JP4437478B2

JP4437478B2 - 渦流量計の渦検出部製造方法

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Publication number: JP4437478B2
Application number: JP2006117082A
Authority: JP
Inventors: 賢一高井
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2026-04-20
Also published as: JP2007292466A

Description

本発明は、渦流量計を構成する渦検出センサにおける渦検出部の製造方法に関する。

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渦変動差圧を検出することが可能なものになっている。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（例えば特許文献１参照）。

従来の渦流量計にあっては、渦変動差圧を検出するために圧電素子（ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３））が上記の圧電センサとして用いられている。ニオブ酸リチウムの単結晶は、高いキュリー点をもつため、高温流体測定用の検出素子としての利用が可能であることが分かっている。但し、ニオブ酸リチウムは、高温状態でこの周囲の酸素分圧が低くなると、結晶中の酸素が放出されて結晶の性質が変化するような還元現象が起こってしまうことになる。
特許第２８６９０５４号公報（第３頁、第１図）

圧電素子（ニオブ酸リチウム）は、通常、略柱状の弾性母材の端部に適宜手段で取り付けられている。また、この取り付けの部分は、密閉金属容器の内部に存在するようになっている。密閉金属容器は、ステンレス鋼を加工することにより製造されている。ところで、密閉金属容器の内面は、加工時に受けるストレスによって変質層が形成されている。また、表面粗さも大きな凹凸を有するような状態になっている。変質層は、本来の材料組成とは異なることから、耐食性（ここでは耐高温腐食性）の低下が生じてしまうことになる。従って、次のような問題点を有している。

すなわち、密閉金属容器の内面は、高温の使用環境下において、変質層や表面粗さに起因して酸化が進み、結果、圧電素子では還元現象が起こってセンサ寿命が低下してしまう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、センサ寿命を向上させることが可能な渦流量計の渦検出部製造方法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記載の本発明の渦流量計の渦検出部製造方法は、管断面が円形状で中央に流路を有する筒状に形成され、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取り付けるものであって、
前記測定管の内部に渦を発生させるための三角柱形状の部分であって、一端が開口され、前記被測定流体の流れに対して直交方向に貫通する導圧孔を形成する計測室が設けられる渦発生体と、渦検出のためのセンサで圧電センサを用いて構成される渦検出センサとからなる渦流量計の前記渦検出部の製造方法において，
前記渦検出センサは、振動管と渦検出部とを備えて構成し，
前記振動管は，
前記計測室に差し込まれ該計測室内周面に対して僅かな隙間があく形状に形成してなる可動管部と、前記可動管部の一端に連成され前記導圧孔の位置に合うように配置形成されている受圧板と、前記可動管部の他端に連成されボルト穴が形成されており前記測定管の固定部に固定される振動部取り付けフランジと、前記振動部取り付けフランジに連成され渦検出部を固定するための固定部が形成されている振動管頭部と、前記振動管頭部から前記可動管部の前記一端近傍にかけて形成され前記渦検出部が僅かな隙間をあけて差し込まれる空洞部を備え、前記可動管部の一部と前記受圧板とを前記測定管の流路内に露出して形成してなり，
前記渦検出部は，
弾性母材と、圧電素子板と、電極板と、端子と、リード線と、挿通管と、バネ板と、素子カバーとを備え、前記振動管に着脱自在に取り付けられ該振動管が受けるカルマン渦による圧力変動を受けて電気信号に変換して流量変換器へ出力するように構成されるものであって，
前記弾性母材は，
ステンレス鋼を加工した異径の金属柱であって、ニオブ酸リチウムからなり端子を介してリード線に接続されている圧電素子板が二つの面取り部に貼り付けによって取り付けられ、非貼着面に多孔板からなる電極板が貼着され、前記素子カバーの前記空洞部内に収容される上端部と、
前記可動管部に差し込まれる部分であって、前記空洞部に対して僅かな隙間を空けて形成され、前記上端部の下端に連成される支持円柱部と、
前記支持円柱部の下端に連成され、前記支持円柱部よりも小径であって、前記空洞部の端部に形成される係止凹部に挿入され、バネ作用によって支持可能となる部分であるバネ板が連成されるバネ取り付け部と、
によって形成され，
前記素子カバーは，
両端部が窄む略円筒体の形状に形成されており、ステンレス鋼を加工することにより製造され、前記圧電素子板、前記電極板、及び前記端子からなる検出素子部を密封するために備えられ、上端部にリード線を挿通する挿通管が気密に取り付けられ、下端部に前記上端部と前記支持円柱部の境界部分が溶接され、周囲に素子カバーフランジが形成されており、該素子カバーフランジを介して振動管頭部の固定部に固定され、下端部から前記支持円柱部と前記バネ板とが突出するように構成してなり，
前記素子カバーの内面全体、及び前記弾性母材の内前記素子カバーの下端部から突出する支持円柱部とバネ板とを除いた部分に，酸化クロムを主成分とする研磨粉によってバフ研磨を施して前記素子カバー及び前記弾性母材の製造加工時に受けるストレスによって形成される変質層を除去すると共に、大きな凹凸を除去し、
前記バフ研磨した後、酸素雰囲気環境に置いて加熱処理を施し、均一な保護皮膜となる酸化クロム皮膜（Ｃｒ_２Ｏ_３皮膜）を、前記素子カバーの内面全体、及び前記弾性母材の内前記素子カバーの下端部から突出する支持円柱部とバネ板とを除いた部分に形成する
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、バフ研磨によってそれまで存在していた加工変質層が素子カバーの内部及び／又は弾性母材の一部から除去される。若しくは、加工変質層の量が低減される。また、バフ研磨によって表面粗さが大きな凹凸から小さな凹凸になり、酸化する表面積が減少する。研磨方法は幾つかあるが、本発明で採用するバフ研磨は特にコスト面や後述の酸化皮膜の形成に良好である（研磨液の完全除去が可能であれば電解研磨も可能である。本発明はバフ研磨以外の方法を除くものではない）。

酸素雰囲気環境にて加熱処理が施されると、素子カバーの内部及び／又は弾性母材の一部に均一な保護皮膜が形成される。形成される保護皮膜は、安定した酸化皮膜であって、一般に言われるボロボロと剥がれ易いサビと呼ばれる酸化鉄のことではない。すなわち、簡単に剥がれない安定・緻密なＣｒ_２Ｏ_３皮膜が形成される。本発明によれば、この酸化皮膜によって、高温使用環境下での金属表面からの酸化を抑えることが可能になる。酸化を抑えることができれば、圧電素子に影響を来す酸素濃度低下までの時間が延びる。本発明によれば、センサ寿命が向上するような製造方法になる。

また、本発明によれば、加熱処理の後に均一な保護皮膜となる酸化クロム皮膜（Ｃｒ_２Ｏ_３皮膜）が形成される。この形成された酸化クロム皮膜によって、高温使用環境下での金属表面からの酸化を抑えることが可能になる。

請求項２記載の渦流量計の渦検出部製造方法は、請求項１に記載の渦流量計の渦検出部製造方法において、前記加熱処理の後に前記渦検出部の前記素子カバーの内部に乾燥空気が充填封入されてい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、酸化による酸素濃度低下までの時間が延びるようになる。本発明では、一例を挙げると、通常大気中酸素濃度より高い酸素濃度４０％且つ湿気のない高純度な合成空気を充填封入することが好ましいものとする（酸素濃度４０％は一例でありこれを超えても当然によいものとする。ここでは、製造時の作業環境を考慮して特に安全面から酸素濃度４０％を一例として挙げている）。

本発明によれば、センサ寿命を向上させることができるという効果を奏する。また、より良い渦流量計を提供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は本発明の一実施の形態を示す渦流量計の断面図である。また、図２（ａ）は振動管の断面図、（ｂ）は渦検出センサの断面図、（ｃ）は渦検出部の断面図である。

図１において、引用符号１は本発明に係る渦流量計を示している。この渦流量計１は、測定管２と、渦発生体３と、渦検出センサ４と、この渦検出センサ４からの出力信号に基づいて被測定流体（図示省略）の流速又は流量（容積流量）を算出する流量変換器（図示省略）とを備えて構成されている。以下、図１及び図２を参照しながら上記の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、こ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。特許文献１の特許第２８６９０５４号公報には幾つかの例が開示されている）。渦発生体３には、一端が開口した計測室５が形成されている。計測室５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５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６が形成されている。導圧孔６は、渦（カルマン渦）による変動圧を計測室５に導入するために形成されている。

渦検出センサ４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（後述する）。渦検出セン４は、振動管７と渦検出部８とを備えて構成されている。振動管７は、計測室５に差し込まれる可動管部９と、この可動管部９の一端に連成される受圧板１０と、可動管部９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１１と、この振動部取り付けフランジ１１に連成される振動管頭部１２と、振動管頭部１２から可動管部９の上記一端近傍にかけて形成される空洞部１３とを有している。

可動管部９は、計測室５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１０は、導圧孔６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１１には、ボルト穴１４が形成されている。振動管頭部１２には、渦検出部８を固定するための固定部１５が形成されている。空洞部１３には、渦検出部８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８は、振動管７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４は、渦検出部８に劣化が生じてもこの渦検出部８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４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８は、振動管７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１６と、圧電素子板１７と、電極板１８と、端子１９と、リード線２０と、挿通管２１と、バネ板２２と、素子カバー２３とを備えて構成されている。

弾性母材１６は、ステンレス鋼を加工することにより製造されている。弾性母材１６は、異径の金属柱であって、上端部２４と支持円柱部２５とバネ取り付け部２６とを有している。上端部２４には、圧電素子板１７が貼り付けによって取り付けられている。弾性母材１６は、上端部２４側が素子カバー２３内に収容されるようになっている。支持円柱部２５は、可動管部９に差し込まれる部分であって、空洞部１３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２５の上端には、上端部２４が、また、支持円柱部２５の下端には、バネ取り付け部２６が連成されている。バネ取り付け部２６は、支持円柱部２５よりも小径であって、バネ板２２が溶接等により連成されている。

バネ板２２は、空洞部１３の端部に形成される係止凹部２７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２２は、係止凹部２７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１７は、上端部２４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（ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３））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１８が貼着されている。圧電素子板１７は、端子１９を介してリード線２０に接続されている。

素子カバー２３は、ステンレス鋼を加工することにより製造されている。素子カバー２３は、圧電素子板１７、電極板１８、及び端子１９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２３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２３の周囲には、素子カバーフランジ２８が形成されている。渦検出部８は、素子カバーフランジ２８を介して振動管頭部１２の固定部１５に固定されるようになっている。素子カバー２３の上端部には、リード線２０を挿通する挿通管２１が気密に取り付けられている。また、素子カバー２３の下端部には、上端部２４と支持円柱部２５の境界部分が溶接されている。素子カバー２３の下端部からは、支持円柱部２５とバネ板２２とが突出するようになっている。素子カバー２３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２９は分割部分の溶接部を示している。

素子カバー２３の内面には、酸化皮膜が形成されている。本形態において、この酸化皮膜は、酸化クロム皮膜（Ｃｒ_２Ｏ_３皮膜）３０であって、素子カバー２３の内面全体に形成されている（一部であってもよいものとする）。酸化クロム皮膜３０は、自然に形成されるものではなく、後述するが積極的に形成してなるものであって、本発明の特徴的な部分となっている。本形態において、素子カバー２３内に存在する弾性母材１６の一部にも同じ酸化クロム皮膜３０が形成されている。尚、酸化クロム皮膜３０の形成範囲は、最低条件として酸化する部分が従来よりも低減できればよく、最も好ましいのは内部全体に形成されることである。

圧電素子としての圧電素子板１７の周囲には、酸化クロム皮膜３０が存在している。素子カバー２３は、密閉金属容器となっており、この内部に乾燥空気が充填封入されている。本形態においては、特に限定するものではないが、通常大気中酸素濃度より高い酸素濃度４０％且つ湿気のない高純度な合成空気が充填封入されている。

ここで、図３を参照しながら酸化クロム皮膜３０の形成について説明する。図３は皮膜形成に関する工程のフローチャートである。

図３において、先ずはじめに素子カバー２３の内面全体、及び弾性母材１６の対象部分にバフ研磨を施す工程が行われる（ステップＳ１）。研磨粉は、酸化クロムを主成分とする研磨粉（一例であるものとする）が用いられるようになっている。バフ研磨を施すことにより、素子カバー２３及び弾性母材１６の製造加工時に受けるストレスによっての変質層が除去される。また、表面粗さも大きな凹凸が除去される（表面積が減少する）。

バフ研磨の工程が終了すると、次に酸素雰囲気環境にて加熱処理を施す工程が行われる（ステップＳ２）。加熱処理は、渦流量計としての使用温度以上の温度で処理される。バフ研磨により金属表面が清浄な状態となり、そして使用温度以上で加熱処理が施されると、均一な保護皮膜となる酸化クロム皮膜（Ｃｒ_２Ｏ_３皮膜）３０が素子カバー２３の内面全体及び弾性母材１６の対象部分に形成される（酸化クロム皮膜３０は積極的に形成される）。

この形成された酸化クロム皮膜３０によって、高温使用環境下での金属表面からの酸化が抑えられる。酸化が抑えられれば、圧電素子に影響を来す酸素濃度低下までの時間が延びることになる。

続いて、上記構成に基づいて渦流量計１の作用等について簡単に説明する。

渦検出センサ４は、渦検出部８を振動管７内に挿入して振動伝達可能に一体に固着されたものである。振動管７と渦検出部８との固着部分は、係止凹部２７とバネ板２２の外周のバネ力による接触部分、及び、振動管７の振動管頭部１２の固定部１５と素子カバーフランジ２８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３１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１０が左右に振動する。これにより振動管７の可動管部９は、振動部取り付けフランジ１１を支点として振動する。振動は、バネ板２２を介して弾性母材１６に伝達される。弾性母材１６は、上端部２４側が素子カバー２３内に収容され、また、固着されていることから、上端部２４側を支点として片持ち状に左右に振動して圧電素子板１７に交番応力を生じさせる。渦検出センサ４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。

以上、図１ないし図３を参照しながら説明してきたように、本発明によれば、センサ寿命を従来よりも向上させることができる（使用温度４６０℃の時の耐久試験を行った結果、センサ寿命（アレニウスの定理より）は従来タイプ４００日が本発明タイプ２５６０日までのびる）。また、本発明ではセンサ寿命を向上させることから、より良い渦流量計１を提供することができる。

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。

本発明の一実施の形態を示す渦流量計の断面図である。（ａ）は振動管の断面図、（ｂ）は渦検出センサの断面図、（ｃ）は渦検出部の断面図である。皮膜形成に関する工程のフローチャートである。

符号の説明

１渦流量計
２測定管
３渦発生体
４渦検出センサ
５計測室
６導圧孔
７振動管
８渦検出部
９可動管部
１０受圧板
１１振動部取り付けフランジ
１２振動管頭部
１３空洞部
１４ボルト穴
１５固定部
１６弾性母材
１７圧電素子板
１８電極板
１９端子
２０リード線
２１挿通管
２２バネ板
２３素子カバー
２４上端部
２５支持円柱部
２６バネ取り付け部
２７係止凹部
２８素子カバーフランジ
２９溶接部
３０酸化クロム皮膜
３１流路

Claims

管断面が円形状で中央に流路を有する筒状に形成され、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取り付けるものであって、
前記測定管の内部に渦を発生させるための三角柱形状の部分であって、一端が開口され、前記被測定流体の流れに対して直交方向に貫通する導圧孔を形成する計測室が設けられる渦発生体と、渦検出のためのセンサで圧電センサを用いて構成される渦検出センサとからなる渦流量計の前記渦検出部の製造方法において，
前記渦検出センサは、振動管と渦検出部とを備えて構成し，
前記振動管は，
前記計測室に差し込まれ該計測室内周面に対して僅かな隙間があく形状に形成してなる可動管部と、前記可動管部の一端に連成され前記導圧孔の位置に合うように配置形成されている受圧板と、前記可動管部の他端に連成されボルト穴が形成されており前記測定管の固定部に固定される振動部取り付けフランジと、前記振動部取り付けフランジに連成され渦検出部を固定するための固定部が形成されている振動管頭部と、前記振動管頭部から前記可動管部の前記一端近傍にかけて形成され前記渦検出部が僅かな隙間をあけて差し込まれる空洞部を備え、前記可動管部の一部と前記受圧板とを前記測定管の流路内に露出して形成してなり，
前記渦検出部は，
弾性母材と、圧電素子板と、電極板と、端子と、リード線と、挿通管と、バネ板と、素子カバーとを備え、前記振動管に着脱自在に取り付けられ該振動管が受けるカルマン渦による圧力変動を受けて電気信号に変換して流量変換器へ出力するように構成されるものであって，
前記弾性母材は，
ステンレス鋼を加工した異径の金属柱であって、ニオブ酸リチウムからなり端子を介してリード線に接続されている圧電素子板が二つの面取り部に貼り付けによって取り付けられ、非貼着面に多孔板からなる電極板が貼着され、前記素子カバーの前記空洞部内に収容される上端部と、
前記可動管部に差し込まれる部分であって、前記空洞部に対して僅かな隙間を空けて形成され、前記上端部の下端に連成される支持円柱部と、
前記支持円柱部の下端に連成され、前記支持円柱部よりも小径であって、前記空洞部の端部に形成される係止凹部に挿入され、バネ作用によって支持可能となる部分であるバネ板が連成されるバネ取り付け部と、
によって形成され，
前記素子カバーは，
両端部が窄む略円筒体の形状に形成されており、ステンレス鋼を加工することにより製造され、前記圧電素子板、前記電極板、及び前記端子からなる検出素子部を密封するために備えられ、上端部にリード線を挿通する挿通管が気密に取り付けられ、下端部に前記上端部と前記支持円柱部の境界部分が溶接され、周囲に素子カバーフランジが形成されており、該素子カバーフランジを介して振動管頭部の固定部に固定され、下端部から前記支持円柱部と前記バネ板とが突出するように構成してなり，
前記素子カバーの内面全体、及び前記弾性母材の内前記素子カバーの下端部から突出する支持円柱部とバネ板とを除いた部分に，酸化クロムを主成分とする研磨粉によってバフ研磨を施して前記素子カバー及び前記弾性母材の製造加工時に受けるストレスによって形成される変質層を除去すると共に、大きな凹凸を除去し、
前記バフ研磨した後、酸素雰囲気環境に置いて加熱処理を施し、均一な保護皮膜となる酸化クロム皮膜（Ｃｒ_２Ｏ_３皮膜）を、前記素子カバーの内面全体、及び前記弾性母材の内前記素子カバーの下端部から突出する支持円柱部とバネ板とを除いた部分に形成する
ことを特徴とする渦流量計の渦検出部製造方法。
請求項１に記載の渦流量計の渦検出部製造方法において、
前記加熱処理の後に前記渦検出部の前記素子カバーの内部に乾燥空気が充填封入されている
ことを特徴とする渦流量計の渦検出部製造方法。