JPH0547382Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 技術分野 本考案は、渦による微小な変動圧力を電気信号
に変換する渦流量計において、変動圧力を静電容
量の変化として検出する渦信号変換器に関する。

従来技術 渦流量計における渦検出方法において、渦によ
る循環流れの変化として求める流速検出方法と、
渦発生体に作用する揚力又は変動圧力として検出
する応力、圧力等の力検出方法とがある。前者
は、流速に比例した信号が得られるが、後者は、
流速の２乗と被測流体の密度に比例する。従つ
て、信号の処理は前者が有利であるが、検出素子
が流体に接するので流体の種類によつては検出素
子を適用できない等、利用面で制限を受ける。一
方、後者は信号レベルの範囲が大きくなり、不利
な点はあるが検出素子は必ずしも流体に接するこ
とはないので信頼性の面で有利であり、すべての
流体に適用でき利用範囲が拡大できる等の長所を
もつている。後者の検出素子としては渦発生体そ
のもの、または別体構成の受圧要素内に固着され
抵抗値または電圧値に変換するひずみゲージ、圧
電素子等の固体素子が多用されている。その他、
電磁・光・静電容量等微小のひずみ量を検出する
変換要素が用いられる。静電容量を利用した検出
要素は感度の高い渦検出が可能であることから近
年注目されており、例えば、特開昭61−292521号
公報に開示されている渦流量計は、渦の変動差圧
を導入する一対の導圧孔を有する渦発生体に装着
され、前記一対の差圧導入孔から導入される変動
差圧に応動する各々のダイヤフラムを装着した検
出室にシリコンオイル等の誘電液を封入して連通
し、変動圧力の作用により前記ダイヤフラムが撓
む時の撓み量を、該ダイヤフラムを第１及び第２
の電極とし、各々の検出器のダイヤフラムに対向
して固定された固定電極を接続して共通電極と
し、該共通電極と第１、第２電極とで構成される
静電容量差をインピーダンスブリツヂにより出力
するものである。また、特開昭56−104252号公報
においては、渦発生体の軸方向に延びる凹部を穿
設して該凹部内にギヤツプを隔てて２個の電極を
有する電極部を、被測流体の流れ方向に対して左
右対称に配置されるように挿入して、前記凹部壁
と前記２個の電極との間で形成される容量を差動
的に検出する渦流量計が開示されている。

従来技術の問題点 上記従来技術において、前者は、渦の変動圧力
を直接静電容量の電極を形成するダイヤフラムに
作用させるものであり、後者は渦発生体から流れ
が剥離して渦を形成するときに渦発生体に作用す
る揚力により該渦発生体が受ける変化を固定され
た電極部とで形成される静電容量差としてインピ
ーダンスブリツヂにより検出されるものである。
しかし、前者の方式においては、ダイヤフラムが
被測液の圧力により破断されるのを防ぐために検
出室内にはシリコンオイル等の耐熱性液体が密封
してある。シリコンオイルは空気よりも高い誘電
率をもつているので、微小な静電容量の検出にお
いては有利であるが、200℃を越える高温流体を
長時間計量するには不適である。これに対し後者
は電極間の誘電体は空気であり高温流体の計測に
は有利であるが、電極導線等の微小な振動による
浮遊容量の変化によつても信号容量よりも!?かに
大きい雑音成分として検出されるためこれら雑音
成分を除去することが大きな問題になつている。

問題点を解決するための手段 本考案は、上述した静電容量の雑音成分を除去
することを目的としたもので、渦発生体より発生
する渦による変動圧力により応動する可動電極と
固定電極とで構成される静電容量を、何れか一方
を共通電極として接地し、該共通電極と、該共通
電極を挟む第１、第２電極とに、導線とシールド
間の静電容量の等しいシールド導線を接続し、該
導線を介して前記被測静電容量を充電する直流電
源と、充電および充電した電荷を放電する放電回
路に切換えるスイツチ手段と、該スイツチ手段を
渦周波数よりも極めて高い周期で切換える切換え
手段と、前記放電電流を静電容量に比例した電圧
に変換し、各々の電圧の差を求める差動増幅器と
からなり、前記シールドと平行し、シールドを接
続して接地することにより、シールド導線におけ
るシールドと、導線間の静電容量に相当する電圧
を相殺し真の被検差動容量に相当する電圧値とし
て渦信号を検出するものである。

実施例 第３図は、本考案による渦信号変換器が適用さ
れる渦流量計における渦検出の原理を説明するた
めの概要説明図であり、該第３図は、本出願人が
先に提案した特開昭59−97007号公報における渦
検出要素であり、筒体６内に埋設された圧電素子
を静電容量方式の検出素子に置換えたものであ
る。第３図において、ａ図は流れ方向からみた要
部断面図、ｂ図はａ図のＸ−Ｘ矢視断面図で、図
中、１は流管を示し、該流管１内には圧力検知室
２１と、該圧力検知室２１に連通する圧力導入口
２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを穿孔した渦発
生体２が固設されている。前記圧力検知室２１内
には、該圧力検知室２１と同心に一端にフランジ
６２において流管１に固設する導電材からなる円
筒体６がわずかの隙をもつて挿入されている。

更に、円柱体７は絶縁材からできていて前記円
筒体６内にわずかの隙をもつて挿入され、フラン
ジ７１で、前記フランジ６２とともに流管１に固
設されている。円柱体７の流れに直交する両側面
に第１、第２電極７２ａ，７２ｂが固着され、共
通電極である円筒体との間で、各々差動的に作動
する静電容量Cm₁，Cm₂を形成する。即ち、渦発
生体から流れにより発生する渦の変動差圧により
圧力導入口２２ａ，２２ｂおよび２３ａ，２３ｂ
より導入される変動圧力は、円筒体６および該円
筒体の他端に設けられた受圧板６１に作用し、該
円筒体６は円柱体７に対して変動圧力に応じて変
位する。第１、第２電極７２ａ，７２ｂには各々
シールド導線Ａ，Ｂが円柱体７内において溶着さ
れ、外部変換器（図示せず）に接続される。該外
部変換器は、渦の変動差圧に応動する前記静電容
量Cm₁，Cm₂を電圧に変換する変換器である。

第１図は、前記外部変換器の概要を示す図で、
第１図ａにおいて、静電容量Cm₁，Cm₂の共通電
極をTcとすると、Tcは接地線Ｅに接続されてい
る。このときシールド導線Ａの長さl₁のシールド
Asと、シールド導線Ｂの長さl₂のシールドBsと
は接続され、共通電極Tcと同様に接地線Ｅに接
地されている。この結果、導線Ac，Bcとシール
ドAs，Bsとの間には、各々の対接地容量Cs₁，
Cs₂が被測静電容量Cm₁，Cm₂に付加される。こ
の被測静電容量の最小検知容量は10^-4PFのオー
ダであるのに対してシールド導線の長さを30cmと
したときの導線シールド間の静電容量は被測容量
に比べて10⁶倍のエーダである。本考案において
は、導線Acの端子T₁、および導線Bcの導線T₂は
スイツチSW₁，SW₂の共通端子Ts₁，Ts₂に接続
されている。これらスイツチSW₁，SW₂の切換え
は、渦周波数よりもはるかに早い周波数Fcで行
われる。各々のスイツチの接点Ｘは低インピーダ
ンスの安定な電源電圧Vsの直流電源に接続され、
（瞬間被測容量）Cm₁＋（導線シールド間容量）
Cs₁および（瞬間被測容量）Cm₂＋（導線シールド
間容量）Cs₂を電圧Vsに充電する。各々のスイツ
チは、次の瞬間に他の接点Ｙ，Ｙに接続される。
該接点Ｙ，Ｙには各々、差動増幅回路Ａの、帰還
回路にコンデンサC₁、抵抗R₁の並列回路からな
るフイルタ回路をもつ反転入力と、コンデンサ
C₂、抵抗R₂の並列回路からなり、一端が接地Ｅ
に接続したフイルタ回路が非反転入力に接続され
ている。この回路は一種のスイツチングキヤパシ
タ回路を形成しており、被測容量Cm₁，Cm₂に電
源抵抗を介して各々電流I₁，I₂が前記フイルタ回
路に流れる。この電流により各々抵抗R₁，R₂端
に得られる差電圧は出力端子にe₀の電圧として出
力される。該出力電圧e₀は下記(1)式であらわされ
る。

e₀＝−｛（Cm₁−Cm₂）＋（Cs₁−Cs₂）｝Vs・fc
…(1) (1)式において被測静電容量の変化分をΔCmと
するとCm₁＝Cm₀＋ΔCm，Cm₂＝Cm₀＋ΔCmと
表わされ、Cs₁とCs₂とを等しい値とした場合(1)式
は e₀＝−（2ΔCm・Vs・fc） …(2) となり、被測電極の静電容量の変化分ΔCmのみ
に比例した信号電圧が得られる。

以上において、Cs₁＝Cs₂とすることは、被測容
量Cm₁，Cm₂の第１、第２端子に接続するシール
ド導線の長さ、l₁，l₂、シールドAs，Bsと導線
Ac，Bcとの位置関係、絶縁材等を等しくするこ
とがあるが、更に、振動等により生ずる変動容量
ΔCsを各々等しくすることにより大きい容量の影
響を相殺することができる。

第２図ａには、シールド導線As，Bsの各々の
シールドを平行にして互いに溶着し、シールド相
互の振動影響を等しくし、変動容量ΔCsを等しく
した例が、第２図ｂには、等径の金属導管Ap，
Bp内に導線Ac，Bcを同軸に誘電率の等しい絶縁
材Ｗにより強固に固定して金属導管Ap，Bpを平
行に溶接等で固着した例が示されている。この場
合、絶縁材Ｗは誘電率の低い金属酸化物等が有利
である。第２図ｃには、一本の金属導管Mp内
に、導線Ac，Bcを軸対称に平行に配置し、この
位置において絶縁材Ｗで強固に固定した例が示さ
れている。第２図ｄには、２本の導線−シールド
間静電容量の互いに等しいシールド導線As，Bs
を互いに捩つてシールドを互いに密接した例を示
す。以上の処理のなされたシールド導線30cmをド
ライバで衝撃を加えた場合、５×10^-3PF相当の
変動が生ずる程度であつたが、この導線を第１図
ａに示した第１変換回路に接続した場合、振動成
分の電圧は差動増幅器Ａにより除去される。しか
し、第１図ａの回路においては、差動増幅回路Ａ
の減算側入力に接続されるR₂，C₂からなるフイ
ルタ回路は受動フイルタであるのに反して加算側
入力に接続されるR₁，C₁からなるフイルタ回路
は能動フイルタである。差動増幅回路Ａが理想演
算増幅器であれば、理想的な減算がなされるが、
実際には、周波数特性が影響するので、この影響
が生ずる。第１図ｂはａ図の問題点を解決したも
ので、各々の電極ごとに同一特性の能動フイルタ
回路を介して容量電圧変換し、その出力を差動増
幅回路A₃により差動増幅するものである。能動
フイルタ回路は各々R₃，C₃の並列回路を帰還回
路とした差動増幅器A₁と、R₄，C₄の並列回路を
帰還回路とする差動増幅器A₂とからなりR₃＝R₄，
C₃＝C₄に選ばれている。R₇，R₈，R₉，R₁₀は
各々加算抵抗である。なお、C₁，C₂は被測コン
デンサCm₁，Cm₂および容量Cs₁，Cs₂に蓄積した
電極を移換蓄積して平滑なチヤージ電流にして差
動増幅器Ａ，A₂に入力するものである。第１図
ｃは他の実施例で、基準電圧＋Vsを端子T₁を経
て導線Acに印加して被測コンデンサCm₁，Cs₁を
プラスに充電し、一方、被測コンデンサCm₂，
Cs₂には、反転増幅回路A₂により基準電圧＋Vsを
−Vsに反転したマイナスの基準電圧を印加して
能動フイルタ回路A₁に加算抵抗R₁，R₂に正、負
入力加算するものである。第１図ｄは前記第２図
ｃに示したシールド線を使用した場合の第１演算
回路で、導線Acとシールド管Mpのと静電容量
Cs₁と導線Bcとシールド管Mpとの静電容量Cs₂と
は各々被測容量Cm₁，Cm₂に並列に付加される。
しかし、導線Ac，Bc間の静電容量Cssはスイツ
チSW₁，SW₂とが同期して動作することにより、
導線間は同電位となりチヤージされることはな
く、原理的には静電容量Cssの影響はなくなる。
第１図ｄの場合、外観振動方向は、導線Ac，Bc
を含む面に平行となるように配設する必要があ
る。

効 果 上述のように、本考案の渦信号変換器による
と、被測静電容量Cm₁，Cm₂と演算回路とを接続
するシールド導線の該シールド導線におけるシー
ルドおよび導線間の静電容量を等しくして、外部
振動に対して同一振動モードで振動するようにシ
ールドを溶着等により接合して接地するという手
段と、該静電容量を同一直流電源よりチヤージす
る直流電圧印加手段と、前記静電容量に蓄積した
電荷の放電電流を平滑にして得た電圧を差動増幅
する減算手段とによる簡単な構成により外乱のな
い被測静電容量Cm₁，Cm₂の差信号が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｄは、それぞれ本考案による渦信号
変換回路を示す図、第２図ａ〜ｄは、それぞれ第
１図におけるシールド導線のシールド処理例を示
す図、第３図は、本考案が適用される渦流量計の
一例を説明するための図である。 １……流管、２……渦発生体、２１……圧力検
知室、２２，２３……圧力導入口、６……円筒
体、７……円柱体、As，Bs……シールド、Ac，
Bc……導線、Ｗ……絶縁材、Ap，Bp，Mp……
金属管。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 渦発生体より流れに応じて発生する渦を、該
   渦による変動圧力として検出する検出手段であ
   つて、該検出手段を、要部が前記渦発生体の固
   着部等に固定された固定電極と、前記変動圧力
   に変動して固定電極との間で可変静電容量を形
   成する可動電極とからなる差動静電容量方式と
   し、該差動静電容量は固定電極又は可動電極の
   何れか一方を接地した共通電極と、該共通電極
   を挟む第１及び第２の電極とからなり、該第１
   及び第２の電極に接続される導線とシールド間
   の静電容量の等しいシールド導線と、該シール
   ド導線を介して前記被測静電容量を充電する共
   通した直流電源と、充電および充電した電荷を
   放電回路に切換えるスイツチ手段と、該スイツ
   チ手段を渦周波数に比べて極めて早い周期で切
   換える切換手段と、前記放電電流を静電容量に
   比例した電圧に変換し、各々の電圧の差を求め
   る差動増幅回路とからなり、前記シールド導線
   を平行してシールドを接続して接地することに
   よりシールド導線におけるシールドと導線間の
   静電容量に相当する電圧を相殺して真の被検差
   動容量に相当する電圧値として渦信号を検出す
   ることを特徴とする渦信号変換器。 ２ 前記シールド導線におけるシールドを等径の
   金属導管とし、該金属導管内に導線を絶縁材に
   て同心に密接固着し、第１及び第２電極に接続
   される２本の金属導管を平行にして密接したこ
   とを特徴とする請求項第１項に記載の渦信号変
   換器。 ３ 前記シールド導線におけるシールドを一本の
   等径な金属導管とし、該金属導管内に第１及び
   第２電極に接地される２本の導線を前記金属導
   管内に軸対称に平行して挿通し、絶縁材にて固
   着したことを特徴とする請求項第１項に記載の
   渦信号変換器。 ４ 前記２本のシールド導線を互いに捩り一体構
   成したことを特徴とする請求項第１項に記載の
   渦信号変換器。