JP3760465B2

JP3760465B2 - 渦流量計

Info

Publication number: JP3760465B2
Application number: JP2000156234A
Authority: JP
Inventors: 彰夫安松; 紀和大沢; 敏彦岸; 哲男安藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2020-05-26
Also published as: JP2001336960A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体の流量を測定する渦流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、流体が流れる測定管と、この測定管内に渦を発生させる渦発生体と、この渦発生体が発生する渦によって生ずる応力が作用する応力作用部と、この応力作用部に作用する応力を検出する応力検出部とを備える渦流量計が知られている。従来の渦流量計には、応力検出部によってトルクを検出する方式と曲げを検出する方式とがあり、トルクを検出する方式は曲げを検出する方式に比べて、配管の振動による影響を受け難いという長所がある。従来の渦流量計では、測定管内の流体の流れを止めずに、応力検出部を応力作用部から着脱可能な構造（Online Sensor Replaceable）にする必要があった。このために、応力検出部を応力作用部に溶接や接着によって固定することができず、応力作用部に応力検出部を押し付けて、応力作用部から応力検出部に面接触によって摩擦力を伝達していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図４は、渦流量計（比較例１）を示す断面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のIV−IVB線で切断した状態を示す断面図である。
図４に示す渦流量計１０１は、流体Ｆが流れる測定管１０２と、断面形状が台形の渦発生体１０３と、この渦発生体１０３の上部に一体に形成され、収容部（ＰＯＴ）１０４ａを有する応力作用部１０４と、この収容部１０４ａの底面１０４ｂに押し付けられる突起部１０５ａを有する応力検出部（トルクセンサ）１０５とを備えている。
【０００４】
図５は、渦流量計（比較例２）を示す断面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のV−VＢ線で切断した状態を示す断面図である。
図５に示す渦流量計２０１は、流体Ｆが流れる測定管２０２と、断面形状が台形の渦発生体２０３と、この渦発生体２０３の下流に配置されたベーン（受圧板）２０３ａと、このベーン２０３ａの上部に一体に形成され、収容部（ＰＯＴ）２０４ａを有する応力作用部２０４と、この収容部２０４ａの底面２０４ｂに押し付けられる突起部２０５ａを有する応力検出部（トルクセンサ）２０５とを備えている。
【０００５】
図６は、渦流量計（比較例１，２）の応力作用部に応力検出部を固定した状態を示す断面図である。
図４及び図５に示す渦流量計１０１，２０１では、応力作用部１０４，２０４に作用するねじり応力（トルク）を応力検出部１０５，２０５に損失なく伝達するために、応力検出部１０５，２０５を底面１０４ｂ，２０４ｂにかなりの大きさの荷重を加えて押し付ける必要がある。
【０００６】
図７は、渦流量計（比較例３）を示す断面図である。
図７に示す渦流量計３０１は、応力作用部３０４から応力検出部３０５にねじり応力を伝達する応力伝達部（トルク伝達ピン）３０９ａ，３０９ｂを応力作用部３０４と応力検出部３０５との間に備える。しかし、このような渦流量計３０１では、底面３０４ｂに形成された穴３０４ｅ，３０４ｆとトルク伝達ピン３０９ａ，３０９ｂとの間に間隙（クリアランス）があると、応力作用部３０４から応力検出部３０５にねじり応力を伝達することができず検出感度が低下する可能性がある。このために、微小なトルク変動を伝達するためには、ある程度の大きさの荷重を加えて、トルク伝達ピン３０９ａ，３０９ｂを穴３０４ｅ，３０４ｆに圧入する必要がある。
【０００７】
しかし、図４〜図７に示す渦流量計１０１，２０１，３０１では、応力作用部１０４，２０４，３０４から応力検出部１０５，２０５，３０５にねじり応力以外の曲げ応力などが伝達される可能性がある。このために、ねじり方向以外の振動を応力検出部１０５，２０５，３０５が検出し出力する可能性がある。また、図４〜図６に示す渦流量計１０１，２０１では、応力検出部１０５，２０５と底面１０４ｂ，２０４ｂとの平行度が不十分であると、収容部１０４ａ，２０４ａの深さと突起部１０５ａ，２０５ａの長さとの差（締め代）が不均一になる。その結果、応力検出部１０５，２０５と底面１０４ｂ，２０４ｂとの全面でトルクが伝達されず、これらの回転軸がずれてノイズを発生する原因になる可能性がある。
【０００８】
図８は、渦流量計（比較例４）を示す断面図である。
図８に示す渦流量計４０１は、応力作用部４０４から応力検出部４０５にねじり応力のみを伝達し、ねじり応力以外の応力を吸収する応力吸収部４０９を応力作用部４０４と応力検出部４０５との間に備える。このために、この渦流量計４０１は、渦流量計１０１，２０１，３０１に比べて耐振性能をより一層向上させることができる。ここで、応力吸収部４０９は、図８に示すように、ねじり剛性が強く曲げ剛性が弱いベローズ型カップリングや、図示しない板ばね型カップリング、スリット型カップリング、ダイアフラム型カップリング、オルダム型カップリング、十字自在継手型カップリングなどである。
【０００９】
しかし、ベローズ型カップリング、板ばね型カップリング、スリット型カップリング及びダイアフラム型カップリングでは、荷重を加える軸線方向（長さ方向）における剛性が弱いために、面圧を加えたりピンを圧入することが困難である。一方、オルダム型カップリング及び十字自在継手型カップリングでは、荷重を加える軸線方向における剛性が強いために、面圧を加えたりピンを圧入することができる。しかし、これらのカップリングは、構造上、スライダやピンとの連結部に間隙があり、微小なトルク変動を伝達するのが困難である。
【００１０】
この発明の課題は、流体の流量を精度よく測定することができる渦流量計を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定するものではない。
（クレーム１）流体の流量を測定する渦流量計であって、前記流体が流れる測定管（２）と、前記測定管（２）内に渦を発生させる渦発生体（３）と、前記渦によって生ずる応力が作用する応力作用部（４）と、前記応力作用部（４）に作用するねじり応力を検出する応力検出部（５）と、前記応力作用部（４）に対する前記応力検出部（５）の傾きを吸収し、前記ねじり応力を前記応力検出部（５）に伝達し、前記応力作用部（４）と前記応力検出部（５）との間に長さ方向の両端部が挟み込まれる応力伝達部（６）とを備え、前記応力作用部（４）は、前記測定管（２）の外側に着脱可能なように前記応力検出部（５）を収容する収容部（４ａ）と、前記収容部（４ａ）と一体に形成され前記応力検出部（５）との間で前記応力伝達部（６）を加圧する底面（４ｂ）と、前記収容部（４ａ）と一体に形成され前記収容部（４ａ）を前記測定管（２）に固定するフランジ部（４ｃ）とを備え、前記応力検出部（５）は、前記収容部（４ａ）内に収容される突起部（５ａ）と、前記フランジ部（４ｃ）と接合する接合部（５ｂ）とを備えることを特徴とする渦流量計。
（クレーム２）前記応力伝達部（６）は、中心部に形成された軸部（６ａ）と、その外周面に異なる方向から複数段に形成されたスリット部（６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ）とを備えることを特徴とする（クレーム１）に記載の渦流量計。
（クレーム３）前記応力伝達部（６）は、前記突起部（５ａ）と密着する密着面（６ｆ）と、前記底面（４ｂ）と密着する密着面（６ｇ）とを備えることを特徴とする（クレーム２）に記載の渦流量計。
（クレーム４）前記スリット部（６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ）は２段に形成され、一方の前記スリット部（６ｂ，６ｃ）は前記応力伝達部（６）に対して同一平面内で互いに対向する方向から形成され、他方の前記スリット部（６ｄ，６ｅ）は前記一方のスリット部（６ｂ，６ｃ）が形成されている平面と平行な平面内で、前記一方のスリット部（６ｂ，６ｃ）に対して略９０度ずらして互いに対向する方向から形成されることを特徴とする（クレーム３）に記載の渦流量計。
（クレーム５）前記測定管（２）は貫通孔（２ｂ）が形成され、前記応力作用部（４）は前記貫通孔（２ｂ）を塞ぎ、前記応力作用部（４）は前記貫通孔（２ｂ）に挿入され薄肉円筒に形成され、前記フランジ部（４ｃ）は前記測定管（２）の外周面に固定され、前記応力伝達部（６）は可撓性弾性部材で形成されることを特徴とする（クレーム４）に記載の渦流量計。
また、本発明の実施例は、流体（Ｆ）の流量を測定する渦流量計であって、前記流体が流れる測定管（２）と、前記測定管内に渦を発生させる渦発生体（３）と、前記渦発生体が発生する渦によって生ずる応力が作用する応力作用部（４）と、前記応力作用部に作用する応力のうちねじり応力を検出する応力検出部（５）と、前記応力作用部に対する前記応力検出部の傾きを吸収し、前記応力作用部に作用するねじり応力を前記応力検出部に伝達する応力伝達部（６）とを含む渦流量計である。
【００１２】
さらに、本発明の実施例は、前記応力作用部は、前記応力検出部との間で前記応力伝達部を加圧する底面（４ｂ）を有し、前記応力検出部が前記測定管の外側に着脱可能なようにこの応力検出部を収容する収容部（４ａ）を備えることを特徴とする渦流量計である。
【００１３】
また、本発明の実施例は、前記応力伝達部は、前記応力検出部に作用するねじり応力以外の応力を吸収することを特徴とする渦流量計である。
【００１４】
さらに、本発明の実施例は、前記応力伝達部は、ねじり剛性が強く曲げ剛性が弱い可撓性弾性部材（６）であり、前記可撓性弾性部材は、前記応力作用部と前記応力検出部との間に長さ方向の両端部（６ｆ，６ｇ）が挟み込まれていることを特徴とする渦流量計である。
【００１５】
また、本発明の実施例は、前記可撓性弾性部材は、この可撓性弾性部材の中心部に形成された軸部（６ａ）と、この可撓性弾性部材の外周面に形成されたスリット部（６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ）とを含むことを特徴とする渦流量計である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態についてさらに詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る渦流量計を概略的に示す断面図である。図２は、この発明の実施形態に係る渦流量計を分解した状態を示す断面図である。
渦流量計１は、流体Ｆが流れる測定管２内に渦を発生させ、この流体Ｆの流量を測定する装置である。渦流量計１は、図１及び図２に示すように、測定管２と、渦発生体３と、応力作用部４と、応力検出部５と、応力伝達部６とを備えている。
【００１７】
測定管２は、流体Ｆが流れる管路である。測定管２には、例えば、気体、液体、蒸気などの流体Ｆが通過する。測定管２は、例えば、ステンレス管などからなり、流体Ｆと接触する側の表面（接液面）がポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、フッ素系樹脂などによってライニングされている。測定管２には、内周面に取付穴２ａが形成されており、この取付穴２ａと対向する位置に測定管２を貫通する貫通孔２ｂが形成されている。
【００１８】
渦発生体３は、測定管２内に渦を発生させる柱状物である。渦発生体３は、下端部が取付穴２ａに固定され、上端部が応力作用部４を介して貫通孔２ｂに固定されており、測定管２内に両端固定されている。渦発生体３の形状は、カルマン渦が交互に剥がれて流れていく位置（剥離点）が一定であることが好ましく、流量の広い範囲で渦を安定的に発生させ、かつ、ストローハル数が一定になるように、鋭い縁部を有する形状（角柱）が好ましい。渦発生体の断面形状は、例えば、図１に示す台形の他に、三角形、四角形及びこれらの変形であるＴ字形などが好ましい。渦発生体３には、流れに対して直角の方向に、渦の発生及び放出によって交互に力（揚力）が作用する。
【００１９】
応力作用部４は、渦発生体３が発生する渦によって生ずる応力が作用する部材である。応力作用部４は、流体Ｆの流れを止めずに応力検出部５及び応力伝達部６を交換可能なように、貫通孔２ｂを塞いで流体Ｆの漏れを防止する。応力作用部４は、図２に示すように、収容部４ａと、底面４ｂと、フランジ部４ｃとを備えている。この第１実施形態では、応力作用部４は渦発生体３の上部に一体に形成されている。応力作用部４には、渦発生体３に揚力が加わると曲げ応力などが作用するとともに、渦発生体３の軸心回りにこの揚力によるトルクが加わるとねじり応力などが作用する。
【００２０】
収容部４ａは、応力検出部５が測定管２の外側に着脱可能なようにこの応力検出部５を収容する部分である。収容部４ａは、貫通孔２ｂに挿入される薄肉円筒部である。底面４ｂは、応力検出部５との間で応力伝達部６を加圧する加圧面である。底面４ｂは、収容部４ａと一体に形成されている。フランジ部４ｃは、収容部４ａを測定管２に固定する固定部である。フランジ部４ｃは、収容部４ａと一体に形成されており、測定管２の外周面に溶接され固定されている。
【００２１】
応力検出部５は、応力作用部４に作用する応力のうちねじり応力を検出する部材である。応力検出部５は、例えば、圧電素子などの機械電気変換素子を有するトルクセンサである。応力検出部５は、圧電素子を左右対称に配置することでせん断応力を吸収して、ねじり応力による歪み（変形量）に応じた電気信号のみを出力する。応力検出部５は、収容部４ａ内に収容される円柱状の突起部５ａと、フランジ部４ｃと接合する接合部５ｂとを備えている。
【００２２】
図３は、この発明の実施形態に係る渦流量計における応力伝達部の全体図であり、図３（Ａ）は正面図であり、図３（Ｂ）は側面図であり、図３（Ｃ）は平面図である。
応力伝達部６は、応力作用部４に対する応力検出部５の傾きを吸収し、応力作用部４に作用するねじり応力を応力検出部５に伝達するとともに、応力作用部４に作用するねじり応力以外の応力を吸収する部材である。応力伝達部６は、ねじり剛性が強く曲げ剛性が弱い可撓性弾性部材である。応力伝達部６は、図１及び図２に示すように、応力作用部４と応力検出部５との間に長さ方向の両端部が挟み込まれており、これらと密着する部分を介して応力作用部４側のトルク（ねじり応力）を応力検出部５側に伝達する。応力伝達部６は、図３に示すように、軸部６ａと、スリット部６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅと、密着面６ｆ，６ｇとを備えている。
【００２３】
軸部６ａは、可撓性弾性部材の中心部に形成された部分である。軸部６ａは、中実丸棒状（円柱状）の可撓性伸縮部材をスリット加工したときに、加工されずに残った中心軸部分である。軸部６ａは、軸線方向（長さ方向）の荷重や軸線回りのねじりに対して十分な剛性を有する。
【００２４】
スリット部６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅは、可撓性弾性部材の外周面に形成された切欠部である。スリット部６ｂ，６ｃは、可撓性伸縮部材に対して同一平面内で互いに対向する方向から形成されており、スリット部６ｄ，６ｅは、スリット部６ｂ，６ｃが形成されている平面と平行な平面内で、スリット部６ｂ，６ｃに対して略９０度ずらして互いに対向する方向から形成されている。スリット部６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅは、可撓性弾性部材の外周面に異なる方向から複数段（２段）に形成されており、スリット部６ｂ，６ｃは上段に形成され、スリット部６ｄ，６ｅは下段に形成されている。
【００２５】
密着面６ｆは、突起部５ａと密着する平面部分であり、密着面６ｇは、底面４ｂと密着する平面部分である。密着面６ｆ，６ｇは、可撓性伸縮部材の両端面に形成されており、突起部５ａ及び底面４ｂと加圧接触し密着することで底面４ｂと突起部５ａとを略平行にし、底面４ｂに対する突起部５ａの傾きを吸収する。
【００２６】
次に、この発明の実施形態に係る渦流量計の動作を説明する。
測定管２内に流体Ｆが流れると渦発生体３が渦を放出して、流体Ｆの流れに対して直角の方向の力が渦発生体３に交互に作用する。この力によって渦発生体３が左右に曲げられるとともに軸心回りにねじられると、応力作用部４には曲げ応力やねじり応力などが作用する。応力作用部４にねじり応力が作用すると、応力作用部４から応力検出部５に応力伝達部６がこのねじり応力を伝達する。ねじり応力の方向は渦が発生する度に逆向きになるために、このねじり応力（トルク信号）の方向を応力検出部５がカウントすることによって、渦の周波数（渦信号）が検出され流体Ｆの流量が測定される。
【００２７】
この発明の実施形態に係る渦流量計には、以下に記載するような効果がある。
（１）この実施形態では、応力作用部４に対する応力検出部５の傾きを応力伝達部６が吸収する。このために、突起部５ａと底面４ｂとの平行度が不十分であっても、これらの傾きを応力伝達部６によって吸収することができるとともに、突起部５ａと底面４ｂとの間に生ずる加圧力を安定化させることができる。その結果、突起部５ａと底面４ｂとの傾斜によって発生する振動やノイズを軽減することができる。また、応力作用部４に応力検出部５を直接押し付ける場合に比べて、締め代と圧縮力との関係が緩やかになるために、収容部４ａの深さや突起部４ａの全長の寸法公差を厳しくする必要がなくなり加工が容易になる。
【００２８】
（２）この実施形態では、応力検出部５が測定管２の外側に着脱可能なようにこの応力検出部５を収容部４ａが収容する。このために、流体Ｆの流れを止めずに応力検出部５を交換することができる。
【００２９】
（３）この実施形態では、応力伝達部６がねじり剛性が強く曲げ剛性が弱い可撓性弾性部材である。このために、応力作用部４に作用するねじり応力を応力検出部５に伝達することができるとともに、ねじり応力以外の曲げ応力やせん断応力などを吸収することができる。その結果、応力検出部５に伝達される曲げ応力などが少なくなって、振動に対するＳ／Ｎ比を改善することができる。
【００３０】
（４）この実施形態では、可撓性弾性部材の中心部に軸部６ａが形成されている。このために、応力伝達部６の軸線方向に加わる荷重を十分に弾性支持することができる。また、密着面６ｆ，６ｇと底面４ｂ及び突起部５ａとの接触面における圧力が十分に高くなるとともに、応力伝達部６のねじり剛性が強くなり、応力作用部４から応力検出部５に損失なくトルクを伝達することができる。さらに、応力検出部５に加わる過大な圧縮応力を応力伝達部６によって容易に吸収することができる。
【００３１】
（５）この実施形態では、可撓性弾性部材の外周面にスリット部６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅが形成されている。その結果、応力伝達部６の曲げ剛性が弱くなるために、ねじり応力以外の応力を吸収することができる。
【００３２】
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
（１）この実施形態では、渦発生体３の上部に応力作用部４を一体に形成した渦流量計を例に挙げて説明したが、図５に示すように渦発生体３の下流に配置されたベーン（受圧板）の上部に応力作用部を一体に形成した渦流流量計についても、この発明を適用することができる。
【００３３】
（２）この実施形態では、可撓性弾性部材にスリットを２段に形成した場合を例に挙げて説明したが、スリット加工の段数やスリットを形成する角度などはこれに限定するものではなく、任意に設定することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によると、応力作用部と応力検出部とに密着してこれらの傾きを吸収し、応力作用部に作用するねじり応力を応力検出部に応力伝達部が伝達するので、流量を精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る渦流量計を概略的に示す断面図である。
【図２】この発明の実施形態に係る渦流量計を分解した状態を示す断面図である。
【図３】この発明の実施形態に係る渦流量計における応力伝達部の全体図であり、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は側面図であり、（Ｃ）は平面図である。
【図４】渦流量計（比較例１）を示す断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のIV−IVB線で切断した状態を示す断面図である。
【図５】渦流量計（比較例２）を示す断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のV−VＢ線で切断した状態を示す断面図である。
【図６】渦流量計（比較例１，２）の応力作用部に応力検出部を固定した状態を示す断面図である。
【図７】渦流量計（比較例３）を示す断面図である。
【図８】渦流量計（比較例４）を示す断面図である。
【符号の説明】
１渦流量計
２測定管
３渦発生体
４応力作用部
４ａ収容部
４ｂ底面
５応力検出部
６応力伝達部
６ａ軸部
６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅスリット部
Ｆ流体

Claims

流体の流量を測定する渦流量計であって、
前記流体が流れる測定管（２）と、
前記測定管（２）内に渦を発生させる渦発生体（３）と、
前記渦によって生ずる応力が作用する応力作用部（４）と、
前記応力作用部（４）に作用するねじり応力を検出する応力検出部（５）と、
前記応力作用部（４）に対する前記応力検出部（５）の傾きを吸収し、前記ねじり応力を前記応力検出部（５）に伝達し、前記応力作用部（４）と前記応力検出部（５）との間に長さ方向の両端部が挟み込まれる応力伝達部（６）とを備え、
前記応力作用部（４）は、
前記測定管（２）の外側に着脱可能なように前記応力検出部（５）を収容する収容部（４ａ）と、
前記収容部（４ａ）と一体に形成され前記応力検出部（５）との間で前記応力伝達部（６）を加圧する底面（４ｂ）と、
前記収容部（４ａ）と一体に形成され前記収容部（４ａ）を前記測定管（２）に固定するフランジ部（４ｃ）とを備え、
前記応力検出部（５）は、
前記収容部（４ａ）内に収容される突起部（５ａ）と、
前記フランジ部（４ｃ）と接合する接合部（５ｂ）とを備える
ことを特徴とする渦流量計。
前記応力伝達部（６）は、
中心部に形成された軸部（６ａ）と、
その外周面に異なる方向から複数段に形成されたスリット部（６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ）とを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の渦流量計。
前記応力伝達部（６）は、
前記突起部（５ａ）と密着する密着面（６ｆ）と、
前記底面（４ｂ）と密着する密着面（６ｇ）とを備える
ことを特徴とする請求項２に記載の渦流量計。
前記スリット部（６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ）は２段に形成され、
一方の前記スリット部（６ｂ，６ｃ）は前記応力伝達部（６）に対して同一平面内で互いに対向する方向から形成され、
他方の前記スリット部（６ｄ，６ｅ）は前記一方のスリット部（６ｂ，６ｃ）が形成されている平面と平行な平面内で、前記一方のスリット部（６ｂ，６ｃ）に対して略９０度ずらして互いに対向する方向から形成される
ことを特徴とする請求項３に記載の渦流量計。
前記測定管（２）は貫通孔（２ｂ）が形成され、
前記応力作用部（４）は前記貫通孔（２ｂ）を塞ぎ、
前記応力作用部（４）は前記貫通孔（２ｂ）に挿入され薄肉円筒に形成され、
前記フランジ部（４ｃ）は前記測定管（２）の外周面に固定され、
前記応力伝達部（６）は可撓性弾性部材で形成される
ことを特徴とする請求項４に記載の渦流量計。