JPS5918332Y2 - 渦流量計 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、カルマン渦を利用して流体の流速または流量
を測定する渦流量計に関する。

流体中に物体を置くと、物体の雨後側面から交互にかつ
規則的に渦が発生し、下流に渦列となって流れることが
古くから知られている。

この渦列はカルマン渦列といわれ、単位時間当りの渦の
生成数（渦周波数）が流体の流速に比例している。

渦流量計は、測定流体を導く管路内に渦発生体を配置し
、渦発生体によって流速に比例した渦を発生させ、渦信
号を感熱素子や圧電素子等のセンサで検出した後信号変
換して流体の流速や流量を測定するものである。

ところで渦信号には渦周波数（１〜１２０土程度）より
低周波のゆらぎといわれるノイズ成分が重畳されている
。

このノイズの周波数は渦周波数が高くなる程高くなり、
その大きさも周波数に応じて増大する。

さらに渦信号を圧電センサで検出する場合には、ポンプ
などにより励起される管路振動等によるノイズの影響を
受ける。

管路振動等のノイズは数十止〜数百止にあり、その大き
さは周波数に比例して一般的には増大する。

本考案は、これらのノイズの影響を有効に除去し、渦信
号を低流速から高流速まで良好なＳ／Ｎで検出できる圧
電素子をセンサとする渦流量計を提供するにある。

第１図は本考案の一実施例を示す接続図である。

図において、１は測定流体の流速に応じて生ずる渦信号
を検出する圧電素子を用いたセンサで、渦発生体やその
下流側に設けた受力体および測定流体が流れる管路に取
付けられており、渦信号に応じてその両端に渦周波数の
交番電荷Ｑが生ずる。

電荷Ｑの大きさは第２図の点線イの如く渦周波数の２乗
特性となっている。

２はチャージアンプで、演算増幅器ＯＰ１とその帰還回
路に接続されたコンテ゛ンサＣ１と抵抗Ｒ１とで構成さ
れ、入力端子間に圧電センサ１が接続されている。

チャージアンプ２の周波数特性は第２図の点線口に示す
如く、カットオフ周波数 に達するまではゲインが直線的に増加し、ｆａを越える
とゲインがＣｓ／Ｃ１（ただしＣｓは圧電センサ１の等
価容量）で一定となる。

ところでチャージアンプ２のカットオフ周波数ｆａを渦
周波数の最低値付近（例えば３止）に選びかつＣｓ／Ｃ
１にゲインを持たせるには、抵抗Ｒ１の値を１０００Ｍ
、１７以上の非常に大きな値とする必要があり、抵抗値
の信頼性等に問題が生ずる。

そこで、チャージアンプ２のカットオフ周波数ｆａを渦
周波数の最低値より高い例えば３０Ｈｚ付近に選び、か
つコンデンサＣ１の値を圧電センサ１の容量Ｃｓの値よ
り大きく選んでゲインを１より小さくシ、第２図の点線
イに示すように低域特性を犠牲にして抵抗Ｒ１の値を充
分に小さく（例えば５０ＭＪ７）選ばれている。

３はフィルタ回路で、演算増幅器ＯＰ２とＯ１２の入力
回路に接続される抵抗Ｒ２，Ｒ３とコンデンサＣ２から
なる入力インピーダンス回路と、Ｏ１２の帰還回路に接
続される抵抗Ｒ４，Ｒ５とコンデンサＣ３，Ｃ４からな
る帰還インピーダンス回路からなり、第２図の点線へに
示す如き周波数特性を有する単−帰還形のローパスフィ
ルタが示されている。

そしてフィルタ回路３は、そのカットオフ周波散出を渦
周波数の最低値付近に選び、かつゲインを充分に大きく
選んである。

このため圧電センサ１とチャージアンプ２およびフィル
タ回路３からなる回路の特性は第２図の実線に示すよう
になり、フィルタ回路３によりチャージアンプ２の低域
特性を補償し所望のゲインを得ている。

４はコンデンサＣ５と、互いに逆極性で並列に接続され
た２個のダイオードＤ１．Ｄ２および抵抗Ｒ６の直列回
路で、フィルタ回路３を構成する演算増幅器ＯＰ２の入
出力端間に接続され、Ｏ１２の出力ｅ。

がダイオードの順方向電圧Ｖｃ組以上なるとフィルタ回
路３のフィルタ特性を解除するものである。

このように構成した本考案において、チャージアンプ２
は圧電センサ１からの交番電荷ＱをコンデンサＣ１にチ
ャージし、ＯＰｌの出力端子に交流電圧ｅ１を生ずる。

この電圧ｅ１の波形は第３図に示すように、測定流体が
低流速時には管路振動等の高周波ノイズが重畳された波
形となり、高流速時にはビート信号でかつ低周波のゆら
ぎ成分を含んだ波形となっている。

ｅｌをカットオフ周波数ｍのローパスフィルタ回路３を
介して取り出すと、その出力は第４図に示すように渦周
波数ｆがｍ以下の低流速時には高周波ノイズが除去され
Ｓ／Ｎの良好な信号となるが、ｆが山以上の高流速時に
は低周波のノイズで出力が飽和し、高周波の信号成分が
計数できない波形となる。

これは高流速時に信号成分が高周波となりフィルタ回路
３で減衰するのに対し、ノイズ成分である低周波のゆら
ぎ成分が高流速時に大きくなるためである。

そこで本考案では、コンデンサＣ５と２個のダイオード
Ｄ１．Ｄ２および抵抗Ｒ６の直列回路４をフィルタ回路
３を構成する演算増幅器ＯＰ２の入出力端子間に接続し
、Ｏ１２の出力ｅ。

がダイオードの順方向電圧Ｖｃ組以上なると、Ｏ１２に
直列回路４を介して帰還をかけフィルタ特性を解除する
とともに、振幅制限特性を持つように構成しである。

よって、ダイオードの順方向電圧Ｖｃを山付近のＯ１２
の出力ｅｏ相当の値に選べば゛、出力ｅ。

の波形は、第５図に示すようにｅ。

がＶｃ以下の低流速時（ｆ ＜ｆｂ相当）には高周波ノ
イズが除去された波形となり、ｅｏがＶｃ組以上高流速
時（ｆ ＞ｆｂ相当）には低周波のノイズ成分の影響を
受けない波形となって、低流速時においても高流速時に
おいてもＳ／Ｎの良好な信号となる。

そして、ダイオードの順方向電圧Ｖｃは約０．６■とイ
氏いので、ローパスフィルタ３のカットオフ周波数を低
くできる。

またダイオードＤ１．Ｄ２に直列に接続されるコンデン
サＣ５は、ｅｏの直流分を阻止するためのもので０．１
μＦ程度のものが使用されている。

なお、チャージアンプ２とフィルタ回路３とをコンデン
サで結合すればＣ２は不用であるが、測定最小信号周波
数が１〜２）（ｚ程度であり、フィルタ回路３のゲイン
を５００倍程度とすると結合コンデンサの容量は大きな
ものにする必要がある。

ところで大容量（数１０μＦ）のコンデンサで実用的な
ものはタンタルコンデンサであるが有極性であるため、
安全設計上２個を付き合わせて無極性にする必要があり
、スペース、コストとも割高となる。

第６図は本考案の他の実施例を示す接続図で、単一の直
流電源で動作させる場合である。

図において、演算増幅器ＯＰ１．ＯＰ２．ＯＰ３の電源
端子に単一の直流電源■から電源電圧を与え、かつ単一
の直流電源■からの電圧を抵抗Ｒ７，Ｒ８で分圧した電
圧ｖｂを、ＯＰｌの入力端子（ト）には抵抗Ｒ１’とコ
ンテ゛ンサＣ１′の並列回路を介して加え、Ｏ１２の入
力端子（１）には直接加え、さらにＯ２０の入力端子（
ト）には抵抗Ｒ９を介して加えるように構成されている
。

ここでＯＰｌの入力端子（→に接続された抵抗Ｒ１’と
コンデンサＣＩ’の値をＯＰｌの帰還回路に接続された
抵抗Ｒ１とコンテ゛ンサＣ１の値と等しく選べば、圧電
センサ１のストレ容量を介して加わるコモンモードノイ
ズの影響を第１図の場合に比して１／２００にでき、か
つ出力ｅ１も第１図の場合に比して２倍にできる。

また圧電センサ１とチャージアンプ２の入力端間に接続
された結合コンデンサＣｏ 、Ｃｏ’は、圧電センサ１
側に直流電流が流れないようにして、圧電センサ１の絶
縁抵抗の低下によるＯＰｌの動作点の変動を防止するた
めのものである。

この場合結合コンデンサＣｏ 、Ｃｏ’の容量を圧電セ
ンサ１の容量Ｃｓよりも充分に大きな値に選ぶことによ
り、チャージアンプ２のゲインには実質的に影響を与え
ない。

さらにチャージアンプ２とフィルタ回路３との間に設け
たＯ４０からなるバッファアンプ５は、ＯＰｌの入力端
子（１）に高抵抗Ｒ１’を接続したことにより、フィル
タ回路３のＯ４０の入力端子０と（１）間の電位差が大
きくなるのを防止するためである。

このときチャージアンプ２とバッファアンプ５間を結合
するコンデンサＣ６の容量はＣ５と同様０．１μＦ程度
である。

なお抵抗Ｒ８に並列に接続したコンデンサＣ７は、電源
供給ラインからのノイズを有効に除去するためのもので
ある。

なお上述では、圧電センサ１に生ずる電荷量をチャージ
アンプ２で交流電圧に変換してフィルタ回路３に与える
場合を例示したが、圧電センサ１に生ずる電圧を直接ま
たは増幅した後フィルタ回路３に与えるようにしてもよ
い。

以上説明したように本考案においては、低流速時にはフ
ィルタ回路により管路振動等の高周或ノイズを除去し、
高流速時にはダイオードによりフィルタ特性を解除し信
号周波数の減衰を軽減することによって渦信号に重畳し
てくる低周波ノイズ成分に対して十分なＳ／Ｎを確保で
きる圧電素子をセンサとする渦流量計が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示す電気的接続図、第２図
〜第５図はその動作説明図、第６図は本考案の別の実施
例を示す電気的接続図である。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 測定流体の流速に応じて生ずる渦信号を圧電センサで検
   出しこれを交流の信号電圧に変換後口−パスフィルタを
   介して取り出すようにした渦流量計であって、ローパス
   フィルタとして演算増幅器とインピーダンス素子よりな
   るアクティブフィルタを用い、演算増幅器の入出力間に
   コンテ゛ンサとダイオードおよび抵抗の直列回路を接続
   し、演算増幅器の出力があるレベル以上になったときフ
   ィルタ特性を解除するようにしたことを特徴とする渦流
   量計。