JPS6032808B2

JPS6032808B2 - 流速流量測定装置

Info

Publication number: JPS6032808B2
Application number: JP52063123A
Authority: JP
Inventors: 武弘沢山; 一宏潮見; 敏夫阿賀
Original assignee: Yokogawa Hokushin Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1977-05-30
Filing date: 1977-05-30
Publication date: 1985-07-30
Also published as: JPS53148470A

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
番の内部せん断力を検出して、渦信号として取り出した
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。

本発明の目的は、管路や測定流体を伝幡してくる振動ノ
イズの影響を受けることがなく、かつ簡単な構成で、感
度、安定性に秀れ、堅牢で耐久性のあり、使用可能温度
範囲の広い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、第２図は第１
図の要部斜視図である。

第１，２図において、１は測定流体の流れる管路、２は
管礎１に直角に挿入された柱状の渦発生体で、この場合
は両端が管略１に固定された断面三角形状のものを示し
たが、他の形状、例えば断面矩形状等でもよい。

２１は渦発生体２に連結された支持部で、この場合は円
筒状に構成されている。

２２は支持部２１を介して渦発生体２を支持する取付け
フランチ、３１は円筒状の検出センサ部で、支持部２１
の円筒内に設けられ、せん断応力に対して感度の大きい
性格を有するものが用いられている。

この場合はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０３）よりなる
圧電素子が使用されている。

３２は封着体で、絶縁材よりなり、検出センサ部３１を
支持部２１の円筒内に周囲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いる。而して、検出
センサ部３１と封着体３２により応力検出部３が構成さ
れる。以上の構成において、管路１内に測定流体が矢印
×の方向に流れ、渦発生体２に流れがあたると、その後
流速に渦が発生する。

この渦により、渦発生体２に生ずる交番の揚力により、
渦発生体２には曲げモーメントＭとねじりモーメントＱ
が働く。支持部２１にはこのねじりモーメントＱにより
せん断応力が生じ、検出センサ部３１により内部応力の
変化（こ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。
今、検出センサ部として圧電素子を使用した場合につい
て、その検出原理を説明すると、圧電素子は応力〇，を
受けると圧電効果により電圧△Ｖ，を発生する。

式で示すと次の如くなる。△Ｖ，＝ｄ・〇．・ｔ
｛１｝Ｆ
‘２，〇・＝ｎｌ太ここで、ｄ：圧電定数ｔ：電極間距離ｎ，：定数Ａ，：センサ部の剛性Ｆ：渦放出による交番力本発明の内部応力検出方式では渦発生体内に生じる応力
を直接検出するものであり、小さな応力でも充分な出力
が得られる。

この結果、センサ部の剛性を大きくするこができる。従
来より一般に用いられて来た歪ゲージを使用した歪検出
方式では、渦発生体内に生じた応力を物体の表面上の歪
みに変換し、これを検出するもので、その発生電圧△Ｖ
２はブリッヂ回路に組み込まれた、歪ゲージ一個当りで
は、△Ｖ２＝基子二＝Ｋ；・青 ‘３１Ｆ
‘４，０２＝−・勾ここで
、Ｋ：ゲージフアクタｅ：印加電圧ご：歪ひ２：応力Ｅ：ヤング率山：定数ん：センサ部の剛性で表わされる。

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。歪検出素子として圧電素子を用いた場合に
おいても、物体表面に生じた歪により圧電素子が応力う
け、電気的出力が得られる。この場合においても、大き
な出力を得るためには大きな歪を物体表面上に生じさせ
る必要がある。以上の如く、歪検出方式では本質的に堅
牢なセンサを作るのが難かしい。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案に比例する。したがって、歪も流速の２黍に比例
する。カルマン渦を利用した流速流量測定数量の特徴の
１つにはしンジアビリテイが広いことにある。今、たと
えば０．３〜１仇ｈ／ｓの流速範囲を測定しようとする
と歪は約１００の音の変化範囲となる。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。これを技大流速側ｈ／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マイクロストレィ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又は圧電素子を
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ｌｍ／ｓ〜８ｈ／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。以上説明したように、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。

この場合、カルマン渦の放出により生ずる交番力により
、渦発生体２には第１図に示すように曲げモーメントＭ
とねじりモーメントＱが働き、曲げモーメントＭにより
伸縮応力。

ｏが、ねじりモーメントＱによりせん断応力。ｏが渦発
生体に生じ、内部応力となる。前述【１｝式の応力り，
はこの伸縮応力。ｏあるいはせん断応力７ｏである。
本発明装置においては、せん断応力に対して感度の大き
い特性を有する応力検出素子が用いられているのでせん
断応力７ｏを検出する事になる。したがって、応力検出
素子の装贋位置はせん断応力が発生する個所であれば、
いずこでもよい。第３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、検出センサ部３１は支持
部２１の円筒内に固着３３されている。

この場合は接着剤により接着されている。固着方法とし
ては、たとえば接着、溶接、圧入等を用いることができ
る。第４図は本発明の別の実施例の構成説明図である。
図において、３１は円筒状の検出センサ部で支持部２１
の円筒内に着脱自由に挿入されている。

５は鍔を有する円柱状の固定体で、ボルト５１を締めて
支持部２１の内筒内に挿入された検出センサ部３１を支
持部２１内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により
取りはずすことができるので、測定流体の流れをとめる
ことなく検出部センサ部３１の保守点検が容易にできる
。第５図Ａ，Ｂ，Ｃ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、支持部
２１の円筒内に挿入され、封着体３２により支持部２１
の円筒内に封着されているもので、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をができて製作が容
易となる。

Ａは検出センサ部６を底を有する円筒状の容器６１と、
該容器６１内に着脱自由に挿入されたニオブ酸リチウム
よりなる円板状の圧電素子部６２と該圧電素子部６２を
容器６１１こボルト６３１を用いて押圧固定する鍔部６
３２を有する円柱状の固定体６３とで構成したもの。

Ｂは検出センサ部６を容器６１と、該容器６１内に挿入
固着６４された円板状の圧電素子部６２で構成したもの
で、固着方法としてはたとえば接着、溶接、圧入等を用
いることができる。Ｃは検出センサ部６を容器６１と、
該容器６１内に挿入された円板上の圧電素子部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で構成したものである。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６２
１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。−方、電極６２３，６２４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６２２一電極６２４間に
検出される渦信号は第８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８図Ｃの如く、
第８図Ａ，Ｂに比して２倍の出力が得られる。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。なお、第７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のような長万体状或は
第９図Ｃの如きドーナツ盤状に構成されてもよい。

なお、前記封着体３２，６５としてガラスを使用すれば
、‘１１内部応力を確実に素子に伝えられる。

■ イヒ学的に安定であり、耐食性があり蓬年変化が少
し、ｏ‘３１樹脂系の接着剤を使用した場合に比して
、耐熱性が高くなる（ガラスの熔融温度５００ｑｏ以上
）。

｛４１素子の固定と電気的な絶縁を同時に達成するこ
とができる。

等の利点が得られる。

なお、前述の実施例においては、渦発生体２の両端は管
略１に固定されていると説明したが、固定端一目由端、
或は、固定端−支持端の組み合せであってもよい。

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

また、応力検出部３は前述の実施例においては、渦発生
体２の取付けフランヂ２２側の支持部２１内に取付けら
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。

検出センサ部３１或は圧電素子部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、封着体３２，６５はガラスでなく、たとえばセラ
ミック系あるいはセメント系の封着村でもよく、要する
に渦発生体２に生ずる内部応力が応力検出素子に確実に
感度よく伝達され、電気的に絶縁され、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。又薮液部を耐食材でコ
ーティングした場合においても、従来装置のダイヤフラ
ムや感Ｖ熱素子等を用いた場合に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
、本発明はカルマン渦の放出により渦発生体に使用する
交番のねじりモーメントにより渦発生体に生ずる内部せ
ん断応力を応力検出部により検出し、この内部せん断応
力の交番の回数を渦発生周波数を検出して測定流体の流
速或は流量を測定するようにした。この結果、管略や測
定流体を伝幡してくる、例えばポンプ、コンブレッサー
、ダンパーの開閉等による流体振動ノイズ、（主として
管略の麹方向或は管路の軸と直角方向に微小変動するも
のが殆んどで伸縮応力。ｏに影響を及ぼす。）による影
響を受けることながく、測定流体の流速或は流量が微小
な値になってもＳ／Ｎ比が低下することがない。したが
って測定流体の流速または流量を広い範囲に亘つて高精
度で測定を行うことができる。また、応力検出部は渦発
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、測定流体との薮液部分には耐食材料が自由に選べ
、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、応力検
出素子の渦発生体への封着体に耐熱性の高い、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図は第１
図の要部斜視図、第３図〜第６図は本発明の他の実施例
の構成説明図、第７図は第６図の要部構成説明図、第８
図は差動出力の説明図、第９図は本発明の別の実施例の
構成説明図である。１・・・・・・管路、２・・・・・・渦発生体、３・・
・・・・応力検出部、３１……検出部センサ部、３２…
…封着体、５・・・・・・固定体、５１・・・・・・ボ
ルト、６・・・・・・検出センサ部、６１・・・・・・
容器、６２・・・・・・圧電素子部、６５・・・・・・
封着体。次 ′ 図〆２図〆Ｊ図〆４図〆Ｊ図久ク図オ７図〆８図〆？図

Claims

【特許請求の範囲】

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に直角に挿入された渦発生体と、該
渦発生体に生ずる内部せん断応力を検出する応力検出部
とを具備してなる流速流量測定装置。