JPS5819971B2 - 流速流量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、カルマン渦を利用して流体の流速または流量
を測定すると共に、流体の流れ方向を検出する流速流量
測定装置に関するものである。

一般に、流体の中に物体、たとえば丸棒を挿入すると、
物体の下流に、流れに向って左右交互に安定で規則的な
渦が発生する。

この渦は、物体と流体との境界層の剥離によって生じ、
所謂カルマン渦と呼ばれるものである。

この場合、物体の後側面に単位時間に生成する渦の数（
渦の発生周波数）は流体の流速に比例することが従来か
らよく知られている。

したがって単位時間に生成する渦の数が分かれば、流体
の流速あるいは流量を知ることができる。

本発明は、上述のカルマン渦により渦発生体に生ずる交
番力を検出して、渦信号として取り出し流速流量を測定
すると共に、流体の流れの方向を検出するようにしたも
のである。

本発明の目的は、簡単な構成により感度、安定性に秀れ
堅牢で、流体の流速流量を測定すると共に、流体の流れ
方向を測定し得る流速流量測定装置を提供するにある。

第１図は本発明の一実施例の構成説明図である。

図において、１は測定流体が流れる管路、２は管路１に
垂直に挿入された柱状の渦発生体で、その両端は管路１
に固定されている。

渦発生体２の本体２ａはステンレス等の可撓変形しない
剛性の物質からなり、測定流体にカルマン渦列を生せし
めるもので、管路方向に対称形の断面を有し、この場合
は円形の断面形状をなしている。

渦発生体２の頂部２ｂはスティレス等の可撓変旅しない
剛性の物質からなり、凹部２ｃを有し本体２ａとは溶接
等により一体的に形成されている。

３０はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等の圧電素子
で、渦発生体２の凹部２ｃにガラス等の絶縁材４によっ
て封着され、渦発生体と一体に形成されている。

また圧電素子３０は円板状をなし、その中心が渦発生体
２の中心軸と一致するように配置されている。

圧電素子３０には、第２図に示すように、その表と裏に
それぞれを四分割して対称的に電極３１ａ。

３１ ｂ 、３２ａ 、３２ｂ 、３３ａ 、３３ｂ、
３４ａ。

３４ｂが設けられ、電極３１ａと３１ｂで挾まれた部分
で第１センサ３１を形成し、電極３２ａと３２ｂで挾ま
れた部分で第２センサ３２を、電極３３ａと３３ｂで挾
まれた部分で第３センサ３３を、電極３４ａと３４ｂで
挾まれた部分で第４センサ３４を形成する。

而して、第１．第２センサ３１．３２で第１センサユニ
ツト３Ａを、第３゜第４センサ３３，３４で第２センサ
ユニツ）３Ｂを構成する。

而して、第１．第２センサユニット３Ａ、３Ｂにより力
検出センサユニット３が構成される。

而して、第１センサ３１と第２センサ３２は渦発生体２
の中心軸をはさんで流路方向と直角方向に対称に配置さ
れ、第３センサと第４センサは渦発生体２の中心軸をは
さんで流路方向に対称に配置されている。

而して、電極３１ａ。３１ｂ、・・・・・・３４ａ 、
３４ｂからそれぞれリード線３１ｃ 、３１ａ 、””
”：３ｊｌＣ，３４ｄが絶縁材４を貫通して外部に取り
出されている。

５は変換器部分である。

以上の構成において、管路１内に被測定流体が流れると
、渦発生体２はカルマン渦を発生させるとともに、渦の
生成に基づく流体振動による図示の矢印Ｇのような交番
力（以下これを「交番の揚力」と称す。

）を受ける。渦発生体２はこの交番の揚力を受けるとそ
の内部に図示の如く中心軸を挾んで逆方向の応力変化が
発生する。

この渦発生体２に生ずる応力変化は絶縁材４で渦発生体
２に一体に取付けられた圧電素子３０に伝達される。

したがって第１．第２センサ３１，３２にはそれぞれ流
体振動に対応した電気信号（たとえば、互いに逆符号の
電荷。

）が生ずる。この変化の回数を検出することにより渦発
生周波数が検出できる。

而して、第１．第２センサ３１，３２の電気出力を差動
的に処理すれば、２倍の電気出力を得ることができる。

一方、管路１に配置された渦発生体２には測定流体の流
れにより力Ｆ（以下これを「抗力」と称す。

）が働く、この抗力Ｆに対しては、第３センサ３３およ
び第４センサ３４に抗力Ｆに対応した電気信号（たとえ
ば、電荷。

）が生ずる。したがって、この電気信号の極性を測定す
ることにより流体の流れ方向が検出できる。

なお第３センサ３３および第４センサ３４には前述の交
番の揚力Ｘに対しても電荷が生ずるが、それぞれ、渦発
生体２の中心軸をはさんで揚力方向に対称形をなしてい
るので、センサ内部で逆符号の電荷が打ち消し合ってセ
ンサ外には信号として現われない。

なお、第１．第２センサ３１，３２に於ても抗力Ｆに対
して電荷が発生するが、上述と同様逆符号の電荷が丁度
打ち消し合ってセンサ外には現われない。

第３図は第１図の検出回路の一実施例のブロック説明図
である。

図において、５ａは第１．第２センサ３１，３２の出力
を増幅するプリアンプで、この場合は差動増幅器とシュ
ミットトリガ−回路よりなる。

５ｂはプリアンプ５ａよりのパルス出力周波数をアナロ
グ電圧に変換するＦ／Ｖコンバータ、５ｃはＦ／Ｖコン
バークの出力を取り出す出力端子で、測定流体の流速又
は流量が測定できる。

５ｄはコンパレータで、この場合のトリガーレベルは、
この装置における測定下限流速、たとえば０．３ｍ／ｓ
に対応するように設定されている。

５ｅは第３．第４センサ３３．３４の出力を増幅するプ
リアンプ、５ｆはサンプルホールド回路、５ｇはコンパ
レータ回路である。

５ｈはコンパレータ５ｇの出力ヲ受けると共に、コンパ
レータ５ｄの出力信号によって、リセットされるように
構成された流れ方向識別回路で、リセットされるまでは
、前回のリセット直後のコンパレータ５ｇよりの出力信
号を指示或は表示しつづける。

５１はその出力端子である。

而して、抗力Ｆによって、第３．第４センサ３３．３４
に発生する電荷量は流体の流速の変化時にのみ発生する
もので、電荷量はわずかずつ放電されるので、プリアン
プ５ｅの出力もわずかずつ減少して行く。

減少の度合いは、圧電素子の種類及び回路の入力インピ
ーダンスによって決まるが、圧電素子にニオブ酸リチウ
ム（ＬｉＮｂＯ３）を用い、入力回路にＦＥＴ入力回路
を組み合せたもので数％／分程度である。

しかし、いずれにしても放電が続き最終的には零になる
。

したがって、サンプルホールド回路５ｆの出力は流速変
化（抗力変化）に対応したものを指示しつつ減少してい
くことになる。

次に、サンプルホールド回路５ｆの出力は、第４図に図
示の如く、被測定流体が管路１内を図の左から右方向に
流れる場合に、（以下これを「Ｒ方向」と称する。

）流れが増大する場合を（十）（正極性）、減少する場
合を（−）（負極性）とする。

また図の右から左方向に流れる場合に、（以下これを「
Ｌ方向」と称する。

）流れが減少する場合を（十）、増大する場合を（−）
とし、流れ方向の逆転する時間は、前述の電荷の放電効
果が著しく表われない時間内に行われるものとする。

今、Ｒ方向の流れがあり、流速が０．３ｍＡ以上で増減
したとする。

コンパレータ５ｄの出力は一定であり、流れ方向識別回
路５ｈはセットされた状態にあり、サンプルホールド回
路５ｆの出力は受信されず前回のリセット直後のコンパ
レータ５ｇよりの出力信号の状態を維持しつづける。

Ｌ方向の流れで、流速が０．３ ｍ／ ｓ以上で増減し
た場合も同様である。

次に、Ｒ方向の流れがＬ方向の流れに逆転した場合には
、Ｒ方向の流速が０．３ ｍ／ ｓ以下になった瞬間に
、コンパレータ５ｄの出力は変わり、流れ方向識別回路
５ｈはリセットされ、サンプルホールド回路５ｆの出力
に対応した流れ方向を指示あるいは表示する。

Ｌ方向の流れがＲ方向の流れに逆転した場合も同様であ
る。

次に、Ｒ方向の流れが０．３ ｍ／ ｓ以下になり、再
びＲ方向に０．３ ｍ／ ｓ以上になった場合は上述と
同様である。

Ｌ方向についても同様である。なお、コンパレータ５ｇ
はサンプルホールド回路５ｆの出力が一定レベル以上に
なった場合にのみ、流れ方向識別回路の入力を変化させ
るようにしたものである。

この場合は流速が０．３ ｍ／ ｓ以下でかつ微少な流
速変化をした場合に、流れ方向識別回路５ｈの流れ方向
の表示がまぎられしく変化しないようにするために設け
られたものである。

したがって、コンパレータ５ｇはなくてもよいことは勿
論である。

第５図は第１図実施例において、第１〜第４センサ３１
〜３４の圧電素子３０に置き替えて、感圧素子３０′を
用いた第１〜第４センサ３１′〜３４′を使用した場合
の検出回路図で、Ａ図は流れ方向検出回路、Ｂ図は流速
流量検出回路を示す。

図において、Ｒ１−Ｒ４は抵抗で、第１〜第４センサ３
１′〜３４′とそれぞれ平衡ブリッジ回路を構成する。

５に、！Ｍはそれぞれのブリッジ回路への供給電源、５
ｍは直流増幅器、５ｎはその出力端子で、被測定流体の
流れ方向が測定される。

５ｐは交流増幅器で、コンデンサＣ１，Ｃ２を介してブ
リッジ回路と結合されている。

５Ｑはその出力端子で、被測定流体の流速流量が測定さ
れる。

感圧素子は一般に圧縮力を受けると抵抗値は減少し、引
張力を受けると抵抗値は増大する。

したがって、今、被測定流体がＲ方向に流れると、第３
センサ３３′には引張力、第４センサ３４′には圧縮力
が働く、このため、第３．第４センサ３３’、３４’の
抵抗値が変り、ブリッジ回路のバランスがくずれ、その
変化量は直流増幅器５ｍで増幅され、出力端子５ｎにお
いて、Ｒ方向に対応してたとえば正極性の信号が得られ
る。

Ｌ方向に対しては上記と逆に、逆極性の信号が得られる
。

したがって、出力端子５ｎにおいて、被測定流体の流れ
方向が判別できる。

一方カルマン渦の発生による交番の揚力に対しては第１
．第２センサ３１’、３２’にはそれぞれ交番の圧縮及
び引張力が働き、第１．第２センサ３１’、３２’の抵
抗値は変化し、この変化周波数はコンデンサＣ０，Ｃ２
と交流増幅器５ｐを介して出力端子５Ｑより得られる。

したがって、出力端子５Ｑにおいて、被測定流体の流速
流量が測定される。

第６図Ａ、Ｂは本発明の別の実施例の要部構成説明図で
、力検出センサ部分を示し、Ａ図は正面図、Ｂ図は平面
図である。

図において、６は第１図実施例の力検出センサ３に置き
替えて使用された力検出センサである。

６０は円板状の感圧素子でその中心が渦発生体２の中心
軸と一致するように配置されている。

感圧素子６０には、表と裏にそれぞれ１Ｘ４円形の電極
６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂが対称的に設けられて
いる。

即ち図示の如く、渦発生体２の中心を通り流路方向をＸ
軸、流路と直角方向をＹ軸とした場合の第１象限Ｉと第
３象限■、あるいは第２象限■と第４象限■に対称に設
けられ、この場合は、第１象限と第３象限に配置されて
いる。

而して、電極６１ａと６１ｂとで挾まれた部分で第１セ
ンサ６１を形成し、電極６２ａと６２ｂとで挾まれた部
分で第２センサ６２を形成する。

このように構成された第１．第２センサ６１，６２に於
ては揚力Ｘ及び抗力Ｆに対応した電気信号（たとえば、
電荷。

）が生ずる。第７図は第６図の検出回路の一実施例の電
気的接続図である。

図において、Ｒ６，Ｒ６は抵抗で、第１．第２センサ６
１，６２とブリッジ回路を構成する。

５ｒはブリッジ回路への供給電源、５ｓは抗力によりブ
リッジ回路に生ずる直流電圧分を増幅する直流増幅器で
、その出力端子５ｔより得られる出力の極性によって被
測定流体の流れ方向が判別できる。

５ｕはコンデンサＣ３，Ｃ４を介してブリッジ回路に結
合された交流増幅器、５■はシュミツｌ−１−ＩＪガー
回路、５ｗはＦ／Ｖコンバータ、５Ｘはその出力端子で
ある。

而して、揚力によりブリッジ回路に生ずる交流電圧は交
流増幅器５ｕにより増幅され、シュミツｌ−１−ＩＪガ
ー回路５ｖでパルスに波形整形され、Ｆ／Ｖコンバータ
５ｗによりアナログ電圧に変換され、渦発生周波数に対
応したアナログ信号が出力端子５Ｘより得られる なお前述の実施例においては渦発生体２の両端が管路１
に固定されていると説明したが、固定端一自由端あるい
は固定端一支持端の組み合せであってもよい。

また圧電素子３０としてニオブ酸リチウムを説明したが
、ニオブ酸リチウムや水晶等の圧電性結晶、あるいはジ
ルコン・チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛等のセラミ
ック系圧電磁器或は感圧素子でもよく、要するに力を電
気信号に変換するものであればよい。

さらに絶縁材４としてはガラスに限らず、エポキシ系、
セラミック系、セメント系あるいはマイカ系等を用いる
ことができる。

また上述では、渦発生体２の内部に力検出センサユニッ
ト３，６を設ける場合を例示したが、渦発生体２の下流
側に渦発生体とは別個に、流体振動による交番力を受け
る受圧体を設け、受圧体の内部に力検出センサユニット
３，６をガラス等の絶縁材４で封着し受圧体に生ずる応
力変化を検出してもよい。

また、前述の実施例においては、力検出センサユニット
は一体的に構成されたものについて説明したか、これに
かきることはなく、各センサは各々独立のものでもよく
、また、渦発生体または受圧体の中心軸をはさんだ位置
の片側にのみセンサが配置されてもよく、要するに、渦
発生体または受圧体に、その中心軸をはさんだ対称の位
置の少くともいずれか一方に設けられ渦発生による交番
力と流れ方向の変化による圧力変化を検出するようなも
のであれは゛よい。

以上説明したように、本発明は流路方向に対称な断面形
状をなす渦発生体を管路に挿入し、該渦発生体又は後流
側に設けられた受圧体にその中心軸をはさんだ対称の位
置の少くともいずれか一方に設けられ、揚力と抗力を検
出する力検出センサユニットを渦発生体又は受圧体に封
着体で一体的に絶縁封着するようにした。

この結果、被測定流体の流速流量が測定できると共に、
管路内の流体の流れ方向を感度よく測定でき、かつ、コ
ンパクトなものが得られる。

したがって、本発明によれば、簡単な構成により感度、
安定性に秀れ、堅牢で、被測定流体の流速流量を測定す
ると共に、流体の流れ方向を感度よく、かつ、コンパク
トに測定することができる。

流速流量測定装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ば本発明の一実施例の構成説明図、第２図Ａ、Ｂ
、Ｃは第１図に使用される力検出センサの構成説明図で
、Ａは正面図、Ｂは平面図、Ｃは側面図、第３図は第１
図の検出回路の一実施例のブロック説明図、第４図は第
３図の動作説明のための説明図、第５図は本発明の他の
実施例の電気的接続図、第６図Ａ、Ｂは本発明の別の実
施例の要部構成説明図で、Ａは正面図、Ｂは平面図、第
７図は第６図の検出回路の一実施例の電気的接続図であ
る。 １・・・・・・管路、２・・・・・・渦発生体、２ａ・
・・・・・本体、２ｂ・・・・・・頂部、２ｃ・・・・
・・凹部、３，６・・・・・・力検出センサユニット、
３Ａ・・・・・・第１センサユニツト、３Ｂ・・・・・
・第２センサユニツト、３０・・・・・・圧電素子、３
１．６１・・・・・・第１センサ、３２．６２・・・・
・・第２センサ、３３・・・・・・第３センサ、３４・
・曲第４センサ、４・・・・・・絶縁材、５・・・・・
・変換器部分、６０・・曲感圧素子、Ｒ４−Ｒ６・・・
・・・抵抗、０１〜ｃ４・・曲コンデンサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定流体にその流速に比例したカルマン渦を生成
   させ流路方向に対称な断面形状をなす渦発生体と、該渦
   発生体または受圧体にその中心軸をはさんだ対称の位置
   の少くともいずれか一方に設けられ渦発生による交番力
   と流れ方向の変化による圧力変化を検出する力検出セン
   サユニットと、該力検出センサユニットを前記渦発生体
   または受圧体に一体的に絶縁封着する封着体と、前記力
   検出センサユニットよりの信号により流速流量を検出す
   る流速流量測定回路と、前記力検出センサユニットより
   の信号により流れの方向を検出する流れ方向検出回路と
   を具備してなる流速流量測定装置。 ２ 力検出センサユニットとして、渦発生体または受圧
   体の中心軸をはさんで流路方向と直角方向に対称に設け
   られカルマン渦の生成に伴う渦発生周波数を検出する第
   １センサユニツトと、中心軸をはさんで流路方向に対称
   に設けられ流れ方向の変化による圧力変化を検出する第
   ２センサユニツトとを具備したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の流速流量測定装置。 ３ 力検出センサユニットとして、渦発生体または受圧
   体の中心を通り流路方向をＸ軸、流路と直角方向をＹ軸
   とした場合の第１象限と第３象限あるいは第２象限と第
   ４象限に前記中心を対称に配置された第１センサと第２
   センサとを具備したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の流速流量測定装置。