JPH0719919A

JPH0719919A - 渦センサ

Info

Publication number: JPH0719919A
Application number: JP5164369A
Authority: JP
Inventors: Akira Tsukada; 晃塚田; Masayuki Watanabe; 正行渡辺
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1993-07-02
Publication date: 1995-01-20

Abstract

(57)【要約】【目的】安価で、高温から極低温までの広い温度範囲
の流体を長期安定して測走できるようにする。【構成】フランジ９ａで片持固定され、渦発生体内に
挿入される振動管９に作用する交番変動圧力を、振動管
９のセンサ孔９ｄ内に燒嵌めされた感圧部１７で検知す
る。感圧部１７は、母材１０の両面に圧電素子１２，１
３を接合し側端面に絶縁接着剤をコーティングした圧力
検出素子１８をセンサ押え１５で押え乍ら、センサ本体
１４の開口１４ａ内に接着したもので、圧電素子１２，
１３とセンサ本体１４およびセンサ押え１５の熱膨張係
数を略等しくする。

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所定のレイノルズ数範囲
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、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量
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、本出願人が特
公昭６３−３１７２６号公報において提案した渦発生体
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
計がある。図４（ａ），（ｂ）は、この従来の渦流量計
を説明するための図で、図４（ａ）は流れ方向からみた
断面図、図４（ｂ）は図（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ断面図であ
る。図中、２１は管体、２２は渦発生体、２３は取付
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、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の両側面に固着され
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２１に形成された取付面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２８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。

【０００７】充填剤２９に使用されるガラスを軸方向に
圧電素子２８，２８を弾性母材２７の両側面に固着した
感圧素子部を軸方向に挿入できるように角孔を有する円
柱状のプリホームガラスを用いて、前記感圧素子部を振
動管２６内に挿入して加熱溶融して短時間に渦センサを
形成することが試みられた。

【０００８】しかし、金属製の振動管２６内に前記プリ
ホームガラスで絶縁された感圧素子部を短時間に溶融固
着したとしても、構成要素の熱膨張差に基づく内部ひず
みのため、４００℃以上の高温の高圧水蒸気またはマイ
ナス２６９℃以下の極低温の液体ヘリウム等の流量計測
を長時間安定に測定することができなかった。

【０００９】

【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、製造工程が短縮でき、かつプラス５００℃の高
温高圧流体からマイナス２６９℃の液体ヘリウム迄の広
い温度範囲の測定流体を長期間安定して測定できる安価
な渦センサを提供することを目的としてなされたもので
ある。

【００１０】

【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、短柵状の金属平板で電
極ピンを有する母材と、該母材の平板の両面に各々接合
した圧電素子と、該圧電素子と熱膨張係数が略等しい金
属柱体で、一体に接合された前記母材と圧電素子とを該
圧電素子板が受圧面となるように前記振動管内に軸対称
に固着する該金属柱体の一方の側面に穿設された開口を
有するセンサ本体と、前記母材と圧電素子とを固着した
該センサ本体の開口部を封止する四角柱状金属のセンサ
押えとからなり、前記センサ本体およびセンサ押えとを
前記振動管内に燒嵌めにより一体固着したこと、更に
は、（２）前記（１）において、前記圧電素子をニオブ
酸リチュームとし、センサ本体およびセンサ押えの金属
材料を燒結金属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。

【００１１】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、７はシール材、８はボルト、９は振動管で
ある。

【００１２】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、振動管９内に後
述する感圧部１７を燒嵌めしたもので、振動管９は本体
１に片持に取り付けるフランジ９ａと感圧部を収納した
管体９ｂと変動圧力が作用する受圧板９ｃとからなり、
フランジ９ａによりガスケット等のシール材７でシール
され、ボルト８により本体１の取付面１ａに着脱可能に
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。

【００１３】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断面図で、図（ａ）
は受圧面と直角な方向からみた断面図、図２（ｂ）は図
２（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ線図であり、図中、１０は母材、
１１は電極ピン、１２，１３は圧電素子、１４はセンサ
本体、１５はセンサ押え、１７は感圧部であり、図１と
同じ作用をする部分には図１と同一の参照番号を付して
いる。

【００１４】センサ５は、前述の如く振動管９と感圧部
１７とからなっている。振動管９は、本体１の取付面１
ａにボルト８でねじ止めするためのフランジ９ａと、該
フランジ９ａの中央からフランジ９ａの面と直角で下方
に伸びる管体９ｂと、管体９ｂから更に下方に伸び、流
れ方向に平板な受圧板９ｃとから構成される。また、フ
ランジ９ａ側から軸方向に長孔９ｅを穿孔して管体９ｂ
を軽量にして曲げの応答性を高めている。更に、該管体
９ｂ内の長孔９ｅと同軸で長孔９ｅより大径のセンサ孔
９ｄが穿孔され、センサ孔９ｄ内には燒嵌め等により後
述する感圧部１７が固着されている。

【００１５】感圧部１７は、短柵状の母材１０と、該母
材１０の両面に金ペースト等の導電材で一体に固着され
母材１０と同一形状の圧電素子１２，１３とからなる圧
力変換素子部１８と、該圧力変換素子部１８を振動管９
のセンサ孔９ｄ内に後述するセンサ押え１５とともに燒
嵌め圧着した部分とからなっている。センサ本体１４の
開口１４ａ内に圧力変換素子部１８を挿入固着したとき
センサ本体１４との間に生ずる隙を四角柱状のセンサ押
え１５で封止され、受圧板９ｃに作用するカルマン渦に
よる圧力変化は、圧力変換素子部１８により検知され
る。

【００１６】図３（ａ),(ｂ),(ｃ),(ｄ）は、感圧部の
一例の詳細を説明するための断面図で、図３（ａ）はセ
ンサ本体１４、図３（ｂ）は圧力変換素子部、図３
（ｃ）はセンサ押え、図３（ｄ）は組立後の断面形状
で、図中、１９は絶縁接着剤であり、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。

【００１７】センサ本体１４はステンレス鋼、例えば、
ＳＵＳ３１６又はステンレス燒結材からなる円柱体で外
周面１４ａが振動管９のセンサ孔９ｄ内径より燒嵌め代
だけ大きく、受圧側に面した側面がコの字形に削除され
開口１４ｂを形成している。該開口１４ｂ内には、短柵
状のＳＵＳ３１６からなる母材１０の両面に各々金ペー
スト等によりニオブ酸リチューム（ＬｉＮｂＯ₃）の圧
電素子１２，１３が固着され、更に圧電素子１２，１３
の面と直角な両端面にポリイミド又はセラミックス等の
絶縁接着剤１７をコーティング処理した圧力変換素子部
１８が挿入され、接着される。開口１４ｂ内に挿入接着
された圧力変換素子部１８を、ＳＵＳ３１６からなる四
角柱状のセンサ押え１５により圧電素子１３の非接着面
を押圧する。このとき、センサ押え１５の外周面１４ａ
側のエッジ部の外部端１５ａと１５ｂの位置寸法は、セ
ンサ本体１４ａの外周面１４ａと略同一に円周面上に位
置するように定められている。

【００１８】以上の如く構成された感圧部１７は、加熱
された振動管９のセンサ孔９ｄに挿入され、振動管９を
冷却することにより燒嵌めされる。このとき、センサ本
体１４には開口１４ｂの中央部に向け矢印Ｆで示した圧
力が発生し、圧力変換素子部１８を完全に圧接する。ま
た、開口１４の中央部に対応する外周面１４ａに切欠１
４ｃを形成することにより、より均一に、圧力変換部素
子部１８を押圧することができる。

【００１９】以上の如く構成された渦センサ５は、広い
温度変化があっても、熱的変形の影響を最小限にとどめ
長期間安定して動作することが可能となる。

【００２０】すなわち、圧電素子１２，１３を熱膨張係
数λ＝１６×１０^-6のＬｉＮｂＯ₃とし、振動管９、母
材１０，センサ本体１４およびセンサ押え１５を熱膨張
係数がλ＝１７．６×１０^-6であるＳＵＳ３１６のステ
ンレス鋼とすると、ＬｉＮｂＯ₃の圧電素子１２，１３
との間に１℃当り１．６×１０^-6の歪みが生ずる。しか
し、センサ本体１４およびセンサ押え１５をＳＵＳ３１
６の燒結金属とすると、燒結金具の熱膨張係数λは圧電
素子１２、１３の熱膨張係数λと等しいλ＝１６×１０
^-16であるから感圧部１７内での熱膨張差が無視され、
更に、長期安定した渦流量計とすることができる。

【００２１】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と、渦センサの構成要素を熱膨張係数が略等しい材料で
構成して感圧部を振動管内に燒嵌めにより固着する構造
としたので製造工程中に加熱処理する時間が殆どなく、
工程が短縮でき、安価で、且つ広い温度範囲によって長
期安定した渦流量計を提供することができる。また、圧
電素子をＬｉＮｂＯ₃とし、センサ本体およびセンサ押
えをステンレス鋼の燒結金属とすることにより両者の熱
膨張係数差がなくなり、しかもＬｉＮｂＯ₃のキュリー
点が１２００℃と高いので、プラス４５０℃程度の高温
高圧蒸気からマイナス２６９℃の液体ヘリウムの流量計
測を長期安定して行うことができる。構成部品を燒結金
属とすることにより、量産化が可能となりよりコスト低
減がなされる。

【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】感圧部の一例の詳細を説明するための断面図
である。

【図４】この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、７…シール材、８…ボルト、
９…振動管、１０…母材、１１…電極ピン、１２，１３
…圧電素子、１４…センサ本体、１５…センサ押え、１
６…押えリング、１７…感圧部、１８…変換素子部、１
９…絶縁。

Claims

【特許請求の範囲】

【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、短柵状
の金属平板で電極ピンを有する母材と、該母材の平板の
両面に各々接合した圧電素子と、該圧電素子と熱膨張係
数が略等しい金属柱体で、一体に接合された前記母材と
圧電素子とを該圧電素子が受圧面となるように前記振動
管内に軸対称に固着する該金属柱体の一方の側面に穿設
された開口を有するセンサ本体と、前記母材と圧電素子
とを固着した該センサ本体の開口部を封止する四角柱状
金属のセンサ押えとからなり、前記センサ本体およびセ
ンサ押えとを前記振動管内に燒嵌めにより一体固着した
ことを特徴とする渦センサ。
【請求項２】前記圧電素子をニオブ酸リチュームと
し、センサ本体およびセンサ押えの材料を燒結金属とし
たことを特徴とした請求項１に記載の渦センサ。