ｂと、流速演算部６３Ｂと、を有している。

流速演算部６３Ｂは、上述した式（４）の代わりに、下記の式（１０）を用いるようになっている。つまり、流速演算部６３Ｂは、流速Ｖの最大値と、現在のＡＤカウント値からゼロ調整カウント値Ｃ_ＺＥＲＯを減算した値とを乗算して、スパン調整カウント値Ｃ_ＳＰＡＮで除した値に、補正係数Ｃｏ（Ｉｅｘ）を乗じて、流速Ｖを求める。

［数１０］
流速Ｖ［ｍ／ｓ］＝最大流速［ｍ／ｓ］×(ＡＤカウント値−Ｃ_ＺＥＲＯ)／Ｃ_ＳＰＡＮ×Ｃｏ（Ｉｅｘ） ・・・（１０）

補正係数演算部６８Ｂは、検出器１０ごとに設定される検出器定数と、励磁電流Ｉｅｘの変化とに基づいて、式（１０）の補正係数Ｃｏ（Ｉｅｘ）を求める。すなわち、信号起電力Ｅは、励磁電流Ｉｅｘの大きさによって変化するため、補正係数演算部６８Ｂは、励磁電流Ｉｅｘ及び検出器１０の特性に応じて、補正係数Ｃｏ（Ｉｅｘ）を変化させるように構成されている。ここで、検出器定数は、電磁流量計１００の検出器１０ごとに異なる定数である。検出器定数は、部品の加工精度及び組立のばらつき等が精度に影響を与えないよう、実際に検出器１０に流体を流して行う実流校正の際に求められる。電磁流量計１００では、検出器定数を変換器２０に設定することにより、流量の測定を正確に行うことができる。

本実施の形態３において、補正係数演算部６８Ｂは、補正係数Ｃｏ（Ｉｅｘ）を、３点の実流校正によって決めるようになっている。すなわち、本実施の形態３の記憶装置７０には、第１検出器定数ＥＸ１と第２検出器定数ＥＸ２と第３検出器定数ＥＸ３とが記憶されている。第１検出器定数ＥＸ１は、実流校正で励磁電流Ｉｅｘが係数基準電流Ｉ_１のときの検出器定数であり、補正係数Ｃｏ（Ｉｅｘ）の基準となる。第２検出器定数ＥＸ２は、実流校正で励磁電流Ｉｅｘが判定基準電流Ｉ_２のときの検出器定数である。第３検出器定数ＥＸ３は、実流校正で励磁電流Ｉｅｘが低流量基準電流Ｉ_３のときの検出器定数である。係数基準電流Ｉ_１と判定基準電流Ｉ_２と低流量基準電流Ｉ_３との間には、「Ｉ_１＞Ｉ_２＞Ｉ_３」という関係がある。つまり、低流量基準電流Ｉ_３は判定基準電流Ｉ_２よりも小さく、かつ係数基準電流Ｉ_１は判定基準電流Ｉ_２よりも大きくなっている。

ここで、検出器定数は、流速１［ｍ／ｓ］において、励磁電流Ｉｅｘを一定とした場合の信号起電力Ｅに相当する。したがって、図１５からもわかるように、第１検出器定数ＥＸ１と第２検出器定数ＥＸ２と第３検出器定数ＥＸ３との間には、「ＥＸ１＜ＥＸ２＜ＥＸ３」という関係がある。すなわち、励磁電流Ｉｅｘと検出器定数との間には、励磁電流Ｉｅｘが大きくなれば検出器定数が小さくなり、励磁電流Ｉｅｘが小さくなれば検出器定数が大きくなる、という関係がある。第１検出器定数ＥＸ１、第２検出器定数ＥＸ２、及び第３検出器定数ＥＸ３は、それぞれ、検出器１０の銘板などに記載される。第１検出器定数ＥＸ１、第２検出器定数ＥＸ２、及び第３検出器定数ＥＸ３のそれぞれの値を変換器２０に設定することにより、検出器１０と変換器２０との様々な組み合わせに応じた流速Ｖの演算を精度よく行うことができる。

より具体的に、補正係数演算部６８Ｂは、励磁電流Ｉｅｘが判定基準電流Ｉ_２未満であるか否かを判定する。補正係数演算部６８Ｂは、励磁電流Ｉｅｘが判定基準電流Ｉ_２未満であれば、第２検出器定数ＥＸ２と第３検出器定数ＥＸ３との間を線形補完した値である低流量定数を求め、低流量定数の第１検出器定数ＥＸ１に対する割合を補正係数Ｃｏ（Ｉｅｘ）として求める。低流量定数は、下記の式（１１）の中括弧内の演算により求まる値である。

［数１１］
Ｃｏ（Ｉｅｘ）＝［（Ｉｅｘ−Ｉ_３）×（ＥＸ２−ＥＸ３）／（Ｉ_２−Ｉ_３）＋ＥＸ３］／ＥＸ１ ・・・（１１）

つまり、補正係数演算部６８Ｂは、式（１１）をもとに、第２検出器定数ＥＸ２及び判定基準電流Ｉ_２と、第３検出器定数ＥＸ３及び低流量基準電流Ｉ_３とに基づく線形補完により、現在の励磁電流Ｉｅｘに対応する低流量定数を求める。そして、補正係数演算部６８Ｂは、式（１１）をもとに、低流量定数を第１検出器定数ＥＸ１で除して補正係数Ｃｏ（Ｉｅｘ）を求める。

また、補正係数演算部６８Ｂは、励磁電流Ｉｅｘが判定基準電流Ｉ_２以上であれば、第１検出器定数ＥＸ１と第２検出器定数ＥＸ２との間を線形補完した値である安定流量定数を求める。そして、補正係数演算部６８Ｂは、求めた安定流量定数の第１検出器定数ＥＸ１に対する割合を補正係数Ｃｏ（Ｉｅｘ）として求める。安定流量定数は、下記の式（１２）の中括弧内の演算により求まる値である。

［数１２］
Ｃｏ（Ｉｅｘ）＝［（Ｉｅｘ−Ｉ_２）×（ＥＸ１−ＥＸ２）／（Ｉ_１−Ｉ_２）＋ＥＸ２］／ＥＸ１ ・・・（１２）

つまり、補正係数演算部６８Ｂは、式（１２）をもとに、第１検出器定数ＥＸ１及び係数基準電流Ｉ_１と、第２検出器定数ＥＸ２及び判定基準電流Ｉ_２とに基づく線形補完により、現在の励磁電流Ｉｅｘに対応する安定流量定数を求める。そして、補正係数演算部６８Ｂは、式（１２）をもとに、安定流量定数を第１検出器定数ＥＸ１で除して補正係数Ｃｏ（Ｉｅｘ）を求める。

例えば、係数基準電流Ｉ_１が２０．０［ｍＡ］に設定され、判定基準電流Ｉ_２が１２．０［ｍＡ］に設定され、低流量基準電流Ｉ_３が８．０［ｍＡ］に設定された場合、式（１１）は下記の式（１３）のようになり、式（１２）は下記の式（１４）のようになる。

［数１３］
Ｃｏ（Ｉｅｘ）＝［（Ｉｅｘ−８）×（ＥＸ２−ＥＸ３）／４＋ＥＸ３］／ＥＸ１ ・・・（１３）

［数１４］
Ｃｏ（Ｉｅｘ）＝［（Ｉｅｘ−１２）×（ＥＸ１−ＥＸ２）／８＋ＥＸ２］／ＥＸ１ ・・・（１４）

この場合、補正係数演算部６８Ｂは、励磁電流Ｉｅｘが１２．０［ｍＡ］未満であるか否かを判定する。そして、補正係数演算部６８Ｂは、励磁電流Ｉｅｘが１２．０［ｍＡ］未満であれば、式（８）により補正係数Ｃｏ（Ｉｅｘ）を求める。一方、補正係数演算部６８Ｂは、励磁電流Ｉｅｘが１２．０［ｍＡ］以上であれば、式（９）により補正係数Ｃｏ（Ｉｅｘ）を求める。

なお、第１検出器定数ＥＸ１、第２検出器定数ＥＸ２、及び第３検出器定数ＥＸ３は、それぞれ、上記の設定に限定されない。つまり、係数基準電流Ｉ_１と判定基準電流Ｉ_２と低流量基準電流Ｉ_３との組み合わせは、２０．０［ｍＡ］と１２．０［ｍＡ］と８．０［ｍＡ］との組み合わせに限定されない。係数基準電流Ｉ_１と判定基準電流Ｉ_２と低流量基準電流Ｉ_３とは、「Ｉ_１＞Ｉ_２＞Ｉ_３」という関係を満たす限り、それぞれ任意の電流値に設定変更することができる。

図１７は、図１４の制御装置の機能的構成の他の例を示すブロック図である。図１７に示すように、制御装置６０Ｂは、ゼロ調整値演算部６１とスパン調整値演算部６２との代わりに、実施の形態２におけるゼロ調整値演算部６１Ａとスパン調整値演算部６２Ａとを有していてもよい。この場合、電磁流量計１００Ｂは、電流補正のみならず、励磁周波数補正も実行することができるため、流速Ｖの演算精度がさらに向上し、電流出力Ｉｏｕｔの精度をより高めることができる。

以上のように、本実施の形態３の電磁流量計１００Ｂによっても、実施の形態１の電磁流量計１００と同様、測定管内を流れる流体の流量を示す電流出力Ｉｏｕｔの精度向上を実現することができる。また、電磁流量計１００Ｂにおいても、電流出力Ｉｏｕｔの大きさと励磁電流Ｉｅｘの大きさとが等しくなるように構成されているため、構成の単純化及びコストの削減を図ると共に、演算処理の単純化を図ることができる。

ところで、従来は、電流出力Ｉｏｕｔが４．９ｍＡ（流量割合５．６％）となるような低流量での実流校正は困難であるため、実施しておらず、検出器定数を一定値（デフォルト値）にしている。この点、電磁流量計１００Ｂは、励磁電流Ｉｅｘを連続的に変化させるため、判定基準電流Ｉ_２と低流量基準電流Ｉ_３とにより実流校正した結果を用いて補完計算することができる。そのため、実際の検出器１０の励磁特性に適合した補正を行うことができ、電流出力Ｉｏｕｔの精度をさらに向上させることができる。他の効果については、実施の形態１及び２と同様である。

本実施の形態３では、第１検出器定数ＥＸ１と、第２検出器定数ＥＸ２と、第３検出器定数ＥＸ３との３個の検出器定数を用いてＣｏ（Ｉｅｘ）を求める場合を例示したが、これに限定されない。電磁流量計１００Ｂは、異なる励磁電流Ｉｅｘに対応する４個以上の検出器定数を用いてＣｏ（Ｉｅｘ）を求めてもよい。例えば、電磁流量計１００Ｂは、４個の検出器定数を用いてＣｏ（Ｉｅｘ）を求める場合、励磁電流Ｉｅｘに応じて、式（１３）及び式（１４）と同様に構成された３個の演算式を使い分けるとよい。すなわち、電磁流量計１００Ｂは、ｎ（ｎは３以上の自然数）個の検出器定数を用いてＣｏ（Ｉｅｘ）を求める場合、励磁電流Ｉｅｘに応じて、式（１３）及び式（１４）と同様に構成されたｎ−１個の演算式を使い分けるとよい。

ここで、図１８〜図２２を参照して、電磁流量計１００によって得られる効果を詳細に説明する。図１８は、従来の２線式流量計において、励磁電流を段階的に切り替えた様子を示すグラフである。図１９は、従来の２線式流量計において、図１８のように励磁電流を変更した場合のＡＤカウント値の変化を示すグラフである。図２０は、図１９の初期時間帯でスパン補正を切り替えた場合のＡＤカウント値の変化を示すグラフである。図２１は、図１９の中期時間帯でスパン補正を切り替えた場合のＡＤカウント値の変化を示すグラフである。図２２は、図１９の後期時間帯でスパン補正を切り替えた場合のＡＤカウント値の変化を示すグラフである。

従来の２線式電磁流量計のように、励磁電流を段階的に切り替える場合、励磁電流の変化に伴って信号起電力Ｅが変化するため、切り替えの過渡区間では、流体の流量が変わっていなくても、ＡＤ変換器から出力されるＡＤカウント値が変化する。すなわち、２線式電磁流量計において、励磁電流を増加させると、測定管内の流体に印加される磁界が大きくなり、信号起電力Ｅが上昇するため、流体の流量の変化にかかわらず、ＡＤカウント値が大きくなる。同様に、２線式電磁流量計において、励磁電流を減少させると、測定管内の流体に印加される磁界が小さくなり、信号起電力Ｅが低下するため、流体の流量の変化にかかわらず、ＡＤカウント値が小さくなる。

そのため、従来は、段階的に設定された励磁電流ごとに、調整用の２つのＡＤカウント値を設定しておき、これらを用いたスパン補正により、励磁電流の切り替えに伴うＡＤカウント値の変化を抑制している。調整用の２つのＡＤカウント値としては、流量０％のときのＡＤカウント値であるゼロ調整ＡＤ値と、流量１００％のときのＡＤカウント値である最大調整ＡＤ値とが設定される。スパン補正とは、例えば、ゼロ調整ＡＤ値及び最大調整ＡＤ値から正規化した値である正規化値を計算する補正のことである。つまり、従来の２線式電磁流量計は、ある励磁電流のときのスパン補正を下記の式（１５）により行って正規化値を求める。そして、従来の２線式電磁流量計は、正規化値に最大流速を乗じて流速を演算し、演算した流速をもとに電流出力Ｉｏｕｔを求める。

［数１５］
正規化値＝（ＡＤカウント値−ゼロ調整ＡＤ値）／（最大調整ＡＤ値−ゼロ調整ＡＤ値） ・・・（１５）

ここで、従来の２線式電磁流量計が、励磁電流を４．９ｍＡ、７．０ｍＡ、１１．９ｍＡ、１４ｍＡの４段階で切り替える場合を想定する。この例において、図１８のように、時刻ｔ_０で励磁電流を７．０ｍＡから１１．９ｍＡに切り替えた場合、励磁電流の増加に伴って信号起電力Ｅが上昇する。そのため、図１９のように、切り替えの過渡区間では、流体の流量が変わっていなくても、ＡＤ変換器から出力されるＡＤカウント値が除々に上昇する。

従来の２線式電磁流量計は、励磁電流の切り替え点以外では、式（１５）のゼロ調整ＡＤ値及び最大調整ＡＤ値として、励磁電流ごとの共通の値を用いるが、励磁電流の切り替え点では、式（１５）のゼロ調整ＡＤ値及び最大調整ＡＤ値を突然変化させる。そのため、励磁電流の切り替え点に応じて、電流出力Ｉｏｕｔに多様なヒゲが発生する。例えば、図１９のように、励磁電流７．０ｍＡのスパン補正から励磁電流１１．９ｍＡのスパン補正に変更するタイミングが異なると、図２０〜図２２のように、電流出力Ｉｏｕｔには、スパン補正の変更タイミングに応じて異なるヒゲが生じる。このヒゲは、特に、励磁電流７．０ｍＡの最大調整ＡＤ値よりも、励磁電流１１．９ｍＡの最大調整ＡＤ値の方が大きいことに起因して発生する。

すなわち、図１９の過渡期間における初期時間帯（Ａ）の時刻ｔ_１でスパン補正を変更した場合、図２０に示すように、マイナス側にヒゲが発生する。また、図１９の過渡期間における中期時間帯（Ｂ）の時刻ｔ_２でスパン補正を変更した場合、図２１に示すように、マイナス側とプラス側の両方にヒゲが発生する。図１９の過渡期間における後期時間帯（Ｃ）の時刻ｔ_３でスパン補正を変更した場合、図２１に示すように、プラス側にヒゲが発生する。そして、このようなヒゲにより、電流出力が閾値を跨いで変化するため、励磁電流の切り替えが頻発するハンチング現象が起こる。また、上述したように、前回値ホールド処理を採用しても、電流出力の精度がさらに低下するという課題がある。

この点、上記各実施の形態における電磁流量計は、励磁電流Ｉｅｘを連続的に変化させるため、従来のように、励磁電流の切り替え時におけるヒゲ、ホールド、及び段差の発生を防ぐことができる。すなわち、図５〜図７、図１２、及び図１３に示すように、ゲインＧ、励磁周波数Ｆ、及び励磁電流Ｉｅｘを、流体の流量に連動させて動的に変化させても、上記各実施の形態における電磁流量計では、正常な流量値に変換される。つまり、流速Ｖ及び瞬時流量が不連続な値をとらない。

また、従来の２線式電磁流量計は、スパン補正を行うため、工場出荷時などの調整時に、段階的に設定された励磁電流ごとに２つの調整ＡＤ値を求めて記憶させておく必要がある。例えば、上記の例のように、励磁電流を４．９ｍＡ、７．０ｍＡ、１１．９ｍＡ、１４ｍＡの４段階で切り替える２線式電磁流量計の場合は、８つの調整ＡＤ値を求めて記憶させておく必要があり、調整処理に時間がかかる。さらに、励磁周波数を変更させる構成を追加すると、調整箇所が増加し、調整処理に費やす時間が増える。加えて、流量が小さくなると、ＡＤカウント値が変化しにくくなることから、低流量時にアンプのゲインを上げるような設定を追加すると、調整箇所が増加し、調整処理の時間がさらに増加する。例えば、励磁周波数の基準値を２つ設定し、ゲインの基準値を２つ設定すると、励磁電流を４段階で切り替える構成では、調整箇所が３２箇所も必要となってしまう。さらに、段階的に設定された励磁電流ごとの２つの調整ＡＤ値が狂っていると、仮に過渡期間がなかったとしても、励磁電流の切り替え時に、電流出力Ｉｏｕｔに段差が発生する。

この点、実施の形態１の電磁流量計１００、及び図１６の制御装置６０Ｂを備えた実施の形態３の電磁流量計１００Ｂでは、流速Ｖを求めるための基準値を２つだけ設定しておけばよい。また、実施の形態２の電磁流量計１００Ａ、及び図１７の制御装置６０Ｂを備えた実施の形態３の電磁流量計１００Ｂでは、流速Ｖを求めるための基準値を４つだけ設定しておけばよい。よって、上記各実施の形態における電磁流量計によれば、励磁電流Ｉｅｘを段階的に変化させる従来の構成よりも、出荷時等における調整箇所を減らすことができるため、調整時に要する時間を削減することができる。

上述した各実施の形態は、２線式電磁流量計における好適な具体例であり、本発明の技術的範囲は、これらの態様に限定されるものではない。例えば、上記各実施の形態では、ＡＤ変換器５０が直流増幅機能を備えている場合を例示したが、これに限定されない。変換器２０は、ＡＤ変換器５０の代わりに、ゲイン設定部５１及び直流増幅部５２と同様に機能する直流増幅器と、変換部５３と同様に機能するＡＤ変換器と、を有していてもよい。

また、上記の説明では、スイッチ回路８２が、ＸＹ状態とＹＸ状態とを所定の周期で繰り返す場合を例示したが、これに限定されない。例えば、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３、及び第４スイッチＳＷ４を何れもオフにする全オフ状態を、ＸＹ状態とＹＸ状態との間に設けてもよい。例えば、励磁制御部６５は、「ＸＹ状態→全オフ状態→ＹＸ状態→全オフ状態→ＸＹ状態」のように３つの状態を所定のパターンで繰り返させるような周波数指令信号を生成して、励磁切替回路８１に出力してもよい。このようにすれば、励磁電流Ｉｅｘが流れない区間を設けることができることから、電流値を下げることができるため、消費電力を抑えることができる。そして、全オフ状態の設定時間を調整することにより、測定管１１内を流れる流体の流量が低下し、電流出力Ｉｏｕｔが４．０［ｍＡ］以下になった場合でも、流速Ｖを精度よく演算することができる。

つまり、特許文献１の電磁流量計は、最低の励磁電流Ｉｅｘを、４−２０ｍＡの出力電流の最低値よりも高い４．８［ｍＡ］としているため、電流出力を４．０［ｍＡ］以下にすることができないという制限がある。この点、上記各実施の形態の電磁流量計に、全オフ状態を適用すれば、バーンアウトしたとき（重故障が起きたとき）又は低流量のときに、消費電力を動的に減らすことができるため、電流出力Ｉｏｕｔの下限の制限値を低下させることができる。

１０ 検出器、１１ 測定管、１２ 励磁コイル、１３ａ、１３ｂ 電極、１４ 接地電極、２０ 変換器、３０ 交流増幅回路、４０ サンプルホールド回路、５０ ＡＤ変換器、５１ ゲイン設定部、５２ 直流増幅部、５３ 変換部、６０、６０Ａ、６０Ｂ 制御装置、６１、６１Ａ ゼロ調整値演算部、６２、６２Ａ スパン調整値演算部、６３、６３Ｂ 流速演算部、６４ 電流制御部、６５ 励磁制御部、６６ ゲイン調整部、６７ ＳＨ時間調整部、６８Ｂ 補正係数演算部、７０ 記憶装置、８０ 励磁回路、８１ 励磁切替回路、８２ スイッチ回路、９０ 電流制御回路、１００、１００Ａ、１００Ｂ 電磁流量計、３００ キャリブレータ、５００ 外部電源、Ａ〜Ｃ 接点、Ｃ_ＳＰＡＮ スパン調整カウント値、Ｃ_ＺＥＲＯ ゼロ調整カウント値、Ｃｏ（Ｉｅｘ） 補正係数、Ｄ 口径、Ｄ_０ ゼロ基準値、Ｄ_０１ 第１ゼロ基準値、Ｄ_０２ 第２ゼロ基準値、Ｄ_ＭＡＸ 最大調整カウント値、Ｄ_Ｓ スパン基準値、Ｄ_Ｓ１ 第１スパン基準値、Ｄ_Ｓ２ 第２スパン基準値、Ｅ 信号起電力、ＥＸ１ 第１検出器定数、ＥＸ２ 第２検出器定数、ＥＸ３ 第３検出器定数、Ｆ 励磁周波数、Ｆ_０ 基準励磁周波数、Ｆ_Ｈ 第２基準励磁周波数、Ｆ_Ｌ 第１基準励磁周波数、Ｇ ゲイン、Ｇ_０ 基準ゲイン、Ｉ 励磁電流、Ｉ_０ 基準励磁電流、Ｉ_１ 係数基準電流、Ｉ_２ 判定基準電流、Ｉ_３ 低流量基準電流、Ｉｅｘ 励磁電流、Ｉｏｕｔ 電流出力、Ｌ１、Ｌ２ 信号線、Ｐ〜Ｓ 接続点、ＲＬ 外部負荷、ＳＷ１ 第１スイッチ、ＳＷ２ 第２スイッチ、ＳＷ３ 第３スイッチ、ＳＷ４ 第４スイッチ、Ｖ 流速。

Claims (7)

1. 測定管内を流れる流体に磁界を印加する励磁コイルを有し、前記測定管内を流れる流体の流速に応じて発生する信号起電力を検出する検出器と、
   前記検出器において検出された前記信号起電力をもとに、前記測定管内を流れる流体の流量を示す電流出力を調整する変換器と、を備え、
   前記変換器は、
   前記励磁コイルに所定の励磁周波数の励磁電流を供給する励磁回路と、
   前記信号起電力に基づくアナログ信号から前記流速を示すＡＤカウント値を生成するＡＤ変換器と、
   前記電流出力を調整する電流制御回路と、
   前記ＡＤ変換器において生成された前記ＡＤカウント値の変化に応じて、前記励磁回路が前記励磁コイルに供給する前記励磁電流を前記電流出力に追従させて連続的に変化させる制御装置と、を有する、２線式電磁流量計。
2. 前記電流出力の大きさと前記励磁電流の大きさとが等しくなるように構成されている、請求項１に記載の２線式電磁流量計。
3. 基準励磁電流、基準励磁周波数、及び基準ゲインのときの、ゼロ点での前記ＡＤカウント値であるゼロ基準値と、最大の前記流速に基づく前記ＡＤカウント値であるスパン基準値と、を記憶する記憶装置を有し、
   前記制御装置は、
   前記ゼロ基準値に、前記変換器のゲインを乗じてゼロ調整カウント値を求めるゼロ調整値演算部と、
   前記スパン基準値に、前記励磁電流の前記基準励磁電流に対する割合及び前記ゲインを乗じてスパン調整カウント値を求めるスパン調整値演算部と、
   前記ＡＤ変換器において生成された前記ＡＤカウント値、前記ゼロ調整カウント値、及び前記スパン調整カウント値を用いて前記流速を演算する流速演算部と、
   前記流速演算部において演算された前記流速の変化に応じて前記電流制御回路の抵抗値を調整し、前記電流出力を連続的に変化させる電流制御部と、を有する、請求項１又は２に記載の２線式電磁流量計。
4. 基準励磁電流、第１基準励磁周波数、及び基準ゲインのときの、ゼロ点での前記ＡＤカウント値である第１ゼロ基準値と、最大の前記流速に基づく前記ＡＤカウント値である第１スパン基準値と、前記基準励磁電流、前記第１基準励磁周波数よりも大きい第２基準励磁周波数、及び前記基準ゲインのときの、ゼロ点での前記ＡＤカウント値である第２ゼロ基準値と、最大の前記流速に基づく前記ＡＤカウント値である第２スパン基準値と、を記憶する記憶装置を有し、
   前記制御装置は、
   前記第１ゼロ基準値及び前記第１基準励磁周波数と、第２ゼロ基準値及び前記第２基準励磁周波数とに基づく線形補完により、前記励磁周波数に対応するゼロ基準カウント値を求め、前記ゼロ基準カウント値に前記変換器のゲインを乗じてゼロ調整カウント値を求めるゼロ調整値演算部と、
   前記第１スパン基準値及び前記第１基準励磁周波数と、第２スパン基準値及び前記第２基準励磁周波数とに基づく線形補完により、前記励磁周波数に対応するスパン基準カウント値を求め、前記スパン基準カウント値に前記ゲインを乗じてスパン調整カウント値を求めるスパン調整値演算部と、
   前記ＡＤ変換器において生成された前記ＡＤカウント値、ゼロ調整カウント値、及びスパン調整カウント値を用いて前記流速を演算する流速演算部と、
   前記流速演算部において演算された前記流速に応じて前記電流制御回路の抵抗値を調整して、前記電流出力を連続的に変化させる電流制御部と、を有する、請求項１又は２に記載の２線式電磁流量計。
5. 前記制御装置は、
   前記検出器に設定される検出器定数と前記励磁電流の変化とに基づいて、前記流速の補正用の補正係数を求める係数演算部を有し、
   前記流速演算部は、
   前記係数演算部において求められた前記補正係数をさらに用いて前記流速を求めるものである、請求項３又は４に記載の２線式電磁流量計。
6. 前記流速演算部は、
   前記流速の最大値と、前記ＡＤカウント値から前記ゼロ調整カウント値を減算した値とを乗算して、前記スパン調整カウント値で除した値に、前記補正係数を乗じて前記流速を求めるものである、請求項５に記載の２線式電磁流量計。
7. 前記記憶装置は、
   実流校正で前記励磁電流が係数基準電流のときの第１検出器定数と、実流校正で前記励磁電流が判定基準電流のときの第２検出器定数と、実流校正で前記励磁電流が低流量基準電流のときの第３検出器定数と、を記憶しており、
   前記低流量基準電流は前記判定基準電流よりも小さく、かつ前記係数基準電流は前記判定基準電流よりも大きくなっており、
   前記係数演算部は、
   前記励磁電流が前記判定基準電流未満の場合に、
   前記第２検出器定数及び前記判定基準電流と、前記第３検出器定数及び前記低流量基準電流とに基づく線形補完により前記励磁電流に対応する低流量定数を求め、前記低流量定数を前記第１検出器定数で除して前記補正係数を求め、
   前記励磁電流が前記判定基準電流以上の場合に、
   前記第１検出器定数及び前記係数基準電流と、前記第２検出器定数及び前記判定基準電流とに基づく線形補完により前記励磁電流に対応する安定流量定数を求め、前記安定流量定数を前記第１検出器定数で除して前記補正係数を求めるものである、請求項５又は６に記載の２線式電磁流量計。

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