JPH06174509A - カルマン渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】渦発生体に作用するカルマン渦に基づく力を、
流れ方向の外力の影響を受けることなく、出力感度の高
い歪信号に変換することによって、測定精度の向上と、
測定範囲の拡大とを図る。 【構成】歪検出部10は、円板状の圧電物質11と、一方の
全表面に取り付けられる共通電極12と、他方の表面に取
り付けられる各分電極13,14 とからなる。各分電極13,1
4 は、X-X 軸に関して対称な、歪み最大箇所に応じた箇
所に隔離, 配置され、ほぼ楕円形をなす。ここで、各分
電極13,14 は楕円の横方向が長くなると、X 方向つまり
流れ方向の外力、たとえば同一管路系統にあるポンプな
どの水圧変動の影響を受けやすくなるから、各分電極1
3,14 の形状は、渦圧力の歪みは有効に検出し、渦圧力
とは無関係な流れ方向の外力の歪みは検出しないように
設計する必要がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧電素子を用いた歪
検出部を介して、渦発生体に作用するカルマン渦に基づ
く交番力を、出力感度の高い歪信号に変換することによ
って、測定精度の向上と、測定範囲の拡大とを図るカル
マン渦流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来例について、その要部の側断面図で
ある図４を参照しながら説明する。図において、従来例
の要部は、概略的に言えば、管路１の側壁にネジ固定さ
れる基台２と、この基台２にネジ固定される検出体３と
からなる。基台２は主として、管路１の側壁外周への固
定部としての基板２a と、基板２a の中心にある突出部
で側壁に嵌挿される支承部２b と、この支承部２b から
管路１の内部に突出するカルマン渦発生支援用の柱状体
２c と、この柱状体２c の先端に位置し管路１の側壁の
対向箇所に嵌挿される支承部２d とからなる。各支承部
２b,２d の、管路１の側壁への嵌挿は、柱状体２c に対
する防振のために各Ｏリング５，６を介してなされる。

【０００３】検出体３は主として、基板２a の表面にネ
ジ固定されるフランジ部３a と、このフランジ部３a か
ら管路１の内部側に伸びる支柱部３b と、カルマン渦発
生体としての柱状体３c と、この柱状体３c の先端に位
置し基台２の支承部２d の中心部にＯリング７を介して
嵌挿される支承部３d と、フランジ部３a から管路１の
外方に伸びる支柱部３e と、支柱部３e の先端部に位置
調整可能に固定されるウェイト３f とからなる。検出体
３を構成する前記の各部分は全て同軸である。なお、Ｏ
リング７は、柱状体３c に対する防振用である。また、
フランジ部３aは、機能的にはダイヤフラムである。

【０００４】さて、図５は図４におけるＡ−Ａ断面図で
あり、同図に示すように、基台２の柱状体２c は、その
断面が等辺三角形で、検出体３の柱状体３c は、その断
面が等辺台形である。柱状体２c の断面の等辺三角形の
底辺と、柱状体３c の断面の等辺台形の長底辺とは、ほ
ぼ同じ長さで近接対向している。これら各柱状体２c,３
c は広義のカルマン渦発生体を構成し、柱状体３c が渦
発生の主部に、柱状体２c が渦発生を支援する副部に相
当する。なお、矢印Ｑは流れ方向を示す。

【０００５】ここで重要なことは、主な渦発生体として
の柱状体３c が、外部の振動や衝撃（以下、単に外部振
動という）を受けたときの慣性力によるフランジ部３a
の箇所に関する曲げモーメント（以下、慣性曲げモーメ
ントという）と、支柱部３eおよびウェイト３f が、同
じ外部振動を受けたときのフランジ部３a の箇所に関す
る慣性曲げモーメントとが、互いに同じ大きさで逆方向
になるように構成される点である。なお、支柱部３e お
よびウェイト３f が、発明におけるバランスウェイトに
相当する。言いかえれば、前記の条件が成り立つよう
に、予め概略的に決められた寸法，重さのウェイト３f
が微細に位置調整されるわけである。したがって、支柱
部３b および主な渦発生体としての柱状体３c が外部振
動を受けたときのフランジ部３a の箇所に関する慣性曲
げモーメントは、バランスウェイトとしての支柱部３e
およびウェイト３f が同じ外部振動を受けたときのフラ
ンジ部３a の箇所に関する慣性曲げモーメントによって
相殺される。

【０００６】再び図４に戻り、４は歪検出部であり、フ
ランジ部３a の上面に支柱部３e を貫通させる形で接着
される。歪検出部４は、その表面図である図７(a) と、
その裏面図である図７(b) とに示したように、圧電物質
を中間に挟む形で構成され、ハッチング表示された各電
極４a,４b,４c,４d からなる。各電極４a,４b は、柱状
部３c と管路１との各軸線を含む平面、つまりＸ−Ｘを
含む紙面に直角な平面に関して対称に配置された二つの
分電極で、外側の表面に固着される。また電極４d は、
分電極である各電極４a,４b に対応する一つの共通電極
で、内側の表面に固着される。なお、図５(a) における
外側の表面に固着される電極４c は、共通電極である電
極４d と一体化され出力取出し部の役目をする。出力取
出しは、内側の電極４d の部分からは困難なので、電気
的に等価な外側の電極４c からおこなうわけである。こ
のようにして出力信号は、各電極４a,４b と、電極４c
を介して電極４d との間からそれぞれ取り出される。

【０００７】しかも、図７(a),(b) を参照しながら説明
したように、歪検出部４からは、流れ方向の外力が柱状
体３c に作用しない限りにおいて、図５に示した柱状体
３cに作用する、この柱状体３c の軸線と流れ方向Ｑと
に直角なＹ−Ｙ方向（揚力方向）の交番力だけ、言いか
えれば、流体の流速流量だけに対応する出力信号が、周
知の電子回路によって２倍される形で取り出されること
になる。このことは測定の感度，精度の向上に役立つ。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来例では、同一管路
系統に属するポンプによって発生する脈動ノイズ、つま
り水圧変動ノイズの影響を補償できない。なぜなら、ポ
ンプによる脈動ノイズは渦発生体だけに作用するからで
ある。したがって、ポンプによる脈動ノイズの周波数
が、カルマン渦の周波数に近いときにはその分別が難し
く、脈動ノイズがカルマン渦信号に影響を及ぼす、言い
かえれば正確な流速流量の測定を阻害する結果となる。

【０００９】この発明の課題は、従来の技術がもつ以上
の問題点を解消し、渦発生体に作用するカルマン渦に基
づく交番力を、同時に流れ方向の外力が作用するときに
も、これに影響されることなく、出力感度の高い歪信号
に変換することによって、測定精度の向上と、測定範囲
の拡大とを図るカルマン渦流量計を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に係るカルマン
渦流量計は、棒状の渦発生体が、軸線を流体の流れる管
路内で流れ方向と直角に挿入され、その渦発生体に、こ
れと同軸かつ直角に設けられるダイヤフラムとしてのフ
ランジが、管路の外側に固定され、そのフランジ表面に
絶縁して固定される歪検出部を介して、渦発生体に作用
するカルマン渦に基づく交番力が歪信号に変換されると
ともに、これによって流体の流速流量が測定される流量
計であって、歪検出部は、板状圧電物質を挟む形で一方
の表面に設けられる共通電極と；同じくその他方の表面
に設けられ、渦発生体の軸線と直交する流れ方向の直線
を一対称軸として、その両側のフランジ歪み最大箇所に
応じて対称的に隔離，配置されるとともに、渦発生体の
軸線を通り一対称軸と直角な別の対称軸を中心に両側に
広がる各所定形状に成形される一対の分電極と；を備え
る請求項２に係るカルマン渦流量計は、棒状の渦発生体
が、軸線を流体の流れる管路内で流れ方向と直角に挿入
され、その渦発生体に、これと同軸かつ直角に設けられ
るダイヤフラムとしてのフランジが、管路の外側に固定
され、そのフランジ表面に絶縁して固定される歪検出部
を介して、渦発生体に作用するカルマン渦に基づく交番
力が歪信号に変換されるとともに、これによって流体の
流速流量が測定される流量計であって、歪検出部は、板
状圧電物質を挟む形で一方の表面に設けられる共通電極
と；同じくその他方の表面に設けられ、渦発生体の軸線
と直交する流れ方向の直線の両側に隔離，配置される一
対の分電極と；を備え、圧電物質は、圧電特性をもつ領
域が、渦発生体の軸線と直交する流れ方向の直線を一対
称軸として、その両側のフランジ歪み最大箇所に応じて
対称的に隔離，配置されるとともに、渦発生体の軸線を
通り一対称軸と直角な別の対称軸を中心に両側に広がる
各所定領域に限定される。

【００１１】請求項３に係るカルマン渦流量計は、棒状
の渦発生体が、軸線を流体の流れる管路内で流れ方向と
直角に挿入され、その渦発生体に、これと同軸かつ直角
に設けられるダイヤフラムとしてのフランジが、管路の
外側に固定され、そのフランジ表面に絶縁して固定され
る歪検出部を介して、渦発生体に作用するカルマン渦に
基づく交番力が歪信号に変換されるとともに、これによ
って流体の流速流量が測定される流量計であって、歪検
出部は、共通電極が一方の表面に設けられる板状圧電物
質と；一方の表面に設けられる一定突出量の突出部の平
坦表面に分電極としての導電膜が設けられ、この導電膜
が圧電物質の他方の表面に押圧，接触される絶縁性板状
部材と；を備え、この板状部材の突出部は、表面輪郭
が、渦発生体の軸線と直交する流れ方向の直線を一対称
軸として、その両側のフランジ歪み最大箇所に応じて対
称的に隔離，配置されるとともに、渦発生体の軸線を通
り一対称軸と直角な別の対称軸を中心に両側に広がる各
所定形状に成形される。

【００１２】請求項４に係るカルマン渦流量計は、請求
項１ないし３のいずれかの項に記載の流量計において、
渦発生体が、振動，衝撃補償用のバランスウェイトを備
える。

【００１３】

【作用】請求項１に係るカルマン渦流量計では、渦圧力
によるダイヤフラムの曲げ歪みは、渦発生体の軸線と直
交する流れ方向の直線を一対称軸として、その両側に対
称的に隔離されるとともに、渦発生体の軸線を通り一対
称軸と直角な別の対称軸を中心に両側に広がる各所定領
域において、最大に近い値が交互に符号を逆にしなが
ら、しかも流れ方向の外力の影響を受けない形で発生す
る。したがって、圧電物質の一方の表面に共通電極を、
他方の表面に各所定領域に対応する形状の一対の分電極
を設けると、その圧電信号に基づいて、渦発生体に作用
する渦圧力だけを正確に検出することができる。

【００１４】請求項２に係るカルマン渦流量計では、渦
圧力によるダイヤフラムの曲げ歪みは、渦発生体の軸線
と直交する流れ方向の直線を一対称軸として、その両側
に対称的に隔離されるとともに、渦発生体の軸線を通り
一対称軸と直角な別の対称軸を中心に両側に広がる各所
定領域において、最大に近い値が交互に符号を逆にしな
がら、しかも流れ方向の外力の影響を受けない形で発生
する。したがって、圧電物質の圧電特性をもつ領域を、
各所定領域に限定させることによって、共通電極と一対
の分電極とを介しての圧電信号に基づいて、渦発生体に
作用する渦圧力だけを正確に検出することができる。

【００１５】請求項３に係るカルマン渦流量計では、渦
圧力によるダイヤフラムの曲げ歪みは、渦発生体の軸線
と直交する流れ方向の直線を一対称軸として、その両側
に対称的に隔離されるとともに、渦発生体の軸線を通り
一対称軸と直角な別の対称軸を中心に両側に広がる各所
定領域において、最大に近い値が交互に符号を逆にしな
がら、しかも流れ方向の外力の影響を受けない形で発生
する。したがって、板状部材の各突出部の表面輪郭、ひ
いては分電極としての導電膜を、所定領域に対応する形
状にすることによって、この各分電極と圧電物質側の共
通電極とを介しての圧電信号に基づいて、渦発生体に作
用する渦圧力だけを正確に検出することができる。

【００１６】

【実施例】この発明に係るカルマン渦流量計のいくつか
の実施例について、以下に図を参照しながら説明する。
各実施例が従来例と異なる点は、図４の各実施例と従来
例との共通な側断面図に示すように、歪検出部にある。
すなわち、第１実施例では歪検出部10が、第２実施例で
は歪検出部20が、第３実施例では歪検出部30がそれぞれ
用いられる。さて、ダイヤフラムとしてのフランジ部3a
に生じる歪みは、図図６の渦圧力によるダイヤフラムの
歪線図に示される。なお、この歪線図は各実施例と従来
例とに共通で、フランジ部3aの中心から、検出体３の軸
線と流れ方向とに直角にＹ軸をとって、その中心Ｏから
の距離を表し、これに対する歪みを縦軸にとる。歪み
は、中心Ｏを含み２つの一点鎖線で区画された（支柱部
3eに対応する) 領域を除いて、その領域の外側近くに最
大値があり、中心Ｏからの向きによって符号が逆になる
とともに、この関係が周期的に逆になる。図では、中心
Ｏから右にマイナスの曲げ歪み、つまり圧縮歪みが、左
にプラスの曲げ歪み、つまり引張歪みが生じることを示
す。したがって、Ｙ軸上の歪み最大箇所を含む領域に歪
検出部の要部を位置させると、高感度の測定が可能にな
る。

【００１７】第１実施例の歪検出部について、図１を参
照しながら説明する。図１は第１実施例の歪検出部に関
し、(a) はその上面図、(b) はその下面図である。図に
おいて、歪検出部10は、円板状の圧電物質11と、一方の
全表面に取り付けられる共通電極12と、他方の表面に取
り付けられる各分電極13,14 とからなる。なお、圧電物
質11の中心を通り、流れ方向Q にX 軸を、これと直角に
Y 軸をとる。ここで、各分電極13,14 は、中心部の支柱
部の箇所を避けて、X-X 軸に関して対称な、歪み最大箇
所に応じた箇所に隔離, 配置され、ほぼ楕円形をなす。
ここで留意すべきことは、各分電極13,14 は楕円の横方
向が長くなると、X 方向つまり流れ方向の外力、たとえ
ば同一管路系統に設置されるポンプなどの水力機械で発
生する脈動ノイズ、つまり水圧変動の影響を受けやすい
ことである。したがって、各分電極13,14 の形状は、渦
圧力の歪みは有効に検出し、渦圧力とは無関係な流れ方
向の外力の歪みは検出しないように設計する必要があ
る。なお図1 (b) において、共通電極12は、符号を付け
てない引き出し用リード部を有し、圧電物質11の縁部で
折り曲げられて、各分電極13,14 の側に出させ、引き出
し配線処理が容易になるようにしてある。

【００１８】第２実施例の歪検出部について、図2 を参
照しながら説明する。図2 は第２実施例の歪検出部に関
し、(a) はその上面図、(b) はその下面図である。図に
おいて、歪検出部20は、第１実施例と同じ円板状の圧電
物質11と、一方の全表面に取り付けられる第１実施例と
同じ共通電極12と、他方の表面に取り付けられる各分電
極22,23 とからなる。なお、第１実施例と同じくX 軸,Y
軸をとる。ここで、各分電極22,23 の形状は、X-X 軸の
部分で分割されるほぼ半円形である。しかし、ここで重
要なことは、圧電物質11は、圧電特性をもつ領域が、歪
み最大箇所に応じた箇所に限定され、ほぼ楕円形をなし
て隔離, 配置されることである。すなわち、図2 (a) に
おける破線表示の各圧電特性領域22a,23a である。もち
ろん、この楕円形の形状を設計するときに、第１実施例
におけるのと同様な流れ方向の外力に対する留意が必要
である。

【００１９】第３実施例の歪検出部について、図3 を参
照しながら説明する。図3 は第３実施例の歪検出部に関
し、(a) はその上面図、(b) はその側面図、(c) はその
絶縁板側の下面図である。図において歪検出部30は、第
１実施例と同じ円板状の圧電物質11と、円板に方形部が
付設された形の絶縁板31との二つの部分からなる。圧電
物質11側には、共通電極12だけが取り付けられる。絶縁
板31は、その片側の表面に、二つの平坦な楕円形の各突
出部32,33 が設けられる。この各突出部32,33の位置と
形状とは、第１実施例の各分電極13,14 に対応する( 図
1 (a) 参照) 。しかも、この各突出部32,33 の表面に、
それぞれ同形状の各分電極34,35 が取り付けられ、それ
ぞれに各リード部36,37 が付設される。絶縁板31は、そ
の各分電極34,35 の表面を、圧電物質11の共通電極12と
は逆側の表面と押圧, 接触させる形で圧電物質11に取り
付けられる。したがって、圧電物質11の歪信号が、共通
電極12と各分電極34,35 とで検出され、各リード部36,3
7 を介して取り出される。動作的には第１, 第２の各実
施例におけるのと同様である。

【００２０】

【発明の効果】請求項１ないし４のいずれかの項に係る
カルマン渦流量計では、共通に渦圧力によるダイヤフラ
ムの曲げ歪みは、渦発生体の軸線と直交する流れ方向の
直線を一対称軸として、その両側に対称的に隔離される
とともに、渦発生体の軸線を通り一対称軸と直角な別の
対称軸を中心に両側に広がる各所定領域において、最大
に近い値が交互に符号を逆にしながら、しかも流れ方向
の外力の影響を受けない形で発生する。したがって、共
通電極と一対の各分電極とを介しての圧電信号に基づい
て、渦発生体に作用する渦圧力だけを正確に検出するこ
とができる。その結果、渦発生体に作用するカルマン
渦に基づく交番力が、出力感度の高い歪信号に変換され
て、測定精度の向上と、測定範囲の拡大とが図れる、
流れ方向の外力、たとえば同一管路系統に属するポンプ
などの水力機械で発生する脈動ノイズ、つまり水圧変動
の影響を受けることがない。

【００２１】とくに請求項１に係るカルマン渦流量計で
は、歪検出部の分電極の表面積を小さくすることがで
き、コスト低減が図れる。とくに請求項２に係るカルマ
ン渦流量計では、歪検出部の分電極の表面積が広く、か
つ圧電特性の領域限定処理を要するが、所定領域に応じ
て分電極を成形する必要がないから、製作コストの低減
が図れる。

【００２２】とくに請求項３に係るカルマン渦流量計で
は、歪検出部が圧電素子と絶縁性薄板状部材との２個に
なるが、圧電物質側に共通電極が、板状部材側に分電極
としての導電膜がそれぞれ分けて設けられるから、製作
が容易になる利点がある。とくに請求項４に係るカルマ
ン渦流量計では、外部の振動，衝撃の影響を受けること
がなく、それだけ正確な流速流量の測定が支援される。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の歪検出部に関し、(a) はその上面
図、(b) はその下面図

【図２】第２実施例の歪検出部に関し、(a) はその上面
図、(b) はその下面図

【図３】第３実施例の歪検出部に関し、(a) はその上面
図、(b) はその側面図、(c) はその絶縁板側の下面図

【図４】各実施例と従来例との共通な側断面図

【図５】図４におけるＡ−Ａ断面図

【図６】各実施例と従来例との共通な渦圧力によるダイ
ヤフラムの歪線図

【図７】従来例の歪検出部に関し、(a) はその上面図、
(b) はその下面図

【符号の説明】

１ 管路 ２ 基台 ２ａ 基板 ２ｂ 支承部 ２ｃ 柱状体 ２ｄ 支承部 ３ 検出体 ３ａ フランジ部 ３ｂ 支柱部 ３ｃ 柱状体 ３ｄ 支承部 ３ｅ 支柱部 ３ｆ ウェイト ４ 歪検出部 ４ａ，４ｂ，４ｃ 電極 ５，６，７ Ｏリング １０ 歪検出部 １１ 圧電物質 １２ 共通電極 １３，１４ 分電極 ２０ 歪検出部 ２２，２３ 分電極 ２２ａ，２３ａ 圧電特性領域 ３０ 歪検出部 ３２ 絶縁板 ３２，３３ 突出部 ３４，３５ 分電極 ３６，３７ リード部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】棒状の渦発生体が、その軸線を流体の流れ
   る管路内で流れ方向と直角に挿入され、その渦発生体に
   これと同軸かつ直角に設けられるダイヤフラムとしての
   フランジが、管路の外側に固定され、そのフランジ表面
   に絶縁して固定される歪検出部を介して、渦発生体に作
   用するカルマン渦に基づく交番力が歪信号に変換される
   とともに、これによって流体の流速流量が測定される流
   量計であって、歪検出部は、板状圧電物質を挟む形で一
   方の表面に設けられる共通電極と；同じくその他方の表
   面に設けられ、渦発生体の軸線と直交する流れ方向の直
   線を一対称軸として、その両側のフランジ歪み最大箇所
   に応じて対称的に隔離，配置されるとともに、渦発生体
   の軸線を通り一対称軸と直角な別の対称軸を中心に両側
   に広がる各所定形状に成形される一対の分電極と；を備
   えることを特徴とするカルマン渦流量計。
2. 【請求項２】棒状の渦発生体が、その軸線を流体の流れ
   る管路内で流れ方向と直角に挿入され、その渦発生体に
   これと同軸かつ直角に設けられるダイヤフラムとしての
   フランジが、管路の外側に固定され、そのフランジ表面
   に絶縁して固定される歪検出部を介して、渦発生体に作
   用するカルマン渦に基づく交番力が歪信号に変換される
   とともに、これによって流体の流速流量が測定される流
   量計であって、歪検出部は、板状圧電物質を挟む形で一
   方の表面に設けられる共通電極と；同じくその他方の表
   面に設けられ、渦発生体の軸線と直交する流れ方向の直
   線の両側に隔離，配置される一対の分電極と；を備え、
   圧電物質は、圧電特性をもつ領域が、渦発生体の軸線と
   直交する流れ方向の直線を一対称軸として、その両側の
   フランジ歪み最大箇所に応じて対称的に隔離，配置され
   るとともに、渦発生体の軸線を通り一対称軸と直角な別
   の対称軸を中心に両側に広がる各所定領域に限定される
   ことを特徴とするカルマン渦流量計。
3. 【請求項３】棒状の渦発生体が、その軸線を流体の流れ
   る管路内で流れ方向と直角に挿入され、その渦発生体に
   これと同軸かつ直角に設けられるダイヤフラムとしての
   フランジが、管路の外側に固定され、そのフランジ表面
   に絶縁して固定される歪検出部を介して、渦発生体に作
   用するカルマン渦に基づく交番力が歪信号に変換される
   とともに、これによって流体の流速流量が測定される流
   量計であって、歪検出部は、共通電極が一方の表面に設
   けられる板状圧電物質と；一方の表面に設けられる一定
   突出量の突出部の平坦表面に分電極としての導電膜が設
   けられ、この導電膜が圧電物質の他方の表面に押圧，接
   触される絶縁性板状部材と；を備え、この板状部材の突
   出部は、表面輪郭が、渦発生体の軸線と直交する流れ方
   向の直線を一対称軸として、その両側のフランジ歪み最
   大箇所に応じて対称的に隔離，配置されるとともに、渦
   発生体の軸線を通り一対称軸と直角な別の対称軸を中心
   に両側に広がる各所定形状に成形されることを特徴とす
   るカルマン渦流量計。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかの項に記載の
   流量計において、渦発生体は、振動，衝撃補償用のバラ
   ンスウェイトを備えることを特徴とするカルマン渦流量
   計。