JP4117635B2 - 渦流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管路内に設けられた渦発生体によって発生するカルマン渦を用いて被測流体の流量を測定する渦流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
渦流量計におけるカルマン渦の検出方式には様々な種類がある。ここでは、超音波を用いてカルマン渦を検出する超音波式の渦流量計を例に説明する。
【０００３】
超音波式の渦流量計は、管路内に渦発生体を設け、この渦発生体の下流側に、発振回路に接続した超音波送信器と、超音波受信器とを管路内を流れる流体を挟むように相対向して設けている。発振回路と超音波受信器の各出力は位相比較回路の２つの入力端子にそれぞれ接続され、位相比較回路の出力端子には透過周波数領域可変のフィルタ及び波形整形回路を介して流量演算回路が接続されている。
【０００４】
この渦流量計では、渦発生体によって渦発生体の下流側に流体の流速に比例する周波数でカルマン渦が発生し、このカルマン渦によって超音波送信器からの超音波が位相変調を受けて超音波受信器に受信される。送受信されたそれぞれの超音波を位相比較回路によって比較することで受信超音波の送信超音波に対する位相変調量を求め、この位相変調量を表わす信号（渦信号）の周波数（カルマン渦の発生周波数）に基づいて流量演算回路で被測流体の流量を演算する。
【０００５】
このとき、位相比較回路からの信号即ち渦信号が入力されるフィルタは、後述の波形整形回路での波形整形を正確に行うため、渦信号に重畳されるノイズ（主としてカルマン渦の発生周波数に対して低い周波数を有する揺らぎや流体の脈動によるもの）を除去した渦信号を波形整形回路に出力し、波形整形回路では信号をパルス化して、カルマン渦の発生周波数と等しい周波数のパルス信号を流量演算回路に出力している。
【０００６】
しかし、渦信号の周波数は流体の流量に応じて変化するため、フィルタの透過周波数領域を一定にした場合には、流量によっては渦信号の周波数がフィルタの透過周波数領域に含まれず、フィルタによって除去されてしまい、流量演算が正確に行えなくなってしまう。従って、この問題を回避するために位相比較回路の出力側とフィルタとの間には演算回路が介装されており、渦信号の周波数に基づいてフィルタの透過周波数領域を変更（トラッキング制御）するようにしている。即ち、ノイズを含む渦信号の中からカルマン渦の発生周波数を求め、この周波数をリファレンス信号として用いることでフィルタの透過周波数領域をカルマン渦の発生領域に一致させるようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の渦流量計では、渦信号が安定していてカルマン渦の発生周波数をリファレンス信号として得られる場合には、フィルタの透過周波数領域がカルマン渦の発生周波数領域と一致するので、カルマン渦の発生周波数に基づいて精度の高い流量演算が行える反面、複数のノイズが複雑に重畳することによって、渦信号が振幅変化を受けたり渦信号のゼロレベルが変動している場合には、渦信号からカルマン渦の発生周波数を抽出して流量演算を行うことができない。
【０００８】
図３に、（ａ）振幅変化を受けた渦信号と、（ｂ）その渦信号を波形整形した信号を示す。図３中、円で囲った部分では、振幅変化等の影響により、波形整形をしたときにパルスの欠落を生じてしまっている。このパルス欠落を生じた信号が流量演算回路に入力されると、本来のカルマン渦の発生周波数と異なる数値に基づいて被測流体の流量を演算することになり、不正確な流量値を出力するため、流量計測の信頼性が低くなってしまう。
【０００９】
渦流量計は、プラント等に設けられてプロセス管理用のセンサとして用いられることが多い。上記のように、振幅変化を受けた渦信号をもとに演算された流量値が出力されても、ユーザ側では、それが正確な流量値か、不正確な流量値かが判断できないため、不正確な流量値に基づいてプロセス管理を行うことになりプラント全体に悪影響をおよぼす虞があった。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、流量計測精度や流量計測の信頼性が低下していることを判断する渦流量計を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被測流体が流通する管路内に設けられた渦発生体と、該渦発生体によって発生するカルマン渦を所定位置において検出し、該カルマン渦の単位時間当たりの発生数に対応した周波数の渦信号を出力する渦検出手段と、該渦検出手段の渦信号の周波数から前記管路内の被測流体の流量を演算する演算手段と、からなる渦流量計において、前記渦検出手段の渦信号の振幅を検出する振幅検出手段と、該振幅検出手段で検出された振幅の移動平均を算出する平均手段と、前記振幅検出手段で今回検出された振幅の前回検出された振幅に対する変化量を算出する変化量算出手段と、前記変化量算出手段で算出された渦信号の振幅の変化量が、前記平均手段によって算出された渦信号の振幅の移動平均に対して所定割合を超えるか否かを判断する判断手段と、該判断手段で渦信号の振幅の変化量が振幅の移動平均に対して所定割合を超えると判断した場合に、前記演算手段に異常信号を出力する出力手段と、を設けたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の渦流量計１を図１の概略図を用いて説明する。
【００１３】
渦流量計１が設置される管路２内には、カルマン渦を発生させる渦発生体３が設けられ、管路２内のカルマン渦の発生領域を挟んだ管壁には孔４、４が相対向するように形成されている。孔４、４には、超音波発振器５ａと超音波受信器５ｂとからなる一対の超音波センサ５が嵌合されて、閉塞されている。そして、超音波発振器５ａは、発振回路６に接続され、発振回路６からドライブ電圧を印加されることで超音波を発振し、超音波受信器５ｂは、受信した超音波をフィルタ７、アンプ８、変換回路９を介して位相比較回路１０に出力する。
【００１４】
フィルタ７には、超音波受信器５ｂで受信された超音波のうち、ノイズの部分をカットし、信号として必要な周波数領域の信号（カルマン渦の発生周波数帯域に対応する信号）のみを透過するバンドパスフィルタが用いられている。また、アンプ８は、フィルタ７を透過した超音波を増幅し、変換回路９は、アナログ信号として出力されてくる超音波をデジタル信号として出力する。
【００１５】
位相比較回路１０では、発振回路６から、超音波発振器５ａに発振させている超音波の周波数を取り込み、超音波受信器５ｂで受信された超音波をフィルタ７、アンプ８、変換回路９を介して取り込み、それぞれの超音波の位相を比較することで、管路２内を超音波が透過したときに、管路２内に発生しているカルマン渦によって受けた超音波の位相の遅進（変調）を検出し、この位相の変調分を信号化して渦信号として出力する。
【００１６】
フィルタ１１は、位相比較回路１０から出力された渦信号からノイズである所定周波数以上の成分及び所定周波数以下の成分を除去し、渦信号の周波数帯を透過するバンドパスフィルタとなっている。位相比較回路１０の出力側とフィルタ１１との間には図示しない演算回路が介装されており、渦信号の周波数に基づいてフィルタの透過周波数領域を変更（トラッキング制御）するようにしている。また、アンプ１２は、フィルタ１１を透過した渦信号を増幅する。
【００１７】
波形整形回路１３は、アンプ１２から入力される信号が所定の値を超えたときにパルスを立ち上げ、所定の値を割り込んだときにパルスを立ち下げることでアナログ信号をデジタル信号化し、流量演算回路１４に出力する。
【００１８】
流量演算回路１４は、入力されるデジタル信号のパルスをカウントすることでカルマン渦の発生数をカウントし、これに基づき流量演算を行う。パルスカウント数を管路２の口径に応じたメータ定数（単位＝［パルス／単位流量］）で除算することで積算流量を演算し、また、パルスのカウント数を単位時間で除算することで単位時間当たりのパルス数、つまり、カルマン渦の発生周波数を求め、この単位時間当たりのパルス数をメータ定数で除算することで単位時間当たりの流量（瞬時流量）を演算する。
【００１９】
振幅変化抽出回路１５は、位相比較回路１０から入力される渦信号の振幅を検出し（振幅検出手段）、所定時間分の振幅の平均を連続して求めることで振幅の移動平均を算出し（平均手段）、振幅変化抽出回路１５から入力される振幅の変化量が、移動平均の所定割合ａを超えるという、渦信号の振幅変化異常を監視して流量演算回路１４に出力する渦信号異常監視処理を行う。
【００２０】
ここで、振幅変化抽出回路１５が、渦信号異常監視処理を行うときの構成及び動作を図２のフローチャートを用いて説明する。
【００２１】
ステップ１では、位相比較回路１０から入力される渦信号の振幅を検出する。ステップ１では、図３の（ａ）に示すノイズ等の影響により振幅が変化した渦信号から振幅を検出し、図３の（ｃ）の振幅の計時変化を示す波形を作り出す。
【００２２】
ステップ２では、図３の（ｃ）に示されるように、今回検出された渦信号の振幅の前回検出された渦信号の振幅に対する変化量の絶対値を算出しており、ステップ２が変化量算出手段を構成している。ステップ２では、渦信号の振幅変化量を検出することで、渦信号に含まれる振幅を変化させる成分（ノイズ）の大きさを求めており、図３の（ｃ）に示すように振幅が変化するのは、被測流体の流量の変化とノイズとに起因し、振幅変化量は、そのときの流量変化とノイズの大きさとを表している。
【００２３】
ステップ３で、渦信号の振幅の移動平均（現在から所定時間前までの平均を連続して求めたもの）を算出する。ステップ３では、渦信号の振幅の移動平均を検出することで、渦信号全体の大きさを求めており、ステップ３が平均手段を構成している。このとき、渦信号の振幅を移動平均で求めることにより、ノイズ等の影響で変化する渦信号の振幅をならし、渦信号の概略の大きさを求めることができる。
【００２４】
ステップ４では、ステップ２で求めた渦信号の振幅変化量が、ステップ３で求めた渦信号の振幅の移動平均に所定割合ａ（０＜ａ＜１）をかけたものを超えるか否かを判断しており、ステップ４は判断手段を構成している。ステップ４で渦信号の振幅変化量と渦信号の振幅の移動平均の所定割合ａとを比較判断しているのは、渦信号の振幅変化量によって表わされるノイズの大きさが、渦信号の振幅の移動平均によって表わされる渦信号全体の大きさに対して、所定割合ａを超えるか否かを判断するためである。
【００２５】
ステップ４で、渦信号の振幅変化量が渦信号の振幅の移動平均の所定割合ａを超えると判断した場合、ステップ５で流量演算回路１４に異常信号を出力する。ノイズの大きさが渦信号全体の大きさの所定割合ａを超えるということは、渦信号に含まれるノイズが大きいためにこの渦信号をもとに演算し出力される被測流体の流量値を示す流量信号の精度が低下しているということになる。
【００２６】
振幅変化抽出回路１５からの異常信号が入力された流量演算回路１４では、渦信号の振幅の異常を報知するための振幅異常信号を出力したり、計測精度の低下している流量信号の出力を停止したりすることで、ユーザに渦信号の振幅異常を報知することができる。また、振幅異常が起る前の流量値を保持したりするなどして、流量値を補正して出力することもできる。
【００２７】
つまり、ステップ２で渦信号に含まれるノイズの大きさを求め、ステップ３で渦信号全体の大きさを求める。そして、ステップ４で、ノイズの大きさが渦信号全体の大きさの所定割合ａを超えるか否かを判断し、渦信号にノイズが所定割合ａ以上含まれていると判断した場合には、大きなノイズを含んだ渦信号をもとに流量演算を行っているため、ステップ５で流量計測の精度が低下していることを示す異常信号を出力する。
【００２８】
以上説明したように、本実施の形態では、振幅変化抽出回路１５で渦信号の振幅を検出し、渦信号全体の大きさ（渦信号の振幅の移動平均）に対してノイズの大きさ（渦信号の振幅の変化量）が所定割合ａを超えて含まれているか否かを判断することで、流量計測の精度つまり出力している流量信号の信頼性が低下しているか否かを判断することができる。
【００２９】
従って、本実施の形態の渦流量計１が、プラント等のプロセス管理用センサとして用いられた場合には、ユーザが渦流量計１から出力される流量値に基づいて誤ったプロセス管理を行うことを防止でき、また、ノイズを引き起こす原因（ポンプの異常による管路の脈動や、揺らぎなど）の発生を把握することも可能となる。
【００３０】
本実施の形態の渦流量計１は、渦信号の振幅の移動平均に対する渦信号の振幅の変化量とを比較することで渦信号の振幅変化の異常を検出しているが、別の振幅異常検出の構成として渦信号の振幅の移動平均と渦信号の振幅とを比較判断して振幅異常を検出することも考えられる。しかし、図４に示されるように渦信号の振幅が推移した場合に、今回の振幅は前回の振幅に対して大きく減少しているが、今回の振幅の移動平均には今回の振幅が含まれているため、移動平均が今回の振幅にひきずられて減少する。このため、振幅の移動平均と振幅との差Ａは振幅の移動平均に対する所定割合ａを超えず、振幅は正常と判断される。つまり、渦信号の振幅の移動平均と渦信号の振幅とを比較判断して振幅異常を検出する場合には、今回の振幅が前回までの移動平均に対して大きくはずれていても、今回の移動平均が今回の大きくはずれた振幅にひきずられてしまって移動平均と今回の振幅との差が大きく表れずに異常を検出できないといった問題が生じる。
【００３１】
これに対して本実施の形態では、渦信号の振幅の移動平均と渦信号の振幅変化量とを比較判断しているため、図４に示されるように渦信号の振幅が推移した場合に、移動平均が今回の振幅にひきずられて減少しても、今回の振幅と前回の振幅との変化量Ｂと比較するため、振幅の変化が大きければそれだけ振幅の移動平均に対する割合は増大する。このため、渦信号の振幅の移動平均と渦信号の振幅とを比較判断して振幅異常を検出したときに今回の振幅は正常と判断された場合でも、振幅の変化量Ｂは振幅の移動平均に対する所定割合ａを超えるので、今回の振幅は異常と判断され、渦信号の振幅の異常を確実に検出することができる。
【００３２】
さらに、本実施の形態の渦流量計１の振幅変化抽出回路１５が、渦信号異常監視処理を行うときに、渦信号の振幅変化量が渦信号の振幅の移動平均の所定割合ａを超えると判断した場合（図２のフローチャートのステップ４でＹＥＳと判断した場合）には、振幅異常と判断された今回の渦信号の振幅が次回検出時のステップ３で求める振幅の移動平均の算出に用いられないようにし、異常と判断された振幅を含まない移動平均を用いることで、今回以降の渦信号異常監視処理の信頼性が低下することを防止するようにしてもよい。
【００３３】
尚、本実施の形態では、超音波式の渦流量計を例に説明したが、これに限らず、圧電素子式や静電容量式などのカルマン渦による圧力変化を検出するタイプでも、超音波式やサーミスタ式などのカルマン渦による流速変化を検出するタイプでも、カルマン渦の発生周波数を検出して流量計測を行う渦流量計であれば適用可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の渦流量計は、渦信号の振幅を検出し、渦信号の振幅変化量が、渦信号の振幅の移動平均の所定割合を超えるか否かを判断し、渦信号の振幅変化量が渦信号の振幅の移動平均の所定割合を超える場合に異常信号を出力する。これにより、渦信号全体の大きさ（渦信号の振幅の移動平均）に対して、ノイズの大きさ（渦信号の振幅の変化量）が所定割合を超えるか否か、つまり、渦信号にノイズが所定割合を超えて含まれているか否かを判断し、渦信号に基づく流量計測の精度が低下していることを判断することができる。
【００３５】
これによって、流量計測に用いる渦信号の振幅が変化したり渦信号のゼロレベルが変動しているために流量計測の精度が低下している場合には、ユーザがこれを把握することができるため、不正確な流量値に基づいてプロセス管理を行ってプラントに悪影響を及ぼしてしまうことを防止でき、渦流量計の信頼性を向上させることができる。
【００３６】
また、渦信号の振幅の移動平均と渦信号の振幅とを比較判断して振幅異常を検出する場合には、今回の振幅が前回までの移動平均に対して大きくはずれていても、今回の移動平均が今回の大きくはずれた振幅にひきずられてしまって移動平均と今回の振幅との差が大きく表れずに異常を検出できないといった問題が生じるが、本発明では、渦信号の振幅の移動平均と渦信号の振幅変化量とを比較判断しているため、今回の振幅が前回までの移動平均に対して大きくはずれた場合に移動平均が大きくはずれた振幅にひきずられてしまっても、前回の振幅と今回の振幅との変化量が大きいために振幅の移動平均に対する割合も大きく表れるので、渦信号の振幅の異常を確実に検出することができる。
【００３７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の渦流量計１を示す概略図である。
【図２】同渦流量計１の振幅変化抽出回路１５の渦信号異常監視処理のフローチャートである。
【図３】（ａ）渦信号と、（ｂ）（ａ）の渦信号を波形整形した信号と、（ｃ）（ａ）の渦信号の振幅の推移を示す信号と、のそれぞれ波形を示す図である。
【図４】渦信号の振幅と、振幅の移動平均の推移を示す図である。
【符号の説明】
１ 渦流量計
２ 管路
３ 渦発生体
４ 孔
５ 超音波センサ
５ａ 超音波発振器
５ｂ 超音波受信器
６ 発振回路
７ フィルタ
８ アンプ
９ 変換回路
１０ 位相比較回路
１１ フィルタ
１２ アンプ
１３ 波形整形回路
１４ 流量演算回路（演算手段）
１５ 振幅変化抽出回路（振幅検出手段、平均手段、変化量算出手段、判断手段）

Claims (1)

1. 被測流体が流通する管路内に設けられた渦発生体と、
   該渦発生体によって発生するカルマン渦を所定位置において検出し、該カルマン渦の単位時間当たりの発生数に対応した周波数の渦信号を出力する渦検出手段と、
   該渦検出手段の渦信号の周波数から前記管路内の被測流体の流量を演算する演算手段と、からなる渦流量計において、
   前記渦検出手段の渦信号の振幅を検出する振幅検出手段と、
   該振幅検出手段で検出された振幅の移動平均を算出する平均手段と、
   前記振幅検出手段で今回検出された振幅の前回検出された振幅に対する変化量を算出する変化量算出手段と、
   前記変化量算出手段で算出された渦信号の振幅の変化量が、前記平均手段によって算出された渦信号の振幅の移動平均に対して所定割合を超えるか否かを判断する判断手段と、
   該判断手段で渦信号の振幅の変化量が振幅の移動平均に対して所定割合を超えると判断した場合に、前記演算手段に異常信号を出力する出力手段と、を設けたことを特徴とする渦流量計。

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