JP3736139B2 - Flow measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管内を流れる気体や液体(流体)の流量を測定する流量測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
管内を流れる気体や液体の流量を測定する流量測定装置は、流れる流体によるカルマン渦の発生を検知し、このカルマン渦から流量を算出するカルマン渦流量測定装置と呼ばれる特開昭60−40914号公報に記載されているようなものが一般的である。このカルマン渦流量測定装置では、発生するカルマン渦を検知する手段として、超音波や振動等が利用されている。
【0003】
しかしながら、超音波や振動等の変化を検知するために用いられる検知装置は複雑且つ高コスト、もしくは大型なものとなるといった課題を有している。
【0004】
そこで、この課題を解決するために、カルマン渦発生を検知する手段として、特開平5−172598号公報に代表されるような磁界を用いることが提案されている。
【0005】
ここで、このような流量測定装置について説明する。図7は従来の流量測定装置の構成を示す断面図、図8は従来の流量測定装置を図7と異なる方向から示す断面図である。
【0006】
流体が通過する管1内には、カルマン渦を発生させる渦発生体6が設置されている。また、渦発生体6より流体通過方向下流側における管1内には、電極4が設置されている。そして、渦発生体6は電極4に対する対極電極としての機能も兼ねている。
【0007】
管1の外周における所定位置には、管1を挟むようにしてS極とN極とが相互に対向配置された磁石からなる磁界発生装置3が設けられている。この磁界発生装置3は、磁界発生装置3の磁界方向が渦発生体6と電極4に対して垂直になるようにして設置されている。
【0008】
渦発生体6および電極4には、流体の流量を算出する演算部5が電気的に接続されている。
【0009】
このような流量測定装置によれば、カルマン渦に伴って渦発生体6と電極4との間を横切る流体の流速変化による磁界変化で誘導起電力が発生するので、この誘導起電力の変化による周波数のカウントを演算部5により行えば流量の算出ができることになる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の流量測定装置では、カルマン渦発生に伴う誘導起電力検知を行うために、流体の流れの乱れや渦の発生状態による乱れのためにノイズが多く発生して正確な流量検知が困難となる。
【0011】
ここで、ノイズ対策を行うための回路を導入することも考えられるが、これでは装置構造が複雑になって高コストになる。
【0012】
さらに、測定に最適な流量から流量が変化すると、流量に対するカルマン渦発生の精度が低下したり、流量増大に伴いノイズが増加するので、周波数の検知精度が低くなって測定範囲が狭くなる。
【0013】
そして、磁界発生装置に直流磁石を用いて検知を行う場合、磁石の経時変化による性能低下や電極に発生する分極による誘導起電力の低下でレベルが変化し、正確な流量検知が困難になる。
【0014】
そこで、本発明は、高い測定精度を有する流量測定装置を提供することを目的とする。
【0015】
また、本発明は、低コストで高精度な流量測定装置を提供することを目的とする。
【0016】
さらに、本発明は、広い測定範囲を有する流量測定装置を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の流量測定装置は、導電性をもつ流体が流れる管内に設置され、流体に対して下流側に向けてカルマン渦を発生させる渦発生体と、渦発生体の流体通過方向下流側における管の外周に設置され、発生した磁界が管内を横切る磁界発生装置と、磁界発生装置で発生する磁界と垂直に交差する位置に設置され、流体が磁界内を通過するときの磁界変化による誘導起電力を検出する一対の電極と、電極と電気的に接続され、電極に発生した誘導起電力から管内を流れる流体の流量を算出する演算部とを備え、演算部は、流量に比例して変化する直流成分の誘導起電力から第1の流量値を、カルマン渦によりパルス状に発生する交流成分の周波数から第2の流量値をそれぞれ求め、第1の流量値が交流成分検知の範囲外のときには第1の流量値を測定流量値とし、第1の流量値が交流成分検知の範囲内のときには第2の流量値を測定流量値とする構成としたものである。
【0018】
これにより、高い精度で流量測定をすることが可能になる。また、ノイズ対策のための回路が不要になるので、低コストで高精度の流量測定をすることが可能になる。さらに、カルマン渦の発生流量値の範囲を超えた流量検知が可能になるので、広範囲にわたって流量測定をすることが可能になる。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、導電性をもつ流体が流れる管内に設置され、流体に対して下流側に向けてカルマン渦を発生させる渦発生体と、渦発生体の流体通過方向下流側における管の外周に設置され、発生した磁界が管内を横切る磁界発生装置と、磁界発生装置で発生する磁界と垂直に交差する位置に設置され、流体が磁界内を通過するときの磁界変化による誘導起電力を検出する一対の電極と、電極と電気的に接続され、電極に発生した誘導起電力から管内を流れる流体の流量を算出する演算部とを備え、演算部は、流量に比例して変化する直流成分の誘導起電力から第1の流量値を、カルマン渦によりパルス状に発生する交流成分の周波数から第2の流量値をそれぞれ求め、第1の流量値が交流成分検知の範囲外のときには第1の流量値を測定流量値とし、第1の流量値が交流成分検知の範囲内のときには第2の流量値を測定流量値とする流量測定装置であり、高い精度で流量測定をすることが可能になるという作用を有する。また、ノイズ対策のための回路が不要になるので、低コストで高精度の流量測定をすることが可能になるという作用を有する。さらに、カルマン渦の発生流量値の範囲を超えた流量検知が可能になるので、広範囲にわたって流量測定をすることが可能になるという作用を有する。
【0020】
本発明の請求項2に記載の発明は、請求項1記載の発明において、演算部は、第1の流量値が交流成分検知の範囲内のときには、第2の流量値から算出された補正値より第1の流量値を測定流量値とする流量測定装置であり、交流成分から流体の流量を算出し、誘導起電力の直流成分を経時的に変化させる磁束密度の変化や電極抵抗の変化に対する補正を行うことができるので、より高い精度で流量測定をすることが可能になるという作用を有する。
【0021】
本発明の請求項3に記載の発明は、請求項1または2記載の発明において、演算部は、補正値が所定の値を上回る場合には機器異常と判断する流量測定装置であり、装置の信頼性を向上させることが可能になるという作用を有する。
【0022】
本発明の請求項4に記載の発明は、請求項1、2または3記載の発明において、渦発生体は、磁界発生装置の磁界方向と垂直に設置されている流量測定装置であり、渦発生体から発生するカルマン渦列が磁界の方向を占めながら下流側へと進行するようになるので、流体の流速に対するカルマン渦の進行速度の変化をパルス状の交流成分の周波数の変化として正確に検知することが可能になるという作用を有する。
【0023】
本発明の請求項5に記載の発明は、請求項1、2、3または4記載の発明において、磁界発生装置は永久磁石からなる流量測定装置であり、励磁用の電力発生部が不要になるので、装置の小型化、省電力化および低コスト化を図ることが可能になるという作用を有する。
【0024】
以下、本発明の実施の形態について、図1から図6を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【0025】
図1は本発明の一実施の形態である流量測定装置の構成を示す断面図、図2は本発明の一実施の形態である流量測定装置の構成を図1と異なる方向から示す断面図、図3は流量と誘導起電力との関係を示すグラフ、図4はカルマン渦発生に伴いパルス状に変化する誘導起電力を示すグラフ、図5は図1および図2の流量測定装置の演算部において行われる信号処理を示す説明図、図6は図1および図2の流量測定装置の演算部における流量算出処理の流れを示すフローチャートである。
【0026】
図1および図2に示すように、たとえばφ10mmの内径を有し、導電性をもつ液体もしくは気体(本明細書において、これらをまとめて「流体」という。)が流れる管1の内部には、流体中に位置してこの流体にカルマン渦列を発生させる渦発生体2が設置されている。この渦発生体2は、たとえば幅2.2mm、高さ3mmの二等辺三角柱の形状とされている。但し、渦発生体は、カルマン渦列を発生させることができれば、どのような形状でもよい。
【0027】
渦発生体2の流体通過方向下流側には一対の電極4が対向配置されている。また、管1の外周には、管1を挟むようにしてS極とN極とが相互に対向配置された磁石からなる磁界発生装置3が設けられている。そして、電極4は、磁界発生装置3で発生した磁界に対して垂直に交差する位置に配置されている。これにより、渦発生体2により生成された流体のカルマン渦が磁界を横切るときの磁界の変化により、電極4には誘導起電力が発生する。なお、渦発生体2は磁界発生装置3の磁界方向に対して垂直に設置されている。
【0028】
電極4の両極には、このようにして得られた誘導起電力の大きさから管1内を流れる流体の流量を算出する演算部5が電気的に接続されている。
【0029】
次に、このような構成を有する流量測定装置の動作について説明する。
管1内を流れる流体は、磁界発生装置3で発生している磁界内を通過する。このとき、図3に示すように、ファラデーの法則に従い、電極4間には流量に比例した誘導起電力が発生する。
【0030】
したがって、この誘導起電力を検知すれば、管1内を流れる流体の流量が算出できることになる。
【0031】
また、管1内に流れる流体には、渦発生体2により周期的にカルマン渦が発生する。この渦発生の周期は、ストローハルの研究により知られているように、流速に対して比例関係が成立する。また、発生したカルマン渦列の回転速度は流体の速度と異なるため、カルマン渦列が磁界発生装置3を通過することにより、図4に示すように、速度の変化が誘導起電力の変化としてパルス状に現われる。
【0032】
したがって、この流量に比例してパルス状に変化する周波数をカウントすれば、管1内を流れる流体の流量が算出できることになる。
【0033】
このように、管1内を流れる流体の流量は、流量に比例して変化する直流成分の誘導起電力とパルス状に発生する交流成分の周波数から算出することが可能である。
【0034】
なお、本実施の形態の流量測定装置の場合、流量検知範囲を1L/min〜7L/minに設定するために、磁界発生装置3には、配管中心の磁束密度を高めるために、希土類の永久磁石を用い、管径の1/2の幅を持つ磁石としている(5mm×5mm×3mm、磁束密度1(T))。また、電極4間には100mV程度の誘導起電力を得る設定としている。
【0035】
しかしながら、得られる誘導起電力の大きさは設置状態によるノイズの大きさや回路構成により設定する必要があるので、それに伴い磁界発生装置3に使用する磁石の磁束密度を適宜設定するのがよい。
【0036】
次に、得られる誘導起電力の信号処理について図5および図6を用いて説明する。
【0037】
図5に示すように、得られる誘導起電力は、流量に対して比例する直流成分とカルマン渦発生に伴うパルス状の交流成分とに分けて処理される。そして、誘導起電力の直流成分は平滑化およびA/D変換された後、所定の算出式に従って流量値として算出される。本実施の形態の場合、直流成分から得られる電圧値E(mV)から、流量Q(L/min)の比例関係は、ファラデーの法則により、配管内の磁束密度をB、平均速度をv、管径をDとおくと、
E=B×v×D
として求められるから、流量Qを求める式に変換すると、
Q=E×((D/2)2×π)/(B×D)
となり、本条件の管径D=10(mm)、磁束密度B=1(T)を代入し、さらに、流量Q(L/min)=速度v(m/s)×管断面積A(m2)であるから、求める流量値(第1の流量値)Q1は、
Q1=E×((10×10-3/2)2×π)
/1/10×10-3×60/10-3
=470×E
として求めることができる。
【0038】
さらに、本発明では、経時的に変化する磁束密度Bの減磁等の変化を補正するために交流成分の流量算出値Q2との比較により、流量値を補正する補正値Cを乗算し、以下の式によって求めるようにしている。
【0039】
Q1=470×E×C
この補正値Cは、当初、C=1を与えて、以下に述べるように繰り返し測定することで、測定条件ごとに収斂した値を得ることができる。
【0040】
また、誘導起電力の交流成分は、増幅部を経てコンパレータにて周波数fをカウント後、カウント回数にて平均し、所定の算出式に従って流量値として算出される。
【0041】
本実施の形態の場合では、カルマン渦発生の周波数と流速の比例関係は、一般に周波数f(Hz)と流速v(m/s)と、渦発生体の径d(m)、比例定数をSt(ストローハル数)とおくと、
f=St×v/d
として求められる。
【0042】
ここで、レイノルズ数Reは、
Re=v・d/ν
(νは水の動粘性係数、vは速度、dは渦発生体の径)
である。
【0043】
そして、本実施の形態では水の流量を測定しているので、動粘性係数νは、
ν=1.004×10-6m2/s(20℃,1atm)
であり、渦発生体の径d=2.2mm、流量Q=1〜7(L/min)としている。
【0044】
そして、流量Q(L/min)=速度v(m/s)×管断面積A(m2)の関係からレイノルズ数Reを求めると、
Re=v・d/ν=2.3×102〜3.4×103
となる。
【0045】
ところで、このレイノルズ数の範囲では、上記ストローハル数はSt=0.2として与えることができる。
【0046】
St=0.2
したがって、流量Qを求める式に変換すると、
Q=f×((D/2)2×π)×d/St
となり、本条件を代入すると、流量値(第2の流量値)Q2(L/min)は、
Q2=0.05×f
の式にて求めることができる。
【0047】
なお、上記の実施の形態では、Q=1〜7(L/min)、ν=1.004×10-6m2/sの水を用いて説明したが、Re=102〜105の範囲でストローハル数St=0.2であるから、上記の計算式を共通に使用でき、水相当の液体であれば概ねQ=500(L/min)程度の測定が可能である。
【0048】
また、上記レイノルズ数の範囲外においても、流量Q、動粘性係数νに応じてストローハル数Stを選定すれば、さらに広範囲の測定を可能とすることができる。
【0049】
ところで、上記のような構成の流量測定装置において、図6のフローチャートに示すように、得られた流量値Q1、Q2は交流成分検知の上限設定値と下限設定値との関係において処理される。
【0050】
ここで、図9に示す渦発生の周波数と流量との関係に表されているように、渦発生の周波数と流量との関係は、測定する流量範囲において、大流量部と小流量部において線形性が低下する。
【0051】
これは、図10の起電力信号のS/Nと流量の関係に示すように、得られる起電力信号のS/Nが測定する流量範囲の大流量部と小流量部において低下しているからである。
【0052】
この大流量部におけるS/Nの低下は、流量の増加により流体内に乱流が発生し、渦発生を妨げると同時にノイズ成分を増大させ、S/Nレベルを低下させる。
【0053】
また、小流量部におけるS/Nの低下は、流量低下による渦速度の低下により、信号レベルが低下することからS/Nレベルも低下するものである。
【0054】
したがって、本実施の形態では、流量の検知精度の確保できる回路上必要な誘導起電力のS/N値レベルを10dBと設定し、小流量部の下限値を2L/minとし、大流量部の上限値を7L/minと設定している。
【0055】
しかしながら、設定した流量値は、回路条件等の変化により入力、処理される信号レベルは大きく変わるため、適宜設定することが望ましい。
【0056】
図6に示すように、先ず、2つの流量値Q1、Q2が算出され(ステップS1)、流量値Q1が交流成分検知の下限設定値以上かどうかが判断される(ステップS2)。
【0057】
そして、流量値Q1が下限設定値を下回る場合には直ちに流量値Q1が選択され(ステップS3)、その値が測定流量値とされる。また、流量値Q1が下限設定値以上の場合には、流量値Q1が交流成分検知の上限設定値以下かどうかが判断される(ステップS4)。
【0058】
そして、流量値Q1が上限設定値を上回る場合には流量値Q1が選択され(ステップS3)、その値が測定流量値とされる。また、流量値Q1が上限設定値以下の場合には、つまり、流量値Q1が予め設定された流量範囲内の場合には、流量値Q2が選択され(ステップS5)、その値が測定流量値とされる。
【0059】
ここで、流量値Q1が予め設定された流量範囲内の場合には流量値Q2を測定流量値とすることもできるが、さらに進んで、本実施の形態では、流量値Q2が選択されたならば、直流成分の誘導起電力Eから補正値Cが算出される(ステップS6)。ここで、補正値Cは以下の式にて算出される。
【0060】
C=Q2/(0.1×E)
そして、求められた補正値Cが、電極抵抗の増加や磁界強度の低下による誘導起電力の低下を検知するために予め設定された値(ここでは、0.5)以下かどうかが判断される(ステップS7)。
【0061】
そして、補正値Cが0.5を上回る場合には機器異常(たとえば、経時的劣化による電極4の異常や磁界発生装置3の磁力低下異常など)として検知され(ステップS8)、補正値Cが0.5以下の場合には当該補正値Cが記憶されて(ステップS9)、流量値Q1が選択される(ステップS3)。
【0062】
なお、本実施の形態では、用いた回路の起電力信号の検知レベルから、初期条件の1/2低下の値の0.5以上の値で機器異常としているが、検知回路のS/N比や増幅等の理由により、この値は適宜設定される。
【0063】
このように、本実施の形態の流量測定装置によれば、流量に比例して変化する直流成分の誘導起電力から流量値Q1を、カルマン渦によりパルス状に発生する交流成分の周波数から流量値Q2をそれぞれ求め、流量値Q1が交流成分検知の範囲外のときにはその流量値Q1を測定流量値とし、範囲内のときには流量値Q2から算出された補正値Cより流量値Q1を測定流量値としているので、高い精度で流量測定をすることが可能になる。
【0064】
また、ノイズ対策のための回路が不要になるので、低コストで高精度の流量測定をすることが可能になる。
【0065】
さらに、カルマン渦の発生流量値の範囲を超えた流量検知が可能になるので、広範囲にわたって流量測定をすることが可能になる。
【0066】
流量値Q1が交流成分検知の範囲内のときには、流量値Q2から算出された補正値Cより流量値Q1を測定流量値とするようにすれば、交流成分から流体の流量を算出し、誘導起電力の直流成分を経時的に変化させる磁束密度の変化や電極抵抗の変化に対する補正を行うことができ、より高い精度で流量測定をすることが可能になる。
【0067】
流量値Q2と直流成分の誘導起電力Eから求められる補正値Cが所定の値を上回る場合には機器異常としているので、装置の信頼性を向上させることが可能になる。
【0068】
渦発生体2が磁界発生装置3の磁界方向と垂直に設置されているので、渦発生体2から発生するカルマン渦列が磁界の方向を占めながら下流側へと進行するようになるので、流体の流速に対するカルマン渦の進行速度の変化をパルス状の交流成分の周波数の変化として正確に検知することが可能になる。
【0069】
そして、磁界発生装置3に永久磁石が用いられているので、物体を励磁するための電力発生部が不要になり、装置の小型化、省電力化および低コスト化を図ることが可能になる。
【0070】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、導電性をもつ流体の流量を流量と比例する誘導起電力の直流成分とカルマン渦発生に伴いパルス状に発生する誘導起電力の交流成分の両方から算出しているので、高い精度で流量測定をすることが可能になるという有効な効果が得られる。
【0071】
また、本発明によれば、ノイズ対策のための回路が不要になるので、低コストで高精度の流量測定をすることが可能になるという有効な効果が得られる。
【0072】
さらに、本発明によれば、カルマン渦の発生流量値の範囲を超えた流量検知が可能になるので、広範囲にわたって流量測定をすることが可能になるという有効な効果が得られる。
【0073】
第1の流量値が交流成分検知の範囲内のときには、第2の流量値から算出された補正値より第1の流量値を測定流量値とすれば、交流成分から流体の流量を算出し、誘導起電力の直流成分を経時的に変化させる磁束密度の変化や電極抵抗の変化に対する補正を行うことができるので、より高い精度で流量測定をすることが可能になるという有効な効果が得られる。
【0074】
補正値が所定の値を上回る場合には機器異常と判断すれば、装置の信頼性を向上させることが可能になるという有効な効果が得られる。
【0075】
渦発生体を磁界発生装置の磁界方向と垂直に設置すれば、渦発生体から発生するカルマン渦列が磁界の方向を占めながら下流側へと進行するようになるので、流体の流速に対するカルマン渦の進行速度の変化をパルス状の交流成分の周波数の変化として正確に検知することが可能になるという有効な効果が得られる。
【0076】
磁界発生装置を永久磁石により構成すれば、励磁用の電力発生部が不要になるので、装置の小型化、省電力化および低コスト化を図ることが可能になるという有効な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である流量測定装置の構成を示す断面図
【図2】本発明の一実施の形態である流量測定装置の構成を図1と異なる方向から示す断面図
【図3】流量と誘導起電力との関係を示すグラフ
【図4】カルマン渦発生に伴いパルス状に変化する誘導起電力を示すグラフ
【図5】図1および図2の流量測定装置の演算部において行われる信号処理を示す説明図
【図6】図1および図2の流量測定装置の演算部における流量算出処理の流れを示すフローチャート
【図7】従来の流量測定装置の構成を示す断面図
【図8】従来の流量測定装置を図7と異なる方向から示す断面図
【図9】渦発生周波数と流量との関係を示すグラフ
【図10】起電力信号のS/Nと流量との関係を示すグラフ
【符号の説明】
1 管
2 渦発生体
3 磁界発生装置
4 電極
5 演算部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow rate measuring device that measures the flow rate of a gas or liquid (fluid) flowing in a pipe.
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-40914 called a Karman vortex flow measuring device that detects the generation of Karman vortices by flowing fluid and calculates the flow rate from the Karman vortices. The ones described in are generally used. In this Karman vortex flow rate measuring apparatus, ultrasonic waves, vibrations, and the like are used as means for detecting the generated Karman vortex.
[0003]
However, a detection device used to detect changes in ultrasonic waves, vibrations, and the like has a problem that it is complicated, expensive, and large.
[0004]
In order to solve this problem, it has been proposed to use a magnetic field represented by Japanese Patent Laid-Open No. 5-172598 as means for detecting the generation of Karman vortices.
[0005]
Here, such a flow rate measuring apparatus will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional flow rate measuring device, and FIG. 8 is a cross-sectional view showing the conventional flow rate measuring device from a direction different from FIG.
[0006]
A
[0007]
At a predetermined position on the outer periphery of the
[0008]
The
[0009]
According to such a flow rate measuring device, an induced electromotive force is generated due to a magnetic field change caused by a change in the flow velocity of the fluid crossing between the
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional flow rate measuring apparatus as described above, in order to detect the induced electromotive force accompanying the Karman vortex generation, a lot of noise is generated due to the disturbance of the fluid flow and the disturbance due to the vortex generation state. It becomes difficult to detect the flow rate.
[0011]
Here, it is conceivable to introduce a circuit for taking measures against noise. However, this complicates the structure of the apparatus and increases the cost.
[0012]
Furthermore, if the flow rate changes from the optimal flow rate for measurement, the accuracy of Karman vortex generation with respect to the flow rate decreases, or noise increases with the increase in flow rate, so the frequency detection accuracy decreases and the measurement range becomes narrow.
[0013]
When detection is performed using a direct current magnet in the magnetic field generator, the level changes due to performance degradation due to aging of the magnet or induced electromotive force due to polarization generated in the electrodes, making accurate flow rate detection difficult.
[0014]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a flow rate measuring device having high measurement accuracy.
[0015]
Another object of the present invention is to provide a low-cost and highly accurate flow rate measuring device.
[0016]
Furthermore, an object of this invention is to provide the flow measuring device which has a wide measurement range.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, a flow measuring device according to the present invention includes a vortex generator that is installed in a pipe through which a conductive fluid flows, and that generates a Karman vortex toward the downstream side of the fluid, and a vortex generator Is installed on the outer circumference of the pipe on the downstream side in the fluid passage direction, and the magnetic field generated by the generated magnetic field traverses the inside of the pipe and the position perpendicularly intersecting the magnetic field generated by the magnetic field generating apparatus, and the fluid passes through the magnetic field. A pair of electrodes that detect an induced electromotive force due to a change in magnetic field, and a calculation unit that is electrically connected to the electrode and calculates a flow rate of a fluid flowing in the pipe from the induced electromotive force generated in the electrode. The first flow rate value is obtained from the induced electromotive force of the direct current component that changes in proportion to the flow rate, and the second flow rate value is obtained from the frequency of the alternating current component generated in a pulsed manner by the Karman vortex. Range of AC component detection When the outside as the measurement flow rate value of the first flow rate value, when the first flow rate value is within a range of AC component detection is obtained by a configuration in which the measurement flow rate value and the second flow rate value.
[0018]
This makes it possible to measure the flow rate with high accuracy. In addition, since a circuit for noise suppression is unnecessary, it is possible to measure the flow rate with high accuracy at low cost. Furthermore, since it is possible to detect the flow rate exceeding the range of the Karman vortex generation flow rate value, it is possible to measure the flow rate over a wide range.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the first aspect of the present invention, a vortex generator that is installed in a pipe through which a fluid having conductivity flows and generates a Karman vortex toward the downstream side of the fluid, and a fluid passing direction of the vortex generator A magnetic field generator installed on the outer periphery of the pipe on the downstream side, where the generated magnetic field crosses the inside of the pipe, and a magnetic field change when the fluid passes through the magnetic field installed at a position perpendicular to the magnetic field generated by the magnetic field generator. A pair of electrodes for detecting the induced electromotive force due to the liquid crystal, and a calculation unit that is electrically connected to the electrode and calculates the flow rate of the fluid flowing in the pipe from the induced electromotive force generated at the electrode, the calculation unit being proportional to the flow rate The first flow rate value is obtained from the induced electromotive force of the direct current component that changes and the second flow rate value is obtained from the frequency of the alternating current component generated in a pulsed manner by Karman vortex. First when out of range This is a flow rate measurement device that uses the flow rate value as the measured flow rate value, and when the first flow rate value is within the range of AC component detection, the second flow rate value as the measured flow rate value, making it possible to measure the flow rate with high accuracy. It has the effect of becoming. In addition, since a circuit for countermeasures against noise is not required, the flow rate can be measured with high accuracy at low cost. Furthermore, since it is possible to detect the flow rate exceeding the range of the generated flow value of the Karman vortex, the flow rate can be measured over a wide range.
[0020]
The invention according to
[0021]
The invention according to
[0022]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first, second, or third aspect of the invention, the vortex generator is a flow rate measuring device installed perpendicular to the magnetic field direction of the magnetic field generator. The Karman vortex train generated from the body moves downstream while occupying the direction of the magnetic field, so the change in the Karman vortex velocity with respect to the fluid flow velocity is accurately detected as a change in the frequency of the pulsed AC component. It has the effect that it becomes possible to do.
[0023]
According to a fifth aspect of the present invention, in the first, second, third, or fourth aspect of the invention, the magnetic field generator is a flow rate measuring device made of a permanent magnet, and an electric power generator for excitation is not required. As a result, the apparatus can be reduced in size, saved in power, and reduced in cost.
[0024]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In these drawings, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0025]
1 is a cross-sectional view showing a configuration of a flow rate measuring device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of the flow rate measuring device according to an embodiment of the present invention from a direction different from FIG. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the flow rate and the induced electromotive force, FIG. 4 is a graph showing the induced electromotive force that changes in a pulse shape with the generation of Karman vortex, and FIG. 5 is a calculation unit of the flow rate measuring device of FIGS. FIG. 6 is a flowchart showing the flow of flow rate calculation processing in the calculation unit of the flow rate measuring device of FIGS. 1 and 2.
[0026]
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, for example, the inside of a
[0027]
A pair of
[0028]
A
[0029]
Next, the operation of the flow rate measuring apparatus having such a configuration will be described.
The fluid flowing in the
[0030]
Therefore, if this induced electromotive force is detected, the flow rate of the fluid flowing in the
[0031]
In addition, Karman vortices are periodically generated by the
[0032]
Therefore, if the frequency that changes in a pulse shape in proportion to the flow rate is counted, the flow rate of the fluid flowing in the
[0033]
As described above, the flow rate of the fluid flowing in the
[0034]
In the case of the flow rate measuring device of the present embodiment, in order to set the flow rate detection range to 1 L / min to 7 L / min, the
[0035]
However, since the magnitude of the induced electromotive force to be obtained needs to be set according to the magnitude of noise depending on the installation state and the circuit configuration, it is preferable to appropriately set the magnetic flux density of the magnet used in the
[0036]
Next, signal processing of the induced electromotive force obtained will be described with reference to FIGS.
[0037]
As shown in FIG. 5, the induced electromotive force obtained is processed by being divided into a DC component proportional to the flow rate and a pulsed AC component accompanying Karman vortex generation. The DC component of the induced electromotive force is smoothed and A / D converted, and then calculated as a flow value according to a predetermined calculation formula. In the case of the present embodiment, from the voltage value E (mV) obtained from the direct current component, the proportional relationship of the flow rate Q (L / min) is, according to Faraday's law, the magnetic flux density in the pipe is B, the average speed is v, If the tube diameter is D,
E = B × v × D
Therefore, when converted to an equation for determining the flow rate Q,
Q = E × ((D / 2) 2 × π) / (B × D)
Then, the tube diameter D = 10 (mm) and the magnetic flux density B = 1 (T) in this condition are substituted, and further, the flow rate Q (L / min) = speed v (m / s) × tube cross-sectional area A (m 2 ) Therefore, the desired flow rate value (first flow rate value) Q1 is
Q1 = E × ((10 × 10 −3 / 2) 2 × π)
/ 1/10 × 10 −3 × 60/10 −3
= 470 × E
Can be obtained as
[0038]
Further, in the present invention, in order to correct a change such as demagnetization of the magnetic flux density B that changes with time, a correction value C for correcting the flow rate value is multiplied by comparison with the flow rate calculation value Q2 of the AC component, It is calculated by the following formula.
[0039]
Q1 = 470 × E × C
The correction value C is initially given C = 1 and repeatedly measured as described below, whereby a converged value can be obtained for each measurement condition.
[0040]
Further, the AC component of the induced electromotive force is calculated as a flow rate value according to a predetermined calculation formula after the frequency f is counted by the comparator through the amplifying unit and then averaged by the number of counts.
[0041]
In the case of the present embodiment, the proportional relationship between the frequency of Karman vortex generation and the flow velocity is generally the frequency f (Hz), the flow velocity v (m / s), the diameter d (m) of the vortex generator, and the proportionality constant St. (Strawhal number)
f = St × v / d
As required.
[0042]
Here, the Reynolds number Re is
Re = v · d / ν
(Ν is the kinematic viscosity coefficient of water, v is the velocity, d is the diameter of the vortex generator)
It is.
[0043]
Since the flow rate of water is measured in this embodiment, the kinematic viscosity coefficient ν is
ν = 1.004 × 10 −6 m 2 / s (20 ° C., 1 atm)
The diameter d of the vortex generator is 2.2 mm, and the flow rate Q is 1 to 7 (L / min).
[0044]
When obtaining the Reynolds number Re from the relationship of the flow rate Q (L / min) = velocity v (m / s) × Kandan area A (m 2),
Re = v · d / ν = 2.3 × 10 2 to 3.4 × 10 3
It becomes.
[0045]
By the way, in the range of this Reynolds number, the Strouhal number can be given as St = 0.2.
[0046]
St = 0.2
Therefore, when converted into an equation for obtaining the flow rate Q,
Q = f × ((D / 2) 2 × π) × d / St
When this condition is substituted, the flow rate value (second flow rate value) Q2 (L / min) is
Q2 = 0.05 × f
It can obtain | require by the type | formula of.
[0047]
In the above embodiment, Q = 1 to 7 (L / min) and ν = 1.004 × 10 −6 m 2 / s of water have been described, but Re = 10 2 to 10 5 . Since the Strouhal number St = 0.2 in the range, the above-described calculation formula can be used in common, and a measurement of approximately Q = 500 (L / min) is possible if the liquid is equivalent to water.
[0048]
Even outside the range of the Reynolds number, if the Strouhal number St is selected according to the flow rate Q and the kinematic viscosity coefficient ν, a wider range of measurement can be made possible.
[0049]
By the way, in the flow rate measuring apparatus configured as described above, as shown in the flowchart of FIG. 6, the obtained flow rate values Q1 and Q2 are processed in the relationship between the upper limit set value and the lower limit set value for AC component detection.
[0050]
Here, as shown in the relationship between the vortex generation frequency and the flow rate shown in FIG. 9, the relationship between the vortex generation frequency and the flow rate is linear in the large flow rate portion and the small flow rate portion in the flow rate range to be measured. Sex is reduced.
[0051]
This is because, as shown in the relationship between the S / N of the electromotive force signal and the flow rate in FIG. 10, the S / N of the obtained electromotive force signal decreases in the large flow rate portion and the small flow rate portion of the flow rate range to be measured. It is.
[0052]
This decrease in S / N in the large flow rate portion causes turbulent flow in the fluid due to the increase in flow rate, preventing vortex generation and simultaneously increasing noise components and lowering the S / N level.
[0053]
Further, the S / N decrease in the small flow rate portion is caused by the decrease in the signal level due to the decrease in the vortex velocity due to the decrease in the flow rate, so that the S / N level also decreases.
[0054]
Therefore, in this embodiment, the S / N value level of the induced electromotive force necessary on the circuit that can ensure the flow rate detection accuracy is set to 10 dB, the lower limit value of the small flow rate portion is set to 2 L / min, and the large flow rate portion The upper limit is set to 7 L / min.
[0055]
However, the set flow rate value is desirably set appropriately because the signal level to be input and processed varies greatly depending on changes in circuit conditions and the like.
[0056]
As shown in FIG. 6, first, two flow rate values Q1 and Q2 are calculated (step S1), and it is determined whether or not the flow rate value Q1 is greater than or equal to a lower limit set value for AC component detection (step S2).
[0057]
When the flow rate value Q1 falls below the lower limit set value, the flow rate value Q1 is immediately selected (step S3), and that value is set as the measured flow rate value. If the flow rate value Q1 is equal to or higher than the lower limit set value, it is determined whether the flow rate value Q1 is equal to or lower than the upper limit set value for AC component detection (step S4).
[0058]
When the flow rate value Q1 exceeds the upper limit set value, the flow rate value Q1 is selected (step S3), and that value is set as the measured flow rate value. Further, when the flow rate value Q1 is equal to or lower than the upper limit set value, that is, when the flow rate value Q1 is within the preset flow rate range, the flow rate value Q2 is selected (step S5), and that value is the measured flow rate value. It is said.
[0059]
Here, when the flow rate value Q1 is within a preset flow rate range, the flow rate value Q2 can be set as the measured flow rate value. However, in the present embodiment, if the flow rate value Q2 is selected, For example, the correction value C is calculated from the induced electromotive force E of the DC component (step S6). Here, the correction value C is calculated by the following equation.
[0060]
C = Q2 / (0.1 × E)
Then, it is determined whether or not the obtained correction value C is equal to or less than a preset value (here, 0.5) in order to detect a decrease in induced electromotive force due to an increase in electrode resistance or a decrease in magnetic field strength. (Step S7).
[0061]
When the correction value C exceeds 0.5, it is detected as an equipment abnormality (for example, abnormality of the
[0062]
In this embodiment, the device abnormality is determined to be 0.5 or more of the value of 1/2 reduction of the initial condition from the detection level of the electromotive force signal of the circuit used, but the S / N ratio of the detection circuit This value is set as appropriate for reasons such as amplification and amplification.
[0063]
Thus, according to the flow rate measuring apparatus of the present embodiment, the flow rate value Q1 is derived from the induced electromotive force of the direct current component that changes in proportion to the flow rate, and the flow rate value is derived from the frequency of the alternating current component generated in a pulsed manner by the Karman vortex. Q2 is obtained, and when the flow rate value Q1 is outside the range of AC component detection, the flow rate value Q1 is set as the measured flow rate value. When the flow rate value Q1 is within the range, the flow rate value Q1 is set as the measured flow rate value from the correction value C calculated from the flow rate value Q2. Therefore, the flow rate can be measured with high accuracy.
[0064]
In addition, since a circuit for noise suppression is unnecessary, it is possible to measure the flow rate with high accuracy at low cost.
[0065]
Furthermore, since it is possible to detect the flow rate exceeding the range of the Karman vortex generation flow rate value, it is possible to measure the flow rate over a wide range.
[0066]
When the flow rate value Q1 is within the range of AC component detection, if the flow rate value Q1 is set as the measured flow rate value from the correction value C calculated from the flow rate value Q2, the flow rate of the fluid is calculated from the AC component, and the induction Correction for changes in magnetic flux density and changes in electrode resistance that change the DC component of power over time can be performed, and flow measurement can be performed with higher accuracy.
[0067]
When the correction value C obtained from the flow rate value Q2 and the induced electromotive force E of the DC component exceeds a predetermined value, it is determined that the device is abnormal, so that the reliability of the apparatus can be improved.
[0068]
Since the
[0069]
Since a permanent magnet is used for the
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the flow rate of the fluid having conductivity is calculated from both the DC component of the induced electromotive force that is proportional to the flow rate and the AC component of the induced electromotive force that is generated in a pulsed manner when the Karman vortex is generated. Therefore, it is possible to obtain an effective effect that the flow rate can be measured with high accuracy.
[0071]
In addition, according to the present invention, since a circuit for noise suppression is not necessary, it is possible to obtain an effective effect that the flow rate can be measured with high accuracy at low cost.
[0072]
Furthermore, according to the present invention, it is possible to detect the flow rate exceeding the range of the generated flow value of the Karman vortex, so that it is possible to obtain an effective effect that the flow rate can be measured over a wide range.
[0073]
When the first flow rate value is within the range of AC component detection, if the first flow rate value is the measured flow rate value from the correction value calculated from the second flow rate value, the fluid flow rate is calculated from the AC component, Since it is possible to correct for changes in magnetic flux density and changes in electrode resistance that change the DC component of the induced electromotive force over time, it is possible to obtain an effective effect of enabling flow measurement with higher accuracy. .
[0074]
If the correction value exceeds a predetermined value, it is possible to improve the reliability of the apparatus if it is determined that the device is abnormal.
[0075]
If the vortex generator is installed perpendicularly to the magnetic field direction of the magnetic field generator, the Karman vortex train generated from the vortex generator will travel downstream while occupying the direction of the magnetic field. It is possible to obtain an effective effect that it is possible to accurately detect the change in the traveling speed of the current as the change in the frequency of the pulsed AC component.
[0076]
If the magnetic field generator is composed of permanent magnets, an exciting power generator is not required, so that it is possible to obtain an effective effect that the device can be reduced in size, reduced in power consumption, and reduced in cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a flow rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a flow rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention from a direction different from FIG. 3 is a graph showing the relationship between the flow rate and the induced electromotive force. FIG. 4 is a graph showing the induced electromotive force that changes in a pulse shape as Karman vortices are generated. FIG. 5 is an operation of the flow rate measuring device shown in FIGS. FIG. 6 is a flow chart showing the flow of flow rate calculation processing in the calculation unit of the flow rate measuring device of FIGS. 1 and 2. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional flow rate measuring device. 8 is a cross-sectional view showing a conventional flow rate measuring device from a direction different from FIG. 7. FIG. 9 is a graph showing the relationship between vortex generation frequency and flow rate. FIG. 10 is a relationship between S / N of electromotive force signal and flow rate. Graph [Explanation of symbols]
1
Claims (5)
前記渦発生体の流体通過方向下流側における前記管の外周に設置され、発生した磁界が前記管内を横切る磁界発生装置と、
前記磁界発生装置で発生する磁界と垂直に交差する位置に設置され、前記流体が磁界内を通過するときの磁界変化による誘導起電力を検出する一対の電極と、
前記電極と電気的に接続され、前記電極に発生した誘導起電力から前記管内を流れる前記流体の流量を算出する演算部とを備え、
前記演算部は、流量に比例して変化する直流成分の誘導起電力から第1の流量値を、カルマン渦によりパルス状に発生する交流成分の周波数から第2の流量値をそれぞれ求め、第1の流量値が交流成分検知の範囲外のときには第1の流量値を測定流量値とし、第1の流量値が交流成分検知の範囲内のときには第2の流量値を測定流量値とすることを特徴とする流量測定装置。A vortex generator installed in a pipe through which a fluid having electrical conductivity flows, and generating a Karman vortex toward the downstream side with respect to the fluid;
A magnetic field generator installed on the outer periphery of the tube on the downstream side in the fluid passage direction of the vortex generator, and a generated magnetic field crossing the tube;
A pair of electrodes that are installed at positions perpendicularly intersecting with the magnetic field generated by the magnetic field generator and detect an induced electromotive force due to a magnetic field change when the fluid passes through the magnetic field;
A calculation unit that is electrically connected to the electrode and calculates a flow rate of the fluid flowing in the pipe from an induced electromotive force generated in the electrode;
The calculation unit obtains a first flow rate value from an induced electromotive force of a direct current component that changes in proportion to the flow rate, and obtains a second flow rate value from a frequency of an alternating current component generated in a pulsed manner by Karman vortex. When the flow rate value is outside the range of AC component detection, the first flow rate value is set as the measured flow rate value. When the first flow rate value is within the range of AC component detection, the second flow rate value is set as the measured flow rate value. A characteristic flow rate measuring device.
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