JPS58169030A - カルマン渦流量計 - Google Patents

カルマン渦流量計

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JPS58169030A
JPS58169030A JP57054069A JP5406982A JPS58169030A JP S58169030 A JPS58169030 A JP S58169030A JP 57054069 A JP57054069 A JP 57054069A JP 5406982 A JP5406982 A JP 5406982A JP S58169030 A JPS58169030 A JP S58169030A
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JP
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karman
vortex
sensor
vortex generator
frequency
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JP57054069A
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Akira Wachi
和地 昭
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Ohkura Electric Co Ltd
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Ohkura Electric Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/20Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
    • G01F1/32Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters
    • G01F1/325Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl
    • G01F1/3259Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl for detecting fluid pressure oscillations
    • G01F1/3266Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl for detecting fluid pressure oscillations by sensing mechanical vibrations

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  • Fluid Mechanics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、カルマン渦流量計に関し、さらに詳しくは、
自動車エンジンの吸入空気量の測定等を主な目的とする
非常に安価に構成できるカルマン渦流量計に関するもの
である。
流れに直角に挿入されたカルマン渦発生体の後方には、
あるレイノルズ数範囲で規則的な渦を発生する。この渦
の発生周波数は流速に比例するので、この周波数測定に
よシ流速または流量を知ることができる。
a発生の反作用としてカルマン渦発生体に流れと直角方
向に交番揚力が発生するので、電歪素子やストレンゲー
ジ等でこの交番揚力を検出する方法は公知である。渦の
発生を超音波、サーミスタあるいは電磁的方法等を使用
して検出する方法も公知である。
自動車用エンジンの燃費向上の九めに、吸入空気量の精
密な測定か要求されている。吸入空気量に見合った過不
足のない燃料を噴射すれば、燃料効率が一番よい。この
ような用途にはカルマン渦流量計が最適であることがわ
かっているが、これらの従来法によるカルマン渦流量針
は一般に高価な丸めに広く採用されるに至っていない。
自動車用として広く利用されるためには価格を1〜2桁
下げなければならない、従来の方式は生産性の点で見直
す必要がある。
本発明は従来の上記実情に鑑みてなされ九°ものであり
、従って本発明の目的は、極めて生産性の高いカルマン
渦流量計の構造とし、生産性を上げることにより、高価
格の壁を突破しようとすることにある。
以下、本発明をその良好な各実施例について図面に従っ
て詳細に説明する。
#11図囚1(11は本発明に使用するカルマン渦セン
サの平向図と@面図を示す0図において、参照番号1は
0.1鶴以下の極薄の金属板であり、2.3は金属板の
両側に張り付けられた高分子の圧電フィルムである。圧
電フィルム2.50表面には金属114.5が蒸着され
ている。リード線6.7.8で外部と電気的に接続して
いる。高分子の圧電フィルムとしては特定方向に延伸さ
れ九ポリ弗化ビニリデン(PVDF )がその代表例で
ある。板厚は0.05mm〜Q、1mlが代表的である
。その他の材料として、高分子にチタン酸シリコン酸鉛
(PZT)系セラミックの微粉末を混ぜることにより、
圧電機能を持たせたものがある。後者はフィルム厚は比
較的厚くとれる。これらを含めて高分子圧電フィルムと
呼ぶことにする。
比較的高温に温度を上げて、リード線6.7.8間に直
流電圧を加えて分極処理をすることにより、圧電機能を
持つようになる。分極処理の極性で色々に変るが、−例
として、第1図の)を上に凸になるように外力で曲げる
と、蒸着面4には+Qの電荷が発生し、蒸着面5には−
Qの電荷が発生する。リード線6.7間に電位差を生ず
る。逆に下に凸方向に曲げれば発生電荷の極性が逆転し
、リード線6.7間の電位差も逆転する1発生する電位
差はボルトのオーダであり比較的大きいが、内部インピ
ーダンスが高いので高入力インピーダンスの測定回路で
電位差を測定する必要がある。
IFII図のような構造のものを圧電性バイモルフと呼
び公知である。バイモルフに電圧を印加するとバイモル
フは自分自身で曲り、歪を発生することも知られている
2枚の高分子圧電フィルムを使用することは必ずしも不
可欠でない。*111!JG3)で高分子圧電フィルム
30代りに、圧電性のない普通のプラス・チックフィル
ムを張シつけても、曲げ歪によシ高分子圧電フィルム2
には電荷が発生し、リード線6.8間に電位差が発生す
る。歪の方向を逆にすれば電位差の方向も逆転する点は
変りない、ただし、リード線6.8間の電位差は6.7
間の電位差の半分になってしまう。このように1枚の圧
電フィルムを使用し九場合を含めて、IF!1図のよう
なものを高分子圧電センサと呼ぶことにする。
鳩2図は高分子圧電センサを利用し九本発明のカルマン
渦流量計の一実施例を承す。#12図囚1(B)におい
て、10は流体11が矢印方向に内部を流れるパイプ、
12は流れ11に直角になるように挿入されたカルマン
渦発生体であり、その上部にはつば15が取付けられて
いる。このつば13が7ランジ14.15ではさまれ、
ねじ16でパイプ10に固定されている。第2図(B)
は渦発生体12のA −A’断面図を示している。渦発
生体12の側面には窓17.1Bがあけられている。窓
17.1Bを仕切るように高分子圧電センサ19が渦発
生体12で周辺を支持されてもうけられている。カルマ
ン渦200発生により、@17.18間に差圧が発生す
る。渦20が渦発生体の反対側で発生した瞬間には、差
圧の極性も逆転する。差圧により、鳩分子圧電センサ1
9はカルマン渦発生周波数に等しい周波数で凹凸変形を
し、リードlIi!6.7間にカルマン渦発生周波数に
等しい交流電圧を発生する。この電圧は、増幅後波形整
形され、流量に比例した周波数または電圧、電流等に変
換される。
本発明の一実施例は以上の如く構成されており、以下の
如き効果が発生する。高分子圧電センサに使用する高分
子圧電フィルムは生産性が鳩く、非常に安価である。金
槁板1への接着も大面積のままで接着し、その後裁断す
ることによ如、安価に生産できる。渦発生体12の材質
は金属またはプラスチックが普通である。特にプラスチ
ックとした場合には高分子圧電センサが渦発生体12と
一体成形されるので、特に、生産性が高い、高分子圧電
センサは窓17.1B内に引込んだ形になっているので
、生産中ま九は取付時の不注意による破損を防止できる
構造になっている。丸だし、高分子圧電センサは必ずし
奄中央に設ける必要はない。自動車エンジン用渦流量計
としては1”jよりも耐振動性を要求される。圧電フィ
ルムは極めて薄いものであり、その質量が小さい丸めに
、耐振動性が非常に強い等の長所を持つ、この4!量が
小さくて、柔かいことが空気等の気体との機械的インピ
ーダンスのマツチングを良くして、大きな出力を出せる
これに反して、硬質な無機物のPZT等ではマツチング
が良くなく、その出力も小さい。無機物のPZTはスラ
イシングにより薄板を作らなければならないために、板
厚には下限があり、どうしても厚いものになり1差圧に
対する電荷の尭生量が減少し、感度が豊くなる0例より
もスライシングの工数が大きく高価なセンサになってし
まう、市販のPZTバイモルフセンサはセンサだけで数
千円の価格である。
カルマン渦発生体12はプラスチックで作るのが能率的
である。特に、耐熱性を要求される場合には生産性が少
し落ちるが熱硬化性プラスチックを使用する必要がある
0通常の用途には熱可塑性プラスチックで十分である。
第1図^、[F])では金属板1を使用し九が、両面に
金属を蒸着した高分子圧電フィルム2.3を張り合せれ
ば、金属板1は不要である。
空気等の気体の流量測定では問題はないが、水等の液体
の測定ではセンサ表面の防湿処理が必1lIlである。
センナ表面に耐湿性のコーテングをするか、センサ全体
を金属薄板等で包んでし壕う必要がある。
@2図(4)、(日では差圧導入用の窓17.1Bは大
き々窓1個だけであるが、小さな窓を数多くあけても効
果は同じである。この場合はセンサ19の共振周波数が
上り、感度は低下する。
栖2図囚ではセンサ19の全周が渦発生体12に橿込ま
れているが、必ずしも全周である必要はない。
細長いセンサを使用して、上流側と下流側は埋込まない
ようにして、上部と下部のみを橿込むことも可能である
。この場合にはセンサの共振周波数が下り、感度が向上
する。さらに、下部も埋込壕ないようにすると、センサ
は$17.1Bで構成゛される空間に上からぶらさかつ
丸形になる。センサの共振周波数は最低になシ、差圧に
対する感fは厳高になる。
渦発生体12の断面は台形状をしているが、この外に三
角形、四角形、円形等の樵々の形状のものがあるのは周
知の通りである。
l1lI5図は本発明の他の実施例を示している。渦発
生体12の下流側に高分子圧電センサ19が一辺を埋込
まれて取付けられている。渦発生により矢印21のよう
に振動し、交流電圧を発生する。渦に対する感度は良好
であるが、共振周波数は低い、生産時にセンサを破損す
る危険があるので、適当な保護装置(図示しない)が必
要である。
長いカルマン渦発生体の下流側に軸方向に沿って複数個
のセンサを取り付けたものは、水路等の流速分布の測定
に有利である。
第3図のように、渦発生体12からはなれた下流側に高
分子圧電センサ19′を流れに1角に挿入することも可
能である1図示しない手段により、センサ19′は支持
されている。渦発生に応じて、矢印22のように振動し
、交流電圧を発生する。
#!4図は本発明の更に別の実施例を示している。
渦発生体12の内部に空胴50が設けられ、連絡孔61
.32で渦発生体12の側面と連絡している。プラグ3
6がねじ54で上部よりねじ込まれる。プラグの下端に
は高分子圧電センサ19が取付けられている。渦発生の
差圧によシセン?19が振動し、交流電圧を発生する。
この方式は第2図の方式に比べてS造が少し複雑である
が、センサ19の交換が容易であるという長所を持って
いる。これに反して第2図の方式は交換が不可能だから
、使いずての流量計になる。
連絡孔31.32は複数−あけて4よい。連絡孔をなく
し、lI2図のように大きな孔で連絡してしまってもよ
い。
112図〜IIIA&!!の方法は渦発生体と高分子圧
電センナを使用する点ではすべて同じである。渦発生体
と高分子圧電センナの相対的位置、センナの取付方法に
差があるのにすぎない。
圧電方式で一番こわいのは絶縁劣化である。特にセンサ
の切断面が一番先に劣化する。このようになると、尭生
電荷がリークして、出力電圧が低下する。・栴2v!J
の方式では危険なセンナの切断面がプ2ステックに埋込
まれ、保護されているので、信頼性が特に高い。
この11の構造では爆斃に対する安全性にかける。防爆
を必要とする場合KFiセンサを金属板で包むか、窓に
金網を張る等の防爆対策が必要になる。
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、高精変
のカルマン渦流量計が極めて安価に得られ、実用上の効
果が非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
l11WIJ(A)、■)は本発明に使用する公知の高
分子圧電センサの平面図と側面図、栴2図囚、ω)は本
発明によるカルマン渦流量計の一実施偶の断面図と渦発
生体のA −A’線に沿った断面図、lI5図は本発明
の他の実施例の断面図、Il!4図囚、a3)は本発明
によるカルマン渦流量針の別の実施例の断面図と渦発生
体のB −B’線に沿った断面図である。 1・・・極薄の金属板、2.3・・・圧電フィルム、4
.5・・・金属膜、6〜8・・・リード綜、10・・・
バイブ、11・・・流体、12・・嚇カルマン渦発生体
、16・・・つば、14.15・・・7ランジ、17.
18・・・窓、19・・・高分子圧電センサ、20・・
・渦、30・・・空胴、31.52・・・連絡孔、33
・・・プラグ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)、流れに直角に挿入されたカルマン渦発生体と、
    高分子圧電フィルムよりなるカルマン渦センサとで構成
    された仁とを4!黴とするカルマン渦流量計。 (2)、前記カルマン渦発生体をプラスチックとし、I
    II紀渦尭生体の@面と連絡した空胴を前記渦発生体内
    に作り、前記高分子圧電センサを前記空胴内に周辺の全
    部または一部を渦発生に埋込んで設けたことを史に特徴
    とする特許請求の範囲@(1)項記載のカルマン渦流量
    計。 (3)、前記渦発生体の下流側に、前記高分子圧電セン
    サを取付けた仁とを−に特徴とする4!軒錆求の範囲第
    (1)項記載のカルマン渦流量計。 (4)、前記渦発生体よりはなれた下流側に@1烏分子
    圧電センサを取付けたことを史に特徴とする%1FFf
    ili求の範囲第(11項記載のカルマン渦流it針。 (6)、@1渦発生体の側面と連絡するように作られ九
    渦発生体の空胴内にプラグを挿入し、その先端に前記高
    分子圧電センサを取付けたことを罠に特徴とする特許請
    求の範囲第(1)項記載のカルマン渦流量計。
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