JP2005195337A

JP2005195337A - 渦流量計

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Publication number: JP2005195337A
Application number: JP2003434981A
Authority: JP
Inventors: Makoto Miyanochi; 真宮後; Tatsuya Tanaka; 達也田中; Hidemi Yamanaka; 秀観山中
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP4648625B2

Abstract

【課題】製造の容易性、耐久性を損ねることなく低流量域でも、感度よく高精度な流量計測を長期間安定して行うこと。
【解決手段】渦検出体３０を導電材料により棒状に構成する。渦検出体３０は測定管１１の一方の壁部２４を非拘束状態でＯリング２６によつて気密に径方向に貫通し、測定管１１外において片持ち支持され、渦検出体３０のうち、測定管１１外に位置する部分には２つの圧電素子３５、３６を相対向して各々導電性接着剤によって外部露呈状態で貼り付け、渦検出体３０が圧電素子３５、３６の中央電極を兼ねている。
【選択図】図５

Description

この発明は、渦流量計に関し、特に、圧電素子を用いるカルマン渦流量計に関するものである。

圧電素子を用いるカルマン渦流量計は、測定管内に設けられた渦発生体と、測定管より片持ち支持されて前記渦発生体により発生する渦の交番力を検出する渦検出体（振動管）とを有し、渦検出体が鞘状になっていて渦検出体内に、バイモルフ型のＰＺＴ素子（圧電素子）が、エポキシ樹脂、プリホームガラス等の接着材、封止剤により埋め込み固定や、半田盛りにより固定されている（たとえば、特許文献１、２）。

しかし、このようなカルマン渦流量計では、振動管の弾性率や封止剤等の硬度により、バイモルフの変位量が拘束される。このために、圧電素子によるカルマン渦検知の出力信号は微弱な信号になり、良好なＳ／Ｎ比を得ることができず、特に低流量域では、感度よく高精度に流量計測を行うことが難しい。

また、振動管内に圧入された弾性母材がばね板によって支えられ、弾性母材に圧電素子が振動管とは非接触で貼り付けられているカルマン渦流量計がある（たとえば、特許文献３）。

しかし、このカルマン渦流量計では、振動管外部にカルマン渦による交番応力が加わっても、ばね板の弾性によって交番応力が吸収され、弾性母材及び圧電素子には交番応力が加わり難い。このため、十分な出力電荷が得られず、ノイズの影響を受け易い。しかも、圧電素子が測定管内部に設置されるため、高温流体の通過時には圧電素子に熱負荷が加わり易く、劣化が早まってしまう。

また、薄肉の圧力シール支点体によって測定管に一体構造で接続された渦検出体（受圧体）が測定管内に設けられ、測定管外において受圧体に接続されたフォースバーと測定管との間に圧電素子ベースを介して圧電素子が取り付けられているカルマン渦流量計がある（たとえば、特許文献４）。

しかし、このカルマン渦流量計は、受圧体が薄肉の圧力シール支点体によって測定管に接続された形態で、測定管と一体鋳造からの削り出しにより形成されるから、製造の容易性が損なわれ、圧力シール支点体の製造上の寸法ばらつきが、流量測定精度、感度に大きく影響し、安定した性能を得ることが難しい。

また、ダイヤフラムによって渦検出体が測定管に取り付けられ、渦検出体とダイヤフラムとが一体で、ダイヤフラムの変位を圧電素子によって検知する構造のカルマン渦流量計がある（たとえば、特許文献５）。

しかし、このカルマン渦流量計は、渦検出体が測定管内においてカルマン渦より受ける圧力変動による微小変位を、渦検出体取付支持を兼ねたダイヤフラムの変位に変換するため、ダイヤフラムの剛性が流量測定感度に大きく影響し、流量測定感度の向上と渦検出体支持の耐久性向上とを両立することが難しい。

カルマン渦流量計に用いられる計器用の電気回路としては、カルマン渦により作用する交番力を検出する圧電素子からの信号を差動で受ける２つのチャージアンプ回路と、この２つのチャージアンプ回路の出力の差分を取る差動回路とを有し、圧電素子に印加されるコモンモードノイズを差動回路によって相殺するものがある（たとえば、特許文献６、７）。

２つの圧電素子のに作用するコモンモードノイズは、渦検出器の構造上、つまり、振動管の中心に圧電素子が置かれることはなく、商用電源に結合する浮遊容量が異なるから、同じ大きさの信号とはならず、２つのチャージアンプ回路に入力される圧電素子に重畳されるコモンモードノイズの大きさが異なる。このため、２つのチャージアンプ回路のコモンモードノイズの差分を差分回路で増幅するため、商用電源のコモンモードノイズを取り去ることはできず、増幅率が大きいほど、顕著となる。
特開平７−１９９１９号公報特開２００２−３３３３５２号公報特開平７−２９４２９８号公報特開平１０−１２２９２０号公報特開平７−１２８１００号公報特開平１１−２５８０１７号公報特開２０００−１３１１０５号公報

この発明が解決しようとする課題は、製造の容易性、耐久性を損ねることなく低流量域でも、感度よく高精度な流量計測を長期間安定して行うこと、さらには、商用電源のコモンモードノイズの影響を受けないようにすることである。

この発明による渦流量計は、測定管内を流れる流体の流量を計測する渦流量計において、前記測定管内に設けられた渦発生体と、前記渦発生体により発生する渦の交番力を検出する渦検出体とを有し、前記渦検出体は、導電材料により棒状に構成され、前記測定管の一方の壁部を非拘束状態で気密に径方向に貫通し、前記測定管内に位置する部分と、前記測定管外に位置する部分とを有し、前記測定管外において片持ち支持され、前記渦検出体のうち、前記測定管外に位置する部分には２つの圧電素子が相対向して各々導電性接着剤によって外部露呈状態で貼り付けられており、前記２つの圧電素子の各々の外側表面には電極が設けられ、前記渦検出体が前記２つの圧電素子の中央電極を兼ねている。

この発明による渦流量計は、好ましくは、前記渦検出体は前記２つの圧電素子を貼り付けられる部分を板状に形成され、この板状部分の両面に前記２つの圧電素子が貼り付けられている。

また、この発明による渦流量計は、好ましくは、前記渦検出体と前記測定管との間に、弾性体製あるいは可撓性の気密シール部材が設けられ、当該気密シール部材によって、前記渦検出体が前記測定管に対して非拘束状態で、前記測定管内の気密を保持する。

また、この発明による渦流量計は、好ましくは、前記渦検出体は前記測定管外において径方向外方に延在し、その延出端を前記測定管に固定の櫓状の取付部材に固定装着され、前記取付部材に対する前記渦検出体の略中央部に前記２つの圧電素子が貼り付けられている。

また、この発明による渦流量計は、好ましくは、前記圧電素子としてニオブ酸リチウム単結晶を用いている。

また、この発明による渦流量計は、前記中央電極が回路アースに接続されている。

また、この発明による渦流量計は、２つのチャージアンプ回路と、その２つのチャージアンプ回路の差分を取る差分回路とを有し、前記２つの圧電素子の各々の電極が各々前記２つのチャージアンプ回路の反転端子に個別に接続され、前記２つのチャージアンプ回路の非反転端子が回路アースに接続されている。

この発明による渦流量計では、渦検出体が測定管外に位置する部分に２つの圧電素子が導電性接着剤によって貼り付けられ、圧電素子が外部露呈状態で、変位量を拘束されることがなく、しかも渦検出体が２つの圧電素子の中央電極（共通電極）を兼ねているから、測定管内のカルマン渦による交番力が中央電極に直接作用する。

これらのことにより、構造や製造工程を複雑にすることなく、Ｓ／Ｎ比か大きくて低流量域でも、感度よく高精度な流量計測を長期間安定して行うことができる。

なお、前記圧電素子としてニオブ酸リチウム単結晶を用いると、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛；Ｐｂ（Ｚｒ_x，Ｔｉ_1-x）Ｏ₃）セラミックスを圧電素子として用いる場合よりもキュリー点が高く、また、ＰＺＴセラミックスの信号よりも極めて大きな信号（４０倍程度）を得ることができるので、高耐熱性で感度のよい渦流量計を構成することができる。

また、中央電極が回路アースに接続されていることにより、商用電源のコモンモードノイズを低減でき、増幅率の大きい増幅器が使用されても、安定した流量特性を得ることができる。

この発明による渦流量計の一つの実施形態を、図１〜図６を参照して説明する。

渦流量計は測定管１１を有する。測定管１１は、内部に管流路１２を有し、図１、２、４で見て、左端に入口側接続フランジ１３を、右端に出口側接続フランジ１４を各々形成されている。

測定管１１には管流路１２内に棒状の渦発生体１５が一体形成されている。渦発生体１５は管流路１２を垂直に横切って延在している。

測定管１１の外部（上部）の出口側接続フランジ１４側には、上壁部２４上に、ねじ１６、取付基部ブロック１７、ねじ１８によって高背丈門形、すなわち櫓状の取付部材１９が固定装着されている。取付部材１９は、測定管１１の径方向外方（渦発生体１５と平行な垂直方向）に延在している。

取付部材１９の上梁２０にはねじ２１によって金属等の導電材料製の渦検出体３０の上端部（延出端）３１が固定されている。渦検出体３０は、取付部材１９の上梁２０より取付部材１９の開放空間部２２を垂直に垂下し、取付基部ブロック１７に形成された貫通孔２３と測定管１１の上壁部２４に形成された貫通孔２５を貫通し、渦検出体３０の下部３２は管流路１２内に位置している。

渦検出体３０の下部３２は、渦管流路１２を流れる流体の流れ（矢印Ａ）から見て渦発生体１５より下流側にあり、渦管流路１２を流れる流体流れ方向に沿って扁平な薄板状をなしている。渦検出体３０が取付基部ブロック１７の貫通孔２３と測定管１１の貫通孔２５を貫通する部分（中間部）３３は、断面円形の丸棒状をなし、中間部３３の外径は貫通孔２３、２５の内径より小さく、この寸法差によってこれらに対して非拘束状態になっている。

すなわち、渦検出体３０は、導電材料により棒状に構成され、測定管１１の上壁部２４を非拘束状態で径方向に貫通し、測定管１１内に位置する部分（下部）３２と、測定管１１外に位置する部分とを有し、測定管１１外において径方向外方に延在し、その延出端（上端部）３１を測定管１１に固定の櫓状の取付部材１９に固定装着され、取付部材１９を介して測定管１１より片持ち支持されている。

渦検出体３０が測定管１１の貫通孔２５を貫通する部分３３には、気密用のゴム状弾性体製のＯリング２６が設けられている。

渦検出体３０のうち、測定管１１外に位置する部分、すなわち、上端部３１と中間部３３との間において、取付部材１９の開放空間部２２内に位置する部分３４は、下部３２と同一方向の板状に形成されている。渦検出体３０の部分３４の両面には板状の圧電素子３５、３６が相対向して各々導電性接着剤３７によって外部露呈状態で貼り付けられている。この圧電素子３５、３６の貼付位置は、渦検出体３０の全体で見て取付部材１９に対する渦検出体３０の固定端（上端部３１）近傍である。

圧電素子３５、３６は、ニオブ酸リチウム単結晶のものを用いることができる。ニオブ酸リチウム単結晶の圧電素子３５、３６は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛；Ｐｂ（Ｚｒ_x，Ｔｉ_1-x）Ｏ₃）セラミックスによるものに比してキュリー点が高く、ＰＺＴセラミックスの信号よりも極めて大きな信号（４０倍程度）を得ることができるので、高耐熱性で、感度のよい渦流量計を構成することができる。

圧電素子３５、３６が各々導電性接着剤３７によって渦検出体３０に貼り付けられていることにより、渦検出体３０は、この２つの圧電素子３５、３６の中央電極（共通電極）を兼ねる。これにより、渦検出体３０と導通関係にあるねじ２１に中央電極用リード線４０が接続されている。なお、導電性接着剤３７は、エポキシ樹脂（接着剤）に銅等による導電性フィラーを混入したものや、銀フィラー入り厚膜ペーストのようなものでよい。

圧電素子３５、３６の各々の外側表面には、導電性接着剤による金属箔の貼り付け、スクリーン印刷、金属薄膜形成等によって電極板３８、３９が設けられている。電極板３８、３９には各々電極リード線４１、４２が個別に接続されている。

上述の構成による渦流量計では、入口側接続フランジ１３側から出口側接続フランジ１４側へ流体が管流路１２を流れることにより、渦発生体１５より下流側にカルマン渦が発生する。このカルマン渦が渦検出体３０の下部３２に衝突することにより、中央電極を兼ねている渦検出体３０がカルマン渦の交番力を受ける。

渦検出体３０は、Ｏリング２６によって測定管１１に気密に接続されているが、Ｏリング２６がゴム状弾性体製であること、渦検出体３０が取付基部ブロック１７の貫通孔２３と測定管１１の貫通孔２５を貫通する部分（中間部）３３の外径が貫通孔２３、２５の内径より小さく、この寸法差によって渦検出体３０がこれらに対して非拘束状態になっていることにより、渦検出体３０は、取付部材１９に対する固定端（上端部）を支点して中間部を実質的に拘束されることなくカルマン渦の交番力を最大限に捉えることができる。

これにより、２つの圧電素子３５、３６の中央電極（共通電極）を兼ねている渦検出体３０の圧電素子貼り付け部分３４に測定管１１内のカルマン渦による交番力が作用し、圧電素子３５、３６が、開放空間２２において外部露呈状態で、変位量を拘束されることがない状態にあること、さらには、この部分３４が、丸棒形状でなく、板状で、断面二次モーメントが大きくなる形状であることにより、カルマン渦による交番応力（荷重）が効率よく圧電素子３５、３６に伝えられる。これによりカルマン渦を高感度に検出することができる。

この感度は、渦検出体３０の片持ち支持のスパンが長いほど、良好になるから、渦検出体３０の取付部材１９に対する固定端（上端部３１）が測定管１１より径方向外方にあるほど、測定感度が向上する。

また、上述の構造では、渦検出体３０による中央電極の表面積を、圧電素子３５、３６の表面積および電極板３８、３９の表面積に比して極めて大きくなる。

渦検出体３０の気密シールは、ゴム状弾性体製のＯリング２６により行われ、渦検出体３０の変形を拘束しないから、渦検出体３０が熱によって膨張しても測定感度が変動することがない。また、圧電素子３５、３６は、管流路１２外に設けられているから、高温流体の測定時でも、流体の熱の影響を直接受けることがなく、圧電素子３５、３６が熱劣化することがない。

これらのことにより、製造の容易性、耐久性を損ねることなく低流量域でも、感度よく高精度な流量計測を長期間安定して行うことができる。

渦検出体３０の気密シールは、ゴム状弾性体製のＯリング２６に限られることなく、ダイヤフラムやベローズ等の可撓性気密シール部材により行うこともできる。

図７はベローズ５０によって渦検出体３０の気密シールを行った実施形態を示している。なお、図７において、図４に対応する部分は、図４に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

この実施形態の渦流量計では、測定管１１の貫通孔２５を渦検出体３０の中間部３３の外径よりも十分大きく形成し、取付基部ブロック１７に代えて、測定管１１の上壁部２４の外周面から貫通孔２５を囲むように膨出形成された円筒状の取付部１１Ａと、この取付部１１Ａとほぼ同一外径のフランジ４４を外周面の軸方向中央部に有する円筒状のベローズホルダ４３とを用いている。

ベローズホルダ４３のフランジ４４よりも下側の部分は測定管１１の貫通孔２５に挿入嵌合されており、この状態で、フランジ４４と取付部１１Ａの端面との間は、これらの間に挟持された膨張黒鉛やフッ素樹脂等からなる円座型パッキン４６によって気密シールされている。

また、ベローズホルダ４３には、渦検出体３０の中間部３３の外径よりも若干大きい内径で、ベローズホルダ４３の軸方向を貫通する貫通孔４５が形成されており、この貫通孔４５を渦検出体３０の中間部３３が隙間を持って貫通して、渦検出体３０の下部３２が測定管１１内に位置している。

図７に示す実施形態では、渦検出体３０の下部３２が中間部３３よりも大きい外径で形成されていて、下部３２と中間部３３との境界部分には、下部３２の外径よりも若干大きく測定管１１の貫通孔２５の外径よりも若干小さいフランジ部３３Ａが形成されていて、このフランジ部３３Ａにベローズ５０の下端が気密に溶接され、ベローズ５０の上端はベローズホルダ４３の下端に気密に溶接されている。

ちなみに、図７中に示すように、取付部材１９の上梁２０に固定される渦検出体３０の上端部（延出端）３１は、中間部３３よりも大きく、かつ、ベローズホルダ４３の貫通孔４５よりも小さい外径で形成されていて、渦検出体３０の中間部３３を上端部（延出端）３１側から、ベローズホルダ４３の貫通孔４５に、フランジ４４よりも下側の部分側から挿入した状態で、ベローズ５０の上下端を、ベローズホルダ４３の下端や渦検出体３０のフランジ部３３Ａに溶接した後、ベローズ５０が十分に伸長可能な程度に収縮した状態で、上端部（延出端）３１が取付部材１９の上梁２０に固定される。

そして、先の実施形態による渦流量計では、図４に示すように取付基部ブロック１７を用いて測定管１１に固定装着していた取付部材１９を、この実施形態による渦流量計では、取付部１１Ａを用いて測定管１１に固定装着している。

このように構成された、この実施形態の渦流量計によっても、前述の実施形態と同様の効果が得られる。

この発明による渦流量計は、上述したように、渦発生体１５の下流側に渦検出体３０が配置されている形式のものに限られることはなく、図８に示されているように、測定管１１の管流路１２内に配置される渦発生体６０が中空体として構成され、渦発生体６０の中空部６１内に渦検出体３０の下部３２が配置され、図９に示されているように、渦発生体６０に開口形成された圧力導入口６２より中空部６１内の渦検出体３０に圧力が及ぶよう構成された形式の渦流量計にも同様に適用することができる。

なお、図８、図９において、図１〜図６に対応する部分は、図１〜図６に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

つぎに、図１０は、図１〜図６に示されている実施形態と同等のものに、電気箱７０を取り付けられた渦流量計を示している。電気箱７０は、ねじ７１によって取付部材１９の上梁２０上に取り付けられた取付具７２に装着された下ケース７３と、下ケース７３上に嵌め込み装着された上ケース７４とにより構成され、内側に密閉室７５を画定している。

密閉室７５には、ねじ７６によって下ケース７３に固定された支柱７７があり、支柱７７に計器用の回路基板７８が取り付けられている。図１１に示されているように、中央電極用リード線４０、電極リード線４１、４２は、各々、計器内の内部配線として配線され、中央電極用リード線４０は回路基板７８のアース端子８１（図１２参照）に、電極リード線４１、４２は各々回路基板７８の信号入力端子８２、８３（図１２参照）に導通接続されている。

つぎに、この発明による渦流量計の電気回路を、図１２に示されている電気回路図を参照して説明する。

回路基板７８は、回路アースＧであるアース端子８１と、二つの信号入力端子８２、８３と、一つの信号出力端子８４を有している。アース端子８１には回路アース引出線をなす中央電極用リード線４０が、信号入力端子８２、８３には信号引出線をなす電極リード線４１、４２が各々導通接続されている。

回路基板７８には、ＯＰアンプＯＰ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１によるチャージアンプ回路８５と、ＯＰアンプＯＰ２、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ２によるもう一つのチャージアンプ回路８６と、ＯＰアンプＯＰ３、抵抗Ｒ３、Ｒ４による差動アンプ回路８７が構成されている。

チャージアンプ回路８５のＯＰアンプＯＰ１とチャージアンプ回路８６のＯＰアンプＯＰ２の各々の非反転端子は、ともにアース端子８１に接続されている。ＯＰアンプＯＰ１の反転端子は信号入力端子８２に接続され、ＯＰアンプＯＰ２の反転端子はもう一つの信号入力端子８３に接続されている。

ＯＰアンプＯＰ１の出力端子は抵抗Ｒ５を介して差動アンプ回路８７のＯＰアンプＯＰ３の反転端子に接続され、ＯＰアンプＯＰ２の出力端子は抵抗Ｒ６を介して差動アンプ回路８７のＯＰアンプＯＰ３の非反転端子に接続され、差動アンプ回路８７は、チャージアンプ回路８５と８６の出力の差分を取る。ＯＰアンプＯＰ３の出力端子は信号出力端子８４に接続されている。

上述の回路構成により、カルマン渦周波数に同期した信号は、チャージアンプ回路８５、８６の出力を通して差動アンプ回路８７に入力される。そして、中央電極が回路アースＧに接続されており、商用電源からのコモンモードノイズの結合浮遊容量をほぼゼロとしたことから、チャージアンプ回路８５、８６に入力されるカルマン渦に同期した信号は、商用電源からのコモンモードノイズの影響を受けることがない。

この発明による渦流量計の一つの実施形態を示す正面図である。この発明による渦流量計の一つの実施形態を示す平面図である。この発明による渦流量計の一つの実施形態を示す右側面図である。この発明による渦流量計の一つの実施形態を示す縦断面図である。図１の線Ｖ−Ｖに沿った断面図である。一つの実施形態による渦流量計の圧電素子貼付部分の拡大断面図である。この発明による渦流量計の他の実施形態を示す縦断面図である。この発明による渦流量計の他の実施形態を示す縦断面図である。図８の線ＩＸ−ＩＸに沿った断面図である。この発明による渦流量計の一つの実施形態を示す全体正断面図である。この発明による渦流量計の一つの実施形態を示す全体側断面図である。この発明による渦流量計の電気回路の一つの実施形態を示す電気回路図である。

符号の説明

１１測定管
１２管流路
１５渦発生体
１９取付部材
２６Ｏリング
３０渦検出体
３５、３６圧電素子
３８、３９電極板
５０ベローズ
６０渦発生体
７８回路基板
８１アース端子
８２、８３信号入力端子
８４信号出力端子
８５、８６チャージアンプ回路
８７差動アンプ回路

Claims

測定管内を流れる流体の流量を計測する渦流量計において、
前記測定管内に設けられた渦発生体と、前記渦発生体により発生する渦の交番力を検出する渦検出体とを有し、
前記渦検出体は、導電材料により棒状に構成され、前記測定管の一方の壁部を非拘束状態で気密に径方向に貫通し、前記測定管内に位置する部分と、前記測定管外に位置する部分とを有し、前記測定管外において片持ち支持され、
前記渦検出体のうち、前記測定管外に位置する部分には２つの圧電素子が相対向して各々導電性接着剤によって外部露呈状態で貼り付けられており、
前記２つの圧電素子の各々の外側表面には電極が設けられ、前記渦検出体が前記２つの圧電素子の中央電極を兼ねている、
ことを特徴とする渦流量計。
前記渦検出体は前記２つの圧電素子を貼り付けられる部分を板状に形成され、この板状部分の両面に前記２つの圧電素子が貼り付けられていることを特徴とする請求項１記載の渦流量計。
前記渦検出体と前記測定管との間に、弾性体製あるいは可撓性の気密シール部材が設けられ、当該気密シール部材によって、前記渦検出体が前記測定管に対して非拘束状態で、前記測定管内の気密を保持することを特徴とする請求項１または２記載の渦流量計。
前記渦検出体は前記測定管外において径方向外方に延在し、その延出端を前記測定管に固定の櫓状の取付部材に固定装着され、前記取付部材に対する前記渦検出体の略中央部に前記２つの圧電素子が貼り付けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の渦流量計。
前記圧電素子としてニオブ酸リチウム単結晶を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の渦流量計。
前記中央電極が回路アースに接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の渦流量計。
２つのチャージアンプ回路と、その２つのチャージアンプ回路の差分を取る差分回路とを有し、前記２つの圧電素子の各々の電極が各々前記２つのチャージアンプ回路の反転端子に個別に接続され、前記２つのチャージアンプ回路の非反転端子が回路アースに接続されていることを特徴とする請求項６記載の渦流量計。