JPH06167368A - 渦センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造工程中、検出要素を長時間高温に晒すこ
となく高信頼性のセンサとする。 【構成】 渦発性体の一端の軸方向に穿設された圧力室
内に挿入され圧力室内に導入され渦による変効圧力を検
知する渦センサを、一端に取付用のフランジ５ａを有す
る振動管５ｂ内に、平面９ａを有する母材９と、平面９
ａに接合する電極１１を有する圧電素子板１０を絶縁体
のセラミックス板状体１２で押圧し乍ら円柱状にして燒
嵌めにより一体に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、渦流量計の渦センサに関し、よ
り詳細には、渦発生体内に片持支持されて嵌挿され、渦
発生体内に導入されるカルマン渦の変動圧に応動する渦
センサに関する。

【０００２】

【従来技術】周知のように渦流量計は流体の流れの中に
配設された渦発生体を配設したとき、該渦発生体から単
位時間内に発生するカルマン渦の数が或るレイノルズ数
範囲で流量に比例することを利用した推測形の流量計で
ある。発生する渦は、渦発生体まわりに生ずる流れ変化
又は圧力変化として渦センサにより検出される。これら
の渦センサは、渦発生体内に固着されるか着脱可能に配
設されている。流量計は、目的に応じて多様の流体の流
量計測を行う計量機であるが、渦流量計は、気体液体等
密度や粘度に影響されることなくレイノルズ数のみに依
存して特性が定められる特徴をもっている。しかし、カ
ルマン渦の発生による変動圧は測定流体の密度と流速の
２乗に比例した量であるから、測定範囲を拡大するため
には小流域での感度を高くすることが必要である。この
点において、渦発生体内に着脱可能に配設される形式の
渦センサは有利である。

【０００３】着脱式の渦センサとしては、本出願人は、
特公昭６３−３１７２６号公報において渦発生体の大き
さによらず同一のセンサを着脱可能とする渦流量計を提
案した。図５（ａ），（ｂ）は、この従来の渦流量計を
説明するための図で、図５（ａ）は流れ方向からみた断
面図、図５（ｂ）は図（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面図であ
る。図中、２１は管体、２２は渦発生体、２３は載断
面、２４は圧力室、２５は導圧孔、２６は円筒体、２７
は弾性母材、２８は圧電素子、２９は充填剤、３０は渦
センサ、３１は鍔部、３２はリード線である。

【０００４】図示において、管体２１は被測定流体の流
通する配管に介装される本体で、直径上に渦発生体２２
が設けられている。渦発生体２２には管体２１を貫通し
た凹部が設けられ、該凹部は圧力室２４となっており、
圧力室２４の両側壁面に導圧孔２５が貫通し、被測定流
体に連通している。一方、圧力室２４には渦センサ３０
が挿入されている。渦センサ３０は、鍔部３１を有する
有底な円筒体状の振動管２６と、該振動管２６の底部に
受圧板２６ａが一体に形成され振動管２６内に同軸に嵌
挿された弾性母材２７と、該弾性母材２７の両側面に貼
着された圧電素子２８，２８と、振動管２６内に弾性母
材２７を一体固着する充填材２９及びリード線３２とか
らなっている。

【０００５】渦センサ３０は振動管２６の鍔部３１にお
いて管体に形成された載断面２３で管体２１に片持固着
される。渦による変動圧力は、導圧孔２５を介して圧力
室２４に導入され受圧板２６ａに作用する。変動圧力を
受けた受圧板２６ａは片持固着された位置まわりに変動
するが、この変動は、充填剤２９を介して圧電素子に伝
達され振動に応じた電気信号（電荷）をリード線３２よ
り出力される。

【０００６】しかし、前記充填剤２９は、単に力伝達の
媒体ではなく絶縁性が要求される。一般に絶縁抵抗は温
度により変化し、高温では低下するので、充填剤２９と
してガラス等が用いられる。ガラスは含有成分によって
も異なるが通常融点が高く、均一に充填するためには充
分脱気する必要があり振動管は長時間高温にさらされ
る。この結果、振動管の構成材料は疲労強度は低下する
傾向にある。更に、ガラスとの膨張係数の差により残溜
ひずみが多いので疲労強度は更に低下する。また、ガラ
スが介在することにより振動管の曲げ剛性は高くなり感
度も低下するという問題があった。

【０００７】

【目的】本発明は、上述のごとき問題点に鑑みなされた
もので、製造工程中に振動管を長期間、高温にさらすこ
となく、振動管内に収納し長期安定な信頼度の高い、し
かも高感度な渦センサを安価に提供すること、更には、
充填剤を除くことで高温域特性を改善することを目的と
してなされたものである。

【０００８】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
測定流体が流れる本体と、該本体内に両端が固着され一
端側軸方向に圧力室と該圧力室に測定流体圧を導入する
導圧孔を有する渦発生体と、前記圧力室内に導入された
カルマン渦に基づく変動圧力を検知する渦センサとを有
する渦流量計において、前記渦センサは、前記変動圧力
に応動して前記圧力室内で振動可能に前記本体壁を貫通
し本体に片持支持される振動管と、該振動管に軸対称で
受圧側に面し、平板を有する金属の母材と、該母材の平
板の両側面に各々接合し非接合面に電極板を有する圧電
素子板と、該圧電素子板を前記母材の間に絶縁圧接する
絶縁板状体とからなり、該絶縁板状体と前記圧電子板及
び母材とを前記振動管内に燒嵌めにより一体に固着した
こと、更には、（２）前記（１）において、変動圧力を
受けて前記圧力室内で振動可能に本体壁を貫通し本体に
片持支持される振動管と、該振動管の支持側で固着され
受圧側で振動管内壁と隙間を有し受圧側に面した平板を
有する金属の母材と、該母材の平板の両側面に各々接合
し非接合面に電極を有する圧電素子板と、該圧電素子板
を前記母材との間に絶縁圧接する絶縁板状体と、前記振
動管内径より小径な円筒体で前記母材の非固着部と圧電
素子板と絶縁板状体とを燒嵌めにより一体に固着する固
着筒と、前記母材の受圧側に固着され前記振動管内壁に
圧接する支持板とからなること、更には、（３）前記
（１）又は（２）において、前記絶縁板状体を快削性セ
ラミックスとしたこと、更には、（４）前記（１）乃至
（３）の何れかにおいて、前記絶縁板状体の片持支持さ
れる渦センサの支持部近傍の厚さを他の部分よりも薄く
したこと、更には、（５）前記（２）乃至（４）の何れ
かにおいて、前記固着円筒を形状記憶合金としたことを
特徴とするものである。以下、本発明の実施例に基づい
て説明する。

【０００９】図１は、本発明の渦センサを適用する渦流
量計の一例を説明するための図で、図中、１は本体、２
は渦発生体、３は圧力室、４は導圧孔、５は渦センサ、
６は取付筒である。

【００１０】本体１は、筒状体で配管フランジ（図示せ
ず）に同軸に介装され測定流体が流れる。本体１の径方
向に渦発生体２が両端で燒嵌め等で固着されている。渦
発生体２の一端側には軸方向に圧力室３が穿孔され、該
圧力室３には渦発生体２の両側面から渦による変動圧力
を導入する導圧孔４が連通している。圧力室３内には渦
センサ５が挿入される。渦センサ５は本体に片持に取り
付けるフランジ５ａと感圧部を収納した振動管５ｂと変
動圧力が作用する受圧部５ｃとからなり、フランジ５ａ
によりガスケット７でシールされボルト８により本体１
の取付面１ａに固着脱可能に固着される。このため、本
体１の取付面１ａには圧力室３と同軸な挿入孔１ｂが貫
通している。なお、取付筒６は渦センサ５からの信号を
処理演算する変換器（図示せず）を取り付けるためのも
のである。

【００１１】図２（ａ）（ｂ）は、本発明における渦セ
ンサの構造の一例を説明するための部分断面図で、図
（ａ）は受圧面と直角な方向からみた断面図、図（ｂ）
は（ａ）図の矢視Ｂ−Ｂ線図であり、図中、５は渦セン
サ、６は取付筒、９は母材、１０は圧電素子板、１１は
電極板、１２は絶縁体（セラミックス）板状体である。

【００１２】母材９は振動管５ｂの軸方向に長いステン
レス鋼等の弾性体で受圧面と平行な軸Ｏ−Ｏに関して軸
対称で、少なくとも一部に軸Ｏ−Ｏに平行な面９ａ，９
ａを有している。また、母材９の軸Ｏ−Ｏ方向の端面は
振動管内径より燒嵌め代の分だけ僅かに大きい外径をも
っている。

【００１３】圧電素子板１０は、ＬｉＮｂＯ₃（ニオブ
酸リチューム）等の高いキュリー温度を有する圧電素子
の薄板で一面は母材９の平行面９ａ，９ａに接合するよ
うに配設される。また、非接合面には電極１１が接合さ
れており、双方の電極１１，１１は接続され、Ｏ−Ｏ軸
に直角な方向に圧力が作用し圧縮引張り力を受けたとき
圧電素子板１０，１０からの出力電圧は接続された電極
１１と母材９との間に発生するようになっている。すな
わち、圧電素子板１０は厚さ方向に分極処理されてい
る。

【００１４】セラミックス板状体１２、１２は、母材
９、圧電素子板１０と同じ長さで母材９に接合された圧
電素子板１０を母材９と共に挟み込み圧接する絶縁部材
で、圧電素子板１０に面した側の面は平面で、反対側の
面は円筒面となっている。外径が振動管５ｂの内径より
も燒嵌め代程度に僅かに大きく加工されている。

【００１５】上述の母材９と電極１１を有する圧電素子
板１０及びセラミックス板状体１２には、（ｂ）図に示
すように順次接合されて受圧面側Ｏ−Ｏ軸に関して対称
に組合わされ振動管５ｂ内に燒嵌めにより一体に組立て
られる。このとき、加熱されるのは振動管５ｂ側のみで
内部の検出要素には長期間に亘って熱が加えられること
がないため安定した特性が得られる。

【００１６】なお、燒嵌めを高精度に行うために各要素
の寸法精度が要求されるが、セラミックス板状体１２は
硬質で寸法精度を高めるためには高価な加工費となるた
め、加工容易な快削性セラミックスが用いられる。快削
性セラミックスは、ガラス質をマトリックスとして弗素
金雲母、ジルコニア微結晶を均一に折出させた溶融法か
ら生まれた複合マイカセラミックスで、通常の旋盤やボ
ール盤などの工作機械で容易に加工ができる。セラミッ
クス板状体１２を快削性セラミックスとした場合は、適
当な治具を用いることによって母材９、セラミックス板
状体１２を一体にして加工できるので燒嵌め精度が向上
する。

【００１７】また、渦センサ５は、フランジ５ａで本体
１の取付面１ａに片持固着され、受圧部５ｃに変動圧が
作用する片持はりであるからフランジ５ａ近傍に応力が
集中する。高感度にするためには、この部分の曲げ剛性
を低くすることが有利であり剛性の高いセラミックス板
状体１２の支持部近傍の外周面１２ａ，１２ａを削除す
ることが有効である。

【００１８】図３（ａ）,（ｂ）,（ｃ）は、本発明にお
ける渦センサの他の実施例を説明するための部分図で、
（ａ）図は受圧面を直角な方向からみた断面図、（ｂ）
図は（ａ）図の矢線Ｂ−Ｂ線図、（ｃ）図は取り付け部
断面であり、図中、１３は固着筒、１４は支持板、１５
は振動管固着部で、図２と同じ作用をする部分には図２
と同一の参照番号を付している。図３の渦センサは、母
材９と圧電素子板１０及びセラミックス板状体１２から
なる検出要素の曲げ剛性を小さくして高感度にしたもの
で、振動管５ｂ内の上下の２点間で振動管５ｂに固着す
るものであり、更には、上記検出要素のみを着脱可能に
振動管５ｂに固着するものである。すなわち、検出要素
の下端部では支持板１４に、上端部では突起した振動管
固着部１５で固着される。支持板１４は薄いばね板で振
動管５ｂ内径よりも僅かに大きく、中央部で母材９の支
持端９ｃに溶着され、検出要素を振動管５ｂ内に挿着す
るとき僅かに湾曲し乍ら振動管５ｂ内に挿入可能とな
る。上端では、振動管固着部１５部分を、フランジ５ａ
の上部５ｄ位置でビス等により着脱可能に固着される。

【００１９】従って、固着筒１３は、外径が振動管５ｂ
の内径よりも小さく、母材９と圧電素子板１０及びセラ
ミックス板状体１２を図２の振動管５ｂ内に燒嵌めした
と同様に固着筒１３に燒嵌めされる。また、固着筒１３
を形状記憶合金で形成することにより、より簡易に形成
することができる。

【００２０】図４（ａ）,（ｂ）は、固着筒の断面を示
す図で、（ａ）図は初期ひずみを与えた状態、（ｂ）図
は除荷した状態である。形状記憶合金は、周知の如く、
Ｎｉ（ニッケル）とＴｉ（チタン）等の２元合金であ
り、一般の金属の 性変形と異り、結晶構造の変化、い
わゆる変態を伴う変形であり、（ａ）図のように冷却時
のマルテンサイト変態終了温度以下の温度でひずみを与
えると、この温度以上の温度に加熱することにより図
（ｂ）のように除荷され前記検出要素を、燒嵌めによる
と同様に一体に固着する駒とができる。

【００２１】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と以下のような効果がある。 （１）金属母材とセラミックス板状体との間に圧電素子
板を配設した検出要素を振動管内に燒嵌めにより固着す
るので、検出要素は長期間高温に配されることがなく簡
易で安定な特性が得られる。 （２）振動管と上記検出要素とを別体に形成して検出要
素部分を固着筒に燒嵌められたので（１）と同様に簡易
で安定な特性が得られるとともに高感度で、メンテナン
スも容易な渦センサとすることができる。 （３）セラミックス板状体を快削性セラミックスとした
ので機械加工が容易となり加工精度も向上するので量産
性が優れる。 （４）渦センサの曲げ剛性を片持支持部近傍で小さくし
たのでより高感度な渦センサが得られる。 （５）検出要素部分を振動管と別体にし固着筒内に燒嵌
めしたので高感度となるが、更に、固着筒を形状記憶合
金としたので組立てが容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の渦センサを適用する渦流量計の一例
を説明するための図である。

【図２】 本発明における渦センサの構造の一例を説明
するための断面図である。

【図３】 本発明における渦センサの他の実施例を説明
するための部分図である。

【図４】 固着筒の断面を示す図である。

【図５】 従来の渦流量計を説明するための図である。

【符号の説明】

１…本体、２…渦発生体、３…圧力室、４…導圧孔、５
…渦センサ、６…取付筒、９…母材、１０…圧電素子
板、１１…電極、１２…絶縁体（セラミックス）板状
体。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定流体が流れる本体と、該本体内に両
   端が固着され一端側軸方向に圧力室と該圧力室に測定流
   体圧を導入する導圧孔を有する渦発生体と、前記圧力室
   内に導入されたカルマン渦に基づく変動圧力を検知する
   渦センサとを有する渦流量計において、前記渦センサ
   は、前記変動圧力に応動して前記圧力室内で振動可能に
   前記本体壁を貫通し本体に片持支持される振動管と、該
   振動管に軸対称で受圧側に面し、平板を有する金属の母
   材と、該母材の平板の両側面に各々接合し非接合面に電
   極板を有する圧電素子板と、該圧電素子板を前記母材の
   間に絶縁圧接する絶縁板状体とからなり、該絶縁板状体
   と前記圧電子板及び母材とを前記振動管内に燒嵌めによ
   り一体に固着したことを特徴とする渦センサ。
2. 【請求項２】 変動圧力を受けて前記圧力室内で振動可
   能に本体壁を貫通し本体に片持支持される振動管と、該
   振動管の支持側で固着され受圧側で振動管内壁と隙間を
   有し受圧側に面した平板を有する金属の母材と、該母材
   の平板の両側面に各々接合し非接合面に電極を有する圧
   電素子板と、該圧電素子板を前記母材との間に絶縁圧接
   する絶縁板状体と、前記振動管内径より小径な円筒体で
   前記母材の非固着部と圧電素子板と絶縁板状体とを燒嵌
   めにより一体に固着する固着筒と、前記母材の受圧側に
   固着され前記振動管内壁に圧接する支持板とからなるこ
   とを特徴とする請求項１記載の渦センサ。
3. 【請求項３】 前記絶縁板状体を快削性セラミックスと
   したことを特徴とする請求項１又は２項に記載の渦セン
   サ。
4. 【請求項４】 前記絶縁板状体の片持支持される渦セン
   サの支持部近傍の厚さを他の部分よりも薄くしたことを
   特徴とする請求項１乃至３項の何れから記載の渦セン
   サ。
5. 【請求項５】 前記固着円筒を形状記憶合金としたこと
   を特徴とする請求項２乃至４項の何れかに記載の渦セン
   サ。