(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
渦発生体と、
該渦発生体によって発生する渦信号を検出する２つの検出部と、
該２つの検出部の出力信号のそれぞれを複数の周波数バンドに分割してそれらのバンドの信号強度を出力する第１及び第２スペクトル分析部と、
該第１及び第２スペクトル分析部の出力信号からノイズ比を決定するノイズ比演算部と、
該ノイズ比演算部で演算したノイズ比が入力され前記２つの検出部の出力信号をこのノイズ比の比率で加算する加算部と、
該加算部で加算された出力信号を入力して複数の周波数バンドに分割し、それらのバンドの信号強度を求め、該求めた信号強度が予め定められた感度曲線より大きいバンドを信号成分のバンドとする第３スペクトル分析部と、
前記ノイズ比の正負に従って、前記第１、第２及び第３スペクトル分析部の出力信号の大きさを比較して、前記２つの検出部の出力信号の位相を検出し、該検出された位相が逆相の場合は渦信号とし、同相の場合はノイズと判定する位相検出手段と、
該位相検出手段により渦信号と判定されたときに、前記加算部の出力に基づいて流量値を求めると共に、前記ノイズ比演算部は前記各バンドの前記２つの検出部の信号強度が最大のバンドの信号強度の比をノイズ比として前記加算部に出力するようにしたことを特徴とする渦流量計。
【請求項２】
前記加算部の出力信号が入力されるバンドパスフィルタを有し、
該バンドパスフィルタは前記第３スペクトル分析部で信号成分と判定したバンドの信号のみを通過させるようにし、該バンドパスフィルタの出力信号から流量値を算出することを特徴とする請求項１に記載の渦流量計。
【請求項３】
前記ノイズ比演算部は、信号成分と判定されたバンドの信号の信号強度の比が予め定められた詰まり判定比以下であるときに詰まり警報を報知するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の渦流量計。
【請求項４】
前記ノイズ比演算部は、ノイズと判定されたバンドにおける前記加算部の出力信号の信号強度が予め定められた異常振動判定第１の閾値より小さい場合又は異常振動判定第２の閾値より大きい場合には異常振動アラームを報知するようにしたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、渦流量計に関し、詳しくは渦発生体に設けてある２つのセンサからの信号の位相を計算することにより信号とノイズを見分けたり、異常診断を行う渦流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術におけるカルマン渦流量計の渦検出部は、図６（Ａ）に示すように、渦発生体は管路に垂直に配置される。この管路に流れる被測定流体が渦発生体にぶつかるとカルマン渦が発生し、そのため渦発生体には交番的な揚力が加わって微小変形する。
【０００３】
渦発生体の上部には一対の第１及び第２圧電素子が上下方向に埋め込まれ、この第１及び第２圧電素子によって渦発生体の微小変形を検出する。単位時間に発生するカルマン渦の数は流速に比例するので、これによって被測定流体の流量を測定することができる。
【０００４】
この第１及び第２圧電素子は、カルマン渦による信号だけでなく、管路の振動などによって発生するノイズも検出する。図６（Ｂ）にカルマン渦信号の振動によるノイズの応力分布を示す。図中Ｓはカルマン渦による応力分布を示したものであり、Ｎは振動によるノイズの応力分布を示したものである。この図に示すように、これらの応力分布はかなり異なっている。
【０００５】
図中、Ｓ１、Ｎ１は第１圧電素子が検出する渦信号とノイズの応力、Ｓ２、Ｎ２は第２圧電素子が検出する渦信号とノイズの応力である。第１及び第２圧電素子はこれらの応力に応じた電荷を出力し、この電荷はチャージアンプによって電圧に変換される。
【０００６】
第１及び第２圧電素子の出力をそれぞれをＱ１、Ｑ２とすると、これらの電荷の値は下記（１）、（２）式で表すことができる。
尚、応力Ｓ１、Ｓ２、Ｎ１、Ｎ２による第１及び第２圧電素子の出力を同じ記号で表している。
Ｑ１＝Ｓ１＋Ｎ１…………式（１）
Ｑ２＝−Ｓ２−Ｎ２………式（２）
となる。
ここで、Ｓ１、Ｓ２は渦信号成分、Ｎ１、Ｎ２は振動ノイズ成分によって発生する電荷である。又、Ｓ２、Ｎ２に“−”の記号がついているが、これは位相が逆（逆相という）であることを示している。。
【０００７】
さて、上記示した式（２）にノイズ比λ＝Ｎ１／Ｎ２を乗算し、式（１）を加算すると、
Ｑ１＋（Ｎ１／Ｎ２）×Ｑ２＝Ｓ１＋Ｎ１−（Ｓ２＋Ｎ２）×（Ｎ１／Ｎ２）＝Ｓ１−（Ｎ１／Ｎ２）×Ｓ２………式（３）
が得られる。ここで、Ｓ１／Ｓ２≠Ｎ１／Ｎ２であり、且つＮ１／Ｎ２が既知であれば、前記式（３）からノイズ成分は除去されて渦信号成分（Ｓ１とＳ２）のみとなる。
【０００８】
そして、これらの渦信号成分と振動ノイズ成分は、第１及び第２圧電素子からの信号を複数の周波数バンドに分割してそれらのバンドの信号強度を出力する第１及び第２スペクトル分析器により得られた信号であり、
第１スペクトル分析器の出力信号／第２スペクトル分析器の出力信号≧最小信号比
が満足すれば信号と判定し、
第１スペクトル分析器の出力信号／第２スペクトル分析器の出力信号＜最小信号比
が満足すればノイズと判定する。
この最小信号比は、予め決められたもので、管路の口径によって異なり、例えば口径が５０Ａの場合は１．１の値を用いる
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術で説明した渦流量計において、上側の第１圧電素子の出力と下側の第２圧電素子の出力の位相は逆という前提にたって、上記に示す式（３）が成り立っている。
【００１０】
揚力方向の振動に対しては、２つの第１及び第２圧電素子からの出力の位相が逆になっていて、上記の式（３）が成立するが抗力方向や垂直方向の振動ノイズに対する第１及び第２圧電素子からの出力は逆相にならない場合がある。このときのノイズ比は最小信号比以下になる場合もあり、式（３）を実施しても、ノイズ成分がキャンセルされずに残ってしまうという問題がある。
【００１１】
従って、第１及び第２圧電素子からの出力が渦信号出力かノイズかを判定するときに、スペクトル分析器の出力比だけでなく、２つの第１及び第２圧電素子の出力の位相を判断してから、逆相の場合に渦信号かノイズかの判定に用いられる手法及び装置に解決しなければならない課題を有する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明に係る渦流量計は、次に示す構成にすることである。
【００１３】
（１）渦流量計は、渦発生体と、該渦発生体によって発生する渦信号を検出する２つの検出部と、該２つの検出部の出力信号のそれぞれを複数の周波数バンドに分割してそれらのバンドの信号強度を出力する第１及び第２スペクトル分析部と、該第１及び第２スペクトル分析部の出力信号からノイズ比を決定するノイズ比演算部と、該ノイズ比演算部で演算したノイズ比が入力され前記２つの検出部の出力信号をこのノイズ比の比率で加算する加算部と、該加算部で加算された出力信号を入力して複数の周波数バンドに分割し、それらのバンドの信号強度を求め、該求めた信号強度が予め定められた感度曲線より大きいバンドを信号成分のバンドとする第３スペクトル分析部と、前記ノイズ比の正負に従って、前記第１、第２及び第３スペクトル分析部の出力信号の大きさを比較して、前記２つの検出部の出力信号の位相を検出し、該検出された位相が逆相の場合は渦信号とし、同相の場合はノイズと判定する位相検出手段と、該位相検出手段により渦信号と判定されたときに、前記加算部の出力に基づいて流量値を求めると共に、前記ノイズ比演算部は前記各バンドの前記２つの検出部の信号強度が最大のバンドの信号強度の比をノイズ比として前記加算部に出力するようにしたことである。又、前記加算部の出力信号が入力されるバンドパスフィルタを有し、該バンドパスフィルタは前記第３スペクトル分析部で信号成分と判定したバンドの信号のみを通過させるようにし、該バンドパスフィルタの出力信号から流量値を算出すること；前記ノイズ比演算部は、信号成分と判定されたバンドの信号の信号強度の比が予め定められた詰まり判定比以下であるときに詰まり警報を報知するようにしたこと；前記ノイズ比演算部は、ノイズと判定されたバンドにおける前記加算部の出力信号の信号強度が予め定められた異常振動判定第１の閾値より小さい場合又は異常振動判定第２の閾値より大きい場合には異常振動アラームを報知するようにしたことである。
【００１４】
このように、２つの検出部で得られた渦信号をスペクトル分析してノイズ成分と信号成分とを分離すると共に、その分離した信号の位相を求め、逆相の信号のみから流量値を求めるようにしたことにより、渦発生体に生じる揚力以外の抗力方向や垂直方向の振動ノイズを検出することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る渦流量計の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明に係る渦流量計は、図１に示すように、管路１１内に被測定流体の流れ方向に対して直交する方向に渦発生体１２を配置し、その配置された渦発生体１２には、上限及び下限の関係で配設されている第１及び第２圧電素子１３、１４と、これらの第１及び第２圧電素子１３、１４からの電荷信号を入力して電圧に変換し、第１及び第２デジタル信号にして出力する電荷―デジタル変換部１５と、第１及び第２デジタル信号をスペクトル分析して第１及び第２スペクトル信号を生成する第１及び第２スペクトル分析部２１、２２からなるスペクトル分析部２０と、第１及び第２デジタル信号を第１及び第２スペクトル信号の比に基づいて加算し、タイミング信号を生成する信号処理部２３と、第１及び第２スペクトル分析部からの信号に対してタイミング信号によるタイミングで信号処理するＣＰＵからなる制御部３０とから構成されている。
【００１７】
電荷―デジタル変換部１５は、第１圧電素子１３からの渦信号をアナログの電圧信号に変換する第１チャージコンバータ１６と、この電圧信号を第１デジタル信号に変換する第１Ａ／Ｄコンバータ１７と、第２圧電素子１４からの渦信号をアナログの電圧信号に変換する第２チャージコンバータ１８と、この電圧信号を第２デジタル信号に変換する第２Ａ／Ｄコンバータ１９とからなる。
【００１８】
スペクトル分析部２０は、第１圧電素子１３の渦信号から生成された第１デジタル信号を複数の周波数のバンドに分解し、各バンドの信号強度からなる第１スペクトル信号を出力する第１スペクトル分析器２１と、第２圧電素子１４の渦信号から生成された第２デジタル信号を複数の周波数のバンドに分解し、各バンドの信号強度からなる第２スペクトル信号を出力する第２スペクトル分析器２２とから構成されている。
【００１９】
信号処理部２３は、第１及び第２圧電素子１３、１４からの渦信号から生成された第１及び第２デジタル信号を入力し、制御部３０で生成するノイズ比λを用いて下記に示す式の演算を行って演算信号を生成する加算器２４と、この加算器２４の演算信号のスペクトルを分析して第３スペクトル信号を生成する第３スペクトル分析器２５と、この第３スペクトル信号によりバンドパスフィルタの通過周波数帯域を設定するバンドパスフィルタコントローラ２６と、バンドパスフィルタコントローラ２６による通過周波数帯域の設定により、加算器２４で生成された演算信号のうちこの周波数帯域のみの信号を通過させるバンドパスフィルタ２７と、このバンドパスフィルタ２７を通過した信号をパルス信号に生成するシュミットトリガ２８と、シュミットトリガ２８で生成されたパルス信号に基づいてカウンタを計数するカウンタ２９とからなる。ここで、図１に示すように、シュミットトリガ２８で生成された信号は略サイン波形になっており、シュミットトリガ２８から生成された信号はパルス波形になっている。このシュミットトリガ２８からの矩形波信号はカウンタ２９でカウントされ、カウンタ２９のカウント値は制御部３０のＣＰＵに入力されて流量信号の演算に利用される。
【００２０】
第３スペクトル分析器（及びバンドパスフィルタ）は、図５に示すように、所定の周波数でプロットしたＳＢ１〜ＳＢ６の各バンドに対する渦信号及びノイズの信号強度を表し、その信号強度が右肩上がりの感度曲線よりも強ければ渦信号とし、弱ければノイズとして判定するものである。図５（Ａ）はノイズが重畳した渦信号の波形、図５（Ｂ）は第３スペクトル分析器で図５（Ａ）の信号をスペクトル分析した結果である。図５（Ｂ）の横軸は数目盛でプロットした周波数であり、ここではＳＢ１〜ＳＢ６の６つのバンドに分割されている。又、同図の縦軸は各バンドにおける信号の強度である。右肩上がりの直線は感度曲線であり、信号の検出感度を表す。周波数が高くなるに従って、検出感度は高くなる傾向がある。この感度曲線は渦発生体１２及び第１及び第２圧電素子１３、１４の特性から予め求めることができるものである。
【００２１】
そして、信号強度がこの感度曲線より高いバンドを渦信号のバンドとし、そのバンドだけ通過させるようにバンドパスフィルタの特性を設定する。図５においてはＳＢ２のバンドの信号強度が最大であるが感度曲線より下なので、信号強度が感度曲線を超えているＳＢ５のバンドが渦信号であると判定する。
図５（Ｃ）は、このようにして設定されたバンドパスフィルタの特性を示したもので、ＳＢ５のバンドのみ通過させる特性を示したものである。図５（Ｄ）はバンドパスフィルタの出力であり、ノイズが除去されているのが解る。
【００２２】
ここで、信号強度が感度曲線よりも高いバンドが複数あると、信号強度が最大のバンドを渦信号のバンドとして、そのバンドのみ通過させるようにバンドパスフィルタの特性を設定する。尚、大きな異常振動が発生した場合には、ノイズのバンドを信号のバンドと誤判定する場合も考えられるが、このときは異常振動アラームを出力して喚起させることができる。
【００２３】
図１に戻って、制御部３０は、スペクトル分析部２０で得られた第１及び第２スペクトル信号を入力して、その比からノイズ比λを演算するノイズ比演算部３２と、このノイズ比λが逆相か同相かを検出する位相検出部３１とを備えた構成になっている。
【００２４】
位相検出部３１は、上側の第１圧電素子１３の渦信号をスペクトル分析した絶対値の第１スペクトル信号と、下側の第２圧電素子１４の電荷信号をスペクトル分析した絶対値の第２スペクトル信号と、加算器２４にて加算した結果をスペクトル分析した絶対値の第３スペクトル信号と、第１及び第２スペクトル信号の比から生成された負数も考慮したノイズ比λを用いて第１及び第２圧電素子１３、１４の位相関係を判定するものである。
【００２５】
このような構成からなる渦流量計の動作について、図１を参照して図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００２６】
先ず、第１及び第２圧電素子１３、１４からの電荷信号を電圧に変換して第１及び第２デジタル信号を取得し、この第１及び第２デジタル信号を入力して、ノイズ成分と信号成分（Ｎ１とＳ１、Ｎ２とＳ２）からなる第１及び第２スペクトル信号を出力する（ステップＳＴ１１）。
【００２７】
次に、この第１及び第２スペクトル信号のうち、ノイズ成分（Ｎ１、Ｎ２）の比をとることによりノイズ比λを算出する（ステップＳＴ１２）。
【００２８】
そして、このノイズ比λ成分から逆相又は同相であるかを検出する（ステップＳＴ１３）。この逆相又は同相であるかの判定については、図３に示すフローチャートを用いて、以下説明する。
【００２９】
先ず、ノイズ比λの比が正である場合には、次に、
第１スペクトル信号Ｓ１≧（ノイズ比λ×第２スペクトル信号Ｓ２）
が満足するかどうかをチェックする（ステップＳＴ３１、ＳＴ３２）。
【００３０】
ステップＳＴ３２において、上記条件が満足する場合には、次に
第１スペクトル信号Ｓ１≧第３スペクトル信号Ｓ３
が満足するかどうかをチェックし、満足する場合には第１及び第２圧電素子１３、１４からの電荷信号は逆相であり、満足しなければ同相である（ステップＳＴ３３、ＳＴ３４、ＳＴ３５）。
【００３１】
ステップＳＴ３２において、上記条件が満足しない場合には、次に
（ノイズ比λ×第１スペクトル信号Ｓ２）≧第３スペクトル信号Ｓ３
が満足するかどうかをチェックし、満足する場合には第１及び第２圧電素子１３、１４からの電荷信号は逆相であり、満足しなければ同相である（ステップＳＴ３６、ＳＴ３７、ＳＴ３８）。
【００３２】
ステップＳＴ３１において、ノイズ比λの符号が負（−）の場合には、−λをλ’として、
第１スペクトル信号Ｓ１≧（λ’×第２スペクトル信号Ｓ２）
が満足するかどうかをチェックする（ステップＳＴ３９、ＳＴ４０）。
【００３３】
ステップＳＴ４０において、上記条件が満足した場合には、次に、
第１スペクトル信号Ｓ１≧第３スペクトル信号Ｓ３
が満足するかどうかをチェックし、満足する場合には逆相と判断し、満足しない場合には同相と判断する（ステップＳＴ４１、ＳＴ４２、ＳＴ４３）。
【００３４】
ステップＳＴ４０において、上記条件が満足しない場合には、次に、
（ノイズ比λ’×第２スペクトル信号Ｓ２）≧第３スペクトル信号Ｓ３
が満足するかどうかをチェックし、満足する場合には逆相と判断し、満足しない場合には同相と判断する（ステップＳＴ４４、ＳＴ４５、ＳＴ４６）。
【００３５】
このようにして、上側の第１圧電素子１３と下側の第２圧電素子１４と位相関係が判り、その位相情報を得ることができ、これは信号かノイズかの判定がより正確にできるようになる。
【００３６】
即ち、第１及び第２圧電素子１３、１４からの渦信号が必ず逆相ということが判っている場合、位相が同相であると判定された場合には、
ノイズ比λ＝第１スペクトル信号Ｎ１／第２スペクトル信号Ｎ２
の値に拘わらず、ノイズであるという判定が可能となり、抗力、垂直方向の振動のノイズに対しても対処可能になる。
例えば、同相のノイズが発生して、第１及び第２圧電素子１３、１４からの渦信号が、
Ｑ１＝Ｓ１＋Ｎ１…………式（４）
Ｑ２＝−Ｓ２＋Ｎ２………式（５）
であった場合に、ノイズ成分であるＮ１とＮ２が同相であると判断できて、ノイズ比λとしてーＮ１／Ｎ２を設定すれば、「式（４）＋λ×式（５）」は、
0003608617.tif 000002
となり、ノイズ成分をキャンセルできる。
【００３７】
図２のステップＳＴ１４に戻って、同相でなく、逆相の場合には、正常な状態であると判断し、次に渦信号又はノイズの判定を行う（ステップＳＴ１４、ＳＴ１５）。
【００３８】
ステップＳＴ１４において、ノイズ比が同相である場合にはノイズであると判定して、異常振動の判定を行う（ステップＳＴ１６）。ステップＳＴ１５においても、ノイズと判定した場合には、ステップＳＴ１６にゆき、異常振動の判定を行う。
異常振動であるかの判定は、加算器２４の出力によって行う。制御部３０がノイズのバンドと判定したバンドの信号強度が感度曲線より大きく第１閾値Ｔ１より小さいか、信号強度が第２閾値Ｔ２より大きいと、異常振動と判定する。第２閾値Ｔ２は第１閾値Ｔ１より大きい値であり、これらの値は予め定める。
【００３９】
ステップＳＴ１６にて、異常振動であると判定されたならば、異常振動アラームをオンして報知し、異常振動なしの場合には、再度ノイズ比の計算を行い、ノイズ比を加算器２４に設定する（ステップＳＴ１７、ＳＴ１８）。
【００４０】
ステップＳＴ１５において、ノイズではなく、信号成分、即ち、渦信号である場合には、次に詰まりの判定を行う（ステップＳＴ１９）。
【００４１】
実際の信号とノイズの判定及び詰まりの判定について、図４を参照して説明する。図４におけるグラフにおいて、縦軸は第１スペクトル分析器２１と第２スペクトル分析器２２の出力比λ、横軸は詰まりの程度を表す。ＳＰ１、ＮＰ１は第１スペクトル分析器の出力信号であり、渦信号とノイズを表している。同様に、ＳＰ２、ＮＰ２は第２スペクトル分析器２２の出力信号であり、渦信号とノイズを表している。
【００４２】
これらのＳＰ１、ＮＰ１及びＳＰ２、ＮＰ２は、それぞれ図６で示した応力Ｓ１、Ｓ２及びＮ１、Ｎ２に対応している。この図から解るように、渦信号（Ｓ１、Ｓ２）の場合は、第１圧電素子１３が検出する応力Ｓ１のほうが第２圧電素子１４が検出する応力Ｓ２より大きくなり、ノイズ（Ｎ１、Ｎ２）の場合は同程度か第２圧電素子１４が検出するノイズＮ２のほうが大きくなる。
【００４３】
又、第１圧電素子１３の出力は第１スペクトル分析器２１の出力に対応し、第２圧電素子１４の出力は第２スペクトル分析器２２の出力に対応するため、信号成分は第１スペクトル分析器２１の出力信号のほうが第２スペクトル分析器２２の出力信号よりも大きく、ノイズ成分は同程度か第２スペクトル分析器２２の出力信号が大きくなる。従って、図４の縦軸である「第１スペクトル分析器２１の出力信号／第２スペクトル分析器２２の出力信号」が１．０より大きいと信号成分、小さいとノイズ成分と判定することができるのである。実際には、予め決められた最小信号比よりもこの比が大きいと信号と判定し、小さいとノイズと判定するようにする。この最小信号比は管路１１の口径によって異なり、例えば、口径が５０Ａの場合は１．１の値を用いる。
【００４４】
そして、図４に示すように、詰まりが大きくなるに従って信号成分の比ＳＰ１／ＳＰ２は低下する傾向を示す。そのため、詰まり判定比を設定し、ＳＰ１／ＳＰ２がこの値よりも小さくなると、詰まりが発生していると判定するようにしている。
【００４５】
図２に示す、ステップＳＴ１９に戻って、詰まりがあると判定されたならば、詰まり有りのアラームをオンして報知する（ステップＳＴ２０）。
【００４６】
詰まりがない場合には、次に、ノイズの有るバンドの検出を行う（ステップＳＴ２１）。
【００４７】
ここで、ノイズ比の計算を行い、ノイズ比を加算器２４へ設定する（ステップＳＴ２２、ＳＴ２３）。
【００４８】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明の渦流量計は、渦発生体の設けてある２つの検出部で検出した信号の位相を検出し、同相の場合にはノイズとして処理するようにしたため、通常の逆相を前提として被測定流体による揚力方向の渦信号とノイズを検出することに加えて、抗力方向や垂直方向の振動ノイズも検出できるため、ノイズの判定がより正確にできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の渦流量計の構成を略示的に示したブロック図である。
【図２】同動作を示したフローチャートである。
【図３】同逆相／同相を検出するための動作を示したフローチャートである。
【図４】同詰まりの判定をするためのグラフである。
【図５】同スペクトル分析からバンドパスフィルタを通過する帯域を検出するためのグラフである。
【図６】同渦発生体に備えた２つの圧電素子による応力分布を示した説明図である。
【符号の説明】
１１      管路
１２      渦発生体
１３      第１圧電素子
１４      第２圧電素子
１５      電荷―デジタル変換部
１６      第１チャージアンプ
１７      第１Ａ／Ｄコンバータ
１８      第２チャージアンプ
１９      第２Ａ／Ｄコンバータ
２０      スペクトル分析部
２１      第１スペクトル分析部
２２      第２スペクトル分析部
２３      信号処理部
２４      加算器
２５      第３スペクトル分析器
２６      バンドパスフィルタコントローラ
２７      バンドパスフィルタ
２８      シュミットトリガ
２９      カウンタ
３０      制御部
３１      ノズル演算部
３２      同相／逆相検出部
３３      出力回路
【図１】
0003608617.tif 000003
【図２】
0003608617.tif 000004
【図３】
0003608617.tif 000005
【図４】
0003608617.tif 000006
【図５】
0003608617.tif 000007
【図６】
0003608617.tif 000008