JPS5924363B2

JPS5924363B2 - 渦流量計

Info

Publication number: JPS5924363B2
Application number: JP55141641A
Authority: JP
Inventors: 一造伊藤
Original assignee: Yokogawa Hokushin Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1980-10-09
Filing date: 1980-10-09
Publication date: 1984-06-08
Also published as: JPS5766314A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、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、物体の両後側面から交互にかつ
規則的に渦が発生し、下流に渦列となつて流れることが
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。そこ
で、測定流体を導く管路内に渦発生体を配置し、渦発生
体によつて流速に比例した渦を発生させ、渦の生成によ
る揚力変化を渦発生体に設けた圧電素子、ストレンゲー
ジ、容量やインダクタンス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渦流量計が実用化
されている。ところでこの種の渦流量計においては、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＋Ｈｚ〜数百Ｈ２
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。そして渦周波数（測定流体が液体の場合１Ｈｚ〜
１２０Ｈｚ程度）より高周波のノイズはローパスフィル
タにより容易に除去できるが、渦周波数領域の低周波ノ
イズの除去は容易ではない。本発明は、渦の揚力によつ
て渦発生体に生ずる応力変化の分布と、管路振動等によ
つて渦発生体に生ずる応力分布の相違に着目し、２個の
センサを用いその出力を各々信号変換した後演算するこ
とによつて、上述の如き管路振動等によるノイズの影響
を有効に除去し、Ｓ／Ｎの良好な渦流量計を実現した
ものである。

第１図は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、第
２図は本発明の一実施例を示す電気的接続図である。

両図において、１０は渦流量計検出器、２０は渦流量計
変換器である。渦流量計変換器１０において、１１は測
定流体が流れる管路、１２は管路１１に直角に設けられ
た円筒状のノズル、１３はノズル１２を通して管路１１
に直角に挿入された柱状の渦発生体で、ステンレス等か
らなりその上端１３ａはノズル１２にネジまたは溶接に
より固定され、下端１３ｂはネジにより管路１１に支持
されている、渦発生体１３の測定流体と接する部分１３
ｃは測定流体にカルマン渦列を生ぜしめ、かつ揚力変化
を安定強化するような例ば台形等の断面形状を有し、ま
た上端１３ａ側には凹部１３ｄを有している。

渦発生体１３は管路１１内に測定流体が流れるとカルマ
ン渦を発生させるとともに、渦の生成に基づく揚力変化
を受ける。渦発生体１３は揚力変化を受けるとその内部
に図示の如く中立軸を挟んで互いに逆方向の応力変化が
発生する。この渦の揚力による応力変化の分布は第４図
イの実線に示すようになる。また渦発生体１３はポンプ
、コンプレツサ等により励記される管路振動等による渦
の揚力と同方向の力を受ける。この管路振動によつて渦
発生体１３に生ずる応力変化の分布は第４図口の実線に
示すようになる。なお変換器２０を検出器１０から離し
て設置する場合には第４図口の点線に示すように移行す
る。１４，１５は第１、第２の圧電センサで、前記渦発
生体１３の凹部１３ｄ内に図示の如く一定間隔をへだて
てガラス等の絶縁材１６によつて封着固定されている。

なお圧電センサ１４，１５は他の手段（例えば金属等）
を用いて固定してもよい。圧電センサ１４，１５は円板
状の圧電素子１４ａ，１５ａからなり、その中心が渦発
生体１３の中立軸と一致するように配置されている。さ
らに圧電素子１４ａ，１５ａには、第３図に示すように
その表と裏にそれぞれ左右に分割して対称的に電極Ｄｌ
，ｄ２，ｄ３，ｄ４が設けられ、電極ｄ１とＤ２で挟ま
れた部分に生ずる電荷と、電極Ｄ３とＤ４で挾まれた部
分に生ずる電荷とが差動的になるように、電極ｄ１とＤ
３および電極Ｄ２とＤ３が各々結線され、かつ電極ｄ１
とＤ３とからそれぞれリード線１１，１２が絶縁材１６
を貫通して外部に取り出されている。圧電センサ１４，
１５は揚力方向の力によつて渦発生体１３に生ずる応力
変化に対応して電極ｄ１とＤ２間および電極Ｄ３とＤ４
間に互いに逆位相の電荷量が生じ、これら電荷量を差動
的に取り出す。したがつて圧電センサ１４，１５の出力
に生ずる電荷Ｑｌ，ｑ２は渦の揚力による信号電荷に管
路振動等によるノイズ電荷が重畳されたものとなり、渦
周波数を含む低周波領域では、信号電荷の振幅をＳｌ，
Ｓ２、ノイズ電荷の振幅をＮｌ，Ｎ２とすると次式で与
えられる。ｑ１−Ｓｌｓｉｎ（Ｊ）ｔ＋Ｎｌｓｉｎω′
ｔ（１）Ｑ２−Ｓ２ｓｉｎωｔ＋Ｎ２ｓｉｎω′
ｔ（２）ただし、ω：信号の角周波数ω′：ノ
イズの角周波数そして信号電荷の振幅Ｓｌ，Ｓ２およびノイズ電荷の振
幅Ｎｌ，Ｎ２は第４図から明らかなように圧電センサ１
４，１５の取付け位置で決まり、本実Ｓ２Ｎ２施例では
、」は０．５以下で、一は０．９〜１．０程ＳｌＮｌ度
である。

圧電センサ１４，１５の出力電荷Ｑｌ，ｑ２はリード線
１１，１２を介して渦流量計変換器２０に与えられる。
渦流量計変換器２０において、２１，２２は変換増幅器
で、チヤージアンプが示されている。

２３は加算または減算を行う演算器で、加算器が示され
ている。

２４は増幅器、２５はフイルタ回路、２６は直列回路、
２７は比較器である。

チヤージアンプ２１は演算増幅器０Ｐ１と、０Ｐ，の帰
還回路に接続されたコンデンサＣｌｌと抵抗Ｒｌｌの並
列回路および、０Ｐ１の入力端子（イ）とコモン間に接
続されたコンデンサＣｌ２と抵抗Ｒｌ２の並列回路で構
成され、その入力端子（ハ）に圧電センサ１４のリード
線１１が、入力端子（イ）にリード１２が接続される。
またチヤージアンプ２２は演算増幅器０Ｐ２と、０Ｐ２
の帰還回路に接続されたコンデンサＣ２ｌと抵抗Ｒ２ｌ
の並列回路および、０Ｐ２の入力端子（１）とコモン間
に接続されたコンデンサＣ２２と抵抗Ｒ２２の並列回路
で構成され、その入力端子（ハ）に圧電センサ１５のリ
ード線１２が、入力端子（ト）にリード線１２が接続さ
れている。このように圧電センサ１４の出力電荷ｑ１は
チヤージアンプ２１に加えられ、圧電センサ１５の出力
電荷Ｑ２は反転されてチヤージアンプ２２に加えられ、
それぞれ交流電圧Ｅｌ，ｅ２に変換される。Ｅｌ，ｅ２
はチャージアンプ２１，２２のゲインをＡｌ，Ａ２とす
ると次式で与えられる。ｅ１−Ａ，（Ｓｌｓｉｎｃｌ）
ｔ＋Ｎｌｓｉｎω′ｔ）（３）Ｅ２−一Ａ２（Ｓ２
ｓｉｎωｔ＋Ｎ２ｓｉｎω′ｔ）（４）チャージアン
プ２１，２２の出力Ｅ，，ｅ２は加算器２３に加えられ
る。

加算器２３は抵抗Ｒ３ｌにより帰還が施された演算増幅
器０Ｐ３からなり、０Ｐ３の入力端子（→に抵抗Ｒ３２
を介して第１のチヤージアンプ２１の出力電圧ｅ１が、
抵抗Ｒ３３と可変抵抗Ｒ３４の直列回路を介して第２の
チヤージアンプの出力電圧Ｅ２が加えられている。した
がつて加算器２３はＥｌ，ｅ２を加算し、その出力Ｅ３
は次式で与えられる。ここで、を満足するように可変抵抗Ｒ３４を調整すれば、加算器
２３の出力Ｅ３は、となり、管路振動等による低周波ノ
イズの影響を有効に除去できる。

しかもＮ２／Ｎ１が０．９〜１．０程度であるので、可
変抵抗Ｒ３４を調整して（６）式の関係を満足させるこ
とは容易であり、またＳ２／Ｓ１が０．５以下にできる
ので信号成分の減衰も小さく、その減衰は次段の増幅器
２４で充分に補償できる。加算器２３の出力Ｅ３の波形
は、第５図に示すように測定流体が低流速時に加算器２
３で十分に除去できなかつた渦周波数より高周波のノイ
ズが重畳された波形となり、高流速時にはビード信号で
かつ渦流量計特有の信号周波数より低周波のゆらぎとい
われるノイズを含んだ波形となつている。ゆらぎの周波
数は信号周波数が高くなる程（高流速になる程）高くな
り、その大きさも周波数に応じて増大する。この加算器
２３の出力Ｅ３は増幅器２４で増幅された後フイルタ回
路２５に加えられる。増幅器２４は演算増幅器０Ｐ４と
演算抵抗Ｒ４ｌ，Ｒ４２からなる反転増幅器で、その入
力に結合コンデンサＣＣｌを介して加わる加算器２３の
出力Ｅ３Ｒを一竺で決まるゲインで増幅する。

なお増幅器Ｒ４ｌ２４はＥ３が充分に大きい場合には省
略し得る。

フィルタ回路２５は、演算増幅器０Ｐ５と、０Ｐ５の入
力回路に接続される抵抗Ｒ５ｌ，Ｒ５２とコンデンサＣ
５ｌからなる入力インピーダンス回路と、０Ｐ５の帰還
回路に接続される抵抗Ｒ５３とコンデンサＣ５２からな
る帰還インピーダンス回路を有するローパスフイルタで
、フイルタ回路２５の入力端には増幅器２４の出力端が
結合コンデンサＣＣ２を介して接続されている。増幅器
２４の出力Ｒ ±Ｅ３をフイルタ回路２５を介して取り出すＲ４ｌと、
その出力は第６図に示すように、低流速時には加算器２
３で除去できなかつた高周波ノイズを十分減衰させＳ／
Ｎの良好な信号となるが、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イルタ回路
２５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。そこでダ
イオードＤｌ，Ｄ２と抵抗Ｒ６ｌからなる直列回路２６
を０Ｐ５の入出力端子間に接続し、０Ｐ５の出力Ｅ４が
ダイオードの順方向電圧Ｖｃ以上になると、０Ｐ５に直
列回路２６を介して帰還をかけ、フイルタ特性を解除す
るとともに、振幅制限特性を持つように構成してある。
よつてダイオードの順方向電圧Ｖｃを所定の渦周波数付
近の０Ｐ５の出力Ｅ４相当の値に選べば、出力Ｅ４の波
形は、第７図に示すようにＥ４がＶｃ以下の低流速時に
は高周波ノイズが除去された波形となり、Ｅ４がＶｃ以
上の高流速時には低周波のノイズ成分の影響を受けない
波形となつ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。なおダイオードＤｌ，Ｄ２の
代りにツエナーダイオードの順方向電圧降下を利用して
もよい。フイルタ回路２５の出力Ｅ４は比較器２７に結
合コンデンサＣＣ３を介して加えられる。比較器２７は
演算増幅器０Ｐ７に抵抗Ｒ７４，Ｒ７５，Ｒ７６で正帰
還を施したシユミツトトリガが示されており、Ｅ４を波
形整形し渦周波数のパルス出力ＰＯに変換する。パルス
出力ＰＯの周波数から測定流体の流速が測定できる。な
お上述では、結合コンデンサＣＣｌ，ＣＣ２，ＣＣ３を
用いて、前段部の演算増幅器から発生するオフセツト電
圧による影響を取り除くようにしているが、１Ｈｚ程度
の渦周波数を取扱う場合には大容量のものが必要となる
。

第８図に示すようにフイルタ回路２５を構成する演算増
幅器０Ｐ５の正帰還回路に演算増幅器０Ｐ８からなる積
分器２８を設ければ、結合コンデンサＣＣｌ，ＣＣ２，
ＣＣ３を省略できる。また上述では、チヤージアンプ２
１の出力ｅ１とチヤージアンプ２２の出力Ｅ２を加算器
２３で加算する場合を例示したが、圧電センサ１４，１
５の出力Ｑｌ，ｑ２のノイズ成分が同相の場合には演算
器２３で減算すればよい。また上述では圧電センサ１４
，１５の出力電荷を利用する場合を例示したが、出力電
圧を利用してもよい。この場合チャージアンプの代りに
変換増幅器として差動増幅器が用いられる。さらにセン
サとしては、圧電素子を用いたものに限らず、ストレン
ゲージ、容量やインダクタンス等必要に応じて種々のセ
ンサを用いることができる。以上説明したように本発明
においては、２個のセンサを用いその出力を各々信号変
換した後加算または減算することによつて管路振動等に
よる低周波ノイズを有効に除去しているので、Ｓ／Ｎの
良好な渦流量計が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の渦流量計の一実施例を示す構成説明図
、第２図は本発明渦流量計の→実施例を示す電気的接続
図、第３図は本発明に用いる圧電センサの一例を示す構
成説明図、第４図は本発明渦流量計の動作を説明するた
めの特性曲線、第５図〜第７図は本発明の動作を説明す
るための波形図、第８図は本発明の他の実施例を示す電
気的接続図である。１０・・・・・・渦流量計検出器、２０・・・・・・渦
流量計変換器、１３・・・・・・渦発生体、１４，１５
・・・・・・センサ、１６・・・・・・絶縁材、２１，
２２・・・・・・チャージアンプ、２３・・・・・・加
算または減算器、２４・・・・・・増幅器、２５・・・
・・・フイルタ回路、２７・・・・・・比較器。

Claims

【特許請求の範囲】

１測定流体にその流速に応じたカルマン渦を生成させ
る渦発生体と、この渦発生体に設けられた第１、第２の
センサと、第１のセンサよりの信号が加えられる第１の
変換増幅器と、第２のセンサよりの信号が加えられる第
２の変換増幅器と、第１の変換増幅器の出力と第２の変
換増幅器の出力とを加算または減算する演算器と、この
演算器からの信号電圧をローパス特性のフィルタ回路を
介して取り出した後パルス幅信号に変換する手段と、前
記演算器からの信号電圧があるレベル以上になつたとき
フィルタ回路のフィルタ特性を解除する手段とを具備し
たことを特徴とする渦流量計。