JPS6032809B2 - 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、禍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。

本発明の目的は測定流体主流の影響や流体の局所的な乱
れの影響を受けずＳ／Ｎ比が良く、簡単な構成により堅
牢で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
図の横断面図である。

図において、１は測定流体の流れる管路、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に固定された断面台形状のものを示したが、他の
形状、例えば断面矩形状或は三角形状のものでもよい。

３は渦発生体の側表面部に渦発生体の軸を挟んで対称に
流路とほぼ直角方向に対向して設けられた応力検出部で
、応力検出素子３１と封着体３２よりなる。応力検出素
子３１はこの場合は円板状をなし、ニオブ酸リチウム（
ＬｉＮｂ０３）よりなる庄電素子が使用されている。封
着体３２は絶縁材よりなり、応力検出素子３１を渦発生
体２の側表面部に渦発生体２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。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Ｙのような交番力が渦発生体の側表面上に作用する。

この交番力により渦発生体２には交番の内部応力が発生
し、応力検出部３１により内部応力の変化が（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
部として庄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・０．・ｔ
‘１’０．＝ｎ・岳 ■こ
こで、ｄ：圧電定数 ｔ：電極間隔離 ｎｌ：定数 ＡＩ：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
釆より一般に用いられて釆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はブリツヂ回路に組み込まれた、歪ゲージ一個当りで
は、△Ｖ２＝三子二＝Ｋ；・晋 ‘３１０２＝ｎ
２・角 （４’ ここで、Ｋ：ゲージフアクタ ｅ：印加電圧 ご：歪 。

２：応力 Ｅ：ヤング率 ｎ２：定数 Ａ２：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簸かしい。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案に比例
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ィが広いことにある。今、たと
えば０．３〜１伍ｈ／ｓの流速範囲を測定しようとする
と歪は約１００ぴ音の変イＧ範囲となる。金属の場合、
繰返し耐え得る安全使用限界は１００〜２００マイクロ
ストレィン程度である。これを最大流速１０ｈ／ｓに対
応させると、最４・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氏電素子
を使用しても、堅牢な礎造での歪の検出は困難である。
測定範囲をたとえばｌｍ〜品ｈ／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。

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３図に示す
ように渦発生体４に板状の可榛部４１を設け、該可榛部
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
振動により禍信号を差動的に取り出す方法（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、図の上方
に設けられた検出素子を第１検出素子、下方に設けられ
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ｆｐが渦信
号の周波数ふの帯城に含まれ、その管滋振動の出力が渦
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がをカ
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（渦信号の周波数帯城より高い周波
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わが渦信号
の周波数ｆｖの帯城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ｍは渦信号の周波数Ｎの帯
城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ｍが小さく、管絡振動ノイズの周波数ｆ
ｐに近い値を取り、この管路振動ノイズの周波数ｆｐで
可操部が振られやすく、この振れは第４図Ａ，Ｂ図示の
渦信号と同じように第４図にＤに示すように第１検出素
子と第２検出素止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４図Ｅ，Ｆの如
くなる。したがって、出力信号は第４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５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５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５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５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６図Ａ，Ｂは本発明の他の実施例の構成説明図である
。

Ａは渦発生体２をＢ−Ｂ面で対称形に分割し、有底の穴
２１，２２に応力検出素子３１を封着体３２で封着した
後再び溶着４、たとえば溶接したものである。

Ｂは底を有する円筒状の容器２３，２４に応力検出素子
３１を封着体３２で封着し、これを渦発生体２に設けら
れた凹部２５，２６に容器２３，２４の底部が渦発生体
２の側表面に露出するように溶着４されたもので、いず
れも、渦発生体２又は容器２３，２４が測定流体に接し
、封着体３２が測定流体に直接接しない利点を有する。

なお、前記封着体３２としてガラスを使用すれば、【１
１ 内部応力を確実に素子に伝えられる。

‘２１ イｂ学的に安定であり、耐食性があり経年変化
が少し、ｏ【３’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５００℃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。

また、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−自由端、
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
締め等のいずれべもよいことは勿論である。

また、応力検出部３は応力検出素子３１と封着体３２よ
りなると説明したが、これにかぎることはなく、応力検
出素子３１を渦発生体２に直接押圧取付けたものでも良
く、或は接着剤で接着しても良く、要するに渦発生体２
に生ずる内部応力を感担度よく検出できるものであれば
よい。

応力検出素子３１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
ウムや水晶等の圧軍性結晶、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
。

但しセラミック系圧電磁器はキュリー温度が一般にガラ
ス封着作業温度より低いので封着終了後再分極処理を行
う、ガラスの絶縁耐圧は十分大なので再分極は容易であ
る。また、封着体３２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体でもよく、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
て耐食材料に選ぶことができる。又穣液部を耐食材でコ
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
はないので高腐食性の測定流体に使用することができ、
耐蝕性のすぐれた菱鷹が得られる。以上説明したように
、本発明は測定流体に接しカルマン渦の発生により交番
力が作用する渦発生体の側表面に応力検出部を設けて前
記交番力により渦発生体に生ずる内部応力を直接的に検
出するようにし、この応力の交番の回数を計測して渦周
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。

この場合、応力検出部が渦発生体の渦流域内の側表面に
設けられているので、渦放出による側表面上の圧力差を
内部応力として、直接的に検出できることができ、この
渦流域内の検出部分は渦流域外の測定流体主流の圧力、
たとえば測定流体の脈動による圧力等を受けないのでＳ
／Ｎ比の良い信号が得られる。

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、測定流体との接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食
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姿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
食性の測定流体領域の測定をも可能となる。また管麹振
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
図の横断面図、第３〜５図は管路振動によるノイズの影
響の説明図、第６図Ａ，Ｂは本発明の他の実施例の構成
説明図である。 １・・・・・・管路、２・…・・渦発生体、３・・…・
応力検出部、３１・・・・・・応力検出素子、３２・・
・・・・封着体。 緒／１角弟Ｚ図 弟Ｊ図 弟子図 弟ら函 繁Ｊ図

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、渦
   発生体の測定流体に接し交番力の作用する側表面部に設
   けられた内部応力検出部を具備し該内部応力検出部によ
   り渦発生体に生ずる交番の内部応力を検出するようにし
   た事を特徴とする流速流量測定装置。