JP2002162266A - 渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リニアリティ特性が向上され、測定精度が向
上された渦流量計を提供する。 【解決手段】 カルマン渦により管路を流れる測定流体
の流量を測定する渦流量計において、前記管路に直交し
て設けられた渦発生体と、この渦発生体の前記管路との
接合部に設けられ口径に応じて所定曲面を有する曲面部
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、リニアリティ特性
が向上され、測定精度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３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３−０２０６１
８号（特願平１−０３３２５６号）に示されている。図
４は図３の電気回路図、図５，図６は図３の動作説明
図、図７は図３の渦発生体１２の要部拡大図、図８は図
７のＡ−Ａ断面図、図９は図３の動作説明図である。

【０００３】図において、管路１０は測定流体ＦＬが流
れる管路である。ノズル１１は管路１０に直角に設けら
れ円筒状をなす。渦発生体１２は、ノズル１１とは隙間
を保って、管路１０に直角に挿入され、台形断面を有
し、柱状をなす台形部１２１を有す。台形部１２１の両
端には、それぞれ円柱状の台座部１２２が設けられてい
る。

【０００４】渦発生体１２の一端は、ネジ１３により管
路１０に支待され、他端はフランジ部１４でノズルｌｌ
にネジ或いは溶接により固定されている。凹部１５は、
渦発生体１２のフランジ部１４側に設けられている。

【０００５】この凹部１５の中には、その底部から順
に、全属製の第１コモン電極１６、圧電素子１７、電極
板１８、絶縁板１９、電極板２０、圧電素子２１が、サ
ンドイッチ状に配列され、全属製の押圧棒２２により、
これ等は押圧固定されている。さらに、電極板１８から
は、リード線２３、電極板２０からはリード線２４が、
それぞれ端子Ａ、Ｂに引さ出されている。

【０００６】圧電素子１７、２１は、各圧電素子１７、
２１の紙面に向かって左側と右側とがそれぞれ逆方向に
分極されており、同じ方向の応力に対して互いに上下の
電極に逆極性の電荷を発生する。

【０００７】圧電素子１７に発生した電荷は、電極板１
８と接続された端子Ａと、第１コモン電極１６を介して
接続された管路１０との間に得られ、圧電素子２１に発
生した電荷は、電極板２０と接続された端子Ｂと、押圧
棒２０と接続された管路１０との間に得られる。

【０００８】この２個の電極板１８、２０に発生した電
荷は、図４に示すように電荷増幅器２５、２６に入力さ
れる。電荷増幅器２５の出力と、電荷増幅器２６の出力
をポリウム２７を介した出力とを、加算器２８で加算し
て流量信号を得る。

【０００９】この流量信号は、例えば、電流出力に変換
されて、２線を介して負荷に伝送される（図示せす）。
次に、以上のように構成された渦流量計の動作につい
て、図５と図６とを用いて説明する。

【００１０】測定流体ＦＬが管路１０の中に流れると、
渦発生体１２に矢印Ｆで示した方向にカルマン渦による
振動が発生する。この振動により禍発生体１２には、図
５（ａ）に示すような応力分布と、この逆の応力分布の
繰返しが生じる。

【００１１】各圧電素子１７、２１には、図５（ａ）に
示す渦周渡数を持つ信号応力に対応した電荷十Ｑ、一Ｑ
の繰返しが生じる。なお、図５においては、説明の便宣
のため、電極板１８或いは２１を紙面に対して左右に２
つに分割し、かつ、上下の一方の電極は、第１コモン電
極１６あるいは押圧棒２２に相当するものとしてある。

【００１２】一方、管路１０には、ノイズとなる管路振
動も生じる。この管路振動は、流体の流れと同じ方向の
抗力方向、流体の流れとは直角方向の揚力方向、禍発生
体の長手方向の３方向成分に分けられる。

【００１３】このうち、抗力方向の振動に対する応力分
布は、図５（ｂ）に示すようになり、ｌ個の電極内で正
負の電荷は打ち消されて、ノイズ電荷は発生しない。ま
た、長手方向の振動に対しては、図５（ｃ）に示すよう
に、電極内で打ち消されて、抗力方向と同様にノイズ電
荷は発生しない。

【００１４】しかし、揚力方向の振動は、信号応力と同
一の応力分布となり、ノイズ電荷が生じる。そこで、こ
のノイズ電荷を消去するために、以下の演算を実行す
る。

【００１５】圧電素子１７、２１の各電荷をＱ₁、Ｑ₂、
信号成分をＳ₁、Ｓ₂、揚力方向のノィズ成分をＮ₁、Ｎ₂
とし、圧電素子１７、２１で分極を逆とすると、Ｑ₁、
Ｑ₂は次式で示される。

【００１６】Ｑ₁＝Ｓ₁＋Ｎ₁ −Ｑ₂＝−Ｓ₂−Ｎ₂ ただし、Ｓ₁とＳ₂、Ｎ₁とＮ₂のベクトル方向は同じであ
る。

【００１７】ここで、圧電素子１７，２１の信号成分と
ノイズ成分の開係は、図６（この図は揚力方向のノイズ
と、信号に対する渦発生体の曲げモーメントの開係を示
す）に示すようになっている。

【００１８】従って、図４に示すように、圧電素子１７
側の電荷増幅器２５の出力を、加算器２８で加算する際
に、ポリウム２７と共に、Ｎ₁／Ｎ₂倍して、圧電素子２
１側の電荷増幅器２６の出力と加算すると、

【００１９】Ｑ₁−Ｑ₂（Ｎ₁／Ｎ₂）＝Ｓ₁−Ｓ₂（Ｎ₁／
Ｎ₂） となり管路ノイズは除去される。

【００２０】そして、第１コモン電極１６、圧電素子１
７、電極板１８、絶縁板１９、電極板２０、圧電素子２
１は、凹部１５に押圧棒２２で押圧固定されている。

【００２１】ここで、渦発生体１２と第１コモン電極１
６、圧電素子１７、電極板１８、絶縁板１９、電極板２
０、圧電素子２１、押圧棒２２との温度膨脹を等しくし
ておけば、測定流体温度が変化しても、初期の押付け力
は変化しないので、問題は生じ無い。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】図７は、図３の渦発生
体１２の要部拡大図、図８は図７のＡ−Ａ断面図であ
る。図７に示された曲面部１２３（渦発生体１２の台形
部１２１と円柱状の台座部１２２との付け根部分の曲面
部１２３）は、流量計の管路径によって異なるが、Ｒ
０．２〜Ｒ０．５mm程度である。

【００２３】図９は、渦発生体１２下部と管路１０の内
壁部の模式図であり、測定流体ＦＬが流れると、渦発生
体１２と管路１０内壁部の近辺に、矢印Ａで示されたよ
うな馬蹄形渦が発生する様子を示している。なお、Ｂは
後流渦である。

【００２４】このような装置においては、前述の、曲面
部１１３の曲率半径寸法Ｒの値は、リニア特性に与える
影響が大きいことがわかった。最適でない曲面部１１３
の曲率半径寸法Ｒで製造された渦発生体１２を用いる
と、レイノルズ数Ｒｅの変化に伴い、ストロハルス数Ｓ
ｔが大きく変化してしまい、リニアリティ精度が悪化す
る。

【００２５】曲面部１１３の曲率半径寸法Ｒが小さくシ
ャープだと、安定した馬蹄形渦Ａの発生が阻害され、流
れが乱れてしまう。

【００２６】本発明の目的は、上記の課題を解決するも
ので、本発明は、渦発生体１２の台座部１２２の曲面部
１１３の曲率半径寸法Ｒを、口径毎に定められた最適な
値にすることで、馬蹄形渦Ａの生成を安定化させる。

【００２７】そして、測定流体ＦＬの流れを乱れさせな
いことで、レイノルズ数Ｒｅが変化しても、ストロハル
ス数Ｓｔの変化が小さい渦流量計を実現し、リニアリテ
ィ特性が向上され、測定精度が向上された渦流量計を提
供することにある。

【００２８】

【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、カルマン渦により管路を流れる測定流体の流量を測
定する渦流量計において、前記管路に直交して設けられ
た渦発生体と、この渦発生体の前記管路との接合部に設
けられ口径に応じて所定曲面を有する曲面部とを具備し
た事を特徴とする。

【００２９】本発明の請求項２においては、請求項1記
載の渦流量計において、所定曲面として測定流体のレイ
ノルズ数の変化に対してストロハルス数の変化が小さく
なるような曲面であることを特徴とする。

【００３０】本発明の請求項３においては、請求項1又
は請求項２記載の渦流量計において、（前記曲面部の曲
率半径寸法／前記台形部の底辺長さ）の比が所定範囲で
あることを特徴とする。

【００３１】本発明の請求項４においては、請求項３記
載の渦流量計において、前記所定範囲がほぼ０．０２〜
０．２程度であることを特徴とする。

【００３２】

【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の動作説明図である。

【００３３】図において、渦発生体３１の曲面部３１１
がレイノルズ数Ｒｅの変化に対してストロハルス数Ｓｔ
の変化が少なくなるように（曲面部の曲率半径寸法Ｒ／
台形部の底辺長さｄ）の比がほぼ０．０２〜０．２程度
に構成されている。

【００３４】以上の構成において、図２は、曲面部３１
１の曲率半径寸法Ｒのみを変化させたときの、レイノル
ズ数Ｒｅ−ストロハルス数Ｓｔ 曲線を実流実験で求め
た結果である。図２において、曲面部３１１の曲率半径
寸法Ｒの値が小さいときには、レイノルズ数Ｒｅ−スト
ロハルス数Ｓｔ曲線は左上がり傾向が大きい。

【００３５】しかし、曲面部３１１の曲率半径寸法Ｒを
大きくするに従い、高レイノルズ数Ｒｅ側のストロハル
ス数Ｓｔが大きくなっていく。適切な曲面部３１１の曲
率半径寸法Ｒの値のときに、ストロハルス数Ｓｔ変化が
最も小さくなる。

【００３６】さらに、曲面部３１１の曲率半径寸法Ｒを
大きくすると、今度は右上がりの曲線になって、ストロ
ハルス数Ｓｔ変化が大きくなってしまう。このような傾
向は、渦流量計の口径サイズによらず同様に表れる。

【００３７】但し、最適な曲面部３１１の曲率半径寸法
Ｒの値は、渦発生体３１の形状、この最適値は、渦発生
体３１の断面形状や、その断面の台形の角のＲ、渦発生
体とボディの隙間の値等、さまざまなパラメータによっ
て変わってくる。

【００３８】渦流量計は、Ｖ＝ｄ×ｆ／Ｓｔ （Ｖ:流
速 ｆ:渦周波数） から流速を求めているので、スト
ロハルス数Ｓｔが変化すると、誤差が生じてしまう。

【００３９】図２において、台形部の底辺長さｄ＝１
１．１では、Ｒ／ｄ＝０．０９の時が、ストロハルス数
Ｓｔ変化が最も少なく、その曲面部３１１の曲率半径寸
法Ｒの値のときが流速測定において、最も高精度である
と言える。

【００４０】以上の如き実流実験を繰り返した結果、下
記に示したような形状、寸法の渦発生体３１を使用した
渦流量計において、リニアリティが最も良くなるよう
な、渦発生体３１の曲面部３１１の曲率半径寸法Ｒの値
が採用出来る。

【００４１】ｈ／ｄ≒０．９５、 ｄ／Ｄ＝０．２８、
後端エッジＲ／ｄ≒０．０７ の場合、この曲面部３
１１の曲率半径寸法Ｒの最適値は、Ｒ／ｄが０．０２〜
０．２ の範囲（Ｒ／ｄ²が、０．０５ 前後）である
ことが実験的に確認出来た。ここで、Ｄは管路１０の内
径の直径である。後端エッジＲ４１は図１に示す。

【００４２】なお、この最適値は、渦発生体の断面形状
や、その断面の台形の角のＲ、渦発生体とボディの隙間
の値等、さまざまなパラメータによって変わって来る。

【００４３】

【００４４】要するに、曲面部３１１の曲率半径寸法Ｒ
の値を大きくすると、低レイノルズ数Ｒｅでのストロハ
ルス数Ｓｔはあまり変化がないが、高低レイノルズ数Ｒ
ｅでストロハルス数Ｓｔが大きくなっていく傾向があ
る。

【００４５】従って、低レイノルズ数Ｒｅ変化でストロ
ハルス数Ｓｔが変わってしまうときには、この特性を利
用して、できるだけストロハルス数Ｓｔが変化しないよ
うな曲面部３１１の曲率半径寸法Ｒ値を採用するように
した。

【００４６】この結果、渦発生体１２の台座部１２２の
曲面部３１１の曲率半径寸法Ｒを、口径毎に定められた
最適な値にすることで、馬蹄形渦Ａの生成を安定化させ
る。

【００４７】そして、測定流体ＦＬの流れを乱れさせな
いことで、レイノルズ数Ｒｅが変化しても、ストロハル
ス数Ｓｔの変化が小さい渦流量計を実現出来るので、リ
ニアリティ特性が向上され、測定精度が向上された渦流
量計が得られる。

【００４８】なを、前述の実施例においては、渦発生体
３１は、断面台形断面であるものについて説明したが、
これに限る事は無く、たとえば、断面三角でも良く、要
するに、馬蹄形渦Ａの生成を安定化させる曲率半径寸法
Ｒを有する曲面部３１１を有するものであれば良い。

【００４９】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。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
から請求項４によれば、次のような効果がある。渦発生
体の台座部の曲面部の曲率半径寸法を、口径毎に定めら
れた最適な値にすることで、馬蹄形渦の生成を安定化さ
せる。

【００５１】そして、測定流体の流れを乱れさせないこ
とで、レイノルズ数が変化しても、ストロハルス数の変
化が小さい渦流量計を実現出来るので、リニアリティ特
性が向上され、測定精度が向上された渦流量計が得られ
る。

【００５２】従って、本発明によれば、リニアリティ特
性が向上され、測定精度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の動作説明図である。

【図３】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４】図３の電気回路図である。

【図５】図３の動作説明図である。

【図６】図３の動作説明図である。

【図７】図３の渦発生体１２の要部拡大図である。

【図８】図７のＡ−Ａ断面図である。

【図９】図３の動作説明図である。

【符号の説明】

１０ 管路 １１ ノズル １２ 渦発生体 １２１ 台形部 １２２ 台座部 １２３ 曲面部 １３ ネジ １４ フランジ部 １５ 凹部 １６ 第１コモン電極 １７ 圧電素子 １８ 電極板 １９ 絶縁板 ２０ 電極板 ２１ 圧電素子 ２２ 押圧棒 ２３ リード線 ２４ リード線 ２５ 電荷増幅器 ２６ 電荷増幅器 ２７ ポリウム ２８ 加算器 ３１ 渦発生体 ３１１ 曲面部 ４１ 後端エッジＲ Ａ 馬蹄形渦 Ｂ 後流渦 Ｒ 曲率半径寸法 ＦＬ 測定流体 ｄ 台形部の底辺長さ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カルマン渦により管路を流れる測定流体の
   流量を測定する渦流量計において、 前記管路に直交して設けられた渦発生体と、 この渦発生体の前記管路との接合部に設けられ口径に応
   じて所定曲面を有する曲面部とを具備した事を特徴とす
   る渦流量計。
2. 【請求項２】所定曲面として測定流体のレイノルズ数の
   変化に対してストロハルス数の変化が小さくなるような
   曲面であることを特徴とする請求項1記載の渦流量計。
3. 【請求項３】（前記曲面部の曲率半径寸法／前記台形部
   の底辺長さ）の比が所定範囲である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】前記所定範囲がほぼ０．０２〜０．２程度
   であることを特徴とする請求項３記載の渦流量計。