JPH08285643A

JPH08285643A - 渦流量計

Info

Publication number: JPH08285643A
Application number: JP7115225A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Kashimoto; 廣男樫本; Atsuro Sen; 敦朗千; Yutaka Inada; 豊稲田; Hiroshi Yoshikura; 博史吉倉
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd; Tokico Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd; Tokico Ltd
Priority date: 1995-04-17
Filing date: 1995-04-17
Publication date: 1996-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】超音波を利用した渦流量計において、広い流
量域にわたって安定した流量測定を行う。【構成】管路２内に計測通路４を有する筒状の渦発生
体３を設ける。渦発生体３の側壁に圧力導入口５，６を
設け、両端部に超音波送受信器７，８を設ける。管路２
内に計測流体が流れると、その流量に比例した周期で渦
発生体３の下流側の左右に交互にカルマン渦が発生す
る。カルマン渦の発生により圧力導入口５，６間に圧力
差が生じて計測通路４内の流体が動揺し、超音送受信器
７，８間で授受する超音波信号Ｓが変調を受ける。この
変調分からカルマン渦の発生周期を検出して計測流体の
流量を得る。圧力導入口５，６の間隔Ｌを管路２の直径
Ｄの10〜40％、望ましくは15〜30％、さらに望ましくは
18〜22％とすることにより、広い流量域で計測通路４内
の流れが安定して超音波信号Ｓの変調のＳ／Ｎ比が向上
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を用いてカルマ
ン渦の発生を検出することにより、管路内の流体の流量
を計測する渦流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波を用いた渦流量計としては、例え
ば、管路内に計測流体の流路を横切るように渦発生体を
設け、渦発生体の下流側の管路の両側壁に超音波送信器
および超音波受信器を互いに対向させて配置するように
構成したものがある。この構成により、計測流体の流速
（流量）に応じて渦発生体の下流側に周期的に発生する
カルマン渦によって、超音波送受信器間で計測流体中を
伝搬して送受信される超音波信号が変調を受け、この超
音波信号の変調分を検出してカルマン渦の発生周期を演
算することにより、計測流体の流速すなわち流量を得る
ことができる。

【０００３】ところが、上記のような渦流量計では、超
音波送受信器が渦発生体の下流側の管壁に配置されてい
るために流量計が大型化しやすい。また、一般に管路内
の流体の流れは乱流となるため、管路の径が大きい場
合、超音波信号の伝搬経路が長くなり、乱流によるノイ
ズ成分を含んだ変調分が大きくなり過ぎて安定したカル
マン渦の検出が困難になるという問題があった。

【０００４】そこで、従来、管路内に、計測通路を形成
する筒状の渦発生体を設け、渦発生体の左右の側壁に軸
方向に互いに離間させて管路内と計測通路とを連通させ
る一対の圧力導入口を設け、計測通路の両端部に超音波
送受信器を互いに対向させて配置するようにした渦流量
計が提案されている。この構成により、カルマン渦の発
生によって計測通路内の流体が動揺し、この流体の動揺
によって超音波送受信器間で計測通路内の流体中を伝搬
して送受信される超音波信号が変調を受ける。計測通路
内の流体の動揺はカルマン渦の発生周期に同期して起こ
るので、超音波信号の変調分に基づいてカルマン渦の発
生周期を検出することができ、計測流体の流速すなわち
流量を得ることができる。

【０００５】このような渦流量計では、超音波送受信器
を渦発生体の内部に設けているので、流量計を小型化す
ることができる。また、管路の径にかかわらず超音波送
受信器の間隔を自由に設定することができるので、管路
の径が大きい場合でも超音波送受信器の間隔を適当に設
定することにより、安定したカルマン渦の検出を行うこ
とができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
渦発生体の内部に計測通路を設けた渦流量計では、２つ
の圧力導入口の間隔が大きい程、流体の動揺によって超
音波信号が変調を受ける区間が長くなるため、変調量が
大きくなりカルマン渦の検出感度が高くなる。したがっ
て、少流量（低流速）域では、カルマン渦の発生周期が
遅いため、計測通路内の流体の動揺周期も遅く、計測通
路内で乱流を生じにくいので、超音波信号が受ける変調
信号はＳ／Ｎ比が高く、安定した流量計測を行うことが
できる。

【０００７】しかしながら、大流量（高流速）域では、
カルマン渦の発生周期が早いため、計測通路内の流体の
動揺周期も早くなるが、流体の動揺速度には限界があ
り、圧力導入口の間隔が大きい場合には、計測通路内で
の流体の円滑な流れが困難になり乱流が生じやすくなる
ので、乱流により超音波信号が受ける変調信号のＳ／Ｎ
比が低下して安定した流量測定が困難になるという問題
がある。

【０００８】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
であり、広い流量域で安定した流量測定を行うことがで
きる渦流量計を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、管路内に渦発生体を配置し、該渦発生
体内に計測通路を形成し、前記渦発生体の側壁に前記管
路内と前記計測通路とを連通させる一対の圧力導入口を
互いに離間させて設け、前記計測通路の両端部に超音波
送信器および超音波受信器を互いに対向させて配置し、
前記渦発生体の下流側のカルマン渦の発生にともなって
生じる前記計測通路内の流れによる超音波信号の変調に
基づいて流量を計測するようにした渦流量計において、
前記一対の圧力導入口の間隔を前記管路の直径の10％な
いし40％、望ましくは15％ないし30％、さらに望ましく
は18％ないし22％としたことを特徴とする。

【００１０】また、上記の構成に加えて、一対の圧力導
入口を管路の中心に対して対称位置に配置したことを特
徴とする。

【作用】このように構成したことにより、少流量域から
大流量域まで計測通路内の流れに乱流が生じにくくな
り、超音波信号が受ける変調のＳ／Ｎ比が向上する。

【００１１】また、カルマン渦のエネルギーは、管路の
中心付近で最大となるので、圧力導入口を管路の中心に
対して対称位置に配置することにより、一対の圧力導入
口の間の圧力差が大きくなる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００１３】本実施例にかかる渦流量計の概略構成を図
１ないし図３に示す。図１ないし図３に示すように、渦
流量計１は、ガス等の計測流体を流通させる管路２内に
筒状の渦発生体３が設けられている。渦発生体３は、管
路２の直径方向すなわち計測流体の流路に対して直交方
向に柱状に延ばされており、図２に示すように断面形状
が五角形で、内部に管路２を貫通する計測通路４が形成
されている。なお、図中の矢印Ｆは計測流体の流れの方
向を示すしている。

【００１４】また、渦発生体３の側壁には、管路２内の
流路と計測通路４とを連通させる一対の圧力導入口５，
６が設けられている。圧力導入口５，６は、それぞぞれ
渦発生体３の左右の管壁に対向させて流路の下流側に向
かって開口されていおり、また、管路２の中心から対称
位置に、互いに渦発生体３の軸方向に間隔Ｌだけ離間さ
せて配置されている。ここで、一対の圧力導入口５，６
の間隔Ｌは、管路２の直径Ｄの10％〜40％となってお
り、望ましくは15％〜30％、さらに望ましくは18％〜22
％とするとよい。

【００１５】渦発生体３の両端部には、それぞれ超音波
送信器７および超音波受信機８が取付けられており、こ
れらによって計測通路４の両端が閉塞されている。超音
波送信器７および超音波受信機８には、超音波送信器７
から送信され、計測通路４内の流体中を伝搬して超音波
受信器８で受信されて、計測通路４内の流体の流れによ
って変調を受けた超音波信号Ｓを復調して、変調分を検
出し、この変調分に基づいて管路２内の流体の流速すな
わち流量に比例した信号を演算、出力する復調・演算回
路（図示せず）が接続されている。

【００１６】以上のように構成した本実施例の作用につ
いて次に説明する。

【００１７】管路２の流路に計測流体が流れると、渦発
生体３の下流側の左右に、交互に流速（流量）に比例し
た周期でカルマン渦Ｋが発生する。このカルマン渦Ｋの
発生にともない、渦発生体３の下流側の左右に圧力差が
生じ、これにより渦発生体３の左右に設けられた圧力導
入口５，６間に圧力差が生じて、計測通路４内の流体が
カルマン渦Ｋの発生周期と同じ周期で交互に反対に方向
に流れて動揺する。

【００１８】そして、超音波送信器７と超音波受信器８
との間で計測通路４内の流体中を伝搬して送受信される
超音波信号Ｓは、計測通路４内の流体の流れにより変調
を受ける。超音波受信器８の出力信号を復調・演算回路
で復調して超音波信号Ｓが受けた変調分を検出し、この
変調はカルマン渦Ｋの交番的な発生周期に同期して正弦
的に生じることから、前記変調分の変化周波数を計測す
ることにより、計測流体の流速すなわち流量を演算する
ことができる。

【００１９】このとき、超音波送信器７と超音波受信器
８との間で送受信される超音波信号Ｓの伝搬方向と、計
測通路４内の流体の動揺する方向が一致していることか
ら、超音波信号Ｓの受ける変調成分のほぼ全てがカルマ
ン渦Ｋの発生にともなう流体の動揺によって生じるた
め、復調して得られるカルマン渦Ｋの発生周期信号はＳ
／Ｎ比の高いものとなる。

【００２０】次に、渦発生体３の圧力導入口５，６間の
距離Ｌとカルマン渦Ｋの発生周期信号のＳ／Ｎ比との関
係について説明する。

【００２１】超音波信号Ｓが受ける変調量は、計測通路
４内の流体が動揺している区間の超音波信号Ｓの伝搬距
離に比例することから、少流量域（計測通路４内の流体
の動揺の周期が遅い領域）の計測を行う場合には、２つ
の圧力導入口５，６間の距離Ｌを大きし、超音波信号Ｓ
が変調を受ける区間を長くすることにより、変調量を大
きくして感度を高めることができる。

【００２２】ところが、大流量域（計測通路４内の流体
の動揺の周期が早い領域）では、カルマン渦Ｋの発生周
期が早くなるのに対して流体が動揺する速度には限界が
あるため、圧力導入口５，６間の距離Ｌが大きい場合、
カルマン渦Ｋの発生周期（交番周期）の間に２つの圧力
導入口５，６間を流体が円滑に移動しにくくなり、大き
な乱れをともなった流れとなるので、この乱れが変調成
分となりカルマン渦Ｋの発生周期信号のＳ／Ｎ比が低下
する。

【００２３】このように、２つの圧力導入口５，６間の
距離Ｌによって各流量域において得られるカルマン渦Ｋ
の発生周期信号のＳ／Ｎ比が変化する。そして、カルマ
ン渦Ｋの発生周期信号のＳ／Ｎ比が低いと安定した流量
の計測が困難になる。各流量域における圧力導入口５，
６間の距離Ｌ（管路２の直径Ｄに対する距離Ｌの割合）
とカルマン渦Ｋの発生周期信号のＳ／Ｎ比の関係を図４
に示す。なお、図４中、実線、破線および一点鎖線は、
それぞれ所定の最大流量に対する計測流体の流量Ｑの割
合が10％（少流量域）、50％（中流量域）および90％
（大流量域）の場合を示す。

【００２４】図４からわかるように、距離Ｌが管径Ｄの
10％未満の領域では、感度の低下により少流量域（Ｑ＝
10％）のＳ／Ｎ比が悪く、また、40％を越える領域で
は、大流量域（Ｑ＝90％）のＳ／Ｎ比が悪く、安定した
カルマン渦の発生周期信号の検出が困難な流量域があ
る。

【００２５】一方、距離Ｌが管径Ｄの10％〜40％の領域
では、広い流量範囲で比較的良好なＳ／Ｎ比が得られ
る。特に、距離Ｌが管径Ｄの15％〜30％の領域では、流
量の変化に対するＳ／Ｎ比の変化が小さく、全流用域で
良好なＳ／Ｎ比が得られるので、検出信号に簡単なフィ
ルタリングを施すだけでノイズの影響を充分減少させて
正確な波形整形を行うことができ、広い流量範囲におい
て安定した計測を行うことができる。さらに、距離Ｌが
管径Ｄの18％〜22％の領域では、より安定した高Ｓ／Ｎ
比が得られ、低流量域から大流量域にわたってさらに安
定した流量計測を行うことができる。

【００２６】以上のことに基づいて本実施例の渦流量計
１では、圧力導入口５，６の間隔Ｌを管路２の直径Ｄの
10％〜40％、望ましくは15％〜30％、さらに望ましくは
18％〜22％としているので、広い流量範囲で安定した流
量計測を行うことができる。

【００２７】また、一般に、カルマン渦のエネルギー
は、流路の中心付近で最大となるので、一対の圧力導入
口５，６を管路２の中心に対して対称位置に配置するこ
とにより、圧力導入口５，６間の圧力差を大きくするこ
とができ、カルマン渦の発生周期信号のＳ／Ｎ比を向上
させることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の渦流量計
は、一対の圧力導入口の間隔を管路の直径の10％ないし
40％としたことにより、少流量域から大流量域まで計測
通路内の流れに乱流が生じにくくなり、超音波信号が受
ける変調のＳ／Ｎ比が向上する。その結果、広い流量範
囲で安定した流量計測を行うことができる。このとき、
圧力導入口の間隔を望ましくは15％ないし30％、さらに
望ましくは18％ないし22％とすることにより、さらに安
定した流量計測を行うことができる。また、圧力導入口
を管路の中心に対して対称位置に配置することにより、
一対の圧力導入口の間の圧力差を大きくすることがで
き、超音波信号が受ける変調のＳ／Ｎ比を向上させて安
定した流量計測を行うことができるという優れた効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の渦流量計の正面の縦断面図
である。

【図２】図１の装置の横断面図である。

【図３】図１の装置の側面の縦断面図である。

【図４】図１の装置の各流量における圧力導入口の間隔
とカルマン渦の発生周期信号のＳ／Ｎ比との関係を示す
図である。

【符号の説明】

１渦流量計２管路３渦発生体 5,6 圧力導入口７超音波送信器８超音波受信器Ｄ管路の直径Ｋカルマン渦Ｌ圧力導入口の間隔Ｓ超音波信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者千敦朗大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者稲田豊神奈川県川崎市川崎区富士見１丁目６番３号トキコ株式会社内 (72)発明者吉倉博史神奈川県川崎市川崎区富士見１丁目６番３号トキコ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】管路内に渦発生体を配置し、該渦発生体
内に計測通路を形成し、前記渦発生体の側壁に前記管路
内と前記計測通路とを連通させる一対の圧力導入口を互
いに離間させて設け、前記計測通路の両端部に超音波送
信器および超音波受信器を互いに対向させて配置し、前
記渦発生体の下流側のカルマン渦の発生にともなって生
じる前記計測通路内の流れによる超音波信号の変調に基
づいて流量を計測するようにした渦流量計において、前
記一対の圧力導入口の間隔を前記管路の直径の10％ない
し40％としたことを特徴とする渦流量計。
【請求項２】一対の圧力導入口の間隔を前記管路の直
径の15％ないし30％としたことを特徴とする請求項１に
記載の渦流量計。
【請求項３】一対の圧力導入口の間隔を前記管路の直
径の18％ないし22％としたことを特徴とする請求項１に
記載の渦流量計。
【請求項４】一対の圧力導入口を管路の中心に対して
対称位置に配置したことを特徴とする請求項１ないし３
のいずれかに記載の渦流量計。