JP2765100B2 - オンライン密度計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、ガス等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、これを密
度信号として取り出すオンライン密度計に係り、特に高
い感度で安定な密度信号を出力するように改良されたオ
ンライン密度計に関する。

〈従来の技術〉 第７図は従来のオンライン形の振動管密度計の構成を
示す構成図である。

両端にフランジが形成された円筒状の本体部１の中に
一端がフリーの薄い円筒状の磁性体で出来た振動管２の
他端が固定されている。

本体部１の外部には対向してそれぞれ一対の受信コイ
ル３と駆動コイル４が固定されている。

５は増幅器であり、この出力端は駆動コイル４に入力
端は受信コイル３にそれぞれ接続され、全体として発振
が継続されるようになっている。増幅器５の出力端から
周期パルスＰ_Tが取り出されている。

増幅器５の出力端から駆動電圧が駆動コイル４に印加
されると磁性体で出来ている振動管２は電磁的に駆動を
始める。この振動管２の動きを受信コイル３で検出して
増幅器５に正帰還すると発振が持続する。この振動はつ
り鐘が鳴るように振動するが、その周波数は振動管２の
形状、材質、およびこれを囲む流体密度によって決定さ
れ、流体密度に逆比例して変化する。この周波数を周期
に変換し密度を表示する。この関係は次式で示される。

ｄ＝ｄ₀（Ｔ−Ｔ₀）［１＋Ｋ（Ｔ−Ｔ₀）/2T₀］/T₀ 但し、ｄは測定流体の密度、ｄ₀は定数、Ｔは測定周
期時間、Ｔ₀は真空下における周期時間、Ｋは振動管の
材質、構造、寸法などによって決まる定数である。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、このようなの従来のオンライン密度計
は、ガスなどのように流体の密度が小さいと感度（周波
数変化）が著しく低下する。これを避けるために増幅器
からの駆動電力を大きくすると電力消費が大きくなり、
また本体部のパイプの肉厚を薄くすれば感度は向上する
が、流体の圧力に対する強度が低下するなどの問題があ
る。さらに、流体中に含まれる付着物の影響を強く受け
るなどの問題もある。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は、以上の問題点を解決するために、測定流体
の流れに対応して発生する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２次の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測定流体の密度に対応する密度信号
を出力する検波整流手段とを具備するようにしたもので
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、２次の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手段にこの渦信号が
入力され、ここで密度に比例する測定流体に対応した交
流の渦信号を、密度に比例する信号、つまり交流の密度
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密度信号と
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。この第１図の説明に先立ち第２図〜第４図を用いて
密度演算の前提となる渦検出について具体的に説明す
る。

第２図はカルマン渦を検出する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
左側に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３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の電荷をボリウム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４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４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４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４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４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
生しない。また、長手方向の振動に対しては第４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効する。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４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３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
号を用いて流体の密度を演算する変換回路について第１
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と交流電圧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。

この渦信号ｅ₃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。

ｅ₃＝Ｋ₁ρＶ² …（１） 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
１次のローパスフイルタ30に出力され、ここで次式で示
す交流の渦信号ｅ₄に変換されて出力される。

ｅ₄＝Ｋ₁ρＶ …（２） さらに、この渦信号ｅ₄は次段のローパスフイルタ31
に出力される。このローパスフイルタ31はローパスフイ
ルタ30と同じく１次の遅れ回路を有しているので、その
出力である渦信号ｅ₅は次式のようになる。

ｅ₅＝Ｋ₁ρ …（３） この渦信号ｅ₅は増幅器32で増幅されて検波整流回路3
3に出力され、直流の密度信号Ｅ₀₁に変換される。この
密度信号Ｅ₀₁は電圧／周波数変換回路34により流体の密
度に比例したパルス信号Pmとして出力される。

次に、以上のように構成された実施例の動作について
第５図、第６図を用いて説明する。

第５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30の特性を示し、第６図は横
軸に信号ρＶを縦軸に渦信号ｅ₄を取ったときのローパ
スフイルタ30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が出力されるが、この渦信号ｅ₃は（１）式で示
されるように流速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３のコーナ周波数fc
を第５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、交流の渦信号ｅ₄は、 ｅ₄＝Ｋ₁ρＶ²/f …（４） となる。

ここで、Ｖ∝ｆの関係があるから（４）式の関係は
（２）式の関係となる。この関係は第６図に示されてい
る。

従って、ローパスフイルタ30の出力端には交流の密度
ρと流速Ｖとの積に比例する渦信号ｅ₄として得られ
る。

ここで、例えばfcをfc＝fmin/10に選定したとする
と、fminにおけるノンリニア誤差ｑはｑ≒−0.5％程度
の出力として得られる。

次に、この渦信号ｅ₄をローパスフイルタ30と同一の
特性を有するローパスフイルタ31に出力してその出力端
に得られる信号ｅ₅は（２）式の関係を得たと同様にし
て流速Ｖの項が消去されて ｅ₅∝Ｋ₁ρ …（５） となる。従って、渦信号ｅ₅は流体の密度ρに対応する
信号となる。

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30をこれと同一特性をもつ１次のローパスフイルタ31
とカスケードに接続して実現したが、当初から２次のロ
ーパスフイルタを用いて密度を演算してもよい。

さらに、渦信号ｅ₄を用いれば質量流量を測定できる
ので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、圧電素子からの渦信号を所定のコーナ周波数に
選定された２次のローパスフイルタを介して取り出すよ
うにしたので、従来のように駆動コイルを駆動するパワ
ーを必要とせず省電力化が可能になり、また、従来のよ
うに本体部のパイプを薄くする必要がないので高圧の流
体の密度をオンラインで測定することができる。

さらに、本願発明によれば従来の振動式に比べて大幅
に回路構成を簡単にしながら密度を測定することがで
き、また渦検出部の感度が付着物に依存しないので安定
な密度測定ができる。

なお、本発明による密度計は、渦検出部からの渦信号
の感度が流速の２乗に比例するので、流速を上げてやれ
ばS/Nのよい密度信号を容易に得ることができる。

【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図は渦検出部の断面の概要を示す断面図、第３図は第
２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４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５
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６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７図は従来のオンライン密度計の構
成を示す構成図である。 １……本体部、２……振動管、３……受信コイル、４…
…駆動コイル、５……増幅器、10……管路、12……渦発
生体、17、21……圧電素子、25、26……電荷増幅器、28
……加算回路、29……チャージコンバータ、30、31……
ローパスフイルタ、33……検波整流回路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定流体の流れに対応して発生する渦信号
   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２次のローパス
   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前記測定
   流体の密度に対応する密度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オンライン密度計。