(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
渦検出器により検出された渦検出信号を、渦検出信号以外のノイズなどを除去する帯域フィルタに通した後に、渦検出信号の渦周波数を検出することにより流量を計測する渦検出回路において、
前記帯域フィルタは、ハイパスフィルタと、これに縦続接続されたローパスフィルタで構成し、
該ハイパスフィルタ及びローパスフィルタは、いずれも１つ又は複数のスイッチトキャパシタを備えて、そのスイッチング周波数を可変することによりしゃ断周波数を制御することができるよう構成し、
前記ハイパスフィルタ及びローパスフィルタを渦周波数に同調させるために渦周波数に比例した周波数を再発振させるためのフィルタ制御回路を備え、
前記ハイパスフィルタの出力にはさらに固定ローパスフィルタを接続して、概略の渦周波数を検出し、かつ、この検出した概略渦周波数に基づき前記ハイパスフィルタ及びローパスフィルタのそれぞれのスイッチトキャパシタのスイッチング周波数を前記フィルタ制御回路により可変して、
検出される渦周波数が通過帯域幅の略中心となるように、前記帯域フィルタの通過帯域を制御することから成る渦検出回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、渦検出回路に関し、特に、渦検出信号以外のノイズなどを除去する帯域フィルタに通した後に、渦検出信号の渦周波数を検出することにより流量を計測する渦検出回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
渦流量計は、周知のように、被測定流体が流れる被測定管と、被測定管内に流れと対向するように固定された渦発生体と、渦検出器で構成され、渦発生体から流出するカルマン渦の単位時間当たりの数（渦周波数）が、気体、液体に関係なく所定のレイノルズ数範囲では流量に比例することを利用したものである。渦検出器としては、渦による熱変化、揚力変化等を熱センサ、ひずみセンサ、光センサ、圧力センサ、超音波センサ等で検出可能である。このような渦流量計は、測定流体の物性に影響されずに流量を測定できる簡易な流量計であり、気体、液体の流量計測に広く使用されているが、カルマン渦検出波形には、図１２に示すように、渦信号の他に、渦周波数より低い周波数の揺らぎ、及び渦周波数より高い周波数のフローノイズ等が含まれている。この渦信号は、バンドパスフィルタに通して、図１３に示すような渦信号以外のノイズ等を取り除く必要がある。
【０００３】
渦信号の検出回路に、渦周波数に自動的に追従するバンドパスフィルタを設けて、渦信号以外の信号を排除することにより、高精度な渦流量計を提供することができる。このような観点で、本出願人は、先に「帯域自動追従フィルタ」（特公昭６３−３２１２６号公報参照）を提案した。
【０００４】
先に提案した「帯域自動追従フィルタ」は、検出された渦周波数に応じて、フィルタのしゃ断周波数をアナログスイッチで次々と切り替えるものであり、これにより、渦周波数以外のノイズ等を排除することが可能になっている。しかし、切り替え段数に制限があるために、広い流量範囲に対応するためには、通過バンド幅をある程度広くとる必要があった。
【０００５】
また、スイッチトキャパシタを利用した渦流量計が提案されている（特許第３０３１３８７号公報）。これによって、バンドパスフィルタのコーナー周波数を変更して任意に帯域幅を変更することが可能となっている。しかし、この技術は、流体の種類、及び口径で定まる流量範囲から求めた帯域幅に、バンドパスフィルタを設定することはできるが、流体の種類及び口径にかかわらず、自動的にバンドパスフィルタの同調を取ることはできない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、かかる問題点を解決して、検出された渦周波数以外のノイズ等を排除するためのバンドパスフィルタを用いると共に、このバンドパスフィルタの通過帯域を渦周波数に基づいて自動的に連続的に制御して、流体の種類及び口径にかかわらずワイドレンジに、渦周波数をほぼその中心に置いて同調させることを目的としている。
【０００７】
また、本発明は、通過帯域幅を狭くすることを可能にして、より良質の渦信号を得ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の渦検出回路は、渦検出器により検出された渦検出信号を、渦検出信号以外のノイズなどを除去する帯域フィルタに通した後に、渦検出信号の渦周波数を検出することにより流量を計測する。この帯域フィルタは、ハイパスフィルタと、これに縦続接続されたローパスフィルタで構成される。ハイパスフィルタ及びローパスフィルタは、いずれも１つ又は複数のスイッチトキャパシタを備えて、そのスイッチング周波数を可変することによりしゃ断周波数を制御することができるよう構成される。ハイパスフィルタの出力にはさらに固定ローパスフィルタを接続して、概略の渦周波数を検出し、かつ、この検出した概略渦周波数に基づきハイパスフィルタ及びローパスフィルタのそれぞれのスイッチトキャパシタのスイッチング周波数を可変する。これによって、検出される渦周波数が通過帯域幅の略中心となるように、帯域フィルタの通過帯域幅を制御する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の渦検出回路を、具体例に基づき説明する。図１は、渦検出回路の全体概略構成を示す図である。
【００１０】
渦検出器１により検出された渦検出信号は、増幅回路２で増幅された後、本発明の特徴とする周波数追従帯域フィルタ３を通して、渦検出信号以外のノイズなどは除去される。その後、通常の技術に従って、波形整形回路４で波形整形された後、ＣＰＵ５に入力される。ＣＰＵ５は、入力された渦周波数を、表示器７で表示し、パルス出力回路６を通してパルス出力し、また、Ｄ／Ａ変換回路８を通してアナログ信号として出力する。
【００１１】
本発明の特徴とする周波数追従帯域フィルタ３は、検出された渦周波数が帯域幅の中心となるように、縦続接続されたハイパスフィルタ１１とローパスフィルタ１２で構成されるバンドパスフィルタの通過帯域幅を制御する。この通過帯域幅を制御するために、ハイパスフィルタ１１の出力に接続された固定ローパスフィルタ１３と、波形整形回路１４と、フィルタ制御回路１５とが設けられ、これによって、概略の渦周波数を検出して、この概略渦周波数に基づき、ハイパスフィルタと、それに縦続接続されたローパスフィルタのそれぞれを制御して、これらフィルタで構成されるバンドパスフィルタの同調を取り、渦周波数のみ通過させることにより、良質の渦信号を検出する。
【００１２】
渦周波数の概略値を検出するために、ハイパスフィルタ１１を出た後の信号が、固定ローパスフィルタ１３に入力される。このハイパスフィルタ１１と固定ローパスフィルタ１３とによって構成されるバンドパスフィルタの特性は、図１１に示すようになる。図示した通過帯域の上限ｆＬｍａｘ  は、固定ローパスフィルタ１３のしゃ断周波数によって決定されるが、このしゃ断周波数は、接続される渦流量計の最大流量における周波数より僅かに高い固定値に設定される。通過帯域の下限は、フィルタ制御回路１５により制御されるハイパスフィルタ１１により決定される。図中、ｆＨ１  〜ｆＨｎ  と表示した線は、渦周波数に応じて通過帯域の下限が変化することを示している。なお、後述するように、停止中であっても、ハイパスフィルタのしゃ断周波数は、ｆＨ１  以下にならないように構成している。このため、停止中又は流量が低く渦周波数が低い場合は、図１１に実線で示す如く、通過帯域幅（ｆＨ１  〜ｆＬｍａｘ  ）は広くなる。
【００１３】
一般に、渦周波数が低い場合の方が渦信号は良質であり、渦周波数が高くなると渦信号にフローノイズ等が多く含まれる傾向にあり、また、フィルタ制御用のバンドパスフィルタの特性も図１１に示すように、渦周波数が高くなるほど帯域幅は狭くなりフィルタとしての性能は向上してくるために、フィルタ制御信号としては十分な精度の渦周波数を検出することができる。このようにして、概略値として検出された渦周波数信号は、波形整形回路１４で波形整形された後に、ハイパスフィルタ１１及びローパスフィルタ１２のそれぞれを制御するフィルタ制御回路１５に入力されて、これを制御する。その詳細は後述する。
【００１４】
図６は、図１に示した渦検出回路に用いることのできる固定ローパスフィルタの構成の一例を示す図である。この固定ローパスフィルタを、バターワース（最大平坦）とする場合、Ｒ５  ＝Ｒ６  ＝Ｒ、Ｃ  １１＝２Ｃ１２として、固定ローパスフィルタのしゃ断周波数Ｆ  Ｌ  は、Ｆ  Ｌ  ＝１  ／（√２  ・π・Ｃ  １１・Ｒ  ）となるが、この固定フィルタのしゃ断周波数が、前述したように、渦周波数の最大値より僅かに高い値に設定される。
【００１５】
図１の周波数追従帯域フィルタに用いられるフィルタ制御回路１５は、ハイパスフィルタ１１及びローパスフィルタ１２を渦周波数に同調させるために渦周波数に比例した周波数を再発振させるためのフィルタ制御回路であり、図８にその構成の一例を示している。図示したように、高速の周波数／電圧（Ｆ  ／Ｖ  ）変換回路、及び電圧／周波数（Ｖ  ／Ｆ  ）変換回路を用いることにより、バンドパスフィルタの応答を良くすることができる。また、渦周波数の概略値を高速で検出するために、図９に示すようにＣＰＵを用いて周期計測を行い、その逆数から渦周波数の概略値を求め、渦周波数に見合ったスイッチング周波数を発振して、渦周波数に同調させても良い。
【００１６】
図２及び図３は、それぞれハイパスフィルタの構成を例示する図であり、また、図４及び図５は、それぞれローパスフィルタの構成を例示する図である。それぞれ、１  次のフィルタを２  段カスケードに接続したものと、２  次のフィルタの違いで、何れを用いることもできるし、１  次のフィルタを１  段で構成することもできる。何れにしても、スィッチトキャパシタの原理に基づき、制御周波数により連続的にハイパス、ローパスフィルタのしゃ断周波数を制御することができる。これらフィルタ回路のしゃ断周波数の制御は、スイッチトキャパシタＳＣＰ１〜ＳＣＰ１０のスイッチング周波数Ｆｃ１〜Ｆｃ１０を、前述したフィルタ制御回路１５により可変することにより行うことができる。
【００１７】
図２〜図５に示されるハイパスフィルタ、及びローパスフィルタに用いられるスィッチトキャパシタＳＣＰ１〜ＳＣＰ１０の等価回路は、図７に示すように、スイッチング周波数をＦｃとすると、Ｒｏ＝１  ／Ｃｏ・Ｆｃの等価抵抗Ｒｏとして表すことができることが知られている。
【００１８】
従って、図２のハイパスフィルタのしゃ断周波数Ｆ  Ｈ  は、
一段目のしゃ断周波数Ｆ  Ｈ１＝１  ／（２π・Ｃ  ２  ・Ｒｏ）＝Ｃｏ・Ｆｃ１  ／（２  πＣ  ２  ）
二段目のしゃ断周波数Ｆ  Ｈ２＝１  ／（２  π・Ｃ  ４  ・Ｒｏ）＝Ｃｏ・Ｆ  Ｃ２／（２  πＣ  ４  ）
となり、通過周波数域の利特をＯｄＢ  とすれば、Ｃ  １  ＝Ｃ  ２  、Ｃ  ３  ＝Ｃ  ４  となる。また、図３のハイパスフィルタのしゃ断周波数は、バターワース（最大平坦）とするためには、Ｑ  ＝１／√２にすれば良く、Ｃ  ５  ＝Ｃ  ６  ＝Ｃ、Ｆｃ４  ＝（１  ／２  ）Ｆｃ３  とすると、この時のしゃ断周波数Ｆ  Ｈ  は、
Ｆ  Ｈ  ＝１  ／（√２  ・π・Ｃ  ・Ｒｏ）＝Ｃｏ・Ｆｃ４  ／（√２  ・π・Ｃ）
ここで、ＳＣＰ３の周波数を１  ／２としたが、ＳＣＰ３に接続されるＣｏを１  ／２  とすれば、ＳＣＰ３とＳＣＰ４の周波数を同じ周波数にすることができる。
【００１９】
また、図では示していないが、停止中にスイッチング周波数がゼロになるのを防ぐため、最小渦周波数より僅かに低いしゃ断周波数になるように、スイッチトキャパシタに並列に抵抗を予め入れておくか、渦周波数がゼロになっても、最小周波数で発振するよう構成することができる。
【００２０】
一方、ローパスフィルタは、ハイパスフィルタの後段に接続され、図４の場合のしゃ断周波数Ｆ  Ｌ１は、通過周波数域の利得をＯｄＢ  とすれば、Ｆｃ５  ＝Ｆｃ  ６  、Ｆｃ７  ＝Ｆｃ８  となり、
一段目のしゃ断周波数Ｆ  Ｌ１＝１  ／（２  π・Ｃ  ７  ・Ｒｏ）＝Ｃｏ・Ｆｃ５  ／（２  πＣ  ７  ）
二段目のしゃ断周波数Ｆ  Ｌ２＝１  ／（２  π・Ｃ  ８  ・Ｒｏ）＝Ｃｏ・Ｆｃ７  ／（２  πＣ  ８  ）
となる．
また、図５の場合のローパスフィルタのしゃ断周波数は、バターワース（最大平担）とするためには、Ｑ  ＝１  ／√２  にすれば良く、Ｆｃ９  ＝Ｆｃ１０、Ｃ  １０＝２Ｃ９  とすると、この時のしゃ断周波数Ｆ  Ｌ  は、
Ｆ  Ｌ  ＝１  ／（√２  ・π・Ｃ  １０・Ｒｏ）＝Ｃｏ・Ｆ  ｃ９（√２  ・π・Ｃ  １０）
となり、ハイパスフィルタとローパスフィルタを従属に（カスケードに）接続する事により任意の帯域幅を持つバンドパスフィルタを構成する事ができ、スイッチング周波数Ｆｃを高くすると等価抵抗値Ｒｏは下がり、ハイパス、ローパスフィルタのしゃ断周波数を高くすることが出来る，
図１０は、バンドパスフィルタの特性を示す図である。図１０は、段階的に示しているが実際には、連続的にしゃ断周波数を変化させる事ができる．図示したように、概略の渦周波数を検出して、この概略渦周波数に基づき、ハイパスフィルタと、それに縦続接続されたローパスフィルタのそれぞれを制御して、これらフィルタで構成されるバンドパスフィルタは渦周波数のみ通過させるように、通過帯域幅が連続的に変化させられる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は、概略の渦周波数を検出し、かつ、この検出した概略渦周波数に基づきハイパスフィルタ及びローパスフィルタのそれぞれのスイッチトキャパシタのスイッチング周波数を可変することによって、バンドパスフィルタの通過帯域を渦周波数に基づいて自動的に連続的に制御して、流体の種類及び口径にかかわらずワイドレンジに、渦周波数をほぼその中心に置いて同調させることができるという効果がある。
【００２２】
また、本発明は、通過帯域幅を狭くすることを可能にして、より良質の渦信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】渦検出回路の全体概略構成を示す図である。
【図２】ハイパスフィルタの構成を例示する図である。
【図３】ハイパスフィルタの別の構成を例示する図である。
【図４】ローパスフィルタの構成を例示する図である。
【図５】ローパスフィルタの別の構成を例示する図である。
【図６】図１に示した渦検出回路に用いることのできる固定ローパスフィルタの構成の一例を示す図である。
【図７】スィッチトキャパシタＳＣＰの等価回路を示す図である。
【図８】フィルタ制御回路を例示する図である。
【図９】フィルタ制御回路の別の例を示す図である。
【図１０】ハイパスフィルタとローパスフィルタから成るバンドパスフィルタの特性を示す図である。
【図１１】ハイパスフィルタと固定ローパスフィルタから成るバンドパスフィルタの特性を示す図である。
【図１２】バンドパスフィルタ入力波形を示す図である。
【図１３】バンドパスフィルタ出力波形を示す図である。
【符号の説明】
１  渦検出器
２  増幅回路
３  周波数追従帯域フィルタ
４  波形整形回路
５  ＣＰＵ
６  パルス出力回路
７  表示器
８  Ｄ／Ａ変換回路
１１  ハイパスフィルタ
１２  ローパスフィルタ
１３  固定ローパスフィルタ
１４  波形整形回路
１５  フィルタ制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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