JP2004117283A

JP2004117283A - 超音波式渦流量計

Info

Publication number: JP2004117283A
Application number: JP2002283720A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yoshikura; 吉倉　博史; Koichi Tashiro; 田代　耕一
Original assignee: Tokico Technology Ltd
Current assignee: Tokico System Solutions Co Ltd
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP4146699B2

Abstract

【課題】本発明は、流体中の気泡の通過の状態を検知して、計測する流量への気泡の影響を除去することのできる超音波式渦流量計を提供することを目的とするものである。
【解決手段】渦流量計は、発振信号と受信信号を比較する位相比較器２７と、受信信号を監視する振幅監視回路２８とを有する。大きな気泡が通過した場合、アンプ・フィルタ回路２６の規定電圧値より受信電圧が低下し、既定の時間内でそれまでの出力パルスと同じ周波数で出力を継続する。小さな気泡が通過した場合は、高流量のとき、位相差信号の周波数と超音波受信振幅変化の周波数とを比較し、位相差信号に与えるフィルタのカットオフ周波数を制御して位相差信号に対して超音波受信振幅変化の周波数の影響が小さくなるように制御する。低流量あるいは流量が無い場合には、位相差信号の周期が既定値以下で位相差信号の周期と超音波受信振幅変化の周期が規定値の範囲で同じ場合、または位相差信号の周期が規定値の範囲で一定でない場合には出力を停止する。
【選択図】　　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波式渦流量計に係り、特に渦検出に超音波を用いた超音波式渦流量計の耐気泡性能の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、石油、食品、化学液等の流体の流量を計測するための流量計の一つとして、渦発生体の下流に発生するカルマン渦を検出する構成とされた渦流量計がある。渦流量計は、大略、被測流体が供給される配管途中に設けられるハウジングと、ハウジングの流路内に起立する渦発生体と、渦発生体の下流に発生したカルマン渦を検出するセンサ部と、センサ部からの検出信号の周期（又は周波数）より被測流体の流量を演算してその流量値を表示する流量指示部とからなる。
【０００３】
そして、センサ部には、超音波センサから送信された超音波信号の位相変化を検出する方式、あるいはカルマン渦による渦発生体の左右の差圧を検出する方式などが採用されている。各種センサの中でも超音波センサを使用した渦流量計は、高精度で堅牢な特徴を有するため、液体を計測するのに適している。このような超音波を利用した渦流量計は既に知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
図６は、超音波センサを使用した従来の渦流量計の構成図である。図６に示されるように、超音波発信器１から発振信号が出力されると、超音波送信器２ａから超音波が流体中に送信される。超音波は、流体の進行方向に垂直、且つ同図の紙面と平行な経路に沿って伝播し、超音波受信器２ｂにより検出される。この超音波受信器２ｂの出力信号αは位相制御器３を介して位相比較器４に供給される。
【０００５】
一方、流体中を伝播する超音波とは別に発信器１の出力から分岐した発振信号βは位相制御器５を介して位相比較器４の他方の入力端子に供給される。位相比較器４において上記２つの信号α、βの位相が比較される。そして、カルマン渦が発生していない状態の流体中を通過した超音波を検出して出力された信号αは、発信器１からの発振信号βに対して一定の位相差を有する。
【０００６】
管路６内を被測流体が流れると、渦発生体７の下流において被測流体の流量に比例した周波数で左右交互に規則的なカルマン渦が発生する。渦発生体７の下流には、超音波送信器２ａと超音波受信器２ｂとよりなる超音波センサが設けられている。
【０００７】
超音波送信器２ａから送信された超音波が渦発生体７の下流に発生したカルマン渦に遭遇すると、カルマン渦の横方向の流速成分により位相変調を受けることとなる。そのため、位相比較器４に供給される２つの信号α、βの位相差は、流体中を通過する超音波がカルマン渦に遭遇しない場合の所定の位相差とは異なった値になる。渦流量計では、この位相差の変化を検出し、フィルタ８を介して出力端子８ａより取り出すことにより、流速又は流量に比例するカルマン渦の発生周波数を検知し、これに基づいて被測流体の流量を測定することができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２８１４２２号公報（第１頁、第１８図）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この超音波式渦流量計において、流体中に気泡が発生すると、この気泡の通過により超音波の伝搬が妨げられるために十分な送受信が出来ないことが原因で、回路が正常動作しなかったり渦の検出ができなかったりする場合がある。
【００１０】
例えば、流体中の超音波の伝搬経路（渦検出に必要なビーム幅）に対して気泡の大きさがある程度大きい場合には、気泡により超音波の多くが伝搬を妨げられるために十分な受信電圧が得られない状態になり、安定した位相比較を行うだけの受信電圧を確保することができなくなる。そのために渦を検出するための位相比較回路への超音波受信信号が伝達されずパルス欠落が発生する。
【００１１】
また、通過する気泡が超音波ビーム幅に対して小さいときには、受信される超音波は渦検出ができないほどの減衰はしないものの、受信電圧の変動や気泡による反射音波との干渉が発生し位相比較した信号にはカルマン渦から受ける変調にノイズが重畳した信号として現れ、結果としてノイズ分が誤出力となって現れることがある。
【００１２】
さらに、低流量あるいは流体の流れの無い状態においても、配管内に気泡が存在すると気泡の浮力などにより超音波の伝搬経路中を気泡が通過することがある。この場合にも、超音波の伝搬量が気泡通過により変化することで受信信号に位相差がノイズとして現れ、誤パルスとなって出力されることがあった。
【００１３】
本発明は上記問題点を解決することを目的としてなされたもので、流体中の気泡の通過の状態を検知して、計測する流量への気泡の影響を除去することのできる超音波式渦流量計を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、以下のような特徴を有する。
【００１５】
上記請求項１記載の発明は、超音波受信振幅が超音波受信アンプの入力既定値以下になった際には位相比較が行えなくなることから、受信振幅が既定値以下への低下を検知した際には既定の時間内でそれまでの出力パルスと同じ周波数で出力を継続する。
【００１６】
また、請求項２記載の発明は、超音波の受信振幅の変化分を監視し、小さな気泡の通過などにより受信振幅が受信アンプ回路の既定値以下にはならないまでも変化している場合には、その受信振幅の変化に同期して位相差信号にノイズが重畳する可能性があるため、流量計測回路では位相差信号の周波数と超音波受信振幅変化の周波数とを比較し、位相差信号に与えるフィルタのカットオフ周波数を制御して位相差信号に対して超音波受信振幅変化の周波数の影響が小さくなるように制御する。
【００１７】
また、請求項３記載の発明は、位相差信号の周波数が低いあるいは流量が無い場合には、位相差信号の周波数と気泡通過による受信振幅変化の周期との切り分けが難しいことから、位相差信号の周期が既定値以下（底流量または感度流量以下）で位相差信号の周期と超音波受信振幅変化の周期が規定値の範囲で同じ場合、または位相差信号の周期が規定値の範囲で一定でない場合には出力を停止する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面と共に本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明になる超音波式渦流量計の一実施例を示す正面図である。また、図２は渦流量計１１の側面図である。図１及び図２に示されるように、渦流量計１１は、大略、上流側配管との間に配設される内部に流量検出部を有するハウジング１２と、ハウジング１２の上部に設けられ流量を表示する流量指示部１３と、よりなる。尚、流量指示部１３は、その前面に流量計測値を数値で表示する表面器１３ａを有すると共に、その内部には流量計測回路（図４参照）が収納されている。
【００１９】
ハウジング１２は、内部に被側流体が流れる流路１６を有し、流路１６内には渦発生体１７が設けられている。渦発生体１７は、上から見ると三角形あるいは台形等のカルマン渦が発生しやすい形状に加工されている。
【００２０】
渦発生体１７より下流となる流路１６の左右位置には、図２に示されるように超音波センサを構成する超音波送信器１９と超音波受信器２０が設けられている。各超音波送信器１９及び超音波受信器２０はそれぞれ流路１６の軸心に向けて取り付けられている。
【００２１】
尚、超音波送信器１９は、例えば図示しないが発振信号により振動する圧電素子と、圧電素子に加振される振動板とからなる。また、超音波受信器２０は、上記超音波送信器１９と同様な構成であり、流体中を伝播した超音波を受信する振動板と、振動板の振動に応じた電気信号を出力する圧電素子とから構成されている。
【００２２】
図３は渦発生体１７の下流に発生するカルマン渦と、超音波送信器１９及び超音波受信器２０の取付位置を示す斜視図である。図３において、超音波送信器１９から送信された超音波ａは、破線で示すように伝播する。すなわち、超音波ａは、流路１６の軸心を通過して超音波受信器２０に到達する。また、図３では、カルマン渦２２が超音波送信器１９から送信される超音波ａの伝播経路を通過し、次のカルマン渦２３が超音波伝播経路にさしかかった様子が示されている。
【００２３】
超音波送信器１９から送信される超音波ａは、カルマン渦２２が超音波ａの進行方向と同じ方向の成分を持つことからその位相は進むことになる。一方、カルマン渦２３が超音波送信器１９から送信された超音波ａを通過する際は、その進行方向がカルマン渦２３の横方向成分と逆向きであることにより、その位相が遅れることとなる。そのため、渦発生体１７の下流に渦巻き方向の異なるカルマン渦２２，２３が交互に発生すると、超音波ａの進み及び超音波ａの位相の遅れが交互に発生する。このように、渦巻き方向の異なるカルマン渦２２，２３が上記超音波ａの伝播経路を通過すると、超音波ａの位相差は半周期分のサイン波的に変化する。この超音波ａの位相差の変化を検出することによりカルマン渦の発生を検知することができ、さらに単位時間当たりのカルマン渦をカウントすること、あるいはカルマン渦の発生周波数を求めることにより、流体の流速及び流量を計測することが可能になる。
【００２４】
図４は本発明の実施例の超音波式渦流量計１１の構成を示すブロック図である。渦流量計１１としては、被測流体が流れる渦流量計１１の流路１６中にカルマン渦を発生させる渦発生体１７と、渦発生体１７の下流を流れる被測流体に超音波を送信する超音波送信器１９と、流路１６内の被測流体を通過した超音波を受信して受信信号を出力する超音波受信器２０と、超音波送信器１９に入力された送信信号と超音波受信器２０から出力された受信信号との位相を比較してカルマン渦の周波数に応じた渦信号を生成する位相比較器２７とを有する。
【００２５】
超音波送信器１９には、発振回路２５からの発振信号が供給される。また、超音波受信器２０から出力された受信信号は、アンプ・フィルタ回路２６で増幅・波形整形されて、位相比較器２７に入力される。
【００２６】
位相比較器２７では、発信回路２５から出力された送信信号と、超音波受信器２０から出力された受信信号との位相を比較して位相差から得られた渦信号をアンプ・フィルタ回路３０へ出力する。アンプ・フィルタ回路３０で増幅・波形整形された位相差信号は、演算回路３１に入力され、流量計測値に換算される。
【００２７】
また、アンプ・フィルタ回路２６で増幅・波形整形された渦信号は、振幅監視回路２８にも入力されており、振幅監視回路２８で振幅の変化が監視され、異常の有無が演算回路３１へ供給される。また、演算回路３１は、アナログ出力回路３２及びパルス出力回路３３に接続されている。　アナログ出力回路３２の入力は、演算回路３１のポート出力が接続され、出力は図示しない流量計アンプ回路の外部接続に接続されている。パルス出力回路３３もアナログ出力と同様の接続がされている。
【００２８】
尚、振幅監視回路２８は、本発明の受信電圧監視手段に相当する。
前記受信電圧監視手段により検出される受信電圧を予め設定した所定値と比較する受信電圧監視手段
前記位相差信号の周波数を予め設定した所定値と比較する周波数監視手段と、受信電圧の変化の周期を測定する電圧変化周期測定手段と、前記受信電圧の変化の周期と前記位相差信号の周期とを比較する周波数比較手段
発信回路２５から出力され、被測流体中を伝搬した超音波は、交番的に発生するカルマン渦から位相変調（ドップラー効果）を受ける。そして、位相比較器２７において、渦の発生に応じて位相差の変化が検出され、このカルマン渦の発生周波数を測定することで流量を算出している。
【００２９】
次に、上記のように構成された超音波式渦流量計の計測動作について説明する。渦流量計１１の流路１６を流れる流体にカルマン渦が発生しているとき、超音波送信器１９から送信された超音波を受信する超音波受信器２０の出力がカルマン渦から受ける変調からカルマン渦の発生を検出する。発振回路２５から出力された超音波信号は、超音波送信器１９により超音波に変換された流路１６内を流れる被測流体中を伝搬して上記カルマン渦２２，２３からの変調を受けた後に超音波受信器２０で電気信号に変換される。
【００３０】
その後、超音波受信器２０から出力された信号は、アンプ・フィルタ回路２６で、増幅・波形整形された後に位相比較器２７で発振回路２５から出力された信号と位相比較され、位相差信号を得る。このようにして位相比較器２７から出力された位相差信号は、アンプ・フィルタ回路３０を介して増幅・フィルタリングされて演算回路３１のＡ／Ｄ回路に入力される。演算回路３１の内部では入力された位相差信号に対してデジタルフィルタ処理を行い、ノイズを除去した後にパルス化する。さらにパルス化した信号に対して流量計の口径により決まる係数値を掛けて流量パルスに変換した後、アナログ出力及びパルス出力回路に流量信号を出力し、図示しない表示なども行う。ここで、演算回路３１内でのデジタルフィルタ処理を行う際のカットオフ周波数の決定は、Ａ／Ｄ入力される振幅監視回路２８からの受信振幅変化信号により決定する。
【００３１】
図５は演算回路３１が実行する計測処理のフローチャートである。ここで、上記演算回路３１が実行する計測処理につき図５を参照して説明する。
【００３２】
まず、流量計測と同時に超音波の振幅監視回路２８で受信電圧を平均化し、その信号を演算回路３１でＡ／Ｄ変換すると同時にその変化を連続的に検出して履歴として記憶する。
【００３３】
図５に示されるように、演算回路３１は、ステップＳ１（以下「ステップ」を省略する）において、超音波センサによる流量計測を行う。続いて、Ｓ２では、超音波受信器２０により得られた受信電圧に基づいて、平均化された受信電圧がアンプ・フィルタ回路２６の最低電圧により決められた規定値よりも高いか低いかをチェックする。
【００３４】
流量計測中に受信電圧が低下する原因は大きな気泡の通過かセンサの故障である可能性が高いことから、Ｓ１において、流量計測中に受信電圧が規定値以下になったときは、Ｓ１１に進む。
【００３５】
Ｓ１１では、受信電圧が規定値以上でない状態が連続して予め設定した回数であるかどうかをチェックする。Ｓ１１において、受信電圧が連続して予め設定した回数になっている場合には、受信電圧が規定値以下になっている時間が短いので、大きな気泡が通過したと判断され、Ｓ１２に進み、気泡が通過する前に出力していた周期の流量パルスを継続して出力させる。
【００３６】
尚、上記Ｓ１１において、出力パルスの出力を連続して予め設定した回数で判定する代わりに、時間が長い・短いで判定しても良い。
【００３７】
次のＳ１３において、流量パルスを継続して出力する動作が規定時間経過しない場合は、Ｓ１２に戻り、ｎ秒前に出力していた流量パルスを継続して出力する。流量パルスの継続出力が規定時間を経過した場合は、スタートに戻る。
【００３８】
また、上記Ｓ１１において、受信電圧が連続ｎ回以下を超えた場合は、Ｓ１４に進み、規定回数よりも多く受信電圧が規定値を下回っているので、気泡通過ではなくセンサ異常の可能性があるため、出力を停止して異常アラーム信号を出力する。
【００３９】
次に、上記Ｓ２において、受信電圧が規定値以上の場合には、Ｓ３に進み、平均受信振幅の変化を連続的に監視し、受信振幅変化の周期を算出する。続いて、Ｓ４では、位相差信号周波数と規定値とを比較し、位相差信号の周波数を算出する。
【００４０】
次のＳ５では、規定値以上であるかを判断して低流量と高流量の場合に分ける。Ｓ５において、位相差周波数が規定値以下の場合は、低流量と判断されるので、Ｓ６に進む。
【００４１】
Ｓ６では、位相差信号の周波数が一定でない場合には、小さい気泡による影響を受けていると判断されるので、Ｓ８に進み、出力を停止する。また、上記Ｓ６において、位相差信号の周波数が一定の場合には、Ｓ７に進む。
【００４２】
渦信号の周波数が低い場合、あるいは流量が無い場合には、渦信号の周波数と気泡通過による受信振幅変化の周期との切り分けが難しい。低流量の場合には、カルマン渦から受ける位相差に対して気泡から受ける位相差の影響が大きくなることから、気泡の通過により、誤出力が生じる可能性が高い。そのために、Ｓ７では、位相差信号の周期と受信振幅変化の周期を比較する。
【００４３】
Ｓ７において、位相差信号の周期と受信振幅変化の周期とが同じような周期になっているときには、気泡により誤出力が生じている可能性が高いため、Ｓ８に進み、出力を停止する。ただし、カルマン渦の位相差は交番的で周期性があるのに対して、気泡通過の位相差は周期性のある確立が低いので、位相差信号に周期性がある場合にはカルマン渦による位相差と判断して出力を行う。
【００４４】
次に、Ｓ５において、位相差信号の周波数が規定値以上で高流量と判断した場合は、Ｓ９に進む。小さな気泡の通過などにより受信振幅が受信アンプの規定値以下にはならないまでも変化している場合には、カルマン渦の位相差信号に気泡通過の位相差がノイズとして重畳することから、Ｓ９では、カルマン渦の周波数と受信振幅変化の周期を比較する。
【００４５】
続いて、Ｓ１０では、位相差信号に与えるデジタルローパスフィルタとデジタルハイパスフィルタのカットオフ周波数を制御して受信電圧変化によるノイズの影響が小さくなるようにする。この後は、再びＳ１に戻り、流量計測を継続する。
【００４６】
尚、流体を液体として気泡の通過による現象として説明したが、気泡の他に障害物や微細の粒子を含む流体を測定する際にも有効であることはもちろん、流体が気体であって管内圧力脈動により超音波の受信電圧が圧力脈動などにより変化する場合にも同等の性能が得られる。
【００４７】
以上のように、本実施例によれば、受信信号の振幅と振幅変化の程度及びその周波数を監視することにより、気泡発生の有無や気泡の状態を検出し、流量測定の気泡による影響を除いて流量出力することができる。
【００４８】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１記載の発明によれば、大きな気泡が通過しても、気泡が通過する前の流量パルスを継続して出力するので、気泡混入による流量計の誤動作や流量計出力の急激な変化を最低限に抑えることができるために、気泡混入に対しても十分な監視流量計測を行うことができる。
【００４９】
請求項２記載の発明によれば、高流量のとき、小さい気泡が通過しても、位相差信号に与えるフィルタのカットオフ周波数を制御して、位相差信号に対して超音波受信振幅変化の周波数の影響が小さくなるように制御することができる。
【００５０】
請求項３記載の発明によれば、低流量あるいは流量が無い場合に、小さい気泡が通過しても、気泡通過時に流量計測の出力が停止され、気泡による影響を受けない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明になる超音波式渦流量計の一実施例を示す正面図である。
【図２】図２は渦流量計の側面図である。
【図３】図３は渦発生体の下流に発生するカルマン渦と、超音波送信器及び超音波受信器の取付位置を示す斜視図である。
【図４】図４は本発明の実施例の超音波式渦流量計１１の構成を示すブロック図である。
【図５】図５は演算回路３１が実行する計測処理のフローチャートである。
【図６】図６は超音波センサを使用した従来の渦流量計の構成図である。
【符号の説明】
１　超音波発信器
２ａ，１９　超音波送信器
２ｂ，２０　超音波受信器
３，５　位相制御器
４，２７　位相比較器
７，１７　渦発生体
１１　渦流量計
１２　ハウジング
１３　流量指示部
１６　流路
２２，２３　カルマン渦
２５　発信回路
２６，３０　アンプ・フィルタ回路
２８　振幅監視回路
３１　演算回路
３２　アナログ出力回路
３３　パルス出力回路

Claims

流路内に設けられた渦発生体と、前記渦発生体の下流でカルマン渦の発生を検出する超音波送信器及び超音波受信器とを備え、超音波の送信波と受信波の位相差信号を検出し、該位相差信号に基づいて流量パルスを出力する超音波式渦流量計において、
前記超音波受信器が受信する受信信号の電圧を監視する受信電圧監視手段と、
前記受信電圧監視手段により検出される受信電圧を予め設定した所定値と比較する受信電圧監視手段とを備え、
前記受信電圧監視手段が前記所定値より低い低電圧の発生を検出したとき、該低電圧の継続する時間を計測し、該継続時間が予め設定した時間より短い場合に、前記低電圧の発生する直前の周期の流量パルスを出力するようにした超音波式渦流量計。
流路内に設けられた渦発生体と、前記渦発生体の下流でカルマン渦の発生を検出する超音波送信器及び超音波受信器とを備え、超音波の送信波と受信波の位相差信号を検出し、該位相差信号に基づいて流量パルスを出力する超音波式渦流量計において、
前記超音波受信器が受信する受信信号の電圧を監視する受信電圧監視手段と、
前記受信電圧監視手段により検出される受信電圧を予め設定した所定値と比較する受信電圧監視手段と、
前記位相差信号の周波数を予め設定した所定値と比較する周波数監視手段と、
受信電圧の変化の周期を測定する電圧変化周期測定手段と、
前記受信電圧の変化の周期と前記位相差信号の周期とを比較する周波数比較手段とを備え、
前記受信電圧監視手段が前記所定値より高い電圧を検出し、前記周波数監視手段が前記所定値より高い周波数を検出したとき、前記周波数比較手段による比較結果に応じて前記超音波受信器による受信信号のフィルタ回路遮断周波数を制御することを特徴とする超音波式渦流量計。
流路内に設けられた渦発生体と、前記渦発生体の下流でカルマン渦の発生を検出する超音波送信器及び超音波受信器とを備え、超音波の送信波と受信波の位相差信号を検出し、該位相差信号に基づいて流量パルスを出力する超音波式渦流量計において、
前記超音波受信器が受信する受信信号の電圧を監視する受信電圧監視手段と、
前記受信電圧監視手段により検出される受信電圧を予め設定した所定値と比較する受信電圧監視手段と、
前記位相差信号の周波数を予め設定した所定値と比較する周波数監視手段と、
受信電圧の変化の周期を測定する電圧変化周期測定手段と、
前記受信電圧の変化の周期と前記位相差信号の周期とを比較する周波数比較手段とを備え、
前記受信電圧監視手段が前記所定値より高い電圧を検出し、前記周波数監視手段が前記所定値より低い周波数を検出し、且つ前記位相差信号の周期が一定の場合、前記周波数比較手段により前記受信電圧変化の周期と前記位相差信号の周期とを比較し、両周波数が近似する場合に流量の出力を停止するようにしたことを特徴とする超音波式渦流量計。