JPH0458564B2

JPH0458564B2 -

Info

Publication number: JPH0458564B2
Application number: JP59055483A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Hokari; Takeo Yokota; Shigeo Nakazawa
Original assignee: Nagano Keiki Seisakusho KK
Current assignee: Nagano Keiki Seisakusho KK
Priority date: 1984-03-22
Filing date: 1984-03-22
Publication date: 1992-09-17
Also published as: JPS60198413A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は渦流量計に関し、一層詳細には、導管
中に柱状の渦発生体を配設し、流体の流れと並行
する渦発生体の両側面の圧力差を検出し、流量を
測定する渦流量計に関する。

（従来技術およびその課題）渦流量計は原理上極めて優れた特長を有してい
るが同時にいくつかの欠点も持ち合わせている。
第１は、渦の検出が難しいことである。現在まで
に熱センサ方式、超音波方式、応力検出方式等各
種の方式が使用されてきているが、それぞれ一長
一短があり、未だ決定的と思われる方式は存在し
ない。しかし、プロセス用に限れば、センサが接
液しない、堅牢である、構造が簡単なためメイン
テナンスフリーである等の理由により応力検出方
式が主流になりつつある。しかしながら従来の応
力検出方式には外部振動の影響を受けやすいとい
う欠点があつた。

渦流量計の欠点の第２は導管内の流速分布に敏
感なことである。導管内の流速分布が偏流、旋回
流等によつて乱れていると、渦発生体部長手方向
の流速が均一にならず安定した渦列が発生しな
い。このため渦流量計の前後には比較的長い直管
部が必要とされており、口径の50倍程度の前方直
管部を要求する機種もある。

さらに第３の欠点として、渦流量計の検出信号
に多くの雑音成分が含まれているため信号処理が
難しいことが挙げられる。雑音の成分は渦検出方
式によつて異なるが、一般に渦周波数より高い高
周波成分と低い低周波成分が各流速域で特徴的に
現れ、さらに狭帯域不規則信号とも呼ばれるフエ
ージング現象が頻繁に発生し、これらが複雑に合
成されるため電気的な信号処理は容易でない。

この様子を第１１図ａ，ｂに示す。

第１１図ａはフエージングが発生したもので検
出不可能な状態までレベルが低下した個所があ
る。第１１図ｂは低周波成分の雑音が渦波形に重
畳された場合でパルス欠損が起こりやすく信号処
理が困難な状態を示している。このように従来の
渦流量計には多くの難点があつた。

そこで、本発明は上記課題を解決するものであ
り、外部振動の影響を受け難くするとともに、流
れの乱れの影響を受け難くい応力検出方式の渦流
量計を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）本発明は上記課題を解決するために次の構成を
備えてなる。

すなわち、カルマン渦を利用した渦流量計にお
いて、流体の流れる導管中に配設する渦発生体の
流体の流れ方向の断面形状を矩形状とし、前記渦
発生体の流体の流れと直交する方向に感圧部材を
挿入するための空洞部を穿設するとともに、この
空洞部を貫通し前記渦発生体の流体の流れと並行
する両側面を連通するスリツトを設け導圧孔を構
成し、この導圧孔の空洞部の内径をd0、前記渦
発生体の流体の流れと並行する辺の長さをＨとし
て、0.7H＜d0＜Ｈの範囲にし、前記感圧部材の
外径をd1とし、0.75d0＜d1＜d0の範囲にし、前記
導圧孔のスリツトの幅をｈとして、0.3H＜ｈ＜
0.6Hの範囲にし、前記スリツトの端部のうち少
なくとも一方が前記導管内周面より外側に位置す
るようにスリツトを延存したことを特徴とする。

（実施例）以下本発明の好適な実施例を添付図面に基づい
て詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す横断面図であ
る。１０は被測定流体が流れる導管であり、この
導管１０の所定位置に開口部１２が設けられ、該
開口部１２は導管１０の外周方向に延出する筒状
の開口壁１４により形成されている。１６は渦発
生体であり、開口部１２から挿入するようにして
導管１０内に配置され、開口壁１４端部から延出
するフランジ部１８にボルト２０で固定されると
ともに、開口壁１４との間に若干の間隔２２が設
けられている。

前記渦発生体１６は、第２図に示す第１図のＡ
−Ａ断面図のごとく断面形状が矩形状に形成さ
れ、その内部には渦発生体１６の流れと直交する
方向に空洞部２４が穿設されるとともに、感圧部
材たる検知管２８が空洞部２４内壁面と若干の間
隙２６が存在するように挿入されている。この検
知管２８の一端は管状に形成され、開口してい
る。また、検知管２８の他端部には２つの穴３０
が穿設され、この穴３０に磁歪素子３２を挿入
し、接着材３４を充填し固着することにより歪の
検出部を構成している。また、検知管２８の一端
部にはフランジ部３６が延設され、押えフランジ
３８を介してボルト４０で渦発生体１６の一端部
に固定されている。

また、前記渦発生体１６の流れと並行する両側
面４２Ｒと４２Ｌと前記空洞部２４が連通するよ
うにスリツト４４Ｒ，４４Ｌを設け、導圧孔４６
を構成している。

このように構成した渦流量計において、導管１
０内を流体が流れると、渦発生体１６の後方に規
則的なカルマ渦列が発生し、この渦列の発生と同
時に渦発生体１６の両側面４２Ｒ，４２Ｌの圧力
が変化する。この圧力変化は差圧として検知管２
８に作用し曲げ応力を発生させ、この応力変化を
磁歪素子３２が検出し電気信号に変換するもので
ある。

次に渦発生体および検知管の形状・寸法などに
ついて説明する。

渦発生体１６の流れと並行な側面４２Ｒ，４２
Ｌの幅をＨ、導圧孔４６のスリツト４４Ｒ，４４
Ｌの幅をｈ、その長さをｌ、空洞部２４の内径を
d0、検知管２８の外径をd1、導管１０の内径を
Ｄとする。

渦発生体１６の空洞部２４に挿入される検知管
２８は外径が大きいほど感度は良いが、空洞部２
４内での検知管２８の歪を電気信号として検出す
るため、空洞部２４内壁に検知管２８が接触しな
い程度の間隙２６を形成する必要がある。また、
この間隙２６は、測定流体中のゴミ等の異物の影
響を受けないように考慮して設定する必要もあ
る。したがつて、空洞部と検知管の関係において
上部２つの相反する条件を満足しなければならな
い。

そこで、本願発明者らは上記条件を考慮に入れ
て各種の実験を行つた。第６図はその１つの結果
を示す線図であり、空洞部２４の内径d0と渦発
生体の側面４２Ｒ，４２Ｌの幅Ｈとの比d0／Ｈ
と、検知管２８の外径d1と空洞部２４の内径d0
との比d1／d0の関係において、渦検出の測定可
能範囲を示すものである。これによるとd0／Ｈ
の値に対し測定可能な最低検知管径d1が存在す
るとともに、d0／Ｈの値が1.0に近づくにつれて
測定可能検知管径d1の範囲は拡大する。逆に
d0／Ｈの値が縮小するとd1の範囲が縮小すると
ともに、測定可能な最低検知管径d1の値が上昇
する。

ここで測定可能最低検知管径d1が存在するの
は、本発明の渦流量計が渦発生に伴う渦発生体の
両側面４２Ｒ，４２Ｌの差圧を検知管２８にて検
出する構成であることに基づく。例えば第５図ａ
に示すように、空洞部２４と検知管２８との間隙
２６を広く設定した際に、矢印の方向から圧力が
導入されると、空洞部２４の弧状壁４８に沿つて
間隙２６内に流体の流れが生じ、これにより差圧
の逃げが発生して感圧能力の低下を招く。また、
間隙２６内の流体の流れにより検知管２８の周囲
に渦など流体の乱れが生じ、これがノイズとなつ
て渦検出波径に影響し測定を不可能とすることが
ある。したがつて、検知管２８の周囲に生ずる流
れの影響を受けない程度の検知管２８の大きさを
必要とし、測定可能な最低検知管径d1が存在す
る。

また、第６図において、上記のようにd0／Ｈ
の値が縮小方向に変化するとd1／d0の値が上昇
するというのは、次の理由による。つまり、空洞
部２４の内径d0が大きな値では第５図ａに示す
ように弧状壁４８が長く、空洞部２４の内径d0
が小さな値では第５図ｂに示すように弧状壁４８
が短く形成される。ここで第５図ａおよびｂに示
すように矢印の方向から渦発生に伴う圧力差が導
入された際、間隙２６の幅が一定ならば壁面から
受ける粘性抵抗は、弧状壁４８の長いものが大き
く、弧状壁４８の短いものが小さい。したがつ
て、第５図ｂに示すように、弧状壁４８が短いも
のは、間隙２６内に流体の流れが発生しやすいた
め、その流体の流れに伴い渦などの乱れが発生
し、渦検出に悪影響を及ぼす。そのため、空洞部
２４の内径d0が小さい場合は、必然的にd1／d0
の値を上昇させ、間隙２６の幅を狭くして流体の
流れを抑える必要性がでてくる。

ここで、実際に適応した場合について説明す
る。

導管１０内の内径が小径、例えば口径40A（内
径約40mm）以下の場合は、渦発生体１６の幅Ｈが
10mm以下の値となる。もし、空洞部２４の内径
d0を0.7Hとすると、第６図から検知管２８の外
径d1は、約0.8d0となり、空洞部２４の内径d0と検知管２８の外径d1の
差は、d0−d1＝0.2d0＝0.14H となり、間隙２６は半分の約0.7mm以下となる。

この間隙２６がこれより小さくなると、前述す
るようにゴミ等が詰まるおそれがあり、空洞部２
４の内径d0は0.7Hを越える大きさが必要となる。
このような実用的見地から、 0.7H＜d0＜Ｈとなる。なお、d0はＨより大きくなることはな
い。

一方、第６図において、d1／d0は、d0／Ｈの
値が1.0に近い値では0.75となる。したがつて、
0.75＜d1／d0の条件の場合に、測定が可能であ
る。また、d1が、d0より小さいことも条件とな
る。このため、空洞部２４の内径d0と検知管２
８の外径d1との関係は、0.75d0＜d1＜d0という条
件が成り立つ。

以上の事実を本発明者らは考慮し、空洞部の内
径d0、検知管の外径d1、渦発生体の流れと並行
する辺の長さＨとして次の最適条件を設定した。

0.7H＜d0＜Ｈ 0.75d0＜d1／d0 さらに、本発明者らは、スリツトの最適条件を１≦ｌ／Ｄ 0.3H＜ｈ＜0.6H の範囲に決めた。その理由を以下に述べる。

一般に断面矩形状の渦発生体は直線性が良くな
い。このため特公昭55−20171号または特公昭55
−28485号のように渦発生体両側面に連通する連
通孔を設け吸い込み、吹き出しを行わせ直線性の
向上を図る方法が知られている。しかしながら本
実施例においては、渦発生体の空洞部２４内に、
検知管２８を挿入してあるので流体の吸い込み、
吹き出しは事実上行われない。つまり渦発生体両
側面に開口部はあるものの実施質的に、柱状の渦
発生体と変わりがないのである。

そこで、本願発明者らは、各種実験の結果、ス
リツト４４Ｒ，４４Ｌの端部の少なくとも一方を
導管内周面より外側に位置させることにより、著
しく直線性を改善できることを見い出した。

すなわち、流体の流れにより発生した渦発生体
１６の両側面４２Ｒ，４２Ｌの圧力差により変位
する流体は、例えば、第１図および第４図に示す
ように、吸い込み側の側面４２Ｌのスリツト４４
Ｌを上昇し、このスリツト４４Ｌ上部から間隔２
２へ逃げ、開口壁１４に沿つてもう一方の側面４
２Ｒ方向まで達し、この側面４２Ｒのスリツト４
４Ｒの上部で吸い込まれ、続いてスリツト４４Ｒ
に沿つて降下し吹き出される。これら一連の動作
は、導圧孔４６のスリツト４４Ｒ，４４Ｌ、空洞
部２４と検知管２８の間隙２６および開口壁１４
と渦発生体１６の間隔２２を通して行われ、結局
スリツト４４Ｒ，４４Ｌの吸い込み、吹き出しを
スムーズに行い渦の剥離の助長および抑制の効果
を生じ、直線性の向上が図られる。

したがつて、前記スリツト４４Ｒ，４４Ｌの端
部の少なくとも一方を導管内周面より外側に位置
させればよい。さらに、一層好適にはスリツト４
４Ｒ，４４Ｌの長さｌを導管１０の内径Ｄよりも
長く形成することが望ましい。

以上より、１≦ｌ／Ｄの条件を設定した。

また、スリツト４４上部の圧力の逃げを効率良
くするため、スリツトの幅ｈを広げることも考え
られる。このことは併せて導圧孔４６への圧力の
導入の効率も良いという結果となる。しかしなが
ら、第５図ｃに示すように弧状壁４８が短くな
り、間隙２６内を流体が流れ易くなり差圧の逃げ
が生じ感圧能力を低下させる。一方、スリツトの
幅ｈを狭めた場合は、検知管２８周囲への差圧の
逃げは発生しなくなるが、直線性が低下し、差圧
の効率良い検出が困難となる。

このようすを第９図に示す。

第９図は、スリツト４４Ｒ，４４Ｌの長さｌを
導管１６の内径Ｄより長くした場合におけるｈ＝
0.1H、ｈ＝0.2H、ｈ＝0.3H、ｈ＝0.4H、ｈ＝
0.5Hの各値について実験による器差特性をそれ
ぞれａ〜ｅに示したものである。第９図に示すよ
うに、、実験結果から、ｈを大きくすると、前述
のようにスリツト４４上部の圧力の回り込みが効
率良く行われ、直線性が向上することがわかる。

第１０図は、スリツト幅ｈとストロールハル数
の関係を示す線図である。ｈ／Ｈが0.3以上にな
るとストローハル数の変化が小さくなる。これ
は、スリツト幅ｈが加工によりバラツキが生じた
場合でも、0.3H＜ｈではストローハル数に与え
る影響が小さいことを示している。

第９図および第１０図に示す結果より、0.3H
＜ｈの条件が得られる。

一方、スリツト幅ｈを広げると導圧孔４６への
圧力効率が上がるが、第５図ｃに示すように、弧
状壁４８の長さが短くなり、間隙２６内を流体が
流れ易くなり差圧に逃げが生ずる。このため、ス
リツト幅ｈはあまり大きくできない。したがつ
て、ｈはd0より小さいことが条件となる。

一方、スリツト幅ｈが検知管２８の外径d1よ
り大きい場合には、間隙２６内を流体が流れ易く
なり差圧に逃げが生じてまう。このため、スリツ
ト幅ｈは検知管２８の外径d1より小さいことが
望ましく、また、前記0.7H＜d0という条件から、
ｈは0.6Hより小さいことが望ましい。

この条件と、前記条件0.3H＜ｈとから、渦発
生体１６の幅Ｈとスリツト幅ｈの関係は、 0.3H＜ｈ＜0.6H となる。

次に上記実施例の動作について説明する。

渦発生体を前記最適条件の範囲内に設定した上
記構成の渦流量計を導管１０内へ配設することに
より、渦発生体１６の周囲を回る流れが強く加速
され、渦発生体１６の後方に交互に規則的なカル
マン渦が発生する。このカルマン渦の発生に伴つ
て渦発生体１６の流体と並行する両側面４２Ｒ，
４２Ｌ間に圧力差が生じる。この圧力差により、
スリツト４４Ｒ，４４Ｌおよび渦発生体１６と開
口壁１４の間隔２２を介して吸い込み、吹き出し
が効率良く行われるとともに、この圧力差がスリ
ツト４４Ｒ，４４Ｌを通して検知管２８に差圧と
して作用し曲げ応力を発生させる。この応力変化
を磁歪素子３２が検出し電気信号に変換する。

したがつて、渦発生体１６の間隙を通して吸い
込み、吹き出しは行われないが、スリツトの長さ
を長くすることにより実質的に同様の作用を成
し、直線性が向上するとともに、被測定流体が偏
流や旋回流などによつて乱れていてもカルマン渦
が安定して発生する。

すなわち各種の実験によつて吸い込み、吹き出
しはカルマン渦を安定に発生させる効果のあるこ
とは公知の事実となつているが、本発明のように
擬似的な吸い込み、吹き出しであつても同様の効
果が得られるのである。

また、検知管２８が渦発生体１６に内設してい
るため、流れの抗力の影響を受けることがないと
ともに、渦発生体１６の両側面４２Ｒ，４２Ｌの
差圧が検知管２８に効率良く作用するため、安定
で良好な渦検出波形（第７図参照）を得ることが
できる。さらに、検知管２８の一端が筒状に形成
しているため固有振動数が高くなり高速領域まで
計測できる一方、検知管２８の一端の質量も小さ
くすることができるので外部振動の影響も受けに
くい等の作用効果がある。

また、検知管２８は渦発生体内部に位置するた
め摩耗のおそれがないのでアルミニウムなど軽量
の材料を用いても良く、また筒状の一端のみを薄
肉のパイプを溶着するなど種々の軽量化が図れる
ため、耐振動特性を更に向上させることができ
る。この点において従来の渦発生体の応力を直接
検出する方式ではこのような対策がとれないため
本発明とは性能上極めて大きな差が生じるのであ
る。

上記実施例では、渦発生体１６の断面形状を矩
形状に形成したが、これは加工が容易であるとと
もに、前後どちらの方向からの流れであつても測
定することができ、また直線性、渦検出波形も良
好である等優れた特徴を有している。また、渦発
生体１６のスリツト４４Ｒ，４４Ｌの面積が大き
く形成されているため被測定流体に含まれている
異物により詰まることもない。

なお、上記実施例において、検知管の検出部を
構成する磁歪素子に替えて、圧電素子やストレー
トゲージ等の歪検出センサを用いるようにしても
良い。

第８図ａ，ｂは本発明の渦流量計の優れた特性
を示す一例で配管条件を変えた場合の実験データ
である。

第８図ｂは第８図ａに示すように、本発明の渦
流量計５０をエルボ５２の直後に取り付けた場合
の器差変化を示したものであり、このような悪条
件下においても器差変化は微少で使用可能である
ことを示している。

以上本発明の好適な実施例を挙げて種々説明し
たが、本発明はこの実施例に限定されることな
く、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変
を施し得ることは勿論である。

（発明の効果）上述するように本発明によれば、導管内に配置
された渦発生体の流体と並行する両側面の差圧を
極めて安定した良好な渦検出波形として検出する
ことができる。また、被測定流体の乱れの影響を
受けることもない。

さらに、渦流量計の前後の直管部を短くするこ
とができる等の著効を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す横断面図、第
２図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図は渦発生体
の一部を示す側面図、第４図は第１図のＢ−Ｂ断
面図、第５図ａ，ｂはそれぞれ空洞部の内径を大
きく設定した場合と小さく設定した場合の、第５
図ｃはｈを大きく設定した場合の渦発生体と検知
管の状態を示す横断説明図、第６図は空洞部の内
径と検知管の外径の比の測定可能範囲を示す線
図、第７図は本発明の渦流量計による検出波形を
示す。第８図ａはエルボ直前に本発明の渦流量計
を設けた説明図、第８図ｂはその結果を示す線図
である。第９図ａ〜ｅはスリツト幅ｈの値を変え
た際の器差変化を示す線図、第１０図はスリツト
幅ｈとストローハル数の関係を示す線図である。
第１１図ａ，ｂは渦流量計における検出困難な検
出波形を示す。１０……導管、１２……開口部、１４……開口
壁、１６……渦発生体、１８……フランジ部、２
０……ボルト、２２……間隔、２４……空洞部、
２６……間隙、２８……検知管、３０……穴、３
２……磁歪素子、３４……接着剤、３６……フラ
ンジ部、３８……押えフランジ、４０……ボル
ト、４２Ｒ，４２Ｌ……側面、４４Ｒ，４４Ｌ…
…スリツト、４６……導圧孔、４８……弧状壁、
５０……渦流量計、５２……エルボ。

Claims

【特許請求の範囲】

１カルマン渦を利用した渦流量計において、流
体の流れる導管中に配設する渦発生体の流体の流
れ方向の断面形状を矩形状とし、前記渦発生体の
流体の流れと直交する方向に感圧部材を挿入する
ための空洞部を穿設するとともに、この空洞部を
貫通し前記渦発生体の流体の流れと並行する両側
面を連通するスリツトを設け導圧孔を構成し、こ
の導圧孔の空洞部の内径をd0、前記渦発生体の
流体の流れと並行する辺の長さをＨとして、
0.7H＜d0＜Ｈの範囲にし、前記感圧部材の外径
をd1とし、0.75d0＜d1＜d0の範囲にし、前記導圧
孔のスリツトの幅をｈとして、0.3H＜ｈ＜0.6H
の範囲にし、前記スリツトの端部のうち少なくと
も一方が前記導管内周面より外側に位置するよう
にスリツトを延存したことを特徴とする渦流量
計。