JPH05281005A - 渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 渦流量計の信号変換部の構成を改良してＳ／
Ｎの向上を図った渦流量計を提供するにある。 【構成】 第１チャージアンプで変換され渦信号を含む
第１信号と第２チャージアンプで変換され渦信号を含む
第２信号とを可変抵抗素子を介して加算器で加算して第
３信号として出力する渦流量計において、先の第３信号
が印加され先の渦信号を阻止してノイズ信号を出力する
帯域阻止フイルタ手段と、このノイズ信号が最小になる
ように先の可変抵抗素子の抵抗値を演算してこれを制御
する制御手段とを具備するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、測定流体が管路に流れ
て渦発生体により発生する渦の数をカウントすることに
より測定流体の流量を測定する渦流量計に係り、特に渦
流量計の信号変換部の構成を改良してＳ／Ｎの向上を図
った渦流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】以下、従来の第１の渦流量計の構成につ
いて図５〜図８を用いて説明する。図３は従来の渦セン
サの断面を示す縦断面図である。１０は流体が流れる管
路、１１は管路１０に直角に設けられた円筒状のノズル
である。１２はノズル１１とは間隔を持って管路１０に
直角に挿入された台形断面を持つ柱状の渦発生体であ
り、その一端はネジ１３により管路１０に固定され、他
端はフランジ部１４でノズル１１にネジ或いは溶接によ
り固定されている。

【０００３】１５は渦発生体１２のフランジ部１４側に
設けられた凹部であり、この凹部１５の中には上下に所
定の間隔をもって一対の圧電素子１６、１７が配置さ
れ、これ等の圧電素子１６および１７はガラスなどの封
着体１８で絶縁して封着されている。

【０００４】圧電素子１６、１７には２分割された半円
環状の電極が上下にそれぞれ配置されている。各圧電素
子１６、１７はそれらの左側の上下の電極で挟まれた圧
電体と右側の上下の電極で挟まれた圧電体とがそれぞれ
逆方向に分極されており同じ方向の応力に対して互いに
上下の電極に逆極性の電荷を発生する。

【０００５】以上のように構成された渦センサからの渦
信号は図６に示す変換回路に入力される。この渦センサ
の圧電素子１６、１７に発生した渦信号の渦周波数に対
応する周波数を持つ電荷Ｑ_v1、Ｑ_v2は図６に示すように
チャ−ジコンバ−タ１９、２０に入力され交流の電圧信
号に変換される。

【０００６】そして、チャ−ジコンバ−タ１９の電圧信
号とチャ−ジコンバ−タ２０の電圧信号をボリウム２１
を介した電圧信号とは加算器２２で加算され、この加算
出力はロ−パスフイルタ２３で低域濾波された後、増幅
器２４で所定の大きさに増幅される。このロ−パスフイ
ルタ２３は圧電素子１６、１７自体にバラツキがあった
り或いはボリウム２１のノイズバランスの調整がうまく
行かなかったりすることによって発生するノイズを除去
するために使用する。

【０００７】増幅器２４の出力は所定のヒステリシス幅
を有するシュミットトリガ２５に入力されて、このヒス
テリシス幅以上の振幅を持つ渦信号を渦周波数に１：１
に対応したパルス信号に変換される。このパルス信号は
トランス２６で直流的に絶縁されて周波数／電圧変換器
２７に入力され、ここでボリウム２８によりスパンに対
応したアナログの電圧信号に変換される。

【０００８】この電圧信号は、ボリウム２９によりゼロ
点が設定された直流増幅器３０によりトランジスタ３１
のベ−ス電流を制御して電流出力Ｉ_L に変換され、その
コレクタ端とエミッタ端から出力端子Ｔ₁ 、Ｔ₂ を介し
て外部電源Ｅ_s を持つ受信計器の受信抵抗Ｒ_L に伝送さ
れる。この場合、トランジスタ３１と出力端子Ｔ₂ との
間には帰還抵抗Ｒ_f が挿入されており帰還抵抗Ｒ_f の両
端に発生する帰還電圧Ｅ_f は直流増幅器３０の入力端に
帰還され、この入力端の電圧信号に対応する４〜２０ｍ
Ａの統一された電流出力Ｉ_L に制御される。

【０００９】また、電流出力Ｉ_L のうちベ−ス部分のほ
ぼ４ｍＡは変換回路の内部電源を作るために用いられ
る。すなわち、この電流の一部は定電流回路３２を介し
て定電圧回路３３に供給されここに発生された基準電圧
を用いてボリウム２９の両端にゼロ電圧を発生させる。
更に、４ｍＡの電流の他の一部はトランジスタ３４に供
給されて交流／直流変換回路３５に入力され、ここで交
流電圧に変換されてこの変換された交流電圧はトランス
３６を介して内部電源回路３７に供給される。内部電源
回路３７は変換回路の動作に必要な内部電圧＋Ｖ、−Ｖ
を作る。

【００１０】次に、以上のように構成された渦流量計の
動作について図７と図８を用いて説明する。流体が流れ
ると図５に示す渦発生体１２に矢印Ｆで示した方向にカ
ルマン渦による振動が発生する。この振動により渦発生
体１２には図７（ａ）に示すような応力分布とこの逆の
応力分布の繰返しが生じ、各圧電素子１６、１７には渦
周波数と同一の周波数を持つ信号応力に対応した電荷＋
Ｑ、−Ｑの繰返しが生じる。

【００１１】一方、管路１０にはノイズとなる管路振動
も生じる。この管路振動は（ａ）流体の流れと同じ方向
の抗力方向、（ｂ）流体の流れとは直角方向の揚力方向
Ｆ、（ｃ）渦発生体の長手方向、の３方向成分に分けら
れる。このうち、抗力方向の振動に対する応力分布は図
７（ｂ）に示すようになり１個の電極内で正負の電荷は
打ち消されてノイズ電荷は発生しない。また、長手方向
の振動に対しては図７（ｃ）に示すように電極内で打ち
消されて抗力方向と同様にノイズ電荷は発生しない。し
かし、揚力方向Ｆの振動は信号応力と同一の応力分布と
なりノイズ電荷が生じる。そこで、このノイズ電荷を消
去するために以下の演算を実行する。圧電素子１６、１
７の各電荷をＱ_v1、Ｑ_v2、信号成分をＳ₁ 、Ｓ₂ 、揚力
方向のノイズ成分をＮ₁ 、Ｎ₂ とし、圧電素子１６、１
７で分極を逆とするとＱ_v1、Ｑ_v2は次式で示される。

【００１２】Ｑ_v1＝Ｓ₁ ＋Ｎ₁ −Ｑ_v2＝−Ｓ₂ −Ｎ₂

【００１３】ただし、Ｓ₁ とＳ₂ 、Ｎ₁ とＮ₂ のベクト
ル方向は同じである。ここで、圧電素子１６、１７の信
号成分とノイズ成分の関係は、揚力方向のノイズと信号
に対する渦発生体の曲げモ−メントの関係は図８に示す
ようになっているので、図６に示す圧電素子１７側のチ
ャ−ジコンバ−タ２０の出力を加算器２２で加算する際
にボリウム２１と共にＮ₁ ／Ｎ₂ 倍して圧電素子１６側
のチャ−ジコンバ−タ１９の出力と加算すると、 Ｑ_v1−Ｑ_v2（Ｎ₁ ／Ｎ₂ ） ＝Ｓ₁ −Ｓ₂ （Ｎ₁ ／Ｎ₂ ） となり管路ノイズは除去される。

【００１４】以上のようにして渦発生体に重畳されるノ
イズのうち、渦発生体の抗力方向と長手方向のノイズは
圧電素子１６、１７の極性を考慮し、揚力方向のノイズ
は圧電素子を１６と１７のバランスを考慮した２素子方
式として除去される。ただし、この従来の渦流量計はボ
リウム２１を調整してノイズが最小になるように手動で
調整しているので、面倒である。

【００１５】そこで、このノイズ調整を自動化するため
に図９に示すように構成したものがある。チャ−ジコン
バ−タ１９の出力信号Ｖ₁と、チャ−ジコンバ−タ２０
の出力を可変抵抗素子３８を介して得た出力信号Ｖ₂と
を加算器２２で加算して出力信号Ｖ₃として出力する。

【００１６】この出力信号Ｖ₃は増幅器３９で増幅して
帯域フイルタ４０に出力され、ここで測定周波数の範囲
外のノイズが除去されて出力信号Ｖ₄として出力され
る。この出力信号Ｖ₄は整流回路４１で整流され平滑回
路４２に出力される。

【００１７】平滑回路４２は整流回路４１の出力を平滑
して平滑出力Ｖ₅として可変抵抗素子３８に出力し、こ
の可変抵抗素子３８は平滑出力Ｖ₅の大きさが最小にな
るようにその抵抗値が調整される。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来の渦流量計は、流体が流れているときに可変
抵抗素子が自動的に調整されると、渦信号もキャンセル
されるように動作するので、流量がゼロのときだけしか
ノイズの自動バランス調整が出来ないという不都合があ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための構成として、第１チャージアンプで変換
され渦信号を含む第１信号と第２チャージアンプで変換
され渦信号を含む第２信号とを可変抵抗素子を介して加
算器で加算して第３信号として出力する渦流量計におい
て、先の第３信号が印加され先の渦信号を阻止してノイ
ズ信号を出力する帯域阻止フイルタ手段と、このノイズ
信号が最小になるように先の可変抵抗素子の抵抗値を演
算してこれを制御する制御手段とを具備するようにした
ものである。

【００２０】

【作 用】第１信号と可変抵抗素子を介して得た第２信
号とを加算した第３信号が印加された帯域阻止フイルタ
手段は、これらに含まれる渦信号を阻止してノイズ信号
を出力する。

【００２１】制御手段は、このノイズ信号が最小になる
ように先の可変抵抗素子の抵抗値を演算してこれを制御
する。これにより、測定流体が流れているときでも測定
帯域の範囲外のノイズ信号が最小になるように可変抵抗
の抵抗値が自動的に選定される。

【００２２】

【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構成図で
ある。なお、図５〜図９に示す従来の渦流量計と同一の
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。

【００２３】渦発生体の中に固定された圧電素子１６、
１７に発生した渦信号の渦周波数に対応する周波数を持
つ電荷Ｑ_v1、Ｑ_v2は、チャ−ジコンバ−タ１９、２０に
入力され交流の電圧信号Ｖ₁’、Ｖ₂’に変換される。

【００２４】チャ−ジコンバ−タ１９の出力端の出力信
号Ｖ₁’は抵抗Ｒ₁を介して出力信号Ｖ₁として、チャ−
ジコンバ−タ２０の出力端の出力信号Ｖ₂’は抵抗Ｒ₂と
可変抵抗素子４３を介して出力信号Ｖ₂として取り出さ
れ、これらの出力信号Ｖ₁とＶ ₂は加算器２２で加算され
てその出力端に出力信号Ｖ₆として出力される。

【００２５】ここで、可変抵抗素子４３は、例えば抵抗
Ｒ₃、Ｒ₄、Ｒ₅、Ｒ₆がそれぞれ直列に接続されており、
この抵抗Ｒ₃の両端にはスイッチＳＷ₁が、抵抗Ｒ₃とＲ₄
の接続点と抵抗Ｒ₄とＲ₅の接続点との間にはスイッチＳ
Ｗ₂が、抵抗Ｒ₄とＲ₅の接続点と抵抗Ｒ₅とＲ₆の接続点
との間にはスイッチＳＷ₃が、抵抗Ｒ₆の両端にはスイッ
チＳＷ₄がそれぞれ並列に接続された構成となってい
る。

【００２６】出力信号Ｖ₆はバンドパスフイルタ４４に
出力されるが、このバンドパスフイルタ４４は例えばス
イッチドキャパシタなどにより構成されており、その中
心周波数ｆ₀は制御信号ＣＳ１により制御される。

【００２７】さらに、バンドパスフイルタ４４は、出力
信号Ｖ₆に含まれるノイズを除去してシュミットトリガ
回路４５に電圧信号Ｖ₇として出力する。シュミットト
リガ回路４５は、この電圧信号Ｖ₇をパルス化して周波
数信号Ｖ_fとしてカウンタ４６に出力する。カウンタ４
６はこの周波数信号Ｖ_fをデジタル化してマイクロプロ
セッサ（ＣＰＵ）４７に出力する。

【００２８】マイクロプロセッサ４７は、ＲＯＭ（リー
ドオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモ
リ）、クロック発生器などを含み、ＲＯＭには各種演算
を実行するためのプログラムが格納され、またＲＡＭに
は検出器の口径、流体の種類（ガス，液体など）、スパ
ンなどの流量演算に必要なデータ、或いは後述するノイ
ズ調整演算に必要なデータなどが格納されている。

【００２９】さらに、加算器２２の出力信号Ｖ₆は帯域
阻止フイルタ（ノッチフイルタ）４８に出力され、この
帯域阻止フイルタ４８はバンドパスフイルタ４４と関連
して制御信号ＣＳ２により帯域阻止範囲が設定されて測
定範囲における出力信号Ｖ₆を除去してこの帯域阻止範
囲外のノイズをノイズ信号Ｖ_N1として出力する。そし
て、この帯域阻止フイルタ４８は、例えばスイッチドキ
ャパシタなどで構成されている。

【００３０】図２はこの帯域阻止フイルタ４８の特性を
示す特性図である。横軸は周波数で縦軸はフイルタのゲ
インである。コーナ周波数ｆ_Lとｆ_Hで挟まれた帯域阻止
範囲のゲインが大幅に低減された特性を有している。

【００３１】この帯域阻止フイルタ４８を通過したノイ
ズ信号Ｖ_N1はダイオードＤ１で整流されて平滑回路４９
に出力される。この平滑回路４９は演算増幅器ＯＡ、抵
抗Ｒ ₇、Ｒ₈、コンデンサＣ₁で構成されている。

【００３２】そして、非反転入力端（＋）が共通電位点
ＣＯＭに接続された演算増幅器ＯＡの反転入力端（−）
は、抵抗Ｒ₇を介してダイオードＤ１のカソードに接続
されと共に抵抗Ｒ₈とコンデンサＣ₁との並列回路を介し
て演算増幅器ＯＡの出力端に接続されている。

【００３３】この演算増幅器ＯＡの出力端に生じた直流
のノイズ信号Ｖ_N2はアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ
変換器）５０に出力され、ここでデジタル信号に変換さ
れてマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）４７に出力される。

【００３４】一方、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）４７
からは、可変抵抗素子４３の各抵抗値を切り換えるスイ
ッチＳＷ₁〜ＳＷ₄の開閉を制御する制御信号ＣＳ３と、
帯域阻止フイルタ４８のコーナ周波数ｆ_Lとｆ_Hを変更す
る制御信号ＣＳ２と、バンドパスフイルタ４４の中心周
波数ｆ₀を変更する制御信号ＣＳ１がそれぞれ出力され
る。

【００３５】さらに、マイクロプロセッサ４７のＲＡＭ
には、検出器の口径、流体の種類（ガス，液体など）、
スパンなどの仕様を設定する設定器５１から必要に応じ
て設定データが入力される。また、この設定器５１には
後述する可変抵抗素子４３の最適抵抗値を決定する演算
を開始するための演算開始キーも設けられている。

【００３６】マイクロプロセッサ４７は、検出器から出
力されたデータを用いてＲＯＭに格納された演算プログ
ラムにより流量演算を実行してパルス信号として絶縁回
路５２に出力する。

【００３７】絶縁回路５２はこのパルス信号を直流的に
電圧信号に変換して最終段の電圧／電流変換回路５３に
出力する。電圧／電流変換回路５３はこの電圧信号を電
流信号、例えば４〜２０ｍＡ等に変換して出力端５４を
介して負荷伝送する。

【００３８】次に、以上のように構成された渦流量計の
動作について図３，図４を用いて説明する。図３は最小
ノイズバランス点を自動設定するための演算手順を示す
フローであり、図４は演算のタイミングを示すタイミン
グ図である。

【００３９】後述する最小ノイズバランス点が自動設定
された状態では、圧電素子１６、１７で検出された渦信
号は、渦発生体の中に固定された圧電素子１６、１７に
発生した渦に基づく電荷Ｑ_v1、Ｑ_v2はチャ−ジコンバ−
タ１９、２０で交流の電圧信号Ｖ₁’、Ｖ₂’に変換され
る。

【００４０】出力信号Ｖ₁’は抵抗Ｒ₁を介して出力信号
Ｖ₁として、出力信号Ｖ₂’は抵抗Ｒ ₂と可変抵抗素子４
３を介して出力信号Ｖ₂としてそれぞれ取り出され、こ
れらの出力信号Ｖ₁とＶ₂は加算器２２で加算されてその
出力端に出力信号Ｖ₆として出力される。

【００４１】この出力信号Ｖ₆はバンドパスフイルタ４
４、シュミットトリガ回路４５、カウンタ４６を介して
マイクロプロセッサ４７のＲＡＭにデジタルデータとし
て読み込まれる。

【００４２】マイクロプロセッサ４７は、例えばＲＯＭ
に格納された流量演算プログラムと設定器５１からＲＡ
Ｍの所定領域に設定された仕様データ等を用いて流量演
算を実行して、その演算結果を絶縁回路５２に出力し、
この後、電圧／電流変換回路５３を介して図示しない負
荷に電流信号として伝送される。

【００４３】次に、自動ノイズバランスの設定演算をす
る手順について説明する。まず、設定器５１によりノイ
ズバランス点を最小にする自動設定演算を開始するキー
インをする（図３、ステップ１）。

【００４４】このキーインによりマイクロプロセッサ４
７は内部のＲＡＭに格納されている仕様などのデータを
読み出す（図３、ステップ２）。そして、制御信号ＣＳ
１で設定されるバンドパスフイルタ４４の中心周波数ｆ
₀と関連して、帯域阻止フイルタ４８のコーナ周波数ｆ_L
とｆ_HをＲＯＭに格納された演算プログラムにしたがっ
て演算する（図３、ステップ３）。

【００４５】この後、制御信号ＣＳ２として帯域阻止フ
イルタ４８に出力して、コーナ周波数ｆ_Lとｆ_Hを設定す
る（図３、ステップ４）。次に，図３のステップ５に移
行して、制御信号ＣＳ３を構成する切換信号Ｓ₁〜Ｓ
₄（図４（ｂ）〜（ｅ））により一定のシーケンスでス
イッチＳＷ₁〜ＳＷ₄を開閉して可変抵抗素子４３の抵抗
Ｒ₃〜Ｒ₆の合成抵抗を変更する。

【００４６】ステップ６では、合成抵抗を変更して発生
する出力信号Ｖ₆を帯域阻止フイルタ４８、ダイオード
Ｄ１、平滑回路４９、アナログ／デジタル変換器５０を
介してマイクロプロセッサ４７のＲＡＭに、図４（ａ）
に示す演算周期Ｔ_cに対応して各周期Ｔ₀、Ｔ₁、〜Ｔ₁₅
でマイクロプロセッサ４７から出力されるタイミング信
号Ｔ_i（図４（ｆ））に同期して各時点Ａ／Ｄ₀，、Ａ／
Ｄ_1、〜でスイッチＳＷ ₁〜ＳＷ₄の開閉に対応するデータ
が読み込まれる。

【００４７】マイクロプロセッサ４７は、ＲＯＭに格納
された選択プログラムによりノイズが最小になるスイッ
チＳＷ₁〜ＳＷ₄の組み合わせを演算して抵抗値を選定す
る（図３、ステップ７）。

【００４８】この選定結果により、制御信号ＣＳ３を介
してスイッチＳＷ₁〜ＳＷ₄のノイズ最小の組み合わせを
これに設定し（図３、ステップ８）、終了する（図３、
ステップ９）。

【００４９】

【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、ノイズバランス調整の判定に用
いる値をノッチフイルタを通して渦信号を除きノイズ成
分のみでノイズバランス調整ができるので，流体が流れ
ている状態でも自動バランス調整が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の構成を示す構成図である。

【図２】図１に示すノッチフイルタの特性を示す特性図
である。

【図３】図１における実施例のノイズバランスの演算手
順を示すフロー図である。

【図４】図３に示す演算のタイミングを示すタイミング
図である。

【図５】従来の渦センサの断面を示す縦断面図である。

【図６】図５に示す渦センサの出力端に接続される変換
回路を示すブロック図である。

【図７】図５に示す渦センサの動作を説明する説明図で
ある。

【図８】図５に示す渦センサでノイズの除去動作を説明
する説明図である。

【図９】従来の渦流量計の構成を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

１０ 管路 １２ 渦発生体 １６、１７ 圧電素子 １９、２０ チャ−ジコンバ−タ ２２ 加算器 ２３ ロ−パスフイルタ ２５、４５ シュミットトリガ ４４ バンドパスフイルタ ４６ カウンタ ４７ マイクロコンピュータ ４８ ノッチフイルタ ４９ 平滑回路 ５０ アナログ／デジタル変換器 ５１ 設定器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１チャージアンプで変換され渦信号を含
   む第１信号と第２チャージアンプで変換され渦信号を含
   む第２信号とを可変抵抗素子を介して加算器で加算して
   第３信号として出力する渦流量計において、前記第３信
   号が印加され前記渦信号を阻止してノイズ信号を出力す
   る帯域阻止フイルタ手段と、このノイズ信号が最小にな
   るように前記可変抵抗素子の抵抗値を演算してこれを制
   御する制御手段とを具備する渦流量計。