JP2003254799A

JP2003254799A - 渦流量計

Info

Publication number: JP2003254799A
Application number: JP2002056348A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ito; 康伊藤; Shuichi Wakui; 秀一和久井; Tetsuo Ando; 哲男安藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2003-09-10

Abstract

(57)【要約】【課題】測定精度が向上された渦流量計を提供する。【解決手段】測定流体が流れる管路と、この管路に設
けられたノズルと、このノズルを介して前記管路に一方
端より挿入されこの一方端が前記管路に固定されると共
に他端側が前記ノズルに固定される柱状の渦発生体とを
具備しカルマン渦による圧力の変動を検出する渦流量計
において、前記渦発生体の一方端側に配置され前記測定
流体の温度を測定する温度センサ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、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4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
5は図4の電気回路図、図6，図7，図8は図４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
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（図示せず）。
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６と図７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6
（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6（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6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6（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6（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7（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5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4従来例の渦流量計
において、ノズル１１に取付けられた信号変換器部分、
いわゆるトップワークと称されている部分において、周
囲温度の変化を補償する為に、温度センサが設けられた
例はある。しかし、測定流体ＦＬ自体までを測定するこ
とは、必要とされ無かった。

【００２３】一方、近年、渦流量計の測定精度の更なる
高精度化が望まれている。特に、ガス，乾き飽和蒸気，
過熱蒸気など比熱の小さな測定流体ＦＬでは，渦発生体
から配管やトップワークに逃げる熱が無視できない。つ
まり、測定流体ＦＬが元々持っている熱量が少ないた
め，外部に熱が逃げてしまうと、正確な温度測定が出来
ない。

【００２４】本発明の目的は、上記の課題を解決するも
ので、本発明は、測定精度が向上された渦流量計を提供
することにある。

【００２５】

【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、測定流体
が流れる管路と、この管路に設けられたノズルと、この
ノズルを介して前記管路に一方端より挿入されこの一方
端が前記管路に固定されると共に他端側が前記ノズルに
固定される柱状の渦発生体とを具備しカルマン渦による
圧力の変動を検出する渦流量計において、前記渦発生体
の一方端側に配置され前記測定流体の温度を測定する温
度センサを具備した事を特徴とする。

【００２６】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、前記温度センサとして、白金薄
膜素子が使用されたことを特徴とする。

【００２７】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、前記温度センサの
周囲に高耐熱高熱伝導特性を有する充填材が充填された
ことを特徴とする。

【００２８】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、前記充填材としてマグネシア粉
末が使用されたことを特徴とする。

【００２９】本発明の請求項５においては、請求項３記
載の渦流量計において、前記充填材としてアルミナ粉末
が使用されたことを特徴とする。を特徴とする。

【００３０】本発明の請求項６においては、請求項1乃
至請求項５の何れかに記載の渦流量計において、前記充
填材を封止する封止材が使用されたことを特徴とする。

【００３１】本発明の請求項７においては、請求項６記
載の渦流量計において、前記封止材としてシリコーンが
使用されたことを特徴とする。

【００３２】本発明の請求項８においては、請求項６記
載の渦流量計において、前記封止材としてエポキシが使
用されたことを特徴とする。

【００３３】本発明の請求項９においては、請求項６記
載の渦流量計において、前記封止材として無機接着剤が
使用されたことを特徴とする。

【００３４】本発明の請求項１０においては、請求項1
乃至請求項９の何れかに記載の渦流量計において、前記
温度センサの測定信号に基づき前記測定流体の密度を算
出する密度算出手段を具備した事を特徴とする。

【００３５】本発明の請求項１１においては、請求項1
乃至請求項１０の何れかに記載の渦流量計において、前
記密度算出手段での前記測定流体の密度の算出の際に使
用する蒸気テーブルが搭載されたメモリ手段を具備した
事を特徴とする。

【００３６】

【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１の要部詳細説
明図である。

【００３７】図において、３１は、ノズル１１を介し
て、管路１０に一方端３１１より挿入され、一方端３１
１が管路１０に固定されると共に他端側３１２がノズル
１１に固定される柱状の渦発生体である。

【００３８】３２は、渦発生体３１の一方端３１１側に
配置され、測定流体ＦＬの温度を測定する温度センサで
ある。この場合は、白金薄膜素子が使用されている。

【００３９】また、温度センサ３２は、この場合は、渦
発生体３１の中心軸上に、他端３１２より一方端３１１
近くまで開けられた盲穴３２１の底部に配置されてい
る。３３は、温度センサ３２の周囲に充填され高耐熱高
熱伝導特性を有する充填材である。

【００４０】この場合は、マグネシア粉末又はアルミナ
粉末が使用されている。３４は、充填材３３を封止する
封止材である。この場合は、シリコーン又はエポキシ又
は無機接着剤が使用されている。

【００４１】４１は、図2に示す如く、温度センサ３２
の測定信号に基づき、測定流体ＦＬの密度を算出する密
度算出手段である。この場合は、トップワーク部分に設
けられた電子回路基板に組み込まれている。

【００４２】密度算出手段４１により算出された密度値
を利用して、渦流量計の有する本来的な機能である体積
流量測定手段４２に対して、質量流量算出手段４３によ
り、質量流量が算出出来る。

【００４３】この場合は、体積流量測定手段４２，質量
流量算出手段４３は、トップワーク部分に設けられた電
子回路基板に組み込まれている。４４は、図2に示す如
く、密度算出手段４１での測定流体ＦＬの密度を算出の
際に使用する蒸気テーブル４５が搭載されたメモリ手段
である。蒸気テーブル４５は、例えば、図３に示す如
く、飽和蒸気の場合、蒸気温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３……に
対して、蒸気密度ρ１，ρ２，ρ３……がメモリされて
いるものである。

【００４４】以上の構成において、渦発生体３１内部に
搭載された温度センサ３２により測定流体ＦＬの温度を
測定する。測定された測定流体ＦＬの温度から測定流体
ＦＬの密度を算出する。算出された測定流体ＦＬの密度
により、測定された体積流量測定値を補正する。

【００４５】ここで、温度センサ３２は、渦発生体３１
の一方端３１１の側に配置されているので、高温流体の
場合等の、トップワーク等による放熱の影響を避けるこ
とが出来る。

【００４６】また、密度算出手段４１により算出された
密度値を、体積流量測定手段４２により算出された体積
流量に乗じることで、質量流量算出手段４３により質量
流量を算出することが出来る。

【００４７】また、測定流体ＦＬが水蒸気の場合、測定
流体ＦＬの温度から流体密度を算出する際に、流量計内
部のメモリ手段４４に搭載された蒸気テーブル４５を使
用して、蒸気密度を算出することが出来る。

【００４８】ところで、渦発生体３１内に、温度センサ
３２を配置する場合に、温度センサ３２の取付け配置の
困難さから、渦発生体３１のノズル１１側の測定流体Ｆ
Ｌの接液部３１３、あるいは、管路１０内の温度分布を
配慮し，管路１０の中心軸３１４上に配置するのが望ま
しい。

【００４９】しかし、発明者等の一実験例によると、接
液部３１３での配置では、測定誤差−７℃、中心軸３１
４上の配置では、測定誤差−２℃、一方端３１１の側の
配置では、測定誤差−１．２℃の結果が得られた。

【００５０】この結果、（１）渦発生体３１の一方端３１１側に配置され測定流
体ＦＬの温度を測定する温度センサ３２を具備したの
で、測定流体ＦＬの温度を高精度に測定する機能が付加
され、且つ、ノズル１１の反対端に温度センサ３２を設
置する事で、ノズル１１周辺からの放熱による測定流体
温度の測定誤差を軽減する効果も得られ、精度が向上さ
れた渦流量計が得られる。

【００５１】（２）温度センサ３２として、白金薄膜素
子が使用されたので、小型・高精度・低コストな温度測
定機能が実現出来る渦流量計が得られる。

【００５２】（３）温度センサ３２の周囲に高耐熱高熱
伝導特性を有する充填材３３が充填されたので、測定流
体ＦＬから温度センサ３２までの熱抵抗が抑制できるの
で、測定流体温度測定誤差を低減出来る渦流量計が得ら
れる。また、高耐熱性により測定流体ＦＬの温度測定限
界が高く設定出来る渦流量計が得られる。

【００５３】（４）充填材３３としてマグネシア粉末が
使用されれば、測定流体ＦＬから温度センサ３２までの
熱抵抗が抑制できるので、測定流体温度測定誤差を低減
出来る渦流量計が得られる。

【００５４】また、高耐熱性により測定流体ＦＬの温度
測定限界が高く設定できる渦流量計が得られる。また、
温度センサ３２と渦発生体３１の電気的絶縁が実現でき
る渦流量計が得られる。

【００５５】（５）充填材３３としてアルミナ粉末が使
用されれば、測定流体ＦＬから温度センサ３２までの熱
抵抗が抑制できるので、測定流体温度測定誤差を低減で
きる渦流量計が得られる。また、高耐熱性により測定流
体ＦＬの温度測定限界が高く設定できる温度センサ３２
と渦発生体３１の電気的絶縁が実現できる渦流量計が得
られる。

【００５６】（６）充填材３３を封止する封止材３４が
使用されたので、温度センサ３２の周囲に充填材３３が
緊密充填されている状態を継続保持する効果がある渦流
量計が得られる。封止がないと、充填材３３の流動を許
してしまい、温度センサ３２の周囲に、部分的な隙間が
生じる事で熱抵抗が増加し、温度測定誤差の増大につな
がってしまう。

【００５７】（７）封止材３４としてシリコーンが使用
されれば、耐熱性の優れた封止材として、封止機能の安
定化が実現できる渦流量計が得られる。

【００５８】（８）封止材３４としてエポキシが使用さ
れれば、固着強度の優れた封止材として、封止機能の安
定化が実現できる渦流量計が得られる。

【００５９】（９）封止材３４として無機接着剤が使用
されれば、特に、１０００℃程度の高耐熱性の優れた封
止材として、封止機能の安定化が実現できる渦流量計が
得られる。

【００６０】（１０）温度センサ３２の測定信号に基づ
き、測定流体ＦＬの密度を算出する密度算出手段４１が
設けられたので、温度センサ３２により、温度を直接測
定して、測定流体ＦＬの密度を測定する密度測定機能が
実現でき、測定流体の質量流量測定機能が実現できる渦
流量計が得られる。

【００６１】（１１）密度算出手段４１での測定流体Ｆ
Ｌの密度の算出の際に使用する蒸気テーブル４５が搭載
されたメモリ手段４４が設けられたので、水蒸気の密度
測定機能が実現でき、水蒸気の質量流量測定機能が実現
できる渦流量計が得られる。

【００６２】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。

【００６３】

【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。測定流体が流れる管
路と、この管路に設けられたノズルと、このノズルを介
して管路に一方端より挿入されこの一方端が管路に固定
されると共に他端側がノズルに固定される柱状の渦発生
体とを具備しカルマン渦による圧力の変動を検出する渦
流量計において、渦発生体の一方端側に配置され測定流
体の温度を測定する温度センサを具備した。

【００６４】従って、測定流体の温度を高精度に測定す
る機能が付加され、且つ、ノズルの反対端に温度センサ
を設置する事で、ノズル周辺からの放熱による測定流体
温度の測定誤差を軽減する効果も得られ、精度が向上さ
れた渦流量計が得られる。

【００６５】本発明の請求項２によれば、次のような効
果がある。温度センサとして、白金薄膜素子が使用され
たので、小型・高精度・低コストな温度測定機能が実現
出来る渦流量計が得られる。

【００６６】本発明の請求項３によれば、次のような効
果がある。温度センサの周囲に高耐熱高熱伝導特性を有
する充填材が充填されたので、測定流体から温度センサ
までの熱抵抗が抑制できるので、測定流体温度測定誤差
を低減出来る渦流量計が得られる。また、高耐熱性によ
り測定流体の温度測定限界が高く設定出来る渦流量計が
得られる。

【００６７】本発明の請求項４によれば、次のような効
果がある。充填材としてマグネシア粉末が使用されたの
で、測定流体から温度センサまでの熱抵抗が抑制できる
ので、測定流体温度測定誤差を低減出来る渦流量計が得
られる。

【００６８】また、高耐熱性により測定流体の温度測定
限界が高く設定できる渦流量計が得られる。また、温度
センサと渦発生体の電気的絶縁が実現できる渦流量計が
得られる。

【００６９】本発明の請求項５によれば、次のような効
果がある。充填材としてアルミナ粉末が使用されたの
で、測定流体から温度センサまでの熱抵抗が抑制できる
ので、測定流体温度測定誤差を低減できる渦流量計が得
られる。また、高耐熱性により測定流体の温度測定限界
が高く設定できる温度センサと渦発生体の電気的絶縁が
実現できる渦流量計が得られる。

【００７０】本発明の請求項６によれば、次のような効
果がある。充填材を封止する封止材が使用されたので、
温度センサの周囲に充填材が緊密充填されている状態を
継続保持する効果がある渦流量計が得られる。封止がな
いと、充填材の流動を許してしまい、温度センサの周囲
に、部分的な隙間が生じる事で熱抵抗が増加し、温度測
定誤差の増大につながってしまう。

【００７１】本発明の請求項７によれば、次のような効
果がある。封止材としてシリコーンが使用されたので、
耐熱性の優れた封止材として、封止機能の安定化が実現
できる渦流量計が得られる。

【００７２】本発明の請求項８によれば、次のような効
果がある。封止材としてエポキシが使用されたので、固
着強度の優れた封止材として、封止機能の安定化が実現
できる渦流量計が得られる。

【００７３】本発明の請求項９によれば、次のような効
果がある。封止材として無機接着剤が使用されたので、
特に、１０００℃程度の高耐熱性の優れた封止材とし
て、封止機能の安定化が実現できる渦流量計が得られ
る。

【００７４】本発明の請求項１０によれば、次のような
効果がある。温度センサの測定信号に基づき、測定流体
の密度を算出する密度算出手段が設けられたので、温度
センサにより、温度を直接測定して、測定流体の密度を
測定する密度測定機能が実現でき、測定流体の質量流量
測定機能が実現できる渦流量計が得られる。

【００７５】本発明の請求項１１によれば、次のような
効果がある。密度算出手段での測定流体の密度の算出の
際に使用する蒸気テーブルが搭載されたメモリ手段が設
けられたので、水蒸気の密度測定機能が実現でき、水蒸
気の質量流量測定機能が実現できる渦流量計が得られ
る。

【００７６】従って、本発明によれば、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の要部詳細説明図である。

【図３】図2の要部詳細説明図である。

【図４】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5】図4の電気回路図である。

【図6】図4の動作説明図である。

【図7】図4の動作説明図である。

【図8】図4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渦発生体３１１一方端３１２他端側３１３接液部３１４中心軸３２温度センサ３２１盲穴３３充填材３４封止材４１密度算出手段４２体積流量測定手段４３質量流量算出手段４４メモリ手段４５蒸気テーブル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】測定流体が流れる管路と、この管路に設けられたノズルと、このノズルを介して前記管路に一方端より挿入されこの
一方端が前記管路に固定されると共に他端側が前記ノズ
ルに固定される柱状の渦発生体とを具備しカルマン渦に
よる圧力の変動を検出する渦流量計において、前記渦発生体の前記一方端側に配置され前記測定流体の
温度を測定する温度センサを具備した事を特徴とする渦
流量計。
【請求項２】前記温度センサとして、白金薄膜素子が使
用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】前記温度センサの周囲に高耐熱高熱伝導特
性を有する充填材が充填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。
【請求項４】前記充填材としてマグネシア粉末が使用さ
れたこと、を特徴とする請求項３記載の渦流量計。
【請求項５】前記充填材としてアルミナ粉末が使用され
たこと、を特徴とする請求項３記載の渦流量計。
【請求項６】前記充填材を封止する封止材が使用された
ことを特徴とする請求項1乃至請求項５の何れかに記載
の渦流量計。
【請求項７】前記封止材としてシリコーンが使用された
こと、を特徴とする請求項６記載の渦流量計。
【請求項８】前記封止材としてエポキシが使用されたこ
と、を特徴とする請求項６記載の渦流量計。
【請求項９】前記封止材として無機接着剤が使用された
こと、を特徴とする請求項６記載の渦流量計。
【請求項１０】前記温度センサの測定信号に基づき前記
測定流体の密度を算出する密度算出手段を具備した事を
特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載の渦流
量計。
【請求項１１】前記密度算出手段での前記測定流体の密
度の算出の際に使用する蒸気テーブルが搭載されたメモ
リ手段を具備した事を特徴とする請求項１乃至請求項１
０の何れかに記載の渦流量計。