(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルマン渦により渦発生体に作用する交番力を検出し、交番力の検出信号にフィルタを通過させアナログ／デジタル変換器でアナログ／デジタル変換して得た渦流量信号をプロセッサを用いて信号処理し、測定流体の流量を測定する渦流量計において、
前記渦発生体に設置され、揚力方向及び抗力方向にかかる力をそれぞれ検出する第１及び第２のセンサと、
これら第１及び第２のセンサの検出信号を周波数解析し、揚力方向及び抗力方向の周波数スペクトルを検出する高速フーリエ変換手段と、
第１及び第２のセンサの検出信号から得た周波数スペクトルの数を検出する第１の検出手段と、
第１及び第２のセンサの検出信号から得た周波数スペクトルの中で最大振幅の周波数スペクトルの周波数を検出する第２の検出手段と、
前記第１の検出手段で検出した周波数スペクトルの数及び前記第２の検出手段で検出した周波数をもとに、抗力方向の周波数スペクトルの主成分で揚力方向の周波数スペクトルを正規化し、正規化した周波数スペクトルと抗力方向の周波数スペクトルの差分をとることにより渦流量信号の信号成分を抽出する第３の検出手段と、
を具備したことを特徴とする渦流量計。
【請求項２】
前記第３の検出手段は、（抗力方向の周波数スペクトルの主成分の振幅）／（前記抗力方向の周波数スペクトルの主成分の周波数における揚力方向の周波数スペクトルの振幅）を用いて揚力方向の周波数スペクトルを正規化することを特徴とする請求項１記載の渦流量計。
【請求項３】
前記第３の検出手段は、信号成分及びノイズ成分の周波数が等しいかまたは接近している場合は、信号成分が支配的な場合またはノイズ成分が支配的な場合に算出しておいた（抗力方向の周波数スペクトルの主成分の振幅）／（前記抗力方向の周波数スペクトルの主成分の周波数における揚力方向の周波数スペクトルの振幅）を用いて揚力方向の周波数スペクトルを正規化することを特徴とする請求項２記載の渦流量計。
【請求項４】
高速フーリエ変換を行うときのサンプリング時間を、測定流体が流れる管の口径、測定流体に応じて切り替えるサンプリング制御手段を具備したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の渦流量計。
【請求項５】
前記第２のセンサの代わりに、測定流体が流れる流体管に設けられ抗力方向にかかる力を検出する圧力センサ、及び、流体管に設けられ流体管にかかる振動加速度を検出する加速度センサを設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カルマン渦により渦発生体に作用する交番力を検出し、交番力の検出信号にフィルタを通過させアナログ／デジタル変換器でアナログ／デジタル変換して得た渦流量信号をプロセッサを用いて信号処理し、測定流体の流量を測定する渦流量計に関するものである。更に詳しくは、渦流量信号に含まれたノイズを有効に除去するための改良を施した渦流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
渦流量計は、測定流体中に配設された渦発生体の後方に発生するカルマン渦の発生周波数が流速に比例することを利用したものであり、構造が簡単で、測定可能範囲が広く、測定精度が高いことから各種流体の流量測定に広く用いられている。
【０００３】
図９は従来における渦流量計の構成例を示した図である。
図９において、１，２は測定流体中に発生するカルマン渦を微弱な交流電荷として検出するセンサ、３，４はセンサ１，２から出力された微弱な交流電荷信号を交流電圧信号に変換する電荷電圧変換回路、５はノイズバランス回路、６はノイズバランス回路５を経た電荷電圧変換回路３の出力と電荷電圧変換回路４の出力を加算増幅する加算回路である。
カルマン渦により２つのセンサ１，２にかかる応力は異なる。このため、２つのセンサ１，２の出力に含まれるノイズ信号のレベルは異なる。電荷電圧変換回路３と４の出力をそのまま加算したのでは加算信号にノイズ成分が残ってしまう。ノイズバランス回路５は、２つのセンサ１，２の出力に含まれるノイズ信号のレベル比に相当する係数を電荷電圧変換回路３の出力に掛けてから電荷電圧変換回路４の出力と加算し、これによってノイズ成分を除去する。
７は加算回路６の出力のノイズを除去するアクティブフィルタ、８はアクティブフィルタ７の出力を渦周波数に応じたパルス信号に変換するシュミットトリガ回路である。
【０００４】
９はマイクロプロセッサで、周波数／デジタル変換器、メモリ等を有していて、シュミットトリガ回路８のパルス出力を周波数／デジタル変換器によりデジタル信号に変換し、このデジタル信号を用いてメモリに格納された流量演算に必要な定数及び演算プログラムにより流量を算出する。算出値はパルス信号として出力される。１０はマイクロプロセッサ９が出力したパルス信号を絶縁伝送するトランス、１１は絶縁伝送したパルス信号を電圧信号に変換するＦ／Ｖ変換器、１２は変換した電圧信号を例えば４〜２０ｍＡの電流信号に変換するＶ／Ｉ変換器である。Ｖ／Ｉ変換器１１で変換された電流信号は２本の伝送線を介して負荷に伝送される。
【０００５】
１３はマイクロプロセッサ９の制御信号に基づいてアクティブフィルタ７のコーナー周波数を変える高周波減衰回路、１４は加算回路６の出力に含まれたノイズ成分を判別するノイズ判別回路、１５はノイズ判別回路１４の判別結果を示す電圧信号を周波数信号に変換してマイクロプロセッサ９に入力するＶ／Ｆ変換回路である。
【０００６】
図９の渦流量計では、渦の信号成分に重畳するノイズ成分として次のものがある。
▲１▼配管の振動によるノイズ
▲２▼ビート状ノイズのような低周波ノイズ
▲３▼渦発生体の共振等による高周波ノイズ
▲４▼スパイク状ノイズ
▲５▼脈動によって発生するノイズ
▲６▼バルブ、ヘッダー等からの音響ノイズ
これらのノイズの中で▲１▼〜▲４▼についてはアクティブフィルタ７によってかなり低減することができる。しかし、▲５▼と▲６▼については、脈動によって発生する渦（このような渦をロックイン減少により発生する渦とする）を検出してしまったり、バルブ、ヘッダー等から発生する音響ノイズの周波数が一意的に定まらないことから、十分な対策が講じられなかった。
【０００７】
このような問題点を解決するための渦流量計として、例えば特開平３−２６４８２２号公報に記載されたものがあった。
この渦流量計は、図１０に示すように、測定流体が流れる流体管２０に台形断面の渦発生体２１を配置し、渦発生体２１に対して揚力方向Ａ−Ａ′にかかる力を第１のセンサ２２で検出し、抗力方向Ｂ−Ｂ′にかかる力を第２のセンサ２３で検出する。揚力方向Ａ−Ａ′にかかる力がカルマン渦により渦発生体に作用する力で本来の信号成分である。抗力方向Ｂ−Ｂ′にかかる力はノイズ成分である。渦発生体２１の下流にはバルブ（図示せず）が設けられている。バルブの開度に応じて基準値を設定する。
第２のセンサ２３で検出した抗力方向の力の大きさを基準値と比較し、抗力方向の力の大きさが基準値よりも大きいときは第１のセンサ２２の検出信号を無効とし、小さいときは第１のセンサ２２の検出信号を有効とする。これによって、バルブの全閉時に脈動によって流量出力が検出されることを防止する。
【０００８】
しかし、この従来例では脈動に対しては対策を講じることはできるが、音響ノイズに対しては対策を施せない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、揚力方向にかかる力の検出信号と抗力方向にかかる力の検出信号を高速フーリエ変換し、高速フーリエ変換により得られた周波数スペクトルに応じて演算のしかたを変えて信号成分を検出することによって、脈動によるノイズも、バルブ、ヘッダー等からの音響ノイズも正しく識別し、安定した流量検出を確保できる渦流量計を実現することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のとおりの構成になった渦流量計である。
（１）カルマン渦により渦発生体に作用する交番力を検出し、交番力の検出信号にフィルタを通過させアナログ／デジタル変換器でアナログ／デジタル変換して得た渦流量信号をプロセッサを用いて信号処理し、測定流体の流量を測定する渦流量計において、
前記渦発生体に設置され、揚力方向及び抗力方向にかかる力をそれぞれ検出する第１及び第２のセンサと、
これら第１及び第２のセンサの検出信号を周波数解析し、揚力方向及び抗力方向の周波数スペクトルを検出する高速フーリエ変換手段と、
第１及び第２のセンサの検出信号から得た周波数スペクトルの数を検出する第１の検出手段と、
第１及び第２のセンサの検出信号から得た周波数スペクトルの中で最大振幅の周波数スペクトルの周波数を検出する第２の検出手段と、
前記第１の検出手段で検出した周波数スペクトルの数及び前記第２の検出手段で検出した周波数をもとに、抗力方向の周波数スペクトルの主成分で揚力方向の周波数スペクトルを正規化し、正規化した周波数スペクトルと抗力方向の周波数スペクトルの差分をとることにより渦流量信号の信号成分を抽出する第３の検出手段と、
を具備したことを特徴とする渦流量計。
（２）前記第３の検出手段は、（抗力方向の周波数スペクトルの主成分の振幅）／（前記抗力方向の周波数スペクトルの主成分の周波数における揚力方向の周波数スペクトルの振幅）を用いて揚力方向の周波数スペクトルを正規化することを特徴とする（１）記載の渦流量計。
（３）前記第３の検出手段は、信号成分及びノイズ成分の周波数が等しいかまたは接近している場合は、信号成分が支配的な場合またはノイズ成分が支配的な場合に算出しておいた（抗力方向の周波数スペクトルの主成分の振幅）／（前記抗力方向の周波数スペクトルの主成分の周波数における揚力方向の周波数スペクトルの振幅）を用いて揚力方向の周波数スペクトルを正規化することを特徴とする（２）記載の渦流量計。
（４）高速フーリエ変換を行うときのサンプリング時間を、測定流体が流れる管の口径、測定流体に応じて切り替えるサンプリング制御手段を具備したことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の渦流量計。
（５）前記第２のセンサの代わりに、測定流体が流れる流体管に設けられ抗力方向にかかる力を検出する圧力センサ、及び、流体管に設けられ流体管にかかる振動加速度を検出する加速度センサを設けたことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の渦流量計。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を説明する。
図１は本発明の一実施例を示した構成図である。
図１で、３０及び３１は渦発生体に設置され揚力方向及び抗力方向にかかる力を微弱な交流電荷として検出するそれぞれ検出するセンサである。センサ３０及び３１は図１０に示すセンサ２２及び２３と同様な構成になっている。センサ３０の交流電荷信号は信号成分とノイズ成分を含む。センサ３１の交流電荷信号はノイズ成分からなる。
３２，３３はセンサ３０，３１から出力された微弱な交流電荷信号を交流電圧信号に変換する電荷電圧変換回路、３４，３５は電荷電圧変換回路３２，３３の出力が通過するアンチエイリアシングフィルタ、３６，３７はフィルタ３４，３５を通過後の信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）である。３８，３９はＡ／Ｄ変換後の信号が通過するバンドパスフィルタ（バンドパスフィルタをＢＰＦとする）である。ＢＰＦ３８，３９はコーナー周波数が可変のローパスフィルタ（ローパスフィルタをＬＰＦとする）及びハイパスフィルタ（ハイパスフィルタをＨＰＦとする）からなる。
４０は演算ブロックで、例えば専用のＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）で構成される。演算ブロック４０で、４０１はＢＰＦ３８，３９の出力を周波数解析する高速フーリエ変換手段、４０２は高速フーリエ変換手段４０１の解析結果をもとにセンサ３０，３１の検出信号の周波数スペクトルの数を検出する第１の検出手段、４０３は高速フーリエ変換手段４０１の解析結果をもとにセンサ３０，３１の検出信号の出力の周波数スペクトルの中で最大振幅の周波数スペクトルの周波数を検出する第２の検出手段、４０４は第１の検出手段４０２で検出した周波数スペクトルの数及び第２の検出手段４０３で検出した周波数をもとにセンサ３０，３１の検出信号に含まれた信号成分を検出する第３の検出手段である。
【００１２】
５０はマイクロプロセッサで、５０１は第３の検出手段４０４で検出した信号成分をもとに流量を算出する演算手段である。
５０２はサンプリング制御手段で、高速フーリエ変換を行うときのサンプリング時間を、測定流体が流れる管の口径、測定流体に応じて切り替える。
５０３はフィルタ制御手段で、ＢＰＦ３８，３９にあるＨＰＦとＬＰＦのコーナー周波数を流体密度、最大流速等に応じて変える。
【００１３】
６０はＲＡＭ、６１はＲＯＭで、これらはマイクロプロセッサ５０における演算に必要な定数や演算プログラムを格納する。
６２はマイクロプロセッサ５０が出力したデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）、６３はＤ／Ａ変換器６２の変換信号を所定の形式の信号、例えば４〜２０ｍＡの電流信号に変換して出力する出力段回路である。
【００１４】
図１の渦流量計の動作を説明する。
センサ３０，３１が出力した交流電荷信号は電荷電圧変換回路３２，３３で交流電圧信号に変換され、アンチエイリアシングフィルタ３４，３５、Ａ／Ｄ変換器３６，３７を介してデジタル信号に変換される。さらに、ＢＰＦ３８，３９で最大流量に相当する渦周波数以上の成分と低周波成分を除去し、例えば図２に示すような離散時間信号を得る。図２の（ａ）はセンサ３０の検出信号から得た離散時間信号ｘ1（ｔ）（ｔは時間）、（ｂ）はセンサ３１の検出信号から得た離散時間信号ｘ2（ｔ）である。
ＢＰＦ３８，３９にあるＨＰＦとＬＰＦのコーナー周波数は流体密度、最大流速等によって決定され、そのパラメータは予めＲＯＭ６１内に保持されていて、条件によって選択される。ＨＰＦとＬＰＦのコーナー周波数の決定はフィルタ制御手段３０６が行う。
【００１５】
ＢＰＦ３８，３９を通過したデジタル信号は高速フーリエ変換手段４０に取り込まれ、周波数解析され、例えば図３に示すような周波数領域で表した信号に変換される。時間領域で表した信号を周波数領域で表した信号に変換する理由は、時間領域では高周波成分のノイズ、特に音響ノイズ等は揚力方向と抗力方向で位相が一致または１８０°反転しているとは限らないからである。
【００１６】
揚力方向及び抗力方向の離散時間信号ｘ１（ｎＴ），ｘ２（ｎＴ）をそれぞれフーリエ変換で周波数領域に変換すると、次式で表される。
【数１】
0003611004.tif 000002
ωｋ＝２πｋ／ＮＴ、ｊ：虚数単位、Ｔ：サンプリング時間
ｎ：自然数でサンプリング回数に伴って増加していく数
ｋ＝０，１，２，…Ｎ−１
上記の演算は高速フーリエ変換手段４０１により実行する。
【００１７】
ここで、抗力方向の周波数スペクトルＸ2（ｊωｋ）に着目すると、信号成分に相当する周波数成分がほとんど含まれていないことが分かる。図３の例では信号成分はＸ1（ｊωｂ）（Ｓｂに示すスペクトル）に相当する。
Ｘ2（ｊωｋ）の主成分でＸ1（ｊωｋ）を正規化し、Ｘ2（ｊωｋ）との差分をとることにより信号成分を抽出することが可能になる。この際、Ｘ2（ｊωｋ）の主成分として最大スペクトルを用い、ここでは主成分をＸ2（ｊωｃ）（Ｓｃに示すスペクトル）とする。
差分をとったスペクトルＸｓ（ｊωｋ）は次式で与えられる。
0003611004.tif 000003
（１）式中の｜Ｘ2（ｊωc）｜／｜Ｘ1（ｊωc）｜を一定周期、すなわち毎回または数回の周期毎に演算することによって、配管ラインに依存して発生するノイズがあるときでも信号成分を検出することが可能になる。
【００１８】
基本的には、（１）式の演算で信号成分を検出できるが、信号成分とノイズ成分の周波数が接近または重なったときに問題が生じる。このことを説明する。
図４〜図６は高速フーリエ変換により得られる周波数スペクトルの例を示した図である。配管ラインに応じて図４〜図６に示す類型の周波数スペクトルが得られる。図４、図５、図６はそれぞれ次の▲１▼、▲２▼、▲３▼の類型に属する。図６の破線はノイズ成分のスペクトルである。
▲１▼信号成分が支配的な場合
▲２▼ノイズ成分が支配的な場合
▲３▼信号成分及びノイズ成分の周波数が等しいかまたは接近している場合
特に、▲３▼の場合は、（１）式をそのまま使った演算では信号成分を検出できない。
【００１９】
そこで、本発明では次の（ａ）〜（ｃ）を演算のしかたを決めるときのファクターとし、これらのファクターの関係に応じて演算のしかたを決める。
（ａ）揚力方向の検出信号の周波数スペクトルの数
（ｂ）抗力方向の検出信号の周波数スペクトルの数
（ｃ）最大振幅になった周波数スペクトルの周波数
【００２０】
図７は（ａ）〜（ｃ）のファクターの関係と演算のしかたを示した図である。
▲３▼の場合（図６に例示する場合）は、信号成分とノイズ成分の周波数が等しく、かつ信号成分よりもノイズ成分が支配的である場合である。▲３▼の場合は揚力方向の検出信号の周波数スペクトルの数と抗力方向の検出信号の周波数スペクトルの数がともにＮ個である。しかも、揚力方向の検出信号と抗力方向の検出信号とで最大振幅になった周波数スペクトルの周波数が等しい。
この場合は、▲３▼の状態に至る前の段階の▲１▼または▲２▼の状態における｜Ｘ２（ｊωｃ）｜／｜Ｘ１（ｊωｃ）｜を採用し、（１）式により信号成分を検出する。これによって、図６に示すように安定に信号成分のみを検出することができる。
スペクトルの数をカウントするときに、所定のしきい値を設け、しきい値を超えるスペクトルの数をカウントする。しきい値は、例えば最大振幅スペクトルの１／１０の振幅のレベルとする。これによって、微小な周波数成分を除去する。
【００２１】
上述した演算により検出した信号成分から流量を求める。これによって、信号領域に出現する音響ノイズ、脈動によるノイズによる誤差を除去できる。
【００２２】
小流量時に脈動が発生すると、脈動により発生する渦を検出してしまい、誤差となることがあるが、図７に示すように演算のしかたを変えることによって、Ｘ１（ｊωｋ）とＸ２（ｊωｋ）には同一周波数領域のみが得られる。このときの状態は図６と同じであるように見えるが、図６の場合は周波数スペクトルＸ１（ｊωｂ）は信号成分とノイズ成分とを含んでいるため、この状態になる前の段階の｜Ｘ２（ｊωｃ）｜／｜Ｘ１（ｊωｃ）｜を採用することにより、信号成分のみを検出することが可能になる。
【００２３】
流量が０の時に脈動が発生すると、周波数スペクトルＸ１（ｊωｂ）はノイズ成分に相当する脈動成分のみであるため、前述した小流量時と同様に演算すると、周波数スペクトルＸｓ（ｊωｋ）には信号成分が現れず、結果として脈動による検出誤差が生じない。
【００２４】
以上の信号処理手順をフローチャートにすると図８のとおりとなる。
【００２５】
なお、実施例では渦発生体に抗力方向にかかる力を検出するセンサを搭載した場合を説明したが、検出のしかたはこれにに限らない。例えば、フィールドバスを敷設したシステムの場合は、流体管に圧力センサと加速度センサを設置し、渦流量計と圧力センサ、加速度センサを組み合わせ、圧力センサで抗力方向にかかる力を検出し、加速度センサで流体管の振動加速度を検出し、圧力センサと加速度センサの出力を渦流量計に与える構成にしてもよい。これによって、抗力方向にかかる力を検出するセンサと同等の機能を実現できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明では、揚力方向にかかる力の検出信号と抗力方向にかかる力の検出信号を高速フーリエ変換し、高速フーリエ変換により得られた周波数スペクトルに応じて演算のしかたを変えて信号成分を検出している。これによって、脈動によるノイズも、バルブ、ヘッダー等からの音響ノイズも正しく識別することができ、安定した流量検出を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示した構成図である。
【図２】本発明の動作説明図である。
【図３】本発明の動作説明図である。
【図４】本発明の動作説明図である。
【図５】本発明の動作説明図である。
【図６】本発明の動作説明図である。
【図７】本発明の動作説明図である。
【図８】本発明の動作説明図である。
【図９】従来における渦流量計の構成例を示した図である。
【図１０】従来における渦流量計の要部構成図である。
【符号の説明】
３０，３１  センサ
３２，３３  電荷電圧変換回路
３４，３５  アンチエイリアシングフィルタ
３６，３７  Ａ／Ｄ変換器
３８，３９  バンドパスフィルタ
４０  演算ブロック
４０１  高速フーリエ変換手段
４０２  第１の検出手段
４０３  第２の検出手段
４０４  第３の検出手段
５０  マイクロプロセッサ
５０１  演算手段
５０２  サンプリング制御手段
５０３  フィルタ制御手段
【図１】
0003611004.tif 000004
【図２】
0003611004.tif 000005
【図３】
0003611004.tif 000006
【図４】
0003611004.tif 000007
【図５】
0003611004.tif 000008
【図６】
0003611004.tif 000009
【図７】
0003611004.tif 000010
【図８】
0003611004.tif 000011
【図９】
0003611004.tif 000012
【図１０】
0003611004.tif 000013