JP2932708B2 - 質量流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【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、例えば特願平１−２５１
０９５号「発明の名称：質量流量計」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。

【０００３】図３はこの従来の質量流量計の構成を示す
ブロック図である。測定流体により圧電素子１７、２１
に発生した渦電荷Ｑ₁ 、Ｑ₂ は端子Ａ、Ｂを介してそれ
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。

【０００４】この後、渦信号ｅ₃ はコ−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ｆ_min 以下に
設定されているロ−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。

【０００５】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。

【０００６】次に、以上のように構成された質量流量計
の動作について図４および図５を用いて説明する。図４
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−パスフイルタの特性を示し、図５は横軸に質量信号
ρＶを縦軸に質量流量信号ｅ₈ をとったときのロ−パス
フイルタの出力特性をそれぞれ示している。但し、ρは
密度、Ｖはは速度である。

【０００７】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 ＝Ｋ₃ ρＶ² （１） 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。

【０００８】ここで、１次のロ−パスフイルタ３９のコ
−ナ周波数ｆｃを図４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、交流の質
量流量信号ｅ₈ は、Ｋ₄ を定数として ｅ₈ ＝Ｋ₄ ρＶ² ／ｆ （２） となる。

【０００９】ここで、Ｖはｆと比例関係にあるので
（２）式の関係は、次の（３）式の関係となる。この関
係は図５に示されている。ただし、Ｋ4´は定数であ
る。 ｅ₈ ＝Ｋ4´ρＶ （３） 従って、ロ−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。

【００１０】ここで、例えばｆｃをｆｃ＝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、ほぼ−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、−０．０
５％／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。

【００１１】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−ナ周波数に選定されたロ−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−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。

【００１２】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。

【００１３】しかし、加算回路２８の出力ｅ₃ はコ−ナ
周波数がｆｃのロ−パスフイルタ３９を介することによ
り（３）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−パスフイルタ３９を介すること
により、図４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。

【００１４】そこで、本出願人は、以上の点を解決する
ために、平成２年５月１１日に特願平２−１２１４９０
「発明の名称：質量流量計」を提案している。以下、こ
の出願の内容について説明する。図６はこの出願に係る
質量流量計の構成を示すブロック図である。

【００１５】加算回路２８の出力ｅ₃ は制御電圧Ｖｃ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。

【００１６】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Ｖｃに変換される。この制
御電圧Ｖｃは渦信号の周波数に比例している。

【００１７】次に、以上のように構成された質量流量計
の動作について説明する。加算回路２８の出力ｅ₃ の振
幅はρＶ² に比例している。また、制御信号Ｖｃ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Ｖｃは流速Ｖに比
例し、Ｋ₅ を定数として Ｖｃ＝Ｋ₅ Ｖ （４） となる。

【００１８】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Ｖｃによりそのゲイ
ンを制御するので、その出力端には次式に示すような質
量信号ｅ₉ を得る。 ｅ₉ ＝ｅ₃ ／Ｖｃ＝（Ｋ₃ ／Ｋ₅ ）ρＶ …（５） 従って、この場合の質量信号ｅ₉ は全周数帯域に亘って
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。

【００１９】次に、この可変ゲイン回路４３について図
７〜図９を用いてさらに詳しく説明する。図７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、図８
は図７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、図９は図７に示す可変ゲイン回路の制御信
号Ｖｃとゲインとの関係を示す特性図である。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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 、……ｆ₁₀₀₀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−レベルとす
ると図８に示すようになる。

【００２３】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、図９に示す
形で制御信号Ｖｃ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。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この様
な質量流量計はシュミットトリガ４５で帯域フイルタ４
４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で直流の制御電圧Ｖｃに変換し、さらに
アナログ／デジタル変換器４９でデジタル信号に変換し
ているので、周波数／電圧変換器４６とアナログ／デジ
タル変換器４９で誤差を生じるという問題がある。

【００２５】

【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
路ゲインが先の渦信号の周波数に反比例して変化するデ
ジタル制御信号により可変される可変ゲイン手段と、先
の渦信号の渦周波数が入力されこの渦周波数を２進化信
号に変換する２進化変換手段と、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し、先の２進化信号を先のデ
ジタル制御信号として出力するようにしたものである。

【００２６】

【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、この信号変換手段の出力を可変ゲイン手段に
より回路ゲインを先の渦信号の周波数に反比例して変化
するデジタル制御信号により変化させる。一方、２進化
変換手段により渦周波数を２進化信号に変換して先のデ
ジタル制御信号とし、これにより可変ゲイン手段を制御
する。また、検波整流手段により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。以上により、質量流量計の主要な構成要素である
可変ゲイン手段における誤差要因としては、２進化変換
手段による誤差だけとなり、誤差要因を低減させること
ができ、全体の精度が向上する。

【００２７】

【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。図１は本発明の要部実施例の構成を示すブロッ
ク図である。図６に示すシュミットトリガ４５のパルス
信号Ｐ₁ と加算回路２８からの出力ｅ₃ とがそれぞれ入
力される。

【００２８】パルス信号Ｐ₁ は周波数ｆ_s を有し、この
パルス信号Ｐ₁ はＰＬＬ（フエイズ・ロックド・ル−
プ）回路５０に入力される。このＰＬＬ回路５０の出力
は１／Ｎカウンタ５１で分周されて入力に帰還され、こ
れにより周波数ｆ_s がＮ倍に拡大される。これ等の回路
は後述するように最大流量における渦周波数が低いとき
に精度を向上させるために用いられる。

【００２９】バイナリカウンタ５２には、ＰＬＬ回路５
０の出力Ｎ・ｆ_s とパルス発生回路５３から出力される
リセット信号Ｒｓが入力され、このリセット信号Ｒｓの
一定のパルス周期Ｔｓに対応して出力Ｎ・ｆ_s を２進数
化して、出力Ｑ１、Ｑ２、……、Ｑｎとして出力する。

【００３０】ラッチ回路５４には、バイナリカウンタ５
２の出力Ｑ１、Ｑ２、……、Ｑｎとクロック発生回路５
５からのクロック信号ＣＬＫが入力され、このクロック
信号ＣＬＫにより２進数化されたバイナリカウンタ５２
の出力Ｑ１、Ｑ２、……、Ｑｎをラッチしたり、出力端
に出力Ｄ１、Ｄ２、……Ｄｎとして出力したりする。

【００３１】非反転入力端（＋）が共通電位点ＣＯＭに
接続された可変ゲイン増幅器５６の反転入力端（−）と
出力端との間には、抵抗Ｒ_ｆが接続され、さらにこの反
転入力端（−）には加算回路２８からの出力ｅ₃ が抵抗
Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、……、Ｒ_n の直列回路を介して接続されて
いる。

【００３２】これ等の抵抗Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、……、Ｒ_n に
は、それぞれスイッチＳＷ₁ 、ＳＷ₂ 、……、ＳＷ_n が
並列に接続され、これ等のスイッチＳＷ₁ 、ＳＷ₂ 、…
…、ＳＷ_n はラッチ回路５４の出力Ｄ１、Ｄ２、……Ｄ
ｎがそれぞれインバ−タＧ₁ 、Ｇ₂ 、……、Ｇ_n で反転
されて印加され、その開閉が制御される。

【００３３】この様にして、可変ゲイン増幅器５６の反
転入力端（−）に接続される抵抗Ｒ ₁ 、Ｒ₂ 、……、Ｒ
_n と抵抗Ｒ_ｆで決定される増幅度で可変ゲイン増幅器５
６はその入力端に印加される加算回路２８からの出力ｅ
₁₀を検波整流回路４１に出力する。この増幅度は渦周波
数に反比例してデジタルの出力Ｄ１、Ｄ２、……Ｄｎに
より可変される。

【００３４】なお、図１においてＰＬＬ回路５０と１／
Ｎカウンタ５１により渦周波数ｆ_s をＮ倍にする点につ
いて以下に説明をする。例えば、バイナリカウンタ５２
が１０ビットの出力を持つとすると、０〜２０４７まで
２進数で表現することができる。最大流量のときの渦周
波数が低く、一定のパルス周期Ｔｓにシュミットトリガ
４５から出力されるパルスの数が２０４７より遥かに低
く、例えば５００程度だった場合に、このパルスをその
ままバイナリカウンタ５２に出力すると、上位２ビット
は使用されないことになる。つまり、増幅器５６のスイ
ッチＳＷ₉ 、ＳＷ ₁₀は作動しないこととなるので、分解
能が悪くなる。

【００３５】そこで、一定のパルス周期Ｔｓにバイナリ
カウンタ５２に入力されるパルスの数を増やして全ての
ビットを使用して分解能を向上させている。なお、パル
スの数を増やすにはリセット信号Ｒｓのパルス周期Ｔｓ
を大きくすることも考えられるが、この様にするとデ−
タの保持時間が長くなり、このためゲインを変更する周
期も長くなり、直線性が悪くなる。

【００３６】次に、以上のように構成された実施例の動
作について図２に示す波形図を用いて説明する。シュミ
ットトリガ４５の周波数ｆ_s を有するパルス信号Ｐ₁ は
ＰＬＬ回路５０に入力されてＮ倍され、これがバイナリ
カウンタ５２に入力される。バイナリカウンタ５２はリ
セット信号Ｒｓがハイレベルでリセットされるが、時刻
ｔ₀ でロ−レベル（図２（ａ））になると、ＰＬＬ回路
５０の出力Ｎｆ_s がデ−タ１としてバイナリカウンタ５
２に入力される（図２（ｂ））。バイナリカウンタ５２
はこのデ−タ１を２進数化してその出力端に出力Ｑ１、
Ｑ２、……、Ｑｎとしてデジタル出力する。

【００３７】ラッチ回路５４はクロック信号ＣＬＫがハ
イレベルの状態でこのデジタル出力Ｑ１、Ｑ２、……、
Ｑｎをラッチし、ロ−レベルで出力する。時刻ｔ₁ でロ
−レベルとなりその出力端に出力Ｄ１、Ｄ２、……Ｄｎ
として出力するが、時刻ｔ₂ でハイレベルとなりこれ等
をデ−タ１として保持する（図２（ｃ））。

【００３８】時刻ｔ₃ では、リセット信号Ｒｓがロ−レ
ベルになる（図２（ａ））ので、バイナリカウンタ５２
は同様にしてデ−タ２をカウントしてラッチ回路５４に
出力しているが、時刻ｔ₄ で、クロック信号ＣＬＫがロ
−レベルになり、ラッチ回路５４は対応する出力Ｄ１、
Ｄ２、……Ｄｎをその出力端にデ−タ２（図２（ｂ））
として出力する。時刻ｔ₅ でクロックＣＬＫがハイレベ
ルになりこのデ−タ２は保持される（図２（ｃ））。以
下、同様にしてこれ等の動作が繰り返される。

【００３９】このラッチ回路５４の出力Ｄ１、Ｄ２、…
…Ｄｎである２進化信号は、制御信号としてスイッチＳ
Ｗ₁ 、ＳＷ₂ 、……、ＳＷ_n を可変ゲイン増幅器５６の
増幅度が渦周波数に反比例するように開閉させる。

【００４０】

【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、渦周波数のパルスを２進数化して
これを可変ゲイン増幅器のスイッチの制御信号としてい
るので、誤差を生じる可能性は２進数化するときの変換
誤差だけであり、この種の質量流量計の重要な構成要素
である可変ゲイン手段での誤差が小さくなり、全体とし
て精度向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の要部構成を示すブロック図
である。

【図２】図１に示す実施例の動作を説明する波形図であ
る。

【図３】従来の第１の質量流量計の構成を示すブロック
図である。

【図４】図３に示すロ−パスフイルタの特性を示す第１
の特性図である。

【図５】図３に示すロ−パスフイルタの特性を示す第２
の特性図である。

【図６】従来の第２の質量流量計の構成を示すブロック
図である。

【図７】図６に示す可変ゲイン回路の詳細を示すブロッ
ク図である。

【図８】図７におけるアナログ／デジタル変換器の動作
状態を示す動作図である。

【図９】図７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である。

【符号の説明】

１７、２１ 圧電素子 １２ 渦発生体 ２５、２６ 電荷増幅器 ２８ 加算回路 ３９ ロ−パスフイルタ 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 ５０ ＰＬＬ回路 ５１ １／Ｎカウンタ ５２ バイナリカウンタ ５４ ラッチ回路 ５６ 増幅器

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回路ゲ
   インが前記渦信号の周波数に反比例して変化するデジタ
   ル制御信号により可変され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を２進化信号に
   変換する２進化変換手段と、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し、前記２進化信号を前
   記デジタル制御信号として出力することを特徴とする質
   量流量計。