JPH0829220A

JPH0829220A - 質量流量計

Info

Publication number: JPH0829220A
Application number: JP6163730A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Takahashi; 誠一郎高橋
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1994-07-15
Filing date: 1994-07-15
Publication date: 1996-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】密度の変化も検出することによりセンサの測定
感度低下の有無を識別できるようにした質量流量計を実
現することにある。【構成】測定流体の流れに対応したカルマン渦により発
生する交番信号に基づいて質量流量を測定するように構
成された質量流量計において、前記交番信号の振幅成分
に関連した第１のデジタルデータと交番信号の周波数成
分に関連した第２のデジタルデータを変換出力する手段
と、これら第１，第２のデジタルデータを取り込んで少
なくとも測定流体の密度を演算する演算手段、とで構成
されたことを特徴とするもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は質量流量計に関し、詳し
くは、センサの感度低下の検出に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】質量流量とは、単位時間に流れる流体の
移動量を質量で表したものであり、単位としてはｋｇ／
ｈ，ｇ／ｍｉｎ，ｇ／ｓなどが使用される。ところで、
このような質量流量を測定する流量計の一種に、例えば
特願昭６０−２８５２８７号（特開昭６２−１４４０２
８号）に開示されているように、測定流体の流れに対応
したカルマン渦により発生する交番信号を利用したもの
がある。

【０００３】図５はこのようなカルマン渦を用いた従来
の質量流量計の渦検出部の一例を示す概略断面図であ
る。図において、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とは間隔をもって管路１０に直角に挿入され
た台形断面をも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に支持され、他端はフランジ部１
４として形成されていてネジあるいは溶接によりノズル
１１に固定されている。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、その底部から順に、金属製の台座１６，圧電素子１
７，電極板１８，絶縁板１９，電極板２０および圧電素
子２１が積層するように挿入配列され、金属製の押圧棒
２２で押圧固定されている。そして、電極板１８からは
リード線２３が端子Ａに引き出され、電極板２０からは
リード線２４が端子Ｂに引き出されている。

【０００４】圧電素子１７，２１は各圧電素子１７，２
１の紙面に向かって左側と右側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上下の電極に互
いに逆極性の電荷を発生する。圧電素子１７に発生した
電荷は電極板１８と接続された端子Ａと台座１６を介し
て接続された管路１０との間に得られ、圧電素子２１に
発生した電荷は電極板２０と接続された端子Ｂと押圧棒
２０と接続された管路１０との間に得られる。

【０００５】この２個の電極板１８，２０に発生した電
荷は、図６に示すように電荷増幅器２５，２６に入力さ
れる。電荷増幅器２５の出力は固定抵抗器を介して加算
回路２８に加えられて電荷増幅器２６の出力は可変抵抗
器２７を介して加算回路２８に加えられ、これらは加算
されて渦信号として出力される。これら電荷増幅器２
５，２６および加算回路２８によりチャージコンバータ
２９を構成している。

【０００６】次に、このように構成された渦検出部でノ
イズを除去した渦信号が得られる作用について図７を用
いて説明する。流体が管路１０の中に流れると、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り
返しが生じ、各圧電素子１７，２１には図７（ａ）に示
す渦周波数を持つ信号応力に対応した電荷＋Ｑ，−Ｑの
繰り返しが生じる。なお、図６では、説明の便宜のため
に電極板１８あるいは２１を紙面に対して左右２つに分
割し、さらに上下の一方の電極は台座１６あるいは押圧
棒２２に相当するものとしている。

【０００７】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、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、の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、の長手方向の
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。

【０００８】しかし、の揚力方向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１７，２１の各電荷をＱ₁，Ｑ₂、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１７，２１の分極を逆とすると、Ｑ₁，Ｑ₂は次式
で示される。

【０００９】Ｑ₁＝Ｓ₁＋Ｎ₁ −Ｑ₂＝−Ｓ₂−Ｎ₂ 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１７，２１の信号成分とノイズ成
分の関係は図７（ｄ），（ｅ）（これらは揚力方向のノ
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）に示すようになっているので、図６に示すように
圧電素子１７側の電荷増幅器２５の出力を加算回路２８
で加算する際に可変抵抗器２７とともにＮ₁／Ｎ₂倍して
圧電素子２１側の電荷増幅器２６の出力と加算すると、Ｑ₁−Ｑ₂（Ｎ₁／Ｎ₂）＝Ｓ₁−Ｓ₂（Ｎ₁／Ｎ₂）となって、管路ノイズが除去されて測定流量に比例した
渦信号を得ることができる。

【００１０】次に、このように管路ノイズが除去された
渦信号を用いて流体の質量流量を演算する変換回路につ
いて、図８を用いて説明する。圧電素子１７，２１に発
生した交番電荷を電荷増幅器２５，２６で交流電圧
ｅ ₁，ｅ₂に変換する。交流電圧ｅ₂は可変抵抗器２７を
介して交流電圧ｅ₁と加算回路２８で加算され、その出
力端子に渦信号ｅ₃として出力される。

【００１１】渦信号ｅ₃は増幅回路３０で増幅されてそ
の出力端子に渦信号ｅ₄として出力される。この渦信号
ｅ₄は検波回路３１で検波され、さらに整流回路３２で
整流されてその出力端子に渦信号ｅ₄の振幅に比例した
渦信号ｅ₅として出力される。渦信号ｅ₅は、流体の密度
をρ、流体の流速をＶ、比例定数をＫ₁とすると、次式
で示される。

【００１２】ｅ₅＝Ｋ₁・ρ・Ｖ² …(1) 一方、渦信号ｅ₃はフィルタ回路３３にも出力され、渦
信号ｅ₃に含まれる低周波あるいは高周波のノイズが除
去され、その出力端子に渦信号ｅ₆として出力される。
渦信号ｅ₆は増幅回路３４で増幅されて渦信号ｅ₇として
次段のシュミット回路３５に出力される。

【００１３】シュミット回路３５では渦信号ｅ₇を所定
のスレッショルドレベルでパルス信号に変換し、周波数
信号ｅ_fとして出力する。周波数信号ｅ_fは周波数／電圧
（Ｆ／Ｖ）コンバータ３６に出力されて渦周波数に対応
する直流電圧Ｅ₁に変換される。この直流電圧Ｅ₁は渦信
号の周波数を有しており、次式で示される。

【００１４】Ｅ₁＝Ｋ₂・Ｖ …(2) ただし、Ｋ₂は比例定数である。割算回路３７は、整流
回路３２からの(1)式で示す渦信号ｅ₅を周波数／電圧コ
ンバータ３６からの(2)式で示す直流電圧Ｅ₁で割算し、
その出力端子に次式に示す質量流量信号Ｅ_O1を出力す
る。

【００１５】Ｅ_O1＝Ｋ₃・ρ・Ｖ＝Ｋ₃・Ｑ_m …(3) ただし、Ｋ₃はＫ₁／Ｋ₂であり、質量流量Ｑ_mはＱ_m＝ρ
・Ｖである。なお、３８はゲート回路であり、増幅回路
３４からの渦信号ｅ₇がシュミット回路３５のスレッシ
ョルドレベルに達しない場合に割算回路３７の質量流量
信号Ｅ_O1をゼロにするものである。

【００１６】つまり、割算回路３７の分母に相当する直
流電圧Ｅ₁は渦周波数に相当する入力信号であるが、こ
れはシュミット回路３５の出力信号がゼロになったとき
に大きな誤差を発生させるので、これを防ぐために割算
回路３７の後段にゲート回路３８を入れてゼロカットを
行う。通常、シュミット回路３５のヒステリシスはセン
サからの信号のＳ／Ｎによって決定されるが、渦周波数
の正確な検出のためかなり大きな値に設定されているか
らである。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の回路構成によれば、管路のつまりなどによるセンサ
の測定感度の低下に対する対策は施されておらず、感度
の低下がそのまま質量流量の測定誤差に影響を与えてし
まうという問題があった。本発明は、このような従来の
問題点を解決するものであって、その目的は、密度の変
化も検出することによりセンサの測定感度低下の有無を
識別できるようにした質量流量計を実現することにあ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の質量流量計は、
測定流体の流れに対応したカルマン渦により発生する交
番信号に基づいて質量流量を測定するように構成された
質量流量計において、前記交番信号の振幅成分に関連し
た第１のデジタルデータと交番信号の周波数成分に関連
した第２のデジタルデータを変換出力する手段と、これ
ら第１，第２のデジタルデータを取り込んで少なくとも
測定流体の密度を演算する演算手段、とで構成されたこ
とを特徴とする。

【００１９】

【作用】演算手段に入力される振幅成分に関連した第１
のデジタルデータは流体の密度成分と流体の流速成分を
含み、周波数成分に関連した第２のデジタルデータは流
速成分を含んでいる。そこで、演算手段は、これら第１
のデジタルデータと第２のデジタルデータに基づいて、
測定流体の密度を演算する。

【００２０】ここで、測定流体の密度の変化範囲は予測
可能である。これにより、密度の演算結果が予測変化範
囲から大きく逸脱している場合にはセンサの感度低下と
して判断でき、センサの感度低下による測定誤差を防止
できる。

【００２１】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明の一実施例を示す質量流量計本体の要
部のブロック図であり、図８と共通する部分には同一符
号を付けている。図において、３９は３３と同様なロー
パスフィルタであり、加算回路２８の出力信号から流体
の密度成分と流体の流速成分を含む所望の低域周波数成
分を抽出してＡ／Ｄ変換器４０に出力する。Ａ／Ｄ変換
器４０は変換出力を演算手段として用いるＣＰＵ４１に
入力する。フィルタ３３の出力はＡ／Ｄ変換器４２に加
えられてデジタル信号に変換され、ＣＰＵ４１に入力さ
れる。ＣＰＵ４１は、質量流量を演算するとともに密度
も演算し、管路のつまりなどによる感度の低下の発生の
有無を判断する。なお、Ａ／Ｄ変換器は１個にし、フィ
ルタ３３の出力とフィルタ３９の出力とを例えばマルチ
プレクサで交互に切り換えて入力してもよい。図１の動
作は図２の動作に準じるのでここでは省略する。

【００２２】図２は図１のブロック図の具体例図であっ
て、デジタル信号として周波数信号に変換する例を示し
たものであり、図１および図８と共通する部分には同一
の符号を付けている。図において、４３は増幅回路であ
り、流体の密度成分と流体の流速成分を含むローパスフ
ィルタ３９の出力信号を増幅する。４４は整流回路であ
り、増幅回路４２の出力信号を整流する。４５はＶ／Ｆ
コンバータとして用いるシュミット回路であり、整流回
路４４の出力信号を所定のスレッショルドレベルでパル
ス信号に変換し、周波数信号としてＣＰＵ４１に出力す
る。

【００２３】図２の動作を説明する。シュミット回路３
５は、前述図８と同様に流体の渦周波数（流速Ｖ）に対
応するパルス列信号Ｎ₂をＣＰＵ４１に加える。一方、
シュミット回路４５は、流体の密度成分ρと流体の流速
成分の２乗Ｖ²に対応するパルス列信号Ｎ₁をＣＰＵ４１
に加える。

【００２４】これらのパルス列信号Ｎ₁，Ｎ₂から測定流
体の質量流量を求めるためには基準となるパルス列を必
要とする。そこで、例えば調整時に、測定流体が最小密
度ρ _minで最低流速Ｖ_minのときのＮ₁，Ｎ₂をそれぞれ
Ｎ，ｎとしてＣＰＵ４１に予め記憶させておく。これら
Ｎ，ｎとρ・Ｖ²の関係は、 ρ・Ｖ²／ρ_min・Ｖ_min＝Ｎ₁／Ｎ₂ …(4) になり、ρは、 ρ＝（Ｎ₁／Ｎ）・（Ｖ_min／Ｖ）²・ρ_min ＝（Ｎ₁／Ｎ）・（ｎ／Ｎ₂）²・ρ_min …(5) になる。これらから、 ρ・Ｖ＝（Ｎ₁／Ｎ）・（ｎ／Ｎ₂）²・ρ_min・Ｖ …(6) になり、(5),(6)式から測定流体の密度ρおよび単位面
積当たりの質量流量ρ・Ｖを得ることができる。

【００２５】次に、密度の監視について説明する。図３
はρ・Ｖ²（Ｎ₁）およびＶ（Ｎ₂）が取りうる範囲の説
明図である。ここで、ρ_minは最小密度（既知）、Ｖ_min
は最低流速、ρ_maxは最大密度（既知）、Ｖ_maxは最高流
速、ρ_mid＝（ρ_max＋ρ_min）／２である。図３の〜
のそれぞれの場合のＣＰＵ４１の動作を図４のフロー
チャートにより説明する。

【００２６】…ρ・Ｖ²（Ｎ₁）が取りうる範囲にある
ので、(6)式をそのまま出力する。 …ρ・Ｖ²（Ｎ₁）がρ_min・Ｖ²の下にあるので、(6)
式においてρ＝（ρ_max＋ρ_min）／２として出力する。 …ρ・Ｖ²（Ｎ₁）がρ_max・Ｖ²の上にあるので、(6)
式においてρ＝（ρ_max＋ρ_min）／２として出力する。

【００２７】そして、，については、それぞれ(5)
式の値と「感度低下の恐れあり」のアラームを出力す
る。このように構成することにより、測定流体の密度を
監視でき、密度の演算結果が予測変化範囲から大きく逸
脱している場合にはセンサの感度低下として判断でき、
間接的に管路のつまりなどによるセンサの感度低下に起
因する測定誤差を防止できる。

【００２８】なお、図２ではＡ／Ｄ変換器としてシュミ
ット回路を用いてパルス列信号に変換する例を説明した
が、これに限るものではなく、実質的にデジタル処理で
きる形態に信号変換できるものであればよい。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
密度の変化も検出することによりセンサの測定感度低下
の有無を識別できる質量流量計を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す要部のブロック図であ
る。

【図２】図１の具体例を示すブロック図である。

【図３】図２の動作説明図である。

【図４】図２の動作の流れを示すフローチャートであ
る。

【図５】従来の質量流量計の渦検出部の断面概要図であ
る。

【図６】図５に示す渦検出部の出力信号を電圧信号に変
換するチャージコンバータのブロック図である。

【図７】渦検出部でノイズを除去する動作の説明図であ
る。

【図８】渦信号を用いて測定流体の質量流量を演算する
従来の変換回路の一例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１７，２１圧電素子２５，２６電荷増幅器２８加算回路３３，３９ローパスフィルタ３４，４３増幅回路３５，４５シュミット回路４０，４２Ａ／Ｄ変換器４１ＣＰＵ４４整流回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定流体の流れに対応したカルマン渦によ
り発生する交番信号に基づいて質量流量を測定するよう
に構成された質量流量計において、前記交番信号の振幅成分に関連した第１のデジタルデー
タと交番信号の周波数成分に関連した第２のデジタルデ
ータを変換出力する手段と、これら第１，第２のデジタルデータを取り込んで少なく
とも測定流体の密度を演算する演算手段、とで構成され
たことを特徴とする質量流量計。