JP2023037141A - カルマン渦型流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】流路形成部材の振動の影響を軽減できるカルマン渦型流量計を構成する。【解決手段】流路内に配置された渦発生体４の下流側に発生するカルマン渦８、９を渦検出体５によって検出することで、流路３を流れる流体の流量を計測するカルマン渦型流量計であって、渦検出体５が、弾性部材６を介して流路形成部材３に固定されていることを特徴とする。また、流路形成部材３には、径方向に貫通する貫通孔３０が設けられ、弾性部材６は貫通孔３０から流体が漏出することを防ぐシール部材を兼ねていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、カルマン渦型流量計の構成に関し、特に、装置の振動の影響を軽減したカルマン渦型流量計に関する。

カルマン渦型流量計は、流路内に配置した渦発生体の下流側に発生するカルマン渦の周期を、渦発生体の下流側に渦検知手段を配置して検出するものである。渦検知手段としては、様々な方法が提案されているが、特許文献１などで開示されるように、圧電素子を用いるのが一般的である。

特開平９－１２６９２８号公報

カルマン渦型流量計に対し、流路形成部材に機械的振動が印加されると計測精度が低下してしまうという課題がある。これは、上述したような圧電素子や歪ゲージなど、機械的な変位を検出する素子を渦検知手段として用いる場合に、流路形成部材の振動が圧電素子などに伝達されると、流路形成部材の機械的振動による起電力が発生し、これがノイズ成分となり、その結果、流量計測の精度を低下させてしまう。

上記を鑑み、本発明に係るカルマン渦型流量計は、
流路内に配置された渦発生体の下流側に発生するカルマン渦を渦検出体によって検出することで、前記流路を流れる流体の流量を計測するカルマン渦型流量計であって、
前記渦検出体が、弾性部材を介して流路形成部材に固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、流路形成部材の振動による計測精度の低下を防ぐことができる。

本発明の一実施例に係るカルマン渦型流量計の部分断面図。 本発明の一実施例に係るカルマン渦型流量計の拡大断面図。 本発明の一実施例に係るカルマン渦型流量計のブロック図。 本発明の一実施例に係るカルマン渦型流量計の信号波形イメージの一例。 本発明の一実施例に係るカルマン渦型流量計の信号波形イメージの他の例。 本発明の一実施例に係るカルマン渦型流量計の信号波形イメージの他の例。 流路形成部材を手で叩いた時のローパスフィルタの出力信号波形の例。 本発明の他の実施例に係るカルマン渦型流量計の拡大断面図。 本発明の他の実施例に係るカルマン渦型流量計の拡大断面図。

（実施例１）
本発明は、流路形成部材の振動の影響を受けにくいカルマン渦型流量計を提供するものである。以下、図面を参照しながら本発明の実施例１に係るカルマン渦型流量計について説明する。図１には本実施例に係るカルマン渦型流量計の部分断面図を示す。

フランジ１及び２で他の装置に接続された円筒状の流路形成部材３の内部に形成される流路には、流体が流れる流路方向７に沿って、渦発生体４及びその下流側に所定の間隔をあけて渦検出体としての圧電素子５が配置されている。圧電素子５は、流路形成部材３に対し弾性部材６を介して固定されている。

また、図２に渦検出部分の一例を示す拡大断面図を示す。圧電素子５は、弾性部材６に陥入しており、弾性部材６の内部を通して信号を取り出す電線１６が外部に引き出されている。なお、圧電素子５と弾性部材６の間には、ここでは図示していない接着部材を用いて漏水を防止する構造としても良い。弾性部材６は、押さえ部材１０によって流路形成部材３に押圧されることによって固定されており、押さえ部材１０は、ネジ１１及び１２によって流路形成部材３にネジ止めされている。このような構造にすれば、ネジ１１及び１２を取り外すことで、容易に圧電素子５及び弾性部材６を取り外すことが可能となる。

また、図２に示すように、渦発生体４及び圧電素子５は、その中心線１４及び１５が、流路の径方向の中心を通るように配置されていると共に、中心線１４及び１５が互いに平行となるよう配置されている。また、渦発生体４及び圧電素子５は、流路方向７に対して直交するように配置されている。換言すると、流路形成部材３の内壁の法線方向に中心線１４及び１５が向くように配置されている。

また、渦発生体４は流路形成部材３の内壁よりも流路の内部側（径方向の中心側）に対し突出しており、さらに、圧電素子５よりも流路の内部側に対し突出した構造となっている。

このような構成において、流路形成部材３の内部に図１の流路方向７で示す方向に流体が流れると、渦発生体４の下流側にカルマン渦８やカルマン渦９などが発生する。発生したカルマン渦８や９が圧電素子５の近傍を通過した時に、圧電素子５に機械的な応力が加わり、電圧が発生する。一般に、渦の発生周期は、流体の流速と一定の関係があることが知られており、渦の発生周期を圧電素子５によって計測することで、既知である流路の断面積から流体の流量を算出することができる。

図３に本実施例に係るカルマン渦型流量計のブロック図を示す。図３において、カルマン渦によって圧電素子５に誘起された信号は、アンプ１９で増幅された後ローパスフィルタ２０及びハイパスフィルタ２１により、不要な信号成分を減衰させられる。その後、コンパレータ２２によりデジタル信号に変換され、ＣＰＵ２３によって、周期の計測が行われ、算出された流量が外部に出力される。

本発明と同様の電気ブロックで構成された従来の測定系で、流量がゼロの時にアンプ１９の出力で計測される信号を模式的に表した信号波形イメージの一例を、図４に示す。なお、以下の説明においては、従来の測定系においても同様の構成は同じ符号を用いて説明する。

図４に示すように、流量がゼロであるにも関わらず、アンプの出力信号が観察されるのは、装置全体が動力源（その多くはモーター）によって機械的に駆動されている為、装置全体に機械的な振動が発生しており、その振動を圧電素子が検出することによるものである。この為、流量がゼロの時に計測される信号は、一次電源の周波数（通常５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の倍数の周波数成分が基本波となる。

図５には、従来の測定系において流路にある流体を流した状態のローパスフィルタ２０の出力を模式的に表した信号波形イメージを示す。通常、ローパスフィルタ２０のカットオフ周波数は、計測範囲内で発生するカルマン渦の発生周期の上限よりも高い周波数に設定され、計測範囲としては概ね１００Ｈｚから数百Ｈｚ前後の周波数になることが多く、殆どの場合、一次電源の周波数よりも高い周波数に設定される。この為、カルマン渦による出力の他に、前述の機械的な振動による出力も含まれ、信号に歪が生じている。

図６に、従来の測定系において流路にある流体を流した状態のハイパスフィルタ２１の出力を模式的に表した信号波形イメージを示す。ハイパスフィルタ２１のカットオフ周波数は、計測範囲の下限で生じるカルマン渦の発生周期の下限よりも低い周波数である必要がある。従ってこの周波数は、必ずしも一次電源の周波数よりも高いとは限らず、ハイパスフィルタ２１の出力には流路形成部材３の振動による影響が残ってしまうことが分かる。

さらに、オペレータが不注意により流路形成部材３に接触してしまった場合等、流路形成部材３に外部からの衝撃力が加わった場合の、従来の測定系におけるローパスフィルタ２０の出力には図７に示すような出力が現れ、計測の誤差要因となる。図７は、実際に従来の測定系を作成し、手で流路形成部材３を叩いた時の波形であり、時刻Ｔで流路形成部材３を叩いたあと、所定の周期で振動が発生している様子が分かる。

このような振動による影響は、上述したようなローパスフィルタやハイパスフィルタなどの電気的な手段では除去することが難しく、誤差の要因となっていた。

これに対し、本発明によれば、図１の流路形成部材３と圧電素子５との間に弾性部材６を設けることによって圧電素子５に伝わる振動が減衰し、出力信号に含まれる外部からの機械的な振動によるノイズ成分は軽減され、精度の高い計測が可能となる。

なお、弾性部材６は圧電素子５に伝わる振動を低減するだけでなく、流路形成部材３に設けた圧電素子５から信号を取り出すための電線１６を引き出すための貫通孔３０を封止するように密着させることで、流路形成部材３から流体が漏出することを防ぐシール部材の役割を兼ねていても良い。

この場合、図２に示した押さえ部材１０は、その取り付け時において流路形成部材３に接触する前に、弾性部材６に密着し弾性部材６を流路形成部材３との間に挟持した状態で流路形成部材３に対し密着させる構造とするとよい。つまり、弾性部材６の押さえしろにおける流路形成部材３の径方向に対する厚みが、押さえ部材１０側の押さえしろの厚みよりも大きいことが好ましい。

また、この場合、押さえ部材１０はネジ１１及び１２によって流路形成部材３に対しネジ止めされる為、バネ性を持った材料であることが望ましく、さらには電気的なシールド効果を持たせるために導電性の高い材料、例えば金属であることが望ましい。

さらに、図１及び図２では、弾性部材６は稠密な構造となっているが、内部に空間を持ち圧電素子を梁で支える構造としてもよい。また、圧電素子５と弾性部材６からなる系が持つ自己共振周波数が、カルマン渦型流量計が搭載される装置のＡＣ電源の周波数、多くの場合は５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの整数倍の周波数とならないよう、弾性部材６の弾性係数などの機械的な特性を選定することで、調整されていることが好ましい。

また、図２では圧電素子５は弾性部材６の内部に突き当たって固定される態様を示しているが、圧電素子５は弾性部材６を貫通するように構成されていても構わない。

（実施例２）
図８に、本発明の実施例２に係るカルマン渦型流量計の断面図を示す。基本的な構成は実施例１と同様であり、同じ構成については同じ符号を用いて示し、その説明を省略する。本実施例では圧電素子５が固定されている弾性部材６が実施例１よりも流路方向７の上流側に拡張されており、渦発生体４は弾性部材６に係止されている。なお、図２に示す実施例１と同様、渦発生体４は圧電素子５よりも流路の内部に向かって突出した構造となっている。このように、渦発生体４と圧電素子５と弾性部材６とを一体のユニットとして形成することで、製品を組み立てる際に、流路形成部材３に対して一つのユニットを押さえ部材１０を介して固定するだけで済み、組立性が向上すると共に、圧電素子５あるいは渦発生体４が破損した場合でも押さえ部材１０を取り外すことにより容易に交換可能である。

なお、図８では弾性部材６の突出部は端部が概略直角に形成されているが、端部は直角である必要は無く、例えば曲面形状あるいは渦発生体４及び圧電素子５の径方向の先端部を頂点とした円錐形状であっても良い。

なお、本実施例においては、カルマン渦を発生するための渦発生体４も弾性部材６に陥入しているが、渦発生体４を固定するためのネジ１３を設け、押さえ部材１０の外側から渦発生体４をネジ１３で固定可能になっている。さらに、圧電素子５に対してもネジを設けて押さえ部材１０の外側から固定させるように構成しても良い。このように、本発明は、渦発生体４や圧電素子５を確実に固定するように構成することを妨げない。

（実施例３）
図９に、本発明の実施例３に係るカルマン渦型流量計の断面図を示す。基本的な構成は実施例２と同様であり、同じ構成については同じ符号を用いて示し、その説明を省略する。この実施例では弾性部材６の接液面２４が、流路形成部材３の内壁と同一面となるように形成されている。

この構成により、弾性部材６が流体の流れを乱す事が無くなり、測定の安定性を増すことが出来る。なお、図９に示す断面位置において流路形成部材３の内壁と接液面２４とが同一面となっていればよく、接液面２４は平坦面であっても良いが、接液面２４が流路形成部材３の内壁と面一となる形状であることが好ましい。例えば流路形成部材３が円筒形状であれば接液面２４も流路形成部材３内壁の曲率半径と同じ曲率半径の円弧で形成されていることが好ましい。

なお、これまでの実施例では渦検出素子として圧電素子を例に説明してきたが、流路内に発生した渦を検出出来れば、圧電素子に限らない。例えばストレンゲージ等の機械的な歪みを検知する検出素子を用いても良い。

３ 流路形成部材
４ 渦発生体
５ 圧電素子
６ 弾性部材
１０ 押さえ部材
２４ 接液面
３０ 貫通孔

Claims (6)

1. 流路内に配置された渦発生体の下流側に発生するカルマン渦を渦検出体によって検出することで、前記流路を流れる流体の流量を計測するカルマン渦型流量計であって、
   前記渦検出体が、弾性部材を介して流路形成部材に固定されていることを特徴とするカルマン渦型流量計。
2. 前記流路形成部材には、径方向に貫通する貫通孔が設けられ、
   前記弾性部材は前記貫通孔から流体が漏出することを防ぐシール部材を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載のカルマン渦型流量計。
3. 前記弾性部材の弾性係数は、
   前記弾性部材および前記渦検出体が構成する系の共振周波数が、前記カルマン渦型流量計が搭載される装置の電源周波数およびその整数倍の周波数とは異なるような弾性係数であることを特徴とする請求項１または２に記載のカルマン渦型流量計。
4. 前記弾性部材は、前記流路形成部材に対して押さえ部材によって押圧されることで固定され、
   前記渦検出体は、前記流路形成部材の内壁よりも前記流路の内部側に突出していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のカルマン渦型流量計。
5. 前記渦発生体と前記渦検出体とが同一の前記弾性部材に固定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のカルマン渦型流量計。
6. 前記弾性部材における前記流路の内部側に形成された接液面は、前記流路形成部材の内壁と同一面となるように形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のカルマン渦型流量計。

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