JPS6381213A - カルマン渦流量計の信号処理回路 - 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】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明はカルマン渦流量計に利用され、カルマン渦列の
周波数信号を確実、かつ正確に抽出するカルマン渦流量
計の信号処理回路に関する。

［従来の技術］ 従来、エンジンの吸入空気流量を測定する一手段として
、カルマン渦を利用したカルマン渦流量計がある。これ
は、第６図に示すように流路５０内の略中央に吸入空気
流に対して略直交して渦発生体５２を設け、吸入空気流
量に対応してこの渦発生体５２下流側に発生するカルマ
ン渦Ｗの発生周波数ｆｗを前記渦発生体５２の下流に位
置する熱線式渦検出器ＨＤを用いて後述のごとく検出し
、その検出結果ｆｗから吸入空気流量を算出するもので
ある。

前記熱線ＨＤは予めある一定温度になるように電流が供
給されているがカルマン渦Ｗが熱線ＨＤを通過するたび
に熱線ＨＤが冷却されるため、カルマン渦Ｗの発生周波
数と同じ周波数で熱線ＨＤの抵抗値が変動する。また熱
線ＨＤは他の抵抗と共にブリッジ回路を構成しているた
め、熱線ＨＤの抵抗値変化はブリッジ回路の不平衡とし
て検出され、この不平衡電圧が差動増幅器によって増幅
され、この差動増幅器の出力は電流増幅器の入力信号と
なってその出力側に接続される前記熱線ＨＤへの供給電
流の増減が行われ、熱線ＨＤは常に一定温度となるよう
フィードバック制御される。

また前記差動増幅器の出力信号は、上記説明よりカルマ
ン渦が通過するたびに生じる交流的変化分と、゛吸入空
気流量が増減し熱線ＨＤの定常的冷却状態が変化するた
めに生じる直流的変化分とを含んでいることが明らかで
ある。

従って、差動増幅器の出力信号は信号処理回路に入力さ
れ、ここで真に必要なカルマン渦の発生周波数ｆｗが分
離、検出されることになる。

しかし、エンジンの吸入空気量の変化等は極めて大きな
ものであって、カルマン渦の発生周波数ｆｗと定常的な
流量増減による周波数信号との分離が非常に困難となる
。

そこで、前記信号処理回路の前段にローパスフィルタを
設けて低流量域でＳ／Ｎ比の低下を防止するものく特開
昭５９−７２１５公報）、更に進んで中・高流量域でも
所定のＳ／Ｎ比を確保するために周波数特性の異なる複
数フィルタ回路を前段に設け、これらの出力信号を合成
して広帯域のＳ／Ｎ比向上向上成するもの（特開昭６１
−８０３９９公報）が提案されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、上記のごときカルマン渦流量計の信号処理回路
にあっても未だに十分なものではなく、次のような問題
点がおった。

すなわち、複数のフィルタを用いて広域に渡るＳ／Ｎ比
向上向上成することが可能となるが、各フィルタの切換
え近辺での周波数信号にあっては二双上のフィルタの出
力が存在することとなる。

このとき、前記した従来の技術によれば二双上の出力が
完全に位相を同一として現われることを前提にして信号
の合成をし、唯一の出力信号を得ている。しかし、これ
らの出力は厳密に一致することはなく、位相差による検
出誤差が生じていた。

この位相差に起因する検出誤差は、フィルタ特性やその
周辺回路（増幅器、比較器等）の特性の温度変化、経年
変化等に基づく本質的なものであり、機器の調整によっ
ても回避することができないものでおる。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので
、複数の周波数特性を異にするフィルタ回路を使用して
広域に渡ってＳ／Ｎ比を向上させつつ、そのフィルタの
切換え周波数近辺であっても検出誤差を生じることがな
く、温度変化や経年変化に強い優れたカルマン渦流量計
の信号処理回路を提供することをその目的としている。

発明の構成 ［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するために本発明の構成した手段は 流量をカルマン渦流量計で検出する際に利用され、該カ
ルマン渦流量計の検出出力を処理してカルマン渦列の周
波数信号を抽出するカルマン渦流日計の信号処理回路に
おいて、 相互に異なる周波数帯域の特性を有し、前記カルマン流
量計の検出出力を入力する複数のフィルタ回路と、 該複数のフィルタ回路の出力を入力し、予め定められる
該複数のフィルタ回路の優先順位に基づいて唯一のフィ
ルタ回路の出力を前記周波数信号として抽出する抽出回
路と、 を備えることを特徴とするカルマン渦流量計の信号処理
回路をその要旨としている。

［作用］ 本発明のカルマン渦流量計の信号処理回路において複数
のフィルタ回路とは、相互に周波数帯域が異なっており
全体としてカルマン渦流量計出力の総ての周波数域をカ
バーする。また、これらのフィルタ回路は、それぞれカ
ルマン渦流量計の出力を入力している。

抽出回路は、上記複数のフィルタ回路の出力を総て入力
し、その中から後述のごとく唯一のフィルタ回路の出力
を抽出して外部へ出力する。

前記複数のフィルタ回路は相互に周波数特性を異にする
ものであるから、カルマン渦流量計の出力を入力してい
る総てのフィルタ回路のうち出力を生じるものは通常唯
一しかない。この様なとき抽出回路は当然にその出力を
生じている唯一のフィルタ回路の出力を抽出し、外部へ
出力する。また、カルマン渦流量計の出力周波数がある
フィルタ回路の周波数特性の境界付近にあるとき、この
ときには同時に他のフィルタ回路の周波数特性の境界付
近にもあり、このためカルマン渦流量計の出力周波数の
全範囲に渡るカバーが可能となる。

このように二双上のフィルタ回路が出力を生じるとき、
本抽出回路は予め前記複数のフィルタ回路に付されてい
る優先順位に基づいた唯一のフィルタ回路の出力を抽出
し、外部へ出力するのである。

なお、上記優先順位は、フィルタ特性のより良好なもの
が優先されるように定めたり、高域側のフィルタを優先
したり等適宜選択すればよく、また適当にその順位を可
変とする等の技術を併用してもよい。

以下、本発明をより具体的に説明するために実施例を挙
げて説明する。

［実施例］ 第１図は、実施例のカルマン渦流量計の信号処理回路を
表わす電気回路ブロック図である。

前述したように、カルマン渦流量計１０は熱線１２を一
辺とし、他の三辺に抵抗素子１３，１４および１５を配
するブリッジ回路を有し、該ブリッジ回路の不平衡度は
差動増幅器１６で検出、増幅される。そして、差動増幅
器１６の出力はブリッジ回路の電流源である電流増幅器
１７の入力とされ、熱線１２の温度が一定値に安定する
よう閉グループが組まれている。

本実施例の信号処理回路２０は、前記差動増幅器１６の
出力を第２図のような周波数特性を示す二種のフィルタ
回路２１．２２にそれぞれ入力している。すなわち、カ
ルマン渦流量計１０の出力である全周波数領域ｆｋを組
合わせでカバーする　　。

低域の帯域フィルタ２１、高域の帯域フィルタ２２を備
えており、これらのフィルタ出力はそれぞれコンパレー
タ２３，２４で所定値と比較される。

低域の帯域フィルタ２１の出力を所定値と比較した比較
結果、すなわちコンパレータ２３の出力は二人力ＡＮＤ
回路２５の一人力とされる。一方、高域の帯域フィルタ
２２側のコンパレータ２４出力は他の二人力ＡＮＤ回路
２６の一人力とされるとともに、立上りエツジでトリガ
されるリトリガラブルな単安定マルチバイブレータ２７
の入力端子に接続されている。そして、単安定マルチバ
イブレータ２７の出力０が前記二人力ＡＮＤ回路２５の
他方の入力端子に、また出力Ｑが前記他の二人力ＡＮＤ
回路２６の他方の入力端子に接続される。上記２つの二
人力ＡＮＤ回路２５．２６の出力は更に二人力ＯＲ回路
２８のそれぞれの入力端子に接続され、このＯＲ回路２
８出力が信号処理回路２０の出力とされている。

なお、上記単安定マルチバイブレータ２７の出力安定期
間（パルス幅）は、第２図に示す高域の帯域フィルタ２
２の低周波側遮断周波数ｆｏの逆数、１／ｆｏより僅か
に長く設計されている。

次に、上記構成の信号処理回路２０の動作について説明
する。

カルマン渦流量計１０は、既に記述のように熱線１２の
抵抗変化分をブリッジ回路を利用して正確に検出する。

従って、差動増幅器１６の出力信号は、カルマン渦が通
過するたびに生じる交流的変化分と、流量が増減し熱線
１２の定常的冷却状態が変化するために生じる直流的変
化分とを含むこととなり、例えば流量の増加に応じて第
３図のように変化する。

第３図を見てもわかるように、差動増幅器１６の出力信
号は、流量変化に対応してその平均値は増大し、流量の
低→高の変化に応じてその周波数も低→高へと変化する
。また、カルマン渦の発生に同期した周波数成分以外に
も、ノイズ成分としての多くの周波数成分を含んでいる
。このノイズ成分も流量に対応して異なっているが、本
実施例では第２図に示す周波数特性を備えた低域の帯域
フィルタ２１と高域の帯域フィルタ２２とが各々機能し
て定常的な直流成分およびノイズ成分を除去して、次段
のコンパレータ２３，２４に入力している。

こめ関係を表わしたものが第４図のタイミングチャート
である。図は第３図に例示したように、流量が増加傾向
にあるときの各回路出力を共通時間軸を横軸にとって表
現したものである。低域の帯域フィルタ２１では、（Ａ
）図に示すごとく、その周波数特性に応じて低流量域の
差動増幅器１６の出力信号の直流成分およびノイズ成分
を除去した信号を出力し、次段コンパレータ２３にて所
定のしきい値と比較してパルス信号に変換した出力信号
（Ｂ）図が得られる。また、その周波数特性が第２図に
示すごとくものでおるため、検出流」が増加して差動増
幅器１６の出力が高い周波数成分のものとなるとフィル
タの出力は小さくなって、次段のコンパレータ２３から
は高流量域でのパルス信号は出力されない。　　　゛ 同じく、高域の帯域フィルタ２２では、第２図に示す周
波数特性に応じて高流量域の差動増幅器１６の出力信号
の直流成分およびノイズ成分を除去した信号（Ｃ）を出
力し、次段のコンパレータ２４にて所定のしきい値と比
較してパルス信号に変換した出力信号（Ｄ＞を出力する
。またその周波数特性が第２図に示すごとくものである
ため、検出流量が低流量域にあって前記低域の帯域フィ
ルタ２１が大きな出力を生じる期間ではその出力は小さ
く、次段のコンパレータ２４からは低流量域でのパルス
信号は出力されない。

（Ｄ＞図に示すコンパレータ２４出力を入力する単安定
マルチバイブレータ２７は、時刻ｔ１の立上りエツジで
トリガされる。また、その出力安定期間は前述のように
高域の帯域フィルタ２２が通過させる高周波信号の最低
周期よりも僅かに長く設計されているため、検出流」が
多く、コンパレータ２４からの出力信号が存在する限り
は常に再トリガされる。従って、（Ｄ＞図のように時刻
ｔ１からパルス出力が連続するとき、単安定マルチバイ
ブレータ２７の出力Ｑは（Ｅ）図のように時刻ｔ１から
出力を継続する。また、その反転出力である◇は（Ｆ）
図のように時刻ｔ１までの出力を継続する。

二人力ＡＮＤ回路２５．２６にはそれぞれ（Ｂ）と（Ｆ
）、（Ｄ）と（Ｅ）に図示した信号が入力される。この
ため、単安定マルチバイブレータ２７の出力がゲート信
号として作用し、時刻ｔ１を境界として、時刻ｔ１以前
にあっては二人力ＡＮＤ回路２５の出力のみが存在し次
段のＯＲ回路２８へ伝えられ、時刻ｔ１以後にあっては
二人力ＡＮＤ回路２６の出力のみが同様に次段のＯＲ回
路２８へ伝えられる。従って、ＯＲ回路２８の出力は（
Ｇ）図のように整然としたパルス列の信号が得られる。

このパルス列の密度、すなわち周期がカルマン渦の発生
周波数ｆｗを表わすことは明らかである。

以上、検出流量が第３図に図示するように増加する場合
につき詳述したが、検出流量が減少する場合についても
同様に動作する。すなわち、初めに高流量域に必って単
安定マルチバイブレータ２７の出力Ｑが存在し、コンパ
レータ２４の出力が二人力ＡＮＤ回路２６．ＯＲ回路２
８を介して出力されているとする。この状態から検出流
量が減少するならば高域の帯域フィルタ２２の出力が次
第に小さなものとなりコンパレータ２４のパルス出力が
無くなる。このとき、低域の帯域フィルタ２１の出力が
徐々に観測され、コンパレータ２３からそれに応じたパ
ルス出力が発生している。また、同時に単安定マルチバ
イブレータ２７は上記コンパレータ２４のパルス出力が
無くなった時点から計時して、出力安定時間の経過俊に
出力Ｑ。

Ｃを反転することになる。この出力の反転時間はコンパ
レータ２３のパルス出力が発生する周期よりは短いもの
であるから、二人力ＡＮＤ回路２５゜２６のゲート信号
を制御する単安定マルチバイブレータ２７はスムースに
二人力ＡＮＤ回路２６から二人力ＡＮＤ回路２５へのゲ
ート切換えを達成する。すなわち、このゲート切換えの
間にコンパレータ２３のパルス出力がなされることはな
く、ＯＲ回路２８のパルス列は正確にカルマン渦の発生
周波数ｆｗを表わす信号となり得るのである。

また、差動増幅器１６からの出力信号が低流量域である
ときに、この信号に高周波のノイズが含まれて単安定マ
ルチバイブレータ２７をトリガすることが危惧されるが
、ノイズ成分の振幅は極めて小さく、コンパレータ２４
のしきい値をある程度高く設定しておくことで確実に除
去できる。なお、上記のような高周波のノイズの周波数
は通常高域の帯域フィルタ２２の周波数帯域より更に高
いことが普通であり、このフィルタで除去される。

以上、実施例の信号処理回路の動作について詳述したよ
うに、本回路によれば低流量の検出時にあっては、差動
増幅器１６の出力信号から低周波層のカルマン渦列の信
号のみを正確に分離する低域の帯域フィルタ２１の出力
が優先され、出力信号であるパルス列が得られる。また
、検出流量が高くなったときには、高周波のカルマン渦
列の信号を正確に分離する高域の帯域フィルタ２２の出
力が優先され、同様に出力信号であるパルス列が得られ
る。しかも、上記二つの帯域フィルタ２１゜２２の両者
が出力を生じる周波数帯にあっては、予め定められた高
域の帯域フィルタ２２の出力が単安定マルチバイブレー
タ２７の作用によって優先され、パルス列の出力が得ら
れる。

従って、例え帯域フィルタ２１．２２の周波数特性やコ
ンパレータ２３，２４の比較特性が使用温度や経年変化
等により変化し、両者の出力に位相差が表われようとも
、最終的出力であるＯＲ回路２８からのパルス列信号に
は何らの乱れも発生することがない。このため、カルマ
ン渦の発生周波数がいかに広域に渡って変化するもので
あっても全周波数域においてＳ／Ｎ比の向上が達成され
、またフィルタの切換えや温度変化、経年変化に伴う検
出誤差を生じることなく正確かつ精細に流量測定を実行
することができるのである。

なお、上記実施例ではフィルタ回路を二種使用する場合
について説明したが、その数は二双上の大きなものであ
ってもよく、この場合にも、予め二双上のフィルタ出力
が存在するときにめる唯一のフィルタ出力を優先して抽
出するように構成すれば前述したと同様の効果が得られ
ることは明らかである。例えば、第５図は上記実施例の
回路を応用してｎ個のフィルタを組み合わせて作成した
信号処理回路である。図のように各フィルタの低周波数
側での遮断周波数ｆ　ｔ　（ｉ＝１．２，３゜・・・、
ｎ）をｆｌ　＜ｆ２　＜ｆ３　＜・・・＜ｆｎ、単安定
マルチバイブレータの出力安定期間を１／ｆ　ｉとする
ことで簡単に回路構成をなすことができる。

発明の効果 以上、実施例を挙げて詳述したように本発明のカルマン
渦流量計の信号処理回路は、カルマン渦列の広域に渡る
周波数信号をある周波数信号を最も効率よく分離、検出
するフィルタ回路を複数設けて計測し、かつ、二双上の
フィルタ回路の出力が存在するときには予め定めた優先
順位の高いフィルタ回路の出力のみを抽出するものであ
る。

従って、広域に渡って常に正確、精細に流量測定を行う
ことができ、またフィルタ回路の切換え、温度変化およ
び経年変化に伴う検出誤差もな（、信頼性の高いカルマ
ン渦流量計の信号処理回路となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例のカルマン渦流量計の信号処理回路を示
す電気回路ブロック図、第２図はそのフィルタ回路の周
波数特性説明図、第３図はカルマン渦流量計の検出出力
の説明図、第４図は同実施例の各回路の出力信号タイミ
ングチャート、第５図は他の実施例の回路構成を示す電
気回路ブロック図、第６図はカルマン渦流量計の原理説
明図、を示している。 １０・・・カルマン渦流量計 １２・・・熱線 ２０・・・信号処理回路 ２１・・・低域の帯域フィルタ ２２・・・高域の帯域フィルタ ２７・・・単安定マルチバイブレータ ５２・・・渦発生体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 流量をカルマン渦流量計で検出する際に利用され、該カ
   ルマン渦流量計の検出出力を処理してカルマン渦列の周
   波数信号を抽出するカルマン渦流量計の信号処理回路に
   おいて、 相互に異なる周波数帯域の特性を有し、前記カルマン流
   量計の検出出力を入力する複数のフィルタ回路と、 該複数のフィルタ回路の出力を入力し、予め定められる
   該複数のフィルタ回路の優先順位に基づいて唯一のフィ
   ルタ回路の出力を前記周波数信号として抽出する抽出回
   路と、 を備えることを特徴とするカルマン渦流量計の信号処理
   回路。