JPS6127694B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の属する技術分野） 本発明は、流体の流れの中に挿入されるカルマ
ン渦発生体の両側面近傍に交互に生じる圧力変動
を利用して板状部材を変位させ、該変位振動数か
ら流体の流量を測定するようにしたカルマン渦流
量計に関する。

〔従来技術とその問題点〕

流れの中に挿入した物体の下流に発生するカル
マン渦列の周波数を検出して、流体の流速または
流量を計測する流量計は古くからよく知られてい
るところである。そして、気体では液体と異な
り、密度に比べて粘度（粘性係数）が大きいので
発生する渦も弱く、したがつて特に低流速域の渦
検出には高感度のセンサが必要である。しかしな
がら、感度の高い熱線やサーミスタ等の熱的素子
および超音波を用いる方法は、いずれも微少なア
ナログ信号を電気的に増幅する必要があるので、
センサおよび検出回路の温度特性または安定度が
測定精度、範囲に及ぼす影響が大きい。即ち、こ
の種用途としてはセンサの特性の影響が余りな
く、検出回路が簡単でかつ高感度なものが要求さ
れる。

ところで、この種の従来装置のうち、渦の圧力
で振動板を変位させ信号処理を容易にしたものと
して、例えば実公昭46−21501号公報に示される
装置がある。これは渦発生体の内部に室を設け、
この室の壁にその一端が固定された平板状物体か
らなる振動子を取付けたもので、該振動子の変位
周波数から流速または流量を求めるものである。
この種の装置は渦の発生による圧力変化を直接、
変位または力として検出しているため構造が単純
になる利点があるが、渦の発生による圧力変化は
流速、すなわち流量のほぼ二乗に比例する特性を
持つているため、低流量域では極くわずかな圧力
変化となり、充分に振動板またはダイヤフラムを
変位させることが難しくなる。即ち、この従来装
置では振動子の一端が固定されているので、金属
等の硬い材料では低流量域の渦の検出ができず、
またプラスチツク等の柔い材料を用いるとそれ自
身で中心を保持する機能がなく、したがつて静電
気等で周辺に付着しやすいと同時に、高流量域で
は変位が過大となつて寿命が短かくなるという欠
点がある。また振動子は、圧力取入口を連通する
通路の中で振動するので、圧力取入口相互間の洩
れが大きく、渦の圧力変化が有効に作用しない欠
点がある。さらに振動子が変位すると、これによ
つて流体が流れるので、この流れによる２次的な
振動が加わりノイズとなる欠点もある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は特に、上記振動子の支持機構を
改良することによつて上記の如き欠点を無くし、
低流速での感度が良く、かつ検出回路が簡単な渦
検出装置を提供することにある。

〔発明の要点〕

このような目的を達成するために、本発明は、
流体の流れの中に垂直に挿入される柱状のカルマ
ン渦発生体の両側面近傍に生じる圧力変動によつ
て変位せしめられる板状部材を磁性体により構成
して、その一端を磁石で吸着して支持し、かつ、
その他端にヨークを対向配置したことを特徴とす
る。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明の流量計の全体構成図、第２図
は渦発生体のＡ―Ａ断面図、第３図ａは渦の検出
装置の平断面図、第３図ｂはそのＢ―Ｂ断面図、
第４図は渦の圧力導入部の構造説明図である。

これらの図において１は管路、２はカルマン渦
を発生するための渦発生体、３は渦検出装置であ
る。４ａ，４ｂ（第２図参照）は渦発生体２の流
れ方向に直角な側面において軸方向に沿つて管路
１の半径方向全てに開口し、安定した渦を発生す
る第１のスリツト、５はこの１つのスリツトを連
通する部屋、６ａ，６ｂは前記スリツト４ａ，４
ｂの下流にあつて渦発生体の軸端近傍の側面に設
けられた第２のスリツトで、渦によつて発生する
圧力を導くためのものである。７は例えばアルミ
等の非磁性体でできたハウジング、８ａ，８ｂは
管路１の管壁に開けられた孔９ａ，９ｂを介して
前記発生体２の第２スリツト６ａ，６ｂとそれぞ
れ連通する導圧孔である。１０はこの２つの導圧
孔の中央に設けたほぼ三角形状の部屋で、この壁
面１１ａ，１１ｂに導圧孔８ａ，８ｂがそれぞれ
開口している。１２は鉄、ニツケル等の磁性体で
できた厚さ20μ前後の薄い振動板で、周縁を自由
にして、振動室１０内に挿入してあり、その一１
３を軸受１４を介して永久磁石１５で吸着保持
し、一端１３を支点として揺動可能である。ここ
で、振動板１２は変位したとき前記壁面１１ａ，
１１ｂで支持されると同時に、この壁面に開口し
た導圧孔８ａまたは８ｂを閉塞するよう構成され
ている。軸受１４（第３図参照）は振動板１２の
支点を確保するとともに、振動板を接地するため
のもので、0.1mm程度のベリリウム銅板のような
非磁性の薄い金属板でできている。１６はヨーク
で、前記磁石１５の一端に接続され、ハウジング
７を周回した磁石１５の他端と対向する位置に突
起１６′（第３図参照）が設けられギヤツプδ、
振動板１２および軸受１４を通る磁路を形成す
る。この突起１６′は部屋１０の中心に位置させ
られており、磁石１５による磁束を集中させ、振
動板１２を常時は部屋１０の中央に保持させるも
のである。こうすることによつて、振動板１２は
そのバネ定数を極めて小さくして振動させること
ができる。１７，１８はこの振動を検出するため
の一対の光フアイバで、一端を振動板１２を挾ん
で同軸に対向配置させてあり、他端にはそれぞれ
発光素子１９および受光素子２０を設けてある。
２１は薄い非磁性の金属板で、２３はこの金属板
に明けた光を通す孔、２２は部屋１０の気密を保
つためのシール部材で、透明な樹脂等でできてい
る。２４はフタで、前記部屋１０を形成する。ま
た、２５（第１，４図参照）は渦検出装置３を外
部磁界から保護するためのシールドケースであ
る。

次に動作について説明する。

いま、渦発生体２の上部に渦２６（第２図参
照）ができると、スリツト６ａ内の圧力は反対側
のスリツト６ｂよりも圧力が低下し、したがつて
これに連通した部屋１０内の振動板１２の両側面
に圧力差が生じるので、この振動板１２は導圧孔
８ａ側に変位し、壁面１１ａ（第３図ａ参照）に
衝突して停止する。壁面１１ａおよび１１ｂはほ
ぼ振動板１２の支点を通る平面としてあるので、
衝突時は振動板１２と壁面１１ａとの間の流体層
がダンバー（緩衝部材）として作用する。また、
振動板１２は壁面１１ａに開口した導圧孔８ａを
閉塞して導圧孔８ａ，８ｂ間の流体の流通を無く
すので、渦の圧力により壁面１１ａに確実に吸着
される。即ち、振動板１２は壁面１１ａに滑らか
に接近し、次いで確実な保持力が働くので、衝突
時のはね返り等も起らない。また、この流体層の
ダンピング作用は外部振動に対しても有効に働い
て振動の伝達を防止するため、SN比を向上させ
ることができる。

なお、上記実施例において、部屋１０の断面形
状を二等辺三角形としたが、これは導圧孔８ａ，
８ｂ間の流体の流通を少なくして渦の圧力を振動
板１２に有効に作用させることができる形状であ
れば、この形状に限らず、例えば長方形でもよい
ものである。

次いで、反対側に渦ができると、振動板１２は
ヨーク１６の突起１６′の磁力と導圧孔８ｂの渦
の圧力とにより吸引されて反対側に変位し、壁面
１１ｂで停止させる。即ち、振動板１２は一対の
渦の発生に伴い、壁面１１ａと１１ｂとによつて
その変位を規制された一定振幅の運動を繰り返す
こととなる。なお、この振動板の変位の過程で
は、振動板１２の周縁と部屋１０の内面との隙間
から流体の洩れが起る。しかし、この隙間を非常
に狭く保持すると同時に、前述したように導圧孔
８ａ，８ｂの開口を振動板１２よりも小さくして
流体が直接吹き抜けないようにしてあるので、洩
れ量は極めて小さく、このため渦の圧力は損失な
く振動板１２に作用する。また、振動板１２は磁
石１５とヨーク１６により磁気的に保持している
ので、一端を固定する方法に比してバネ定数を極
めて小さくできる上に、振動板１２の幅方向にも
突起１６′により磁気的に保持するので、振動板
１２はその支点近傍の突出部２７および部屋１０
の底面２８（第３図ｂ参照）と接触するだけであ
り、摩擦モーメントも小さく、微少な差圧でも大
きな変位が得られ、低流速の検出感度が向上する
とともに、広い計測範囲で振幅一定の運動が得ら
れる。さらにまた、振動板を磁石で保持したこと
により、振動板の剛性はバネ定数に関係しないの
で、剛性のある強度の高い材料も使用できるこ
と、また支点には全く応力が加わらないので、寿
命が格段に向上する利点がある。

こゝで、振動板１２を例えば20Hz〜１Hzに及ぶ
広い周波数範囲で安定に振動させるには、部屋１
０と導圧孔８ａおよび８ｂからなる流体系の固有
振動数を渦周波数領域より高域に設けて、渦の圧
力変化を直接振動板に作用させることが重要であ
るが、前述のように、渦発生体２の軸方向端部に
第２のスリツト６ａ，６ｂを設けてそこに導体圧
孔８ａ，８ｂを最短距離で開口したので、流体系
の固有振動数を高くすることが可能で、渦を安定
に検出することができる。

次に、振動板１２の変位回数の検出は、例えば
この振動板と斜交して設けた光通路を振動板１２
で断続することにより行なわれる。即ち、第３図
ａに示されるように壁面１１ａ側に振動板１２が
あるときは光がしや断され、反対の壁面１１ｂ側
にあるときは光が透過する。したがつて、振動板
１２が一往復すると１個の光パルスが得られ、こ
れにより渦周波数を検出することができる。この
ように光のON―OFFにより振動板の変位を検出
する方法は、渦周波数に依存しない一定振幅の信
号が得られるので、信号処理が容易となる利点が
ある。また、この実施例では光路を振動板と斜交
して設けてあるが、この方法に限るものではな
い。

すなわち、第５図ａおよび第５図ｂは光学的な
検知手段の変形例を示す要部構成図で、これらの
図からも明らかなように、前者は振動板１２の一
部を折り曲げて振動板の面に平行に設けた光路を
断続するようにしたもの、また、後者は振動板１
２自体に厚みを持たせて光路を断続するようにし
た例を示すものである。

第６図は振動板の光学的変位検出手段の他の実
施例を示すもので、振動板の変位検出素子として
反射光センサを用いたものである。なお、第６図
ａは全体構成図、第６図ｂは動作説明のための部
分拡大図、第６図ｃはセンサの特性図である。こ
の検出装置は前述の第１の実施例と同様、渦の圧
力を導入する導圧孔８ａ，８ｂ、この導圧孔８
ａ，８ｂ、この導圧孔８ａ，８ｂを連通する部屋
１０、この振動室１０内に挿入した振動板１２、
この振動板１２を磁気的に保持する磁石１５およ
びヨーク１６とを有する。２９は振動板１２の変
位を検出するための光フアイバで、例えば同軸に
二つの光路３０および３１を有するものが用いら
れる。この光フアイバ２９は一つの端面を振動板
１２の振動面にほぼ垂直に対向させて部屋１０の
壁面に開口させてあり、他端には発光素子１９お
よび受光素子２０を設けてある。

以上の構成において、光路３０から出た光は振
動板１２の表面で反射され光路３１に入射する。
振動板１２が壁面１１ｂに接触すると反射光は入
射せず、反対側に変位すると反射光が入射する。
即ち、振動板１２の一往復に対応した光信号が得
られ、これにより渦周波数を検出することができ
る。一般に、反射型センサの入射光量Ｐは、反射
面との距離ｌによつて第６図ｃの曲線Ａのように
変化するので、最大変位距離Ｌが単調増加領域内
にあるように距離ｌを選べば良い。この方法は、
光フアイバが一本で良く、かつ光軸のズレの影響
がないこと、また流体の流通路および磁路との干
渉もなくなるので、構造が簡単となる利点があ
る。

第７図は振動板の変位検出手段のさらに他の実
施例を示すもので、振動板の変位を検出する手段
として磁気回路の磁束変化を検出する例である。
なお、第７図ａは全体構成図、第７図ｂは動作説
明のための部分拡大図である。この検出装置は前
述の実施例同様に、渦の圧力を導入する導圧孔８
ａ，８ｂ、この導圧孔８ａ，８ｂを連通する部屋
１０、この部屋１０内に周縁自由に挿入した振動
板１２、この振動板１２を磁気的に保持するため
の磁石１５とヨーク１６等を有する。３２はヨー
ク１６の突起１６′に巻き掛けたコイル、３３は
このコイルの出力を増し、波形整形するための電
子回路である。

以上の構成において、振動板１２が振動する
と、この振動板の先端３４とヨーク１６の突起１
６′とのギヤツプ３５の距離ｌが変化するので、
突起１６′を通る磁束が変化する。この磁束変化
は振動板１２の一往復に２回発生するので、コイ
ル３２に生じる誘導起電力を検出することによ
り、交互に発生する渦周波数を検出することがで
きる。この方法は、振動板を保持するための磁気
回路の磁束変化を検出するので、別個に変位検出
器を設けることもなく構造が簡単となり、コスト
が低下する利点がある。また、信号は渦の周波数
に比例した振幅を持つた出力となるが、ここでは
単に起電力の方向の変化のみを検出すれば良いの
で、検出器や処理回路等の変化に影響されない。
さらにまた、検出器は直接流体に接触しないの
で、汚染されることもないなど、実用上の効果が
大である。また、この実施例ではコイルを用いて
いるが、ホール素子、磁気抵抗素子等磁束変化を
検出しうるものであればなんでも良い。

なお、上述した実施例においては、いずれも、
ヨーク１６がハウジング７を取囲んで、永久磁石
１５の磁束の帰路を形成しているが、空気の磁気
抵抗を我慢すれば、ヨーク１６がハウジング７を
一巡する必要はなく、極端な場合にはヨーク突出
部１６′だけでもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、渦の圧力
で変位する振動板を従来装置のごとく一端を固定
保持するのではなく、振動板を磁性体としてその
一端を磁石で吸着し、他端にヨークを対向配置し
て磁力で保持するよう構成したので、振動板の剛
性に依存しない小さなバネ定数が得られ、検出感
度を向上させることができる。さらに、固定部等
の応力集中部分もないので、寿命も増加する。ま
た、振動板の変位検出手段を振動板の振動面に斜
交する光路と、その光路両端に設けた一対の発、
受光素子とで構成し、振動板の変位によつてこの
光路を断続するか、または振動板にほぼ直交して
一端を開口する２つの光路と、その他端に設けた
一対の発、受光素子とで構成し、振動板の変位に
よつて振動面からの反射光量を変化させるように
構成することができるので、構造が簡単で、かつ
振幅一定な電気出力を直接得ることができる。さ
らにまた、振動板の変位検出手段として振動板を
保持するための磁気回路に磁束変化を検知する手
段を設け、振動板の変位に伴う磁束変化を検出す
ることができるので、検出器を直接流体に接触さ
せないで検出することも可能であり、したがつて
汚染等の影響を無くすことができるとともに、構
成を簡略にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す全体構成図、第
２図は第１図のＡ―Ａ断面図、第３図ａは渦検出
装置の平断面図、第３図ｂはそのＢ―Ｂ断面図、
第４図は渦の圧力導入部の構造図、第５図は光学
的な変位検出装置の変形例を示す要部構成図、第
６図ａは光学的な変位検出装置の他の実施例を示
す全体構成図、第６図ｂはその部分拡大図、第６
図ｃはセンサの特性図、第７図は変位検出装置の
別の実施例を示す構成図である。 符号説明、１……管路、２……ルマン渦発生
体、３……渦検出装置、４ａ，４ｂ……第１スリ
ツト、５，１０……部屋、６ａ，６ｂ……第２ス
リツト、７……ハウジング、８ａ，８ｂ……導圧
孔、９ａ，９ｂ，２３……孔、１１ａ，１１ｂ…
…壁面、１２……振動板、１３……振動板端部、
１４……軸受、１５……永久磁石、１６……ヨー
ク、１６′……ヨーク突出部、１７，１８，２９
……光フアイバ、１９……発光素子、２０……受
光素子、２１……金属板、２２……シール部材、
２４……フタ、２５……シールドケース、２６…
…渦、２７……突出部、２８……底面、３０，３
１……光路、３２……コイル、３３……検出回
路、３４……振動板先端、３５……ギヤツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体の流れの中に挿入されるカルマン渦発生
   体の両側面近傍に交互に生じる圧力変動を利用し
   て板状部材を変位させ、該変位振動数から流体の
   流量を測定するようにしたカルマン渦流量計にお
   いて、前記板状部材を磁性体により構成して、そ
   の一端を磁石で吸着して支持し、かつその他端に
   ヨークを対向配置したことを特徴とするカルマン
   渦流量計。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載のカルマン渦流
   量計において、前記板状部材の変位を光学的に検
   出する変位検出手段を設けてなることを特徴とす
   るカルマン渦流量計。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載のカルマン渦流
   量計において、前記板状部材の変位を磁気的に検
   出する変位検出手段を設けてなることを特徴とす
   るカルマン渦流量計。