JPH06249685A - 渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低流速まで精度良く正確な流速流量測定が可能
な渦流量計を提供する。 【構成】 カルマン渦により渦発生体に作用する交番力
を検出して流速流量を測定する渦流量計において、測定
流路に垂直に設けられた柱状の渦発生体と、該渦発生体
の幅とほぼ同じ幅を有し該渦発生体から該渦発生体の幅
のほぼ０．２５倍から１．５倍の上流側に該渦発生体と
平行に配置され断面が流れ方向より流れに垂直方向の寸
法が長い平板状の柱状体とを具備したことを特徴とする
渦流量計。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低流速まで精度良く正
確な流速流量測定が可能な渦流量計に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来より一般に使用されている
従来例の構成説明図で、例えば、特開平３−０２０６１
８号（特願平１−０３３２５６号）に示されている。１
０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。

【０００３】１２はノズル１１とは間隔を持って管路１
０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。

【０００４】この凹部１５の中には、その底部から順に
金属製の第１コモン電極１６、圧電素子１７、電極板１
８、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２
３、電極板２０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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】この２個の電極板１８、２０に発生した電
荷は図９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で加算して流量
信号を得る。この流量信号は例えば電流出力に変換され
て２線を介して負荷に伝送される（図示せず）。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１０
と図１１を用いて説明する。

【０００８】流体が管路１０の中に流れると渦発生体１
２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１０（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１０（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１０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２
２に相当するものとしてある。

【０００９】一方、管路１０にはノイズとなる管路振動
も生じる。この管路振動は流体の流れと同じ方向の抗
力方向、流体の流れとは直角方向の揚力方向、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第１０図（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１０（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。

【００１０】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

【００１１】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１１（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９に示すように
圧電素子１７側の電荷増幅器２５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２６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る。

【００１２】しかして、第１コモン電極１６、圧電素子
１７、電極板１８、絶縁板１９、電極板２０、圧電素子
２１は、凹部１５に押圧棒２２で押圧固定されている。
ここで渦発生体１２と第１コモン電極１６、圧電素子１
７、電極板１８、絶縁板１９、電極板２０、圧電素子２
１、押圧棒２２との温度膨脹を等しくしておけば、測定
流体温度が変化しても、初期の押付け力は変化しないの
で、問題は無い。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】要するに、渦流量計
は、測定流路中に渦発生体を置き、発生するカルマン渦
の周波数を測定することにより、流速及び流量を測定す
るものである。渦流量計の原理は，渦発生体によって発
生するカルマン渦の周波数が流速に比例するという現象
を利用したものである。

【００１４】周波数ｆと渦発生体の幅ｄを掛けたもの
を、流速ｕで割るとストローハル数Ｓｔという無次元量
になるが、これが広い流速範囲で一定になるので、周波
数を測定することにより以下の式（１）を用いて、比較
的簡単に流速を測定することができる。 ｕ＝（ｆ・ｄ）／Ｓｔ （１）

【００１５】しかし、流速が小さくなると、測定流路中
の乱れや渦発生体側面での渦剥離点の揺らぎによりカル
マン渦が安定に発生せず、ストローハル数Ｓｔが一定で
はなくなるため、式（１）に渦周波数を代入しても正確
な流速を求める事が出来なくなる。すなわち、図８従来
例の渦流量計では精度のよい測定が出来なくなる。本発
明は、この問題点を解決するものである。本発明の目的
は、低流速まで精度良く正確な流速流量測定が可能な渦
流量計を提供するにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、カルマン渦により渦発生体に作用する交
番力を検出して流速流量を測定する渦流量計において、
測定流路に垂直に設けられた柱状の渦発生体と、該渦発
生体の幅とほぼ同じ幅を有し該渦発生体から該渦発生体
の幅のほぼ０．２５倍から１．５倍の上流側に該渦発生
体と平行に配置され断面が流れ方向より流れに垂直方向
の寸法が長い平板状の柱状体とを具備したことを特徴と
する渦流量計を構成したものである。

【００１７】

【作用】以上の構成において、測定流路を流れてきた測
定流体は、平板にぶつかり、測定流体の流れは左右に別
れる。流れは平板と渦発生体の間の間隔付近で剥離し、
カルマン渦が生成される。このとき、剥離が生じている
側では圧力が低く、その反対側では圧力は高くなる。そ
のため平板と渦発生体の間の間隔に流れが生じる。この
流れによってカルマン渦の剥離は促進され、安定なカル
マン渦が生じる。

【００１８】このカルマン渦の発生による圧力低下が導
圧孔、から導圧管を通り圧力センサに導かれる。圧力セ
ンサの出力は回路に入り、信号処理され、カルマン渦周
波数が計算され、この周波数と予め実験によって求めら
れたストローハル数と渦発生体の幅によって流速が計算
される。

【００１９】而して、平板がある場合には、カルマン渦
の発生が安定であるため、出力振幅も安定しており、正
確なカルマン渦周波数測定が出来る。以下、実施例に基
づき詳細に説明する。

【００２０】

【実施例】図１は本発明の一実施例の要部構成説明図で
ある。３１は、測定流路３２に流れ３３に垂直に設けら
れた柱状の渦発生体である。この場合は、等脚台形をな
す。

【００２１】３４は、渦発生体３１の幅ｄとほぼ同じ幅
を有し、渦発生体３１から渦発生体３１の幅ｄのほぼ
０．２５倍から１．５倍の上流側に、渦発生体３１と平
行に配置され、断面が流れ方向より流れに垂直方向の寸
法が長い平板状の柱状体である。この場合は、流れ方向
の寸法は０．０７ｄである。

【００２２】３５は、圧力変動を検出する圧力センサで
ある。３６ａ，３６ｂは、渦発生体３１の側面に設けら
れた導圧孔である。３７ａ，３７ｂは、導圧孔３６ａ，
３６ｂと圧力センサ３５とをそれぞれ連通する導圧管で
ある。３８は、圧力センサ３５の出力を信号処理する信
号処理回路である。

【００２３】

【作用】以上の構成において、測定流路３２を流れてき
た測定流体は、平板３４にぶつかり、測定流体の流れは
左右に別れる。流れは平板３４と渦発生体３１の間の間
隔３９付近で剥離し、カルマン渦が生成される。このと
き、剥離が生じている側４１ａでは圧力が低く、その反
対側４１ｂでは圧力は高くなる。

【００２４】そのため平板３４と渦発生体３１の間の間
隔３９に４１ｂから４１ａに流れが生じる。この流れに
よってカルマン渦４２の剥離は促進され、安定なカルマ
ン渦４２が生じる。このカルマン渦４２の発生による圧
力低下が導圧孔、３６ａ，３６ｂから導圧管３７ａ，３
７ｂを通り圧力センサ３５に導かれる。

【００２５】圧力センサ３５の出力は回路３８に入り、
信号処理され、カルマン渦周波数が計算され、この周波
数と予め実験によって求められたストローハル数と渦発
生体の幅によって流速が計算される。而して、平板３４
がある場合には、カルマン渦の発生が安定であるため、
出力振幅も安定しており、正確なカルマン渦周波数測定
が出来る。

【００２６】図２と図３に平板３４がない場合と、ある
場合の圧力センサ３５の出力波形を示す。流速は７ｍ／
ｓの場合で、平板３４と渦発生体３１の間隔Ｌは0.5dで
ある。図２は、平板３４がなく渦発生体３１のみが流れ
の中にある場合で、カルマン渦４２の発生が安定でない
ため出力の振幅が時折小さくなってしまっている。この
ようなことが起こると、カルマン渦周波数に欠落が生じ
正確なカルマン渦周波数が測定できなくなる。

【００２７】しかし、図３の平板３４がある場合にはカ
ルマン渦４２の発生が安定であるため、出力振幅も安定
しており、正確なカルマン渦周波数測定が出来る。

【００２８】この結果、渦発生体３１の上流に、平板３
４を適当な間隔３９をおいて設置することにより、安定
にカルマン渦４２を発生させることが出来、高精度の流
速測定を行うことが出来る。

【００２９】図４に出力波形の安定性を見るため、間隔
３９と渦発生体３１の幅との比、Ｌ／ｄと振幅安定率の
グラフを示す。振幅安定率は、図５に示すように、出力
波形の振幅が変動する場合、その最小振幅ａをその最大
振幅Ａで割った値を百分率で表したものである。振幅安
定率が大きいということは波形が安定していることであ
り、この場合カルマン渦周波数測定におけるパルスカウ
ント落ちが少なくなり、測定精度が向上する。

【００３０】図４から間隔Ｌ／ｄが０．２５から１．５
で振幅安定率が大きな値を示している。従って、低流速
まで高精度の流速測定を行う事ができる。

【００３１】なお、 （１）渦発生体３１は、台形である必要はなく、例え
ば、四角形、図６に示す如く、上流側を流れに対して垂
直な面にした半円柱や、図７に示す如く、三角柱でも良
く、要するに、カルマン渦を安定に発生できる形状であ
ればよい。 （２）カルマン渦周波数の検出については、圧力センサ
３５を用いて測定していたが、これに限ることはなく、
例えば、超音波方式や、熱線式、光式でもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、カルマ
ン渦により渦発生体に作用する交番力を検出して流速流
量を測定する渦流量計において、測定流路に垂直に設け
られた柱状の渦発生体と、該渦発生体の幅とほぼ同じ幅
を有し該渦発生体から該渦発生体の幅のほぼ０．２５倍
から１．５倍の上流側に該渦発生体と平行に配置され断
面が流れ方向より流れに垂直方向の寸法が長い平板状の
柱状体とを具備したことを特徴とする渦流量計を構成し
た。

【００３３】この結果、渦発生体の上流に、平板を適当
な間隔をおいて設置することにより、安定にカルマン渦
を発生させることが出来、高精度の流速測定を行うこと
が出来る。出力波形の安定性が大きく、波形が安定して
いるため、カルマン渦周波数測定におけるパルスカウン
ト落ちが少なくなり、測定精度が向上する。而して、低
流速まで高精度の流速測定を行う事ができる。

【００３４】従って、本発明によれば、低流速まで精度
良く正確な流速流量測定が可能な渦流量計を実現するこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図である。

【図２】図１の動作説明図である。

【図３】図１の動作説明図である。

【図４】図１の動作説明図である。

【図５】図１の動作説明図である。

【図６】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。

【図７】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。

【図８】従来より一般に使用されている従来例の構成説
明図である。

【図９】図８に示す検出部で検出した電荷を電圧に変換
する変換部の構成を示すブロック図である。

【図１０】図８の動作説明図である。

【図１１】図８の動作説明図である。

【符号の説明】

３１…渦発生体 ３２…測定流路 ３３…流れ ３４…柱状体 ３５…圧力センサ ３６ａ…導圧孔 ３６ｂ…導圧孔 ３７ａ…導圧管 ３７ｂ…導圧管 ３８…信号処理回路 ３９…間隔 ４１ａ…剥離側 ４１ｂ…反対側 ４２…カルマン渦

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カルマン渦により渦発生体に作用する交番
   力を検出して流速流量を測定する渦流量計において、 測定流路に垂直に設けられた柱状の渦発生体と、 該渦発生体の幅とほぼ同じ幅を有し該渦発生体から該渦
   発生体の幅のほぼ０．２５倍から１．５倍の上流側に該
   渦発生体と平行に配置され断面が流れ方向より流れに垂
   直方向の寸法が長い平板状の柱状体とを具備したことを
   特徴とする渦流量計。