JP6374064B1

JP6374064B1 - 渦流量計

Info

Publication number: JP6374064B1
Application number: JP2017154666A
Authority: JP
Inventors: 義寛高橋
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2037-08-09
Also published as: KR20190016905A; KR102010184B1; JP2019032281A

Abstract

【課題】適切な帯域通過フィルタを速やかに選択できる渦流量計を提供する。【解決手段】渦発生体に生じるカルマン渦を検出するセンサと、センサから出力された信号に基づいて被測定流体の流量を出力する変換器とを備えた渦流量計である。変換器は、センサから出力された信号に含まれる不要な周波数帯域の信号を除去する帯域通過フィルタ３０と、センサから出力された信号をパルス化したパルス信号の間隔に基づいて渦周波数を求めると共に、渦周波数のうち最も高い頻度で検出された渦周波数を求める信号処理部３４と、最も高い頻度で検出された渦周波数に基づいて帯域通過フィルタを選択するフィルタ選択部３１とを有する。センサから出力された信号を選択された帯域通過フィルタに通して不要な周波数帯域の信号を除去する。【選択図】図４

Description

本発明は、渦流量計に関し、より詳細には、渦発生体に生じるカルマン渦を検出するセンサと、センサから出力された信号に基づいて被測定流体の流量を出力する変換器とを備えた渦流量計に関する。

渦流量計は、カルマン渦を発生させる渦発生体（ブラッフボディともいう）、カルマン渦を検出するセンサ、および、センサで検出した信号を処理する変換器から構成される。渦発生体は、例えば三角柱状に形成され、測定管内で流体の流れに直角に置かれる。センサでは、渦発生体に生ずる変動圧力（例えばカルマン渦によって発生した差圧）を検出できる。

カルマン渦の発生する周波数（渦周波数ともいう）は流速に比例する。変換器では、検出した渦周波数から測定管内の流速を求め、この流速に測定管の断面積を乗じて流量（容積流量）を求めている。
また、変換器では、渦周波数を検出する際に、センサから出力された信号を帯域通過フィルタに通過させてノイズを除去する。例えば、特許文献１には、通過させる帯域通過フィルタを選択する技術が開示されている。

特開２００１−１５３６９８号公報

ところで、変換器では、センサから出力された信号をパルス化した後、例えば、所定時間内で計測されたパルス信号の間隔とその個数から渦周波数の平均値を求めて、通過させる帯域通過フィルタを選択する手法が知られている。

しかしながら、この渦周波数の平均値に該当する帯域通過フィルタが選択されると、例えばトリガレベルに達していない信号など、外れた値の影響を受け、適切な帯域通過フィルタを選択できないという問題がある。また、渦周波数の平均値を求めるためには、信号のサンプル数が多く必要になり、帯域通過フィルタを速やかに選択できないという問題もある。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、適切な帯域通過フィルタを速やかに選択できる渦流量計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、渦発生体に生じるカルマン渦を検出するセンサと、該センサから出力された信号に基づいて被測定流体の流量を出力する変換器とを備えた渦流量計であって、前記変換器は、前記センサから出力された信号に含まれる不要な周波数帯域の信号を除去する帯域通過フィルタと、前記センサから出力された信号をパルス化したパルス信号の間隔に基づいて渦周波数を求めると共に、該渦周波数のうち最も高い頻度で検出された渦周波数を求める信号処理部と、該最も高い頻度で検出された渦周波数に基づいて前記帯域通過フィルタを選択するフィルタ選択部とを有し、前記センサから出力された信号を前記選択された帯域通過フィルタに通して不要な周波数帯域の信号を除去することを特徴としたものである。

第２の技術手段は、前記帯域通過フィルタがデジタルフィルタであることを特徴としたものである。

本発明によれば、帯域通過フィルタは、渦周波数の平均値ではなく、最高頻度の渦周波数に基づいて選択されており、渦周波数の平均値に基づいて選択した場合のような外れた値の影響を受けないので、適切な帯域通過フィルタを選択することができる。また、最高頻度の渦周波数から帯域通過フィルタを選択すれば、渦周波数の平均値に基づいて選択した場合に比べて信号のサンプル数が少なくて済むため、帯域通過フィルタを速やかに選択することができる。

本発明の一実施形態に係る渦流量計を示す図である。本発明の一実施形態に係る渦流検出センサを示す図である。図１の渦流量計の構成図である。図３の可変ＢＰＦの構成図である。渦周波数の計測を説明する図である。渦周波数の解析を説明する図である。比較例などの波形データを説明する図である。本実施例の波形データを説明する図である。他の実施形態による可変ＢＰＦの構成図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の渦流量計の好適な実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る渦流量計を示す図であり、例えばフランジ形の検出器１を示している。図２は、本発明の一実施形態に係る渦流検出センサを示す図である。

検出器１は例えば三角柱状に形成された渦発生体３を有し、渦発生体３の側面が被測定流体の流れ（図２の矢印方向）に直角になるように、円筒状の測定管２内に設置されている。測定管２の上面には取付筒５が設けられ、例えばボルトなどの締結部材で測定管２に固定される。取付筒５の上方には、変換器１０が設置されている。なお、変換器一体形の例で説明するが、変換器を検出器から分離した変換器分離形であってもよい。

測定管２内において、渦発生体３の後方には渦流検出センサ７が設けられている。なお、渦流検出センサ７が本発明のセンサに相当する。
流体が測定管２内を流れると、渦発生体３の下流には流速に比例したカルマン渦が発生し、渦発生体３の両側には、カルマン渦による交互の圧力変動が生じる。これにより、渦流検出センサ７では、渦発生体３に生ずる変動圧力に応じた信号（渦信号ともいう）が検出され、変換器１０に出力される。変換器１０は流量指示計１６を有し、流量指示計１６には、変換器１０で求めた被測定流体の流量などがデジタルで表示される。

図３は渦流量計の構成図である。
変換器１０は、上記の流量指示計１６の他、制御部１５、通信Ｉ／Ｆ１７、アンプ部１８、フィルタ部１９等を有し、これらはバスで接続される。
制御部１５は、通信Ｉ／Ｆ１７を介して検出器１や外部機器と通信可能である。また、制御部１５は、例えば１個あるいは複数個のＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等からなり、例えばＲＯＭに格納されている各種のプログラムやデータをＲＡＭにロードし、このロードしたＲＡＭ内のプログラムを実行する。これにより、渦流量計の動作を制御できる。

アンプ部１８は、例えば定電流回路２０、増幅器２１、出力回路２２等を有する。定電流回路２０は検出器１の渦流検出センサ７に電流を供給している。増幅器２１は、渦流検出センサ７から出力された渦信号を増幅する。この増幅された渦信号はフィルタ部１９に出力される。
フィルタ部１９は、可変ＢＰＦ２６、コンパレータ２７を有している。可変ＢＰＦ２６は、増幅器２１で増幅された渦信号を通し、この渦信号に含まれる不要な周波数帯域の信号を除去する。コンパレータ２７は可変ＢＰＦ２６を通過したフィルタ後波形をパルス化する。パルス化されたトリガ波形は、アンプ部１８の出力回路２２に出力される。

流量に比例したパルス出力が得られると、カルマン渦の発生する周波数（渦周波数ともいう）を検出できる。渦周波数は流速に比例し、その関係式は以下のようになる。
ｆ＝Ｓｔ・Ｖ／ｄ
ｆは渦周波数、Ｖは流体の平均流速、ｄは渦発生体の幅、Ｓｔはストローハル数（定数）である。このストローハル数は、レイノルズ数（流れの状態を決める数値）により変化するが、広範囲のレイノズル数においてほぼ一定となる。

したがって、ストローハル数が一定の範囲では、渦周波数ｆは平均流速Ｖに比例することが分かる。また、渦発生体の幅ｄは既知であるため、渦周波数ｆを検出すれば測定管内の平均流速Ｖを求めることができる。そこで、出力回路２２では、この平均流速Ｖに測定管の断面積を乗じて流量（容積流量）を求めており、流量指示計１６等に出力する。
ここで、上記のように変換器１０では、渦周波数を検出する際に、渦流検出センサ７から出力された渦信号を増幅器２１で増幅した後、可変ＢＰＦ２６に通過させて不要な周波数帯域の信号を除去している。

図４は、図３の可変ＢＰＦの構成図であり、可変ＢＰＦ２６は、第１ＢＰＦ３０、選択処理部３１、第２ＢＰＦ３２、コンパレータ３３、信号処理部３４で構成されている。なお、第１ＢＰＦ３０が本発明の帯域通過フィルタに相当し、選択処理部３１が本発明のフィルタ選択部に相当する。
第２ＢＰＦ３２は、第１ＢＰＦ３０よりも通過帯域幅が広くされており、図３で説明した増幅器２１で増幅された渦信号を通す。コンパレータ３３が第２ＢＰＦ３２を通過した渦信号をパルス化する。このパルス信号は信号処理部３４に出力される。

信号処理部３４は、例えば周波数計測部３４ａおよび周波数解析部３４ｂを有し、周波数計測部３４ａが、所定時間内にコンパレータ３３で得られたパルス信号から渦周波数を計測している。なお、所定時間の計測に替えてパルス信号の個数をカウントしてもよい。

図５は、渦周波数の計測を説明する図である。図４のコンパレータ３３では、第２ＢＰＦ３２を通過した渦信号Ｓと所定の振幅値（トリガレベル）Ｔとを比較してパルス化し、このトリガレベルＴを超えた渦信号Ｓがパルスとしてカウントされる。
図５に示すように、渦信号Ｓが連続してトリガレベルＴを超えた場合には、図４のコンパレータ３３によって、ピークを飛ばさない（抜かさない）連続したパルスが得られるので、周波数計測部３４ａでは、隣接するピークの間隔（周期）に応じた渦振動数ｆ１，ｆ２等が計測される。また、渦信号Ｓがピークを１個抜かした状態でトリガレベルＴを超えた場合にはやや長いパルスが得られるため、渦振動数ｆ３等のように計測される。さらに、渦信号Ｓがピークを２個抜かした状態でトリガレベルＴを超えた場合にはより長いパルスが得られ、渦振動数ｆ４のように計測される。

次いで、この計測結果は図４の周波数解析部３４ｂに出力される。周波数解析部３４ｂは、周波数計測部３４ａで計測した渦周波数のうち最高頻度の渦周波数を求めている。

図６は、渦周波数の解析を説明する図である。図４の周波数計測部３４ａが、渦周波数とその個数を、例えば５０Ｈｚが１０個、９０Ｈｚが４個、１００Ｈｚが２０個、１１０Ｈｚが５個、１２０Ｈｚが１個、２００Ｈｚが１個であると計測した場合、周波数解析部３４ｂは、例えばヒストグラムを作成し、所定時間内で、渦周波数のうち最も高い頻度で検出された最高頻度の渦周波数を求める。つまり、図６の場合、２０個が最も多いので、周波数解析部３４ｂは１００Ｈｚを最高頻度の渦周波数と判断する。

なお、被測定流体の流量が少ない場合には、トリガレベルに達していない渦信号（パルス抜けともいう）が多くなる。この影響により、従来のようなカルマン渦周波数の平均値は小さくなる。具体的には、上述のように渦周波数とその個数を、５０Ｈｚが１０個、９０Ｈｚが４個、１００Ｈｚが２０個、１１０Ｈｚが５個、１２０Ｈｚが１個、２００Ｈｚが１個と計測した場合、渦周波数の平均値は９０．９８Ｈｚである。

続いて、図４に示すように、周波数解析部３４ｂの演算結果は選択処理部３１に出力される。選択処理部３１は、第１ＢＰＦ３０にセットされた複数の帯域通過フィルタのうち、上記最高頻度の渦周波数に該当するフィルタを通った信号を選択する。これにより、渦流検出センサから出力されて増幅器で増幅された渦信号は、選択処理部３１に選択されたフィルタだけに通されてノイズが除去された後、図３で説明したコンパレータ２７に向けて出力される。

図７は、比較例の波形データ（流量信号例えば４００Ｈｚ）を説明する図であり、図７（Ａ）は図３の可変ＢＰＦを通過したフィルタ後波形、図７（Ｂ）は、図３のコンパレータのトリガ波形である。

例えば、渦流検出センサの周囲温度あるいは被測定流体の温度が低い場合、渦流検出センサの感度が低下して渦信号の振幅が小さくなる。この場合、従来のようなカルマン渦周波数の平均値から選択されたフィルタは、図６の流量例でいえば５０Ｈｚや２００Ｈｚのような外れた値の影響を受けているので、フィルタ後波形は、図７（Ａ）に示すようなピーク間隔や振幅が揃わなくなり、この波形をパルス化すると、ノイズを信号としてパルス化したり、逆に信号をノイズとしてパルス化しないため、トリガ波形は、図７（Ｂ）に示すように間隔や振幅が不揃いになる。

なお、この場合、渦流検出センサの感度を上げるために、作業者は、渦流量計の設置現場に出向いて渦流検出センサの駆動電圧を手動で大きくしている。ただし、電気信号のノイズが大きくなり、トリガレベルに達した渦信号が多くなるので、カルマン渦周波数の平均値は大きくなる傾向にある。

これに対し、渦流検出センサの周囲温度等が低い場合であっても、最高頻度の渦周波数を用いれば適切な帯域通過フィルタを選択できる。
詳しくは、図８は、本実施例の波形データ（流量信号例えば４００Ｈｚ）を説明する図であり、上記のように渦周波数とその個数から最高頻度の渦周波数（４００Ｈｚ）に該当するフィルタを選択すると、渦周波数の平均値に基づいて選択した場合のような外れた値の影響を受けないので、フィルタ後波形は、図８（Ａ）に示すように、ピーク間隔や振幅が揃う。この波形をパルス化すれば、信号をパルス化し、逆にノイズをパルス化し難くなるため、トリガ波形は、図８（Ｂ）に示すように間隔や振幅が揃う。この結果、上記最高頻度の渦周波数に該当するフィルタを選択した図８（Ｃ）に示すように、出力パルスの各周波数が約４００Ｈｚあたりに集まり、パルス抜けの影響が見られないことが分かる。

このように、最高頻度の渦周波数を用いれば、適切な帯域通過フィルタを選択することができ、出力パルスにノイズが混ざらなくなる。
また、最高頻度の渦周波数からフィルタを選択すれば、渦周波数の平均値から選択した場合に比べて信号のサンプル数が少なくて済むため、フィルタを速やかに選択可能になる。詳しくは、従来のように平均値から選択した場合には、フィルタの選択に３００ｍｓ程度を要していたのに対し、本実施例の場合には５０ｍｓで選択可能になるので、フィルタ選択の応答速度が向上する。

図９は、他の実施形態による可変ＢＰＦの構成図である。上記実施形態では、該当するフィルタを機械的に切り替える例を挙げて説明した。しかし、図９に示すように、第１ＢＰＦ４０はソフトウェアなどによるデジタルフィルタであってもよい。この場合、選択処理部４１が最高頻度の渦周波数に該当するフィルタを選択すると、第１ＢＰＦ４０が周波数特性を変更させるためのパラメータを設定し、最高頻度の渦周波数に該当するフィルタが選択される。これにより、不要な周波数帯域の信号をより確実に除去可能になる。

１…検出器、２…測定管、３…渦発生体、５…取付筒、７…渦流検出センサ、１０…変換器、１５…制御部、１６…流量指示計、１７…通信Ｉ／Ｆ、１８…アンプ部、１９…フィルタ部、２０…定電流回路、２１…増幅器、２２…出力回路、２６…可変ＢＰＦ、２７，３３…コンパレータ、３０，４０…第１ＢＰＦ、３１，４１…選択処理部、３２…第２ＢＰＦ、３４…信号処理部、３４ａ…周波数計測部、３４ｂ…周波数解析部。

Claims

渦発生体に生じるカルマン渦を検出するセンサと、該センサから出力された信号に基づいて被測定流体の流量を出力する変換器とを備えた渦流量計であって、
前記変換器は、前記センサから出力された信号に含まれる不要な周波数帯域の信号を除去する帯域通過フィルタと、前記センサから出力された信号をパルス化したパルス信号の間隔に基づいて渦周波数を求めると共に、該渦周波数のうち最も高い頻度で検出された渦周波数を求める信号処理部と、該最も高い頻度で検出された渦周波数に基づいて前記帯域通過フィルタを選択するフィルタ選択部とを有し、前記センサから出力された信号を前記選択された帯域通過フィルタに通して不要な周波数帯域の信号を除去することを特徴とする渦流量計。
前記帯域通過フィルタがデジタルフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の渦流量計。