JPH10122920A - 渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高静圧下でも安定に信頼性良く渦信号を検出
でき、Ｓ／Ｎ比が良好で、安価な渦流量計を提供する。 【解決手段】 測定管路に挿入された渦発生体を具備し
カルマン渦により受力体に作用する交番力を検出して流
量を測定する渦流量計において、前記受力体と該受力体
が接合する前記測定管路の少なくとも接合部分とが最初
から一体に作り出された本体ユニットと、前記測定管路
と前記受力体の２個所の接合部分の少なくとも一方の該
受力体の周囲に形成された薄肉円環状の圧力シール支点
体を具備したことを特徴とする渦流量計である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高静圧下でも安定
に信頼性良く渦信号を検出でき、Ｓ／Ｎ比が良好で、安
価な渦流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１４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３−０２０６
１８号（特願平１−０３３２５６号）に示されている。
１０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、
２１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１
８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１５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１６と図１７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
１２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１６（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１６（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１６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１６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１６（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１７（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１５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】しかしながら、この様
な装置においては、高静圧の測定流体にも使用出来る様
にするには、高耐圧機構が必要となり、構造も複雑にな
り高価なものとなる。また、測定信号も小さくなり、Ｓ
／Ｎ比が悪くなる。また、管路１０と渦発生体１２との
間に隙間があり、ごみ等が挟まると、測定信号の大きさ
が突然変わってしまい、信頼性が低い。

【００１４】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、高静圧下でも安定に信頼性良く渦
信号を検出でき、Ｓ／Ｎ比が良好で、安価な渦流量計を
提供するにある。

【００１５】

【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、 （１）測定管路に挿入された渦発生体を具備しカルマン
渦により受力体に作用する交番力を検出して流量を測定
する渦流量計において、前記受力体と該受力体が接合す
る前記測定管路の少なくとも接合部分とが最初から一体
に作り出された本体ユニットと、前記測定管路と前記受
力体の２個所の接合部分の少なくとも一方の該受力体の
周囲に形成された薄肉円環状の圧力シール支点体を具備
したことを特徴とする渦流量計。 （２）前記受力体の一端に一端が接続されたフォースバ
ーと、該フォースバーの他端と前記測定管路との間に設
けられた圧電素子とを具備したことを特徴とする請求項
１記載の渦流量計。 （３）前記受力体の一端に接続され両端が前記測定管路
に固定された歪板と、該歪板に設けられた歪ゲージとを
具備したことを特徴とする請求項１記載の渦流量計。 （４）前記測定管路に溶接固定され前記受力体と該受力
体が接合する前記測定管路の近傍接合部分のみとからな
り高級材料からなる本体ユニットを具備したことを特徴
とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載の渦流量
計。 （５）前記受力体自体の振動による誤差の発生を防止す
るように前記圧力シール支点体より外側の前記受力体に
設けられたカウンターウエイトを具備したことを特徴と
する請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４記
載の渦流量計。を構成したものである。

【００１６】

【作用】以上の構成において、測定流体の流れに直角に
置かれた渦発生体の下流には、流速に比例した周波数の
渦が発生する。この渦発生によって、渦圧力が誘起さ
れ、受力体は流れと直角方向に交番揚力を受ける。この
交番揚力の周波数を測定することにより、測定流体の流
速ひいては、測定流体の流量が測定出来る。以下、実施
例に基づき詳細に説明する。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例の要部構
成説明図、図２は図１の側面図、図３は図２の平面図、
図４は図１の要部詳細図である。

【００１８】３１は、受力体３２と、受力体３２が接合
する測定管路３３の少なくとも接合部分とが、最初から
一体に作り出された本体ユニットである。この場合は、
測定管路３３の接合部分だけでなく、測定管路３３全体
と受力体３２とが一体に作り出されている。

【００１９】３４は、測定管路３３と受力体３２との２
個所の接合部分の、少なくとも一方の受力体３２の周囲
に設けられた薄肉円環状の圧力シール支点体である。こ
の場合は、２個所の接合部分に圧力シール支点体３４が
設けられている。圧力シール支点体３４は、例えば、測
定管路３３と受力体３２との一体鋳物から切削により容
易に作ることが出来る。

【００２０】３５は、受力体３２の一端に、一端が接続
されたフォースバーである。３６は、フォースバー３５
の他端と、測定管路３３との間に設けられた圧電素子で
ある。この場合は、圧電素子ベース３７を介して、測定
管路３３に接続されている。３８は、圧電素子３６の信
号を処理する電子回路である。

【００２１】以上の構成において、測定流体の流れＦｌ
ｏに直角に置かれた渦発生体の下流には、流速に比例し
た周波数の渦が発生する。この渦発生によって、渦圧力
が誘起され、受力体３２は流れと直角方向に交番揚力Ｆ
_aを受ける。

【００２２】受力体３２は、圧力シール支点体３４によ
って支えられている。これを、材料力学的に示すと、図
５の如くなる。受力体３２は、圧力シール支点体３４に
支えられた両端支持梁である。

【００２３】交番揚力Ｆ_aを受けた梁は図６に示すよう
に変形する。フォースバー３５の先端の変位を圧電素子
３６で受け止めると、圧電素子３６に交番力が発生し、
渦周波数に等しい信号が得られる。

【００２４】而して、図７に示す如く、圧力シール支点
体３４は、中心部分が受力体３２に剛的につながってお
り、静圧ｐによって圧力シール支点体３４に加わる力Σ
ｐは、受力体３２に生じる力Ｆ₁と圧力シール支点体３
４の外周部に生じる力ｆによって支えられる。即ち、Ｆ
₁＋ｆ＝Σｐとなる。

【００２５】受力体３２が圧力シール支点体３４が内圧
ｐによって生じる力を支えることになるので、図８に示
す如く、圧力シール支点体３４の強度は、幅ｂ、厚さｔ
の分布荷重を受ける薄板の強度となる。受力体３２の両
端を、圧力シール支点体３４に固定することにより、受
力体３２を圧力シール支点体３４が受ける力を支える部
材として使用できる。

【００２６】なお、フォースバー３５の先端は、剛的な
圧電素子３６で変位を止められており、受力体３２は実
質的に変位しない。従って、圧力シール支点体３４に変
位による応力は殆ど発生しない。

【００２７】この結果、 （１）柱状の受力体３２の周面部と測定管路３３との隙
間に、一体構成された圧力シール支点体３４が設けられ
たので、高静圧の測定流体Ｆｌｏ中から、受力体３２に
発生する交番揚力Ｆ_aを安定に、信頼性良く、測定管路
３３外に取り出す事が出来る渦流量計が得られる。

【００２８】（２）圧力シール支点体３４は、中央部は
剛体の受力体３２で支えられ、周囲は測定管路３３で支
えられているので、高静圧の測定流体Ｆｌｏに対して
も、薄肉の支点にすることが出来る。

【００２９】従って、圧力シール支点体３４の回転ばね
定数を、小さく出来るので、受力体３２を介して取り出
せる信号を大きく出来、Ｓ／Ｎ比を大きくする事が出来
る渦流量計が得られる。

【００３０】（３）圧力シール支点体３４が、測定管路
３３の内壁面に形成されているので、測定管路３３に
は、隙間、孔等がなく、固形物の堆積、詰まり等の恐れ
がなく、信頼性が高い渦流量計が得られる。特に、サニ
タリープラントに好適な渦流量計が得られる。

【００３１】（４）圧力シール支点体３４は、測定管路
３３と受力体３２との一体鋳物から、切削等により容易
に作ることが出来るので、溶接、Ｏリングシール等の圧
力シール手段、加工が不要となり、安価で確実な圧力シ
ール機構が実現出来る渦流量計が得られる。

【００３２】なお、検出センサとして、圧電素子３６を
採用すれば、圧電素子３６は電源を必要とせず、省エネ
を図ることができる。

【００３３】図９は本発明の他の実施例の要部構成説明
図である。本実施例においては、圧力シール支点体３４
が、１個設けられた渦流量計である。安価に作る事が出
来るが、出力信号は小さくなる。

【００３４】図１０は本発明の他の実施例の要部構成説
明図、図１１は図１０の平面図である。図において、４
１は、受力体３２の一端に接続され、両端が測定管路３
３に固定された歪板である。４２は、歪板４１に設けら
れた歪ゲージである。

【００３５】この場合は、歪板４１は、やや厚めの板に
スリット４３によって、薄肉の起歪部４４が設けられ、
起歪部４４に蒸着された歪ゲージ４２が形成されてい
る。歪ゲージは、一般的に形成が容易であるため、安価
な渦流量計が得られる。

【００３６】図１２は本発明の他の実施例の要部構成説
明図である。本実施例において、５１は測定管路５２に
溶接５３固定され、受力体５４と受力体５４が接合する
測定管路５２の近傍接合部分５５のみとからなり、高級
材料からなる本体ユニットである。

【００３７】受力体５４に、例えば、耐食材料、高強度
材料、耐熱材料の様な、高級材料を必要とする場合に、
必要最小限部分のみ高級材料で構成することが出来るの
で、安価な渦流量計が得られる。

【００３８】図１３は本発明の他の実施例の要部構成説
明図である。図において、６１、６２は、受力体６３自
体の振動による誤差の発生を防止するように、圧力シー
ル支点体３４より外側の、受力体３２に設けられたカウ
ンターウエイトである。

【００３９】渦による交番揚力と同じ方向に管路振動等
が加えられると、受力体６３の質量Ｍ₁は、Ｍ₁ａの力を
発生する。ここで、ａは加速度を表わす。この力は、揚
力と識別できないので、測定値の誤差となる。

【００４０】そこで、カウンターウエイト６１、６２の
質量Ｍ₁、Ｍ₂を、圧力シール支点体３４より外側に付け
ることによって、受力体６３の質量Ｍ₁が発生する力
と、相殺する力を発生させる事ができる。従って、耐振
動ノイズ特性が向上された渦流量計が得られる。なお、
カウンターウエイト６１、６２は、図１３実施例では、
受力体３２の両端に配置されているが、片側に配置され
ても良いことは勿論である。

【００４１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の請
求項１によれば、 （１）柱状の受力体の周面部と測定管路との隙間に、始
めから一体構成された圧力シール支点体が設けられたの
で、高静圧の測定流体中から、受力体に発生する交番揚
力を安定に、信頼性良く、測定管路外に取り出す事が出
来る渦流量計が得られる。

【００４２】（２）圧力シール支点体は、中央部は剛体
の受力体で支えられ、周囲は測定管路で支えられている
ので、高静圧の測定流体に対しても、薄肉の支点にする
ことが出来る。

【００４３】従って、圧力シール支点体の回転ばね定数
を小さく出来るので、受力体を介して取り出せる信号を
大きく出来、Ｓ／Ｎ比を大きくする事が出来る渦流量計
が得られる。

【００４４】（３）圧力シール支点体が、測定管路の内
壁面に形成されているので、測定管路には、隙間、孔等
がなく、固形物の堆積、詰まり等の恐れがなく、信頼性
が高い渦流量計が得られる。特に、サニタリープラント
に好適な渦流量計が得られる。

【００４５】（４）圧力シール支点体は、測定管路と受
力体との一体鋳物から、切削等により容易に作ることが
出来るので、溶接、Ｏリングシール等の圧力シール手
段、加工が不要となり、安価で確実な圧力シール機構が
実現出来る渦流量計が得られる。

【００４６】本発明の請求項２によれば、圧電素子は電
源を必要とせず、省エネを図ることができる。

【００４７】本発明の請求項３によれば、歪ゲージは、
一般的に形成が容易であるため、安価な渦流量計が得ら
れる。

【００４８】本発明の請求項４によれば、受力体に、例
えば、耐食材料、高強度材料、耐熱材料の様な、高級材
料を必要とする場合に、必要最小限部分のみ高級材料で
構成することが出来るので、安価な渦流量計が得られ
る。

【００４９】本発明の請求項５によれば、カウンターウ
エイトによって、振動ノイズに基づく力を、相殺する力
を発生させる事ができるので、耐振動ノイズ特性が向上
された渦流量計が得られる。

【００５０】従って、本発明によれば、高静圧下でも安
定に信頼性良く渦信号を検出でき、Ｓ／Ｎ比が良好で、
安価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の側面図である。

【図３】図２の平面図である。

【図４】図２の要部詳細説明図である。

【図５】図１の動作説明図である。

【図６】図１の動作説明図である。

【図７】図１の動作説明図である。

【図８】図１の動作説明図である。

【図９】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。

【図１０】本発明の他の実施例の要部構成説明図であ
る。

【図１１】図１０の平面図である。

【図１２】本発明の他の実施例の要部構成説明図であ
る。

【図１３】本発明の他の実施例の要部構成説明図であ
る。

【図１４】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１５】図１４の変換部の様部構成説明図である。

【図１６】図１４の動作説明図である。

【図１７】図１４の動作説明図である。

【符号の説明】

３１ 本体ユニット ３２ 受力体 ３３ 測定管路 ３４ 圧力シール支点体 ３５ フォースバー ３６ 圧電素子 ３７ 圧電素子ベース ４１ 歪板 ４２ 歪ゲージ ４３ スリツト ４４ 起歪部 ５１ 本体ユニット ５２ 測定管路 ５３ 溶接 ５４ 受力体 ５５ 近傍接合部 ６１ カウンターウエイト ６２ カウンターウエイト

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定管路に挿入された渦発生体を具備しカ
   ルマン渦により受力体に作用する交番力を検出して流量
   を測定する渦流量計において、 前記受力体と該受力体が接合する前記測定管路の少なく
   とも接合部分とが最初から一体に作り出された本体ユニ
   ットと、 前記測定管路と前記受力体の２個所の接合部分の少なく
   とも一方の該受力体の周囲に形成された薄肉円環状の圧
   力シール支点体を具備したことを特徴とする渦流量計。
2. 【請求項２】前記受力体の一端に一端が接続されたフォ
   ースバーと、 該フォースバーの他端と前記測定管路との間に設けられ
   た圧電素子とを具備したことを特徴とする請求項１記載
   の渦流量計。
3. 【請求項３】前記受力体の一端に接続され両端が前記測
   定管路に固定された歪板と、 該歪板に設けられた歪ゲージとを具備したことを特徴と
   する請求項１記載の渦流量計。
4. 【請求項４】前記測定管路に溶接固定され前記受力体と
   該受力体が接合する前記測定管路の近傍接合部分のみと
   からなり高級材料からなる本体ユニットを具備したこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載の
   渦流量計。
5. 【請求項５】前記受力体自体の振動による誤差の発生を
   防止するように前記圧力シール支点体より外側の前記受
   力体に設けられたカウンターウエイトを具備したことを
   特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求
   項４記載の渦流量計。