JPS5855818A

JPS5855818A - 流速流量測定装置

Info

Publication number: JPS5855818A
Application number: JP56155949A
Authority: JP
Inventors: Ichizo Ito; 伊藤　一造; Hitoshi Hirayama; 平山　仁; Tetsuo Ando; 哲男安藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp; Yokogawa Hokushin Electric Corp; Yokogawa Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1981-09-30
Filing date: 1981-09-30
Publication date: 1983-04-02
Also published as: JPS6257202B2

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、カルマン渦によシ物体く作用する交番
力を検出して、渦信号として取り出し、流速又は流量を
測定する流速流量測定装置に関するものである。

第１図は従来よシ一般に使用されている流速流量測定装
置の従来例である。

図において、１は円筒状の管路、１１は管路１に直角に
設けられた円筒状のノズルである。２はノズル１１を通
して、管路１に直角に挿入された柱状の受力体で、一端
は、ねじ５により管路１に支持され、他端は７ランク部
２１において、ノズル１１にねじ又は溶接により固定さ
れている・２２は受力体２の７ランク部２１側に設けら
れた凹部である。４は凹部２２に設けられた円板状の応
力検出部で、その中心軸線受力体２の中心軸と一致する
。応力検出部４は、この場合は第２図に示す如く、円板
状の素子本体４１と電極４２．４３．４４よシなる。電
極４２は薄円板状をなし、素子本体４１の一面側に設け
られている。一方、電極４３．４４は、はぼ弓形をなし
、素子本体４１の信置側に素子本体４１の中心を挾んで
、管路１方向と直角方向に対称形に設けられている。

素子本体４１は、この場合は、ニオブ酸リチウム（Ｌｉ
ＮｂＯ３）よりなる圧電素子が使用されている。５は絶
縁材よシなり、応力検出部４を凹部２２内に受力体２よ
シ絶縁して封着する封着体で、この場合は、ガラス材が
用いられている。

以上の構成において、管路１内に測定流体が流れると受
力体２にはカルマン渦により第１図に示す矢印のような
交番力Ｆが作用する。この交番力Ｆは封着体５を介して
応力検出部４に伝達される。

この場合、受力体２　Ｋｔ！、第１図に示す如く、受力
体２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、応力検出部４の電極４２−電極４３゜電極４２
−電極４４間にはこの応力変化に対応し良電気信号（た
とえば電荷の変化）が生ずる。この変化の回数を検出す
ることＫよシ渦発生周波数が検出できる。而して、電＠
４２−電極４３．電１１４２−電極４４間の電気出方を
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。

このような、ガラスによりて、受力体２に応力検出部４
を封着するように構成したものは種々の利点を有する。

しかしながら、（１）　　ガラスの軟化点が４００’Ｃ前後にあシ、実
際に使用できるのは３００＠Ｃ程度である。軟化点の高
いガラスを使用すると封着温度が高くなり、圧電素子の
キュリ一点を越える。あるいは、膨張係数が小さく、受
力体２に圧電素子を封着するのに適さない。

（２）　　凹部２２の開口側のガラスの厚さｔは力検出
部４の感度を充分あげるためには、ある糧変の厚さを必
要とするが、急激なヒートシーツク、あるいは高温度で
は熱膨張の差によシガラスにひび割れを生ずるので、ひ
び割れの生じない程度の厚さ数画程度に制限され、高感
度が得られない。

（３）　　ガラス封着では、受力体２における半径方向
の熱膨張係数は等しい必要があるので、ニオブ酸リチウ
ム（ＬｉＮｂＯｓ　）よりなる圧電素子を使用する場合
には２板に限定される。２板はＹ板に比すると感度が１
／３になる特性を有する。

等の欠点を有する。

本発明は、これ等の問題点を解決するものである。

本発明の目的は、高温領域まて測定でき、感度が高く、
耐震性がすぐれ、堅牢な流速流量測定装置を提供するに
ある。

第３図は、本発明の一実施例の構成説明図である。

図において、第１図と同一記号は同一機能を表わす。

以下、第１図と相違部分のみ説明する。軸、仙は凹ｌＢ
２２に設けられた円板状の応力検出部で、その中心軸は
受力体２の中心軸と一致する（以下、応力検出部４ｍ、
　４ｂを総称するときは応力検出部４と称する。）。応
力検出部４は、この場合は、第２図に示す如く、円板状
の素子本体４１と電極４２゜４３、４４よりなる。電極
４２は薄円板状をなし、素子本体４１の一面側に設けら
れている。一方、電極４３゜４４は、はぼ弓形をなし、
素子本体４１の信置側に素子本体４１の中心を挾んで、
流路方向と直角方向に、対称形に設けられている。素子
本体４１は、この場合は、圧電素子が使用されている。

而して、応力検出部４ａ、　４ｂは、後に詳述する如く
、外乱力Ｐによって、受力体２に生ずる応力が零となる
位置人の両側に配置されている。６ａ、　６ｂ、　６ｃ
　（以下総称する場合は「６」とする。）は、応力検出
部４の両面に配置された円板状の絶縁体で、この場合は
、セラ２．りが使用されている。７は応力検出１１ｉ４
及び絶縁体６を凹部２２に抑圧固定する固定体で、この
場合は、ステンレス材が用いられている。固定体７の一
端側は受力体２に固定され、この場合は、溶接されてい
る。

而して、凹部２２の深さＬは、次式を満足するように選
ばれている。

（αに一αＰ）（Ｌ−ｔｓ−ｔＬ）−αＰ（ｔｓ＋ｔＬ
）−α５ｔＳ−（ＬＬｔＬ　　（１）ここで、 αｐ：受力体２の膨張係数 αに：固定体７１１ αＳ：絶縁体４１Ｎ αＬ：応力検出部４１　ｌｔ８：絶縁体６ａ、　６ｂ、　６ｃの厚さの和ｔＬ：応
力検出部４の厚さ即ち、受力体２と力検出部４および絶縁体との間に生ず
る熱膨張の差を、受力体２と固定体７との熱膨張の差に
よって、丁度打消すことができるように１凹部２２の深
さＬが設定されている。

第５図は嬉５図の電気回路８（第３図に図示せず）のプ
ロ、り図である。

図において、８１は応力検出部４ａの出力を増幅処理す
る第１人力処理回路である。８２は応力検出部４ｂの出
力を増幅処理する第２人力処理回路で、ゲインが可変で
きる構成になりている。８３は第１と第２人力処理回路
８１．８２の出力を差動処理する差動増幅器である。

このようなものにおいては、周囲温度の変化によって、
力検出部４に加わる圧縮力が変化することがなく、固定
体７によって、最初に加えられた初期圧縮状態のｔまが
維持される０したがって、測定流体に対して高温領域ま
で測定を行うことができる。

を九、本装置においては、固定体７によって、力検出部
４に初期圧縮力をある程度加えておくと・力検出部４の
感度は増大する。

なお、実用上は、厳密に、式（１）の両辺を等しくする
ことはできないので、わずかに左辺〉右辺となるように
設定する。このようにすれば、圧縮力が常に加わり、高
温で感度が減少することを防止することができる。

但し、初期圧縮力を含めて、圧縮力は力検出部４の許容
応力を超えることがないように設定する必要がある。

なお、本願発明者等の実験によれば、初期圧縮力を２．
８ｋｇ／ｍｍ２としたもので、従来のガラス封着のもの
に比して５倍の出力感度のものが得られた。

また、素子本体４１に、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮ’ｂ
Ｏｓ）を使用する場合に、Ｙ板も使用できるので、ｚＩ
［を使用した場合に比して感度を３倍にすることができ
る。

このように、本発明装置を使用すれば、（１）３００・
Ｃ以上の測定流体にも使用できる。

（実験によれば、５００・Ｃの測定流体でも測定可能で
ある。）（２）感度を上げることができる。

（３）　　ガラスのひび割れや封着不良等の製造工程中
での不良が発生せず、歩留シが向上され、コストダウン
がはかれる。

（４）　　ガラスの封着作業に必要な大獄の炉等の装置
が不要となり量産化が容易となる。

更に加えるに、（５）　　ガラス封着時の受力体２の熱容量を小さくす
るために、受力体２における管路１儒の柱状部を別体に
製作し、ガラス封着後に本体部に固定する製作上のわず
られしさもなくなる。

次に１管路を伝播してくる振動ノイズ、たとえば、ポン
プ、コンプレ、サー、ダンパーの開閉等による振動ノイ
ズの影響により、管路全体が振れる。この振動によって
、受力体２には前述交番力Ｆが作用する方向に受力体２
の質量分布等に基づく交番の曲げモーメントＭαが作用
する。この交番の曲げモーメントＭαによシ受力体２に
生ずる応力は応力検出部４においてノイズとして検出さ
れる。

１１４図は、この曲げモーメン）　Ｍｎ・を示したもの
で、〜は渦発生によって生じ友交番の曲げモーメント（
測定対象）である。

曲げモーメン）Ｍαによるノイズを検出しないようにし
たものとしては、従来例として、曲げモーメントＭαが
零となる位置ムの位置に応力検出部が一個配置されたも
のがある。

しかし、このようなものにおいては、応力検出部は厚み
を有しているので、可能なかぎシ薄くしても、厚みを零
にすることはできず、また、応力検出部の中心を位置Ａ
Ｋ完全に合致させることは実際上は非常に困難で外部振
動ノイズをどうしても検出してしまう。また、外部振動
ノイズによる応力が零となる個所ムにおいては、測定信
号の応力は小さく、応力検出部の位置がずれると、一定
信号のｆ９７Ｎ比が悪くなる。８７Ｎ比が悪いと、小吉
な信号を検出するのは困−となるので、測定可能領域（
４１Ｋｍ、低流量領域）が限定されることＫなる。

そこで、本考案においては、曲げモーメントＭαが零と
なる位置ムの両側にそれぞれ応力検出部４ｍ。

４ｂを配置して、たとえば、ある瞬時において、外部振
動ノイズによるプラスの応力を応力検出部４ａで検出し
、マイナスの応力を応力検出部４ｂで検出して、加減算
器８３で加算して、積極的に打ち消すようＫした。而も
、第２人力処理回路８２のゲインを可変できるように構
成したもので、第１人力処理回路のノイズ分の大きさに
、第２人力処理回路のノイズ分の大きさを調節して容易
に合わせることかで惠る。したがって、加減算器８３で
、ノイズ分を完全にキャンセルすることができる。この
結果、応力検出１３４ａと４ｂを曲げモーメントＭαの
プラス量とマイナス量とが相互に等しくなるそれぞれの
位置Ｋ、厳密に配置する必要がなく、応力検出部４の凹
部２２への配置が容易となシ、装置の製作が安ｆｉＫで
きる。

今、これを数式で表わすとすると、応力検出部４ａ、４
ｂＫ生ずる電荷Ｑ１＋　ｑ２は渦発生による信号電荷に
管路振動等によるノイズ電荷が重畳されたものとなり、
信号電荷の振幅をＳよ、Ｓ２、ノイズ電荷の振幅をＮ□
、Ｎ２とすると次式で与えられる。

ｑｌｘｓ、５ｉｎｃｕｔ＋Ｎ１５ｉｎ＊’ｔ　　　　　
　　　　　　　　　（１）ｑ２−±５２ｓｉｎｃｃ＋ｔ
−Ｎ２５ｉｎω’ｔ　　　　　　　　　（２）ただし、
ω：傷信号角周波数 ω螢ノイズの角周波数ｑｏｕｔ■（Ｓ１±８２）ｓｉｎ　ωｔ　十（Ｎ１−　
Ｎ２）ｓｉｎ　ω’ｔ　　　　　　（３）Ｎ１＝　Ｎ２
なるようにしてｑｏｕｔ　”　Ｓ１±５２ｓｉｎωｔ（４）となる。

なお、応力検出部４ａ、仙は、第６図に略示する如く、
外部振動ノイズによる応力が零となる個所人と渦発生に
よる応力が零となる個所Ｂを挾んだＣ，Ｄの位置に配置
されてもよい。

また、第７図に略示する如く、応力検出部４ｍ。

４ｂは渦発生による応力が零となる個所Ｂを挾んだ１、
Ｆの位置く配置されてもよい。但し、この場合は、第１
．第２人力処理回路６１．６２０出力は加減算器８３で
減算されるように構成されねばならない◇即ち、応力検
出部４ｍ、　４ｂで検出される外部振動ノイズによる応
力が同符号の場合は加減算器８３で減算し、異符号とな
る場合は加算するようにする。要するに１外部振動ノイ
ズがキャンセルされるように構成されればよい〇なお、第１人力処理回路８１も、ゲインが可変できるも
のであってもよいことは勿論である。

第８図は、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、応力検出部４ｍ、仙の間に絶縁体
６ｂ工、６ｂ２を介してスペーサー９ｍを配置したもの
である。スペーサー９ａは、この場合は、固定体７と同
じ材料が用いられている。

このよりなものにおいては、応力検出部、４ｍ、　４ｂ
の間隔を自由に選ぶことができるものが得られる。

特に、計算の結果、絶縁体６ｂの厚さが薄くなり・応力
検出部４ａが位置ムに接近し、曲げモーメントＭｖＫ基
づく測定信号値が大きく取れなくなる場合に効果が大で
ある。

第９図は、本発明の別の実施例の要部構成説明図である
。

本実施例においては、応力検出部４ｍ、　４ｂのそれぞ
れの一面側を凹部２２の底面及び固定体７の底面に接す
るようにして、応力検出部４ａ、　４ｂの一蘭側の電極
を省略するようＫしたもので、構成を単純化できる。

第１０図は、本発明の他の実施例の要部構成説明図であ
る。

不実施例においては、凹部２２の底面にスペーサ９ｂを
配置すると共に１固定体７の周面に鍔部７１を設け、こ
の鍔部７１にリング状に設けられた溝からなる可撓部７
１１を設けたものである。

応力検出部４を受力体２に抑圧固定する場合Ｋ、凹部２
２の底面に要求される平面度を、前もって、平面度をＮ
度よく作られたスペーサ９ｂを配置することＫより容易
に得られるよう圧したもので、凹部２２はそれ租精度よ
く仕上げる必要はなく、スペーサ９ｂの平面度を精度よ
く仕上げることは容易であるので、製作が容易とな９、
安価に作ることができる。また、可撓部７１１を設けた
ので、各構成部品の寸法のばらつき等により、過大な熱
応力が発生するのを防止することができるものが得られ
る０第１１図は、本発明の別の実施例の１！部構成説明図で
ある。

本実施例においては、応力検出部４．絶縁体６及び固定
体７をそれぞれ円筒状２円盤状に構成すると共に１絶縁
体６側に電極６１を構成し、電極よりのリード線６２を
中心軸部に構成された穴よシ引き出すよう圧したもので
、リード線取シ出しの容易なものが得られる。

なお、前述の実施例においては、受力体２は、管路１に
一端が固定され、他端が支持された場合について説明し
たが、両端共に管路１に固定されたものであってもよい
。

また、素子本体４１は、ニオブ酸リチウム（Ｌｉ！’Ｉ
’１ｌ）０３）よシなる圧電素子が用いられていると説
明したが、これに限ることはなく、たとえば、ジルコン
・チタン酸鉛（ＰＺＴ）等のセンイ、り系圧電素子でも
よく、要するに、圧電素子であればよい。

また、絶縁体６は、セラミックよシなると説明したが、
これに限ることはなく、絶縁材料より構成されればよい
。

また、応力検出部４ａ、仙で検出された同相のノイズ成
分は差動増幅器８３によシ差動的に処理されノイズ成分
はキャンセルされると説明したが、応力検出Ｗ４ｂの圧
電素子本体４１０分極の軸方向を逆転させる、あるいは
、応力検出部４ｂよ）取出したリードを第２人力処理回
路８２に逆接続して、応力検出部仙の出力を、応力検出
部４ｂの出力に対して逆位相になるようにし、両出力を
加算してノイズ成分をキャンセルするようにしてもよい
。このようにすれば、応力検出部４ｍ、　４ｂの出力の
一方の位相を電気的に逆転させる処理が不要になるので
安価にできる。

また、第２人力処理回路８２のゲインを調整すると説明
したが、曲げモーメントＭに基づく検出値が、差動増幅
器８３においてキャンセルできるようであれば第２人力
処理回路８２におけるゲイン調整回路はなくてもよい。

また、応力検出部４は円板状の素子本体４１と電極４２
．４３．４４よシなると説明したが、電極４２．４３゜
４４が別体となってもよいことは勿論である。

以上説明したように、本発明によれば、高温領域まで測
定でき、感度が高く、耐震性がすぐれ、堅牢な流速流量
測定装置を集塊することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来よシ一般に使用されている流速流量測定装
置、１／ｃ２図は第１図の部品説明図、第５図は本発明
の一実施例の構成説明図、第４図は嬉３図の曲げモーメ
ント線図、第５図は第３図の電気回路のプロ、り図、第
６図、１ＩＥ７図は本発明の別の実施例の要部説明図、
第８図〜第１１図は本発明の他の実施例の要部構成説明
図である。１・・・管路、２・・・受力体、２２・・・凹部、４＆
・・・ｌｌＸ２応力検出部、４ｂ・・・＠１応力検出部
、４１・・・素子本体、４２、４３．４４・・・電極、
６・・・絶縁体、７・・・固定体、８・・・電気回路、
８１・・・第１人力処理回路、８２・・・第２人力処理
回路、８３・・・差動増幅器、Ｆ・・・交番力、Ｐ・・
・外乱力、Ｍｖ・・・カルマン渦に基づく曲げモーメン
ト、Ｍα・・・外乱力に基づく曲げモーメント、Ｌ・・
・凹部２２の深さ。第１図１１第５図第６図　　　　　　第７図

Claims

【特許請求の範囲】

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
速又は流量を測定する流速流量測定装置において、管路
に直角に挿入された柱状の受力体と、皺受力体の軸方向
に設けられた凹部と、該凹部に配置され前記交番力と外
乱力とＫもとず自前記受力体に生ずる応力が零となるそ
れぞれの位置の少くとも一方の位置をはさんで設けられ
た２個の応力検出部と、前記受力体に固着され前記応力
検出部を前記凹部に押圧固定する固定体と、前記応力検
出部を絶縁する絶縁体と、前記２個の応力検出部の出力
を加算あるいは減算する加減算器とを具備し、前記凹部
の軸方向の様さが、温度の変化に伴い前記受力体と前記
応力検出部および前記絶縁体との間に生ずる熱膨張の差
を前記受力体と前記固定体との熱膨張の差により打消さ
れるような深さに設定されたことを特徴とする流速流量
調定装置。