JP3644934B2

JP3644934B2 - 渦流量計センサ、及びそのセンサを備えた渦流量計

Info

Publication number: JP3644934B2
Application number: JP2002140486A
Authority: JP
Inventors: 賢一 ▲高▼井
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2022-05-15
Also published as: JP2003329497A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、渦流量計センサ及び渦流量計に関し、より詳細には、渦発生体内に片持支持されて嵌挿され、渦発生体内に導入されるカルマン渦の変動圧に応動する渦流量計センサ及びそのセンサを備えた渦流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
渦流量計は、周知のように、流体の流れの中に渦発生体を配設したとき、その渦発生体から単位時間内に発生するカルマン渦の数が或るレイノルズ数範囲で流量に比例することを利用した推測形の流量計である。発生する渦は、渦発生体周りに生ずる流れ変化又は圧力変化として渦流量計センサ（しばしば単に渦センサと呼ぶ）により検出される。これらの渦センサは、渦発生体内に固着されるか着脱可能に配設されている。流量計は、目的に応じて多様の流体の流量計測を行う計量機であるが、渦流量計は、気体液体等密度や粘度に影響されることなくレイノルズ数のみに依存して特性が定められる特徴をもっている。しかし、カルマン渦の発生による変動圧は測定流体の密度と流速の２乗に比例した量であるから、測定範囲を拡大するためには小流域での感度を高くすることが必要である。この点において、渦発生体内に着脱可能に配設される形式の渦センサは有利である。
【０００３】
着脱式の渦センサとしては、本出願人が特公昭６３−３１７２６号公報において提案した渦発生体の大きさによらず同一のセンサを着脱可能とする渦流量計がある。図５（Ａ），（Ｂ）は、この従来の渦流量計を説明するための図で、図５（Ａ）は流れ方向からみた断面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の矢視Ｂ−Ｂ断面図である。図中、１は流管（管体）、２は渦発生体、３は取付面、４は圧力室、５は導圧孔、３０は渦センサを夫々示している。
【０００４】
管体１には、被測定流体の流通する配管に介装される、直径上に渦発生体２が設けられている。渦発生体２には管体１を貫通した凹部が設けられ、その凹部は圧力室４となっており、圧力室４の両側壁面に導圧孔５が貫通し、被測定流体に連通している。一方、圧力室４には渦センサ３０が挿入されている。渦センサ３０は、鍔部（フランジ）３１を有する有底な円筒体状の振動管３３と、振動管３３の底部に受圧板３３ａが一体に形成され振動管３３内に同軸に嵌挿された母材３４と、母材３４の両側面に導電性接着剤で固着された圧電素子３５と、振動管３３内に母材３４を一体固着する充填材３６及びリード線３２とからなっている。リード線としてのシールドケーブル３２は、その芯線３２ｂに圧電素子３５の一方の極が接続され、そのシールド線３２ａに圧電素子３５の他方の極がハンダ付けされた錫メッキ線を介して接続される。
【０００５】
渦センサ３０は、振動管３３の鍔部３１において管体１に形成された取付面３で管体１に片持固着される。渦による変動圧力は、導圧孔５を介して圧力室４に導入され、受圧板３３ａに作用する。変動圧力を受けた受圧板３３ａは片持固着された位置まわりに変動するが、この変動は、振動管３３の凹陥部３６ａに充填された充填剤３６を介して圧電素子３５に伝達され、振動に応じた電気信号（電荷）をリード線３２より出力される。ここで、充填剤３６は、単に力伝達の媒体ではなく絶縁性が要求される。一般に絶縁抵抗は温度により変化し、高温では低下するので、充填剤３６としてガラス，エポキシ樹脂等の絶縁性材料が用いられる。
【０００６】
図６は、従来技術による他の渦流量計センサを説明するための図で、図中、４０は渦流量計センサを示している。渦センサ４０は、フランジ４１を有する有底な円筒体状の振動管４３と、振動管４３の底部に受圧板４３ａが一体に形成され振動管４３内に同軸に嵌挿された母材４４と、母材４４の両側面に固着された圧電素子４５と、振動管４３内に母材４４を一体固着する充填材４６及びリード線４２（シールド線４２ａ及び芯線４２ｂ）とからなっている。渦センサ４０における動作は図５を参照して説明した通りであり省略する。なお、図中４６ｂは母材４４の位置決めを行うための凹溝であり、４８はフランジ４１において管体とビス等で接合するための穴である。この従来例においては、充填剤４６としてエポキシ系の接着剤を使用した例を示しており、また電極線４２ａは圧電素子４５に４５ａで示す位置にハンダペーストされているものとする。
【０００７】
また、上述したカルマン渦の発生に伴う交番差圧の応力を電荷変化として検出する圧電素子に対し、交番差圧を抵抗変化として検出するストレンゲージ（歪ゲージ）により渦を検出する渦センサも存在する。ストレンゲージ式の渦センサでは、一端のみを支持された渦発生体の中に、一体に固着された母材及び一対のストレンゲージが内蔵されており、カルマン渦の発生に伴う渦発生体の交番揚力によって内部のストレンゲージが歪応力を受ける。ストレンゲージはブリッジ回路の２辺を構成しており、ストレンゲージの抵抗変化を電圧変化として検出する。ストレンゲージを用いて圧力を検出する場合も、振動管の基本的な構成は同様であり、説明を省略する。
【０００８】
上述のごとく、従来の圧電素子やストレンゲージによりカルマン渦を検出するセンサにおける振動管の材質としては、樹脂，金属がある。樹脂製のセンサは、製造が比較的簡単・安価であり、また金属を用いることができない腐食性の強い流体の計測に使用する場合に有用であるが、商用ノイズの除去をするために電磁波シールド材を設置しなくてはならず、製造工程が多くなる。そして樹脂製センサである為に、センサ自体の耐久性・信頼性が求められる場合には、安全面の問題から敬遠され、金属製センサが使用される。
【０００９】
しかしながら、金属製センサは、耐久性・信頼性があるが、振動管が削り加工になり高価なセンサとなってしまう。また、金属製センサは樹脂製センサに比べてセンサ出力が大幅に低下してしまい、Ｓ／Ｎ比が悪い特性を持ってしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のごとき実状に鑑みてなされたものであり、樹脂製振動管を使用した場合に必要であった電磁波シールド材の塗布を必要とせず、高温・高圧に耐えることが可能な金属製の振動管を用いた渦流量計センサにおいて、Ｓ／Ｎ比を向上することが可能な渦流量計センサ及びそのセンサを備えた渦流量計を提供することをその目的とする。
【００１１】
本発明は、金属製振動管を高価な削り加工で製造せず、信頼性が高く、安価に製造可能な金属製の振動管を用いた渦流量計センサ及びそのセンサを備えた渦流量計を提供することを他の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第１の技術手段は、被測定流体が流通する流管内に流れに対向して設けられ、内部に圧力室を有し、さらに被測定流体に連通し該圧力室に流体圧を導入する導圧孔を有する渦発生体に配設するための、該渦発生体における前記圧力室内に導入されるカルマン渦に基づく変動圧力を検知する渦流量計センサにおいて、前記渦発生体に取り付けるためのフランジ部と受圧部と有する金属製の振動管と、該振動管に軸対称で受圧側に面する平板をもつ導電性の母材と該母材の平板の両側面に各々設けられた圧電素子又は歪ゲージとを有する圧力検出素子板とを備え、前記圧力検出素子板を、前記振動管に形成された凹陥部の上端部に前記母材の上端接合部を固定し、該凹陥部の底部より僅かに離れた壁面に前記母材の下端接触部を接触させて収納し、絶縁性樹脂のモールド材で該凹陥部上部を封止し、且つ、前記圧電素子又は歪ゲージを前記振動管の上端接合部まで延伸させたことを特徴としたものである。
【００１３】
第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記母材の下端接触部は、前記振動管の凹陥部の底部より僅かに離れた壁面に設けられた係止溝に、外径が該係止溝の内径よりも僅かに大きい放射状のスリットを有する円板状のばね部をもつことを特徴としたものである。
【００１４】
第３の技術手段は、第１又は第２の技術手段において、前記振動管は、金属粉末射出成型材であることを特徴としたものである。
【００１５】
第４の技術手段は、第１乃至３のいずれか１の技術手段において、記載の渦流量計センサを備えたことを特徴としたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係る渦流量計センサの構成例を示す図で、図１（Ａ）は流れ方向からみた断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の矢視Ｂ−Ｂ断面図である。図１中、１は流管（管体）、２は渦発生体、３は取付面、４は圧力室、５は導圧孔、１０は渦流量計センサ（以下、渦センサと呼ぶ）を夫々示している。また、図２は、図１の渦流量計センサの詳細を説明するための図で、図２（Ａ）はその垂直方向の断面図、図２（Ｂ）はその水平方向の断面図、図２（Ｃ）は他の垂直方向の断面図を示す図である。なお、図２中、１２はリード線としてのシールドケーブル、１２ａはシールド線、１２ｂは芯線、１３ａは受圧部、１５ａはペースト位置、１８は穴であり、これら従来技術において説明したので説明を省略する。また、図２中、１７はアース線を示す。また、図３は、図２の圧力検出素子板の一例を示す図で、図３（Ａ）はその平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の母材の下端接触部の一例を示す図である。
【００１７】
本実施形態に係る渦センサ１０は、渦発生体２に組み込み渦発生体２の圧力室４内に導入されるカルマン渦に基づく変動圧力を検知するためのセンサであり、圧力検出素子板を内部に収納した振動管１３をその主たる構成要素とする。渦発生体２は被測定流体が流通する流管内に流れに対向して設けられ、カルマン渦を発生させるためのものである。また、渦発生体２は、内部に圧力室４を有し、さらに被測定流体に連通し圧力室４に流体圧を導入する導圧孔５をその側面に有する。なお、渦センサ１０を組み込んだ渦発生体２を備えた渦流量計としては、被測定流体すべてが流量計の測定管（流管１に相当）を通過するような流量計としてもよいし、大口径の流管における流量を測定する場合に好適なようにその流管内に小口径の測定管（流管１に相当）をもつ渦流量計を挿入し、その部分流速から全流量を求める挿入形渦流量計としてもよいが、後者の方が後述する金属粉末射出成型材（ＭＩＭ材）を振動管１３に用いた実施形態には好適である。さらに渦発生体２の形状も、図１（Ｂ）に示す形状や三角柱状でなくとも渦発生体の両側で流れが剥離しカルマン渦が交番発生するような形状であればよい。
【００１８】
本発明において振動管１３は金属製とし、渦発生体２に取り付けるためのフランジ部１１と受圧部１３ａともつ。金属製の振動管１３を用いることで樹脂製振動管を使用した場合に必要であった電磁波シールド材の塗布を必要とせず、電気シールド性を向上させることができる。また、上述の圧力検出素子板としては、振動管１３に軸対称で受圧側に面する平板をもつ導電性の母材１４と母材１４の平板の両側面に各々設けられた圧電素子１５（又は歪ゲージ）とを有するものとする。本発明の主たる特徴として、この圧力検出素子板を、振動管１３に形成された凹陥部の上端部に母材１４の上端接合部１４ｂを固定し、その凹陥部の底部より僅かに離れた壁面に母材１４の下端接触部１４ａを接触させて収納する。そして、絶縁性樹脂のモールド材１６で凹陥部上部を封止することにより、渦センサ１０が製造される。すなわち、渦センサ１０内部の圧電素子１５（又は歪ゲージ）周りを樹脂にてモールドせず、母材１４が図３（Ａ）のごとくＴ字形をしており、その上端接合部１４ｂの外側と金属製振動管１３の内壁とが金属接触のみで接続されている構造（無焼成型構造）をもつものとする。また、固定を確実なものとするため、接着剤で固定することが好ましく、さらに母材１４と振動管１３との熱膨張係数を略等しくするようにしてもよい。
【００１９】
また、本発明の他の主たる特徴として、圧電素子１５（又は歪ゲージ）を振動管１３の上部固定部まで延伸させるよう圧力検出素子板を形成するものとする。ここでは、図３（Ａ）に示すように圧電素子１５の上部を母材１４の上端接合部（上部固定部に相当）１４ｂまで上方に延長した構造をもつものとする。金属振動管を用いることで樹脂製の振動管に比べ出力が低下しＳ／Ｎ比が悪くなるが、圧電素子（又は歪ゲージ）の配置を上部固定部まで延長したことで出力が大きくなりＳ／Ｎ比の向上が可能となる。
【００２０】
また、下端接触部１４ａとしては、図３（Ｂ）に示すように放射状のスリットを有する円板状のばね部をもつようにするとよい。この放射状スリットは、振動管１３の凹陥部の底部より僅かに離れた壁面に設けられた係止溝に対し、外径がその係止溝の内径よりも僅かに大きく形成されている必要がある。図３（Ｂ）で示す下端接触部１４ａにより、振動管１３の凹陥部に対し着脱自在にばね係止することが可能で、圧力検出素子板を振動管１３に収納する際にも便利であり、且つ、圧電素子１５（又は歪ゲージ）の検出を可能とする。
【００２１】
図４は、本発明の一実施形態に係る渦流量計センサにおける振動管の製造方法を説明するためのフロー図である。
上述した渦センサにおける金属製の振動管１３（フランジ部１１及び受圧部１３ａを含む）は、ＭＩＭ（金属粉末射出成型：ＭｅｔａｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇ）材とすることが好ましい。金属粉末射出成型の振動管を用いることで信頼性の高い・安価な振動管及びそれを備えた渦流量計センサ及び渦流量計を提供できる。まず、金属微粒子粉末２２を熱可塑性バインダ２１と混練する（ステップＳ１）。次に、これを射出生成機を用いて成形し（ステップＳ２）、その後、脱バインダ（脱脂）し（ステップＳ３）、焼結する（ステップＳ４）。その後、必要に応じてサイジング（ステップＳ５）、後処理（ステップＳ６）を行うことでＭＩＭ製の振動管（製品２３）が形成される。
【００２２】
ＭＩＭ製法は、３次元的な複雑形状をもつ金属成形部品が量産可能であり、均一収縮するので寸法精度±０.５％と高精度で、且つ相対密度も９５％以上と高いため機械的性質が優れている。さらに、高い展延性をもつのでプレス，曲げ加工が容易である上に各種の熱処理に対応可能であり、また、微粉末を使用するので表面は滑らかになり、メッキ等の各種表面処理が容易である。このように、ＭＩＭ製法はこれまでの金属粉末焼結とは異なり、密度・強度ともに向上しているため、この製法で生成した振動管も高い信頼性を得ることができる。コスト面では、実際に従来の削り振動管に比べて１／１０程度のコストで製造可能となる。これは渦流量計センサ全体で１／４程度のコストに相当し、渦流量計全体で２／５程度のコストに相当する。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、樹脂製振動管を使用した場合に必要であった電磁波シールド材の塗布を必要とせず、高温・高圧に耐えることが可能な金属製の振動管を用いた渦流量計センサにおいて、Ｓ／Ｎ比を向上することが可能となる。
【００２４】
また、本発明によれば、渦流量計センサにおける金属製振動管を、高価な削り加工で製造せず、信頼性が高く、安価に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る渦流量計センサの構成例を示す図である。
【図２】図１の渦流量計センサの詳細を説明するための図である。
【図３】図２の圧力検出素子板の一例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る渦流量計センサにおける振動管の製造方法を説明するためのフロー図である。
【図５】従来技術による渦流量計を説明するための図である。
【図６】従来技術による他の渦流量計センサを説明するための図である。
【符号の説明】
１…流管（管体）、２…渦発生体、３…取付面、４…圧力室、５…導圧孔、１０…渦流量計センサ、１１…フランジ部、１２…シールドケーブル、１２ａ…シールド線、１２ｂ…芯線、１３…振動管、１３ａ…受圧部、１４…母材、１４ａ…下端接触部、１４ｂ…上端接合部、１５…圧電素子、１５ａ…ペースト位置、１６…モールド材、１７…アース線、１８…穴、２１…熱可塑性バインダ、２２…金属微粒子粉末、２３…製品。

Claims

被測定流体が流通する流管内に流れに対向して設けられ、内部に圧力室を有し、さらに被測定流体に連通し該圧力室に流体圧を導入する導圧孔を有する渦発生体に配設するための、該渦発生体における前記圧力室内に導入されるカルマン渦に基づく変動圧力を検知する渦流量計センサにおいて、
前記渦発生体に取り付けるためのフランジ部と受圧部と有する金属製の振動管と、該振動管に軸対称で受圧側に面する平板をもつ導電性の母材と該母材の平板の両側面に各々設けられた圧電素子又は歪ゲージとを有する圧力検出素子板とを備え、前記圧力検出素子板を、前記振動管に形成された凹陥部の上端部に前記母材の上端接合部を固定し、該凹陥部の底部より僅かに離れた壁面に前記母材の下端接触部を接触させて収納し、絶縁性樹脂のモールド材で該凹陥部上部を封止し、且つ、前記圧電素子又は歪ゲージを前記振動管の上端接合部まで延伸させたことを特徴とする渦流量計センサ。
前記母材の下端接触部は、前記振動管の凹陥部の底部より僅かに離れた壁面に設けられた係止溝に、外径が該係止溝の内径よりも僅かに大きい放射状のスリットを有する円板状のばね部をもつことを特徴とする請求項１記載の渦流量計センサ。
前記振動管は、金属粉末射出成型材であることを特徴とする請求項１又は２記載の渦流量計センサ。
請求項１乃至３のいずれか１記載の渦流量計センサを備えたことを特徴とする渦流量計。