JP2739353B2 - 質量流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、ガスあるいは液体などの流体の流れに対応
したカルマン渦により、渦発生体に生じる交番力を検出
して、これを質量流量信号として取り出す質量流量計に
係り、特に簡単な構成で大きい流量レンジを持つように
改良された質量流量計に関する。

＜従来の技術＞ カルマン渦による信号を用いて質量流量を測定する従
来の技術として例えば特願昭60−285287号に開示された
質量流量計がある。そこで、ここに開示された質量流量
計の基本的な内容を以下に説明する。

第４図はこの従来の質量流量計の渦検出部の断面の概
要を示す断面図である。

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とは間隔をもっ
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に支持さ
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の中にはその底部
から順に金属製の台座16、圧電素子17、電極板18、絶縁
板19、電極板20、圧電素子21がサンドイッチ状に配列さ
れ金属製の押圧棒22でこれ等が押圧固定されている。さ
らに、電極板18からはリード線23、電極板20からはリー
ド線24がそれぞれ端子Ａ、Ｂに引き出されている。

圧電素子17、21は各圧電素子17、21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
向の応力に対して互いに上下の電極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。

この２個の電極板18、20に発生した電荷は第５図に示
すように電荷増幅器25、26に入力される。電荷増幅器25
の出力と電荷増幅器26の出力をボリウム27を介した出力
とを加算回路28で加算して渦信号を得る。これ等の電荷
増幅器25、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。

次に、以上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第６図を用いて説
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には第６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17、
21には第６図（ａ）に示す渦周波数を持つ信号応力に対
応した電荷＋Ｑ、−Ｑの繰返しが生じる。なお、第６図
においては説明の便宜のため電極板18或いは21を紙面に
対して左右に２つに分割し、かつ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ある。

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、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６図（ｂ）に示すように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第６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で分極を逆とする
とQ₁、Q₂は次式で示される。

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
関係は第６図（ｄ）（ｅ）（この図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、第５図に示すように
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
する際にボリウム27と共に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） となり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。

次に、以上のようにして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
第７図を用いて説明する。

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e₁、e₂に変換する。交流電圧e₂はボリウム
27を介して交流電圧e₁と加算回路28で加算されてその出
力端に渦信号e₃として出力される。

渦信号e₃は増幅回路30で増幅されその出力端に渦信号
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に渦信
号の振幅に比例した渦信号e₅として出力される。

この渦信号e₅は流体の密度をρ、流体の流速をＶ、比
例定数をK₁とすれば次式で示される。

e₅＝K₁ρV² …（１） 一方、渦信号e₃はフイルタ回路33にも出力され、ここ
で渦信号e₃の中に含まれる低周波あるいは高周波のノイ
ズが除去されのその出力端に渦信号e₆として出力され
る。この渦信号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。

このシュミット回路35ではこの渦信号e₇を所定のスレ
ショルドレベルでパルス信号に変換して周波数信号ｅ
として出力する。この周波数信号ｅ 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。

E₁＝K₂V …（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で割り算をして、その出力端に次式に示す流量
信号E₀₁を出力する。

E₀₁＝K₃ρＶ ＝K₃Qm …（３） ただし、K₃はK₁/K₂であり、質量流量QmはQm＝ρＶ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E₀₁をゼロとするも
のである。

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をいれてゼロカットをする。これは、通常シ
ュミット回路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。

＜発明解決しようとする課題＞ しかしながら、この様な従来の質量流量計は、渦信号
の振幅に比例する信号を渦信号の周波数に比例する信号
で割算をすることによって質量流量を得る構成なので回
路構成が複雑になる欠点を有している。

また、この様な従来の質量流量計は、渦信号の振幅に
比例する信号は流速の２乗に比例するので後段の増幅器
が飽和し易く、このため流量レンジを狭く取らざるを得
なかった。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明は、以上の問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
換手段の出力が入力されコーナ周波数が測定範囲におけ
る渦信号の渦周波数の値以下に設定されたローパスフイ
ルタを介して出力するローパスフイルタ手段と、このロ
ーパスフイルタ手段の出力を検波整流して質量流量信号
を出力する検波整流手段とを具備する構成としたもので
ある。

＜作 用＞ まず、信号変換手段により測定流量を渦信号に変換し
て出力し、この後、ローパスフイルタ手段によりコーナ
周波数が測定範囲における渦信号の渦周波数の値以下に
設定されたローパスフイルタにこの渦信号が入力され、
ここで密度と流速の２乗に比例する測定流量に対応した
交流の渦信号を、密度と流速に比例する信号、つまり交
流の質量流量信号に変換されて出力され、このローパス
フイルタ手段の出力を検波整流手段で検波整流して直流
の質量流量信号として出力する。

＜実施例＞ 以下、図を用いて本発明の実施例について説明する。
第１図は本発明の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部分については同一の符
号を付して適宜にその説明を省略する。

測定流体により圧電素子17、21に発生した渦電荷Q₁Q₂
はそれぞれ電荷増幅器25、26により交流電圧e₁、e₂に変
換される。交流電圧e₂はボリウム27を介して交流電圧e₁
と加算回路28で加算されてその出力端に渦信号e₃として
出力される。

この後、渦信号e₃はコーナ周波数fcが測定範囲におけ
る渦信号の最低の渦周波数fmin以下に設定されているロ
ーパスフイルタ39に出力され、ここで交流の質量流量信
号e₈に変換されて出力される。

質量流量信号e₈は増幅器40で増幅された後、検波整流
回路41で検波整流されてその出力端に直流の質量流量信
号E₀₂として出力される。

この質量流量信号E₀₂は電圧／周波数変換回路42によ
り質量流量に比例したパルス信号Pmとして出力される。
このパルス信号Pmを積算すれば容易に質量流量の積算値
が得られる。

次に、以上のように構成された実施例の動作について
第２図、第３図を用いて説明する。

第２図は横軸に渦周波数ｆを縦軸に渦信号e₃を取った
ときのローパスフイルタの特性を示し、第３図は横軸に
質量信号ρＶを縦軸に質量流量信号e₈を取ったときのロ
ーパスフイルタの出力特性をそれぞれ示している。

加算回路28の出力端には配管ノイズ等が除去された渦
信号e₃が出力される。この渦信号は、 e₃＝K₃ρV² …（３） で示されているように流速Ｖの２乗に比例した交流信号
である。

ここで、１次のローパスフイルタ39のコーナ周波数fc
を第２図に示すように渦信号の最低の渦周波数fminに対
して極めて小さく選定すると、つまりfc≪fminに選定す
ると、交流の質量流量信号e₈は、K₄を定数として e₈＝K₄ρV²/f …（４） となる。

ここで、Ｖ∝ｆの関係があるから（４）式の関係は、
次の（５）式の関係となる。この関係は第３図に示され
ている。

e₈∝K₄ρＶ …（５） 従って、ローパスフイルタ39の出力端には交流の質量
流量信号e₈が得られる。

ここで、例えばfcをfc＝fmin/10に選定したとするとf
minにおけるノンリニア誤差ｑはｑ≒−0.5％程度とな
る。これは、仮にスパン流量のときの渦周波数ｆを10fm
inとすれば、−0.05％/F.Sに相当する小さい値である。
例えば、口径50Aでガスを測定する場合、測定流速を４
〜40m/sとすれば、渦周波数は70−700Hzとなり、fcはfc
＝7Hzと設定すればよい。

なお、第１図に示す実施例では渦発生体に発生する変
動揚力から渦信号を検出する応力検出方式を例として説
明したが、これに限られず他のρV²を検出する検出方
式、例えば変動抗力を検出する方式でもよいことは明ら
かである。

また、第１図に示す実施例では１次のローパスフイル
タ39を用いて質量流量を演算したが、この出力をさらに
１次のローパスフイルタをカスケードに接続して、全体
として２次のローパスフイルタを介して検波整流するこ
とによって測定流体、例えばガスの密度を検出すること
ができ、このようにすれば質量流量と密度を同時に測定
することもできる。

＜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、渦信号を所定のコーナ周波数に選定されたロー
パスフイルタを介して取り出すようにしたので、従来の
比べて大幅に回路構成を簡単にしながら質量流量を測定
することができ、またローパスフイルタの出力は流速に
比例する出力であるので後段の検波整流回路などの飽和
に起因する流量レンジの狭小化を避けることができる。

さらに、従来では割算回路の分母に相当する入力信号
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の後段にゲー
ト回路をいれてゼロカットをしていたが、本発明によれ
ば割算回路を用いないのでこの様な不都合は発生せず、
或る程度の誤差を許容すれば渦が発生する下限流量まで
測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の１実施例の構成を示すブロック図、第
２図は第１図におけるローパスフイルタの特性を示す特
性図、第３図は第１図におけるローパスフイルタの出力
特性を示す特性図、第４図は従来の質量流量計の渦検出
部の断面の概要を示す断面図、第５図は第４図に示す渦
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
ータの構成を示すブロック図、第６図は渦検出部でノイ
ズを除去する動作を説明する説明図、第７図は渦信号を
用いて流体の質量流量を演算する変換回路の構成を示す
ブロック図である。 10……管路、12……渦発生体、17、21……圧電素子、2
5、26……電荷増幅器、28……加算回路、29……チャー
ジコンバータ、31……検波回路、35……シュミット回
路、37……割算回路、38……ゲート回路、39……ローパ
スフイルタ、41……検波整流回路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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が入力されコーナ
   周波数が測定範囲における前記渦信号の渦周波数の値以
   下に設定されたローパスフイルタを介して出力するロー
   パスフイルタ手段と、このローパスフイルタ手段の出力
   を検波整流して質量流量信号を出力する検波整流手段と
   を具備することを特徴とする質量流量計。