JP5423963B2 - 渦流量計 - Google Patents

Description

本発明は、渦流量計に関するものである。
更に詳述すれば、本発明は渦流量計の耐振性向上に関するものである。

図７は従来より一般に使用されている従来例の構成説明図、図８は図７の要部構成説明図、図９は図７の電気回路図、図１０，図１１は図７の動作説明図である。

図において、本体１の下部には、管路１０が設けられている。
本体１の上部には逆Ｕ字状のブラケット２が設けられ、その上部にはケース３が設けられている。
管路１０は測定流体ＦＬが流れる管路である。
ノズル１１は管路１０に直角に設けられ円筒状をなす。
渦発生体１２は、ノズル１１とは隙間を保って、管路１０に直角に挿入され、台形断面を有す。

渦発生体１２の一端は、ネジ１３により管路１０に支待され、他端はフランジ部１４でノズル１１にネジ或いは溶接により固定されている。
凹部１５は、渦発生体１２のフランジ部１４側に設けられている。

この凹部１５の中には、その底部から順に、全属製の第１コモン電極１６、圧電素子１７、電極板１８、絶縁板１９、電極板２０、圧電素子２１が、サンドイッチ状に配列され、全属製の押圧棒２２により、これ等は押圧固定されている。
さらに、電極板１８からは、リード線２３、電極板２０からはリード線２４が、それぞれ端子Ａ、Ｂに引き出されている。

圧電素子１７、２１は、各圧電素子１７、２１の紙面に向かって左側と右側とがそれぞれ逆方向に分極されており、同じ方向の応力に対して互いに上下の電極に逆極性の電荷を発生する。

圧電素子１７に発生した電荷は、電極板１８と接続された端子Ａと、第１コモン電極１６を介して接続された管路１０との間に得られ、圧電素子２１に発生した電荷は、電極板２０と接続された端子Ｂと、押圧棒２０と接続された管路１０との間に得られる。

この２個の電極板１８、２０に発生した電荷は、図１１に示すように電荷増幅器２５、２６に入力される。
電荷増幅器２５の出力と、電荷増幅器２６の出力をボリウム２７を介した出力とを、加算器２８で加算して流量信号を得る。

この流量信号は、例えば、電流出力に変換されて、２線を介して負荷に伝送される（図示せず。）。
次に、以上のように構成された渦流量計の動作について、図１０と図１１とを用いて説明する。

測定流体ＦＬが管路１０の中に流れると、渦発生体１２に矢印Ｆで示した方向にカルマン渦による振動が発生する。
この振動により渦発生体１２には、図１０（ａ）に示すような応力分布と、この逆の応力分布の繰返しが生じる。

各圧電素子１７、２１には、図１０（ａ）に示す渦周波数を持つ信号応力に対応した電荷＋Ｑ、−Ｑの繰返しが生じる。
なお、図１０においては、説明の便宣のため、電極板１８或いは２１を紙面に対して左石に２つに分割し、かつ、上下の一方の電極は、第１コモン電極１６あるいは押圧棒２２に相当するものとしてある。

一方、管路１０には、ノイズとなる管路振動も生じる。
この管路振動は、
（１）流体の流れと同じ方向の抗力方向、
（２）流体の流れとは直角方向の揚力方向、
（３）渦発生体の長手方向の３方向成分に分けられる。

このうち、抗力方向の振動に対する応力分布は、図１０（ｂ）に示すようになり、１個の電極内で正負の電荷は打ち消されて、ノイズ電荷は発生しない。
また、長手方向の振動に対しては、図１０（ｃ）に示すように、電極内で打ち消されて、抗力方向と同様にノイズ電荷は発生しない。

しかし、揚力方向の振動は、信号応力と同一の応力分布となり、ノイズ電荷が生じる。
そこで、このノイズ電荷を消去するために、以下の演算を実行する。

圧電素子１７，２１の各電荷をＱ１，Ｑ２、信号成分をＱ１，Ｑ２、揚力方向のノィズ成分をＮ１，Ｎ２とし、圧電素子１７，２１で分極を逆とすると、Ｑ１，Ｑ２は次式で示される。

Ｑ１＝Ｓ１＋Ｎ１
−Ｑ２＝−Ｓ２一Ｎ２
ただし、Ｓ１とＳ２、Ｎ１とＮ２のベクトル方向は同じである。

ここで、圧電素子１７、２１の信号成分とノイズ成分の関係は、図９（この図は揚力方向のノイズと、信号に対する渦発生体の曲げモーメントの関係を示す）に示すようになっている。

従って、図９に示すように、圧電素子１７側の電荷増幅器２５の出力を、加算器２８で加算する際に、ボリウム２７と共に、Ｎ１／Ｎ２倍して、圧電素子２１側の電荷増幅器２６の出力と加算すると、

Ｑ１−Ｑ２（Ｎ１／Ｎ２）
＝Ｓ１−Ｓ２（Ｎ１／Ｎ２）
となり管路ノイズは除去される。

そして、第１コモン電極１６、圧電素子１７、電極板１８、絶縁板１９、電極板２０、圧電素子２１は、凹部１５に押圧棒２２で押圧固定されている。

ここで、渦発生体１２と第１コモン電極１６、圧電素子１７、電極板１８、絶縁板１９、電極板２０、圧電素子２１、押圧棒２２との温度膨脹を等しくしておけば、測定流体温度が変化しても、初期の押付け力は変化しないので、間題は生じ無い。

特開２００３−３２２５５３号公報 計測自動制御学会論文集、Ｖｏ．２１ Ｎｏ．１０、昭和６０年１０月発行、 Ｐ５９〜Ｐ６５

このような装置においては、以下の問題点がある。
ケースの振動により伝わる振動ノイズは、ブラケットを、圧電素子の感度がある揚力方向に剛性を高めることで、管路本体部に振動を伝え難くすることで、耐振性を向上させる工夫がされている。

しかしながら、ブラケットの剛性だけでは限界があり、どうしても、ケースの振動が渦発生体から圧電素子に伝わり、振動ノイズの電荷が発生、流量がゼロの状態での誤出力や、流量がある状態での渦周波数の測定に影響を及ぼすことがある。
特に、ケース及びブラケットの部分（以下「トップワーク」と呼ぶ）が共振してしまうと、振動の振幅が大きくなり、振動ノイズをキャンセルすることが困難になっていた。

本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、トップワークの振動をアクティブに制振することで、トップワークから伝わる振動ノイズを減衰させ、渦流量計の耐振性を向上させる渦流量計を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明では、請求項１の渦流量計においては、
管路本体に取り付けられたケースを具備し、カルマン渦による交番圧力の変動を渦発生体に設けられた応力検出素子で検出して流速流量を測定する渦流量計において、前記ケースに設けられＸＹＺ軸方向のケース振動のノイズをそれぞれ検出する３軸ジャイロと、この３軸ジャイロで検出された振動信号に基づきこのジャイロ検出振動信号と逆位相の振動信号を出力する振動制御回路と、前記３軸ジャイロのケースに前記ＸＹＺ軸に直交してそれぞれ一方の面が設けられ前記振動制御回路からの信号に基づき前記ジャイロ検出振動信号を打ち消す振動を発生する圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータの他方の面にそれぞれ一面が設けられた付加質量とを有する振動検出発生ユニットを具備したことを特徴とする。

本発明の請求項２の渦流量計においては、
管路本体に取り付けられたケースを具備し、カルマン渦による交番圧力の変動を渦発生体に設けられた応力検出素子で検出して流速流量を測定する渦流量計において、前記渦発生体に設けられＸＹＺ軸方向の振動ノイズをそれぞれ検出する３軸ジャイロと、この３軸ジャイロで検出された振動信号に基づきこのジャイロ検出振動信号と逆位相の振動信号を出力する振動制御回路と、前記３軸ジャイロのケースに前記ＸＹＺ軸に直交してそれぞれ一方の面が設けられ前記振動制御回路からの信号に基づき前記ジャイロ検出振動信号を打ち消す振動を発生する圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータの他方の面にそれぞれ一面が設けられた付加質量とを有する振動検出発生ユニットを具備したことを特徴とする。

本発明の請求項３の渦流量計においては、
管路本体に取り付けられたケースを具備し、カルマン渦による交番圧力の変動を渦発生体に設けられた応力検出素子で検出して流速流量を測定する渦流量計において、前記渦流量計の前記カルマン渦による交番圧力の変動を検出しない位置に設けられＸＹＺ軸方向の振動ノイズをそれぞれ検出する３軸ジャイロと、この３軸ジャイロで検出された振動信号に基づきこのジャイロ検出振動信号と逆位相の振動信号を出力する振動制御回路と、前記渦発生体に設けられ前記３軸ジャイロの前記ＸＹＺ軸に対応して一方の面が設けられ前記振動制御回路からの信号に基づき前記ジャイロ検出振動信号を打ち消す振動を発生する圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータの他方の面にそれぞれ一面が設けられた付加質量とを有する振動検出発生ユニットを具備したことを特徴とする。

本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
３軸ジャイロで検出した振動と逆位相の振動を圧電アクチュエータで発生させることにより、ケースの振動を減衰させることができる。
ケースの振動が減衰することで、Ｓ／Ｎ比が向上し、従来よりも耐振性の高い渦流量計が得られる。

本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
渦信号として存在し得ない帯域の周波数を振動検出発生ユニットが検出した場合、渦発生体に振動と逆位相の強制振動を与え、渦発生体に発生する振動ノイズをキャンセルする。
限定周波数帯域で効果がある渦流量計が得られる。

本発明の請求項３によれば、次のような効果がある。
ケース振動によるノイズ成分だけでなく、渦発生体の自重により生じる振動ノイズもキャンセルすることができる。
全周波数帯域で耐振性を向上出来る渦流量計が得られる。

本発明の一実施例の要部構成説明図である。 図１の要部詳細斜視説明図である。 図２の要部構成説明図である。 図２の電気回路のブロック図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明図である。 従来より一般に使用されている他の従来例の要部構成説明図である。 図７の要部構成説明図である。 図７の電気回路図である。 図７の動作説明図である。 図７の動作説明図である。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図でケース部分を拡大した説明図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

図２は図１の要部詳細斜視説明図、図３（ａ）はＹ軸方向より見た図、図３（ａ）はＸ軸方向より見た図、図４は図２の電気回路のブロック図である。
図において、図７と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図７との相違部分のみ説明する。

図１、図２、図３において、振動検出発生ユニット３１は、３軸ジャイロ３１１と振動制御回路３１２と圧電アクチュエータ３１３と付加質量３１４とを有する。
３軸ジャイロ３１１は、ケース３に設けられＸＹＺ軸方向のケース３の振動のノイズをそれぞれ検出する。

図４に示す如く、振動制御回路３１２は、３軸ジャイロ３１１で検出された振動信号に基づき、このジャイロ検出振動信号と逆位相の振動信号を出力する。
圧電アクチュエータ３１３は、３軸ジャイロ３１１のケースにＸＹＺ軸に直交してそれぞれ一方の面が設けられ、振動制御回路３１２からの信号に基づき、３軸ジャイロ３１１の検出振動信号を打ち消す振動を発生する。
付加質量３１４は、圧電アクチュエータ３１３の他方の面にそれぞれ一面が設けられている。

以上の構成において、図１に示すように、ケース３の内部に振動検出発生ユニット３１を取り付ける。
ケース３の振動を３軸ジャイロ３１１で検出し、検出したそれぞれの軸方向振動に対し、振動制御回路３１２からの信号に基づき、逆位相で圧電アクチュエータ３１３を振動させケース３の振動を減衰させる。

この結果、
３軸ジャイロ３１１で検出した振動と逆位相の振動を圧電アクチュエータ３１３で発生させることにより、ケース３の振動を減衰させることができる。
ケース３の振動が減衰することで、Ｓ／Ｎ比が向上し、従来よりも耐振性の高い渦流量計が得られる。

図５は、本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
図５において、振動検出発生ユニット４１は、３軸ジャイロ４１１と振動制御回路４１２と圧電アクチュエータ４１３と付加質量４１４とを有する。
３軸ジャイロ４１１は、渦発生体１２に設けられ、ＸＹＺ軸方向の振動ノイズをそれぞれ検出する。

振動制御回路４１２は、３軸ジャイロ４１１で検出された振動信号に基づき、このジャイロ検出振動信号と逆位相の振動信号を出力する。
圧電アクチュエータ４１３は、３軸ジャイロ４１１のケースに、ＸＹＺ軸に直交してそれぞれ一方の面が設けられ、振動制御回路４１２からの信号に基づき、ジャイロ検出振動信号を打ち消す振動を発生する。
付加質量４１４は、この圧電アクチュエータ４１３の他方の面に、それぞれ一面が設けられている。

以上の構成において、図５に示すように、渦発生体１２に振動検出発生ユニット４１を取り付ける。
ケース３の振動を３軸ジャイロ４１１で検出し、検出したそれぞれの軸方向振動に対し、振動制御回路４１２からの信号に基づき、逆位相で圧電アクチュエータ４１３を振動させ渦発生体１２の振動を減衰させる。

この結果、
渦信号として存在し得ない帯域の周波数を振動検出発生ユニット４１が検出した場合、渦発生体１２に振動と逆位相の強制振動を与え、渦発生体１２に発生する振動ノイズをキャンセルする。
限定周波数帯域で効果がある渦流量計が得られる。

図６は、本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
図６において、振動検出発生ユニット５１は、３軸ジャイロ５１１と振動制御回路５１２と圧電アクチュエータ５１３と付加質量５１４とを有する。
３軸ジャイロ５１１は渦流量計のカルマン渦による交番圧力の変動を検出しない位置に設けられＸＹＺ軸方向の振動ノイズをそれぞれ検出する。
例えば、本体１に設けられた柔軟な台の上に取付けられている。

振動制御回路５１２は、３軸ジャイロ５１１で検出された振動信号に基づき、このジャイロ検出振動信号と逆位相の振動信号を出力する。
圧電アクチュエータ５１３は、渦発生体１２に設けられ、３軸ジャイロ５１１のＸＹＺ軸に対応して一方の面が設けられ、振動制御回路５１２からの信号に基づき、ジャイロ検出振動信号を打ち消す振動を発生する。
付加質量５１４は、この圧電アクチュエータ５１３の他方の面にそれぞれ一面が設けられている。

以上の構成において、図６に示すように、３軸ジャイロ５１１を渦流量計のカルマン渦による交番圧力の変動を検出しない位置に取り付ける。
圧電アクチュエータ５１３と付加質量５１４とを、渦発生体１２に取り付ける。
渦流量計の振動を３軸ジャイロ４１１で検出し、検出したそれぞれの軸方向振動に対し、振動制御回路４１２からの信号に基づき、逆位相で圧電アクチュエータ４１３を振動させ渦流量計の振動を減衰させる。

この結果、
ケース３の振動によるノイズ成分だけでなく、渦発生体１２の自重により生じる振動ノイズもキャンセルすることができる。
全周波数帯域で耐振性を向上出来る渦流量計が得られる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。

１ 本体
２ ブラケット
３ ケース
ＦＬ 測定流体
１０ 管路
１１ ノズル
１２ 渦発生体
１３ ネジ
１４ フランジ部
１５ 凹部
１６ 第1コモン電極
１７ 圧電素子
１８ 電極板
１９ 絶縁板
２０ 電極板
２１ 圧電素子
２２ 押圧棒
２３ リード線
２４ リード線
２５ 電荷増幅器
２６ 電荷増幅器
２７ ボリウム
２８ 加算器
３１ 振動検出発生ユニット
３１１ ３軸ジャイロ
３１２ 振動制御回路
３１３ 圧電アクチュエータ
３１４ 付加質量
４１ 振動検出発生ユニット
４１１ ３軸ジャイロ
４１２ 振動制御回路
４１３ 圧電アクチュエータ
４１４ 付加質量
５１ 振動検出発生ユニット
５１１ ３軸ジャイロ
５１２ 振動制御回路
５１３ 圧電アクチュエータ
５１４ 付加質量
ＦＬ 測定流体

Claims (3)

1. 管路本体に取り付けられたケースを具備し、カルマン渦による交番圧力の変動を渦発生体に設けられた応力検出素子で検出して流速流量を測定する渦流量計において、
   前記ケースに設けられＸＹＺ軸方向のケース振動のノイズをそれぞれ検出する３軸ジャイロと、
   この３軸ジャイロで検出された振動信号に基づきこのジャイロ検出振動信号と逆位相の振動信号を出力する振動制御回路と、
   前記３軸ジャイロのケースに前記ＸＹＺ軸に直交してそれぞれ一方の面が設けられ前記振動制御回路からの信号に基づき前記ジャイロ検出振動信号を打ち消す振動を発生する圧電アクチュエータと、
   この圧電アクチュエータの他方の面にそれぞれ一面が設けられた付加質量と
   を有する振動検出発生ユニット
   を具備したことを特徴とする渦流量計。
2. 管路本体に取り付けられたケースを具備し、カルマン渦による交番圧力の変動を渦発生体に設けられた応力検出素子で検出して流速流量を測定する渦流量計において、
   前記渦発生体に設けられＸＹＺ軸方向の振動ノイズをそれぞれ検出する３軸ジャイロと、
   この３軸ジャイロで検出された振動信号に基づきこのジャイロ検出振動信号と逆位相の振動信号を出力する振動制御回路と、
   前記３軸ジャイロのケースに前記ＸＹＺ軸に直交してそれぞれ一方の面が設けられ前記振動制御回路からの信号に基づき前記ジャイロ検出振動信号を打ち消す振動を発生する圧電アクチュエータと、
   この圧電アクチュエータの他方の面にそれぞれ一面が設けられた付加質量と
   を有する振動検出発生ユニット
   を具備したことを特徴とする渦流量計。
3. 管路本体に取り付けられたケースを具備し、カルマン渦による交番圧力の変動を渦発生体に設けられた応力検出素子で検出して流速流量を測定する渦流量計において、
   前記渦流量計の前記カルマン渦による交番圧力の変動を検出しない位置に設けられＸＹＺ軸方向の振動ノイズをそれぞれ検出する３軸ジャイロと、
   この３軸ジャイロで検出された振動信号に基づきこのジャイロ検出振動信号と逆位相の振動信号を出力する振動制御回路と、
   前記渦発生体に設けられ前記３軸ジャイロの前記ＸＹＺ軸に対応して一方の面が設けられ前記振動制御回路からの信号に基づき前記ジャイロ検出振動信号を打ち消す振動を発生する圧電アクチュエータと、
   この圧電アクチュエータの他方の面にそれぞれ一面が設けられた付加質量と
   を有する振動検出発生ユニット
   を具備したことを特徴とする渦流量計。

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