JP4908287B2 - 渦流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流路内に設置した渦発生体により発生する渦信号を検出する渦流量計に関する。

渦発生体と渦発生体からの渦を検出する振動管に圧電素子を収納してなるセンサを備えた渦流量計において、電波等により前記渦流量計のセンサに侵入する電源周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）のノイズを対策したものとして、例えば、特許文献１がある。
この特許文献１では、検出素子の出力信号はシールドケーブルの芯線から取り出し、さらに振動管のフランジがシールドされた押え金具で覆うことでセンサから出力される信号に対して外部からの商用電源ノイズ等のノイズの侵入を防止している。
特開２００３−０４２８１９号公報

上記特許文献１によれば、センサの出力側からの電源ノイズ等の侵入は防止することができる。
しかしながら、商用電源のノイズはセンサの出力側からのみ侵入するのではなく、流量計の流体中に例えばヒータ等が設けられていると、このヒータと流体を通してセンサ側から電源ノイズが侵入するため、完全に電源ノイズを遮断することは困難であり、さらに、電源周波数を流量計測周波数に含む渦流量計では電源周波数ノイズが侵入すると電源周波数ノイズを識別できないため、電源周波数ノイズを流量があるかのごとく誤出力をしてしまうという問題があった。

そこで本発明は、流体が流れていないときに侵入してくる電源周波数ノイズに影響されない渦流量計を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の渦流量計は、流量計本体の流路内に設置した渦発生体と前記渦発生体より発生した渦信号を検出する渦検出センサを備える渦流量計であって、前記渦検出センサの信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力信号の中に含まれる渦計測周波数を抽出する第１の回路と、流量計本体の流路に流体が流れることで前記渦検出センサに発生する固有の共振周波数を検出する第２の回路と、前記第２の回路の出力信号レベルが所定値より大きいときは第１の信号を出力し、前記所定値以下のときは第２の信号を出力する第３の回路と、前記第３の回路から第１の信号を受信したときは、前記第１の回路の出力信号を渦計測信号として出力処理し、第２の信号を受信したときは、渦計測信号を強制的に出力しないように制御する手段とを有するものである。
また、前記制御する手段は、前記第１の回路で抽出された渦計測周波数が電源周波数以外の周波数であるときに、第１の回路の出力信号を渦計測信号として出力処理し、電源周波数であるときは該第１の回路の出力信号を共振信号判定部に出力する周波数判定部と、前記第３の回路から第１の信号を受信したときは前記周波数判定部から受信した前記第１の回路の出力信号を渦計測信号として出力処理し、第２の信号を受信したときは、渦計測信号を強制的に出力しないように制御する共振信号判定部とを備えるものである。
さらに、前記第１の回路は渦計測周波数を検出するフィルターであり、前記第２の回路は流路に流体が流れることで前記渦検出センサに発生する固有の機械振動を抽出するフィルターとされているものである。

このような本発明の渦流量計によれば、流量計に流体が流れているときに流量計本体から発生する固有の周波数を検出する回路を設けたことで、流体が流れていないときに空中及び配管の流路を経由して侵入する電源周波数ノイズ等を確実に識別できることから、前記ノイズを計測信号として誤計測をすることがない。

図１は本発明の渦流量計の全体構成を示す断面図、図２は本発明の渦流量計に特徴的な信号処理回路の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。
図１において、１は渦流量計、２ｃは内部に流路が形成された渦流量計本体、２ｄは渦流量計本体２ｃの流路中に設けられた渦発生体、２ａは前記渦流量計本体２ｃの流路に突出する形態で片持ち式に取り付けられた振動管、２ｂは前記振動管２ａの内部に収納され振動管２ａの機械信号を検出する圧電素子である。前記圧電素子２ｂは振動検出可能となるように、ゴム又は樹脂製の封止剤により前記振動管２ａにポッティングされており、これら振動管２ａと圧電素子２ｂにより渦検出センサ２が形成されている。
前記圧電素子２ｂの出力信号は電線を介して回路収納部１０に設けられた信号処理回路に供給される。

図２は、前記信号処理回路の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。
この図において、２は前述した渦検出センサであり、その圧電素子２ｂからは、前記渦流量計１に流体が流れることで渦発生体２ｄにて発生する交番応力の振動を受けて圧電素子２ｄが出力する交番周波数と、流体が流れることで振動管に加えられる機械的な固有振動を受けて圧電素子２ｂが出力する共振周波数とが重なり合って出力される信号が出力される。
渦検出センサ２から出力される交番周波数の信号と共振周波数の信号とが重なり合った信号は、チャージアンプと該チャージアンプの出力を増幅するアンプを有する増幅回路３で増幅され、第１の回路４と第２の回路５に出力される。
第１の回路４は、前記増幅回路３から出力される信号のうち、渦検出センサ２が前記渦流量計本体２ｃの流路に流体が流れることで渦発生体２ｄからの渦による機械振動（渦計測周波数）として出力する周波数成分の信号を検出する回路であり、渦計測周波数帯域（例えば、５０Ｈｚ〜２５０Ｈｚ）の信号を取り出すフィルター（低域フィルター又は帯域フィルター）からなる。
第２の回路５は、前記増幅回路３から出力される信号のうち、前記渦流量計本体２ｃの流路に流体が流れることで前記渦検出センサ２（振動管２ａ）に発生する渦検出センサ２の材質、形状等から決まる機械的な固有振動（共振周波数）に対応する周波数成分のみを取り出す帯域フィルターである。

図３は、前記図１に示した渦流量計（本体２ｃの材質：石英、渦検出センサ２の振動管２ａの材質：石英、口径：１５Ａ、流量計測範囲が１０〜５０Ｌ／ｍｉｎに対して計測周波数が５０〜２５０Ｈｚ）に対して流量として１２Ｌ／ｍｉｎの水を流したときの前記増幅回路３の出力信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）アナライザーで解析した結果を示す図である。
本実験を行った渦流量計では、図３に示す通り、共振周波数は７２００Ｈｚとなっている。したがって、前記図１に示した渦流量計においては、前記第２の回路（帯域フィルター）５は、ＦＦＴアナライザーで解析して求めた共振周波数（７２００Ｈｚ）を設計値とすればよいことが分かる。
なお、図３では流量が１２Ｌ／ｍｉｎの場合のみを示しているが、流量を変えても共振周波数は変わらないことを本発明者は確認してある。また、流体を水としたが流体の種類を変えても共振周波数はほとんど変化のないことも確認した。

図４は、前記渦流量計１に流体として水を１２Ｌ／ｍｉｎ（渦周波数６０Ｈｚ）流したときの増幅回路３の計測結果の出力信号波形を示す図である。
図４は、横軸を時間、縦軸を電圧として、水を１２Ｌ／ｍｉｎ（渦周波数６０Ｈｚ）流したときの渦信号振幅は０．３Ｖｒｍｓ、共振信号振幅は０．１ｍＶｒｍｓであったことを示している。なお、水を１０Ｌ／ｍｉｎのときの共振信号振幅の計測結果を示していないが、
共振信号振幅∝流量²
の関係から、計測流量の下限値である１０Ｌ／ｍｉｎ（５０Ｈｚ）のときの共振信号振幅は約０．０６９ｍＶｒｍｓとなる。
したがって、例えば、前記共振信号振幅の約０．０６９ｍＶｒｍｓ、又は、０．１ｍＶｒｍｓを、流路に流体が流れているかいないかの識別に使用することができ、後述する渦周波数測定回路の出力が実際の渦周波数か、もしくは電源ノイズかの判定のしきい値として用いることができる。

前記第１の回路４の出力は、渦周波数測定回路６に入力される。
渦周波数測定回路６は、前記第１の回路４から出力される渦計測周波数（本実験例では５０〜２５０Ｈｚ）の信号をパルス化し、必要に応じてＦ／Ｖ変換（周波数／電圧変換）して出力する。
また、前記第２の回路５の出力は、第３の回路である渦信号検出回路７に入力される。
渦信号検出回路７は、前記第２の回路５から出力される共振周波数の信号を増幅し、整流し、平滑化し、その平滑化された信号がしきい値（所定の値：例えば、０．０６９×０．８ｍＶｒｍｓ）より大きい値であるときは流量計に流体が流れていると判断し、すなわち、前記渦検出センサ２の出力信号が渦を検出した信号である（電源周波数ノイズでない信号）と判断して、後述するスイッチ８に第１の信号（ＯＮ信号）を出力する。また、しきい値以下のときは、第２の信号（ＯＦＦ信号）を出力する。

スイッチ８は、前記渦信号検出回路７から出力される制御信号により制御されるスイッチ（アナログスイッチ）であり、前記渦信号検出回路７において共振周波数の信号レベルがしきい値より大きいと判定されＯＮ信号が出力されたときには前記渦周波数測定回路６の出力信号を制御部（ＣＰＵ）９に接続し、共振周波数の信号レベルがしきい値以下でＯＦＦ信号が出力されたときには、回路アースの信号をＣＰＵ９に接続する。
ＣＰＵ９は、前記スイッチ８を通して接続される信号に従って流量を演算するマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）である。本図には記載していないが、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）に入力される流量計測信号が電圧であれば、Ａ／Ｄ変換器を通して流量計測信号をデジタル化して瞬時流量値として処理し、不図示の表示部に表示するようにしてもよいし、さらに、ＣＰＵに内蔵した通信部等を通して外部に装置に送信してもよい。

このように、本実施の形態によれば、渦検出センサ２の出力信号に渦検出センサ２に固有の共振周波数の信号レベルが所定のしきい値以下であるときには、流体が流れていないと判断し、渦検出センサ２から出力された渦計測周波数帯域の信号をＣＰＵ９に出力しない。また、共振周波数の信号レベルが所定のしきい値より大きいときは、流体が流れていると判断して、渦検出センサ２から出力された渦計測周波数帯域の信号が渦を検出した信号であるとしてＣＰＵ９に出力する。
これにより、流体が流れていないときに、電源周波数ノイズを計測信号として誤計測することを防止することができる。

図５は、本発明における信号処理回路の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。なお、記号２から７は、図２に示した第１の実施の形態における構成要素と同じものであるため、説明は割愛する。
本発明の第２の実施の形態は、基本的に前述した第１の実施の形態と同じであるが、第２の実施の形態では流量計測周波数（渦周波数測定回路６の出力）が電源周波数と同じ周波数であるときに前記流量計測周波数が実際の流量計測値であるか、電源ノイズであるかを判定することで、より正確な流量計測をするようにしたものである。

図６は、渦流量計で計測範囲が８〜５０Ｌ／ｍｉｎ（計測周波数範囲：４０Ｈｚ〜２５０Ｈｚ）である場合に、渦計測信号と共振信号（７２００Ｈｚ）の信号強度を流量値を変えてプロットした図である。
この図に示されているように、流量が大きいほど共振信号（７２００Ｈｚ）のレベルが大きくなることが分かる。そこで、この図に示すように、前記流量計測周波数が電源ノイズか否かの判断を１０Ｌ／ｍｉｎ（渦周波数５０Ｈｚ）の共振信号強度をしきい値とする。これにより、渦計測信号の周波数が電源周波数と同じ周波数であっても、共振信号強度がしきい値以上であるときは、その信号を渦計測信号として出力することができる。

図５において、記号２から７は、前記図２に示した第１の実施の形態と同じ構成要素であるため、説明は割愛する。
この実施の形態では、前記第１の実施の形態におけるスイッチ８の代わりに、ＣＰＵ９内に、周波数判定部８ａと共振信号判定部８ｂが設けられている。
周波数判定部８ａは、前記渦周波数測定回路６の出力信号をＣＰＵ９に取り込み、デジタル処理（測定流量）した渦計測周波数が電源周波数範囲（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚまたは５０〜６０Ｈｚ）にあるときはデジタル処理された渦計測信号を共振信号判定部８ｂに出力し、渦計測周波数が電源周波数範囲（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ又は５０〜６０Ｈｚ）以外であるときにはデジタル処理された渦計測信号として出力部９ａに出力する。
共振信号判定部８ｂは、前記周波数判定部８ａから送付された電源周波数範囲（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ又は５０〜６０Ｈｚ）のデジタル処理された渦計測信号を、前記第３の回路（渦信号検出回路）７の出力信号が第１の信号であるＯＮ信号（共振周波数の信号のレベルが所定の値（図６で示すしきい値）より大きいとき）であれば出力部９ａに出力し、第３の回路７の信号が第２の信号であるＯＦＦ信号（共振周波数の信号のレベルが所定の値以下）であれば前記周波数判定部８ａから送付された渦計測信号は電源ノイズであるとして渦流量計測値を０として出力部９ａに出力する。
出力部９ａは、前記周波数判定部８ａ又は共振信号判定部８ｂから出力されて書き込まれた渦流量計測値を例えば１秒ごとに不図示の表示部あるいは不図示の通信部に出力する出力部である。

このように、この実施の形態によれば、流量計測範囲の渦計測周波数が電源周波数を含んでいる渦流量計であっても、流体の流れを検出する構成を備えたことで、電源周波数ノイズによる誤計測を防止することができる効果がある。

本発明の渦流量計の全体構成を示す断面図である。 本発明の渦流量計における信号処理回路の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。 渦流量計１に１２Ｌ／ｍｉｎの水を流したときの渦検出センサの出力信号をＦＦＴアナライザーで解析した結果を示す図である。 渦流量計１に流体として水を１２Ｌ／ｍｉｎ流したときの渦検出センサの出力信号波形を示す図である。 本発明の渦流量計における信号処理回路の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。 渦流量計で計測範囲が８〜５０Ｌ／ｍｉｎである場合に、渦計測信号と共振信号の信号強度を流量値を変えてプロットした図である。

符号の説明

１：渦流量計、２：渦検出センサ、２ａ：振動管、２ｂ：圧電素子、２ｃ：渦流量計本体、２ｄ：渦発生体、３：増幅回路、４：第１の回路（フィルター）、５：第２の回路（フィルター）、６：渦周波数測定回路、７：渦信号検出回路、８：スイッチ、８ａ：周波数判定部、８ｂ：共振信号判定部、９：制御部（ＣＰＵ）、９ａ：出力部、１０：回路収納部

Claims (3)

1. 流量計本体の流路内に設置した渦発生体と前記渦発生体より発生した渦信号を検出する渦検出センサを備える渦流量計であって、
   前記渦検出センサの信号を増幅する増幅回路と、
   前記増幅回路の出力信号の中に含まれる渦計測周波数を抽出する第１の回路と、
   流量計本体の流路に流体が流れることで前記渦検出センサに発生する固有の共振周波数を検出する第２の回路と、
   前記第２の回路の出力信号レベルが所定値より大きいときは第１の信号を出力し、前記所定値以下のときは第２の信号を出力する第３の回路と、
   前記第３の回路から第１の信号を受信したときは、前記第１の回路の出力信号を渦計測信号として出力処理し、第２の信号を受信したときは、渦計測信号を強制的に出力しないように制御する手段と
   を備えていることを特徴とする渦流量計。
2. 前記制御する手段は、
   前記第１の回路で抽出された渦計測周波数が電源周波数以外の周波数であるときに、第１の回路の出力信号を渦計測信号として出力処理し、電源周波数であるときは該第１の回路の出力信号を共振信号判定部に出力する周波数判定部と、
   前記第３の回路から第１の信号を受信したときは前記周波数判定部から受信した前記第１の回路の出力信号を渦計測信号として出力処理し、第２の信号を受信したときは、渦計測信号を強制的に出力しないように制御する共振信号判定部とを備える
   ことを特徴とする請求項１記載の渦流量計。
3. 前記第１の回路は渦計測周波数を検出するフィルターであり、前記第２の回路は流路に流体が流れることで前記渦検出センサに発生する固有の機械振動を抽出するフィルターであることを特徴とする請求項１又は２に記載の渦流量計。

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