JP2002054959A

JP2002054959A - 差圧式流量計

Info

Publication number: JP2002054959A
Application number: JP2000242506A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2000-08-10
Publication date: 2002-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】金属製のダイヤフラムが不要で構造が簡素で
安価にする。【解決手段】流体Ｆが流れる管体１内にはオリフィス
２が設けられており、オリフィス２の前後の管体１に
は、流体Ｆの圧力を取り出すための圧力取出口３ａ、３
ｂには、水晶から成る水晶円板４がそれぞれ取り付けら
れている。水晶円板４の表面には、弾性表面波を発生さ
せ、これを検出するためのくし形電極が設けられてい
る。水晶円板４に片面から圧力が均一に加えられ水晶円
板４が撓むと、水晶円板４のヤング率が変化し伝播速度
が変化することから、周波数に変化が生ずることを利用
して圧力を検出する。この発振周波数は周波数検出回路
により検出され、２つの水晶円板４に加わる圧力がそれ
ぞれ得られ、２つの圧力センサからオリフィス２を挟む
差圧が求められ、ベルヌーイの定理に従ってこの差圧を
基に流体Ｆの流量を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、管路内に設けた絞
り機構の両側における差圧を利用して、流体の流量を測
定する差圧式流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】流体が流れている管路中に絞り機構を設
けて流れを絞ると、絞り機構の後方の圧力は流速に対し
てベルヌーイの定理に従って一定の関係に従って減少す
る。差圧式流量計はこの絞り機構の前後の圧力差を測定
することにより流量を測定する。

【０００３】このような差圧流量計は構造が簡単で安価
であり、保守が容易であるなどの長所があり、従来から
流量計の主流になっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例においては、２つの導圧管の流体に接するための差
圧伝送器を必要とする。この差圧伝送器は大別して静電
容量式、半導体歪ゲージ式、振動式の３種類がある。静
電容量式は金属ダイヤフラムの両側に圧力をかけ、その
差圧による変位を差動的に静電容量の形で検出する。半
導体歪ゲージ式はシリコンのダイヤフラムにかかる差圧
を抵抗変化として検出する。振動式は差圧を受けるダイ
ヤフラムにワイヤ状の振動子を接続したものであり、ダ
イヤフラムが差圧を受けると、振動子は差圧と一定の関
係を持った周波数で振動するので、これを検出して差圧
を知る。

【０００５】このように、殆どの種類の差圧伝送器は金
属製のダイヤフラムが必要であり、この金属製のダイヤ
フラムは高い機械加工精度が不可欠である。

【０００６】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
金属製のダイヤフラムが不要で構造が簡素で安価な差圧
式流量計を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る差圧式流量計は、流体管路内の絞り機構
を挟んだ位置にそれぞれ導圧部を取り付け、これらの導
圧部にそれぞれ圧力センサを取り付けた差圧式流量計で
あって、前記各圧力センサは圧電板の基準圧力側に複数
の電極を形成し、前記一方の電極で発生し前記圧電板上
を伝播する弾性表面波を前記他方の電極で検出すること
により前記圧電板に加わる圧力を検出し、前記２つの圧
力センサの出力を演算して前記導圧部間の差圧を求め、
前記管路を流れる流体の流量を測定することを特徴とす
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明を図示の実施の形態に基づ
いて詳細に説明する。図１は第１の実施の形態の流量測
定機構の断面図を示している。流体Ｆが流れる管体１内
にはオリフィス２が設けられている。オリフィス２の前
後の管体１には、流体Ｆの圧力を取り出すための円筒状
の圧力取出口３ａ、３ｂが設けられている。これらの圧
力取出口３ａ、３ｂには、圧電材料である水晶から成る
水晶円板４がＯリング５を介して押さえリング６により
取り付けられており、圧力取出口３ａ、３ｂを閉塞して
いる。圧力取出口３ａ、３ｂの外側は蓋部７により覆わ
れており、水晶円板４と蓋部７の間は大気圧とされてい
るが、一定の圧力をかけて密閉してもよい。

【０００９】或いは、２つの圧力取出口３ａ、３ｂの水
晶円板４と蓋部７の間同士を配管により連結することに
より、各水晶円板４の基準圧力を等圧とすることによっ
て、２つの圧力センサが圧力を同じ特性で正確に求める
ようにすることもできる。

【００１０】水晶円板４の表面つまり流体Ｆと反対側の
大気側の面には、図２に示すように弾性表面波を発生さ
せ、これを検出するためのくし形電極８、９が相互に対
向して印刷配線等により形成されている。これらのくし
形電極８、９は水晶円板４の中央部だけに円環状に設け
られ、中央部だけが振動する所謂エネルギ閉じ込め振動
モードとして作用する。そして、くし形電極８、９はリ
ード線１０、１１を介してそれぞれ発振回路、検出回路
に接続されている。

【００１１】水晶円板４の発振周波数ｆは、くし形電極
８、９間の距離をｄ、弾性表面波の伝播速度をｖとする
と、ｆ＝（ｖ／ｄ）（ｎ−φ_E／２π）として得られる。ここで、ｎは電極形状と距離ｄで決ま
る整数、φ_Eは増幅器の移相量である。

【００１２】水晶円板４に片面から圧力が均一に加えら
れ水晶円板４が撓むと、水晶円板４のヤング率、距離ｄ
等が変化し、くし形電極８から電極９に水晶円板４上を
伝播する表面弾性波の伝播速度ｖが変化することから、
周波数ｆに変化が生ずることを利用して、周波数ｆの測
定により圧力センサとして使用することができる。

【００１３】図３は発振回路の１つであるコルピッツ型
発振回路の回路図を示している。圧水晶円板４は圧電振
動子として作用し、電極８、９はリード線１０、１１を
介して端子１２、１３にそれぞれ接続されている。そし
て、水晶円板４が大気圧との差圧である流体Ｆの圧力に
よって変形すると、ヤング率が変化しその状態における
共振周波数と一致する周波数ｆで発振する。この発振周
波数ｆは周波数検出回路１４により検出され、その後に
マイクロコンピュータにこのデータが入力され、２つの
水晶円板４に加わる圧力がそれぞれ得られ、２つの圧力
センサからオリフィス２を挟む流体Ｆの差圧が求めら
れ、ベルヌーイの定理に従ってこの差圧を基に流体Ｆの
流量を算出する。

【００１４】この場合に、水晶円板４の流体Ｆと接する
裏面には電極は存在しないので、電極８、９が流体Ｆを
汚染したり、逆に流体Ｆにより電極８、９が損傷する虞
れもない。また、圧電板として水晶円板４を使用するこ
とにより、金属以上の耐薬品性が得られ、適用できる流
体Ｆの種類が多くなる。

【００１５】なお、水晶から成る圧電板はもともと温度
係数が小さいが、更に結晶体としての切断方位を選択す
ることにより、温度の影響を殆ど無視することができ
る。例えば、図４は回転Ｙカット方位に対する温度係数
であり、縦軸の温度係数が零となる切断方位が存在する
ことを示している。

【００１６】図５は他の実施の形態を示し、図１の場合
とほぼ同様な構造であり、図１と同一の符号は同一の部
材を示している。ここでは圧電材料として、水晶の代り
にリチウムナイオベイトから成る圧電板２１が使用され
ており、このリチウムナイオベイトは水晶に比較して感
度は高くなるが温度係数は大きい。従って、温度補正が
必要となり、圧電板２１に温度センサ２２が付設されて
いる。圧電板２１は正方形の薄板であり、周囲が円形で
中央部に正方形の開口部を有する取付板２３に、圧電板
２１が液密又は気密に固定されている。

【００１７】本実施の形態のように、圧電板の共振周波
数に無視できない温度特性がある場合には、圧電板２１
に設けた温度センサ２２により、圧電板２１の温度を検
出して共振周波数の温度変化を補正し、計測精度を向上
させることができる。

【００１８】また、図６は他の例の回路例による圧電板
２１における電極パターンを示し、圧電板２１の流体Ｆ
と接する裏面には電極はなく、その反対側の大気側の表
面にだけ電極が設けられている。電極は第１の実施の形
態と同様にくし形電極であり、アース用電極２４、電圧
印加部用電極２５、帰還信号部用電極２６の３つのグル
ープに分けられている。そして、これらの電極パターン
２４、２５、２６により所謂表面弾性波共振器が構成さ
れている。

【００１９】図７は発振回路の他の例のブロック回路構
成図である。図６に示す圧電板２１上の電圧印加用電極
２５とアース用電極２４の間に印加する駆動電圧を生成
する駆動回路２７が設けられ、帰還信号部用電極２６と
アース用電極２４の間に発生する表面弾性波による出力
電圧を増幅し検出する増幅回路２８、周波数検出回路２
９が設けられている。

【００２０】共振周波数以外の周波数により電圧印加用
電極２５とアース用電極２４の間に加えられた電気的エ
ネルギは、機械的エネルギ即ち弾性波に殆ど変換され
ず、またこの周波数で発生した弾性波も帰還信号部用電
極２６とアース用電極２４に発生する電気的エネルギに
変換されることはない。従って、発振周波数は電気、機
械、電気とエネルギが効率良く変換されて圧電板２１の
共振周波数となる。

【００２１】図８は第３の実施の形態の構成図を示して
いる。第１、第２の実施の形態においては、２つの圧力
センサを用いてオリフィス２を挟む管体１内の圧力を別
個に測定していたが、流体Ｆにより電極が汚損する虞れ
がなければ、センサボックス３１内の水晶円板４の両側
に、配管３２ａ、３２ｂにより流体圧を導圧して、差圧
により水晶円板４が低圧側つまり配管３２ｂ側にに撓む
ことを利用して、共振周波数を基に差圧を直接検出する
ことができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る差圧式
流量計は、圧電材料上を伝達する表面弾性波の周波数を
検出することにより圧力を測定する圧力センサを使用し
ているので、金属製ダイヤフラムが不要で安価である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の構成図である。

【図２】水晶円板の平面図である。

【図３】発振回路のブロック回路構成図である。

【図４】水晶の回転Ｙカット方位に対する温度係数のグ
ラフ図である。

【図５】第２の実施の形態の構成図である。

【図６】リチウムナイオベイトによる圧電板の平面図で
ある。

【図７】発振回路のブロック回路構成図である。

【図８】第３の実施の形態の構成図である。

【符号の説明】１管体２オリフィス３圧力取出口４水晶円板８、９くし型電極１４，２９周波数検出回路２１圧電板２２温度センサ２４、２５、２６電極２７駆動回路３１センサボックス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体管路内の絞り機構を挟んだ位置にそ
れぞれ導圧部を取り付け、これらの導圧部にそれぞれ圧
力センサを取り付けた差圧式流量計であって、前記各圧
力センサは圧電板の基準圧力側に複数の電極を形成し、
前記一方の電極で発生し前記圧電板上を伝播する弾性表
面波を前記他方の電極で検出することにより前記圧電板
に加わる圧力を検出し、前記２つの圧力センサの出力を
演算して前記導圧部間の差圧を求め、前記管路を流れる
流体の流量を測定することを特徴とする差圧式流量計。
【請求項２】前記圧電板により前記導圧部を密閉した
請求項１に記載の差圧式流量計。
【請求項３】前記２つの圧力センサの基準圧力側同士
を配管により連結した請求項１に記載の差圧式流量計。
【請求項４】管路内の絞り機構を挟んだ位置にそれぞ
れ導圧部を取り付け、これらの導圧部を圧電板の両面側
に取り付けた差圧式流量計であって、前記圧電板の少な
くとも何れかの面に複数の電極を貼り付け、前記一方の
電極で発生し前記圧電板上を伝播する弾性表面波を前記
他方の電極で検出することにより、前記圧電板の両面に
加わる圧力の差圧を検出し前記管路を流れる流体の流量
を測定することを特徴とする差圧式流量計。
【請求項５】前記他方の電極の出力は前記圧電板の共
振周波数とした請求項１又は４に記載の差圧式流量計。
【請求項６】前記圧電板は水晶とした請求項１又は４
に記載の差圧式流量計。