(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルマン渦により発生する交番信号を検出し、この交番信号をフィルタに通過させアナログ／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マイクロ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、
渦流量信号の帯域を分割し、分割後の低周波側の帯域をさらに分割し、以下同様に繰り返すことにより、通過帯域が異なるフィルタを組み合わせて構築され、各フィルタで帯域を分割して渦流量信号の周波数成分を抽出し、分割段が後段へいくに従って周波数成分を抽出するサンプリング周波数を低周波数にしていく帯域分解回路と、
この帯域分解回路の各分割段で帯域を分割して抽出した信号について移動平均をとって信号強度を測定し、各分割段で抽出した周波数成分の中で信号強度が最大の成分を信号成分とし、この信号成分をもとに流量を測定する演算手段と、
を具備したことを特徴とする渦流量計。
【請求項２】
カルマン渦により発生する交番信号を検出し、この交番信号をフィルタに通過させアナログ／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マイクロ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、
コーナー周波数がｆｍ（ｆｍは渦流量信号の最大周波数）の前段ローパスフィルタと、
０〜ｆｍの帯域を１／２ずつに区切り、上半分の帯域の周波数成分をハイパスフィルタ、下半分の帯域の周波数成分をローパスフィルタでそれぞれ抽出し、さらに０〜ｆｍ／２の帯域を１／２ずつに区切り、上半分の帯域の周波数成分をハイパスフィルタ、下半分の帯域の周波数成分をローパスフィルタでそれぞれ抽出し、以下同様に分割段が後段へいくに従って帯域を１／２ずつ細分化していき周波数成分を抽出するとともに、０〜ｆｍの帯域を１／２ずつに区切って抽出した周波数成分はサンプリング周波数ｆｓ／２（ｆｓは前記アナログ／デジタル変換器の変換周波数）でサンプリングし、０〜ｆｍ／２の帯域を１／２ずつに区切って抽出した周波数成分はサンプリング周波数ｆｓ／４でサンプリングし、以下同様に帯域を１／２ずつ細分化する毎にサンプリング周波数を１／２倍にしていく帯域分解回路を有する帯域分割フィルタと、
前記帯域分解回路の各分割段で帯域を分割して抽出した信号について移動平均をとって信号強度を測定し、各分割段で抽出した周波数成分の中で信号強度が最大の成分を信号成分とし、この信号成分をもとに流量を測定する演算手段と、
を具備したことを特徴とする渦流量計。
【請求項３】
前記帯域分割フィルタは、等しいサンプリング周波数で抽出した信号どうしを加算し、加算を行う毎にサンプリング周波数を２倍ずつしていき、前記帯域分解回路の各分割段で帯域を分割して抽出した周波数成分をもとの信号に再現する再構成回路を有することを特徴とする請求項２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、カルマン渦により発生する交番信号を検出し、この交番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マイクロ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、安定した流量検出を確保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４は従来における渦流量計の構成例を示した図である。
図４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４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
これらのノイズ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が、なお低減されずに残っているノイズ成分が信号成分に対して悪影響を及ぼす。このため、シュミットトリガ回路８でノイズ成分を信号成分としてパルス化してしまったり、信号成分をパルス化するのを見落としたりすることがある。
【０００７】
【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、ノイズが重畳した渦信号に帯域を分割したフィルタを通過させることによって、様々なノイズを効果的に除去し、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。
【０００８】
【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）カルマン渦により発生する交番信号を検出し、この交番信号をフィルタに通過させアナログ／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マイクロ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、
渦流量信号の帯域を分割し、分割後の低周波側の帯域をさらに分割し、以下同様に繰り返すことにより、通過帯域が異なるフィルタを組み合わせて構築され、各フィルタで帯域を分割して渦流量信号の周波数成分を抽出し、分割段が後段へいくに従って周波数成分を抽出するサンプリング周波数を低周波数にしていく帯域分解回路と、
この帯域分解回路の各分割段で帯域を分割して抽出した信号について移動平均をとって信号強度を測定し、各分割段で抽出した周波数成分の中で信号強度が最大の成分を信号成分とし、この信号成分をもとに流量を測定する演算手段と、
を具備したことを特徴とする渦流量計。
（２）カルマン渦により発生する交番信号を検出し、この交番信号をフィルタに通過させアナログ／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マイクロ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、
コーナー周波数がｆｍ（ｆｍは渦流量信号の最大周波数）の前段ローパスフィルタと、
０〜ｆｍの帯域を１／２ずつに区切り、上半分の帯域の周波数成分をハイパスフィルタ、下半分の帯域の周波数成分をローパスフィルタでそれぞれ抽出し、さらに０〜ｆｍ／２の帯域を１／２ずつに区切り、上半分の帯域の周波数成分をハイパスフィルタ、下半分の帯域の周波数成分をローパスフィルタでそれぞれ抽出し、以下同様に分割段が後段へいくに従って帯域を１／２ずつ細分化していき周波数成分を抽出するとともに、０〜ｆｍの帯域を１／２ずつに区切って抽出した周波数成分はサンプリング周波数ｆｓ／２（ｆｓは前記アナログ／デジタル変換器の変換周波数）でサンプリングし、０〜ｆｍ／２の帯域を１／２ずつに区切って抽出した周波数成分はサンプリング周波数ｆｓ／４でサンプリングし、以下同様に帯域を１／２ずつ細分化する毎にサンプリング周波数を１／２倍にしていく帯域分解回路を有する帯域分割フィルタと、
前記帯域分解回路の各分割段で帯域を分割して抽出した信号について移動平均をとって信号強度を測定し、各分割段で抽出した周波数成分の中で信号強度が最大の成分を信号成分とし、この信号成分をもとに流量を測定する演算手段と、
を具備したことを特徴とする渦流量計。
（３）前記帯域分割フィルタは、等しいサンプリング周波数で抽出した信号どうしを加算し、加算を行う毎にサンプリング周波数を２倍ずつしていき、前記帯域分解回路の各分割段で帯域を分割して抽出した周波数成分をもとの信号に再現する再構成回路を有することを特徴とする（２）記載の渦流量計。
【０００９】
【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で図４と同一のものは同一符号を付ける。
図１ではセンサが１個である場合を例示しているが、センサを２個用いる渦流量計にも図１の実施例は適用可能である。
図１で、２０は電荷電圧変換回路３の出力が通過するアンチエイリアシングフィルタ、２１はフィルタ２０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）、２２はアナログ／デジタル変換器２１の出力（渦流量信号）の高周波成分を除去するローパスフィルタ（ローパスフィルタをＬＰＦとする）である。請求範囲でいう前段フィルタはＬＰＦ２２である。ＬＰＦ２２のコーナー周波数は渦流量信号の最大周波数ｆmに設定されている。
【００１０】
２３はデジタルフィルタで構成された帯域分割フィルタで、通過帯域が異なるフィルタを組み合わせて構築され、各フイルタで帯域を分割して周波数成分を抽出する。２４はマイクロプロセッサ、２４１はマイクロプロセッサ２４に設けられた演算手段で、帯域分割フィルタ２３を通過後のデジタル信号を用いてＲＯＭ２５やＲＡＭ２６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。算出値はデジタル信号として出力される。
２７はマイクロプロセッサ２４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）、２８はＤ／Ａ変換器２７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。変換された信号は負荷に伝送される。
【００１１】
図２は帯域分割フィルタ２３の具体的構成例を示した図である。
図２に示すように帯域分割フィルタ２３は帯域分割回路２３１と再構成回路２３２とからなる。
帯域分割回路２３１で、Ａ１及びＢ１はＬＰＦ２２の出力段に接続されたＬＰＦ及びハイパスフィルタ（ハイパスフィルタをＨＰＦとする）、Ｓ１及びＳ２はＬＰＦＡ１及びＨＰＦＢ１の出力段にそれぞれ接続されたサンプリング回路である。ＬＰＦＡ１のコーナー周波数はｆm／２である。ＨＰＦＢ１の通過帯域はｆm／２〜ｆmである。サンプリング回路Ｓ１とＳ２のサンプリング周波数はｆs／２（ｆsはＡ／Ｄ変換器２１の変換周波数）である。ＬＰＦＡ１、ＨＰＦＢ１及びサンプリング回路Ｓ１，Ｓ２で分割段を構成している。図１では分割段が４段設けられている。
Ａ／Ｄ変換器２１は変換周波数ｆsで変換を行うため、ＬＰＦ２２からは周波数ｆsで変換データが出力され、この出力がＬＰＦＡ１とＨＰＦＢ１に与えられる。サンプリング回路Ｓ１とＳ２は、ＬＰＦＡ１とＨＰＦＢ１の出力をサンプリング周波数ｆs／２でサンプリングを行う。これにより、サンプリング回路Ｓ１とＳ２ではサンプリングするデータが１／２に間引かれている。これをダウンサンプリングとする。周波数を１／２に落とすダウンサンプリングは、サンプリング回路Ｓ１とＳ２から出力されるデータの中で、奇数番目のデータまたは偶数番目のデータをサンプリングすることによって実現できる。図１ではダウンサンプリングを下向きの矢印で表す。
【００１２】
Ａ２及びＢ２はサンプリング回路Ｓ１に接続されたＬＰＦ及びＨＰＦ、Ｓ３及びＳ４はＬＰＦＡ２及びＨＰＦＢ２にそれぞれ接続されたサンプリング回路である。ＬＰＦＡ２のコーナー周波数はｆm／４である。ＨＰＦＢ２の通過帯域はｆm／４〜ｆm／２である。サンプリング回路Ｓ３とＳ４のサンプリング周波数はｆs／４である。
【００１３】
以下、分割段が後段へいくに従ってＬＰＦとＨＰＦで周波数成分を抽出する帯域を低周期側に１／２ずつ細分化していくとともに、サンプリング周波数を１／２倍ずつしていく。
ＬＰＦＡ３のコーナー周波数はｆm／８、ＨＰＦＢ３の通過帯域はｆm／８〜ｆm／４である。サンプリング回路Ｓ３とＳ４のサンプリング周波数はｆs／８である。
ＬＰＦＡ４のコーナー周波数はｆm／１６、ＨＰＦＢ３の通過帯域はｆm／１６〜ｆm／８である。サンプリング回路Ｓ３とＳ４のサンプリング周波数はｆs／１６である。
【００１４】
Ｎ段目の分割段では、ＬＰＦのコーナー周波数はｆm／２N、ＨＰＦの通過帯域はｆm／２N〜ｆm／２N-1である。サンプリング回路Ｓ３とＳ４のサンプリング周波数はｆs／２Nである。
【００１５】
再構成回路２３２で、Ｅ７及びＥ８はサンプリング回路Ｓ７及びＳ８に接続されたサンプリング回路である。サンプリング回路Ｅ７及びＥ８は、サンプリング周波数ｆs／８でサンプリングを行う。サンプリング回路Ｓ７及びＳ８からサンプリング回路Ｅ７及びＥ８に至るときにサンプリング周波数ｆs／１６からｆs／８へと高められる。これをアップサンプリングとする。
図１ではアップサンプリングを上向きの矢印で表す。ＬＰＦＣ４はＬＰＦＡ４と同一の周波数特性で、ＨＰＦＤ４はＨＰＦＢ４と同一の周波数特性になっている。Ｆ４はＨＰＦＤ４とＨＰＦＢ４の出力を加算する加算回路である。ＬＰＦＣ３、ＨＰＦＤ４、サンプリング回路Ｅ７，Ｅ８及び加算回路Ｆ４で再構成段を構成している。図１では再構成段が４段設けられている。
ＬＰＦＣ１、ＬＰＦＣ２、ＬＰＦＣ３はＬＰＦＡ１、ＬＰＦＡ２、ＬＰＦＡ３とそれぞれ同一の周波数特性になっている。ＨＰＦＤ１、ＨＰＦＤ２、ＨＰＦＤ３はＨＰＦＢ１、ＨＰＦＢ２、ＨＰＦＢ３とそれぞれ同一の周波数特性になっている。サンプリング回路Ｅ５，Ｅ６のサンプリング周波数はｆs／４、サンプリング回路Ｅ３，Ｅ４のサンプリング周波数はｆs／２、サンプリング回路Ｅ１，Ｅ２のサンプリング周波数はｆsである。
【００１６】
再構成回路２３２は、各再構成段で２倍ずつアップサンプリングし、サンプル数の等しいＬＰＦとＨＰＦの出力を加算することにより、帯域分解回路２３１で分割して抽出した信号を再現する。
【００１７】
図１の渦流量計が信号成分を検出する動作を説明する。
図３は各フィルタの周波数特性を示した図である。
図３（ａ）はＬＰＦ２２の周波数特性を示した図である。
ＬＰＦ２２のコーナー周波数ｆmは、配管の口径、流体密度、最大流量等によって決められる最大渦周波数に設定される。これによって、最大渦周波数以上の周波数成分のノイズが除去される。Ａ／Ｄ変換器２１が変換周波数ｆsで変換する変換データがＬＰＦ２２に与えられる。
ＬＰＦ２２の出力にＨＰＦＢ１とＬＰＦＡ１を通過させると、周波数帯域は図３（ｂ）のＷ１とＷ２に制限される。帯域Ｗ１はｆm／２〜ｆmで、帯域Ｗ２は０〜ｆm／２である。ＬＰＦＡ１とＨＰＦＢ１の通過信号をサンプリング周波数ｆs／２でサンプリングする。
【００１８】
以下、同様にして帯域を１／２ずつ細分化していき、サンプリング周波数を１／２倍ずつして周波数成分を抽出する。図３のＷ３，Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６，Ｗ７，Ｗ８は、それぞれＨＰＦ２，ＬＰＦ２，ＨＰＦ３，ＬＰＦ３，ＨＰＦ４，ＬＰＦ４の周波数特性を示している。これによって、Ｗ０，Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５，Ｗ７の５つの帯域に分割して周波数成分を抽出する。
【００１９】
マイクロプロセッサ２４は、帯域を分割して抽出した周波数成分の中で信号強度が最大の周波数成分を渦周波数成分とし、これを演算手段２４１で演算し、流量を算出する。
【００２０】
スパイク状のノイズに対しては、移動平均をとり、演算周期毎の各帯域の信号強度を測定することによって、定常的な信号でないことを判別できる。
【００２１】
図１の例では分割段が４段設けられているが、分割段数はこれ以外でもよい。一般に、分割段がＮ段のときは、Ｎ＋１個の帯域に分割して周波数成分を抽出する。
【００２２】
流量を算出するだけであれば、上述した帯域を分割して周波数成分を抽出する処理だけでよい。信号波形を確認したいときは、帯域を分割して周波数成分を抽出する処理と逆の処理が必要である。このために、再構成回路２３２でサンプル数の等しいＬＰＦとＨＰＦの信号どうしを加算し、２倍にアップサンプリングし、この処理をＬＰＦＣ１とＨＰＦＤ１の出力を加算するまで繰り返すことにより信号を再現する。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、ノイズが重畳した渦信号を帯域分割フィルタで帯域を分割して周波数成分を抽出している。これによって、様々なノイズを効果的に除去し、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】帯域分割フィルタの具体的構成例を示した図である。
【図３】分割帯域フィルタを構成する各フィルタの周波数特性を示した図である。
【図４】従来における渦流量計の構成例を示した図である。
【符号の説明】
１  センサ
３  電荷電圧変換回路
２２  ＬＰＦ
２３  帯域分割フィルタ
２３１  帯域分割回路
２３２  再構成回路
２４  マイクロプロセッサ
２４１  演算手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003933235.tif 000005