JPH0626814Y2

JPH0626814Y2 - 渦流量変換器

Info

Publication number: JPH0626814Y2
Application number: JP7317889U
Authority: JP
Inventors: 敏幸宮田; 一造伊藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1989-06-22
Filing date: 1989-06-22
Publication date: 1994-07-20
Anticipated expiration: 2004-06-22
Also published as: JPH0312128U

Description

【考案の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本考案は、測定流量を渦センサにより電気信号に変換し
てこの測定流量に対応した渦信号を出力する渦流量変換
器に係り、特にこの渦センサに重畳するノイズを有効に
除去して安定な渦信号を出力するように改良された渦流
量変換器に関する。

〈従来の技術〉以下、従来の渦流量変換器の構成について第３図〜第８
図を用いて説明する。

第３図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。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る。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、１
７はガラスなどの封着体１８で絶縁して封着されてい
る。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はそれぞれ逆方向に
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。

以上のように構成された渦センサからの渦信号は第４図
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
第２図に示すようにチャージコンバータ１９、２０に入
力され交流の電圧信号に変換される。チャージコンバー
タ１９の電圧信号とチャージコンバータ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、この加算出力はローパスフイルタ２３で低域波
された後、増幅器２４で所定の大きさに増幅される。

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、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。

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のベース電流
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Ｔ_１、Ｔ_２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Ｔ_２との間には帰還抵
抗Ｒが挿入されており帰還抵抗Ｒの両端に発生する
帰還電圧Ｅ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４〜２０mAの統一された
電流出力Ｉ_Ｌに制御される。

また、電流出力Ｉ_Ｌのうちベース部分のほぼ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。

次に、以上のように構成された渦流量計の動作について
第５図と第６図を用いて説明する。

流体が流れると第３図に示す渦発生体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には第５図（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１
６、１７には第５図（ａ）に示す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。

一方、管路１０にはノイズとなる管路振動も生じる。こ
の管路振動は流体の流れと同じ方向の抗力方向、流
体の流れとは直角方向の揚力方向Ｆ、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第５図
（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せず、長手方向の振動に対
しては第５図（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、
１７の各電荷をＱ_Ｖ１、Ｑ_Ｖ２、信号成分をＳ_１、
Ｓ_２、揚力方向のノイズ成分をＮ_１、Ｎ_２とし、圧電素
子１６、１７で分極を逆とするとＱ_Ｖ１、Ｑ_Ｖ２は次式
で示される。

Ｑ_Ｖ１＝Ｓ_１＋Ｎ_１ −Ｑ_Ｖ２＝−Ｓ_２−Ｎ_２ただし、Ｓ_１とＳ_２、Ｎ_１とＮ_２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
げモーメントの関係を示す第６図に示すようになってい
るので、第４図に示すように圧電素子１７側のチャージ
コンバータ２０の出力を加算器２２で加算する際にボリ
ウム２１と共にＮ_１／Ｎ_２倍して圧電素子１６側のチャ
ージコンバータ１９出力と加算すると、Ｑ_Ｖ１−Ｑ_Ｖ１（Ｎ_１／Ｎ_２）＝Ｓ_１−Ｓ_２（Ｎ_１／Ｎ_２）となり管路ノイズは除去される。

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１
６、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。

しかし、これ等の圧電素子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
を除去するために変換回路にローパスフイルタ２３を挿
入してこれ等のノイズの除去を行っている。

しかしながら、このような従来の渦流量計ではシュミッ
トトリガ２５のヒステリシス幅以内の大きさを持つノイ
ズの場合には所定のノイズ除去機能を発揮するが、この
範囲を越えた大きなノイズが発生したときは必ずしも充
分に機能しない。

そこで、本出願人は発生するノイズが流量計の測定範囲
内にある場合の大きなノイズを除去するために、第７図
に示す構成の渦流量変換器を特願昭６２−１６１５９１
号（特開昭６４−６７２３号）として提案している。

以下、第７図に示す従来の渦流量変換器の概要について
説明する。

但し、実際には渦センサに圧電素子１６、１７２つが収
納されているが、説明を簡単にするため圧電素子１６で
代表して以下の説明をする。また、第３図、第４図に示
す部分と同一の機能を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。

チャージコンバータ１９で電圧に変換された渦信号Ｓ
_Ｖ０は増幅器３８で増幅され整流回路３９に入力され
る。整流回路３９はこの信号を整流して直流の渦信号Ｓ
_Ａ１として次段のノイズ判別手段として機能するコンパ
レータ４０の入力の一端に出力する。

この渦信号Ｓ_Ａ１は渦信号の振幅に依存する値であり、
Ｋ_Ａ１を定数とすれば次の（１）式で与えられる。

Ｓ_Ａ１＝Ｋ_Ａ１ρ_Ｖ ^２ …（１）一方、渦信号Ｓ_Ｖ０はローパスフイルタ４１にも出力さ
れ、ここでフイルタがかけられてその出力端に交流の渦
信号Ｓ_Ｖ１として出力される。この渦信号Ｓ_Ｖ１もその
振幅に依存する値であるが渦発生体１２により発生する
渦に対応してｓｉｎ状に変化する。

Ｋ_Ｖ１を定数とし、渦周波数を_Ｖとすれば、この渦信
号Ｓ_Ｖ１は次の（２）式で与えられる。

Ｓ_Ｖ１＝Ｋ_Ｖ１ρ_Ｖ ^２ｓｉｎ２πｔ …（２）この渦信号Ｓ_Ｖ１は増幅器４２で増幅されシュミットト
リガ４３に入力される。ここで、シュミットトリガ４３
のシュミット幅ΔＨを境界としてこの渦信号Ｓ_Ｖ１は渦
パルスＰ_Ｖに変換されてゲート回路４４に出力される。
更に、この渦パルスＰ_Ｖは周波数／電圧変換器４５によ
り渦の振幅には無関係で渦周波数_Ｖに対応したアナロ
グの渦信号Ｓ_Ｖ２に変換されてコンパレータ４０の他方
の入力端に出力される。この場合の渦信号Ｓ_Ｖ２は、Ｋ
_Ｖ２を定数とすれば、次の（３）式で示される。

Ｓ_Ｖ２＝Ｋ_Ｖ２ _Ｖ …（３）コンパレータ４０は整流回路３９の出力である渦信号Ｓ
_Ａ１と周波数／電圧変換器４５の出力である渦信号Ｓ
_Ｖ２とを比較し、Ｓ_Ａ１＜Ｓ_Ｖ２の関係が成り立つとき
にはこの渦周波数_Ｖは実は渦に起因するものではなく
ノイズに起因するものとして判別しオフ信号Ｓ_ｏｆｆを
ゲート回路４４に出力してシユッミットトリガ４３の出
力をオフにする。Ｓ_Ａ１＜Ｓ_Ｖ２の関係が成り立つとき
にはゲート回路４４のスイッチをオンとして渦パルスＰ
_Ｖを出力する。

次に、以上の回路の動作について第８図に示す説明図を
参照して説明する。

第８図の横軸には渦周波数_Ｖ、縦軸には渦信号
Ｓ_Ａ１、Ｓ_Ｖ２がとられてある。

この場合の（１）、（３）の定数Ｋ_Ａ１、Ｋ_Ｖ２は、増
幅器４２の出力に現れる渦信号がシュミットトリガ４３
のトリガレベルＳ_Ｔに相当する大きさに達したとき（第
８図のＺ点）に渦信号Ｓ_Ａ１、Ｓ_Ｖ２が等しくなるよう
に選定されている。そして、このときのトリガレベルＳ
_Ｔの値は測定流速の下限に相当する渦信号の大きさに選
定される。

以上のように定数Ｋ_Ａ１、Ｋ_Ｖ２が選定されていると、
測定流量Ｑ_Ｍが流れており、しかも測定流速の下限に相
当する以上の測定範囲の流速の場合には、第８図から判
るようにＳ_Ａ１＞Ｓ_Ｖ２となり、コンパレータ４０はゲ
ート回路４４のスイッチをオンとして測定された渦パル
スＰ_Ｖを出力する。

これに対して、測定流量Ｑ_Ｍがゼロの状態で例えば配管
振動などにより大きなノイズが発生したとしてもこれは
測定流量Ｑ_Ｍに起因するものでないので（１）式におけ
る密度ρの係数を欠き、一般にＳ_Ａ１＜Ｓ_Ｖ２となる。
従って、コンパレータ４０の出力端からはオフ信号が出
てゲート回路４４のスイッチをオフとしゲート回路４４
からはパルスが出力されない。

以上のようにして、ノイズ判別手段として機能するコン
パレータ４７により渦信号によるパルス信号かノイズに
よるパルス信号かを判別し、ノイズによるパルスの場合
はこれを除去することができる。

〈考案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変換器は、測
定流量レンジの範囲内の周波数に相当する周波数のノイ
ズはカットすることができるが、測定流量レンジの範囲
より低い周波数のノイズはカットすることができない。
このような低い周波数のノイズが渦発生体で発生した場
合はゼロ点が変動しているものとして観測されゼロ積算
誤差になる。

〈課題を解決するための手段〉本考案は、以上の課題を解決するために、測定流量を渦
信号に変換して出力する信号変換手段と、この信号変換
手段の出力の周波数を検出して周波数信号として出力す
る周波数検出手段と、この周波数信号を電圧信号に変換
する周波数／電圧変換手段と、信号変換手段の出力の振
幅を検出して振幅信号として出力する振幅検出手段と、
電圧信号と振幅信号とを比較し電圧信号が所定値以上の
状態で電圧信号が振幅信号に対して小さいときにオフ信
号を出力するノイズ判別手段と、所定値とほぼ同じ値に
設定された基準電圧を発生させる基準電圧発生手段と、
この基準電圧と電圧信号とを比較しこの基準電圧より電
圧信号が小さいときにオフ信号を出力するように制御す
る比較手段と、オフ信号により周波数検出手段の出力周
波数をオフとするゲート手段とを具備するようにしたも
のである。

〈作用〉渦信号に対応した周波数が変換された電圧信号とこの渦
信号の振幅対応した振幅信号とをノイズ判別手段で比較
し、この電圧信号が所定値以上、例えば流量測定範囲の
下限値以上の状態で電圧信号が振幅信号に対して小さい
ときにオフ信号を出力して流量測定範囲で生じるノイズ
を除去し、さらに基準電圧発生手段でこの所定値とほぼ
同じ値に設定された基準電圧を発生させ、この基準電圧
と電圧信号とを比較手段で比較しこの基準電圧より電圧
信号が小さいときにオフ信号を出力し、このオフ信号に
より周波数検出手段の出力周波数をオフとすることによ
り、流量測定範囲の下限以下で発生する低周波のノイズ
を除去する。

〈実施例〉以下、本考案の実施例について図を用いて説明する。第
１図は本考案の１実施例の構成を示すブロック図であ
る。なお、従来の構成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。

４６は基準電圧Ｅｒを発生するための基準電圧源であ
り、この基準電圧Ｅｒはコンパレータ４７の入力の一端
に入力されている。この基準電圧Ｅｒの値は流量測定範
囲の下限値にほぼ等しい周波数／電圧変換器４５の出力
値に選定されている。

このコンパレータ４７の入力の他端には周波数／電圧変
換器４５の出力である渦信号Ｓ_Ｖ２が入力されている。

コンパレータ４７はこれ等の基準電圧Ｅｒと渦信号Ｓ
_Ｖ２とを絶えず比較しており、渦信号Ｓ_Ｖ２の値が基準
電圧Ｅｒより低下したときは、整流回路３９の出力端と
共通電位点ＣＯＭとの間に接続されたスイッチ４８をオ
ンにする。

このような構成にすることにより、流量測定範囲の下限
値（基準電圧Ｅｒ）以下でシュミットトリガ４３のシュ
ミットレベルを越えるノイズが入力され渦信号Ｓ_Ｖ２が
周波数／電圧変換器４５の出力端に現れても、渦信号Ｓ
_Ｖ２は基準電圧Ｅｒより常に低いので、コンパレータ４
７の動作によりスイッチ４８がオンになり、渦信号Ｓ
_Ａ１の値は渦信号Ｓ_Ｖ２より小さくなる。

この結果、コンパレータ４０はオフ信号Ｓ_ｏｆｆをゲー
ト回路４４に出力するので、シュミットトリガ４３の出
力はカットされゼロ点の変動が防止される。

第２図は本考案の他の実施例の構成を示すブロック図で
ある。

この実施例は、コンパレータ４７の出力とコンパレータ
４０の出力とをアンドゲート４９を介してゲート回路４
４に出力する構成としたものである。

これは、コンパレータ４７のハイ、ローの２値レベルの
出力でコンパレータ４０のオフ信号Ｓ_ｏｆｆの通過を制
御するようにしたものであり、第１図に示す実施例に対
してスイッチ４８を省略することができる。

なお、以上の各実施例ではチャージコンバータ１９の出
力からフイルタ４１に渦信号を導入したが、これに限ら
れず例えば増幅器３８の出力から導入するようにしても
良い。

〈考案の効果〉以上、実施例と共に具体的に説明したように本考案は、
流量測定範囲で発生するノイズに対しても、またこの流
量測定範囲以下の範囲で生じるノイズに対してもその出
力をカットするように構成したので、ノイズによる影響
を大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の１実施例の構成を示すブロック図、第
２図は本考案の他の実施例の構成を示すブロック図、第
３図は従来の渦センサの断面を示す縦断面図、第４図は
第３図に示す渦センサに接続される変換回路を示すブロ
ック図、第５図は第３図に示す渦センサの圧電素子に生
じる電荷の状態を説明する説明図、第６図は第３図に示
す渦センサに発生する揚力方向のノイズを除去する構成
を説明する説明図、第７図は従来の第２の変換回路の構
成を示すブロック図、第８図は第７図に示す変換回路の
動作を説明する特性図である。１６、１７……圧電素子、１９、２０……チャージコン
バータ、２３……ローパスフイルタ、２５、４３……シ
ュミットトリガ、４０、４７……コンパレータ、４５…
…周波数／電圧変換器、４６……基準電圧源、Ｓ_Ｖ０〜
Ｓ_Ｖ２、Ｓ_Ａ１……渦信号、Ｅｒ……基準電圧、Ｓ
_ｏｆｆ……オフ信号。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】測定流量を渦信号に変換して出力する信号
変換手段と、この信号変換手段の出力の周波数を検出し
て周波数信号として出力する周波数検出手段と、この周
波数信号を電圧信号に変換する周波数／電圧変換手段
と、前記信号変換手段の出力の振幅を検出して振幅信号
として出力する振幅検出手段と、前記電圧信号と前記振
幅信号とを比較し前記電圧信号が所定値以上の状態で前
記電圧信号が前記振幅信号に対して小さいときにオフ信
号を出力するノイズ判別手段と、前記所定値とほぼ同じ
値に設定された基準電圧を発生させる基準電圧発生手段
と、この基準電圧と前記電圧信号とを比較しこの基準電
圧より前記電圧信号が小さいときに前記オフ信号を出力
するように制御する比較手段と、前記オフ信号により前
記周波数検出手段の出力周波数をオフとするゲート手段
とを具備することを特徴とする渦流量変換器。