JP2006112843A - Vortex flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子を用いた渦流量計に関する。 The present invention relates to a vortex flowmeter using a piezoelectric element.
圧電素子を用いて渦を検出する渦流量計が知られている。
このような渦流量計において、カルマン渦により作用する交番力を検出する圧電素子からの出力を別々に受ける2つのチャージアンプ回路を設け、該2つのチャージアンプ回路の出力の差分をとることでコモンモードノイズ成分を相殺することが提案されている(特許文献1)。
In such a vortex flowmeter, two charge amplifier circuits that receive the outputs from the piezoelectric elements that detect the alternating force acting by the Karman vortex are separately provided, and the difference between the outputs of the two charge amplifier circuits is taken to obtain a common It has been proposed to cancel mode noise components (Patent Document 1).
上記提案されている構成によれば、電気的なコモンモードノイズは除去することができるが、ウオーターハンマーによる機械的な衝撃、機械の運転又は停止時の機械的な衝撃、あるいは、装置運転時の断続的な振動などの機械的な振動が配管を通して圧電素子に加えられることなどにより、実際には流体が流れていないのに前記機械的な振動によるノイズで流量計測を誤計測するという問題があった。
そこで、本発明は、配管の振動や機械的衝撃等によって流量計測を誤計測することがない渦流量計を提供することを目的としている。
According to the proposed configuration, electrical common mode noise can be removed, but mechanical shock caused by a water hammer, mechanical shock during operation or stop of the machine, or during operation of the device. Due to the fact that mechanical vibration such as intermittent vibration is applied to the piezoelectric element through the piping, there is a problem that the flow measurement is erroneously measured by noise due to the mechanical vibration even though no fluid actually flows. It was.
Therefore, an object of the present invention is to provide a vortex flowmeter that does not erroneously measure flow rate due to vibration of a pipe, mechanical shock, or the like.
上記目的を達成するために、本発明の渦流量計は、流体の流速に比例して発生する渦を検出する圧電素子と、該圧電素子に接続され、渦周波数の信号を出力する検出回路と、該渦周波数の信号が入力され、計測範囲に対応する周波数を通過させるフィルター回路と、該フィルター回路から出力された信号を2値化するパルス化回路と、該2値化された信号を周波数−電圧変換するF/V変換回路と、前記F/V変換回路の出力電圧が計測範囲下限出力電圧以上であるときにのみ、該F/V変換回路の出力を出力する出力処理部とを備えたものである。 In order to achieve the above object, a vortex flowmeter of the present invention includes a piezoelectric element that detects a vortex generated in proportion to a fluid flow velocity, and a detection circuit that is connected to the piezoelectric element and outputs a signal of a vortex frequency. A filter circuit that receives the signal of the vortex frequency and passes the frequency corresponding to the measurement range, a pulse circuit that binarizes the signal output from the filter circuit, and the frequency of the binarized signal A voltage conversion F / V conversion circuit, and an output processing unit that outputs the output of the F / V conversion circuit only when the output voltage of the F / V conversion circuit is equal to or higher than the measurement range lower limit output voltage. It is a thing.
本発明の渦流量計によれば、圧電素子が断続的に繰り返し発生する配管振動等による計測値を出力処理部で処理して計測範囲下限出力電圧以上の計測値のみを出力するようにしているため、計測範囲下限出力電圧に達しない計測値は出力されず、機械的振動による誤計測を回避することができる。 According to the vortex flowmeter of the present invention, a measurement value due to piping vibration or the like that is intermittently repeatedly generated by the piezoelectric element is processed by the output processing unit so that only a measurement value equal to or higher than the measurement range lower limit output voltage is output. Therefore, a measurement value that does not reach the measurement range lower limit output voltage is not output, and erroneous measurement due to mechanical vibration can be avoided.
図1は、本発明の渦流量計の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
この図において、11は、例えばPZTなどの圧電材料で形成され、その両端に電極が張り付けられた圧電素子であり、カルマン渦により作用する交番力によって前記電極間に電荷を発生する。前記カルマン渦の発生周波数(渦周波数:単位時間当たりに発生する渦の数)は、流体の流速に比例しており、流速が速くなれば渦周波数は高くなる。一般的に、カルマン渦によって前記圧電素子の電極間に生じる電荷は、流路の口径が小さい場合は発生する電荷は小さいが周波数は高くなり、口径の大きい場合は発生する電荷は大きいが周波数は低くなる特性を有しており、また、圧電素子には流量(流速)の2乗に比例した大きさの電荷が発生する。
12は、前記圧電素子11に発生した電荷を例えばチャージアンプ等を用いて電圧信号に変換して渦周波数の検出信号(A)を出力する検出回路である。
13は、前記検出信号(A)から測定精度範囲外の周波数成分を減衰させ、信号(B)を出力するフィルター回路である。
14は、前記フィルター回路13の出力信号(B)を入力し、信号の大きさが計測範囲の信号の大きさかを判別するしきい値以上の信号のみをパルス化してパルス信号(C)を出力するパルス化回路である。
15は、前記パルス化回路14からのパルス信号(C)を微分した後、所定の電圧と所定のパルス幅に信号を整え積分することで入力されるパルス信号(C)の周波数に比例した出力信号(F)を得る周波数電圧変換回路(F/V変換回路)である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a vortex flowmeter of the present invention.
In this figure, reference numeral 11 denotes a piezoelectric element formed of a piezoelectric material such as PZT and having electrodes attached to both ends thereof, and generates an electric charge between the electrodes by an alternating force acting by Karman vortex. The Karman vortex generation frequency (vortex frequency: the number of vortices generated per unit time) is proportional to the flow velocity of the fluid, and the vortex frequency increases as the flow velocity increases. In general, the charge generated between the electrodes of the piezoelectric element due to the Karman vortex has a small charge but a high frequency when the diameter of the flow path is small, and a large charge when the diameter is large but the frequency is high. In addition, the piezoelectric element generates electric charges having a magnitude proportional to the square of the flow rate (flow velocity).
A
14 receives the output signal (B) of the
15 is an output proportional to the frequency of the input pulse signal (C) by differentiating the pulse signal (C) from the
16は前記F/V変換回路15からの出力信号(F)が所定の電圧(計測範囲の下限に対応する電圧:計測範囲下限出力電圧)以上であるときにのみ、該出力信号(F)を後続する処理部(この実施の形態においては、電圧電流変換部18)に出力信号Vo(17)として出力する処理を行う出力処理部である。すなわち、この出力処理部16は、前記F/V変換回路15の出力信号(F)が計測範囲下限出力電圧より低い値であるときには、出力信号Vo(17)を出力しない(ゼロ電圧とする)処理を行う。これにより、前記検出回路12からの検出信号(A)が、機械的な振動によるノイズ等による出力であって前記パルス化回路14でパルス化されることができる大きさはあるが信号の持続性がないことから、前記F/V変換回路15の出力電圧が前記計測範囲下限出力電圧より低い値である場合は、前記出力処理部16から出力信号Vo(17)が出力されない(ゼロ電圧が出力される)ようになる。
18は、前記出力処理部16からの出力信号Vo(17)を電流信号(例えば4〜20mA)に変換する電圧電流変換部である。前記出力処理部16により、出力信号Vo(17)を出力しない処理がなされたときには、この電圧電流変換部18の出力は4mAとなる。なお、4−20mA電流出力としない場合には、この電圧電流変換部18は省略することができる。
16 shows the output signal (F) only when the output signal (F) from the F /
図2は、渦周波数と流量の関係の一例を示す図である。ここでは、3.5L/minの流量計で、3.5L/min(20mA)〜0L/min(4mA)のレンジにおいて計測範囲(精度保証範囲)が3.5L/min(20mA)〜0.4L/min(5.8mA)の流量計の場合を示している。図示するように、この例においては、前記計測範囲に対応する渦周波数は100Hz〜1000Hzである。
前述のように、前記フィルター回路13により前記検出回路12からの検出信号(A)から計測範囲外上限(1000Hz)より高い周波数の信号と下限(100Hz)より低い周波数の信号を減衰させて前記パルス化回路14に入力し、該パルス化回路14で所定の大きさ以上の信号をパルス信号(C)に変換して、前記F/V変換回路15でその周波数に対応した電圧を有する出力信号(F)に変換し、前記出力処理部16を介して、計測範囲(精度保証範囲)の周波数に対応する出力信号Vo(17)を出力させるようにしている。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the relationship between the vortex frequency and the flow rate. Here, the measurement range (accuracy guaranteed range) is 3.5 L / min (20 mA) to 0. 0 in a range of 3.5 L / min (20 mA) to 0 L / min (4 mA) with a flow meter of 3.5 L / min. This shows the case of a flow meter of 4 L / min (5.8 mA). As illustrated, in this example, the vortex frequency corresponding to the measurement range is 100 Hz to 1000 Hz.
As described above, the
通常は、計測範囲下限(100Hz)より低い周波数の信号は、前記フィルター回路13により減衰させるため流量出力は0(4mA)となるが、配管等に断続的な振動などの機械的振動が加わり、該振動が前記フィルター回路13で除去できない場合は前記F/V変換回路15からは図中破線で示すような下限計測範囲外の出力Vo’(17−1)が出力され、実際には流体が流れていないのに流量があるかのごとく出力されることとなる。
そこで前記出力処理部16において、前記F/V変換回路15の出力信号(F)の電圧が計測範囲の下限に対応する電圧(計測範囲下限出力電圧)Vo-SH以上であるか否かを判定し、計測範囲下限出力電圧Vo-SHより小さいときは、その出力信号は配管等に加わる断続的な振動によるノイズによるものであると判断して、流量がないもの(出力電圧=0)として処理し、Vo-SH以上であるときは、該F/V変換回路の出力電圧を出力信号Vo(17)として出力するようにしている。
Normally, a signal having a frequency lower than the lower limit of the measurement range (100 Hz) is attenuated by the
Therefore, the
図3は、流量計の計測範囲内(本例では、0.4L/min(5.8mA)〜3.5L/min(20mA))の渦周波数の信号が入力された場合の各部の信号を示す図である。
図中、(A),(B),(C)及び(F)は、前記図1中に示したものと同一個所の信号であり、(A)は前記検出回路12からの検出信号、(B)はフィルター回路13の出力信号、(C)は前記パルス化回路14から出力されるパルス信号である。
図示するように、パルス信号(C)は、前記フィルター回路13の出力信号(B)と計測範囲の信号の大きさを判別するしきい値V-SH及びV-SL(V-SL<V-SH)とを比較し、出力信号(B)が、しきい値V-SHを超えたときに立上がり、V-SLより小さくなったときに立ち下がる信号である。これにより、検出回路12で検出された渦周波数に対応したパルス信号(C)が得られる。
(D)及び(E)は前記F/V変換回路15内部の信号であり、(D)はF/V変換回路15内において前記パルス化回路14からのパルス信号(C)を微分した信号、(E)は前記微分した信号(D)の正の信号を所定のパルス幅及び所定の振幅を有するパルスにパルス化した信号である。
F/V変換回路15の出力信号(F)は、渦周波数に同期したパルス信号(E)を積分(平滑)して周波数−電圧変換した出力信号(Vo-F/V)である。
この例の場合には、前記F/V変換回路15の出力信号(F)は、計測範囲下限出力電圧Vo-SHを超えているため、前記出力処理部16は、該出力信号(F)(Vo-F/V)をそのまま出力信号Vo(17)として、前記電圧電流変換部18に出力する。
FIG. 3 shows the signal of each part when the signal of the vortex frequency within the measurement range of the flowmeter (in this example, 0.4 L / min (5.8 mA) to 3.5 L / min (20 mA)) is input. FIG.
In the figure, (A), (B), (C) and (F) are signals at the same location as shown in FIG. 1, (A) is a detection signal from the
As shown in the figure, the pulse signal (C) includes threshold values V-SH and V-SL (V-SL <V-) for determining the magnitude of the output signal (B) of the
(D) and (E) are signals inside the F /
The output signal (F) of the F /
In this example, since the output signal (F) of the F /
図4は、断続的な配管振動等を圧電素子11が検出した場合の各部の信号の例を示す図である。この図において、(A)〜(F)は、前記図3の場合と同様の個所の信号を示している。
前述のように、一般的に口径の小さい流量計は圧電素子に発生する電荷は小さくなり発生周波数は高くなる特性を有している。すなわち、小口径の流量計では特に配管振動のノイズをひろい易くなる傾向にあるといえる。
したがって、配管振動などにより、図示する検出信号(A)のように、所定時間、前記計測範囲内の信号周波数で所定の出力レベルを備えた信号が出力され、次第にパルス化されない信号に減衰していく。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a signal of each part when the piezoelectric element 11 detects intermittent pipe vibration or the like. In this figure, (A) to (F) show signals at the same locations as in FIG.
As described above, a flowmeter having a small aperture generally has a characteristic that the electric charge generated in the piezoelectric element is reduced and the generated frequency is increased. That is, it can be said that a small-diameter flow meter tends to easily spread noise of piping vibration.
Therefore, a signal having a predetermined output level is output at a signal frequency within the measurement range for a predetermined time as shown in the illustrated detection signal (A) due to piping vibration or the like, and gradually attenuated to a signal that is not pulsed. Go.
前記検出信号(A)は前記フィルター回路13に入力され、前記計測範囲に対応する周波数範囲の出力信号(B)が出力される。
この出力信号(B)は前記パルス化回路14に入力され、図示するように、しきい値V-SHを超えたときに、パルス信号(C)が生成されて、前記F/V変換回路15に入力される。
F/V変換回路15では、入力されたパルス信号(C)を微分して微分信号(D)を得、該微分信号(D)に基づいて所定のパルス幅と所定の振幅を有するパルス信号(E)が生成される。そして、このパルス信号(E)を平滑することにより、F/V変換出力信号Vo-F/V(F)が出力される。
The detection signal (A) is input to the
This output signal (B) is input to the
The F /
図示するように、この出力信号Vo-F/V(F)は、前記検出信号(A)が短時間で減衰していたため、流量計の口径等で決定される計測範囲下限出力電圧Vo-SHを超える電圧とはなっていない。
したがって、前記出力処理部16は、出力電圧Vo-F/Vを出力しないようにし、出力信号Vo(17)としてゼロ電圧を出力するように処理を行う。
これにより、前記電圧電流変換部18からは4mAが出力されることとなり、誤計測を防止することができる。
As shown in the figure, the output signal Vo-F / V (F) is the measurement range lower limit output voltage Vo-SH determined by the diameter of the flow meter and the like because the detection signal (A) was attenuated in a short time. The voltage does not exceed.
Therefore, the
As a result, 4 mA is output from the voltage-
なお、前記出力処理部16における処理に使用する計測範囲下限出力電圧Vo-SHは、前記流量計の構成がハードウェアのみで構成されていれば可変抵抗器等を用いて設定するようにしてもよいし、あるいは、スイッチで選択できるものであってもよい。また、記憶機能を備えていれば、記憶部に記憶して操作部から選択するようにしてもよい。
The measurement range lower limit output voltage Vo-SH used for the processing in the
11:圧電素子、12:検出回路、13:フィルター回路、14:パルス化回路、15:F/V変換回路、16:出力処理部、17:出力信号、18:電圧電流変換部 11: Piezoelectric element, 12: Detection circuit, 13: Filter circuit, 14: Pulse circuit, 15: F / V conversion circuit, 16: Output processing unit, 17: Output signal, 18: Voltage / current conversion unit
Claims (1)
該圧電素子に接続され、渦周波数の信号を出力する検出回路と、
該渦周波数の信号が入力され、計測範囲に対応する周波数を通過させるフィルター回路と、
該フィルター回路から出力された信号を2値化するパルス化回路と、
該2値化された信号を周波数−電圧変換するF/V変換回路と、
前記F/V変換回路の出力電圧が計測範囲下限出力電圧以上であるときにのみ、該F/V変換回路の出力を出力する出力処理部と
を備えたことを特徴とする渦流量計。 A piezoelectric element that detects vortices generated in proportion to the flow velocity of the fluid;
A detection circuit connected to the piezoelectric element and outputting a signal of a vortex frequency;
A filter circuit that receives the signal of the vortex frequency and passes a frequency corresponding to the measurement range;
A pulse circuit for binarizing the signal output from the filter circuit;
An F / V conversion circuit for frequency-voltage conversion of the binarized signal;
An eddy flow meter comprising: an output processing unit that outputs an output of the F / V conversion circuit only when an output voltage of the F / V conversion circuit is equal to or higher than a measurement range lower limit output voltage.
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- 2004-10-13 JP JP2004298428A patent/JP2006112843A/en active Pending
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