JPS5953489B2 - 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
番の内部応力を検出して、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。

従来よりー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表面歪検出方式で
あり、歪検出素子は、主としてストレンゲージが用いら
れている。この場合、カルマン渦によるわずかな交番力
で感度よく検出できる歪を起させるためには、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
圧孔が流体中フ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ｉ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
体に固定体により一体構成となるように押圧固定して、
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。

図において、１は被測定流体の流れる円筒状の管路、２
は管路１に直角に挿入された柱状の渦発生体で、この場
合は両端が管路１に固定されている。２１は鍔状の渦発
生体の支持部である。

２２は渦発生体２の支持部２１側の一端に設けられた円
筒状の穴である６２は円板状の圧電素子部で、渦発生体
２の穴２２に着脱自由に挿入されている。

而して、第６図に示す如く、電極６２３，６２４が本体
６２の中心を挟んで交番力の作用方向に、おおよそ対称
になる如く設けられている。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６２
１の一面側に設けられている。一方、電極６２３，６２
４はほぼ弓形をなし、素子本体６２１の他面側に素子本
体６２１の中心を挟んで、対称形に設けられている。こ
のように構成すると、電極６２２一電極６２３、電極６
２２一電極６２４間に検出され．る渦信号は第４図Ａ，
Ｂ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。５は鍔を有する
円柱状の固定体で、ボルト５１を締めて穴２２に挿入さ
れた検出センサ部３１を渦発生体に押圧固定するように
構成されている。

このように構成すれば保守時等にノは渦発生体２は管路
１に取付けたまま、検出センサ部３１を渦発生体２より
取りはずすことができるので、測定流体の流れをとめる
ことなく圧電素子部６２の保守点検が容易にできる。

以上の構成において、管路１内に測定流体が流れると渦
発生体２にはカルマン渦により第１図に示す矢印ｘのよ
うな交番力が作用し、この交番力により圧電素子部６２
には第１図に示す如く渦発生体２の断面には渦発生体２
の中心軸をはさんで逆方向の交番の内部応力が発生し、
圧電素子部６２により内部応力の変化に対応した電気信
号にの場合は電圧の変化）が検出される。

この変化の回数を検出する事により渦発生周波数が検出
できる。本実施例では、第６図図示の圧電素子部６２の
電極６２２−６２３と電極６２２−６２４の出力を差動
的に処理することによつて２倍の電気信号を得ることが
できる。本発明では圧電素子部６２を固定体５により渦
発生体２に押圧固定し、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。したがつて
、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イが広
いことにある。今、たとえば０．３ｍ１ｓ〜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／ｓ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／ｓ〜６ｍ／
ｓ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／ｓ〜１０ｍ／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／ｓで０．００４８マイクロストレイン、１
０ｍ／ｓ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、内部応力検出方式ではセンサ部の剛性は
大でよいので堅牢にできる。

次に、第１図に示すような本発明の内部応力検出方式と
、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を設け、該可撓部４１
に一対の歪検出素子４２を渦発生体４の中心軸を挟んで
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
て比較する。

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。

管路系の振動が問題となるのは、その周波数Ｆ９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
カツトすると、渦信号Ｆｖの成分もカツトしてしまうの
で、電気的にこのノイズ成分を力ツ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ツトすること
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
Ｆｖ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Ｆ。が小さく、管路振動ノイズ
の周波数Ｆ，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。したがつて、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。応力
検出方式ではセンサ部が渦発生体と全く一体構造であり
剛性が大きい為、その固有振動数Ｆ。

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，Ｂ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。したがつて、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図示の如く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、応力検出方式では管路振動のノイズに対して
、ほ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、第６図
は第５図の要部の構成説明図である。

図において、６は検出センサ部で、穴２２に挿入され、
固定体５により穴２２に押圧固定されている。検出セン
サ部６は容器６１と、該容器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
するガラス材よりなる封着体６５で構成されている。検
出センサ部６を渦発生体２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。更に、第７図に示す如く、
電極６２３，６２４が素子本体６２１の中心を挟んで交
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６
２に発生する電圧は、第７図に略示の如く、たとえば、
ある瞬間においては＋−の如く生じるが、内部で打消し
合つ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６図に示した圧電素子
部６２は第８図Ａに示す如く円筒形状、第８図Ｂのよう
な長方体状或は第８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２の両端は管
路１に固定されていると説明したが、固定端一自由端、
或は、固定端一支持端の組み合せであつてもよい。

また、渦発生体２の固定方法は溶接、ねじ締め、ボルト
締め等いずれでもよいことは勿論である。

また、圧電素子部６２は前述の実施例においては、渦発
生体２の支持部２１側に設けられた穴２２に取付けられ
ていると説明したが、渦発生体の他端側に取付けられて
もよく、要するに内部応力の検出できる個所であればい
ずれの個所に取付けられてもよい。

圧電素子部６２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設明したが、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ツク系圧電磁器でもよ
く、要するに内部応力を検知できるものであればよい。

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

又接液部を耐食材でコーテイ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食性の測定流体に使
用することができ、耐食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、渦発生体に固定体により一体構成となるよ
うに押圧固定して、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、応力検出部は渦発生体と一体に構成され、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、渦発生体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
液部分には耐食材料が自由に選べ、しかも、コーテイン
グに対する制約もないので高腐食性の測定流体にも使用
することができる。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
管路振動によるノイズの影響の説明図、第５図〜８図は
本発明の他の実施例の説明図である。 １・・・・・・管路、２・・・・・・渦発生体、２１・
・・・・・支持部、２２・・・・・・穴、５・・・・・
・固定体、５１・・・・・・ボルト、６・・・・・・検
出センサ部、６１・・・・・・容器、６２・・・・・・
圧電素子部、６２１・・・・・・素子本体、６２２，６
２３，６２４・・・・・・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
   定流体が流れる管路と、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
   なるように押圧固定する剛性の高い固定体とを具備した
   ことを特徴とする流速流量測定装置。