JPS584967B2 - 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た流速流量測定装置に関す
るものである。

更に詳述すれば、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
する流速流量測定装置に関するものである。

従来より一般に使用されている渦信号の検出方法として
は感熱方式、歪み検出方式、容量方式、電磁方式、超音
波方式等があるがそれぞれ種々の問題点を有している。

感熱方式はサーミスタあるいは白金線等の感熱素子にわ
ずかなゴミでも付着すると急激な感度の低下が起る。

歪み検出方式は従来実施されているのはストレインゲー
ジを用いた表面歪検出方式でありカルマン渦によるわず
かな交番力で生ずる表面歪をストレインゲージで感度よ
く測るには渦発生体を可撓材で作るか、渦発生体を管路
に支持する途中に可撓材よりなる部分を設け、これらの
可撓部に歪検出素子を接着する必要がある。

すなわち、充分な検出感度を得るためには、物体表面上
の歪の大きいことが必要であり、センサ部の剛性を小さ
くしなければならない。

容量方式はたとえばダイアフラムのような可撓部が必要
であり、可撓部を振動させねばならないので、機械的に
堅牢なセンサの構成が困難である。

また、ダンパーとしてシリコンオイル等の封入液が必要
であり、高温では使用が出来ない制約がある。

電磁方式は渦による圧力変化によるボールの振動あるい
は振動板を利用するもので、導圧孔が流体中のゴミなど
によりふさがりやすい。

特に振動板を利用するものは前述の容量方式と同様機械
的に弱い。

超音波方式は渦発生体と超音波送受信子とが分離してお
り構成が複雑となる。

また、従来より使用されている渦流量計においては、そ
の使用されている素子や接着剤やシリコンオイル等の制
約により使用可能温度は１２０℃程度まででそれ以上の
高温には使用出来ない欠点を有する。

本発明はこれらの問題点を解決したものである本発明の
目的は、圧電素子よりなる応力検出部を渦発生体に封着
体により一体構成となるように封着して、カルマン渦に
よる交番力の作用により渦発生体の断面に生ずる応力変
化を検出するようにして、簡単な構成で、堅牢で耐久性
のあり、感度、安定性に秀れた流速流量測定装置を提供
するにある。

以下図面により本発明を説明する。

第１図は本発明の一実施例の構成説明図である１図にお
いて、１は被測定流体の流れる円筒状の管路、２０は管
路１に直角に挿入された柱状の渦発生体で渦発生部２と
支持部３よりなる。

渦発生部２は一端が管路１に固定されたステンレス材よ
りなり、支持部３は一端が渦発生部２に溶接３１で接続
され、他端が管路１に鍔部３２で固定されている。

支持部３は容器３３と検出センサ部３４及び封着体３５
よりなる。

容器３３は鍔部３２を有し有底円筒状をなしステンレス
材よりなる。

検出センサ部３４は円板状をなし容器３３内に配置され
、この場合は容器３３の中心軸をはさんで対向して２個
配置され、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＱ３よりなる圧
電素子が使用されている。

封着体３５は絶縁材よりなり、検出センサ部３４を容器
３３内に容器３３より絶縁して封着するもので、この場
合は、ガラス材が用いられており、耐熱性も良くなる。

以上の構成において、管路１内に測定流体が流れると渦
発生部２にはカルマン渦により第１図に示す矢印Ｘのよ
うな交番力が作用する。

この交番力は容器３３、封着体３５を介して検出センサ
部３４に伝達される。

この場合、渦発生体２０の断面には第１図に示す如く、
渦発生体２０の中心軸をはさんで逆方向の応力変化が発
生する。

而して、それぞれの検出センサ部には、この応力変化に
対応した電気信号（たとえば電圧）の変化が生ずる。

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。

本実施例では検出センサ部３４ａ、３４ｂの出力を差動
的に処理することによって２倍の電気信号を得ることが
で診る。

本発明では、検出センサ部３４を封着体３５により渦発
生体２０に絶縁封着し、実質的に一体構成としたので、
交番力を効率よく検出することができ、センサ部の剛性
を大きくしても、充分な感度が得られ、センサ部を堅牢
な構成にすることができる。

更に、具体例をあげて説明すると、渦発生体に作用する
交番力は測定流体の流速の２乗に比例する。

したがって、歪も流速の２乗に比例する。カルマン渦を
利用した流速流量測定装置の特徴の１つにはレンジアビ
リティが広いことにある。

今、たとえば０．３ｍ／ｓ〜１０ｍ／ｓの流速範囲を測
定しようとすると歪は約１０００倍の変化範囲となる。

金属の場合、繰返し歪に耐え得る安全使用限界は１００
〜２００マイクロストレイン程度である。

これを最大流速１０ｍ／３に対応させると、最小流速０
．３ｍ／ｓに対して発生する歪は０．１〜０．２マイク
ロストレイン程度となり歪の検出が困難となる。

半導体ストレンゲージを使用しても、堅牢な構造での歪
の検出は困難である。

測定範囲をたとえば１ｍ／３〜６ｍ／３のように小さな
幅に分けるとよいが、１つのセンサでカバーできるレン
ジ幅が狭くなる欠点を有する。

本発明においては、０．３ｍ／Ｂ〜Ｉｏｍ／ｓの流速実
験において充分の感度があり、この場合の歪を推定計算
すると、０．３ｍ／３で０．００４８マイクロストレイ
ン、１０ｍ／３で５．３マイクロストレインとなり、通
常の歪検出素子では到底検出し得ないもので、殆んど変
位しない程度である。

以上説明したように、表面歪検出方式では感度をあげる
ためには剛性を小さくしなければならず、堅牢にできな
い本質的な欠点を有し、而も、剛性を小さくするにも限
界がある。

これに比して、本発明装置ではセンサ部の剛性は犬でよ
いので堅牢にできる。

また、封着体３５により検出センサ部３４全体は容器３
３に固定されているので （１）力伝達特性がすぐれ渦発生体に働く交番力を確実
に圧電素子に感度よく伝える。

（２）接着剤の経年変化に伴う接着機能の低下による剥
離等の不安定性がなく、長期に亘って安定なものが得ら
れる。

（３）特にガラスはその熔融温度が５００℃以上のもの
が選べられ耐熱性が高い。

（４）絶縁耐圧は十分大きいので、封着処理時に圧電素
子のキュリ一点を越えて圧電効果がなくなる場合でも封
着後に分極（あるいは再分極）処狸を行い圧電効果を回
復させることができる。

（５）封着状態に再現性がありバラツキがなく、圧電素
子の特性に影響を与えない。

（６）絶縁と封着が同時に行える。

（７）圧電素子部の電極と引出しリード線とのボンディ
ング部の補強ができる。

（８）コストが安い。

等の長所を有する。

なお、封着体３５と渦発生体２０あるいは検出センサ部
３４との間にはわずかな隙間が部分的に生じても力の伝
達効率は下る。

したがって、特にガラスの場合は封着処理時に溶融ガラ
スが冷却固化する際の熱収縮時に応力の不均一部分が生
じ、ガラスにヒビが入らないように、各構成部品は円形
状の圧電素子部を中心に同心円状に構成することが望ま
しい。

また、各構成部品に過重の応力が加わらないように、部
品相互の接合面が熱膨張係数の違いによりはなれないよ
うに各相互寸法は慎重に決定される。

各接合面はむしろ相互に圧縮力の作用したシール状態で
あることが望ましい。

次に、第１図に示すような本発明装置と、センサ部の剛
性を小さくした、たとえば、第２図に示すように渦発生
体４に可撓部４１を設げ、該可撓部４１に一対の歪検出
素子４２を渦発生体４の中心軸を挾んで交番力の作用す
る方向に対称に設けて渦発生体４の振動により渦信号を
差動的に取り出す方式（以下これを「歪検出方式」と言
う。

）との管路振動によるノイズの影響について実験比較し
たものについて述べる。

この場合、第１，２図の一対の検出素子の内、図の右側
に設けられた検出素子を第１検出素子、左側に設けられ
た検出素子を第２検出素子とする３管路系の振動が問題
となるのは、その周波数ｆｐが渦信号の周波数ｆｖの帯
域に含まれ、その管路振動の出力が渦信号の出力に重畳
される場合である。

この場合に電気的に管路振動ノイズの周波数成分子ｐを
カットすると、渦信号ｆｖの成分もカットしてしまうの
で、電気的にこのノイズ成分をカットすることができず
、計測が不可能となる（渦信号の周波数帯域より高い周
波数のノイズについては電気的に容易にカットすること
ができる）。

今、この管路振動ノイズの周波数ｆｐが渦信号の周波数
ｆｖの帯域に含まれる場合について考える。

一般に、渦発生体の固有振動数ｆｎは渦信号の周波数ｆ
ｖの帯域よりなるべく高い値を取るように設計されるが
、歪検出方式では前述したようにセンサ部の剛性が小さ
い為、その固有振動数ｆｎが小さく、管路振動ノイズの
周波数ｆｐに近い値を取り、この管路振動ノイズの周波
数ｆｐで渦発生体が振られやすく、この振れは第３図Ａ
。

Ｂ図示の渦信号と同じように第３図Ｃ，Ｄに示すように
第１検出素子と第２検出素子に逆相の出力として表われ
、渦信号と管路振動ノイズそれぞれの差動出力は第３図
Ｅ、Ｆの如くなる。

したがって、出力信号は第３図ＧのようにＳ／Ｎ比の悪
い信号となる。

この影響は管路振動ノイズのレベルが渦信号に対して相
対的に大きくなる低流量で顕著となり、低流量の測定は
難かしい。

本発明装置ではセンサ部が渦発生体と実質的に一体構造
であり剛性が大きい為、その固有振動数ｆｎが大きく、
管路振動による渦発生体の振れはきわめて小さく、むし
ろ、センサ全体が管とともに振れる。

この振れはセンサ部には加速度として表われ、第４図Ａ
、Ｈに示す渦信号に対して、第１、第２検出素子の出力
は第４図Ｃ，Ｄに示すように同相の出力となり、渦信号
と管路振動ノイズそれぞれの差動出力は第４図Ｅ、Ｆの
如くなる。

したがって、総合出力信号は、渦信号出力のみのきれい
な出力を取り出すことができ、低流量においても第４図
Ｇ図示の如＜Ｓ／Ｎ比の良い信号が得られ、低流量の測
定が可能となる。

以上説明したように、歪検出方式に比して、本発明装置
では管路振動のノイズに対して、はとんどその影響を受
けず広い流量範囲の計測ができる。

第５図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、６は検出センサ部で、容器６１と、該容器
６１内に挿入された円板状の圧電素子部６２と、該圧電
素子部６２を容器６１内に封着するガラス材からなる封
着体６５で構成されている。

検出センサ部６は容器３３内に挿入され、封着体３５に
より容器３３内に封着されているもので、検出センサ部
６を容器３３と別個にあらかじめ作ることができて製作
が容易となる。

第６図は本発明の別の実施例の要部構成説明図、第７図
は第６図の要部の構成説明図である。

第６，７図において、圧電素子部６２は第７図に示すよ
うに円板状をなし、その中心は渦発生体２の中心軸上に
ある。

而して、圧電素子部６２は円板状の素子本体６２１と電
極６２２，６２３゜６２４よりなる。

電極６２２は薄円板状をなし、素子本体６２１の一面側
に設けられている。

一方電極６２３，６２４はほぼ弓形をなし、素子本体６
２１の他面側に素子本体６２１の中心を挾んで対称形に
設けられている。

このように構成すると電極６２２−電極６２３、電極６
２２−電極６２４間に検出される渦信号は第４図Ａ、Ｈ
に示すように逆位相になり、この出力を差動的に取り出
すと第４図Ｅの如く、第４図Ａ、Ｂに比して２倍の出力
が得られる。

而して、渦信号の周波数帯域に含まれるノイズ、たとえ
ば、管路振動ノイズは第４図Ｃ，Ｄに示す如く同位相の
出力として検出され、これを差動的に取り出せばノイズ
は互いに打ち消され、Ｓ／Ｎ比の良い渦信号が得られる
。

この場合、検出素子は１個で良いので、コストダウンが
計れ、小さなスペースにまとめられるのでコンパクトな
ものが得られる。

更に、第８図に示す如く、電極６２３，６２４が素子本
体６２１の中心を挾んで交番力の作用方向に対称になる
如く設けると、流れ方向の流体脈動等の流体振動による
ノイズにより圧電素子部６２に発生する電圧は、第８図
に略示の如く、たとえば、ある瞬間においては十−の如
く生じるが、内部で打消し合って出力としては現われな
い。

即ち、流体振動ノイズは打消されてＳ／Ｎ比の良い渦信
号を得ることができる。

なお、第１図に示した圧電素子部６２は第９図Ａに示す
如く円筒形状、第９図Ｂのような長方体状或は第９図Ｃ
の如きドーナツ盤状に構成されてもよい。

なお、前述の実施例においては、渦発生体２０は渦発生
部２と支持部３を溶接３１により一体に組み立てられて
いると説明したが、渦発生部２と支持部３を別体に作れ
ば、製作が容易となる利点を有するが、これにかぎるこ
とはなく、渦発生部２と支持部３に分けず始めから一体
構成のものであってもよい。

また、力棒を介して渦発生部２と支持部３が連結された
構成のものでもよいことは勿論である。

また、渦発生体２０の両端は管路１に固定されていると
説明したが、固定端−白出端或は固定端一支持端の組み
合せであってもよい。

また、固定方法は溶接、ねじ締め、ボルト締め等いずれ
であってもよいことは勿論である。

圧電素子部は前述の実施例においてはニオブ酸リチウム
よりなる圧電素子と説明したが、ニオブ酸リチウムや水
晶等の圧電性結晶、或はジルコン・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。

但し、セラミック系圧電磁器は、それを封着固定する封
着材の封着作業温度がセラミック系圧電磁器のキュリ一
温度より高い場合もあるが、この場合には、封着終了後
再分極処理を行う。

封着材は絶縁耐圧は十分大きいので再分極は容易である
。

また、封着体３５，３６はガラスでなく、たとえば、エ
ポキシ系やセラミック系やセメント系或はマイカ等の剛
性の高い封着材でもよく、要するに渦発生体２０に作用
する交番力が力検出素子に確実に感度よく伝達し、電気
的に絶縁し、化学的に安定なものであればよい。

また、本発明装置においては、測定流体との接液部を全
て耐蝕材料に選ぶこともできる。

又接液部を耐蝕材でコーティングした場合においても、
従来装置のダイアフラムや感熱素子等を用いた場合の如
く感度の低下の恐れはないので高腐蝕性の測定流体に使
用することができ、耐蝕性のすぐれた装置が得られる。

以上説明したように、本発明は、圧電素子よりなる応力
検出部を渦発生体に封着体により一体構成となるように
封着して、カルマン渦による交番力の作用により渦発生
体の断面に生ずる応力変化を応力検出部により検出する
ようにした。

この結果、力検出部は渦発生体と一体的に構成され、可
動部、導圧孔等がなく構造がきわめて簡単となり、堅牢
で、かつ感度のよく、渦発生部等にゴミが付着しても感
度が低下しないものが得られる。

また、測定流体との接液部分には耐蝕材料が自由に選べ
、しかも、コーティングに対する制約もないので高腐蝕
性の測定流体にも使用することができる。

特に、力検出素子の渦発生体への封着材に耐熱性の高い
、たとえばガラス等を使用すれば、更に耐熱性の良いも
のが得られる。

したがって、従来装置の使用が困難であった。

高温高腐蝕性の測定流体領域の測定をも可能となる。

また、管路振動によるノイズ等も容易に取り除くことが
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図は本発明の一実施例の構成説明図、第２〜４図は
振動によるノイズの影響の説明図、第５〜９図は本発明
の他の実施例の説明図である。 １・・・・・・管路、２・・・・・・渦発生部、２０・
・・・・・渦発生体、３・・・・・・支持部、３３・・
・・・・容器、３４・・・・・・検出センサ部、３５・
・・・・・封着体、６・・・・・・検出センザ部、６１
・・・・・・容器、６２・・・・・−圧電素子部、６２
１・・・・・・素子本体、６２２，６２３，６２４・・
・・・・電極、６５・・・・・・封着体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ カルマン渦により渦発生体に作用する交番力を検出
   して流速流量を測定する流速流量測定装置において、測
   定流体の流れる管路と、該管路に直角に挿入された剛性
   の高い柱状の渦発生体と、該渦発生体内に配置され前記
   交番力に基づき前記渦発生体の断面内に生ずる応力変化
   を検出するように該渦発生体の軸に垂直方向に配置され
   た圧電素子よりなる応力検出部と、該応力検出部を前記
   渦発生体内部に該渦発生体と応力検出部とが一体構成と
   なるように封着固定する剛性の高い封着体とを具備した
   ことを特徴とする流速流量測定装置。