JP3964416B2 - 温度センサ一体型渦流量計 - Google Patents

Description

本発明は、渦流量計に温度センサを一体化した温度センサ一体型渦流量計に関する。

流管に流れる被測定流体の流量を計測するために渦流量計が用いられている。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、所定のレイノルズ数範囲では、渦発生体から単位時間内に発生するカルマン渦の数（渦周波数）が気体、液体に関係なく流量に比例することを利用したもので、この比例定数はストローハル数と呼ばれている。渦検出センサとしては、圧電センサ等が挙げられ、渦発生体により生じるカルマン渦に基づく変化を検出することが可能である。渦流量計は、被測定流体の物性に影響されずに流量を測定できる簡易な流量計であって、気体や流体の流量計測に広く使用されている。

従来の渦流量計おいて、例えば下記特許文献１には、渦流量計に質量流量測定機能を付加するための構造が開示されている。すなわち、渦発生体の内部に大径及び小径の連続する凹部を形成して、大径の凹部に渦検出センサを固着するとともに、小径の凹部に温度センサを固着する構造が開示されている。下記特許文献１における渦発生体は、測定管内に差し込まれて固定される構造になっている。
特開２００３−２５４７９９号公報 （第４頁、第１図）

上記従来技術にあっては、渦発生体の内部に渦検出センサや温度センサを固着してなる構造であることから、センサの交換を必要とする場合には、渦発生体ごと取り外してその渦発生体を含めて交換しなければならないという問題点を有している。また、上記従来技術にあっては、渦発生体を測定管内に差し込んで固定してなる構造であることから、交換の際に流体の流出が生じないようにする必要性があり、ライン流体を止めなければならないという問題点を有している。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、ライン流体を止めることなくセンサの交換を可能とする温度センサ一体型渦流量計を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の本発明の温度センサ一体型渦流量計は、被測定流体が流れる方向に沿って伸びるように形成されている測定管に固定する固定部と、前記固定部に連続し三角柱形状に形成される渦発生体内部の計測室の内周面と隙間を保持して形成される可動管部と、前記可動管部の一端に連成し該可動管部の先端に位置し、前記計測室に設けられ、被測定流体の流れに対して直交方向に貫通して形成されカルマン渦による変動圧を該計測室に導入する導圧孔に突出し、被測定流体のカルマン渦による圧力変動を受ける受圧板と、前記固定部及び前記可動管部に跨って形成し隙間をあけて渦検出部を差し込む空洞部とを有し、前記計測室に挿入する振動管を備えるとともに，前記可動管部の内側の空洞部の端部に形成される係止凹部に挿入し、バネ作用によって支持可能となし、前記係止凹部の径よりも大径に形成されているバネ板を介して接触し、可動管部に差し込まれ空洞部に対して隙間が形成される支持円柱部と、圧電素子板が取り付けられ前記支持円柱部の上端に連成される上端部と、前記支持円柱部の下端に連成され有底であり内部が空洞となるように形成されており、該支持円柱部よりも小径で前端に前記バネ板が設けられているバネ取り付け部とを備える弾性母材を有し、前記空洞部に着脱自在に設け、前記振動管の振動に応動して該振動を検出する渦検出部を備え，てなる渦検出センサと，前記被測定流体の温度測定を行うために前記弾性母材の内部に差し込まれて前記渦検出センサの渦検出部に一体化してなる温度センサを備えてなることを特徴としている。
このような特徴を有する本発明によれば、保守・点検の際に、温度センサを一体化した渦検出部のみを振動管から取り外すだけでセンサの交換が行えるようになる。渦検出部を取り外しても測定管には振動管が残ることから、センサ交換の際の流体の流出が阻止される。

請求項２記載の本発明の温度センサ一体型渦流量計は、請求項１に記載の温度センサ一体型渦流量計において、前記温度センサの測定値を補正する温度補正手段を更に備えることを特徴としている。このような特徴を有する本発明によれば、温度センサが被測定流体に対して直接接触しない構成であっても、被測定流体の温度を精度良く測定することが可能になる。

請求項３記載の本発明の温度センサ一体型渦流量計は、請求項１又は請求項２に記載の温度センサ一体型渦流量計において、前記温度センサの周囲に高熱伝導性の金属リングを設けることを特徴としている。このような特徴を有する本発明によれば、弾性母材及び金属リングを介して被測定流体の温度が温度センサに伝わる。金属リングを設けることにより、被測定流体の温度を精度良く測定することが可能になる。

請求項４記載の本発明の温度センサ一体型渦流量計は、請求項３に記載の温度センサ一体型渦流量計において、低熱伝導性の封止材を用いて前記金属リングを固定することを特徴としている。このような特徴を有する本発明によれば、封止材で金属リングが固定される。また、低熱伝導性の封止材で封止すると、被測定流体以外の他の部位からの温度影響を受け難くすることが可能になる。

請求項１に記載された本発明によれば、ライン流体を止めることなくセンサの交換を容易に行うことができるという効果を奏する。また、請求項２、３に記載された本発明によれば、被測定流体の温度を精度良く測定することができるという効果を奏する。また、請求項４に記載された本発明によれば、金属リングの固定と他の部位からの温度影響を受け難くすることができるという効果を奏する。

以下、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の温度センサ一体型渦流量計の一実施の形態を示す断面図である。また、図２は振動管の断面図、図３は渦検出部の断面図、図４はセンサ指示温度−補正量のグラフである。

図１において、引用符号１は本発明の温度センサ一体型渦流量計を示している。その本発明の温度センサ一体型渦流量計１は、測定管２と、渦発生体３と、温度センサ４を内蔵した渦検出センサ５と、その渦検出センサ５からの出力信号に基づいて被測定流体（図示省略）の流速又は容積流量を算出するとともに、温度センサ４からの出力信号に基づいて質量流量を算出することが可能な流量変換器（図示省略）と、を備えて構成されている。以下、図１ないし図３を参照しながら上記各構成について説明する。

測定管２は、管断面が例えば円形状となる筒状に形成されている。測定管２は、被測定流体が流れる方向に沿って伸びるように形成されている。渦発生体３は、測定管２の内部に渦を発生させるための部分であって、被測定流体の流れに対向するように、その形状が形成されている。渦発生体３は、本形態において、三角柱形状に形成されている（形状は一例であるものとする）。渦発生体３には、一端が開口した計測室６が形成されている。計測室６は、渦発生体３の軸方向に形成されている。このような計測室６には、被測定流体の流れに対して直交方向に貫通する導圧孔７が形成されている。導圧孔７は、渦（カルマン渦）による変動圧を計測室６に導入するために形成されている。

ここで、渦発生体３により生じる渦について説明する。渦は、測定管２に流入する被測定流体が渦発生体３に沿って流れる流れによって生じる運動量変化の大きい位置から剥離するもので、渦発生体３の断面が本形態のように三角形状の場合は、三角形エッジ部が剥離点となる。渦発生体３から剥離し流出する渦は、カルマンの安定渦条件に従って、千鳥状に交互に発生し、一定の渦間距離及び渦列間距離を保った渦列を形成しながら流出する。渦間距離は、単位時間当たりに発生する渦の数、すなわち、渦周波数と、所定時間内に、例えば、基準タンク等の基準容器に流入した流体から求めた流量に基づいて算出された単位時間当たりの流速とから求めることができる。

渦検出センサ５は、渦検出のためのセンサであって、ここでは圧電センサが用いられている。渦検出センサ５は、振動管８と渦検出部９とを備えて構成されている。振動管８は、計測室６に差し込まれる可動管部１０と、可動管部１０の一端に連成される受圧板１１と、可動管部１０の他端に連成されて測定管２の固定部に固定される振動部取り付けフランジ１２と、その振動部取り付けフランジ１２に連成される振動管頭部１３と、振動管頭部１３から可動管部１０の上記一端近傍にかけて形成される空洞部１４とを有している。尚、振動部取り付けフランジ１２と振動管頭部１３は、特許請求の範囲に記載した固定部に相当するものとする。

可動管部１０は、計測室６の内周面に対して僅かな隙間があくような形状に形成されている。受圧板１１は、導圧孔７の位置に合うように配置形成されている。振動部取り付けフランジ１２には、ボルト穴（図示省略）が形成されている。振動管頭部１３の固定面１５には、渦検出部９を固定するためのボルト穴１６が形成されている。空洞部１４には、渦検出部９が僅かな隙間をあけて差し込まれるようになっている。

渦検出部９は、振動管８に対して着脱自在となるように構成されている。すなわち、渦検出センサ５は、渦検出部９に劣化が生じてもその渦検出部９を交換すれば容易に正常復帰させることができるようになっている。また、渦検出センサ５は、被測定流体の流れを止めずにメンテナンスを行うことができるようになっている。渦検出部９には、後述するが、温度センサ４が一体化されている。渦検出部９は、振動管８が受けるカルマン渦による圧力変動を忠実に受けて電気信号に変換して流量変換器（図示省略）へ出力することができるように構成されている。具体的には、弾性母材１７と、圧電素子板１８と、電極板１９と、端子２０と、リード線２１と、挿通管２２と、バネ板２３と、素子カバー２４とを備えて構成されている。

弾性母材１７は、異径の金属柱であって、上端部２５と支持円柱部２６とバネ取り付け部２７とを有している。また、弾性母材１７は、有底であり内部が空洞となるように形成されている。上端部２５には、圧電素子板１８が貼り付けによって取り付けられている。弾性母材１７は、上端部２５側が素子カバー２４内に収容されるようになっている。支持円柱部２６は、可動管部１０に差し込まれる部分であって、空洞部１４に対して僅かな隙間があくような形状に形成されている。支持円柱部２６の上端には、上端部２５が、また、支持円柱部２６の下端には、バネ取り付け部２７が連成されている。バネ取り付け部２７は、支持円柱部２６よりも小径であって、バネ板２３が溶接等により連成されている。

バネ板２３は、空洞部１４の端部に形成される係止凹部２８に挿入され、そして、バネ作用によって支持可能となる部分であって、放射状のスリット（図示省略）が複数形成されている。バネ板２３は、係止凹部２８の径よりも若干大きな径となるように形成されている。

圧電素子板１８は、上端部２５に形成された二つの面取り部に各々金ペースト等の導電性接着剤を用いて貼着された圧電素子であって、非貼着面には、各々、例えば多孔板からなる電極板１９が貼着されている。圧電素子板１８は、端子２０や電極板１９を介してリード線２１に接続されている。

素子カバー２４は、圧電素子板１８、電極板１９、及び端子２０からなる検出素子部（符号省略）を密封するために備えられている。素子カバー２４は、両端部が窄む略円筒体の形状に形成されている。素子カバー２４の周囲には、素子カバーフランジ２９と固定段部３０とが形成されている。素子カバーフランジ２９には、ボルト穴３１が形成されている。固定段部３０には、固定面３２が形成されている。

渦検出部９は、振動管頭部１３の固定面１５に固定段部３０の固定面３２を載せて素子カバーフランジ２９のボルト穴３１に挿通したボルト３３を振動管頭部１３のボルト穴１６に螺合させることにより固定されるようになっている。

素子カバー２４の上端部には、リード線２１を挿通する挿通管２２が気密に取り付けられている。また、素子カバー２４の下端部には、上端部２５と支持円柱部２６の境界部分とが溶接されている。素子カバー２４の下端部からは、支持円柱部２６とバネ板２３が突出するようになっている。素子カバー２４は、上記検出素子部を収容するために二分割することができる形状に形成されている。引用符号Ｍは分割部分の溶接部を示している。

温度センサ４は、被測定流体の温度を測定するための棒状のセンサであって、渦検出センサ５に一体化されている。具体的には、弾性母材１７の内部（上端部２５及び支持円柱部２６の内部）に温度センサ４が差し込まれて収容固定されている。温度センサ４は、その先端が支持円柱部２６の先端近傍に配置されている。温度センサ４の先端側の周囲には、温度センサ４を支持して支持円柱部２６との間に介在する金属リング３４が設けられている。

金属リング３４は、高熱伝導性を有する金属部材であって、被測定流体の温度が温度センサ４に伝わり易くするために設けられている。このような金属リング３４の上には、封止材３５が設けられている。封止材３５は、金属リング３４を固定するために設けられている。封止材３５は、低熱伝導性を有するものであって、被測定流体以外の他の部位からの温度影響を受け難くするために設けられている。温度センサ４からのびるリード線３６は、渦検出部９のリード線２１と共に挿通管２２に挿通されている。

図示しない流量変換器内において、温度センサ４の指示温度は、温度補正手段（図示省略）によって補正されるようになっている。すなわち、本発明では、温度センサ４が直接に被測定流体に接していなくとも、被測定流体の温度を精度良く測定することができるように構成されている。

図示しない温度補正手段は、例えば流量変換器の制御部に組み込まれており、本形態においては、図４のセンサ指示温度−補正量のグラフに示されるような関係から被測定流体の温度を補正するように構成されている。図４のセンサ指示温度−補正量のグラフには、流量計本体の口径の違いに合わせたグラフが示されている。口径は、例えば設置時に予め入力するようになっている。

上記構成において、渦検出センサ５は、温度センサ４を内蔵した渦検出部９を振動管８内に挿入して振動伝達可能に一体に固着したものであって、振動管８と渦検出部９との固着部分は、係止凹部２８とバネ板２３の外周のバネ力による接触部分、及び、振動管８の振動管頭部１３の固定面１５と素子カバーフランジ２９とのボルト穴を介したボルト締めによる部分の二カ所となっている。

測定管２の流路３７に被測定流体（図示省略）が流れ、カルマン渦が左右交互に発生すると、変動圧力が生じ受圧板１１が左右に振動する。これにより振動管８の可動管部１０は、振動部取り付けフランジ１２を支点として振動する。振動は、バネ板２３を介して弾性母材１７に伝達される。弾性母材１７は、上端部２５側が素子カバー２４内に収容され、また、固着されていることから、上端部２５側を支点として片持ち状に左右に振動して圧電素子板１８に交番応力を生じさせる。渦検出センサ５は、渦に対応した電気信号を流量変換器（図示省略）に出力する。また、温度センサ４は、可動管部１０、弾性母材１７、及び金属リング３４を介して伝わる被測定流体の温度に対応した電気信号を流量変換器（図示省略）に出力する。流量変換器（図示省略）では、温度補正手段（図示省略）により温度センサ４で測定された被測定流体の温度が補正される。

本発明の温度センサ一体型渦流量計１は、温度センサ４を備えることから、既知の機能の他に質量流量測定機能を付加することができる。また、本発明の温度センサ一体型渦流量計１は、渦発生体３に差し込まれて固定される振動管８と、その振動管８の空洞部１４に対して着脱自在な渦検出部９と、渦検出部９に内蔵されて一体化する温度センサ４とを備えていることから、保守・点検の際に、渦検出部９を振動管８から取り外すだけでセンサの交換を行うことができる。すなわち、センサ交換を容易に行うことができる。さらに、本発明の温度センサ一体型渦流量計１は、渦検出部９を取り外しても測定管２に振動管８が残ることから、センサ交換の際の被測定流体の流出を阻止することができる。従って、ライン流体を止めることなくセンサ交換を行うことができる。さらにまた、本発明の温度センサ一体型渦流量計１は、温度補正手段（図示省略）を備えることから、温度センサ４が被測定流体に対して直接接触しない構成であっても、被測定流体の温度を精度良く測定することができる。

その他、本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。

本発明の温度センサ一体型渦流量計の一実施の形態を示す断面図である。 振動管の断面図である。 渦検出部の断面図である。 センサ指示温度−補正量のグラフである。

符号の説明

１ 温度センサ一体型渦流量計
２ 測定管
３ 渦発生体
４ 温度センサ
５ 渦検出センサ
６ 計測室
７ 導圧孔
８ 振動管
９ 渦検出部
１０ 可動管部
１１ 受圧板
１２ 振動部取り付けフランジ
１３ 振動管頭部
１４ 空洞部
１５ 固定面
１６ ボルト穴
１７ 弾性母材
１８ 圧電素子板
１９ 電極板
２０ 端子
２１ リード線
２２ 挿通管
２３ バネ板
２４ 素子カバー
２５ 上端部
２６ 支持円柱部
２７ バネ取り付け部
２８ 係止凹部
２９ 素子カバーフランジ
３０ 固定段部
３１ ボルト穴
３２ 固定面
３３ ボルト
３４ 金属リング
３５ 封止材
３６ リード線
３７ 流路
Ｍ 分割部分の溶接部

Claims (4)

1. 被測定流体が流れる方向に沿って伸びるように形成されている測定管に固定する固定部と、前記固定部に連続し三角柱形状に形成される渦発生体内部の計測室の内周面と隙間を保持して形成される可動管部と、前記可動管部の一端に連成し該可動管部の先端に位置し、前記計測室に設けられ、被測定流体の流れに対して直交方向に貫通して形成されカルマン渦による変動圧を該計測室に導入する導圧孔に突出し、被測定流体のカルマン渦による圧力変動を受ける受圧板と、前記固定部及び前記可動管部に跨って形成し隙間をあけて渦検出部を差し込む空洞部とを有し、前記計測室に挿入する振動管を備えるとともに、
   前記可動管部の内側の空洞部の端部に形成される係止凹部に挿入し、バネ作用によって支持可能となし、前記係止凹部の径よりも大径に形成されているバネ板を介して接触し、可動管部に差し込まれ空洞部に対して隙間が形成される支持円柱部と、圧電素子板が取り付けられ前記支持円柱部の上端に連成される上端部と、前記支持円柱部の下端に連成され有底であり内部が空洞となるように形成されており、該支持円柱部よりも小径で前端に前記バネ板が設けられているバネ取り付け部とを備える弾性母材を有し、前記空洞部に着脱自在に設け、前記振動管の振動に応動して該振動を検出する渦検出部を備え，
   てなる渦検出センサと，
   前記被測定流体の温度測定を行うために前記弾性母材の内部に差し込まれて前記渦検出センサの渦検出部に一体化してなる温度センサを備えてなる
   ことを特徴とする温度センサ一体型渦流量計。
2. 請求項１に記載の温度センサ一体型渦流量計において，
   前記温度センサの測定値を補正する温度補正手段を更に備える
   ことを特徴とする温度センサ一体型渦流量計。
3. 請求項１又は請求項２に記載の温度センサ一体型渦流量計において，
   前記温度センサの周囲に高熱伝導性の金属リングを設ける
   ことを特徴とする温度センサ一体型渦流量計。
4. 請求項３に記載の温度センサ一体型渦流量計において，
   低熱伝導性の封止材を用いて前記金属リングを固定する
   ことを特徴とする温度センサ一体型渦流量計。

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