JP3608617B2

JP3608617B2 - Vortex flow meter

Info

Publication number: JP3608617B2
Application number: JP2001376897A
Authority: JP
Inventors: 雅則本道; 敏彦岸
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2021-12-11
Also published as: JP2003177039A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、渦流量計に関し、詳しくは渦発生体に設けてある２つのセンサからの信号の位相を計算することにより信号とノイズを見分けたり、異常診断を行う渦流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術におけるカルマン渦流量計の渦検出部は、図６（Ａ）に示すように、渦発生体は管路に垂直に配置される。この管路に流れる被測定流体が渦発生体にぶつかるとカルマン渦が発生し、そのため渦発生体には交番的な揚力が加わって微小変形する。
【０００３】
渦発生体の上部には一対の第１及び第２圧電素子が上下方向に埋め込まれ、この第１及び第２圧電素子によって渦発生体の微小変形を検出する。単位時間に発生するカルマン渦の数は流速に比例するので、これによって被測定流体の流量を測定することができる。
【０００４】
この第１及び第２圧電素子は、カルマン渦による信号だけでなく、管路の振動などによって発生するノイズも検出する。図６（Ｂ）にカルマン渦信号の振動によるノイズの応力分布を示す。図中Ｓはカルマン渦による応力分布を示したものであり、Ｎは振動によるノイズの応力分布を示したものである。この図に示すように、これらの応力分布はかなり異なっている。
【０００５】
図中、Ｓ１、Ｎ１は第１圧電素子が検出する渦信号とノイズの応力、Ｓ２、Ｎ２は第２圧電素子が検出する渦信号とノイズの応力である。第１及び第２圧電素子はこれらの応力に応じた電荷を出力し、この電荷はチャージアンプによって電圧に変換される。
【０００６】
第１及び第２圧電素子の出力をそれぞれをＱ１、Ｑ２とすると、これらの電荷の値は下記（１）、（２）式で表すことができる。
尚、応力Ｓ１、Ｓ２、Ｎ１、Ｎ２による第１及び第２圧電素子の出力を同じ記号で表している。
Ｑ１＝Ｓ１＋Ｎ１…………式（１）
Ｑ２＝−Ｓ２−Ｎ２………式（２）
となる。
ここで、Ｓ１、Ｓ２は渦信号成分、Ｎ１、Ｎ２は振動ノイズ成分によって発生する電荷である。又、Ｓ２、Ｎ２に“−”の記号がついているが、これは位相が逆（逆相という）であることを示している。。
【０００７】
さて、上記示した式（２）にノイズ比λ＝Ｎ１／Ｎ２を乗算し、式（１）を加算すると、
Ｑ１＋（Ｎ１／Ｎ２）×Ｑ２＝Ｓ１＋Ｎ１−（Ｓ２＋Ｎ２）×（Ｎ１／Ｎ２）＝Ｓ１−（Ｎ１／Ｎ２）×Ｓ２………式（３）
が得られる。ここで、Ｓ１／Ｓ２≠Ｎ１／Ｎ２であり、且つＮ１／Ｎ２が既知であれば、前記式（３）からノイズ成分は除去されて渦信号成分（Ｓ１とＳ２）のみとなる。
【０００８】
そして、これらの渦信号成分と振動ノイズ成分は、第１及び第２圧電素子からの信号を複数の周波数バンドに分割してそれらのバンドの信号強度を出力する第１及び第２スペクトル分析器により得られた信号であり、
第１スペクトル分析器の出力信号／第２スペクトル分析器の出力信号≧最小信号比
が満足すれば信号と判定し、
第１スペクトル分析器の出力信号／第２スペクトル分析器の出力信号＜最小信号比
が満足すればノイズと判定する。
この最小信号比は、予め決められたもので、管路の口径によって異なり、例えば口径が５０Ａの場合は１．１の値を用いる
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術で説明した渦流量計において、上側の第１圧電素子の出力と下側の第２圧電素子の出力の位相は逆という前提にたって、上記に示す式（３）が成り立っている。
【００１０】
揚力方向の振動に対しては、２つの第１及び第２圧電素子からの出力の位相が逆になっていて、上記の式（３）が成立するが抗力方向や垂直方向の振動ノイズに対する第１及び第２圧電素子からの出力は逆相にならない場合がある。このときのノイズ比は最小信号比以下になる場合もあり、式（３）を実施しても、ノイズ成分がキャンセルされずに残ってしまうという問題がある。
【００１１】
従って、第１及び第２圧電素子からの出力が渦信号出力かノイズかを判定するときに、スペクトル分析器の出力比だけでなく、２つの第１及び第２圧電素子の出力の位相を判断してから、逆相の場合に渦信号かノイズかの判定に用いられる手法及び装置に解決しなければならない課題を有する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明に係る渦流量計は、次に示す構成にすることである。
【００１３】
（１）渦流量計は、渦発生体と、該渦発生体によって発生する渦信号を検出する２つの検出部と、該２つの検出部の出力信号のそれぞれを複数の周波数バンドに分割してそれらのバンドの信号強度を出力する第１及び第２スペクトル分析部と、該第１及び第２スペクトル分析部の出力信号からノイズ比を決定するノイズ比演算部と、該ノイズ比演算部で演算したノイズ比が入力され前記２つの検出部の出力信号をこのノイズ比の比率で加算する加算部と、該加算部で加算された出力信号を入力して複数の周波数バンドに分割し、それらのバンドの信号強度を求め、該求めた信号強度が予め定められた感度曲線より大きいバンドを信号成分のバンドとする第３スペクトル分析部と、前記ノイズ比の正負に従って、前記第１、第２及び第３スペクトル分析部の出力信号の大きさを比較して、前記２つの検出部の出力信号の位相を検出し、該検出された位相が逆相の場合は渦信号とし、同相の場合はノイズと判定する位相検出手段と、該位相検出手段により渦信号と判定されたときに、前記加算部の出力に基づいて流量値を求めると共に、前記ノイズ比演算部は前記各バンドの前記２つの検出部の信号強度が最大のバンドの信号強度の比をノイズ比として前記加算部に出力するようにしたことである。又、前記加算部の出力信号が入力されるバンドパスフィルタを有し、該バンドパスフィルタは前記第３スペクトル分析部で信号成分と判定したバンドの信号のみを通過させるようにし、該バンドパスフィルタの出力信号から流量値を算出すること；前記ノイズ比演算部は、信号成分と判定されたバンドの信号の信号強度の比が予め定められた詰まり判定比以下であるときに詰まり警報を報知するようにしたこと；前記ノイズ比演算部は、ノイズと判定されたバンドにおける前記加算部の出力信号の信号強度が予め定められた異常振動判定第１の閾値より小さい場合又は異常振動判定第２の閾値より大きい場合には異常振動アラームを報知するようにしたことである。
【００１４】
このように、２つの検出部で得られた渦信号をスペクトル分析してノイズ成分と信号成分とを分離すると共に、その分離した信号の位相を求め、逆相の信号のみから流量値を求めるようにしたことにより、渦発生体に生じる揚力以外の抗力方向や垂直方向の振動ノイズを検出することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る渦流量計の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明に係る渦流量計は、図１に示すように、管路１１内に被測定流体の流れ方向に対して直交する方向に渦発生体１２を配置し、その配置された渦発生体１２には、上限及び下限の関係で配設されている第１及び第２圧電素子１３、１４と、これらの第１及び第２圧電素子１３、１４からの電荷信号を入力して電圧に変換し、第１及び第２デジタル信号にして出力する電荷―デジタル変換部１５と、第１及び第２デジタル信号をスペクトル分析して第１及び第２スペクトル信号を生成する第１及び第２スペクトル分析部２１、２２からなるスペクトル分析部２０と、第１及び第２デジタル信号を第１及び第２スペクトル信号の比に基づいて加算し、タイミング信号を生成する信号処理部２３と、第１及び第２スペクトル分析部からの信号に対してタイミング信号によるタイミングで信号処理するＣＰＵからなる制御部３０とから構成されている。
【００１７】
電荷―デジタル変換部１５は、第１圧電素子１３からの渦信号をアナログの電圧信号に変換する第１チャージコンバータ１６と、この電圧信号を第１デジタル信号に変換する第１Ａ／Ｄコンバータ１７と、第２圧電素子１４からの渦信号をアナログの電圧信号に変換する第２チャージコンバータ１８と、この電圧信号を第２デジタル信号に変換する第２Ａ／Ｄコンバータ１９とからなる。
【００１８】
スペクトル分析部２０は、第１圧電素子１３の渦信号から生成された第１デジタル信号を複数の周波数のバンドに分解し、各バンドの信号強度からなる第１スペクトル信号を出力する第１スペクトル分析器２１と、第２圧電素子１４の渦信号から生成された第２デジタル信号を複数の周波数のバンドに分解し、各バンドの信号強度からなる第２スペクトル信号を出力する第２スペクトル分析器２２とから構成されている。
【００１９】
信号処理部２３は、第１及び第２圧電素子１３、１４からの渦信号から生成された第１及び第２デジタル信号を入力し、制御部３０で生成するノイズ比λを用いて下記に示す式の演算を行って演算信号を生成する加算器２４と、この加算器２４の演算信号のスペクトルを分析して第３スペクトル信号を生成する第３スペクトル分析器２５と、この第３スペクトル信号によりバンドパスフィルタの通過周波数帯域を設定するバンドパスフィルタコントローラ２６と、バンドパスフィルタコントローラ２６による通過周波数帯域の設定により、加算器２４で生成された演算信号のうちこの周波数帯域のみの信号を通過させるバンドパスフィルタ２７と、このバンドパスフィルタ２７を通過した信号をパルス信号に生成するシュミットトリガ２８と、シュミットトリガ２８で生成されたパルス信号に基づいてカウンタを計数するカウンタ２９とからなる。ここで、図１に示すように、シュミットトリガ２８で生成された信号は略サイン波形になっており、シュミットトリガ２８から生成された信号はパルス波形になっている。このシュミットトリガ２８からの矩形波信号はカウンタ２９でカウントされ、カウンタ２９のカウント値は制御部３０のＣＰＵに入力されて流量信号の演算に利用される。
【００２０】
第３スペクトル分析器（及びバンドパスフィルタ）は、図５に示すように、所定の周波数でプロットしたＳＢ１〜ＳＢ６の各バンドに対する渦信号及びノイズの信号強度を表し、その信号強度が右肩上がりの感度曲線よりも強ければ渦信号とし、弱ければノイズとして判定するものである。図５（Ａ）はノイズが重畳した渦信号の波形、図５（Ｂ）は第３スペクトル分析器で図５（Ａ）の信号をスペクトル分析した結果である。図５（Ｂ）の横軸は数目盛でプロットした周波数であり、ここではＳＢ１〜ＳＢ６の６つのバンドに分割されている。又、同図の縦軸は各バンドにおける信号の強度である。右肩上がりの直線は感度曲線であり、信号の検出感度を表す。周波数が高くなるに従って、検出感度は高くなる傾向がある。この感度曲線は渦発生体１２及び第１及び第２圧電素子１３、１４の特性から予め求めることができるものである。
【００２１】
そして、信号強度がこの感度曲線より高いバンドを渦信号のバンドとし、そのバンドだけ通過させるようにバンドパスフィルタの特性を設定する。図５においてはＳＢ２のバンドの信号強度が最大であるが感度曲線より下なので、信号強度が感度曲線を超えているＳＢ５のバンドが渦信号であると判定する。
図５（Ｃ）は、このようにして設定されたバンドパスフィルタの特性を示したもので、ＳＢ５のバンドのみ通過させる特性を示したものである。図５（Ｄ）はバンドパスフィルタの出力であり、ノイズが除去されているのが解る。
【００２２】
ここで、信号強度が感度曲線よりも高いバンドが複数あると、信号強度が最大のバンドを渦信号のバンドとして、そのバンドのみ通過させるようにバンドパスフィルタの特性を設定する。尚、大きな異常振動が発生した場合には、ノイズのバンドを信号のバンドと誤判定する場合も考えられるが、このときは異常振動アラームを出力して喚起させることができる。
【００２３】
図１に戻って、制御部３０は、スペクトル分析部２０で得られた第１及び第２スペクトル信号を入力して、その比からノイズ比λを演算するノイズ比演算部３２と、このノイズ比λが逆相か同相かを検出する位相検出部３１とを備えた構成になっている。
【００２４】
位相検出部３１は、上側の第１圧電素子１３の渦信号をスペクトル分析した絶対値の第１スペクトル信号と、下側の第２圧電素子１４の電荷信号をスペクトル分析した絶対値の第２スペクトル信号と、加算器２４にて加算した結果をスペクトル分析した絶対値の第３スペクトル信号と、第１及び第２スペクトル信号の比から生成された負数も考慮したノイズ比λを用いて第１及び第２圧電素子１３、１４の位相関係を判定するものである。
【００２５】
このような構成からなる渦流量計の動作について、図１を参照して図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００２６】
先ず、第１及び第２圧電素子１３、１４からの電荷信号を電圧に変換して第１及び第２デジタル信号を取得し、この第１及び第２デジタル信号を入力して、ノイズ成分と信号成分（Ｎ１とＳ１、Ｎ２とＳ２）からなる第１及び第２スペクトル信号を出力する（ステップＳＴ１１）。
【００２７】
次に、この第１及び第２スペクトル信号のうち、ノイズ成分（Ｎ１、Ｎ２）の比をとることによりノイズ比λを算出する（ステップＳＴ１２）。
【００２８】
そして、このノイズ比λ成分から逆相又は同相であるかを検出する（ステップＳＴ１３）。この逆相又は同相であるかの判定については、図３に示すフローチャートを用いて、以下説明する。
【００２９】
先ず、ノイズ比λの比が正である場合には、次に、
第１スペクトル信号Ｓ１≧（ノイズ比λ×第２スペクトル信号Ｓ２）
が満足するかどうかをチェックする（ステップＳＴ３１、ＳＴ３２）。
【００３０】
ステップＳＴ３２において、上記条件が満足する場合には、次に
第１スペクトル信号Ｓ１≧第３スペクトル信号Ｓ３
が満足するかどうかをチェックし、満足する場合には第１及び第２圧電素子１３、１４からの電荷信号は逆相であり、満足しなければ同相である（ステップＳＴ３３、ＳＴ３４、ＳＴ３５）。
【００３１】
ステップＳＴ３２において、上記条件が満足しない場合には、次に
（ノイズ比λ×第１スペクトル信号Ｓ２）≧第３スペクトル信号Ｓ３
が満足するかどうかをチェックし、満足する場合には第１及び第２圧電素子１３、１４からの電荷信号は逆相であり、満足しなければ同相である（ステップＳＴ３６、ＳＴ３７、ＳＴ３８）。
【００３２】
ステップＳＴ３１において、ノイズ比λの符号が負（−）の場合には、−λをλ’として、
第１スペクトル信号Ｓ１≧（λ’×第２スペクトル信号Ｓ２）
が満足するかどうかをチェックする（ステップＳＴ３９、ＳＴ４０）。
【００３３】
ステップＳＴ４０において、上記条件が満足した場合には、次に、
第１スペクトル信号Ｓ１≧第３スペクトル信号Ｓ３
が満足するかどうかをチェックし、満足する場合には逆相と判断し、満足しない場合には同相と判断する（ステップＳＴ４１、ＳＴ４２、ＳＴ４３）。
【００３４】
ステップＳＴ４０において、上記条件が満足しない場合には、次に、
（ノイズ比λ’×第２スペクトル信号Ｓ２）≧第３スペクトル信号Ｓ３
が満足するかどうかをチェックし、満足する場合には逆相と判断し、満足しない場合には同相と判断する（ステップＳＴ４４、ＳＴ４５、ＳＴ４６）。
【００３５】
このようにして、上側の第１圧電素子１３と下側の第２圧電素子１４と位相関係が判り、その位相情報を得ることができ、これは信号かノイズかの判定がより正確にできるようになる。
【００３６】
即ち、第１及び第２圧電素子１３、１４からの渦信号が必ず逆相ということが判っている場合、位相が同相であると判定された場合には、
ノイズ比λ＝第１スペクトル信号Ｎ１／第２スペクトル信号Ｎ２
の値に拘わらず、ノイズであるという判定が可能となり、抗力、垂直方向の振動のノイズに対しても対処可能になる。
例えば、同相のノイズが発生して、第１及び第２圧電素子１３、１４からの渦信号が、
Ｑ１＝Ｓ１＋Ｎ１…………式（４）
Ｑ２＝−Ｓ２＋Ｎ２………式（５）
であった場合に、ノイズ成分であるＮ１とＮ２が同相であると判断できて、ノイズ比λとしてーＮ１／Ｎ２を設定すれば、「式（４）＋λ×式（５）」は、

となり、ノイズ成分をキャンセルできる。
【００３７】
図２のステップＳＴ１４に戻って、同相でなく、逆相の場合には、正常な状態であると判断し、次に渦信号又はノイズの判定を行う（ステップＳＴ１４、ＳＴ１５）。
【００３８】
ステップＳＴ１４において、ノイズ比が同相である場合にはノイズであると判定して、異常振動の判定を行う（ステップＳＴ１６）。ステップＳＴ１５においても、ノイズと判定した場合には、ステップＳＴ１６にゆき、異常振動の判定を行う。
異常振動であるかの判定は、加算器２４の出力によって行う。制御部３０がノイズのバンドと判定したバンドの信号強度が感度曲線より大きく第１閾値Ｔ１より小さいか、信号強度が第２閾値Ｔ２より大きいと、異常振動と判定する。第２閾値Ｔ２は第１閾値Ｔ１より大きい値であり、これらの値は予め定める。
【００３９】
ステップＳＴ１６にて、異常振動であると判定されたならば、異常振動アラームをオンして報知し、異常振動なしの場合には、再度ノイズ比の計算を行い、ノイズ比を加算器２４に設定する（ステップＳＴ１７、ＳＴ１８）。
【００４０】
ステップＳＴ１５において、ノイズではなく、信号成分、即ち、渦信号である場合には、次に詰まりの判定を行う（ステップＳＴ１９）。
【００４１】
実際の信号とノイズの判定及び詰まりの判定について、図４を参照して説明する。図４におけるグラフにおいて、縦軸は第１スペクトル分析器２１と第２スペクトル分析器２２の出力比λ、横軸は詰まりの程度を表す。ＳＰ１、ＮＰ１は第１スペクトル分析器の出力信号であり、渦信号とノイズを表している。同様に、ＳＰ２、ＮＰ２は第２スペクトル分析器２２の出力信号であり、渦信号とノイズを表している。
【００４２】
これらのＳＰ１、ＮＰ１及びＳＰ２、ＮＰ２は、それぞれ図６で示した応力Ｓ１、Ｓ２及びＮ１、Ｎ２に対応している。この図から解るように、渦信号（Ｓ１、Ｓ２）の場合は、第１圧電素子１３が検出する応力Ｓ１のほうが第２圧電素子１４が検出する応力Ｓ２より大きくなり、ノイズ（Ｎ１、Ｎ２）の場合は同程度か第２圧電素子１４が検出するノイズＮ２のほうが大きくなる。
【００４３】
又、第１圧電素子１３の出力は第１スペクトル分析器２１の出力に対応し、第２圧電素子１４の出力は第２スペクトル分析器２２の出力に対応するため、信号成分は第１スペクトル分析器２１の出力信号のほうが第２スペクトル分析器２２の出力信号よりも大きく、ノイズ成分は同程度か第２スペクトル分析器２２の出力信号が大きくなる。従って、図４の縦軸である「第１スペクトル分析器２１の出力信号／第２スペクトル分析器２２の出力信号」が１．０より大きいと信号成分、小さいとノイズ成分と判定することができるのである。実際には、予め決められた最小信号比よりもこの比が大きいと信号と判定し、小さいとノイズと判定するようにする。この最小信号比は管路１１の口径によって異なり、例えば、口径が５０Ａの場合は１．１の値を用いる。
【００４４】
そして、図４に示すように、詰まりが大きくなるに従って信号成分の比ＳＰ１／ＳＰ２は低下する傾向を示す。そのため、詰まり判定比を設定し、ＳＰ１／ＳＰ２がこの値よりも小さくなると、詰まりが発生していると判定するようにしている。
【００４５】
図２に示す、ステップＳＴ１９に戻って、詰まりがあると判定されたならば、詰まり有りのアラームをオンして報知する（ステップＳＴ２０）。
【００４６】
詰まりがない場合には、次に、ノイズの有るバンドの検出を行う（ステップＳＴ２１）。
【００４７】
ここで、ノイズ比の計算を行い、ノイズ比を加算器２４へ設定する（ステップＳＴ２２、ＳＴ２３）。
【００４８】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明の渦流量計は、渦発生体の設けてある２つの検出部で検出した信号の位相を検出し、同相の場合にはノイズとして処理するようにしたため、通常の逆相を前提として被測定流体による揚力方向の渦信号とノイズを検出することに加えて、抗力方向や垂直方向の振動ノイズも検出できるため、ノイズの判定がより正確にできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の渦流量計の構成を略示的に示したブロック図である。
【図２】同動作を示したフローチャートである。
【図３】同逆相／同相を検出するための動作を示したフローチャートである。
【図４】同詰まりの判定をするためのグラフである。
【図５】同スペクトル分析からバンドパスフィルタを通過する帯域を検出するためのグラフである。
【図６】同渦発生体に備えた２つの圧電素子による応力分布を示した説明図である。
【符号の説明】
１１管路
１２渦発生体
１３第１圧電素子
１４第２圧電素子
１５電荷―デジタル変換部
１６第１チャージアンプ
１７第１Ａ／Ｄコンバータ
１８第２チャージアンプ
１９第２Ａ／Ｄコンバータ
２０スペクトル分析部
２１第１スペクトル分析部
２２第２スペクトル分析部
２３信号処理部
２４加算器
２５第３スペクトル分析器
２６バンドパスフィルタコントローラ
２７バンドパスフィルタ
２８シュミットトリガ
２９カウンタ
３０制御部
３１ノズル演算部
３２同相／逆相検出部
３３出力回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vortex flowmeter, and more particularly, to a vortex flowmeter that distinguishes signals from noise by calculating the phases of signals from two sensors provided in a vortex generator, and performs abnormality diagnosis.
[0002]
[Prior art]
In the vortex detector of the Karman vortex flowmeter in the prior art, as shown in FIG. 6A, the vortex generator is arranged perpendicular to the pipe. When the fluid to be measured flowing in this pipe collides with the vortex generator, a Karman vortex is generated. Therefore, the vortex generator is subjected to an alternating lift and is deformed minutely.
[0003]
A pair of first and second piezoelectric elements are embedded vertically in the upper portion of the vortex generator, and minute deformation of the vortex generator is detected by the first and second piezoelectric elements. Since the number of Karman vortices generated per unit time is proportional to the flow velocity, it is possible to measure the flow rate of the fluid to be measured.
[0004]
The first and second piezoelectric elements detect not only signals due to Karman vortices, but also noise generated by vibrations of the pipes. FIG. 6B shows the stress distribution of noise due to the vibration of the Karman vortex signal. In the figure, S represents the stress distribution due to Karman vortices, and N represents the noise stress distribution due to vibration. As shown in this figure, these stress distributions are quite different.
[0005]
In the figure, S1 and N1 are vortex signals and noise stresses detected by the first piezoelectric element, and S2 and N2 are vortex signals and noise stresses detected by the second piezoelectric element. The first and second piezoelectric elements output charges corresponding to these stresses, and the charges are converted into voltages by the charge amplifier.
[0006]
Assuming that the outputs of the first and second piezoelectric elements are Q1 and Q2, respectively, the values of these charges can be expressed by the following equations (1) and (2).
In addition, the output of the 1st and 2nd piezoelectric element by stress S1, S2, N1, and N2 is represented by the same symbol.
Q1 = S1 + N1 ............ Formula (1)
Q2 = −S2−N2 Formula (2)
It becomes.
Here, S1 and S2 are vortex signal components, and N1 and N2 are charges generated by vibration noise components. In addition, a symbol “−” is attached to S2 and N2, which indicates that the phase is reversed (referred to as reversed phase). .
[0007]
Now, when the above equation (2) is multiplied by the noise ratio λ = N1 / N2, and the equation (1) is added,
Q1 + (N1 / N2) * Q2 = S1 + N1- (S2 + N2) * (N1 / N2) = S1- (N1 / N2) * S2 (3)
Is obtained. Here, if S1 / S2 ≠ N1 / N2 and N1 / N2 is known, the noise component is removed from the equation (3) and only the vortex signal components (S1 and S2) are obtained.
[0008]
These vortex signal components and vibration noise components are divided by the first and second spectrum analyzers that divide the signals from the first and second piezoelectric elements into a plurality of frequency bands and output the signal intensities of those bands. The resulting signal,
If the output signal of the first spectrum analyzer / output signal of the second spectrum analyzer ≧ minimum signal ratio is satisfied, it is determined as a signal,
If the output signal of the first spectrum analyzer / the output signal of the second spectrum analyzer <minimum signal ratio is satisfied, it is determined as noise.
This minimum signal ratio is determined in advance and varies depending on the diameter of the pipe line. For example, when the diameter is 50 A, a value of 1.1 is used.
[Problems to be solved by the invention]
However, in the vortex flowmeter described in the related art, the expression (3) shown above is established on the assumption that the phase of the output of the upper first piezoelectric element and the output of the lower second piezoelectric element are opposite. .
[0010]
With respect to vibration in the lift direction, the phases of the outputs from the two first and second piezoelectric elements are reversed, and the above equation (3) is established, but the first against the vibration noise in the drag direction and the vertical direction. The outputs from the first and second piezoelectric elements may not be out of phase. The noise ratio at this time may be less than the minimum signal ratio, and there is a problem that the noise component remains without being canceled even if Expression (3) is performed.
[0011]
Therefore, when determining whether the output from the first and second piezoelectric elements is a vortex signal output or noise, not only the output ratio of the spectrum analyzer but also the phases of the outputs of the two first and second piezoelectric elements are determined. Then, there is a problem to be solved by a technique and apparatus used for determining whether the signal is a vortex signal or noise in the case of reverse phase.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the vortex flowmeter according to the present invention is configured as follows.
[0013]
(1) The vortex flowmeter divides each of the vortex generator, the two detection units for detecting the vortex signal generated by the vortex generator, and the output signals of the two detection units into a plurality of frequency bands. The first and second spectrum analyzers that output the signal intensities of those bands, the noise ratio calculator that determines the noise ratio from the output signals of the first and second spectrum analyzers, and the noise ratio calculator The added noise ratio is input and the output signal of the two detection units is added at the ratio of the noise ratio, and the output signal added by the addition unit is input and divided into a plurality of frequency bands, A signal intensity of the band is obtained, a third spectrum analysis unit that uses a band whose signal intensity is greater than a predetermined sensitivity curve as a signal component band, and the first, second, and Third spec The phase of the output signals of the two detectors is detected by comparing the magnitudes of the output signals of the two analyzers. If the detected phases are out of phase, a vortex signal is detected, and if they are in phase, it is determined as noise. A phase detection unit that determines a flow rate value based on an output of the addition unit when the phase detection unit determines that the vortex signal is detected by the phase detection unit, and the noise ratio calculation unit includes the two detection units of each band. The ratio of the signal intensity of the band having the maximum signal intensity is output to the adding unit as a noise ratio. A band-pass filter to which the output signal of the adder is input; the band-pass filter passes only a signal of a band determined as a signal component by the third spectrum analyzer; The noise ratio calculation unit issues a clogging alarm when the ratio of the signal intensities of the band signals determined to be signal components is equal to or less than a predetermined clogging determination ratio. The noise ratio calculation unit is configured to detect a case where the signal strength of the output signal of the addition unit in a band determined to be noise is smaller than a predetermined abnormal vibration determination first threshold or an abnormal vibration determination second. If it is larger than the threshold, an abnormal vibration alarm is notified.
[0014]
In this way, the vortex signals obtained by the two detectors are spectrally analyzed to separate the noise component and the signal component, and the phase of the separated signal is obtained, and the flow rate value is obtained only from the opposite-phase signal. By doing so, it becomes possible to detect the vibration noise in the drag direction and the vertical direction other than the lift generated in the vortex generator.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of a vortex flowmeter according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
In the vortex flowmeter according to the present invention, as shown in FIG. 1, a vortex generator 12 is arranged in a pipe 11 in a direction orthogonal to the flow direction of the fluid to be measured, and the arranged vortex generator 12 is arranged. The first and second piezoelectric elements 13 and 14 arranged in the relationship between the upper limit and the lower limit, and charge signals from the first and second piezoelectric elements 13 and 14 are input and converted into a voltage. A charge-to-digital converter 15 that outputs the first and second digital signals, and a first and second spectrum analyzer that generates the first and second spectrum signals by performing spectrum analysis on the first and second digital signals. 21 and 22, a signal processing unit 23 that adds the first and second digital signals based on the ratio of the first and second spectral signals to generate a timing signal, and the first and second digital signals. For signals from the spectrum analyzer And a control unit 30 for a CPU to signal processing at the timing according to the timing signals.
[0017]
The charge-digital converter 15 includes a first charge converter 16 that converts the vortex signal from the first piezoelectric element 13 into an analog voltage signal, and a first A / D converter 17 that converts the voltage signal into a first digital signal. The second charge converter 18 converts the vortex signal from the second piezoelectric element 14 into an analog voltage signal, and the second A / D converter 19 converts the voltage signal into a second digital signal.
[0018]
The spectrum analysis unit 20 decomposes the first digital signal generated from the vortex signal of the first piezoelectric element 13 into a plurality of frequency bands, and outputs a first spectrum signal composed of the signal intensity of each band. And a second spectrum analyzer 22 that decomposes the second digital signal generated from the vortex signal of the second piezoelectric element 14 into a plurality of frequency bands and outputs a second spectrum signal having the signal intensity of each band. It consists of and.
[0019]
The signal processing unit 23 receives the first and second digital signals generated from the vortex signals from the first and second piezoelectric elements 13 and 14 and uses the noise ratio λ generated by the control unit 30 to be described below. An adder 24 that performs an arithmetic operation to generate a calculation signal, a third spectrum analyzer 25 that analyzes a spectrum of the calculation signal of the adder 24 to generate a third spectrum signal, and a third spectrum signal A band-pass filter controller 26 that sets a pass frequency band of the band-pass filter, and a pass-frequency band set by the band-pass filter controller 26 allows a signal of only this frequency band to pass through the calculation signal generated by the adder 24. A band-pass filter 27 and a Schmitt trigger 28 for generating a signal that has passed through the band-pass filter 27 as a pulse signal; Consisting counter 29 for counting the counter based on the pulse signal generated by Schmitt trigger 28. Here, as shown in FIG. 1, the signal generated by the Schmitt trigger 28 has a substantially sine waveform, and the signal generated from the Schmitt trigger 28 has a pulse waveform. The rectangular wave signal from the Schmitt trigger 28 is counted by the counter 29, and the count value of the counter 29 is input to the CPU of the control unit 30 and used for the calculation of the flow rate signal.
[0020]
As shown in FIG. 5, the third spectrum analyzer (and bandpass filter) represents the signal strength of the vortex signal and noise for each band of SB1 to SB6 plotted at a predetermined frequency, and the signal strength rises to the right. If it is stronger than the sensitivity curve, it is determined as a vortex signal, and if it is weaker, it is determined as noise. FIG. 5A shows the waveform of the vortex signal on which noise is superimposed, and FIG. 5B shows the result of spectral analysis of the signal of FIG. 5A by the third spectrum analyzer. The horizontal axis of FIG. 5B is the frequency plotted on several scales, and is divided into six bands SB1 to SB6 here. In addition, the vertical axis in the figure represents the signal intensity in each band. The straight line that rises to the right is a sensitivity curve and represents the detection sensitivity of the signal. As the frequency increases, the detection sensitivity tends to increase. This sensitivity curve can be obtained in advance from the characteristics of the vortex generator 12 and the first and second piezoelectric elements 13 and 14.
[0021]
A band having a signal intensity higher than the sensitivity curve is defined as a vortex signal band, and the characteristics of the bandpass filter are set so that only the band passes. In FIG. 5, since the signal intensity of the band of SB2 is maximum but below the sensitivity curve, it is determined that the band of SB5 whose signal intensity exceeds the sensitivity curve is a vortex signal.
FIG. 5C shows the characteristics of the band-pass filter set in this way, and shows the characteristics of passing only the band of SB5. FIG. 5D shows the output of the bandpass filter, and it can be seen that noise is removed.
[0022]
Here, when there are a plurality of bands whose signal intensity is higher than the sensitivity curve, the band pass filter characteristics are set so that the band having the maximum signal intensity is set as the band of the vortex signal and only that band is passed. When a large abnormal vibration occurs, a noise band may be erroneously determined as a signal band. In this case, an abnormal vibration alarm can be output and aroused.
[0023]
Returning to FIG. 1, the control unit 30 receives the first and second spectrum signals obtained by the spectrum analysis unit 20, calculates a noise ratio λ from the ratio, and this noise ratio. The phase detection unit 31 detects whether λ is in reverse phase or in phase.
[0024]
The phase detection unit 31 includes an absolute value first spectrum signal obtained by spectrum analysis of the vortex signal of the upper first piezoelectric element 13 and an absolute value second spectrum obtained by spectrum analysis of the charge signal of the lower second piezoelectric element 14. The first and second noise ratios λ using the negative number generated from the ratio of the first spectral signal and the third spectral signal of the absolute value obtained by spectral analysis of the signal and the result of addition by the adder 24 are analyzed. The phase relationship between the second piezoelectric elements 13 and 14 is determined.
[0025]
The operation of the vortex flowmeter having such a configuration will be described based on the flowchart shown in FIG. 2 with reference to FIG.
[0026]
First, the charge signals from the first and second piezoelectric elements 13 and 14 are converted into voltages to obtain first and second digital signals, and the first and second digital signals are input to input noise components and signals. First and second spectrum signals composed of components (N1 and S1, N2 and S2) are output (step ST11).
[0027]
Next, the noise ratio λ is calculated by taking the ratio of the noise components (N1, N2) of the first and second spectrum signals (step ST12).
[0028]
And it is detected from this noise ratio (lambda) component whether it is a reverse phase or an in-phase (step ST13). The determination of whether the phase is the opposite phase or the same phase will be described below using the flowchart shown in FIG.
[0029]
First, if the ratio of the noise ratio λ is positive, then
First spectrum signal S1 ≧ (noise ratio λ × second spectrum signal S2)
Is satisfied (steps ST31 and ST32).
[0030]
If the above condition is satisfied in step ST32, then the first spectrum signal S1 ≧ the third spectrum signal S3
If satisfied, the charge signals from the first and second piezoelectric elements 13 and 14 are in reverse phase, and if not satisfied, they are in phase (steps ST33, ST34 and ST35).
[0031]
If the above condition is not satisfied in step ST32, then (noise ratio λ × first spectrum signal S2) ≧ third spectrum signal S3
If satisfied, the charge signals from the first and second piezoelectric elements 13 and 14 are in reverse phase, and if not satisfied, they are in phase (steps ST36, ST37, ST38).
[0032]
In step ST31, when the sign of the noise ratio λ is negative (−), −λ is set as λ ′.
First spectrum signal S1 ≧ (λ ′ × second spectrum signal S2)
Is satisfied (steps ST39 and ST40).
[0033]
If the above condition is satisfied in step ST40, then,
First spectrum signal S1 ≧ third spectrum signal S3
Is satisfied, if it is satisfied, it is determined to be in the opposite phase, and if it is not satisfied, it is determined to be in phase (steps ST41, ST42, ST43).
[0034]
In step ST40, if the above condition is not satisfied,
(Noise ratio λ ′ × second spectrum signal S2) ≧ third spectrum signal S3
Is satisfied, if it is satisfied, it is determined to be in the opposite phase, and if not satisfied, it is determined to be in phase (steps ST44, ST45, ST46).
[0035]
In this way, the phase relationship between the upper first piezoelectric element 13 and the lower second piezoelectric element 14 can be determined, and the phase information can be obtained, so that it can be more accurately determined whether it is a signal or noise. become.
[0036]
That is, when it is known that the vortex signals from the first and second piezoelectric elements 13 and 14 are always in reverse phase, when it is determined that the phase is in phase,
Noise ratio λ = first spectrum signal N1 / second spectrum signal N2
Regardless of the value, it is possible to determine that it is noise, and it is also possible to deal with drag and vertical vibration noise.
For example, in-phase noise is generated, and vortex signals from the first and second piezoelectric elements 13 and 14 are
Q1 = S1 + N1 ............ Formula (4)
Q2 = -S2 + N2 ..... Formula (5)
If the noise components N1 and N2 are in phase, and −N1 / N2 is set as the noise ratio λ, “expression (4) + λ × expression (5)”

Thus, the noise component can be canceled.
[0037]
Returning to step ST14 in FIG. 2, if the phase is not the same but the opposite phase, it is determined that the state is normal, and then the vortex signal or noise is determined (steps ST14 and ST15).
[0038]
In step ST14, when the noise ratio is in phase, it is determined that the noise is noise, and abnormal vibration is determined (step ST16). Also in step ST15, when it is determined that the noise is detected, the process goes to step ST16 to determine abnormal vibration.
The determination of abnormal vibration is made based on the output of the adder 24. If the signal intensity of the band determined as the noise band by the control unit 30 is larger than the sensitivity curve and smaller than the first threshold T1, or if the signal intensity is larger than the second threshold T2, it is determined as abnormal vibration. The second threshold value T2 is larger than the first threshold value T1, and these values are predetermined.
[0039]
If it is determined in step ST16 that the vibration is abnormal, the abnormal vibration alarm is turned on to notify, and if there is no abnormal vibration, the noise ratio is calculated again and the noise ratio is set in the adder 24. (Steps ST17 and ST18).
[0040]
In step ST15, when it is not a noise but a signal component, that is, a vortex signal, clogging is next determined (step ST19).
[0041]
The actual signal and noise determination and clogging determination will be described with reference to FIG. In the graph in FIG. 4, the vertical axis represents the output ratio λ of the first spectrum analyzer 21 and the second spectrum analyzer 22, and the horizontal axis represents the degree of clogging. SP1 and NP1 are output signals of the first spectrum analyzer and represent vortex signals and noise. Similarly, SP2 and NP2 are output signals of the second spectrum analyzer 22 and represent vortex signals and noise.
[0042]
These SP1, NP1 and SP2, and NP2 correspond to the stresses S1 and S2 and N1 and N2 shown in FIG. 6, respectively. As can be seen from this figure, in the case of the vortex signal (S1, S2), the stress S1 detected by the first piezoelectric element 13 is larger than the stress S2 detected by the second piezoelectric element 14, and noise (N1, N2) In this case, the noise N2 detected by the second piezoelectric element 14 is approximately the same or larger.
[0043]
Further, since the output of the first piezoelectric element 13 corresponds to the output of the first spectrum analyzer 21 and the output of the second piezoelectric element 14 corresponds to the output of the second spectrum analyzer 22, the signal component is the first spectrum analysis. The output signal of the analyzer 21 is larger than the output signal of the second spectrum analyzer 22, and the noise component is the same or the output signal of the second spectrum analyzer 22 is increased. Therefore, if the “output signal of the first spectrum analyzer 21 / output signal of the second spectrum analyzer 22” on the vertical axis in FIG. 4 is larger than 1.0, it can be determined as a signal component, and if it is smaller, it can be determined as a noise component. It is. Actually, if this ratio is larger than a predetermined minimum signal ratio, it is determined as a signal, and if it is smaller, it is determined as noise. This minimum signal ratio varies depending on the diameter of the pipe line 11. For example, when the diameter is 50A, a value of 1.1 is used.
[0044]
As shown in FIG. 4, the signal component ratio SP1 / SP2 tends to decrease as clogging increases. Therefore, a clogging judgment ratio is set, and when SP1 / SP2 becomes smaller than this value, it is judged that clogging has occurred.
[0045]
Returning to step ST19 shown in FIG. 2, if it is determined that there is a clog, the clogged alarm is turned on to notify (step ST20).
[0046]
If there is no clogging, next, a noisy band is detected (step ST21).
[0047]
Here, the noise ratio is calculated, and the noise ratio is set in the adder 24 (steps ST22 and ST23).
[0048]
【The invention's effect】
As described above, the vortex flowmeter of the present invention detects the phase of the signal detected by the two detection units provided with the vortex generator, and treats it as noise in the case of the same phase. In addition to detecting the vortex signal and noise in the lift direction by the fluid to be measured on the premise of the reverse phase, it is possible to detect the vibration noise in the drag direction and the vertical direction, so that the noise can be judged more accurately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a vortex flowmeter of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing the operation.
FIG. 3 is a flowchart showing an operation for detecting in-phase / in-phase.
FIG. 4 is a graph for determining clogging.
FIG. 5 is a graph for detecting a band passing through a band-pass filter from the spectrum analysis.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing stress distribution by two piezoelectric elements provided in the vortex generator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Pipe line 12 Vortex generator 13 1st piezoelectric element 14 2nd piezoelectric element 15 Charge-digital conversion part 16 1st charge amplifier 17 1st A / D converter 18 2nd charge amplifier 19 2nd A / D converter 20 Spectrum analysis part 21 First spectrum analysis unit 22 Second spectrum analysis unit 23 Signal processing unit 24 Adder 25 Third spectrum analyzer 26 Band pass filter controller 27 Band pass filter 28 Schmitt trigger 29 Counter 30 Control unit 31 Nozzle operation unit 32 In-phase / reverse phase Detector 33 Output circuit

Claims

A vortex generator,
Two detectors for detecting a vortex signal generated by the vortex generator;
A first and a second spectrum analysis unit that divides each of the output signals of the two detection units into a plurality of frequency bands and outputs the signal intensity of those bands;
A noise ratio calculator for determining a noise ratio from the output signals of the first and second spectrum analyzers;
An adder that receives the noise ratio calculated by the noise ratio calculator and adds the output signals of the two detectors at the ratio of the noise ratio;
The output signal added by the adder is input and divided into a plurality of frequency bands, the signal intensities of those bands are obtained, and the band in which the obtained signal intensity is greater than a predetermined sensitivity curve is obtained as the signal component band. A third spectrum analyzer,
According to the sign of the noise ratio, the magnitudes of the output signals of the first, second and third spectrum analyzers are compared to detect the phase of the output signals of the two detectors, and the detected phase is In the case of reverse phase, it is a vortex signal;
When the phase detection means determines that the signal is a vortex signal, the flow rate value is obtained based on the output of the adder, and the noise ratio calculator is a band in which the signal intensity of the two detectors of each band is the maximum. The vortex flowmeter is characterized in that the signal intensity ratio is output to the adding section as a noise ratio.

A band-pass filter to which the output signal of the adder is input;
2. The flow rate value is calculated from the output signal of the bandpass filter, wherein the bandpass filter allows only a signal of a band determined as a signal component by the third spectrum analysis unit to pass therethrough. Vortex flowmeter.

2. The clogging alarm is notified when the ratio of the signal intensity of the band signal determined to be a signal component is equal to or less than a predetermined clogging determination ratio. Or the vortex flowmeter of 2.

When the signal strength of the output signal of the adding unit in a band determined to be noise is smaller than a predetermined abnormal vibration determination first threshold or larger than a second abnormal vibration determination second threshold, the noise ratio calculation unit The vortex flowmeter according to claim 1, 2 or 3, wherein an abnormal vibration alarm is notified.