JPH0416714A - 質量流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈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、これを大きい流量レンジを持つ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！計に
関する。

〈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昭６０−２８５２８７号に開示
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。

第５図はこの従来の質量流量計の渦検出部の断面の概要
を示す断面図である。

１０は流体が流れる管路、１１は管路１０に直角に設け
られた円筒状のノズルである。１２はノズル１１とは間
隔をもって管路１０に直角に挿入された台形断面を持つ
柱状の渦発生体であり、その一端はネジ１３により管路
１０に支持され、他端はフランジ部１４でノズル１１に
ネジ或いは溶接により固定されている。１５は渦発生体
１２のフランジ部１４側に設けられた凹部である。この
凹部１５の中にはその底部から順に金属製の台座１６、
圧電素子１７、電極板１８、絶縁板１９、電極板２０、
圧電素子２１がサンドイッチ状に配列され金属製の押圧
棒２２でこれ等が押圧固定されている。さらに、！極板
１８からはリード線２３、＠極板２０からはリード！１
２４がそれぞれ端子Ａ、Ｂに引き出されている。

圧電素子１７．２１は各圧電素子１７．２１の紙面に向
かって左側と右側とかそれぞれ逆方向に分極されており
同じ方向の応力に対して互いに上下の電極に逆極性の電
荷を発生する。

圧電素子１７に発生した電荷は電極板１８と接続された
端子Ａと台Ｍ１６を介して接続された管路１０との間に
得られ、圧電素子２１に発生した電荷は電極板２０と接
続された端子Ｂと押圧棒２０と接続された管路１０との
間に得られる。

この２個の電極板１８．２０に発生した電荷は第６図に
示すように電荷増幅器２５．２６に入力される。電荷増
幅器２５の出力と電荷増幅器２６の出力をボリウム２７
を介した出力とを加算回路２８で加算して渦信号を得る
。これ等の電荷増幅器２５．２６、および加算回路２８
によりチャジコンバータ２９を構成している。

次に、以上のように構成された渦検出部でノイズを除去
した渦信号が得られる作用について第７図を用いて説明
する。

流体が管路１０の中に流れると渦発生体１２に矢印Ｆで
示した方向にカルマン渦による振動が発生する。この振
動により渦発生＃Ｉ２には第７図（ａ）に示すような応
力分布とこの逆の応力分布の繰返しが生じ、各圧電素子
１７．２１には第７図（ａ）に示す渦周波数を持つ信号
応力に対応した電荷＋Ｑ、−Ｑの繰返しが生じる。なお
、第７図においては説明の便宜のため電極板１８或いは
２１を紙面に対して左右に２つに分割し、かつ上下の一
方の電極は台座Ｉ６あるいは押圧棒２２に相当するもの
としである。

一方、管路１０にはノイズとなる管路振動も生じる。こ
の管路振動は■流体の流れと同じ方向の抗力方向、■流
体の流れとは直角方向の揚力方向、■渦発生体の長平方
向の３方向成分に分けられる。

このうち、抗力方向の振動に対する応力分布は第７図（
ｂ）に示すようになり１個の＄極内で正負の電荷は打ち
消されてノイズ電荷は発生しない。

また、長平方向の振動に対しては第７図（ｃ）に示すよ
うに電極内で打ち消されて抗力方向と同様にノイズ電荷
は発生しない。

しかし、揚力方向の振動は信号応力と同一の応力分布と
なりノイズ電荷が生じる。そこで、このノイズ電荷を消
去するために以下の演算を実行する。圧電素子１７．２
１の各電荷をＱ７、Ｑ２、信号成分を８１、Ｎ２、揚力
方向のノイズ成分をＮｌ、Ｎ２とし、圧電素子１７．２
１で分極を逆とするとＱＩ　、Ｑ２は次式で示される。

Ｑ　＋　＝　Ｓ　、＋　Ｎ　＋ Ｑ２＝　　３２　　Ｎま ただし、Ｓ、とＮ２、ＮｌとＮ２のベクトル方向は同じ
である。ここで、圧電素子１７．２１の信号成分とノイ
ズ成分の関係は第７図（ｄ）（ｅ）（この図は揚力方向
のノイズと信号に対する渦発生体の曲げモーメントの関
係を示す）に示すようになっているので、第６図に示す
ように圧電素子１７側の電荷増幅器２５の出力を加算回
路２８で加算する際にボリウム２７と共にＮ、／Ｎ２倍
して圧電素子２１［１１１１の電荷増幅器２６の出力と
加算すると、 ＱＩ　　　０２　　（Ｎｌ　　／Ｎ２　　）ＳＩ　　　
Ｎ２　　（Ｎｌ　　／Ｎ２　　）となり管路ノイズが除
去されて測定流量に比例した渦信号を得ることができる
。

次に、以上のようにして管路ノイズが除去された渦信号
を用いて流体の質量流量を演算する変換回路について第
８図を用いて説明する。

圧電素子１７．２１に発生した交番電荷を電荷増幅器２
５．２６で交流電圧ｅｌ　、ｅ２に変換する。交流電圧
ｅ２はボリウム２７を介して交流電圧ｅ、と加算回Ｎ２
８で加算されてその出力端に渦信号ｅ３として出力され
る。

渦信号ｅ３は増幅回路３０で増幅されその出力端に渦信
号ｅ４として出力される。この渦信号ｅ４は検波回路３
１で検波され、さらに整流回路３２で整流されてその出
力端に渦信号の振幅に比例した渦信号ｅ５として出力さ
れる。

この渦信号ｅ５は流体の密度をρ、流体の流速を■、比
例定数をに、とすれば次式で示される。

ｅ５　＝に＋　ｐＶ２　　　−　（１）一方、渦信号ｅ
３はフィルタ回路３３にも出力され、ここで渦信号ｅ、
の中に含まれる低周波あるいは高周波のノイズか除去さ
れその出力端に渦信号ｅ６として出力される。この渦信
号ｅ６は増幅回路３４で増幅されて渦信号ｅ７として次
段のシュミット回路３５に出力される。

このシュミット回路３５ではこの渦信号ｅ７を所定のス
レッショルドレベルでパルス信号に変換して周波数信号
ｅｆとして出力する。この周波数信号ｅｆは周波数／＄
圧（Ｆ／Ｖ　）コンバータ３６に出力されて渦周波数に
対応する直流電圧Ｅ。

に変換される。

この直流電圧Ｅ、は＆ｉＪ信号の周波数を有しており、
次式で示される。

Ｅ、二に２ｖ　　　　　　・・・（２）ただし、Ｋ２は
比例定数である。

割算回路３７は整流口１ｉ３２からの（１）式で示す渦
信号ｅ５を周波数／電圧コンバータ３６がらの（２ン式
で示す直流電圧Ｅ、で割り算をして、その出力端に次式
に示す質量流量信号Ｅ０．を出力する。

Ｅ　ＯＴ　　＝　Ｋ、　３　　ρ■ 冨に：！Ｑｌｌ　　　　　　　・・・　（３）ただし、
Ｋ３はに、／に２であり、質量流量ＱｍはＱｔ＝ｐＶで
ある・ なお、３８はゲート回路であり、増幅回路３４からの渦
信号ｅ７がシュミット回路３５のスレッショルドレベル
に達しない場合に割算回路３７の質量流量信号Ｅ。１を
ゼロとするものである。

つまり、割算回路３７の分母に相当する直流電圧Ｅ１は
渦周波数に相当する入力信号であるが、これはシュミッ
ト回路３５の出方信号かゼロになったときに大きな誤差
を発生させるので、これを防ぐために割算回路３７の後
段にゲート回路３８をいれてゼロカットをする。これは
、通常シュミット回路のヒステリシスはセンサからの信
号のＳ／Ｎによって決定されるが、渦周波数の正確な検
出のためかなり大きな値に設定されているからである。

しかしながら、この様な従来の質量流量計は、渦信号の
振幅に比例する信号を渦信号の周波数に比例する信号で
割算をすることによって質量流量を得る構成なので回路
構成が複雑になる欠点を有している。また、この様な従
来の質量流量計は、渦信号の振幅に比例する信号は流速
の２乗に比例するので後段の増幅器が飽和し易く、この
ため流量レンジを狭く取らざるを得なかった。

そこで、本出願人は以上の不具合を改良するために特願
平１−２５１０９５号［発明の名称、質量流量計Ｊを提
案し、出願している。

次に、この出願の内容について第９図〜第１１図を用い
て説明する。第９図はこの質量流量計の構成を示すブロ
ック図である。

なお、以下の説明において、同一の機能を有する部分に
ついては同一の符号を付して適宜にその説明を省略する
。

測定流体により圧電素子１７．２１に発生しな渦；荷Ｑ
、Ｑ２はそれぞれ電荷増幅器２５．２６により交流電圧
ｅ、　、ｅ２に変換される。交流電圧ｅ２はボリウム２
７を介して交流電圧ｅ、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。

この後、渦信号ｅ３はコーナ周波数ｆＣが測定範囲にお
ける渦信号の最低の渦周波数ｆｌｌｌｉπ以下に設定さ
れているローパスフィルタ３つに出力され、ここで交流
の質量流量信号ｅ日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Ｅ。２として出力される。

この質量流量信号ＥＯ２は電圧／周波数変換回路４２に
より質量流量に比例しなパルス信号ＰＩＩＩＩとして出
力される。このパルス信号Ｐ、をＷＸすれば容易に質量
流量の積算値が得られる。

次に、以上のように構成された質量流量計の動作につい
て第１０図および第１１図を用いて説明する。

第１０図は横軸に渦周波数ｆを縦軸に渦信号ｅ３をとっ
たときのローパスフィルタの特性を示し、第１１図は横
軸に質量信号ρ■を縦軸に質量流量信号ｅ８を取ったと
きのローパスフィルタの出力特性をそれぞれ示している
。

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＝に３ρｖ
２　　　　　・・・（３）で示されているように流速■
の２乗に比例した交流信号である。

ここで、１次のローパスフィルタ３９のコーナ周波数ｆ
Ｃを第１０図に示すように渦信号の最低の渦周波数ｆ１
，１に対して極めて小さく選定すると、つまりｆ　（＜
ｆ　重ｔ’　ＴＬに選定すると、交流の質量流量信号ｅ
８は、Ｋ４を定数としてｅｓ　＝Ｋａ　ｐＶ２／ｆ　　
　　−（４）となる。

ここで、ＶＯＣｆの関係があるから（４）式の関係は、
次の（５）式の関係となる。この関係は第１１図に示さ
れている。

６８　ｏｃＫ４　ρＶ　　　　　　　　・・・　（５）
従って、ローパスフィルタ３９の出力端には交流の質量
流量信号ｅ６が得られる。

ここで、例えばｆＣをｆｃ＝ｆｔ；ｕ／１０に選定した
とするとｆ１１Ｌπにおけるノンリニア誤差ｑはｑニー
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１０　ｆ　ｔ　ｉπとすれば、−０，０５
％／Ｆ、Ｓに相当する小さい値である。例えば、口径５
０Ａ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７Ｏ−７００Ｈｚとなり、ｆＣは
ｆｃ　＝７Ｈ２と設定すればよい。

以上の説明で分るようにこの質量流量計は、渦信号を所
定のコーナ周波数に選定されたローパスフィルタを介し
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、またローパスフ
ィ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、成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。

〈発明が解決しようとする課題〉 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。

しかし、加算図８＠２８の出力ｅ３はコーナ周波数がｆ
Ｃのローパスフィルタ３つを介することにより（５）式
で示す質量流量信号ｅｓを得ることになるが、この場合
にこのローパスフィルタ３９を介することにより、第１
０図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。

く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制御電圧に対応して
変化する可変ゲイン手段と、渦信号の渦周波数が入力さ
れこの渦周波数に追従して変化する制御ＸＩ信号を出力
する渦周波数検出手段と、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するようにしたものである。

く作　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
ゲインを制Ｗｔ圧に対応して変化させる。

一方、渦周波数検出手段は渦信号の渦周波数に追従して
変化する制御信号を可変ゲイン手段に出力してそのゲイ
ンをどの渦周波数に対しても平等に変更する。

そして、検波整流手段によりこの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。

〈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。第
１図は本発明の１実施例の構成を示すブロック図である
。

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＃Ｉ４３で質量信号ｅ、に変換
されて検波整流回路４１に出力される。

また、出力ｅ３は帯域フィルタ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。

このシュミットトリガ４５で帯域フィルタ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■ｃ渦
信号の周波数に比例している。

次に、以上のように構成された実施例の動作について説
明する。

加算回路２８の出力ｅ３の＠幅は（３）式に示すように
ρ■２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■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　＝に５　Ｖ　　　　　　　　−（６）となる。

可変ゲイン回路４３は渦周波数ｆ、つまり流速■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（６）式で（３）式を割算した形
として次式に示すように質量信号ｅ９を得る。

ｅｓ＝６３／Ｖｃ ”　（Ｋ３　／に＝ｔ　）　ρＶ　　　−’　（７）従
って、この場合の質量信号ｅ９は全周数帯域に亘って−
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、低周波ノイズか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。

次に、この可変ゲイン回路４３について第２図〜第４図
を用いてさらに詳しく説明する。

第２図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、第３図は第２図におけるアナログ／デジタル
変換器の動作状態を示す動作図、第４図は第２図に示す
可変ゲイン回路の制御信号■ｃとゲインとの関係を示す
特性図である。

加算回路２８の出力ｅコはバッファ増幅器４７Ａ、４７
Ｂ、・・・・・・４７Ｎ、抵抗ＲＡ　、　ＲＢ　、・・
・・・・ＲＮ、およびスイッチＳＷ＾、ＳＷＢ、・・・
・・・ＳＷＮ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ＲＯで接続され、（＋）入力端は共通電位点ＣＯ
Ｍに接続されている。そして、抵抗Ｒ＾、ＲＢ、・・・
・・・ＲＮなどと抵抗Ｒ８どの比率によりゲインが決定
される。

この場合に、抵抗Ｒ，ａ　−ＲＢ　、・・・・・・ＲＮ
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ＲＯ−ＲＮであり、全
スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ、・・・・・・ＳＷＮがオンの
場合には、 ｅ　ｓ　／　ｅ　３　＝　（５１２＋２５６＋・・＋１
）となる。つまり、スイッチＳ　Ｗａ　−Ｓ　Ｗｅ　、
・・・・・・ＳＷＮ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。

この場合に、スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ、・・・・・・Ｓ
ｗＮを制御する各制御信号ＳＡ　、　ＳＢ　、・・・・
・・ＳＮはアナログ／デジタル換器４９の出力端ＱＡ　
、　ＱＢ、・・・・・・ＱＮから得る。

このアナログ／デジタ変換器４９の出力端ＱＡ、ＱＢ−
・・・・・・ＱＮ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、・・・・・・ｆ、。。。に対する制御
信号Ｓ＾、ＳＢ、・・・・・・ｓＮに対応する制御信号
Ｓ１、Ｓ２、・・・・・・ＳＩＯの状態は、Ｈをハイレ
ベル、Ｌをローレベルとすると第３図に示すようになる
。

この様にしてスイッチＳＷ＾、ＳＷＢ、・・・・・・Ｓ
ｗＮをオン・オフ制御することにより、第４図に示す形
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。

〈発明の効果〉 以上、実論例と共に具体的に説明したように本発明によ
れば、検出端からの渦信号の振幅を可変ゲイン回路に入
力し、またこの渦信号に比例した渦周波数信号に対応す
る制御信号にこの渦信号を変換して、この制御信号によ
り可変ゲイン回路のゲインを渦周波数に反比例するよう
に制御してこれにより質量流量信号に変換するようにし
たので、簡単な構成で質量流量信号を得ると共に低周波
ノイズによる（Ｓ／Ｎ）比の低下に起因する誤差の発生
を容易に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の構成を示すブロック図、第
２図は第１図に示す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、第３図は第２図におけるアナログ
／デジタル変換器の動作状態を示す動作図、第４図は第
２図に示す可変ゲイン回路の制御信号とゲインとの関係
を示す特性図、第５図は従来の質量流量計の渦検出部の
断面の概要を示す断面図、第６図は第５図に示す渦検出
部の出力信号を電圧信号に変換するチャージコンバータ
の構成を示すブロック図、第７図は渦検出部でノイズを
除去する動作を説明する説明図、第８図は渦信号を用い
て流体の質量流量を演算する変換回路の構成を示すブロ
ック図、第９図は第８図に示す質量流量計を改良した質
量流量計の構成を示す構成図、第１０図は第９図に示す
ローパスフィルタの特性を示す特性図、第１１図は第９
図に示すローパスフィルタの出力特性を示す特性図であ
る。 １０・・・管路、１２・・・渦発生体、１７．２１・・
・圧電素子、２５．２６・・・電荷増幅器、２８・・・
加算回路、２９・・・チャージコンバータ、３１・・・
検波回路、３５・・・シュミット回路、３７・・・割算
回路、３８・・・ゲート回路、３９・・・ローパスフィ
ルタ、４１・・・検波ｍ流回路、４３・・・可変ゲイン
回路、４４・・・帯域フィルタ、４５・・・シュミット
トリガ、４６・・・周波数／を圧変換器、４７Ａ、４７
Ｂ、〜４７Ｎ川バッファ増幅器、４８・・・加算器、４
９・・・アナログ／デジタル変換器、Ｖｃ・・・制御電
圧。 第７図 （ａ） （ｂ） （ｃ） ひっ （ｄ） （ｅ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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制御電
   圧に対応して変化す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に追従して変化する前
   記制御信号を出力する渦周波数検出手段と、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すること
   を特徴とする質量流量計。