JP2001349753A - 渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡潔な構成により安価で、Ｓ／Ｎ比が向上さ
れた渦流量計を提供する。 【解決手段】 カルマン渦による交番圧力変動を検出し
て流速流量を測定する渦流量計において、測定流体が流
れる管路と、この管路に一端側が固定され側面がこの管
路に隙間を保って配置され底面が前記渦発生体あるいは
この渦発生体の下流側に配置され凹部を有するカプセル
と、前記凹部に設けられ前記渦発生体の中心軸を挟んで
測定流体の流れ方向と直角方向に対称に配置され前記交
番圧力を検出する第1，第2の圧力検出素子とを具備した
事を特徴とする渦流量計である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、簡潔な構成により
安価で、Ｓ／Ｎ比が向上された渦流量計に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図１５は、従来より一般に使用されてい
る従来例の構成説明図で、例えば、特開平１１−２４８
５０２号公報に示されている。図１６は図１５の詳細説
明図、図１７は図１５の電気回路説明図である。

【０００３】図１５〜図１７において、１は測定流体の
流れる管路である。２は管路１に直角に挿入された柱状
の渦発生体で、この場合は両端が管路１に固定された断
面三角形状のものを示したが、他の形状、例えば断面矩
形状等でもよい。

【０００４】取付け平面１１は、柱状の渦発生体１２の
中心軸に直交して、管路１０に設けられている。第１の
圧力センサ１２は、渦発生体１２により発生する渦周波
数を検出するように、取付け平面１１に直交して取付ら
れている。

【０００５】第１の圧力センサ１２は、この場合は、図
１６に示す如く、凹部１２２を有し管路１０に取付られ
るホルダー１２１と、このホルダー１２１の凹部１２２
の底部に、圧力素子１２３、絶縁体１２４、加重体１２
５、ばね１２６、固定体１２７と順次積み重ねられてい
る。

【０００６】固定体１２７は、ホルダー１２１に溶接１
２８固定されている。圧力素子１２３は、この場合は、
圧電素子が使用されている。

【０００７】第２の圧力センサ１３は、渦発生体１２に
より発生する渦周波数を検出するように、取付け平面１
１に直交し、渦発生体１２に対して、第１の圧力センサ
１２と対称位置に配置取付けられている。

【０００８】第２の圧力センサ１３も、図１６に示す如
く，第１の圧力センサ１２と同様に、凹部１３２を有し
管路１０に取付られるホルダー１３１と、このホルダー
１２１の凹部１３２の底部に、圧力素子１３３、絶縁体
１３４、加重体１３５、ばね１３６、固定体１３７と順
次積み重ねられている。

【０００９】固定体１３７は、ホルダー１３１に溶接１
３８固定されている。圧力素子１２３は、この場合は、
圧電素子が使用されている。

【００１０】固定フランジ１４は、第１の圧力センサ１
２と第２の圧力センサ１３とを、取付け平面１１に固定
するフランジである。

【００１１】管路振動ノイズ除去回路１５は、第１の圧
力センサ１２と第２の圧力センサ１３との出力を演算し
て、第１の圧力センサ１２と第２の圧力センサ１３とが
検出した管路振動ノイズを除去する。

【００１２】具体的には、第１の圧力センサ１２と第２
の圧力センサ１３との出力を、それぞれチヤージコンバ
ータ１５１，１５２を介して、差動増幅器１５３に入力
するようにする。

【００１３】以上の構成において、測定流体Ｘが流され
ると、渦発生体１２から渦が放出され、渦発生体１２の
下流側に渦列が形成される。カルマン渦の有する循環流
により負圧が生じる。

【００１４】このため、第１，第２の圧力センサ１２，
１３では、測定流体ＦＬoに接するホルダ１２１，１３
１の底面には、圧力変動が加わる事になる。第１，第２
の圧力センサ１２，１３の内部の圧電素子１２３，１３
３に圧力変化に対応した交番圧力が発生する。

【００１５】カルマン渦は渦発生体１２の左右で、交互
に発生することから、２個の圧電素子１２３，１３３に
生じる信号は逆相である。圧電素子１２３，１３３に加
わる力としては、カルマン渦信号以外には、（１）ポン
プ等の駆動源による脈動圧と（２）管路振動とがある。

【００１６】２個の圧電素子１２３，１３３が、管路１
０の中心軸方向の同じ距離にあれば、遠方の駆動源によ
り発生する脈動圧は、同一時刻に第１，第２の圧力セン
サ１２，１３に到達する。即ち、２個の圧電素子１２
３，１３３に発生するノイズは、同相である。

【００１７】管路振動に関しても、振動面は同一である
こと、また、２個の圧電素子１２３，１３３に加わる慣
性力の方向も同じことから、管路振動ノイズも同相とな
る。

【００１８】しかして、図１７に示す如く、第１，第２
の圧力センサ１２，１３に発生した電荷は、チャージコ
ンバータ１５１，１５２により、電圧に変換された後、
差動増幅器１５３により同相のノイズ成分はキャンセル
される。

【００１９】なお、圧電素子１２３，１３３の圧電定数
や容量、或いは、チャージコンバータ１５１，１５２の
帰還容量の差などによって生じるノイズ電圧の大きさの
違いは、差動増幅器１５３の入力抵抗値の一部を可変に
しておけば良い。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな装置においては、管路に２つの圧カセンサ１２，１
３を設置し、渦による圧力変動を差動で検出する方式
は、管路１外からセンサ交換が容易にできる反面、２つ
の圧カセンサ１２，１３を別々におく必要がある。

【００２１】従って、スペース的に、特に、通しボルト
が干渉するウエハタイプにおいて、構成が因難であっ
た。また、渦発生体２の左右すぐ横に置くことで、スペ
ース的な面はクリアできる。

【００２２】しかし、渦発生体２と一体鋳物の上部に２
つの圧力センサ１２，１３を埋め込んだ場合、渦発生体
２の曲げ応力が、渦による圧カをキャンセルする方向に
応力が働き、検出感度の低下、および差動では除去でき
ない振動ノイズの影響がある。

【００２３】また、渦発生体２の振動の影響を除くため
に、渦発生体２の下流でも検出は可能であるが感度が低
下し、また、渦波形に高調波が重畳する問題がある。

【００２４】また、２つのセンサ１２，１３を別々に取
り付けるために、２つのセンサ１２，１３の固定条件が
揃い難く、振動などのノイズをバランス良くキャンセル
することが難しい。

【００２５】また、防爆性や耐環境性を考慮した場合、
２つの圧カセンサ１２，１３へのリ一ド線の処理やセン
サ１２，１３のケースなど、構造的に、コスト的に不利
な構造となっている。

【００２６】本発明の目的は、上記の課題を解決するも
ので、簡潔な構成により安価で、Ｓ／Ｎ比が向上された
渦流量計を提供することにある。

【００２７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明では、請求項１の渦流量計において
は、カルマン渦による交番圧力変動を検出して流速流量
を測定する渦流量計において、測定流体が流れる管路
と、この管路に一端側が固定され側面がこの管路に隙間
を保って配置され底面が前記渦発生体あるいはこの渦発
生体の下流側に配置され凹部を有するカプセルと、前記
凹部に設けられ前記渦発生体の中心軸を挟んで測定流体
の流れ方向と直角方向に対称に配置され前記交番応力を
検出する第1，第2の圧力検出素子とを具備した事を特徴
とする。

【００２８】本発明の請求項２においては、請求項1記
載のカルマン渦流量計において、前記カプセルの一端側
が前記管路に溶接固定されたことを特徴とする。

【００２９】本発明の請求項３においては、請求項1又
は請求項２記載のカルマン渦流量計において、前記第
1，第2の圧力検出素子として、圧電素子が使用されたこ
とを特徴とする。

【００３０】本発明の請求項４においては、請求項1又
は請求項２記載の渦流量計において、前記第1，第2の圧
力検出素子として、静電容量電極が使用されたことを特
徴とする。

【００３１】本発明の請求項５においては、請求項1乃
至請求項４の何れかに記載の渦流量計において、前記第
1，第2の圧力検出素子を前記凹部に着脱自由に固定取付
ける取付け手段を具備したことを特徴とする。

【００３２】本発明の請求項６においては、請求項５記
載の渦流量計において、前記取付け手段として、前記第
1，第2の圧力検出素子を前記凹部に固定する固定棒と、
この固定棒を前記カプセルにねじ止めするねじとを具備
したことを特徴とする。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、
図2は図1の側面図、図３は図1の平面図、図４は図２の
要部詳細説明図、図５，図6，図7は図４の要部詳細説明
図である。

【００３４】図において、図１５と同一記号の構成は同
一機能を表す。以下、図１５と相違部分のみ説明する。
図において、カプセル２１は、管路１に一端２１１側が
固定され、側面２１２がこの管路１に隙間を保って配置
され、底面２１３が渦発生体２あるいはこの渦発生体の
下流側に配置され凹部２１４を有する。

【００３５】この場合は、カプセル２１の一端２１１側
が、管路１に溶接固定されている。第1，第2の圧力検出
素子２２，２３は、凹部２１４に設けられ、渦発生体２
の中心軸を挟んで測定流体Ｘの流れ方向と直角方向に対
称に配置され渦発生による交番圧力を検出する。

【００３６】この場合は、第1，第2の圧力検出素子２
２，２３として圧電素子が使用されている。また、この
場合は、取付け手段２４により、第1，第2の圧力検出素
子２２，２３は凹部２１４に着脱自在に固定取付けられ
ている。

【００３７】具体的には、取付け手段２４として、第
1，第2の圧力検出素子２２，２３を凹部２１４に固定す
る固定棒２４１と、この固定棒２４１をカプセル２１に
ねじ止めするねじ２４２とを有する。

【００３８】なお、図４に示す如く、第1，第2の圧力検
出素子２２，２３には、電極２５１と絶縁板２５２とが
取り付けられている。

【００３９】更に、この場合は、第1，第2の圧力検出素
子２２，２３は、図５に示す如く、円を１／２にカット
した半月状の圧電素子２２，２３から構成され、図６に
示す如く、それぞれの半月形２２，２３が、単独に圧力
を検出できるよう、図７に示す如く、厚さ方向に分極Ｂ
されている。

【００４０】そして、第1，第2の圧力検出素子２２，２
３は、凹部２１４内に収納されている。なお、カプセル
２１の形状は、底面２１３が測定流体圧に耐えるだけの
厚さが確保されており、底面２１３部分を介し、圧力変
動を第1，第2の圧力検出素子２２，２３に伝達される。

【００４１】カプセル２１の形状を、底面２１３だけで
なく、側面２１２も薄くすることにより、感度を稼ぐこ
とも可能ではあるが、側面２１２と管路１との間につま
りが生じた場合に、感度低下や、外部振動がより大きく
伝達される恐れがある。

【００４２】また、第1，第2の圧力検出素子２２，２３
をカプセル２１の底面２１３に配置し、内外の部品の質
量をできるだけ軽く、また、揃えることにより振動によ
る外力から発生するノイズを押さえることが出来る。

【００４３】この第1，第2の圧力検出素子２２，２３を
組み込んだカプセル２１を、この場合は、渦発生体２の
上部に配置する。

【００４４】渦発生体２の形状は第1，第2の圧力検出素
子２２，２３全面に、渦発生による圧カ変動を伝えやす
いように、また、渦発生体２の曲げ振動の影響を小さく
するために、図２に示す如く、渦発生体２の断面形状が
台形形状の場合は、カプセル２１との接部Ａは、薄くし
て置く。なお、渦発生体２の断面形状が、例えば、Ｔ字
型等でも良い。

【００４５】以上の構成において、カルマン渦の生成に
よる圧力変動は、第1，第2の圧力検出素子２２，２３に
逆位相で作用し、振動ノイズや脈動圧によるノイズは同
相で作用する。

【００４６】このために、この第1，第2の圧力検出素子
２２，２３の出力を差動で演算することにより、振動や
脈動によるノイズはキャンセルされ、渦信号をＳ／Ｎ比
良く検出することが出来る。

【００４７】第1，第2の圧力検出素子２２，２３の出カ
は、同一カプセル２１に収納されているために、出力は
ある程度揃っているが、第1，第2の圧力検出素子２２，
２３の出力比を電気的にバランス調整して差をとれば、
更に、Ｓ／Ｎ比が向上された渦流量計が得られる。

【００４８】また、第1，第2の圧力検出素子２２，２３
をカプセル２１を着脱自由に構成し、カプセル２１を管
路１に固定、例えば、溶接することにより、オンライン
で第1，第2の圧力検出素子２２，２３の交換が可能とな
る。

【００４９】この結果、 （１）第1，第2の圧力検出素子２２，２３を1個のカプ
セル２１内に配置するようにしたので、２個の圧力検出
素子２２，２３の固定条件が揃い易く、振動ノイズや脈
動圧によるノイズの大きさを揃え易く、第1，第2の圧力
検出素子２２，２３に逆位相で作用するカルマン渦の生
成による圧力変動と、同相で作用する振動ノイズや脈動
圧によるノイズとを、差動で演算することにより、渦に
よる圧力変動をＳ／Ｎ比良く、簡単な構造で、安価に検
出できる渦流量計が得られる。

【００５０】（２）カプセル２１の一端２１１側が、管
路１に溶接固定されたので、測定流体Xが管路1外に漏れ
る恐れのない渦流量計が得られる。

【００５１】（３）第1，第2の圧力検出素子２２，２３
として、圧電素子が使用されたので、圧電素子は市場性
が有り、安価な渦流量計が得られる。

【００５２】（４）第1，第2の圧力検出素子２２，２３
が着脱自由になるので、測定流体Ｘを止めることなく、
第1，第2の圧力検出素子２２，２３センサの交換も可能
となり、高信頼性が実現可能な渦流量計が得られる。

【００５３】（５）取付け手段２４として、固定棒２４
１とねじ２４２のみが使用されたので、安価な渦流量計
が得られる。

【００５４】図８は本発明の他の実施例の要部斜視構成
説明図、図９は図７の平面図、図１０は図７の側面図で
ある。

【００５５】本実施例においては、円盤状の圧電素子本
体３０1の一面に共通電極３０２が設けられ、円盤状の
圧電素子本体３０1の他面にそれぞれ半月状の電極３１
１，３２１が設けられて構成された、第1，第2の圧力検
出素子３１，３２が使用された実施例である。

【００５６】図１１は本発明の他の実施例の要部斜視構
成説明図、図１2は図１1の側面図、図１３は図１1の平
面図、図１４は図１２の要部詳細説明図である。本実施
例においては、第1，第2の圧力検出素子４１，４２とし
て、静電容量電極が利用された実施例である。

【００５７】図において、カプセル２１の底面２１３部
分がダイアフラム状に薄く形成されて共通電極４０１を
構成する。

【００５８】カプセル２１の凹部２１４に挿入された固
定棒４０２に、絶縁板４０３を介して、共通電極４０１
に対向し、共通電極４０１とわずかの隙間を保って、そ
れぞれ、半月状の静電容量電極４１１，４２１が設けら
れている。

【００５９】そして、共通電極４０１と静電容量電極４
１１，４２１とにより、それぞれ、第1，第2の圧力検出
素子４１，４２が構成されている。

【００６０】この結果、第1，第2の圧力検出素子４１，
４２として、静電容量電極が使用されたので、静電容量
形圧力検出素子は安価で、高温での使用が可能であり、
安価で高耐熱の渦流量計が得られる。

【００６１】なお、以上の説明は、本発明の説明および
例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎな
い。したがって本発明は、上記実施例に限定されること
なく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、
変形をも含むものである。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
によれば、次のような効果がある。第1，第2の圧力検出
素子を1個のカプセル内に配置するようにしたので、２
個の圧力検出素子の固定条件が揃い易く、振動ノイズや
脈動圧によるノイズの大きさを揃え易く、第1，第2の圧
力検出素子に逆位相で作用するカルマン渦の生成による
圧力変動と、同相で作用する振動ノイズや脈動圧による
ノイズとを、差動で演算することにより、渦による圧力
変動をＳ／Ｎ比よく、簡単な構造で、安価に検出できる
渦流量計が得られる。

【００６３】本発明の請求項２によれば、次のような効
果がある。カプセルの一端側が前記管路に溶接固定され
たので、測定流体が管路外に漏れる恐れのない渦流量計
が得られる。

【００６４】本発明の請求項３によれば、次のような効
果がある。第1，第2の圧力検出素子２２，２３として、
圧電素子が使用されたので、圧電素子は市場性が有り、
安価な渦流量計が得られる。

【００６５】本発明の請求項４によれば、次のような効
果がある。第1，第2の圧力検出素子として、静電容量電
極が使用されたので、静電容量形圧力検出素子は安価
で、高温での使用が可能であり、安価で高耐熱の渦流量
計が得られる。

【００６６】本発明の請求項５によれば、次のような効
果がある。第1，第2の圧力検出素子が着脱自由になるの
で、測定流体を止めることなく、第1，第2の圧力検出素
子の交換も可能となり、高信頼性が実現可能な渦流量計
が得られる。

【００６７】本発明の請求項６によれば、次のような効
果がある。取付け手段として、固定棒とねじのみが使用
されたので、安価な渦流量計が得られる。

【００６８】従って、本発明によれば、簡潔な構成によ
り安価で、Ｓ／Ｎ比が向上された渦流量計を実現するこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図である。

【図２】図1の側面図である。

【図３】図1の平面図である。

【図４】図２の要部詳細説明図である。

【図５】図４の要部詳細説明図である。

【図６】図４の要部詳細説明図である。

【図７】図４の要部詳細説明図である。

【図８】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。

【図９】図７の平面図である。

【図１０】図７の側面図である。

【図１１】本発明の他の実施例の要部構成説明図であ
る。

【図１２】図1１の側面図である。

【図１３】図1１の平面図である。

【図１４】図１２の要部詳細説明図である。

【図１５】従来より一般に使用されている従来例の要部
構成説明図である。

【図１６】図１５の要部詳細説明図である。

【図１７】図１５の電気回路説明図である。

【符号の説明】

１ 管路 ２ 渦発生体 ２１ カプセル ２１１ 一端 ２１２ 側面 ２１３ 底面 ２１４ 凹部 ２２ 第1の圧力検出素子 ２３ 第2の圧力検出素子 ２４ 取付け手段 ２４１ 固定棒 ２４２ ねじ ２５１ 電極 ２５２ 絶縁板 ３０１ 圧電素子本体 ３０２ 共通電極 ３１ 第1の圧力検出素子 ３１１ 電極 ３２ 第2の圧力検出素子 ３２１ 電極 ４０１ 共通電極 ４０２ 固定棒 ４０３ 絶縁板 ４１ 第1の圧力検出素子 ４１１ 静電容量電極 ４２ 第2の圧力検出素子 ４２１ 静電容量電極 ４３ 取付け手段 Ａ 接部 Ｂ 分極 X 測定流体

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カルマン渦による交番圧力変動を検出して
   流速流量を測定する渦流量計において、 測定流体が流れる管路と、 この管路に一端側が固定され側面がこの管路に隙間を保
   って配置され底面が前記渦発生体あるいはこの渦発生体
   の下流側に配置され凹部を有するカプセルと、 前記凹部に設けられ前記渦発生体の中心軸を挟んで測定
   流体の流れ方向と直角方向に対称に配置され前記交番圧
   力を検出する第1，第2の圧力検出素子とを具備した事を
   特徴とする渦流量計。
2. 【請求項２】前記カプセルの一端側が前記管路に溶接固
   定されたことを特徴とする請求項1記載の渦流量計。
3. 【請求項３】前記第1，第2の圧力検出素子として、圧電
   素子が使用されたことを特徴とする請求項1又は請求項
   ２記載の渦流量計。
4. 【請求項４】前記第1，第2の圧力検出素子として、静電
   容量電極が使用されたことを特徴とする請求項1又は請
   求項２記載の渦流量計。
5. 【請求項５】前記第1，第2の圧力検出素子を前記凹部に
   着脱自由に固定取付ける取付け手段を具備したことを特
   徴とする請求項1乃至請求項４の何れかに記載の渦流量
   計。
6. 【請求項６】前記取付け手段として、前記第1，第2の圧
   力検出素子を前記凹部に固定する固定棒と、 この固定棒を前記カプセルにねじ止めするねじとを具備
   した事を特徴とする請求項５記載の渦流量計。