JP2002214006A

JP2002214006A - 渦流量計

Info

Publication number: JP2002214006A
Application number: JP2001011323A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Kishi; 敏彦岸; Akio Yasumatsu; 彰夫安松; Akira Iwamasa; 明岩政
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2002-07-31
Anticipated expiration: 2021-01-19
Also published as: JP4670152B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐振特性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の変動を検出
して流速流量を測定する渦流量計において、渦検出部に
設けられ前記振動加速度のみに感応して信号を出力する
振動センサユニット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、耐振特性が向上さ
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
す。

【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
をボリウム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を紙面に対して左石に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、（１）流体の流れと同じ
方向の抗力方向、（２）流体の流れとは直角方向の揚力
方向、（３）渦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Ｑ_１、
Ｑ_２、信号成分をＳ_１、Ｓ_２、揚力方向のノィズ成分を
Ｎ_１、Ｎ_２とし、圧電素子１７、２１で分極を逆とする
と、Ｑ_１、Ｑ_２は次式で示される。

【００１６】Ｑ_１＝Ｓ_１＋Ｎ_１ −Ｑ_２＝−Ｓ_２−Ｎ_２ただし、Ｓ_１とＳ_２、Ｎ_１とＮ_２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
ノイズ成分の関係は、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関係を示
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、ボリウム２７と共に、Ｎ_１／Ｎ_２倍して、圧電素子
２１側の電荷増幅器２６の出力と加算すると、

【００１９】Ｑ_１−Ｑ_２（Ｎ_１／Ｎ_２）＝Ｓ_１−Ｓ_２（Ｎ_１／Ｎ_２）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従来例の渦流量計
は、隙間に異物が詰まった場合、詰まりにより、支点Ａ
が付加され、図１１に点線で示す如く、センサに働くモ
ーメントパターンが変化して、信号の上下圧電素子１
７，２１の出力比が小さくなってしまうという不具合が
あった。

【００２３】信号Sの上下圧電素子１７，２１の出力比
（Ｓ1／Ｓ2）が小さくなると、Ｓ1／Ｓ2＞１の領域にお
いては、加算出力Ｓ1−Ｓ2（Ｎ1／Ｎ2）は減衰すること
になる。信号振幅が非常に小さくなった場合には、ミス
トリガを起こし、出力に誤差が発生する。

【００２４】また、N1／Ｎ2によるノイズバランスだけ
では除去できなかったノイズ成分を含む加算出力を、フ
ィルタ処理によりノイズを除去する場合、信号Sが存在
する周波数領域にのみバンドパスフィルタを設定するこ
とが望ましい。信号SとノイズNの帯域を区別する方法と
しては、変換器で受けた上下圧電素子１７，２１の出力
を周波数領域に分解し、その上下比で区別する方法があ
る。

【００２５】しかしながら、隙間に異物が詰まった場合
は、信号ＳとノイズＮの上下出力比が近づくため、信号
ＳとノイズＮの判別が難しくなり、信号Ｓの帯域にバン
ドパスフィルタを設定することが出来なくなる。すなわ
ち、上下圧電素子１７，２１の出力のノイズバランスだ
けでは除去できなかったノイズ成分が残ってしまい、出
力に誤差が発生してしまうことになる。

【００２６】要するに、正常時：（ＳＡ／ＳＢ）＞（ＮＡ／ＮＢ）つまり発生時：（ＳＡ／ＳＢ）が（ＮＡ／ＮＢ）に近づ
く図１２に正常な場合、図１３に詰まりが発生した場合を
示す。

【００２７】また、自己診断用として、詰まったことを
アラーム表示させるためには、図１４に示す如く、正常
時の（ＳＡ／ＳＢ）が（ＮＡ／ＮＢ）に対して十分にマ
ージンをもって大きい必要がある。

【００２８】しかしながら、小さい口径に関しては、現
実には、１．３倍程度の差しかなく、詰まり判断を行う
にはマージンが小さすぎる。なお、図４中のＬは、詰ま
り判別レベルを示す。

【００２９】本発明の目的は、上記の課題を解決するも
ので、本発明は、耐振特性が向上された渦流量計を提供
することにある。

【００３０】

【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においては、カルマン
渦による交番圧力の変動を検出して流速流量を測定する
渦流量計において、渦検出部に設けられ前記振動加速度
のみに感応して信号を出力する振動センサユニットを具
備した事を特徴とする渦流量計を具備した事を特徴とす
る。

【００３１】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、前記振動センサユニットが前記
渦検出部に設けられた凹部内に配置されたことを特徴と
する。

【００３２】本発明の請求項３においては、請求項１記
載の渦流量計において、前記振動センサユニットが前記
渦検出部の外部に設けられたことを特徴とする。

【００３３】本発明の請求項４においては、請求項1乃
至請求項3の何れかに記載の渦流量計において、前記振
動センサユニットが加速度ピックアップとしても校正さ
れ渦流量計が取り付けられた配管における振動をも検出
するようにされたことを特徴とする。

【００３４】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、前記振
動センサユニットとして、ベース電極とこのベース電極
の一面に一面が接する圧電素子とこの圧電素子の他面に
一面が接する電極とこの電極の他面に一面が接する絶縁
板とを有する柱状の本体ユニットと、この本体ユニット
の周面を隙間を保って覆い前記絶縁板を押圧する筒状の
本体カバーと、この本体カバーの周面と頂部とを隙間を
保って覆う押さえスリーブとを具備した事を特徴とす
る。

【００３５】

【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の要部詳細説明図、図３は図２の組立図、図
４，図５は図１の動作説明図である。

【００３６】図において、振動センサユニット３１は、
渦検出部に設けられ、振動加速度のみに感応して信号を
出力する。この場合は、振動センサユニット３１は、図
７従来例の渦流量計において、第１コモン電極１６、圧
電素子１７や電極板１８が配置されていた凹部１５内の
部分に配置されている。

【００３７】振動センサユニット３１の構造を図２、図
３に示す。振動センサユニット３１は、ベース電極３２
１と、このベース電極３２１の一面に一面が接する圧電
素子３２２と、この圧電素子３２２の他面に一面が接す
る電極３２３と、この電極３２３の他面に一面が接する
絶縁板３２４とを有する柱状の本体ユニット３２を有す
る。

【００３８】また、この本体ユニット３２の周面を隙間
を保って覆い、絶縁板３２４を押圧する筒状の本体カバ
ー３３と、この本体カバー３３の周面と頂部とを隙間を
保って覆う押さえスリーブ３４とを有する。

【００３９】以上の構成において、図４に示す如く、こ
の振動センサユニット部３１は片持ち梁の構造として扱
うことが出来、振動Ｆに対しては、振動センサユニット
部３１の自重に対しモーメントＭが働き、圧電素子３２
２に応力が生じるが、渦の信号に対しては、ほとんど応
力が発生しないことになる。

【００４０】従って、渦信号に振動ノイズが重畳してい
る状態で、二つの素子の周波数解析を行うと図５のよう
になる。信号Ｓのキャンセルは従来の方法と同じで、圧
電素子２１からの発生電荷をＱＡ、振動センサユニット
部３１からの発生電荷をＱＢとすると、

【００４１】（加算後の出力）＝ＱＡ−（ＮＡ／ＮＢ）ＱＢとなる。（ＮＡ／ＮＢ）の値については、変換器側で常
にモニタし、その値を微調する。

【００４２】また、隙間に異物がつまった場合でも（Ｓ
Ａ／ＳＢ）≫（ＮＡ／ＮＢ）であるため、判別レベルを
明確に設定することができる。さらに、少々の詰まりな
らば、圧電素子２１は固定端に近いため信号レベルの減
衰は小さく、詰まりの影響を受け難い。

【００４３】さらに、振動センサユニット３１を校正し
て値づけすることで、配管に取り付けられた実稼働状態
で振動加速度の測定も可能になる。測定した値はパラメ
ータとしてモニタしたり、出力したりすることも可能と
なる。

【００４４】なお、配管振動の加速度リミットを設定し
ておけば、アラーム出力を出すことも可能となり、プラ
ントや工場の設備保全にも役立つ。

【００４５】この結果、（１）隙間につまりが生じても、その影響を受け難く、
耐振特性が向上された渦流量計が得られる。

【００４６】（２）詰まりの影響を受けたとしても、確
実に自己診断機能によりアラームを出力することが出来
る渦流量計が得られる。（３）実稼働状態で、振動加速度を測定出来る渦流量計
が得られる。

【００４７】（４）振動センサユニット３１が、渦検出
部に設けられた凹部１５内に配置されたので、堅牢でコ
ンパクトな渦流量計が得られる。

【００４８】（５）振動センサユニット３１が、加速度
ピックアップとしても校正され、渦流量計が取り付けら
れた配管における振動をも検出するようにされたので、
渦流量計が取り付けられた配管自体の振動をも、検出す
ることが出来る渦流量計が得られる。

【００４９】（６）振動センサユニットの検出素子とし
て、流量検出素子と同じ圧電素子が使用されたので、製
造コストが低減出来、安価な渦流量計が得られる。

【００５０】図６は本発明の他の実施例の要部構成説明
図である。本実施例においては、振動センサユニット３
１が渦検出部の外部に設けられたものである。

【００５１】この結果、振動センサユニット３１を、後
に付加することが容易に出来、性能向上が容易な渦流量
計が得られる。

【００５２】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。

【００５３】

【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。渦検出部に設けら
れ、振動加速度のみに感応して信号を出力する振動セン
サユニットが設けられたので、以下の効果が有る。

【００５４】（１）隙間につまりが生じても、その影響
を受け難く、耐振特性が向上された渦流量計が得られ
る。

【００５５】（２）詰まりの影響を受けたとしても、確
実に自己診断機能によりアラームを出力することが出来
る渦流量計が得られる。（３）実稼働状態で、振動加速度を測定出来る渦流量計
が得られる。

【００５６】本発明の請求項２によれば、次のような効
果がある。振動センサユニットが、渦検出部に設けられ
た凹部内に配置されたので、堅牢でコンパクトな渦流量
計が得られる。

【００５７】本発明の請求項３によれば、次のような効
果がある。振動センサユニットが、渦検出部の外部に設
けられたので、振動センサユニットを、後に付加するこ
とが容易に出来、性能向上が容易な渦流量計が得られ
る。

【００５８】本発明の請求項４によれば、次のような効
果がある。振動センサユニットが、加速度ピックアップ
としても校正され、渦流量計が取り付けられた配管にお
ける振動をも検出するようにされたので、渦流量計が取
り付けられた配管自体の振動をも、検出することが出来
る渦流量計が得られる。

【００５９】本発明の請求項５によれば、次のような効
果がある。振動センサユニットの検出素子として、流量
検出素子と同じ圧電素子が使用されたので、製造コスト
が低減出来、安価な渦流量計が得られる。

【００６０】従って、本発明によれば、耐振特性が向上
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の要部詳細説明図である。

【図３】図２の組立図である。

【図４】図１の動作説明図である。

【図５】図１の動作説明図である。

【図６】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。

【図７】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８】図７の電気回路図である。

【図９】図７の動作説明図である。

【図１０】図７の動作説明図である。

【図１１】図７の動作説明図である。

【図１２】図７の動作説明図である。

【図１３】図７の動作説明図である。

【図１４】図７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ボリウム２８加算器３１振動センサユニット３２本体ユニット３２１ベース電極３２２圧電素子３２３電極３２４絶縁板３３本体カバー３４押さえスリーブＡ支点Ｆ振動ＭモーメントＦＬ測定流体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カルマン渦による交番圧力の変動を検出し
て流速流量を測定する渦流量計において、渦検出部に設けられ振動加速度のみに感応して信号を出
力する振動センサユニットを具備した事を特徴とする渦
流量計。
【請求項２】前記振動センサユニットが前記渦検出部に
設けられた凹部内に配置されたことを特徴とする請求項
1記載の渦流量計。
【請求項３】前記振動センサユニットが前記渦検出部の
外部に設けられたことを特徴とする請求項１記載の渦流
量計。
【請求項４】前記振動センサユニットが加速度ピックア
ップとしても校正され渦流量計が取り付けられた配管に
おける振動をも検出するようにされたことを特徴とする
請求項1乃至請求項3の何れかに記載の渦流量計。
【請求項５】前記振動センサユニットとして、ベース電極とこのベース電極の一面に一面が接する圧電
素子とこの圧電素子の他面に一面が接する電極とこの電
極の他面に一面が接する絶縁板とを有する柱状の本体ユ
ニットと、この本体ユニットの周面を隙間を保って覆い前記絶縁板
を押圧する筒状の本体カバーと、この本体カバーの周面と頂部とを隙間を保って覆う押さ
えスリーブとを具備した事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。