JPH04296622A - 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】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、流体の流れに対応した
カルマン渦により渦発生体に生ずる交番力を検出して、
渦流量信号として取り出す渦流量計に係り、特に低流量
域における流量を感度良く検出することができるように
改良した渦流量計に関する。 【０００２】 【従来の技術】図６は従来の渦流量計の検出部の断面を
示す断面図である。１０は流体が流れる管路、１１は管
路１０に直角に設けられた円筒状のノズルである。１２
はノズル１１とは間隔を持って管路１０に直角に挿入さ
れた台形断面を持つ柱状の渦発生体であり、その一端は
ネジ１３により管路１０に支持され、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。１５は渦発生体１２のフランジ部１４側に設けられ
た凹部である。この凹部１５の中にはその底部から順に
金属製の台座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
列され金属製の押圧棒２２でこれ等は押圧固定されてい
る。さらに、電極板１８からはリ−ド線２３、電極板２
０からはリ−ド線２４がそれぞれ端子Ａ、Ｂに引き出さ
れている。 【０００３】圧電素子１７、２１は各圧電素子１７、２
１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と台座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７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で加算して渦信号を得る。これ等の
電荷増幅器２５、２６、および加算器２８によりチャ−
ジコンバ−タ２９を構成している。 【０００４】このチャ−コンバ−タ２９の出力端に得ら
れる渦信号は図８に示すように低域濾波器３０に出力さ
れここで高周波ノイズが除去されてシュミット回路３１
に出力される。ここで測定流量に比例した渦流量信号ｆ
１　に変換されて出力回路３２に送出される。この出力
回路３２は渦流量信号ｆ１　をこれに比例した電流信号
ＩＬ　に変換して出力端３３に出力する。 【０００５】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９を用いて説明する。流体が管路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９（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、各圧電素子１７、２１には図９
（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９においては説明
の便宜のため電極板１８或いは２１を紙面に対して左右
に２つに分割し、かつ上下の一方の電極は台座１６ある
いは押圧棒２２に相当するものとしてある。 【０００６】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（Ａ）流体の流れと同じ方向
の抗力方向、（Ｂ）流体の流れとは直角方向の揚力方向
、（Ｃ）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９（
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９（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。 【０００７】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
Ｓ１　、Ｓ２　、揚力方向のノイズ成分を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　−Ｎ２　 【０００８】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（ｄ）（ｅ）
（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−メントの関係を示す）に示すようになっている
ので、図７に示すように圧電素子１７側の電荷増幅器２
５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２
６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測定流量
に比例した渦信号を得ることができる。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この様
な従来の渦流量計は、測定流量が大きい流量領域ではノ
イズの影響も少なく安定に測定流量に比例した流量信号
を出力することができるが、流量の流れのプロフイ−ル
が大幅に変化する低流量領域では突然に渦が発生しなく
なり、測定流量が皆目わらなくなるという問題がある。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための構成として、管路の中に設けられ測定流
体の流量に対応して渦を発生させる渦発生体と、この渦
発生体の上流側と下流側の内部にそれぞれ設けられた圧
力室と、各圧力室と測定流体とを密封する一対のダイア
フラムと、これ等の圧力室の間を連結する連通孔と、こ
の連通孔と各圧力室との間に封入された封入液と、各ダ
イアフラムを介して測定流体によって発生した抗力を検
出して抗力信号として出力する抗力センサと、この抗力
信号のうち所定流量で定常的に発生する定常抗力を開平
演算する開平演算手段と、抗力信号のうち所定流量で変
動する変動抗力の周波数を検出して渦周波数を出力する
渦周波数検出手段と、この渦周波数を電圧信号に変換す
る周波数／電圧変換手段と、流量があらかじめ決められ
た所定の低流量になったときに先の周波数／電圧変換手
段側から開平演算手段側に切り換える切換手段を具備す
るようにしたものである。 【００１１】 【作　　用】渦発生体は管路の中に設けられ測定流体の
流量に対応して渦を発生させる。一対のダイアフラムに
よりこの渦発生体の上流側と下流側の内部にそれぞれ設
けられた圧力室と測定流体とを密封し、連通孔はこれ等
の圧力室の間を連結して封入液で満たす。抗力センサは
各ダイアフラムを介して測定流体によって発生した抗力
を検出して抗力信号として出力する。そして、開平演算
手段はこの抗力信号のうち所定流量で定常的に発生する
定常抗力を開平演算する。一方、渦周波数検出手段は抗
力信号のうち所定流量で変動する変動抗力の周波数を検
出して渦周波数を出力するが、周波数／電圧変換手段は
その渦周波数を電圧信号に変換する。そして、切換手段
は流量があらかじめ決められた所定の低流量になったと
きに周波数／電圧変換手段側から開平演算手段側に切り
換えることによってゼロ流量からスパン流量まで連続的
に流量信号を出力することができる。 【００１２】 【実施例】以下、本発明の実施例について図を用いて説
明する。図１は本発明の１実施例のセンサ部３４の構成
を示す横断面図である。３５は測定流体Ｑが流れる管路
であり、この管路３５の中に断面が台形状の渦発生体３
６が管路３５の直径方向に挿入されている。 【００１３】この渦発生体３６の管路３５の中央部に位
置し測定流体Ｑの流れに対して前面となる台形前面３７
と台形後面３８には、圧力室として機能する凹部３９、
４０がそれぞれ形成されている。これ等の凹部３９、４
０の間は連通孔４１が形成されている。そして、これ等
の凹部３９、４０、連通孔４１にはシリコンオイル４２
などが封入されている。 【００１４】そして、測定流体Ｑとこれ等の凹部３９、
４０との境界にはそれぞれダイアフラム４３、４４が密
封して固定されている。これ等のダイアフラム４３、４
４には凹部３９、４０側から歪ゲ−ジ４５Ａ、４６Ａが
接着されこれ等によって抗力センサ４５、４６が構成さ
れている。なお、抗力センサ４５、４６は歪ゲ−ジ４５
Ａ、４６Ａとダイアフラム４３、４４で構成したが、こ
れに限らず、例えば差動容量形で検出するようなセンサ
でも良い。 【００１５】図２は本実施例の全体構成を示すブロック
図である。センサ部３４の抗力センサ４５で検出された
歪信号ε１は、抗力信号処理回路４７に入力されここで
信号処理されて抗力信号ＶＤ　として開平演算回路４８
に出力される。開平演算回路４８はこの抗力信号Ｖ１を
開平して切換スイッチ４９の切換端の１つに流量信号Ｖ
１として出力する。 【００１６】一方、抗力センサ４６で検出された歪信号
ε２は、渦周波数検出回路５０に出力され、ここでこの
歪信号ε２の変動周波数である渦周波数ｆＶを検出する
。この渦周波数ｆＶ　は周波数／電圧変換回路５１に出
力され、ここで電圧信号に変換されて切換スイッチ４９
の切換端の他の１つに流量信号Ｖ２として出力される。 【００１７】また、流量信号Ｖ２は基準電圧ＥＳ　と比
較器５２で比較され、その出力端に生じた比較信号ＶＣ
　により切換スイッチ４９を一方の切換端側から他方の
切換端側に切り換え、切換スイッチ４９の共通端からは
流量信号Ｖ１とＶ２のいずれかが出力端Ｔ０に出力され
る。 この場合、基準電圧ＥＳ　の値は、通常流量の流量信号
Ｖ２側から低流量の流量信号Ｖ１に切り換える境界流量
Ｑｃ　に対応するようにあらかじめ定める。また、比較
器５２は切り換えのときのチャタリングを避けるために
適当なヒステリシス幅を持たせてある。 【００１８】次に、以上のように構成された図１、図２
に示す実施例の動作について図３に示す波形図を用いて
説明する。渦発生体３６に測定流体Ｑが流入すると、渦
発生体３６の台形前面３７に配置された抗力センサ４５
には測定流量Ｑに応じた抗力Ｄが発生する。この抗力Ｄ
は、抗力係数をＣＤ　、測定流体の密度をρ、速度をＶ
、ダイアフラム４３の面積をＳとすれば、Ｄ＝ＣＤ　・
（１／２）ρＶ２　Ｓ で示される。 【００１９】従って、正の抗力Ｄによりダイアフラム４
３が変位し、これに伴なって歪ゲ−ジ４５Ａが歪み抗力
センサ４５として歪信号ε１が発生する。図３（ａ）に
抗力センサ４５によって生じる正の抗力Ｄが示されてい
る。なお、図３において、縦軸は圧力を、横軸は管路３
５の中心軸に沿って下流側にとった距離をそれぞれ示し
ている。そして、Ｌａ　は抗力センサ４５の位置を、Ｌ
ｂ　は抗力センサ４６の位置を示している。 【００２０】一方、測定流量Ｑに対応して渦発生体３６
により形成された渦は、渦発生体３６の両側面から交互
に放出され、この渦の生成に伴なって渦発生体３６の後
方に大きな負圧が交互に発生する。抗力センサ４６は負
圧に基づく定常抗力Ｄｃ　と渦の変動に基づく変動抗力
Ｄｖ　の影響を受ける。図３（ａ）の負圧の部分は定常
抗力Ｄｃ　を、図３（ｂ）の負圧の部分は実線で示す定
常抗力Ｄｃ　（図３（ａ）の負圧の部分に対応）に対し
て変動する変動抗力Ｄｖ　を点線で示してある。これ等
において、抗力センサ４５、４６との間には連通孔４１
が設けられシリコンオイル４２が封入されているので、
静圧の影響は除去される。さらに、凹部３９と４０の間
に連通孔４１を設けたので、歪ゲ−ジ４３Ａの受ける歪
は渦発生体３６の後方に発生する負圧の影響を受けて大
きく拡大され、抗力センサ４３の感度が向上する。境界
流量Ｑｃ　以下での抗力は極めて小さくなるので、低流
量域でのこの感度の向上は信号処理の上で極めて有効で
ある。 【００２１】これ等の定常抗力Ｄｃ　と変動抗力Ｄｖ　
に基づく歪信号ε２は渦周波数検出回路５０に出力され
る。 渦周波数検出回路５０はこの歪信号ε２のうち変動抗力
Ｄｖ　に基づく渦周波数ｆＶ　を検出する。この渦周波
数ｆＶ　はＫを比例定数とすれば、 ｆＶ　＝Ｋ・Ｑ で示され、流量Ｑに比例する。 【００２２】抗力信号処理回路４７は、抗力センサ４５
から入力された歪信号ε１を抗力信号ＶＤ　として開平
演算回路４８に出力する。抗力センサ４５から得られる
歪信号ε１は、変動抗力Ｄｖ　の影響を受けない定常信
号なので、抗力信号処理回路４７は管路振動などの交流
的なノイズを容易に除去できる。さらに、この抗力信号
ＶＤ　は流量の２乗に比例して出力されるので、この抗
力信号ＶＤ　を開平演算回路４８で開平することにより
測定流量Ｑに比例した流量信号Ｖ１を得ることができる
。 【００２３】また、渦周波数検出回路５０は抗力センサ
４６から入力された歪信号ε２を渦周波数信号ｆｖ　と
して周波数／電圧変換回路５１に出力する。周波数／電
圧変換回路５１はこの渦周波数信号ｆｖ　を測定流量Ｑ
に比例した流量信号Ｖ２に変換して比較器５１に出力す
る。 【００２４】比較器５２はこの流量信号Ｖ２と所定の低
流量に対応する値に設定された基準電圧ＥＳ　とを比較
し、流量信号Ｖ２がこの基準電圧ＥＳ　より低下したと
きは、比較信号ＶＣ　により切換スイッチ４９を流量信
号Ｖ１側に切り換えて出力端Ｔ０に抗力センサ４５の歪
信号ε１に対応する低流量信号を出力する。 【００２５】このようにして、ゼロ流量から上の全ての
流量信号を連続して出力することが出来る。この場合に
通常流量から低流量へスム−ズに切り換えるためには、
切り換えの境界流量Ｑｃ　において、流量信号Ｖ１側と
流量信号Ｖ２側の値が等しくなるように抗力信号処理回
路４７側と渦周波数検出回路５０側の増幅度が同一にな
るようにあらかじめ選定しておく。 【００２６】図４は本発明の他の実施例のセンサ部５３
の構成を示す横断面図である。なお、図１に示す構成と
同一の機能を有する部分には同一の符号を付して適宜に
その説明を省略する。管路３５の中に断面が台形状の渦
発生体５４が管路３５の直径方向に挿入されている。こ
の渦発生体５４の管路３５の中央部に位置し測定流体Ｑ
の流れに対して前面となる台形前面３７と台形後面３８
には、圧力室として機能する凹部３９、４０がそれぞれ
形成されている。 【００２７】これ等の凹部３９、４０の間は連通孔５５
が形成されている。そして、これ等の凹部３９、４０、
連通孔５５にはシリコンオイル４２などが封入され、さ
らに連通孔５５の中央部には差圧センサ５６が配置され
ている。この差圧センサ５６としては、例えばシリコン
ゲ−ジセンサなどが用いられる。また、この場合の差圧
センサ５６は例えば導圧管を用いて渦発生体５４の外部
に配置するようにしても良い。そして、測定流体Ｑとこ
れ等の凹部３９、４０との境界にはそれぞれダイアフラ
ム４３、４４が密封して固定されている。 【００２８】図５は本実施例の全体構成を示すブロック
図である。センサ部５３の差圧センサ５６で検出された
差圧信号ΔＰＳは差圧検出回路５７に出力され、ここで
図３（ａ）に示す定常抗力Ｄｃ　と抗力Ｄを合成した抗
力信号ＶＤ　に対応する定常信号ＶＤ　´を分離して開
平演算回路５８に、図３（ｂ）に示す変動抗力Ｄｂ　に
対応する変動信号を渦周波数信号ｆＶ　´として周波数
／電圧変換回路５９にそれぞれ出力する。 【００２９】開平演算回路５８はこの定常信号ＶＤ　´
を開平して切換スイッチ４９の切換端の１つに流量信号
Ｖ１´として出力する。一方、周波数／電圧変換回路５
９に出力された渦周波数ｆＶ　´は、ここで電圧信号に
変換されて切換スイッチ４９の切換端の他の１つに流量
信号Ｖ２´として出力される。 【００３０】また、流量信号Ｖ２´は基準電圧ＥＳ　と
比較器５２で比較され、その出力端に生じた比較信号Ｖ
Ｃ　´により切換スイッチ４９を一方の切換端側から他
方の切換端側に切り換え、切換スイッチ４９の共通端か
らは流量信号Ｖ１´とＶ２´のいずれかが出力端Ｔ０に
出力される。以上のようにして、図５に示す実施例にお
いても、あらかじめ決められた低流量点で渦周波数信号
から抗力信号に切り換えてゼロ流量から流量信号を出力
するようにすることができる。この場合も連通孔５５を
有しているので、低流量域での抗力を拡大することがで
き、感度を向上させることができる。 【００３１】 【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに本発明によれば、通常使用される流量範囲では渦周
波数により流量を検出し、あらかじめ設定した低流量に
おいては抗力信号を用いて流量を検出するようにしたの
で、ゼロ流量から全ての流量範囲において信号を確保す
ることが出来、特に抗力信号の検出にあたっては渦発生
体の上下流側にダイアフラムを設置してこれ等を連通間
で連結し正圧と負圧とを連動する形で抗力信号を検出す
るようにしてので、感度が向上し、低流速での精度向上
に寄与する。また、抗力信号のうち定常抗力を用いて信
号処理をする結果として管路から混入される交流的なノ
イズを容易に除去することができ、安定な低流量を確保
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例のセンサ部の構成を示す横断
面図である。

【図２】図１に示すセンサ部を有する全体構成を示すブ
ロック図である。

【図３】図２に示す実施例の動作を説明する波形図であ
る。

【図４】本発明の他の実施例のセンサ部の構成を示す横
断面図である。

【図５】図４に示すセンサ部を有する全体構成を示すブ
ロック図である。

【図６】従来の渦流量計の構成を示す縦断面図である。

【図７】図６における圧電素子で検出された渦信号を処
理するチャ−ジコンバ−タの構成を示す回路図である。

【図８】従来の渦流量計の全体構成を示すブロック図で
ある。

【図９】図８に示す渦流量計の動作を説明する説明図で
ある。

【符号の説明】

１０、３５　　管路 １２、５４　　渦発生体 １７、１８　　圧電素子 ２９　　チャ−ジコンバ−タ ３１　　シュミット回路 ３２　　出力回路 ３４、５３　　センサ部 ４０　　電圧／周波数変換回路 ４１　　切換回路 ３９、４０　　凹部 ４１　　連通孔 ４３、４４　　ダイアフラム ４５、４６　　抗力センサ ４５Ａ、４６Ａ　　歪ゲ−ジ ４７　　抗力信号処理回路 ４８、５８　　開平演算回路 ４９　　切換スイッチ ５０　　渦周波数検出回路 ５１、５９　　周波数／電圧変換回路 ５２　　比較器 ５６　　差圧センサ ５７　　差圧検出回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管路の中に設けられ測定流体の流量に対応
   して渦を発生させる渦発生体と、この渦発生体の上流側
   と下流側の内部にそれぞれ設けられた圧力室と、各圧力
   室と測定流体とを密封する一対のダイアフラムと、これ
   等の圧力室の間を連結する連通孔と、この連通孔と各圧
   力室との間に封入された封入液と、前記各ダイアフラム
   を介して測定流体によって発生した抗力を検出して抗力
   信号として出力する抗力センサと、この抗力信号のうち
   所定流量で定常的に発生する定常抗力を開平演算する開
   平演算手段と、前記抗力信号のうち所定流量で変動する
   変動抗力の周波数を検出して渦周波数を出力する渦周波
   数検出手段と、この渦周波数を電圧信号に変換する周波
   数／電圧変換手段と、前記流量があらかじめ決めた所定
   の低流量になったときに周波数／電圧変換手段側から前
   記開平演算手段側に切り換える切換手段を具備すること
   を特徴とする渦流量計。