JP2893855B2

JP2893855B2 - 質量流量計

Info

Publication number: JP2893855B2
Application number: JP2121490A
Authority: JP
Inventors: 敏幸宮田; 一造伊藤; 高志川野; 雅則本道
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1990-05-11
Filing date: 1990-05-11
Publication date: 1999-05-24
Anticipated expiration: 2014-05-24
Also published as: JPH0416714A

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、これを大きい流量レンズを持つ質量流量信号とし
て取り出す質量流量計に係り、特に渦信号の信号／ノイ
ズ（S/N）比を低減するように改良した質量流量計に関
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５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６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７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７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７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７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７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７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７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６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８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
ッショルドレベルでパルス信号に変換して周波数信号e_f
して出力する。この周波数信号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。

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質量
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。

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。

そこで、本出願人は以上の不具合を改良するために特
願平１−251095号「発明の名称：質量流量計」を提案
し、出願している。

次に、この出願の内容について第９図〜第11図を用い
て説明する。第９図はこの質量流量計の構成を示すブロ
ック図である。

なお、以下の説明において、同一の機能を有する部分
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f_cが測定範囲におけ
る渦信号の最低の渦周波数f_min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P_mとして出力される。
このパルス信号P_m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質量流量計の動作につ
いて第10図および第11図を用いて説明する。

第10図は横軸に渦周波数ｆを縦軸に渦信号e₃をとった
ときのローパスフィルタの特性を示し、第11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次のローパスフィルタ39のコーナ周波数f_c
を第10図に示すように渦信号の最低の渦周波数f_minに対
して極めて小さく選定すると、つまりf_c≪f_min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11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f_cをf_c＝f_min/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10f
_min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、f_c
はf_c＝7Hzと設定すればよい。

以上の説明で分るようにこの質量流量計は、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、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少化
を避けることができる。さらに、この質量流量計によれ
ば渦周波数に相当する入力信号を分母とする割算回路を
用いないので、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。

＜発明が解決しようとする課題＞このような従来の質量流量計では、簡単な構成で質量
流量を測定することができ、さらに回路の飽和による流
量レンジの狭少化をさけることができ、その上に測定で
きる下限流量を下げることができるなどの利点がある。

しかし、加算回路28の出力e₃はコーナ周波数がf_cのロ
ーパスフイルタ39を介することにより（５）式で示す質
量流量信号e₈を得ることになるが、この場合にこのロー
パスフイタル39を介することにより、第10図に示すよう
に渦周波数ｆが大きくなるとこの回路のゲインが渦周波
数ｆに比例して低下するので、渦周波数ｆが大きくなっ
たとき、つまり流量が大きくなったときに低い周波数の
ノイズが加わるとS/N比が低下して信号処理に悪影響を
与えることがある。

＜課題を解決するための手段＞本発明は、以上の課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回路ゲインが制御電圧に対応し
て変化する可変ゲイン手段と、渦信号の渦周波数が入力
されこの渦周波数に追従して変化する制御信号を出力す
る渦周波数検出手段と、可変ゲイン手段の出力を検波整
流して測定流量に対応した質量流量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＞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、この信号変化手段の出力を可変ゲイン手段により回
路ゲインを制御電圧に対応して変化させる。

一方、渦周波数検出手段は渦信号の渦周波数に追従し
て変化する制御信号を可変ゲイン手段に出力してそのゲ
インをどの渦周波数に対しても平等に変更する。

そして、検波整流手段によりこの可変ゲイン手段の出
力を検波整流して測定流量に対応した質量流量信号を出
力する。

＜実施例＞以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。
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。

加算回路28の出力e₃は制御電圧V_cによりゲインが制御
された可変ゲイン回路43で質量信号e₉に変換されて検波
整流回路41に出力される。

また、出力e₃は帯域フイルタ44で不要なノイズが除去
されてシュミットトリガ45に出力される。

このシュミットトリガ45で帯域フイルタ44の出力をパ
ルス化してパルス信号P₁として周波数／電圧変換器46に
出力し、ここで可変ゲイン回路43のゲインを制御する制
御電圧V_cに変換される。この制御電圧V_c渦信号の周波数
に比例している。

次に、以上のように構成された実施例の動作について
説明する。

加算回路28の出力e₃の振幅は（３）式に示すようにρ
V²に比例している。

また、制御信号V_cはシュミットトリガ45で測定流体の
渦周波数ｆに比例した信号に変換されている。そして、
この渦周波数ｆは流速Ｖに比例しているので、結局、制
御信号V_cは流速Ｖに比例し、K₅を定数として V_c＝K₅V …（６）となる。

可変ゲイン回路43は渦周波数ｆ、つまり流速Ｖに反比
例するように制御信号V_cによりそのゲインを制御するの
で、その出力端には（６）式で（３）式を割算した形と
して次式に示すように質量信号e₉を得る。

e₉＝e₃／V_c ＝（K₃／K₅）ρＶ …（７）従って、この場合の質量信号e₉は全周波数域に亘って
一様な形でゲイン調節がなされて質量信号として出力さ
れる。

このため、低周波ノイズが渦信号に対して相対的に強
調されることがなく、S/N比の改善に寄与することとな
る。

次に、この可変ゲイン回路43について第２図〜第４図
を用いてさらに詳しく説明する。

第２図は可変ゲイン回路を中心とする回路構成を示す
ブロック図、第３図は第２図におけるアナログ／デジタ
ル変換器の動作状態を示す動作図、第４図は第２図に示
す可変ゲイン回路の制御信号V_cとゲインとの関係を示す
特性図である。

加算回路28の出力e₃はバッフア増幅器47A、47B、……
47N、抵抗R_A、R_B、……R_N、およびスイッチSW_A、SW_B、
……SW_Nがそれぞれ対応する添字ごとに接続された直列
回路を介して加算器48の（−）入力端に並列に接続され
ている。加算器48はその（−）入力端と出力端が抵抗R₀
で接続され、（＋）入力端は共通電位点COMに接続され
ている。そして、抵抗R_A、R_B……R_Nなどと抵抗R₀との比
率によりゲインが決定される。

この場合に、抵抗R_A、R_B、……R_Nは、各々１、２、
４、８、……、512の比率になるような値に選定され、
抵抗R₀＝R_Nであり、全スイッチSW_A、SW_B、……SW_Nがオ
ンの場合には、 e₉／e₃＝（512＋256＋…＋１）となる。つまり、スイッチSW_A、SW_B、……SW_Nを適当に
選択することによりゲインは１〜1000倍まで変更するこ
とができる。

この場合に、スイッチSW_A、SW_B、……SW_Nを制御する
各制御信号S_A、S_B、……S_Nはアナログ／デジタ変換器49
の出力端Q_A、Q_B、……Q_Nから得る。

このアナログ／デジタ変換器49の出力端Q_A、Q_B、……
Q_Nは、例えば10点あるものとすると、シュミットトリガ
46の入力端のパルス信号P₁の渦周波数f₁、f₂、……f
₁₀₀₀に対する制御信号S_A、S_B、……S_Nに対応する制御信
号S₁、S₂、……S₁₀の状態は、Ｈをハイレベル、Ｌをロ
ーレベルとすると第３図に示すようになる。

この様にしてスイッチSW_A、SW_B、……SW_Nをオン・オ
フ制御することにより、第４図に示す形で制御信号V_cに
対して可変ゲイン回路43のゲインを直線的に変更するこ
とができる。

＜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、検出端からの渦信号の振幅を可変ゲイン回路に
入力し、またこの渦信号に比例した渦周波数信号に対応
する制御信号にこの渦信号を変換して、この制御信号に
より可変ゲイン回路のゲインを渦周波数に反比例するよ
うに制御してこれにより質量流量信号に変換するように
したので、簡単な構成で質量流量信号を得ると共に低周
波ノイズによる（S/N）比の低下に起因する誤差の発生
を容易に防止することができる。

【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図は第１図に示す可変ゲイン回路を中心とする回路構
成を示すブロック図、第３図は第２図におけるアナログ
／デジタル変換器の動作状態を示す動作図、第４図は第
２図に示す可変ゲイン回路の制御信号とゲインとの関係
を示す特性図、第５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６図は第５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７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８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、第９図は第８図に示す質量流量計を改良した質
量流量計の構成を示す構成図、第10図は第９図に示すロ
ーパスフィルタの特性を示す特性図、第11図は第９図に
示すローパスフィルタの出力特性を示す特性図である。 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、
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…ローパスフィルタ、41…検波整流回
路、43…可変ゲイン回路、44…帯域フイルタ、45…シュ
ミットトリガ、46…周波数／電圧変換器、47A、47B、〜
47N…バッフア増幅器、48…加算器、49…アナログ／デ
ジタル変換器、V_c…制御電圧。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者本道雅則東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01F 1/32 C01F 1/78 - 1/90

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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回路ゲ
インが制御電圧に対応して変化する可変ゲイン手段と、
前記渦信号の渦周波数が入力されこの渦周波数に追従し
て変化する前記制御信号を出力する渦周波数検出手段
と、前記可変ゲイン手段の出力を検波整流して前記測定
流量に対応した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。