JPH05267994A - フイルタ回路及び渦流量変換回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 センサに含まれるノイズ成分を有効に除去す
ることができるように改良されたフイルタ回路及び渦流
量変換回路を提供するにある。 【構成】 クロック周波数でコーナ周波数が制御される
スイッチドキャパシタを含みセンサからの周波数信号を
フイルタリングしてフイルタ信号として出力するフイル
タ素子と、このフイルタ信号に対応する帰還信号を先の
クロック周波数として帰還する帰還手段とを具備するよ
うにし、さらに渦流量変換回路の構成としてクロック周
波数でコーナ周波数が制御されるスイッチドキャパシタ
を含みカルマン渦により発生する交番信号をフイルタリ
ングして渦流量信号として出力するフイルタ素子と、こ
の渦流量信号に対応する帰還信号を先のクロック周波数
として帰還する帰還手段とを具備するようにしたもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、センサからの周波数信
号をフイルタリングして出力するスイッチドキャパシタ
を含むフイルタ回路及びこれを用いる渦流量変換回路に
係り、特に、このセンサに含まれるノイズ成分を有効に
除去することができるように改良されたフイルタ回路及
び渦流量変換回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】スイッツチドキャパシタを用いてセンサ
に含まれるノイズを除去するフイルタ回路を用いる従来
の方式としては、例えば渦流量計の例として、本出願人
から平成３年６月２８に特願平３ー１５８７３３号とし
て特許出願された発明の名称「渦流量計」があるので、
以下、これをベースとして説明する。

【０００３】この発明は、カルマン渦により発生する交
番信号を検出してフイルタを介して得た渦流量信号を，
例えばマイクロプロセッサなどを用いて信号処理し、測
定流量に対応する渦信号として出力する渦流量計に関す
るものである。

【０００４】そして、この場合のフイルタとしてマイク
ロプロセッサから出力されるクロック信号によりスイッ
チドキャパシタを切り換える周波数を変更してコーナ周
波数を変えてバンドパスフイルタとしての帯域幅を任意
に変更することができるようにしたものである。

【０００５】したがって、この構成をとることにより、
マイクロプロセッサから出力されるクロック周波数を変
更するだけでフイルタのコーナ周波数を容易に変更する
ことができるので、１個のフイルタで各種の条件（流体
の種類、口径など）に適合させることができ、汎用性が
拡大し、ひいてはコストの低減に役立つメリットが得ら
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ようなスイッチドキャパシタ方式の渦流量計は、１個の
フイルタで各種の条件（流体の種類、口径など）に適合
させることはできるが、カルマン渦により発生する交番
信号の周波数に対してこのスイッチドキャパシタを切り
換えるクロック信号が固定され、このため測定渦周波数
に対してフイルタの例えば中心周波数が固定されること
となるので、所定の条件において測定流体の流速によっ
て大きく変化する渦周波数の全域をカバーして動作する
渦流量計に対してノイズを有効に除去することができな
いという問題がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するためのフイルタ回路の構成として、クロック周
波数でコーナ周波数が制御されるスイッチドキャパシタ
を含みセンサからの周波数信号をフイルタリングしてフ
イルタ信号として出力するフイルタ素子と、このフイル
タ信号に対応する帰還信号を先のクロック周波数として
帰還する帰還手段とを具備するようにし、さらに渦流量
変換回路の構成としてクロック周波数でコーナ周波数が
制御されるスイッチドキャパシタを含みカルマン渦によ
り発生する交番信号をフイルタリングして渦流量信号と
して出力するフイルタ素子と、この渦流量信号に対応す
る帰還信号を先のクロック周波数として帰還する帰還手
段とを具備するようにしたものである。

【０００８】

【作 用】フイルタ回路は、クロック周波数でコーナ周
波数が制御されるスイッチドキャパシタを含むフイルタ
素子によりセンサからの周波数信号をフイルタリングし
てフイルタ信号として出力し、帰還手段によりこのフイ
ルタ信号に対応する帰還信号を先のクロック周波数とし
て帰還する。

【０００９】さらに、渦流量変換回路は、クロック周波
数でコーナ周波数が制御されるスイッチドキャパシタを
含むフイルタ素子によりカルマン渦により発生する交番
信号をフイルタリングして渦流量信号として出力し、帰
還手段によりこの渦流量信号に対応する帰還信号を先の
クロック周波数として帰還する。

【００１０】以上により、例えば渦流量変換回路では、
フイルタ素子のコーナ周波数は常に渦信号の周波数に連
動して変更されるようになるので、フイルタ特性を最適
化することができ、このため流体ノイズや管路振動など
の外乱ノイズの影響を最小限に抑制することができ、安
定な流量測定が出来る。

【００１１】

【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。渦流量計をベースとして説明する。図１は本発
明の１実施例の構成を示すブロック図である。

【００１２】センサ１０は圧電素子を有し、図示しない
渦発生体で発生するカルマン渦に起因してこの渦発生体
に生じる揚力により流量に対応する交番電荷Ｑ₁を発生
させる。

【００１３】この交番電荷Ｑ₁は、チャージアンプを構
成する電荷／電圧変換回路１１で交流電圧Ｖ₁に変換さ
れ抵抗Ｒ₁を介して加算増幅器１２に出力される。ま
た、センサ１３も渦発生体の所定位置に配置され渦発生
体に生じる揚力により流量に対応する交番電荷Ｑ₂を発
生させる。

【００１４】この交番電荷Ｑ₂も、チャージアンプを構
成する電荷／電圧変換回路１４で交流電圧Ｖ₂に変換さ
れ、可変抵抗Ｒ₂でその大きさが調節されて加算増幅器
１２に出力される。

【００１５】加算増幅器１２はこれ等の交流電圧Ｖ₁と
Ｖ₂とを加算して渦信号Ｖ_Q1として出力する。この場
合、交流電圧Ｖ₂は渦信号Ｖ_Q1に管路振動によって生じ
るノイズが低減されるような値に可変抵抗Ｒ₂で設定さ
れる。

【００１６】この渦信号Ｖ_Q1はフイルタ回路１５で濾波
がなされてシュミットトリガ回路１６に渦信号Ｖ_Q2とし
て出力される。このフイルタ回路１５は各種のハイパス
フイルタとローパスフイルタの組合せで構成されるが、
この場合は３個のクロック信号ｆ_CL1、ｆ_CL2、ｆ_CL3で
コーナ周波数が切り換えられる例を示している。

【００１７】シュミットトリガ回路１６は、この渦信号
Ｖ_Q2を所定のヒステリシス幅ΔＨを基準としてパルス化
して渦信号Ｆ_Vとしてトランス１７に出力すると共に周
波数逓倍回路１８にも出力する。

【００１８】この周波数逓倍回路１８は低い周波数の渦
信号Ｆ_Vを逓倍して複数のクロック信号ｆ_CL1、ｆ_CL2、
ｆ_CL3を生成してフイルタ回路１５に出力し、フイルタ
回路１５の特性を渦信号Ｆ_Vに比例して自動的に変更す
る。

【００１９】この渦信号Ｆ_Vはトランス１７を介して直
流的に絶縁して周波数／電圧変換器（Ｆ／Ｖ）１９に出
力される。周波数／電圧変換器（Ｆ／Ｖ）１９はこのパ
ルス信号を直流電圧に変換し、さらにこの直流電圧は電
圧／電流変換器（Ｖ／Ｉ）２０により電流信号Ｉ₁に変
換されて出力端２１に出力される。

【００２０】図２は図１に示すフイルタ回路１５を簡単
のためローパスフイルタとして構成した構成図である。
図２（ａ）は概念図、図２（ｂ）は具体例を示す回路
図、図２（ｃ）は等価回路図である。

【００２１】渦信号Ｖ_Q1はスイッチＳＷの切換端を介し
て出力端と帰還コンデンサＣ_fで接続された演算増幅器
ＯＡの反転入力端（−）に入力される。スイッチＳＷの
共通端はコンデンサＣを介して共通電位点ＣＯＭに接続
されている。そして、このスイッチＳＷは周波数逓倍回
路１８から出力されるクロック信号ｆ_CL1により一対の
切換端を共通端に対して交互に切り換える。このコンデ
ンサＣとスイッチＳＷでスイッチドキャパシタＳＤＣを
構成する。

【００２２】このスイッチドキャパシタＳＤＣの具体的
な回路構成を図２（ｂ）に示す。スイッチＳＷは電荷効
果形のトランジスタＦＥＴ１とＦＥＴ２とが直列に接続
され、その接続点にコンデンサＣが接続されている。こ
れ等のトランジスタＦＥＴ１とＦＥＴ２とはゲートが互
に逆極性のクロックΦと＜Φ＞を持つクロック信号ｆ
_CL1により相補的に切り換えられる。

【００２３】このクロック信号ｆ_CL1によりコンデンサ
Ｃが切り換えられると、スイッチドキャパシタＳＤＣは
図２（ｃ）に示すように等価抵抗Ｒ₃で置き換えること
ができ、その値は、 Ｒ₃＝１／Ｃ＊ｆ_CL1 で示される。したがって、図２（ｂ）に示すローパスフ
イルタは、 Ｖ_Q2＝−Ｖ_Q1／ｓＣ_fＲ₃ の特性を持つ。但し、ｓはラプラス演算子である。

【００２４】この式から判るように、クロック信号ｆ
_CL1の周波数を変化させるとローパスフイルタのコーナ
周波数を変化させることができる。このことは、ハイパ
スフイルタにおいても同様であり、例えばクロック信号
ｆ_CL2を変化させることによりコーナ周波数を変更でき
る。

【００２５】一方、渦流量計では低流速のときは図３
（ａ）に示すように低い周波数の渦信号Ｖ_Q1に相対的に
高い周波数のノイズＮ_Z1が重畳された波形をし、高流速
のときは図３（ｂ）に示すように高い周波数の渦信号Ｖ
_Q1に相対的に低い周波数のノイズＮ_Z1が重畳された波形
をしているが、フイルタ回路１５はこれらに含まれるノ
イズＮ_Z1を効果的に除去する必要がある。

【００２６】このため、フイルタ回路１５の出力である
渦信号Ｖ_Q2に比例してフイルタ回路１５のフイルタ特性
を変更する。これにより、常に必要な渦信号の振幅と帯
域幅で信号を検出することができ、良好なノイズ除去効
果を得ることができる。

【００２７】以上の点について、図４を用いてさらに詳
しく説明する。一般に渦流量計における渦周波数ｆ
_Vは、Ｓ_tをストロハル数として、 ｆ_V＝Ｓ_tＶ／ｄ で示されるように、口径による渦発生体の径ｄの変化
と、流体の種類による測定流速Ｖの変化により渦周波数
ｆ_Vが大幅に変化する。

【００２８】例えば、口径１５Ａでガスを測定する場合
はその渦周波数ｆ_Vの範囲は４００〜５０００Ｈ_Z、口径
２００Ａの液体を測定する場合は１．５〜４０Ｈ_Zと大
幅に変化する。

【００２９】そして、一般に渦周波数が低いほど渦信号
の振幅が小さいので、必要な感度を得るため、従来はフ
イルタ回路の各コーナ周波数を図４の破線で示すように
測定範囲の最小の渦周波数ｆ_V’になるように中心周波
数を固定している。

【００３０】このように中心周波数を固定している結
果、口径、流体の種類によって大幅に周波数が変化する
場合に対応するために、広い周波数帯域を必要とし、こ
のためノイズを効果的に除去することができないことと
なる。

【００３１】しかし、図４の実線で示す本発明のように
渦信号Ｖ_Q2に比例してフイルタ回路１５のフイルタ特性
を変更することにより、常に渦信号Ｖ_Q2の近傍にピーク
を持つフイルタ特性となり良好にノイズを除去すること
ができる。

【００３２】なお、今までの説明では、渦信号Ｖ_Q2に比
例してフイルタ回路１５のフイルタ特性を変更すること
として説明したが，流速がゼロ又は低く渦信号の検出が
困難な範囲では、クロック信号がある一定値となるよう
に周波数逓倍回路１８を構成するようにしても良い。

【００３３】今までは、渦流流量計をベースとして説明
したが、出力が周波数でありかつ信号に高周波或いは低
周波のノイズが重畳するセンサのフイルタ回路にも本発
明は応用することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに本発明によれば、フイルタ素子のコーナ周波数を常
に渦信号の周波数に連動して変更するように構成したの
で、フイルタ特性を最適化することができ、このため流
体ノイズや管路振動などの外乱ノイズの影響を最小限に
抑制することができ、安定な流量測定が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１に示すフイルタ回路の主要な構成を示す構
成図である。

【図３】図１に示す実施例のノイズ重畳の状況を示す波
形図である。

【図４】図１に示すフイルタの効果を説明する特性図で
ある。

【符号の説明】

１０、１３ センサ １１、１４ 電荷／電圧変換回路 １２ 加算増幅器 １５ フイルタ回路 １６ シュミットトリガ回路 １７ トランス １８ 周波数逓倍回路 ＳＤＣ スイッチドキャパシタ Ｃ_f 帰還コンデンサ ｆ_CL1、ｆ_CL2、ｆ_CL3 クロック信号 Ｑ₁、Ｑ₂ 交番電荷 Ｖ_Q1、Ｖ_Q2 渦信号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】クロック周波数でコーナ周波数が制御され
   るスイッチドキャパシタを含みセンサからの周波数信号
   をフイルタリングしてフイルタ信号として出力するフイ
   ルタ素子と、このフイルタ信号に対応する帰還信号を前
   記クロック周波数として帰還する帰還手段とを具備する
   ことを特徴とするフイルタ回路。
2. 【請求項２】クロック周波数でコーナ周波数が制御され
   るスイッチドキャパシタを含みカルマン渦により発生す
   る交番信号をフイルタリングして渦流量信号として出力
   するフイルタ素子と、この渦流量信号に対応する帰還信
   号を前記クロック周波数として帰還する帰還手段とを具
   備することを特徴とする渦流量変換回路。