JPH01113617A - カルマン渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、流体の流れの中に挿入された柱状物体の下流
側側面に発生するカルマン渦の周波数を検出して、流体
の流量を測定するカルマン渦流量計に関する。

【従来の技術】

従来、この種のカルマン渦流量計の渦圧力変化を検出す
る手段として、流体中に放射した超音波の減衰量を発信
と受信の二つのセンサを用いて計測する方法がある。

【発明が解決しようとする問題点】

しかし、この方法は、発信・受信の二つのセンサを用い
るために、高価であると同時に、超音波の微小な音圧変
化をアナログ的に検出するので回路的にもノイズ等の影
響を受は易く、これを防止するためには複雑となる欠点
を有している。 本発明は、上述の点に鑑み、従来技術の問題点を有効に
解決し、簡単な構成で渦の検出が可能なカルマン渦流量
計を提供することを目的とする。

【問題点を解決するための手段】

本発明は、このような目的を達成するために、流れの中
に挿入されたカルマン渦発生体の両側面近傍に生じる圧
力変動を、共振周波数で自励振動する機械的振動体に導
き、渦による圧力または密度の変動で生じる共振周波数
の変調によって渦の周波数つまり流量を検出する。

【実施例１ 次に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 第１図は本発明の一実施例を示す全体構成図、第２図は
第１図の渦発生体のＡ−Ａ断面図、第３図は第１図の検
出部の縦断面図、第４図は第３図のブロック構成図、第
５図は本発明の詳細な説明図である。 第１図において、１は管路、４゜はカルマン渦を発生さ
せるための一対の渦発生体、３は検出装置である。渦発
生体４は第２図に示されるように、二等辺三角形の上流
柱状体４１と等脚台形の下流柱状体４２とより構成され
ており、この二つの柱状体４１．４２は一定間隔６を隔
てて流れに垂直に挿入さ胱ている。５ａ、５ｂは下流柱
状体４２の軸方向端部近傍の両側面に設けた連通ずるス
リットで、発生した渦の圧力変化を検出装置３に導（た
めのものである。 第３図および第４図において、８は底部８ａの内面に圧
電振動子９が接着固定され開口端にはつば８ｂが設けら
れた有底円筒状の振動体で、振動体８は厚さ０．１　　
（ｍｍ）程度の金属製薄板で形成されている。圧電振動
子９は、厚さ０．１〜０．２〔胴〕の円板状圧電基板９
ａと、基板９ａの一面に形成し第１電極９ｂと、基板９
ａの他面に形成した第２および第３電極９ｃ、９ｄとで
構成され、第１電極９ｂが設けられた面が振動体８の底
部８ａに当接させられて電極９ｂと振動体８とが電気的
に接続されている。１０は振動体８と圧電振動子９とか
らなる振動板である。１１は開口端側の内面にめねじｌ
ｌａを設けた有底円筒状の容器で、この容器１１の底部
１１ｂ外面には容器１１と同軸になるようにして円筒状
筒体１２の一端が固定されている。この容器の底部１１
ｂには、筒体１２の内部と導圧口５ａ＋５ｂに連通しか
つ筒体の内直径に等しい直径を有する円形貫通孔１１ｃ
が設けられている。１３は外側面におねじ１３ａを設け
た有底円筒状ハウジングである。振動体８は、おねじ１
３ａをめねじｌｌａにねじ込むことによってつば８ｂが
ハウジング１３と容器１１とで挟みつけられて、ハウジ
ング１３と容器１１とで形成される内部空所内に固定さ
れている。１４は振動板１０と容器１１とで形成された
第１空所、１５は振動板１０とハウジング１３とで形成
された第２空所で、ハウジング１３の底部１３ｂには貫
通孔１６．１６が設けられ、さらに底部１３ｂの内面に
は検出回路１７を構成するプリント配線基板１８が接着
固定されている。第１空所１４と第２空所１５とは振動
板１０によって流体密に隔離されている。 １９ａは検出回路１７と空所１５外の回路とを接続する
ために空所１５から貫通孔１６を介して引き出された導
線で、１９ｂ、　１９ｃ、　１９ｄは振動体８、圧電振
動子９における電極９ｃ、９ｄのそれぞれを検出回路１
７に接続するリード線である。 次に検出回路１７の構成と動作とを説明する。２１は電
極９Ｃを介して出力電圧を圧電基板９ａに印可する増幅
器で、２２は圧電基板９ａに発生した電圧を電極９ｄを
介して検出して増幅器２１に正帰還する帰還回路である
。第３図および第４図においては振動板１０が上述のよ
うに構成され、かつ圧電基板９ａは電極９ｂ、９ｃ間に
交流電圧が印可されると半径方向に伸縮するように構成
されているので、圧電基板９ａにこのような伸縮が発生
すると振動体８の底部８ａはこの振動体の筒体軸の方向
に振動する。この結果再び電極９ｄ、９ｂ間に圧電基板
９ａの歪みに応じた交流電圧が発生して、この電圧が帰
還回路２２を介して増幅器２１に正帰還されるので、結
局振動板１０はこの振動板の固有振動数Ｆで共振する振
動状態を継続して自動振動をする。２３は固有振動数Ｆ
に等しい周波数を有する増幅器２１の出力交流電圧２１
ａが入力され、この電圧に対して行う後述の信号処理を
やり易くするインピーダンス変換回路で、２４は変換回
路２３の出力信号に対して波形整形を行って周波数Ｆの
パルス列信号２４ａを出力する波形整形回路である。検
出回路１７は、上述した増幅器２１と帰還回路２２とイ
ンピーダンス変換回路２３と波形整形回路２４とこれら
各部を搭載したプリント配線基板１８とで構成されてい
る。 ２５は信号２４ａを構成するパルス列の平均周波数Ｆに
対応した信号とカルマン渦による変調周波数信号との内
、変調周波数信号２５ａを出力する信号変換回路である
。 第３図および第４図においては第３図の部分を第１図の
ように管路１内に配置すると、空所１４には導圧口５ａ
、５ｂと貫通孔１１ｃを介して、また空所１５には管路
１に設けた開口４３と貫通孔１６を介していずれも流体
２が侵入するので、この状態で振動板１０を上述のよう
にして自動振動させると、この振動板は測定流体２が導
入された第１空所１４および貫通孔１１ｃの部分および
筒体１２内部と、振動板１０とからなる振動系４０の共
振周波数で振動する。 ここで、共振出力数はカルマン渦の発生出力数に比べて
十分高い値に設定されている。管路１内に流体が流れる
と渦発生体の両側面近傍にはカルマン渦の圧力変動が生
じ、前記共振周波数はこの変動に同期した変調を受ける
。さらに、このカルマン渦の圧力は、実験の結果管路ｌ
内の平均圧力を中心に増減することが明らかとなってい
る。したがって、波形整形回路２４から出力されるパル
ス列信号２４ａは、管路１内の平均的な密度に基づいた
振動板１０の共振周波数が、体積流量に基づいたカルマ
ン渦の発生周波数で変調されたものとなる。 それゆえ、パルス列信号２４ａの渦による変調の周波数
数によって管路１内を流れる流体の体積流量が検出でき
る。この様子を第６図に示す。第６図において、２５ａ
は信号変換回路２５においてパルス列信号２４ａから抽
出され、パルス列２４ａのカルマン渦による変調周波数
成分で、カルマン渦周波数（体積流量）を表わす。なお
、第６図において、２５ｂはパルス列２４ａの共振周波
数Ｆの平均値に対応する成分である。 第４図において２７は振動子９と検出回路１７と信号変
換回路２５とからなり、上述のようにして振動系４０の
変調周波数Ｆｋを検出する周波数検出部である。 次に振動板１０の振動態様を第５図を用いて説明する。 すなわち第３図においては、振動体８の側面８ｃは第１
筒体１１の内側面と非常に狭い間隙を介して対向するよ
うに構成され、また空所１５の容積は、振動板１０が上
述のように振動しても空所１５内には殆ど圧力変動を生
じないように、空所１４の容積に比べて非常に大きく形
成されかつ貫通孔１６の合計開口面積も非常に太き（形
成されて、空所１５の固有振動数が振動板１０と空所１
４と貫通孔１１ｃと筒体１２の内部空所とからなる振動
系４０の固有振動数に対して充分低くなるように構成さ
れているので、第３図の要部は模式的に第５図（Ａ）の
ように表される。第５図（Ａ）において、Ｍｍは振動板
１０の質量、Ｓは振動体８の底部８ａの面積、Ｃｍは振
動板１０のばね定数Ｋｍに対応するコンプライアンスで
、Ｃｍ＝１／Ｋｍの関係があり、Ｍａは筒体１２内に存
在する測定流体２の質量、Ｃａは空所１４における音響
容量である。音響容量Ｃａは（２）式で表される。ここ
にＷは空所１４の容積、Ｘ、ρはそれぞれ流体２中の音
速、流体２の密度である。 Ｃａ＝Ｗ／（Ｘ”　　・ρ）　　　　　−・・−−−（
１）第３図においては、第５図（Ａ）に示した空所１４
の高さｈならびに筒体１２の断面積Ｓ１がいずれも非常
に小さく形成されて、空所１４における流体２の質量な
らびに筒体１２内の音響容量が共に無視しうるように構
成されているので、第５図（Ａ）に示した振動系は、空
所工４と筒体１２内空所とからなる音響振動系を機械振
動系に変換して、第５図（Ｂ）に示した電気的等価回路
で表される。ここにＭａｏ、Ｃａｏはそれぞれ（２）式
で表される質量、音響コンプライアンスである。 さて第５図ＣＢ）において、振動の角周波数をωとして
（３）式が成立するとすると第５図（Ｂ）は同図（Ｃ）
のように書き直され、第５図（Ｃ）の回路の共振周波数
をＦとすると（４）式が成立する。 Ｆ＝ω／２π （２）〜（４）式から（５）式が得られる。 （４）式から明らかなように、第１図の要部が第５図（
Ｃ）の等価回路が成立するように構成されていると振動
板１０は周波数Ｆで共振し、第４図に示した波形整形回
路の出力信号２４ａを構成するパルス列の周波数Ｆは筒
体１２内にある測定流体２の質量Ｍａに応じた値になる
。 第７図は本発明の他の実施例を示し、第１図と相違する
点は検出部４４と渦発生体４５を分離した点である。こ
れにより、検出装置４４と渦発生体４５は独立に交換可
能になるためカルマン渦流量計としてのメインテナンス
が容易かつ低コストで実施可能となる。なお、第７図に
おいて、検出装置４４は第３図の検出部ｗ３から下流柱
状体４２を削除した構成となる。 【発明の効果】 本発明においては、流れの中に挿入されるカルマン渦発
生体の両側面近傍に生じる圧力変動を、少なくとも一つ
の振動面側に空洞と筒体とからなる音響振動系が設けら
れた振動板に導くよう構成したので、カルマン渦の圧力
変動で生じる振動板の共振周波数の変調によって流体の
体積流量が検出可能となる。 それゆえ、本発明によれば、構造が簡単でかつ低コスト
なカルマン渦流量計が得られる。 また、空洞の音響コンプライアンスを振動板のコンプラ
イアンスに比べて小さく設定したので、振動板の振動時
にこの振動板を含む振動系の質量を増加させることにな
る測定流体の作用が空洞と筒体との作用によって拡大さ
れる結果、気体に対しても精度よ（測定を行なうことが
でき、かつ測定温度範囲の広い検出装置が得られる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体構成図、第２図は
第１図の渦発生体のＡ−Ａ断面図、第３図は第１図の検
出装置の縦断面図、第４図は第３図のブロック構成図、
第５図は本発明の詳細な説明図で、同図（Ａ）は振動系
の模式図、同図（Ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ同図（Ａ
）に対する異なる等価回路図、第６図は検出装置の出力
信号について説明するための説明図、第７図は本発明の
他の実施例を示す全体構成図である。 １：管路、３：検出装置、４：渦発生体、８：振動体、
９：圧電振動子、９ａ：圧電基板、１０：光２色 累３０ 晃４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）流体の流れの中に挿入されたカルマン渦発生体によ
   り発生する渦の周波数によって流量を検出する流量計に
   おいて、流体密度に応じて共振周波数が変化する機械的
   振動体に、前記カルマン渦発生体の両側面近傍に生じる
   流体の圧力変動を作用させ、前記機械的振動体の共振周
   波数の周波数変調成分からカルマン渦周波数を取出すこ
   とを特徴とするカルマン渦流量計。 ２）特許請求の範囲第１項の流量計において、前記機械
   的振動体は、振動板と、この振動板の少なくとも一方の
   振動面側に設けられた空洞および筒体からなる音響振動
   系とによって構成されることを特徴とするカルマン渦流
   量計。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の流量計に
   おいて、前記カルマン渦発生体の内部に前記カルマン渦
   の圧力変動を導く導圧口を設け、この導圧口を介して前
   記圧力変動を機械的振動体に作用させることを特徴すす
   るカルマン渦流量計。