JPH11304557A - 渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流量計測精度や流量計測の信頼性が低下して
いることを判断できる渦流量計を提供することを目的と
する。 【解決手段】 渦信号の振幅を検出し、渦信号の振幅の
移動平均を算出して、渦信号の振幅の変調量が渦信号の
振幅の移動平均の所定割合ａを超えるか否かを判断する
振幅変化抽出回路１５を設け、ノイズの大きさ（渦信号
の振幅の変化量）が渦信号全体の大きさ（渦信号の振幅
の移動平均）の所定割合ａを超えたときには、これをユ
ーザに報知するように構成する。これによって、渦信号
全体に占める揺らぎや脈動による渦信号のノイズの割合
が大きくなったために流量計測精度が低下していること
を判断することができ、流量計の信頼性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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１
１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１
４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（振幅検出手段）
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、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、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α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、流量演
算回路１４内で、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する判断手段と、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
超える場合に報知する報知手段とを設けたことにより、
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)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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。