(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内に設置した渦発生体により発生した渦を検出する渦検出センサを備える渦流量計であって、
前記渦検出センサは、前記渦による力に応じて互いに異なる極性の信号を発生する第１及び第２の圧電素子を有しており、
前記第１の圧電素子の出力信号と前記第２の圧電素子の出力信号の差の信号を出力する第１の回路と、
前記第１の圧電素子の出力信号と前記第２の圧電素子の出力信号が同じ極性であるか否かを判定する第２の回路であって、前記第１の圧電素子の出力信号をパルス信号に変換する第１のスイッチング回路と、前記第２の圧電素子の出力信号をパルス信号に変換する第２のスイッチング回路と、前記第１及び第２のスイッチング回路の出力を比較する判定回路とを有する第２の回路と、
前記第２の回路による判定の結果、前記第１の圧電素子の出力信号と前記第２の圧電素子の出力信号の極性が逆極性であるときは、前記第１の回路の出力信号を渦検出信号として出力し、前記第１の圧電素子の出力信号と前記第２の圧電素子の出力信号が同じ極性であるときは、前記第１の回路の出力信号を出力しないように制御する手段と
を備えていることを特徴とする渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内に設置した渦発生体により発生する渦信号を検出する渦流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
渦発生体と渦発生体からの渦を検出する振動管に圧電素子を収納してなるセンサを備えた渦流量計で、電波等により前記渦流量計のセンサに侵入する電源周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）のノイズを対策したものとして、例えば、特許文献１がある。
特許文献１では、検出素子の出力信号はシールドケーブルの芯線から取出し、さらに振動管のフランジがシールドされた押え金具で覆うことでセンサから出力される信号に対して外部からの商用電源ノイズ等のノイズの侵入を防止していた。
【特許文献１】特開２００３−４２８１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１によれば、センサの出力側からの電源ノイズ等の侵入は防止することができる。
しかし、商用電源のノイズはセンサの出力側からのみ侵入するのではなく、流量計の流体に例えばヒータ等があると、このヒータと流体を通してセンサ側から電源ノイズが侵入するため、完全に電源ノイズを遮断することは困難であり、さらに、電源周波数を流量計測周波数に含む渦流量計では電源周波数ノイズが侵入すると電源周波数ノイズを識別できないため、電源周波数ノイズを流量があるかのごとく誤出力をしてしまうという問題があった。例えば、渦計測周波数範囲が５０Ｈｚ〜２５０Ｈｚである場合には、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの電源周波数ノイズを識別することができない。
【０００４】
そこで本発明は、流体が流れていないときに侵入してくる電源周波数ノイズに影響されることがない渦流量計を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の渦流量計は、流路内に設置した渦発生体により発生した渦を検出する渦検出センサを備える渦流量計であって、前記渦検出センサは、前記渦による力に応じて互いに異なる極性の信号を発生する第１及び第２の圧電素子を有しており、前記第１の圧電素子の出力信号と前記第２の圧電素子の出力信号の差の信号を出力する第１の回路と、記第１の圧電素子の出力信号と前記第２の圧電素子の出力信号が同じ極性であるか否かを判定する第２の回路であって、前記第１の圧電素子の出力信号をパルス信号に変換する第１のスイッチング回路と、前記第２の圧電素子の出力信号をパルス信号に変換する第２のスイッチング回路と、前記第１及び第２のスイッチング回路の出力を比較する判定回路とを有する第２の回路と、前記第２の回路による判定の結果、前記第１の圧電素子の出力信号と前記第２の圧電素子の出力信号の極性が逆極性であるときは、前記第１の回路の出力信号を渦検出信号として出力し、前記第１の圧電素子の出力信号と前記第２の圧電素子の出力信号が同じ極性であるときは、前記第１の回路の出力信号を出力しないように制御する手段とを備えているものである。
【発明の効果】
【０００６】
このような本発明の渦流量計によれば、第１及び第２の圧電素子から発生する電荷の極性の差を検出する回路を設けたことで、流体が流れていないときに空中及び配管の流路を経由して侵入する電源周波数ノイズ等を確実に識別できることから、流量計測範囲の渦周波数が電源周波数を含んでいる流量計であっても、電源周波数ノイズを計測信号として誤計測をすることを防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の渦流量計の一実施の形態について、図１ないし図４を参照して説明する。図１は本発明の渦流量計における信号処理回路の第１の実施の形態の構成を示すブロック図、図２は本発明の渦流量計の一実施の形態の全体構成を示す断面図、図３は本発明の渦流量計に用いられている圧電素子の構成を示す図、図４は図１に示した信号処理回路の各部における信号波形の一例を示す図である。
図１において、１は、第１の圧電素子１１及び第２の圧電素子１２を有する渦検出センサである。図２に示すように、渦検出センサ１は、渦流量計本体１７に一体成形により設けられた渦発生体１８により発生される渦及び流体による機械的振動を受けるように、前記渦流量計本体１７の流路に突出する形態で片持ち式に取り付けられた振動管（＝渦検出器）１３と、該振動管１３の内部に収納され、該振動管１３の機械振動に応じた電荷を出力する第１の圧電素子１１及び第２の圧電素子１２とからなる。ここで、第１の圧電素子１１及び第２の圧電素子１２は、信号検出可能となるように、ゴム又は樹脂製の封止剤により、前記振動管１３にポッティングされている。
【０００８】
図３に示すように、前記第１の圧電素子１１と前記第２の圧電素子１２は、導電性の補強板１４を介して同一極性面が互いに向き合うように接合され、荷重を受けたときにそれぞれの圧電素子が正負逆の電荷を生じるように構成されている。このような圧電素子は、一般に、シリーズ型バイモルフと呼ばれている。
前記渦流量計本体１７の流路に流体が流れることで前記渦発生体１８により発生する渦による交番応力の振動を受けて、前記第１の圧電素子１１は対応する交番周波数の信号を出力し、前記第２の圧電素子は前記第１の圧電素子１１の出力と正負が逆の対応する交番周波数の信号を出力する。すなわち、第１の圧電素子１１と第２の圧電素子１２は、発生する渦に対応する交番周波数を有する逆相（逆極性）の信号を出力する。
なお、電源周波数などの流体を介して侵入してくる電気的なノイズ信号に対しては、同一極性面が流体に対して対向することにより、前記第１及び第２の圧電素子１１及び１２は、同相のノイズ信号を受ける。このとき、構造上のわずかな寸法誤差等により、それぞれの圧電素子１１、１２は、異なる大きさの電気的ノイズの影響を受けることとなる。
第１の圧電素子１１及び第２の圧電素子１２の出力信号は、それぞれ、信号取出線１５及び１６を介して、回路基板１０に搭載された信号処理回路に供給される。
【０００９】
図１の信号処理回路において、２は、前記第１の圧電素子１１が出力する交番周波数電荷を受けて電圧に変換する第１の電荷電圧変換回路２１、及び、前記第２の圧電素子１２の出力信号を電圧に変換する第２の電荷電圧変換回路２２を有する電荷電圧変換回路部である。
３は、前記第１の電荷電圧変換回路２１及び第２の電荷電圧変換回路２２においてそれぞれ変換された信号の差分処理を行う、すなわち、第１の電荷電圧変換回路２１の出力信号と第２の電荷電圧変換回路２２の出力信号の差の信号を出力する差動回路である。この差動回路３からは、流体振動により前記第１の圧電素子１１及び第２の圧電素子１２に発生する正負が逆の発生電荷成分のみが出力される。
４は、前記差動回路３から出力される信号から、前記渦検出センサ１が前記渦流量計本体１７の流路に流体が流れることで渦発生体１８による発生する渦による機械振動として出力する周波数成分（渦計測周波数、例えば、５０Ｈｚ〜２５０Ｈｚ）の信号のみを取出すフィルタ回路（低域通過フィルタ又は帯域通過フィルタ）である。
【００１０】
５は、前記フィルタ回路４から出力される渦計測周波数の信号をパルス化し、必要に応じてＦ／Ｖ変換（周波数／電圧変換）して、計測流量値として出力する渦周波数測定回路である。
６は、前記第１の電荷電圧変換回路２１の出力が供給される第１のスイッチング回路６１、及び、前記第２の電荷電圧変換回路２２の出力が供給される第２のスイッチング回路６２を有するスイッチング回路部である。第１のスイッチング回路６１及び第２のスイッチング回路６２は、それぞれ、前記第１の電荷電圧変換回路２１及び第２の電荷電圧変換回路２２から出力される交番周波数信号のゼロクロス付近にしきい値を持ち、前記第１の電荷電圧変換回路２１及び第２の電荷電圧変換回路２２から出力される交番周波数信号をパルス信号に変換する。すなわち、前記電荷電圧変換回路２１、２２からの出力信号がプラスであるときはハイレベル（＋Ｖ）を出力し、マイナスであるときはローレベル（接地電位）を出力する。
【００１１】
７は、前記第１のスイッチング回路６１と前記第２のスイッチング回路６２の出力が入力され、前記第１のスイッチング回路６１と第２のスイッチング回路６２の出力が異なるか否かを判定する判定回路であり、８は、前記判定回路７の出力により制御されるスイッチである。
判定回路７は、例えば、差動回路であり、前記スイッチング回路６１の出力とスイッチング回路６２の出力の差分をとり、その結果がゼロであるときには、前記第１のスイッチング回路６１と第２のスイッチング回路６２の出力が一致していると判定し、そうでないときは、前記第１のスイッチング回路６１と前記第２のスイッチング回路６２の出力が異なっていると判定する。
そして、前記判定回路７は、前記第１のスイッチング回路６１の出力と前記第２のスイッチング回路６２の出力が異なっている場合には、前記渦周波数測定回路５の出力を計測流量値として制御部（ＣＰＵ）９に出力するように前記スイッチ８を制御し、前記第１のスイッチング回路６１の出力と前記第２のスイッチング回路６２の出力が一致しているときは、回路アースの信号（接地電位）を制御部９に供給するように前記スイッチ８を制御する。
制御部９は、前記スイッチ８を通して入力される信号に従って流量を演算するマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）である。
【００１２】
このように構成された本発明の渦流量計の動作について、図４の波形図を参照して説明する。
図４の（ａ）は前記渦流量計本体１７の流路に流体が流れているとき、すなわち、前記第１及び第２の圧電素子１１及び１２に前記渦発生体１８により発生される渦に応じた交番周波数の電荷が発生しているときの前記信号処理回路の各部における信号波形の一例を示す図であり、（ｂ）は流体が流れていないとき、すなわち、前記第１及び第２の圧電素子１１及び１２に空中又は配管の流路を経由してノイズ信号のみが侵入しているときの前記信号処理回路の各部における信号波形の一例を示す図である。ここで、縦軸は電圧、横軸は時間を示している。また、数字、２１、２２、６１、・・・は、それぞれ、前記図１における対応する番号を有する構成要素の出力であることを示している。
【００１３】
前述のように前記第１の圧電素子１１と第２の圧電素子１２は同一極性面が互いに向き合うように接合されているため、前記渦流量計本体１７の流路に流体が流れているときは、第１の圧電素子１１及び第２の圧電素子１２からは正負が逆の交番周波数電荷が発生する。この圧電素子１１及び１２の出力信号は、それぞれ、対応する電荷電圧変換回路２１及び２２で変換され、第１の電荷電圧変換回路２１及び第２の電荷電圧変換回路２２からは、図４（ａ）の２１及び２２で示すように、電圧変換された信号が出力される。
前記電荷電圧変換回路２１及び２２の出力は差動回路３に入力され、差動回路３からは、図４（ａ）の３で示す、電荷電圧変換回路２１の出力と２２の出力の差に対応する振幅の大きい信号が出力される。この信号は、前記フィルタ回路４に入力されて計測周波数帯域以外のノイズ成分が除去され、図４（ａ）の４に示す渦計測周波数の信号が前記渦周波数測定回路５に入力される。渦周波数測定回路５は、入力された信号をパルス化し、図４（ａ）の５に示すパルス信号を出力する。
【００１４】
前記第１の電荷電圧変換回路２１及び第２の電荷電圧変換回路２２の出力は、また、それぞれ対応する前記第１のスイッチング回路６１及び第２のスイッチング回路６２に入力され、各スイッチング回路６１、６２からは、図４（ａ）の６１及び６２で示すように、入力信号の正の部分でハイレベルとなり、負の部分でゼロ電位となるパルス信号が出力される。図示するように、第１のスイッチング回路６１の出力信号と第２のスイッチング回路６２の出力信号は、位相が１８０度ずれている。この第１のスイッチング回路６１の出力信号と第２のスイッチング回路６２の出力信号は、前記判定回路７に入力され、判定回路７からは、図４（ａ）の７に示すように、第１のスイッチング回路６１の出力と第２のスイッチング回路６２の出力の差である、ハイレベルが正の電圧となり、ローレベルが負の電圧となるパルス信号が出力される。
このように、前記流路に流体が流れているときは、前記判定回路７から正の電圧と負の電圧との間で変化するパルス信号が出力される。このとき、前記スイッチ８は、前記渦周波数測定回路５から出力されるパルス信号を計測流量値として前記制御部９に供給するように制御される。
【００１５】
図４の（ｂ）は、前記流路の流体が流れていないときの各部の波形を示す図である。
流体が流れていないときは、前述のように、前記第１の圧電素子１１及び第２の圧電素子１２に同相の電荷が発生する。なお、前述のように、第１の圧電素子１１の出力と第２の圧電素子１２の出力の振幅は、必ずしも同じとはならない。
これらの信号は、前記第１の電荷電圧変換回路２１及び第２の電荷電圧変換回路２２でそれぞれ変換され、図４（ｂ）の２１及び２２に示す信号が出力される。
前記第１及び第２の電荷電圧変換回路２１及び２２の出力は前記差動回路３に入力され、差動回路３から、図４（ｂ）の３に示すように、電荷電圧変換回路２１の出力と電荷電圧変換回路２２の出力の差分に対応する信号が出力される。この信号は、前記フィルタ回路４に入力されて、図４（ｂ）の４に示す信号がフィルタ回路４から出力され、該信号は前記渦周波数測定回路５に入力されて、図４（ｂ）の５に示すパルス信号が出力される。
【００１６】
前記第１の電荷電圧変換回路２１及び第２の電荷電圧変換回路２２の出力は、また、それぞれ対応する第１のスイッチング回路６１及び第２のスイッチング回路６２に入力され、スイッチング回路６１及び６２からは、それぞれ、図４（ｂ）の６１及び６２に示すパルス信号が出力される。図示するように、スイッチング回路６１への入力信号（電荷電圧変換回路２１の出力信号）とスイッチング回路６２への入力信号（電荷電圧変換回路２２の出力信号）の振幅は異なっていても、スイッチング回路６１及び６２から出力されるパルス信号のハイレベルの電圧は同じ電圧となる。
前記第１のスイッチング回路６１の出力と第２のスイッチング回路６２の出力は、前記判定回路７に入力され、その差分がとられる。図示するように、この場合には、第１のスイッチング回路６１と第２のスイッチング回路６２からそれぞれ出力されるパルス信号は、同相であるため、判定回路７の出力は、ゼロレベルとなる。このとき、前記スイッチ８は、回路アースの信号（接地電位）を前記制御部９に供給するように制御される。すなわち、この場合の前記渦周波数測定回路５からのパルス信号が前記制御部９に供給されることはない。
【００１７】
このように、第１のスイッチング回路６１及び第２のスイッチング回路６２を用いてパルス信号に変換した後、判定回路７により第１のスイッチング回路６１の出力と第２のスイッチング回路６２の出力の極性の異同を判定するようにしたため、第１の圧電素子１１の出力信号のレベルと第２の圧電素子１２の出力信号のレベルに差があるときであっても、正しく判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の渦流量計における信号処理回路の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の渦流量計の一実施の形態の全体構成を示す断面図である。
【図３】本発明の渦流量計に用いられている圧電素子の構成を示す図である。
【図４】図１に示した信号処理回路の各部における信号波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００１９】
１：渦検出センサ、１１：第１の圧電素子、１２：第２の圧電素子、１３：振動管、１４：補強板、１５，１６：信号取出線、１７：渦流量計本体、１８：渦発生体、２：電荷電圧変換回路部、２１：第１の電荷電圧変換回路、２２：第２の電荷電圧変換回路、３：差動回路、４：フィルタ回路、５：渦周波数測定回路、６：スイッチング回路部、６１：第１のスイッチング回路、６２：第２のスイッチング回路、７：判定回路、８：スイッチ、９：制御部（ＣＰＵ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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