JPS61500276A - 電荷検出型流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般的には、導管を通って運動する流体の流量を測定する装置に関し 、特に、流れな妨害して変調された部分流な発生させる形式の流量計であって、 その部分流によって発生せしめられる電気的作用に応答するセンサを備えた前記 流量計に関する。

２、従来技術の説明 弁やエルボの曲りなどのさまざまな妨害部を迂回して導管内を運動する流体が、 その流体内に電気的作用を生じることが知られている。ＲａｂｅｎおよびＨｅｍ Ｄに対して発行された米国特許第４・３６３．２４４号には、そのような電気的 作用に対して感度を示す流量計が開示されている。Ｒａｂｅｎおよび）！ａｍｐ は、この電気的作用が、流体内の電荷に起因すると考えられることを教示してい る。従って、これらの電荷を含有する流体が導管を通って運動する時は、流体の 流れに沿って配置された一連の電極によって検出しうる雑音信号が発生する。前 記第４．５６５．２４４号特許に開示されている発明の１特徴は、受口される雑 音信号の平均周波数が流体の流量に比例することを教示している点にある。

しかし、電荷は流体内に不規則に分布して（・ると考えられるので、受信信号は 不規則に存在する多くのピークな含むことになり、容易に検出され処理されうる 明確に定まった滑らかに変化する信号にはならない。

従って、流体の流量の計算には統計的方法が必要となる。受信信号のぎ−クは時 間的に広く散布しているので、短時間内に行なわれた流量計算の正確さは全て劣 ったものになる。従って、前記特許は、比較的低速度で反応する装置を開示して いると思われる。

さらに、前記第４．！＋６！１．２４４号特許には、受信雑音信号の各部を２乗 し、積分し、除算し、またその平方根を決定する諸回路の使用が教示されている 。これらの回路は聞知のものであるが、要求される精度が高くなるのに伴い、こ れらの回路は一層複雑になり高価になる。

Ｈｅａｄに対して発行された米国特許第３．８１３．９３９号には、運動流体内 に含まれた電荷に応答する、もう１つの流量計が開示されている。Ｈｅａｄの特 許には、電荷な含有する流体の運動によって発生せしめられる赤信号の検出のた めに、導管内に配置された１対の電極を使用しうろことが教示されている。既知 距離の間隔を有するこれらの２電極が発生する信号は、増幅され、互いに代数的 に結合せしめら終て差信号を生じる。

この差信号を自己相関器に印加すると、電荷の移動時る。しかし、前記第３．８ １３．９３９号特許には、そこに説明されている発明が、流量の大きい変化に応 答して警報装置または安全弁を作動させる場合のように、比較的低精度と低速応 答とが許容される場合に限って適するものであることが認められている。換言す れば、Ｈｅａｄによって開示された流量計は、依然として統計的処理を基礎にし ているので、前記第４．３６＆２４４号特許に開示されている装置に関し前述し た欠点と同じ欠点を有する。

上述の理由により、第４，３６３，２４４号特許および第３，８１３．９３９号 特許に開示されている流量計は、一般に産業工程への応用には適さない。従って 、導管内を運動する流体が発生する電気的作用に応答する時、比較的に高速度で 正確に動作する改良された流量計が所望される。

発明の要約 移動流体から発生する電気信号の検出に用いられる従来技術の流量計における上 述の問題点および制約は、本発明により克服されるが、本発明においては、変調 要素が周期的に流体流の一部をそらせ（または、これに影響を与え）で、部分流 を形成する。ここで使用される部分流という用語は、本発明の擾乱（または影響 ）要素が存在していなかった場合の流れの形態の何らかの乱れな意味するもので あることを述べておかなくてはならない。変調要素は、運動流体の流速に比例し た発生周波数で部分流な発生させるようになっている。

この部分流は、センサ内に電気信号を誘起する。この電気信号は、部分流の発生 周波数に等しい、明確に識表わすことになる。本発明の電気信号の特性周波数は 、広いスペクトル分布を有する信号の平均同波数を計算するよりも容易に検出さ れるので、この装置を用いれば、信号の検出および処理回路は、前述の回路より も簡単になる。

本発明の１実施例においては、流体流内に通常の渦発生体が置かれ、渦の形式の 部分流が発生せしめられる。センサは、２つの電極と、この２電極に接触され、 渦発生過程によりこれらの電極に誘起された電圧を検出するための、高入力イン ピーダンス差動増幅器とを備えている。この増幅器から発生する信号は、渦の発 生速度に対応した主ピーク周波数をもった電力密度スペクトルを有する。増幅器 からの信号は、渦発生周波数に等しい周波数をもった正弦波に近い信号になるの で、流体流速度の測度として使用することができる。

ピーク周波数は鋭く画定されているので、統計的方法な用いることなく容易に検 出される。従って、本発明の装置は、流量の広い範囲において高速度で応答し、 正確な濶定な行ないうるため、多くの産業工程に用いるのに適する。また、本発 明６装置は、可動部分なもたないので、苛酷な環境にも耐え５るように極めて堅 牢忙作り５る。さらに、電極を動作させて、これに流量信号を誘起するために外 部電源を必要としないように、電極を受動性のものとすることができる。

本発明の他の諸特徴および諸利点は、添付図面な参照しつつ行なわれる以下の説 明において明らかにされる。

第１Ａ図は、本発明の流量計の断面図で、検出用電極は電気絶縁材料で作られた 導管内を運動する流体に接触している。

第１Ｂ図は、導電性材料で作られた導管において用いるための、第１Ａ図の流量 計を示す。

第２図は、電圧信号を検出するための処理回路の電気的概略図である。

第３図は、非接触形電極を用いた本発明の流量計の断面図である。

第４図は、電流信号？検出するための処理回路の電気的概略図である。

第５Ａ図は、電極が渦発生体に取付けられ、渦の発生位置の下流に置がれるよう になっている、本発明の実施例を示す。

第５Ｂ図は、電極が渦発生体の上流面に取付けられた、本発明のもう１つの実施 例を示す。

第６図は、センサが、流体の運動によって発生せしめられた電流の作る磁界に応 答するようになっている、本発明の実施例を示すう 第７図は、センサが、流体の運動によって発生せしめられた電流の作る磁界を検 出するための、導管の回りに巻かれた導電性フィルを有する、本発明のもう１つ の実施例を示す。

第８図は、単一電極を用いた本発明の実施例を示す。

第９図は、第８図に示されている回路の代わりに用いるのに適した電気回路を示 す。

実施例の詳細な説明 第１Ａ図は、本発明の流量計１０の断面図である。

通常の渦発生９体１２は絶縁性導管１４内に（図示さ゛れていな（・手段によっ て）取付けられており、流体はこの導管内を矢印１６で示された方向へ流れる。

周知のように、流体が上流表面１８の非流線面の回りを流れる時、渦発生体１２ の付近の流体流部分は、表面１８の鋭い輪郭に沿って流れることができないので 、渦発生体から離れてシャ一層を形成する。このシャ一層内には大きい速度勾配 があるので、このシャ一層は不安定であり、ある長さの移動の後には分解してカ ルマン渦として知られる明確な渦になる。これらの渦は、表面１８のそれぞれの 側に交互に形成される回転流領域をなす。渦の発生速度（周波数）は、運動流体 の流量の変化に応じて変化することを理解すべきである。

１対のボタン形電極２０．２２は導管に取付けられ、導管の側壁を貫通している 。これらの電極は、運動流体に接触し、それぞれの渦から発生する信号を受信す るためのボタン形の表面を有する。導管１４は、通常電気絶縁性材料によって作 られる。しがし、第１Ｂ図に示されているように、もし導管１４が導電性材料に よって作られている場合には、電極２ｏおよび２２を導管から絶縁して、電極が 拾った信号が管壁へ領絡されて失われることのないようにしなくてはならない。

従って、第１Ｂ図に示されているように、電極２０゜２２をそれぞれ導管１４が ら絶縁するために、１対の絶縁体２４．２６が用いられる。

再び第１Ａ図において、そこには電極２０．２２をそれぞれ信号処理回路３２の 入力に接続する２つの電気導線２８．３０が示されている。信号処理回路３２に ついては、後に詳述する。運動流体内に存在する電荷は、層内にも存在すること を理解すべきである。何らかの電荷の運動は関連する電界に変化を発生させるの で、それぞれの渦が下流へ移動するのに伴い、電極には電圧変化が誘起される。

渦の発生周波数は運動流体の流量に比例するので、電極２０．２２内に渦によっ て誘起される電圧信号は、渦の発生周波数と同じ特定の明確な同波数を有する。

第２図には、電極２０．２２に誘起された電圧信号を検出するのに適した回路３ ２Ａが示されている。電気導線２８．３０はそれぞれ、演算増幅器３４．３６の 非反転入力（記号中によって示されている）に接続されている。回路導線３５は 、演算増幅器３４の反転入力（記号−によって示されている）を、その出力に接 続している。同様にして、回路導線３７は、演算増幅器３６の反転入力−な、そ の出力段に接続している。

これら２つの演算増幅器は、高インピーダンスバッファとして働く。これら２つ の演算増幅器の出力は、次にそれぞれ抵抗３８および４０に接Ｍされる。これら ２つの抵抗の他の側は、それぞれ演算増幅器４２の非反転入力および反転入力に 接続される。この増幅器４２は利得１の差動増幅器として働く。抵抗４１は、演 算増幅器４２の反転入力な、その出力段に接続する。この出力段はまた、抵抗４ ７の１端部にも接続されている。この抵抗の他端部は、演算増幅器４４の反転入 力に接続されているうキャパシタ４８は、演算増幅器４４の反転入力を、その出 力段に接続する。増幅器４４の非反転入力は、接地５０に接続される。抵抗３９ は、増幅器４４の出力を、増幅器４２の非反転入力に接続する。

ここで、増幅器４４、抵抗３９および４７、およびキャパシタ４８が全体で、演 算増幅器４２の出力に現われる信号中の低周波雑音を消去する回路を形成してい ることを述べておかなくてはならない。前述のように、電極２０および２２に誘 起される電圧は、渦の発生速度に等しい特定の周波数を有する。従って、このて 伝送された後、最終的には演算増幅器４２の出力に信号５３として現われる。こ の信号は次に、ヒステリシスをもって動作する比較器５２に印加され、方形波パ ルス５４となる。それぞれの方形波パルスは、信号５３の正弦波パルスに対応し ている。方形波信号５４な受けるように接続されたカウンタ５６は、単位時間毎 のパルス数をカウントする動作を行ない、それによって信号５４の同波数を測定 する。カウンタ５６がら発生するカウント信号は、端子５７へ供給され、導管１ ４内な運動する流体の流量な表わす。比較器回路５２およびカウンタ５６の回路 は周知であるから、詳述はしない。しかし、適当な諸回路は、Ｐ、ＨＯｒＯＷｉ ｔＺおよびＷ、Ｈｉｌｌ著の［Ｔｈｅ　Ａｒｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ 　Ｊと題する書籍（１９８０年）に説明されている。

上述の構造かられかるように、回路３２Ａは、本出願の従来技術の項に述べた２ つの特許に開示されている回路よりも簡単である。回路３２Ａは、流量を表わす 信号を発生させるために、信号の２乗、平方根、および積分を決定する機能を必 要とすることはない。さらに、この回路は流量を表わすために周波数を用いてい るので、本発明はディジタル方式においても使用可能である。

上述の回路３２Ａは、導電性流体に対して適していることを指摘しておかなくて はならない。しかし、非導電性流体に適用する場合には、電気導線２８および３ ０のそれぞれへの接続に対し、抵抗５８および５９を用いることが好ましい。こ れらの２つの抵抗は、導線２８および３０を接地５０へ接続する。電気導線２８ および３０によって伝えられる電流信号は、望ましくない直流成分を有するので 、これらの２つの抵抗５８および５９により直流成分な接地へ分路し、回路３２ Ａの動作に対して悪影響を及ぼさないようにするのである。

所定の直流バイアス電圧が所望される場合には、そのバイアス電圧を（電圧源ｖ Ｏから）抵抗６１を経て、それぞれの電極へ印加することができる。この構造に よれば、信号の品質を改善し、あるいは電極を電気化学的侵食から保護すること ができる。

第６図には、導管１４が電気絶縁材料で作られ、１対の電極６０．６２が運動流 体と接触しないようにされた、本発明のもう１つの実施例が示されている。これ らの電極はそれぞれ、好ましくは導管１４の外側に取付けられた箔の形式のもの とされる。この構造においては、導管１４を貫通する穴な形成する必要がないの で、電極をシールし、流体の漏れを防止する問題は回避される。さらに、非接触 性電極の使用により、流体の侵食性が強いか、または流体が摩純性の粒子を含む 場合への適用の際に生じる、電極の侵食、摩粍、または損傷の問題も回避される 。また、この構造においては、接触性電極の場合に通常起こる電極の分極をも避 けることができる。

第４図には、（第３図に示されている）信号処理回路３２として用いるのに適し た回路が、回路３２′として示されている、この回路には、電流検出用増幅器と して用いられる、演算増幅器６４および６６が含まれている。電気導線２８およ び３０は、これらの増幅器のそれぞれの反転端子に接続される。これらの増幅器 の非反転端子は、それぞれ固定電位に保たれるが、この固定電位は、抵抗ＲＱ経 て接地５０電位となるか、または抵抗６３を経て電圧源ｖｏにより供給される所 望のバイアス電圧となる。これら２つの増幅器のそれぞれの出力は、抵抗６５お よび６７を経て反転入力へ帰還される。この構造により、これらの増幅器は電流 検出用増幅器として使用できる。２つの帰還素子６８および６９は、それぞれ抵 抗６５および６７に並列に接続されている。これら２つの帰還素子は、本技術分 野において周知の低面波安定化回路として働き、電気導線２８および３０を経て 伝えられた信号内の、望ましくない低同波成分を除去する。

演算増幅器６４および６６のそれぞれの出力は、抵抗７０および７３の１端部に 接続されている。これらの抵抗の他端部は、それぞれ演算増幅器７２の非反転入 力および反転入力に接続されている。抵抗７１の１端部は接地５０に接続され、 その他端部は演算増幅器７２の非反転入力に接続されている。この増幅器の出力 は、抵抗７４を経て同増幅器の反転入力へ帰還される。第４図に示されているよ うに、増幅器７２の出力は正弦波形５３を有する電流信号である。この信号は比 較器５５に供給され、比較器５５は、（第２図に示されている）比較器５２と同 様に動作するので、その出力は方形波パルス５４を有する信号となる。カウンタ ５６は方形波パルス５４を受け、所定時間内に存在するパルス数をカウントする ことにより：方形波パルス５４の周波数を決定する。端子５７に現われるカウン タの出力信号は、導管内を運動する流体の流量を表わす。

局内の電荷によって発生せしめられろ電界を検出するために使用される電極は、 導管に取付けられるとは限らない。従って、第５Ａ図においては、電極８０は、 渦発生体１２の側部８２に取付けられている。第２電極（図示されていない）は 、渦発生体１２の側部８４に取付けられている。図かられかるように、側部８２ ゜８４は、渦が発生せしめられる表面１８から下流に配置されている。渦発生体 １２は通常金属によって作られているので、電極８０は側部８２から絶縁体８６ によって絶縁されろ。側部８４に取付けられた他の電極に対してもまた同様の絶 縁体が用いられている。１対の通路８８．９０は、２つの電極な電気導線９２． ９４により信号処理回路３２の入力に接続し５るようにするため°に、渦発生体 １２に形成されたものである。

第５Ｂ図には、電極の別の配置が示されており、この場合は、１対の電極１００ ．１０２は表面１８に取付けられている。この場合も、もし渦発生体１２が導電 性材料によって作られていれば、電極を渦発生体から絶縁するために１対の絶縁 体１０４，１０６が用いられる。１対の通路１０８．１１０は、導線９２．９４ をそれぞれの電極に接続できるようにするために、渦発生体１２に形成されたも のである。これらの電極は、渦が側端縁１１２，１１４から交互に発生せしめら れ、そのためにそこから発生せしめられる部分流が交互に表面１８を越えて（往 復して）移動するので、電界を検出することになる。換言すれば、渦が９２の側 から発生せしめられた後には、次の部分流は９４の側へ移動して、その側から渦 を発生する。その後、渦はこの発生形態を繰返すので、渦は２列（路）をなして 発生することになる。

第６図は、本発明のさらにもう１つの実施例の正面断面図（すなわち、渦発生体 １２の上流表面１８に向かって見た図）である。渦発生体１２は透磁性材料で作 られ、磁気抵抗の小さい磁気ループをなす変成器鉄心１２０の一部をなす。第１ Ａ図に示されている電極２０．２２に交流電気信号を誘起する現象はまた、渦の 発生周波数に等しい周波数で交番する磁界を発生させる。その磁力線は変成器鉄 心内を通り、ピックアップコイル１２２に電流を誘起する。ピックアップフィル に接紛された電気導線１２４および１２６は、誘起された電流を信号処理回路３ ２へ供給する。回路３２は、第２図に示されているような電圧検出型のものか、 または第４図に示されているような電流検出型のものとすることができる。

第７図は、本発明のもう１つの実施例の部分断面図であり、この実施例において は導管１４の回りに配置されたフィル２００が上述の交番磁界を検出する。この 構造においては、第６図の変成器鉄心１２０が不要となり、渦発生体１２は磁気 感受性材料でない材料で作ることができる。

本発明の実用実施例が作られ、さまざまな運動流体を用いて試験が行なわれた。

直径１インチの導管内を水（導電性流体）が流れる場合、第１Ａ図に示されてい る形式の流量計は、１７．５　ｆｐｓ　（フィート毎秒）と１、Ｑｆｐｓとの間 の範囲内の流量の測定でよい結果を与えた。直径４インチの導管内で使用された もう１つの大形実用実施例は１６．５　ｆｐｓと０．１２　ｆｐｓとの間の範囲 内の水の流量の測定でよい結果な与えた。さらに、導管のレイノルズ数が約３０ ００であった場合に、使用可能な流量信号が得られた。

第５図に示されている形式の流量計は、油（非導電性流体）が流れている４イン チ導管内に使用され、１１．８　ｆｐｓと１．７　ｆｐｓとの間の範囲内の流量 の測定を行なうことができたう 蒸気の流量の測定な行なうための実用実施例も作られ、使用された。湿り蒸気（ ２相蒸気）が内部な通過している２インチ導管内において、第１ＢＩｆｆｌに示 されている形式の流量計は、３５．５立方フィート毎分と６　Ｅｌ、８立方フィ ート毎分との間の範囲内の流量を測定しえた。乾き蒸気（ガス状流体）が通過し ている同じ導管においては、この流量計は、６３．８立方フィート毎分と４６７ ．４立方フィート毎分との間の範囲内の流量な測定しえた。

以上においては、いくつかの実施例について説明したが、これらは単に例示的な 目的で取上げたものであり、本技術分野において通常の知識を有する者ならば改 変が可能であることがわかるはずである。例えば、第２図に示されている回路は 、第６図に示されている流量計ボデーおよび電極と共用することができる。さら に、第４図に示されている回路は、第１Ａ図および第１３図に示されている流量 計ボデーおよび電極と共用することができる。

さらに、渦発生過程から生じる交流電気信号の検出には、単一電極を使用するこ とができる。その１構造は、第８図に示されている。電極２０は回路３００に接 続されており、この回路はシングルエンド信号を受け５るように改変された回路 ３２（第２図に示されている）である。第９図には、回路３００の代わりに使用 できる電流検出回路３ｏＯ′が示されている。図がらわかるように、回路３００ ′は、シングルエンド信号ヲ受けうるように改変された回路３２′（第４図に示 されている）である。

本発明はまた、変調された部分流を発生させるのに渦発生体を使用するように限 定されているのでもない。

そのわけは、羽根構造のような他の適当な構造を用いて回転形の部分流を発生さ せることもできるからである。

従って、本発明は例示された実施例によって限定されるものではなく、請求の範 囲によってのみ限定されるものである。

ＦＩＧ、　ｆＡ ＦＩＣ０３ ＦＩＧ、　４ Ｆｌに、　７ Ｆｌに、　９ 手続補正書（方式） 昭和６０年１２月９日

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．導管内を流れる運動流体が該流体と共に流れる電荷を含有する場合に、該導 管内において該運動流体の流速を測定する装置であつて、該流速に比例した発生 速度で流体の部分流を周期的に発生せしめる変調装置と、該流体の部分流のそれ ぞれの内部の電荷に応答して該流体の部分流の前記発生速度に対応した周波数を 有するセンサ信号を発生するセンサ装置と、を備えている、運動流体の流速測定 装置。
2. ２．請求の範囲第１項において、前記変調装置が前記運動流体の流れの中に置か れた渦発生体を含んでいる、運動流体の流速測定装置。
3. ３．請求の範囲第１項において、前記センサが、前記流体の部分流のそれぞれの 内部の前記電荷の電界に応答して電気信号を発生する電極と、該電気信号に応答 して前記センサ信号を発生する装置と、を備えている、運動流体の流速測定装置 。
4. ４．請求の範囲第３項において、前記電気信号が電圧信号である、運動流体の流 速測定装置。
5. ５．請求の範囲第３項において、前記電気信号が電流信号である、運動流体の流 速測定装置。
6. ６．請求の範囲第５項において、前記電極が前記運動流体と接触している、運動 流体の流速測定装置。
7. ７．請求の範囲第３項において、前記電極が前記運動流体と接触しないように絶 縁されている、運動流体の流速測定装置。
8. ８．請求の範囲第１項において、前記運動流体が非導電性のものである、運動流 体の流速測定装置。
9. ９．請求の範囲第３項において、前記電極が前記渦発生体の上流面に取付けられ ている、運動流体の流速測定装置。
10. １０．請求の範囲第３項において、前記電極が前記渦発生体の下流部分に取付け られている、運動流体の流速測定装置。
11. １１．請求の範囲第３項において、前記導管が導電性材料で作られ、前記電極が 該導管から電気的に絶縁されている、運動流体の流速測定装置。
12. １２．請求の範囲第３項において、前記導管が電気絶縁性材料で作られている、 運動流体の流速測定装置。
13. １３．請求の範囲第１項において、前記運動流体が導電性のものである、運動流 体の流速測定装置。
14. １４．請求の範囲第１項において、前記流体が液体である、運動流体の流速測定 装置。
15. １５．請求の範囲第１項において、前記流体が気体である、運動流体の流速測定 装置。
16. １６．請求の範囲第１項において、前記流体が２相を有している、運動流体の流 速測定装置。
17. １７．請求の範囲第１項において、前記センサ装置が、前記流体の部分流のそれ ぞれの内部の前記電荷の運動によつて発生せしめられた磁界に応答する装置を含 んでいる、運動流体の流速測定装置。
18. １８．請求の範囲第１７項において、前記変調装置が前記運動流体の流れの中に 置かれていて、透磁性材料で作られており、前記センサ装置が該変調装置に接続 された変成器鉄心と、該鉄心に結合せしめられて前記磁界を検出するようになつ ている検出コイルとを含んでおり、該検出コイルが応答することによつて前記セ ンサ信号を発生するようになつている、運動流体の流速測定装置。
19. １９．請求の範囲第１７項において、前記センサ装置が、前記磁界に応答して前 記センサ信号を発生するための、前記導管に巻かれた導電性コイルを含んでいる 、運動流体の流速測定装置。 発明の詳細な説■