JPS5855817A - 渦流量計 - Google Patents

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、カルマン渦を利用して流体の流速または流量
を測定する渦流量計に関する。

流体中につ体を置くと、物体の雨後側聞から交互にかつ
規則的に渦が発生し、下流に製列となつて流れることが
古くから知られている。この製列はカルマン渦列といわ
れ、単位時間当漫の渦の生成数（渦周波数）が流体の流
速に比例している。

そこで、測定流体を導く管路内に渦発生体を配置し、渦
の生成による揚力変化を渦発生体（ｔたは受力体）Ｋ設
は九圧電素子、ストレンゲージ、容量やインダクタンス
等のセンナで検出し先後信号変換して流体の流速や流量
を測定すゐ渦流量針が実用化されている。ところでこの
種の渦流量計にシいては、ポンプなどによ〕励起される
配管振動等の外乱振動による影響を受け、特に低流速時
のｇｌＮ比が悪化するという欠点があうえ。

すなわち外乱振動が加わると、渦発生体（を九は受力体
）が振動するとともＫ、管路に取付けた変換器轡の搭載
物も振動する◎渦発生体（まえは受力体）が振動すると
その質量分布等に基づく龜げモーメントが渦発生体（ま
えは受力体）Ｋ作用し、ま丸帯載物が振動すると管路歪
みが生じ、この歪みにようても渦発生体（ま九は受力体
）に曲げモーメントが作用する。その結果センナには、
渦の揚力に基づく曲げモーメントによる信号成分に、渦
発生体（または受力体）の振動に基づく−げモーメンシ
によるノイズ成分と、管路歪みに基づく曲げモーメント
によるノイズ成分とが重畳されて検出される。このため
従来は渦発生体（ｔたは受力体）の振動によるノイズ成
分と管路歪みによるノイズ成分の和が小さい点を実験的
に求めて、その点にセンサを取付ける等の対策が表され
ているが、両ノイズ成分の大音畜および位相差が外乱振
動の加速度と周波数によってそれぞれ独立に変化し、両
ノイズ成分の和の小さい点も外乱振動の加速度の大きさ
と周波数の値によって変化するため、充分外効果を上げ
ていない。

本発明は、外乱振動に基づく渦発生体（ｔたは受力体）
の振動によるノイズが零となる２点が存在し、かつ任意
の２点において管路歪みによるノイズ成分の比が外乱振
動の加速度および周波数に関係なく一定であることに着
目し、２個のセンナを渦発生体（または受力体）の振動
によるノイズがほぼ零となる２点に配置し、両センナか
らの検出信号を各々信号変換した後演算すｂことＫより
て、外乱振動による影響を有効に除去し、８／Ｎ比の喪
好な渦流量計を実現し九ものである。

第１図は本発明の一実施例を示す構成説明図、第２図は
本発明の一実施例を示す電気的接続図である。図におい
て、１０は渦流量計検出器、２０は渦流量計変換器であ
る。

渦流量計検出器１０）Ｃおいて、１１は測定流体が流れ
る管路、１２は管路１１に直角に設けられ大円筒状のノ
ズル、１３はノズル１２を通して管路１１に直角に挿入
され丸柱状の渦発生体で、ステンレス等から持されてい
る。渦発生体１３の測定流体と接する部分１３ｃは測定
流体にカルマン渦列を生ぜしめ、かつ揚力変化を安定強
化すゐように例えば台形等の断面形状を有し、また上端
１３ａ側には凹部１３ｄを有してい石。１４はセンサ部
で１渦発生体１３の凹部１３ｄ内に第１の圧電センナ１
４ａと第２０圧電センサ１４ｂとが一定間隔おいて抑圧
固定されている。

センサ部１４において、ステンレス等の下敷１４ｃは第
２の圧電センサ１４ｂと凹部１３ｄの底面とのパ。

ファの役目をし、凹部１３ｄの底面の加工上あらさ管理
の困離さを補うものである。ステンレス勢の第１のスペ
ーサ１４ｄとセラミック等の絶縁板１４ｅおよびステン
レス等の第２のスペーサ１４ｆは第１の圧電センサ１４
ａと第２の圧電センサ１４ｂとの間隔を決めるとともＫ
、両者の絶縁を行う丸めのものである。ステンレス等の
押し棒１４ｇはセンナ１４ａ、　１４ｂを押圧した状態
で渦発生体１３の上端１３ａに溶接され、センサ１４ａ
、　１４ｂを押圧固定するものである０な訃センサ部１
４は渦発生体１３に下敷１４ｃと押し棒１４ｇの上部の
みで接触するようＫなりている。圧電センサ１４ａ、　
１４ｂ　ｔｉ円板状の圧電素子ＰＺからなり、その中心
が渦発生体１３の中立軸と一致するように配置されてい
る。さらに圧電素子ｐｚには第３図（イ）の斜視図に示
すようにその表と裏にそれぞれ測定流体の流れ方向く図
の矢印方向）に対して左右に分割して対称的に電極ｄ□
、　ｄ２．　ｄ３．　ｄ４が設けられ、かつ第３図（ロ
）Ｋ示す如く矢印方向（渦の揚力方向）の力による曲げ
モーメントによって中立軸を挾んで互いに逆方向に発生
する応力（圧縮応力と引張応力）に対応して電極ｄｉｐ
　６２間に生ずる電荷と、電極ｄ３．ｄ４間に生ずる電
荷とが同極性になるように反転分極されている０この丸
め第３図ＨＫ示すように同方向に発生する応力に対して
は両電極間に互いに逆極性の電荷が発生する＠また測定
流体の流れ方向のストレスによりて発生する電荷量紘電
極間でキャンセルされて出てこす、また流れ方向の配管
振動によって発生虫る電荷量も電極間で互いにキャンセ
ルされて出てこない・第１の圧電センサ１４ａは電極ｄ
１．ｄ２問および電極ｄ３．ｄ４間にそれぞれ生ずる同
極性の電荷の和を出力電荷ｑ□とし逆極性の電荷をキャ
ンセルする九めに、電極ｄ□とｄ３とが押し棒１４ｇを
介して共通に渦発生体１３す表わち基準点に接続され、
電極ｄ２とｄ。

とがスペーサ１４ｆを介して共通にリード！Ｉｅ□に接
続されている。第２の圧電上ンｔ　１４ｂは電極ｄ□。

６２問および電極ｄ３ｔ　ｄａ関にそれぞれ生ずる同極
性の電荷、の和を出力電荷ｑ２とし逆極性の電荷をキャ
ンセルして、かっｑｌとは極性を反転させるためＫ。

電極ｄ１とｄ３がスペーサ１４ｄを介して共通にリード
線ｅ２に接続１れ、電極ｄ２とｄ、とが下敷１４ｃを介
して共通に渦発生体１３すなわち基準点に接続されてい
る。リードｌ１Ｉｅ□、Ｃ２はセンサ部１４の各部品に
設けられた貫通孔およびバーメチ、クシール１４ｈを介
して外部に取り出され、渦流量計変換器２０に接続され
る。彦お渦発生体１３の凹部１３ｄとセンサ部１４で囲
まれ九部分には結露防止の九めに１露点の低いガスが封
入されており、押し棒１４ｇには封入ガス用の連通孔１
４１が設けられている。またセンナ部１４の各部品の厚
さおよび材質は、温度変化により初期押しつけ応力に変
化が生じないように決定されている。

渦流量計変換器２０は、２個の変換増幅器２１．２２と
、これら変換増幅器２１．２２の出力の加算または減算
を行う演算器２３とを有している。変換増幅器２１　（
２２）としては、演算増幅器Ｏｐ□（Ｏ２０）と、０ｐ
１（Ｏ２０）の帰還回路に接続されたコンデンサＣ□（
Ｃ２）と抵抗Ｒ□（Ｒ２）の並列回路からなるチャージ
アンプが示されておル、演算増幅器０Ｐ１０反転入力端
子（→Ｋ　リード線ｒが接続され、演算増幅１ＳＯＰ２
の反転入力端子←）にリード線ｅ２が接続されていゐ。

演算器２３は、抵抗Ｒ３によ〕帰還が施され九演算増幅
＠　ＯＲ３からなり、Ｏ１２の反転人力端子（→に演算
抵抗Ｒ４を介して加えられる変換器２１の出力電圧ｅ１
と、抵抗Ｒ５と可変抵抗Ｒ６の直列回路を介して加えら
れる変換増幅器２２の出力ｅ２との加算を行うものが示
されている。

このように構成し九本発明渦流量針の動作を第４図を参
照して以下に説明する。渦発生体１３は、管路１１内に
測定流体が流れると、カルミン渦を発生させるとともに
、渦の生成に基づく揚力変化を受ける。渦発生体１３が
揚力を受けると、センサ部１４に揚力による曲げモーメ
ント四が作用し、その内部には第４図ＫＭ）で示す如き
はぼ直線の応力分布が生ずる。なお第４図における応力
値線圧電センナで検出した場合の電荷量の値で示しであ
る。

また渦発生体１３はボ／プ等によ如励起される外乱振動
によっても渦の揚力と同方向の力を受ける。

この外乱振動による力には、渦発生体１３の振動による
モードと、搭載物の振動に基づく管路歪みによるモード
があり、センナ部１４にはそれぞれのそ一ドによりて曲
げモーメントド１’　Ｍα２が作用する。

センサ部１４の内部には、渦発生体１３の振動によるモ
ーメントＭα□の作用によりて第４図Ｋ　ｆＰ）で示す
如き曲線の応力分布が生じ、管路歪みＫよるモーメント
Ｍ・ｔ２のり用によりて第４図にｒ＋で示す如きほぼ直
線の応力分布が生ずる。その結果センサ部１４の圧電セ
ンサ１４ａ、　１４ｂに検出される電荷Ｑ１−４２には
、それぞれ渦の揚力による信号電荷に、渦発生体の振動
によるノイズ電荷と管路歪みＫよるノイズ電荷とが重畳
されている。そして渦発生体１３の振動によるノイズ電
荷は、渦発生体１３およびセンサ部１４の形状、材質１
寸法等を選べば第４図の分布曲線（ロ）に示すように零
となる２点（Ａ、Ｂ）が存在する。しかも零となる２点
（Ａ、Ｂ）の位置は、外乱振動の加速度および周波数に
よって変わらない。

し九がりて圧電センサ１４ａ、　１４ｂをセンサ部１４
ニおいて、渦発生体１３の振動によるノイズ電荷が零と
なる２点（Ａ、　Ｂ）に配置すると、ノイズ成分は管路
歪みによるノイズ電荷のみとなυ、渦の揚力による信号
電荷の振幅を８１（ω）、Ｓ２（ω）とし、管路歪みに
よるノイズ電荷の振幅をＮ１（ω′）、Ｎ２（ＣＩｌｌ
）とすると、圧電センサ１４ａ、　１４ｂ　Ｏ出力電荷
ｑ□、ｑ２は次式でそれぞれ与えられる。

ｑｌｗｍ　Ｓｔ（ω＞　ｓ’ｉｎ　ｏＪｔ　十Ｎ１（ω
つｇｌｎ（ｒ＋＋’ｔ＋ｉ（ω’））　　　　（１）ｑ
２ｍ　５２（ｌｒｒ　）　ｓＬｎωｔ　＋Ｎ２（ｌｒｒ
”　）　ｓｉｎ　（、’ｔ　＋　ｄ（ｒ、＋’　））　
　　（２）ただし、　ω：信号電荷の角周波数 ′）′：ノイズ電荷の角周波数 ６（ω′）：ノイズ電荷の位相差 （１）式および（２）式において、信号電荷の振幅５１
（０＋）。

８２（ω）は渦の揚力すなわち渦周波数によってそれぞ
れ変化する。またノイズ電荷の振幅Ｎ工（ω１）。

Ｎ２（ω１）および位相差６（ωｑ）４外乱振動の加速
度および周波数によりてそれぞれ変化するが、振幅の比
Ｎ２（ω’）　／Ｎ□Ｃｏｒ’＞は外乱撮直の加速度お
よび周波数の影響を受けず一定である。しかもム点と１
点における振幅の比は、管路歪みによる応力分布線が搭
載物の重さ等によって第５図に示すように（ハ）。

（ハ）／、　（−デと変化しても一定で、搭載物の重さ
等が変ってもその影響を受けない０ 圧電セ／す１４ａの出力電荷ｑ□は変換層１１１）２１
に加えられ、圧電センサ１４ｂ　（Ｄ出力電荷ｑ２杜反
転１れて変換増幅器２２に加えられ、それぞれ交流電圧
ｅＩＩ０２に変換された後演算器２３に加えられる。演
算器２３は、ｅｌ、９２を加算し、その出力ｅ３ａ次式
で与えられる。

変換増幅＠　２１．２２のゲインをに□、に２とすると
、（１）式および（２）式から０３は次式の如くなる。

（４）弐において、Ｎ２　（ｑ１’　）　／　Ｎ１（’
　”　）は−定であるので、可変抵抗Ｒ６を調整して、 を満足させれば、演算器２３の出力ｅ３は、となり、外
乱振動によるノイズの影響を有効に除去できる。その結
果本発明によればＳ／Ｎ比を、圧電センサを１＠用いた
従来の渦流量計に比して１０倍以上改曽てきた。

なお上述では、変換増幅器２１の出力ｅｌと変換増幅器
２２の出力ｅ２を演算器２−３で加算する場合を例示し
たが、圧電センサ１４ａ、　１４ｂの出力電荷ｑ□ｔ　
ｑ２のノイズ成分が同相の場合には演算器２３で減算す
ればよい。を九上述では圧電センｆ　１４ａ、　１４ｂ
の出力電荷を利用する場合を例示したが、出力電圧を利
用してもよい。仁の場合変換増幅器２１．２２としでは
チャージアンプの代りに電圧増幅器が用いられる。また
上述では圧電センサ１４ａ、　１４ｂとして反転分極し
九圧電素子を用いる場合を例示し九が、反転分極しない
圧電素子を用いてもよい。この場合圧電素子を左右に分
割し、一方を裏返しにして取付けて実質的に反転分極形
にしてもよいし、また第１の圧電セン？　１４ａと押し
棒１４ｇの間および第２の圧電センサ１４ｃの間にそれ
ぞれ絶縁板を設け、かつ圧電素子ｐｚの電極ｄ工とｄ３
および電極ｄ２とｄ、を各々結線し、かつ電極ｄ１とｄ
３とにそれぞれリード線を接続すればよい。を九第１．
第２の圧電センナを押し棒によって渦発生体の凹部内に
押圧固定する場合を例示したが、ガラス等で封着固定し
てもよい。また上述では渦発生体の凹部を上端側に設け
る場合を例示したが、下端側にも設け、上端側の凹部に
第１の圧電センサを、下端側の凹部に第２の圧電センナ
を配置するようにして４よい。

ま六員流量計検出器１０として本冥施例では、渦発生体
１３の凹部１３ｄ内にセンサ部１４を設ける場合を例示
したが、渦発生体１３の下流側に渦の生成による揚力を
受ける受力体を設け、受力体の凹部内にセンサ部を設け
てもよい。なお、センサ部のセンサとしては、圧電セン
ナに限らず、ストレンゲージ、容量やインダクタンス郷
必要に応じて種々のセンサを用いることができる。ただ
し圧電セ／すを用いる場合にはセンサ部に曲げモーメン
トによって生ずる応力変化を直接検出できる利点がある
Ｏ 以上説明したように本発明においては、渦発生体（ｔた
は受力体）の振動によるノイズがほぼ零となる２点に、
２個のセンナを配置してその出力を各々信号変換した後
演算するととによって、外乱振動による影響を有効に除
去しているので、Ｓ／Ｎ比の嵐好な渦流量計が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明渦流量針の一実施例の構成説明図、第２
図は本発明渦流量計の一実施例を示す電気的接続図、第
３図は本発明に用いる圧電センナの一例を示す構成説明
図、第４図および第５図線本発明渦流量計の動作を説明
する丸めＯ％Ｊｆ！ＥＩｌｌ線である。 １０・・・渦流量計検出器、１１・・・管路、１３・・
・渦発生体、１３ｄ・・・渦発生体の凹部、１４・・・
センサ部、１４ａ・・・第１の圧電センサ、１４ｂ・・
・第２の圧電センサ、２０・・・渦流置針変換器、２１
．２２・・・変換増幅器、２３・・・演算器０ 篤２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　測定流体が流れる管路と、この管路に堆付け
   られ測定流体にその流速に応じたカルマン渦を生成させ
   る渦発生体と、この渦発生体に設は九凹部内に固定され
   た第１．第２のセンナと、第１七ンサよりの信号が加え
   られる第１の変換増幅器と、第２のセンナよりの信号が
   加えられる第２の変換増幅器と、第１の変換増幅器の出
   力と第２の変換増幅器の出力とを加算または減算する演
   算器とを有し、前記第１のセンサと第２のセンｆ−社外
   乱振動に基づく渦発生体の振動によるノイズがほぼ零と
   なる２点に配置し九ことを特徴とする渦流量針。
2. （２）測定流体が流れる管路と、この管路に取付けられ
   測定流体にその流速に応じ九カルマｙ渦を生成させる渦
   発生体と、この渦発生体により生成されたカルマン渦が
   作用する受力体と、との受力体に設けた凹部内に固定さ
   れ九第１．第２のセンナと、第１のセンナよりの信号が
   加えられる第１の変換増幅器と、第２のセンサよりの信
   号が加えられる第２の変換増幅器と、第１の変換増幅器
   の出力と第２の変換増幅器の出力とを加算または減算す
   る演算器とを有し、前記第１のセンナと第２のセンナは
   外乱振動に基づく受力体の振動によるノイズがほぼ零と
   なる２点に配置したことを特徴とする渦流量針。