JPS6127695B2 - - 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量計に関す
る。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、一般に気体では液体と
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。

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や安定度が測定精
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化を
直接、変位または力として検出するため、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、低流量域でま極くわずかな
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、振動子は圧力取入口
を連通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。また、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。
さらに、通常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
流量域では変化が過大となつて寿命が短くなると
いう欠点がある。

本発明の目的は、特に上記圧力取入口相互間の
洩れを少なくし、渦の圧力変化が振動子に有効に
作用するように構成することによつて上記の如き
欠点を除去し、低流速での感度が良好で、しかも
構造が簡単なカルマン渦流量計を提供することに
ある。

上記の目的は、本発明によれば、カルマン渦発
生体から発生する渦の圧力によつて振動する板状
部材を内蔵する渦検出装置内に、板状部材の回転
支点をほゞ頂点とする断面が二等辺三角形状の部
屋を形成するとともに、該二等辺をなす壁面に前
記渦の圧力を導く導圧孔を開口し、該部屋内で回
転変位する板状部材が変位した壁面に接触したと
き導圧孔をおゝうようにすることにより達成され
る。

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
渦を発生させるための渦発生体、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
生させるための第１のスリツト、５はこの２つの
スリツトを連通する部屋、６ａ，６ｂは前記スリ
ツト４ａ，４ｂの下流にあつて渦発生体の軸端近
傍の側面に設けた第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
ばアルミ等の非磁磁性体でできたハウジング、８
ａ，８ｂは管路１の管壁に開けられた孔９ａ，９
ｂを介して前記発生体２の第２スリツト６ａ，６
ｂとそれぞれ連通する導通孔である。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、
その一端１３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
構成されてる。軸受１４（第３図参照）は振動板
１２の支点を確保す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の中央に保持させた
ものである。こうすることにより、振動板１２の
バネ定数を極めて小さくすることができる。１
７，１８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よりも圧力を低下し、したがつて
これに連通した部屋１０の振動板１２の両側面に
圧力差が生じるので、この振動板１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
ンパー（緩衝部材）として作用する。まだ、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。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れて反対側に変位
し、壁面１１ｂで停止する。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。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８
ａ，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
量は極へて小さく、このため渦の圧力が損失なく
振動板１２に作用する。また振動板１２は磁石１
５とヨーク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１
６′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（第３図ｂ参照）およ
び部屋１０の底面に２８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
段と向上する利点がある。ここで、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１０と導圧孔８ａおよび８
ｂ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、
渦発生体の軸方向端部に第２のスリツト６ａ，６
ｂを設けてそこに導圧孔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があるときには光
がしや断され、反対の壁面１１ｂ側にあるときに
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―OFにより振動板の変位を検出する方法は、
渦周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
検知方法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
止例を示すもので、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８ｃ，８ｂ、この導圧孔８
ａ，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をするものが用いられる。この光フアイバ２
９は一つの端面を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。

以下の構成において、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Ｃ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およびヨーク１６等を有する。３２は
ヨーク１６の突１６′に巻き掛けたコイル、３３
はこのコイルの出力を増幅、波形整形するさめの
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。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石回
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特性値の変化に影響さ
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。

以上述べたように、本発明によれば、振動板の
振動の支点をほぼ頂点とする２等辺３角形の部屋
を設け、この壁面に渦の圧力を導く導圧孔を開口
し、振動板の変位を２等辺をなす壁面で規制する
とともに、導圧孔を振動板で閉塞することによ
り、流体の流通を最小にして渦の圧力を有効に利
用することができるので、渦の強さや２次的なノ
イズに影響されない安定な振動を行なわせること
ができ、したがつて検出回路の構成を格段と簡単
にできるものである。また、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
持するよう構成することができるので、振動板の
剛性に依存しない小さいバネ定数が得られ、検出
感度を向上できる。さらに固定部等の応力集中部
分もないので寿命増加する。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光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
らの反射光量が変化す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。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
位に伴なう磁束変化を検出することをできるの
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、したがつて汚損等の影響をな
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。さらに、渦発生体の軸方向端部の両
側面に渦の圧力を導入する第２のスリツトを設
け、該スリツトから渦の圧力を管路外の渦検出装
置へ導くことができるで、渦検出のための導圧孔
を短かくすることができるとともに、高周波数の
渦を劣化させることなく管路外に設置された渦検
出装置へ伝達することができ、したがつて、発生
体の直径のデイメンジヨンが多少異なつても共通
に使用できるなど実用上の利点がある。

【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…カルマン渦発生体、
３…渦検出装置、４ａ，４ｂ…第１スリツト、
８，１０…部屋、６ａ，６ｂ…第２スリツト、７
…ハウジング、８ａ，８ｂ…導圧孔、９ａ，９
ｂ，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、２
６…渦、２７…突出部、２８…底面、３０，３１
…光路、３２…コイル、３３…検出回路、３４…
振動板先端、３５…ギヤツプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 測定管路内に取付けられ、該管路内を流れる
   流体によりその両側面近傍に交互にカルマン渦を
   発生する柱状の渦発生体と、測定管路外に設けら
   れ、前記交互に発生する渦の圧力によつて振動す
   る振動部材を含む渦検出装置とを備えてなるカル
   マン渦流量計であつて、該渦検出装置内に前記振
   動部材の回動支点をほぼ頂点とする断面が二等辺
   三角形状の圧力検出室を形成するとともに、該検
   出室の二等辺をなす壁面のそれぞれに前記渦発生
   体から交互に発生した渦の圧力を導入する導圧孔
   をそれぞれ開口し、前記検出室内で振動部材が回
   動変位して壁面に接触したとき該該導圧孔を覆う
   ようにしてなることを特徴とするカルマン渦流量
   計。