JPS62163929A

JPS62163929A - 質量流量計

Info

Publication number: JPS62163929A
Application number: JP568586A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Oki; 大木　真一; Ichizo Ito; 伊藤　一造
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1986-01-14
Filing date: 1986-01-14
Publication date: 1987-07-20

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】（産業上の利用分野）本発明は、カルマン渦を利用して測定流体の質量流量を
測定する質量流量計に関するものである。

（従来の技術）流体中に物体を置くと、物体の雨後側面から交互にかつ
規則的に渦が発生し、下流に渦列となって流れることが
古くから知られている。この渦列はカルマン渦列といわ
れ、単位時間当りの渦の生成数（生成周波数）が流体の
流速に比例している。

そこで、測定流体を導く管路内に渦発生体を配埴し、渦
発生体によって流速に比例した渦を発生させ、渦の生成
による揚力変化を圧電素子、ストシンゲージ。容量やイ
ンダクタンス等のセンサで検出し、検出信号の周波数の
みを取り出して流体の流速や流量を測定する渦流量計が
実用化されている。ところで、一般に知りたい流量は化
学変化を行わせるプロセスではもちろんのこと、取引に
おいても質量流量であることが多い。また測定流体が気
体やスチームの場合には温度や圧力でその密度が大きく
変わり、液体の場合でも温度によりその密度がかなり変
化してしまう。このため渦流量計と並設して温度や圧力
を測定するか、密度計にて密度を測定し、質量流量を測
定している。しかし密度計と渦流量計とを用いると繁雑
高価であり、７ａ度や圧ツノ計と渦流量計との組合せで
は、繁雑高価であるばかりでなく、流体の温度の測定が
難しいことから精度や応答性も悪い。

ところで、第６図に示す如く、管路１に渦発生体２が配
置され、測定流体が管路１に流された場合に、渦発生体
２に作用する平均抗力Ｆｔ、、変動揚ツ７ＦＬや圧力損
失ΔＰは一般に次式で示される関係にある。

但しＣｃ）；　　抗力係数Ｃし　：　変動揚力係数Ｃｐ；　　圧力損失係数 ρ　；　密度Ｖ　：　流速平均抗力ＦＤ、変動揚力Ｆ１．圧力損失ΔＰは、抗力係
数０９．変動揚力係数Ｃシ、圧力損失係数Ｃｐが定数で
あれば、ρ■２に比例するので、渦周波￥ｌｆ＝を割算
すれば、ρ■が得られる。

このようなものとして、特開昭５７−６１９１６号［カ
ルマン渦を利用した測定装看」に変動揚力を検出し、渦
周波数で割算する例が示されている。

以下、特開昭５７−６１９１６号について説明する。

第７図はこの特開昭５７−６１９１６号の構成説明図で
ある。図において、１ａは測定流体が流れる管路、２ａ
は管路１ａに垂直に挿入された柱状の渦発生体で、その
両端は管路１ａに固定されている。、渦発生体２ａの本
体２１ａはステンレス等からなり、測定流体にカルマン
渦列を生ゼしぬかつ揚力変化を安定強化するような例え
ば台形等の断面形状を有している。

渦発生体２ａの頂部２２ａはステンレス等からなり、凹
部２３ａを有し本体２１ａとは溶接等により一体に形成
されている。２３１ａは凹部２３ａによって渦発生体２
ａに形成された外筒部である。　４１ａは圧電素子から
なる素子本体で、渦発生体２ａの凹部２３ａにガラス等
の絶縁材３ａによって封着され、渦発生体と一体に形成
されている。また素子本体４１ａは円板状をなし、その
中心が渦発生体２ａの中立軸と一致するように配性され
ている。さらに素子本体４１ａには、第８図に示すよう
にその表と裏にそれぞれ左右に分割して対称的に電ｆｆ
ｉ　４２ａ、　４３ａ、　４４ａ、　４５ａが設けられ
、電極４２ａと４３ａで挾まれた部分で第１の圧電セン
サ４６ａを形成し、電極４４ａと４５ａで挾まれた部分
で第２の圧電センサ４７ａを形成する。

そして第１．第２の圧電センサ４６ａ、　４７ａに生ず
る電荷が差動的になるように、電極４２ａと４５ａおよ
び電極４３ａと４４ａが各々結線され、かつ電極４２ａ
と４４ａからそれぞれリード線４８ａ、　４９ａが絶縁
材３ａを貫通して外部に取り出されている。８ａは検出
信号処理回路で、圧電センサ４６ａ、　４７ａで検出し
た交流電荷ｑを交流電圧ｅに変換する。９ａは比較器で
、交流電圧ｅを一定レベルのパルス信号Ｐに変換するた
めのものである。ＩＯａはＦ／Ｖコンバータで、比較器
出力のパルス信号Ｐをその周波数に比例した直流電圧Ｅ
１に変換する。Ｉｌａは整流平滑回路で、交流電圧ｅを
整流平滑し、その振幅に比例した直流電圧Ｅ２に変換す
る。１２ａは演算回路で、Ｆ／ＶコンバータＩＯａと整
流平滑回路１１ａの出力Ｅ１．Ｅ２に所望の演算を施し
、その出力に流体の密度または質量流量に関連した信号
を取出すためのものである。

このように構成した本発明において、管路１ａ内に測定
流体が流れると、渦発生体２ａはカルマン渦を発生させ
るとともに、渦の生成に基づく揚力変化を受ける。渦発
生体２ａは揚力変化を受けるとその内部に図示の如く中
立軸を挾んで逆方向の応力変化が発生する。この渦発生
体２ａに生ずる応力変化は絶縁材３ａ′？：渦発生体２
ａに一体に取付られた素子本体４１ａに伝達される。し
たがって第１．第２の圧電センサ４６ａ、　４７ａには
それぞれ揚力変化に対応して互いに逆位相の電荷量の変
化が生ずる。そして圧電センサ４６ａ、　４７ａに生ず
る電７ｉ７ｆｔは差動的に取り出され、リード線４８ａ
、４９ａ間には交番電荷ｑが生ずる。交番電荷ｑは検出
信号処理回路８ａで交流電圧ｅに変換される。交流電圧
ｅの周波数を比較器９ａおよびＦ／ＶコンバータＩＯａ
を介して取り出せば、（４）式の如く一般の渦流量計と
同様渦周波数ｆすなわち流速■に比例した電圧Ｅ、が得
られる。

Ｅ、　＝　Ｋ、Ｖ　　　　　　　　　　　　・＝　（４
）ただし、Ｋ１は比例定数一方交流電圧ｅの振幅を整流平滑回路１１ａを介して取
り出せば、整流平滑回路１１ａの出力Ｅ２は流体の密度
をρとすると次式で与えられる。

Ｅ２−に２　ρ■２　　　　　　　　　・・・（５）た
だし、Ｋ２は比例定数その出力Ｅｏは、となる。管路１ａの断面積をＳとすれば、質量流量Ｑｍ
は、Ｑｍ−ρＶＳ　　　　　　　　　　・・・　（７）で与
えられるので、Ｅｏは、となり、質量流量に比例した信号となる。

また演算回路１２ａで、Ｅ、を２乗した後Ｅ　２を割る
ようにすれば、出力ＥＯは、となり、流体の密度に比例した信号を得ることができる
。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、今、カルマン渦による変動揚力ＦＬ、抗
力ＦＤ及び渦周波数出力（体積流量）ＦはＦ−に、Ｖ　
　　　　　　　　　　　　　　　・　・・　（Ｉ２）但
しＦ、；　　変動揚力ＦＣ）：　　抗力Ｆν　；　渦周波数出力（体積流量）ＣＬ：　　変動揚力係数ＣＩ）；　　抗力係数 ρ　：　密度 ■　；　流速ｄ　：　渦発生体の流れに対向する直径Ｄ　；　管内直
径に１；　　定数したがって、（６）式におけるに、はとなる。

ここにおいて、変動揚力Ｆしを検出する第１．第２の圧
電センサ４６ａ、　４７ａは、絶縁材３ａで渦発生体２
ａに一体に取付けられている。したがって、周囲湿度の
変化に伴って、第７図のように圧電素子がガラス等の絶
縁材でＩ４着されている場合、ガラスのヤング率の温度
変化が、ステンレスのヤング率の温度変化と大幅に異な
るため、温度により圧電素子に加わる応力σは大幅に変
化する。

即ち、素子本体４１ａで検出される渦信号応力σは、近
似的に、と表わされる。但し、ここに、Ｅ２．：外筒部２３ａのヤング率１２、　　；　　、ｔｌ　　／／　　の断面二次モーメ
ントＥ、；絶縁材３ａのヤング率ｌ、　　；　　／／　　／／の断面二次モーメントＦＬ
；揚力渦流量計においては、出力周波数を対象とするので、圧
電センサ４６ａ、　４７ａの温度に対する感度変化は問
題とされないが、質量流量計の場合は、揚力の絶対値が
必要となるので、圧電センサ４６ａ、４７ａの温度変化
による感度変化は測定値に大きな影響を及ぼし大きな測
定誤差が生ずることになる。

本発明は、この問題点を解決するものである。

本発明の目的は、温度特性の良好な精度が高く、安価な
質量流量計を提供するにある。

（問題点を解決するための手段）この目的を達成するために、本発明は測定流体の流れる
管路と、該管路に挿入された柱状の受力体と、該受力体
に設けられた検出センサとを具備し、交番力として作用
するカルマン渦信号を利用して測定流体の質量流量を測
定する質量流量計において、前記受力体と一体成形にセ
ラミックで形成された後所要部分を分極することによっ
て構成された検出センサを具備したことを特徴とする質
量流量計を構成したものである。

（作用）以上の構成において、測定流体が管路に流れると、渦発
生体により測定流体の流速に比例した渦が発生する。こ
の渦により、受力体には交番力が作用する。この交番力
は、受力体に設けられた検出センサにより検出され、渦
周波数と変動揚力信号の絶対値とが検出され質量流量が
検出される。

この場合、高温の測定流体等により、受力体に温度変化
が生ずる。

以下、実施例について説明する。

（実施例）第１図は、本発明の一実施例の構成説明図である。第２
図は第１図のＡ−Ａ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、一端２１が管路１に固定されたステン
レス材よりなる渦発生体である。３は渦発生体２の龍端
２２に接続されたセラミック材よりなるトルクチューブ
部である。４．５は第２図に示す如く、トルクチューブ
部３の所要個所、この場合は、図の上下位置に配置され
たセラミック材よりなる検出センサである。検出センサ
４゜５は所要個所を分極することにより形成することが
できる。

第３図は第１図の電気回路６０（第１図に図示せず）の
ブロック図である。

６１．６２はチャージコンバータで、検出センサ４゜５
で検出した交流電荷ｑ１．Ｑ２を交流電圧）：ｓ＋、１
Ｅｓｚに変換する。６３は加減算回路で、チャージコン
バータ６１．６２から出力を加算して交流電圧Ｅ６．と
する。６４は第２増幅回路で、交流電圧Ｅ６３を増幅し
交流電圧Ｅ６４とする。６５は検波回路で、交流電圧Ｅ
８４を検波しＥｓｓとする。６６は整流回路で、交流電
圧ε６５のリップル分を除去する。６７はフィルタ回路
で、交流電圧Ｅ＠３に含まれる低周波あるいは高周波の
ノイズを除去し、交流電圧Ｅ８７とする６６８は第１増
幅回路で、交流電圧Ｅ８７を増幅し、交？１１？’ｌ圧
Ｅ６１１とする６６９はシュミットトリガ−回路で、交
流電圧Ｅｅｓを一定レベルのパルス信号Ｐ６゜に変換す
る。７ＩはＦ／Ｖコンバータで、パルス信号Ｐ８９をそ
の周波数に比例した直流電圧　Ｅｘに変換する。７２は
割算回路で、Ｆ／Ｖコンバータ７１と整流回路６６の出
力Ｅ７１．Ｅｅｓに所望の演算を施し、その出力に流体
の密度または質量流量に関連した信号Ｅ７２を取り出す
。７３はゲート回路で、第ｒ増幅回路６８からの交流電
圧Ｅ６ｅがシュミット回路６９の設定トリガレベルにま
で達しなくなった場合に、割算回路７２の出力を０とす
る。而して、整流回路６Ｇの時定数とＦ／Ｖコンバータ
７１の時定数をほぼ同じにし、かつ、渦信号のビート周
波数より大なるように構成されている。

以上の構成において、渦発生体２に作用するカルマン渦
により、トルクチューブ部３て検出される応力τはｒ　−Ｔ／　ｚｔｃｅ　ｐ　１ここに、τ；トルクチューブ部３に生ずる判断応力、Ｔ；渦発生体２に作用するトルク、Ｚｔ；）ルクチューブ部３のねじり断面係数、Ｄ；トルクチューブ部３の外径、ｄ：トルクチューブ部３の内径、 ρ；測定流体の密度、Ｖ；測定流体の流速、Ｌ；渦発生体２に作用する揚力、となる。そこで、応力τを流速信号Ｖで割算（回路演算
）することにより、質量流量ρＶが得られる。

而して、変動揚力信号の絶対値を正確に検出するため渦
周波数の帯域内でフラットなｆ特性の信号変換回路（チ
ャージコンバータ６１．６２と加減算回路６３）で物理
量を電気量に変換した後、同様に渦周波数の帯域内でフ
ラットなｆ特性を有する第２増幅回路６４で増幅し、そ
のまま検波回路６５の入力とした。

一方、渦周波数検出は信号変換回路（チャージコンバー
タ６１．６２と加減算回路６３）を通った後、渦信号に
含まれている高周波及び低周波ノイズを低減させるため
、フィルタ回路６７と第１増幅回路６８を通した後、シ
ュミット回路（コンパレータ）６９０入力とした。

以上の結果、変動揚力信号検出回路と渦周波数検出回路
とを信号変換回路の直後から別々に分けることにより、
変動揚力信号の絶対値を正確に測定することと、確実に
渦周波数を検出することとを両立させることができた。

而して、検出センサ４，５は渦発生体２と一体成形にセ
ラミックで形成された後、所要部分を分極することによ
って構成されているので、装置全体の構造は極めてシン
プルとなり、安価に作ることができる。

更に、検出センサ４，５は、渦発生体２と一体成形され
かつセラミックで形成されているので、材料のヤング率
の温度係数が小さく、温度変化に基づく、検出感度の変
化が小さいものが得られる６第４図は、本発明の池の実
施例の構成説明図である。

本実施においては、渦発生体２の管路内の接法体部分を
もセラミックで構成したものである。

渦発生体２と検出センサ４，５全体が一体で成形できる
ので、きわめてシプルな構造となり、かつ安価にするこ
とができる。

なお、管路１もセラミック材で構成されてもよい。渦発
生体２と管路１とを同一材のセラミックで構成すれば、
高温流体を測定する場合に、熱膨張による、特に、管路
Ｉによる誤差の発生を防止することができる。

第５図は、本発明の別の実施例の構成説明図である。

本実施例においては、渦発生体２の頂部２３に可撓部２
４を設け、この可撓部を分極して検出センサ４．５を構
成したものである。

（ｉ＠明の効果）以上説明したように、本発明は、測定流体の流れる管路
と、該管路に挿入された柱状の受力体と、該受力体に設
けられた検出センサとを具備し、交番力として作用する
カルマン渦信号を利用して測定流体の質量流量を測定す
る質量流量計において、前記受力体と一体成形にセラミ
ックで形成された後所要部分を分極することによって構
成された検出センサを具備したことを特徴とする質量流
量計を構成したので、検出センサは渦発生体と一体成形
にセラミックで形成された後、所要部分を分極すること
によって構成されているので、装置全体の構造は極めて
シンプルとなり、安価に作ることができる。

更に、セラミックのヤング率の温度係数は小さいので、
温度変化に基づく検出感度の変化が小さいものが得られ
る。

したがって、本発明によれば、温度特性の良好で精度が
高く、安価な質量流量計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Ａ−Ａ断面図、第３図は第１図の電気回路図、第４
図は本発明の池の実施例の構成説明図、第５図は本発明
の別の実施例の構成説明図、第６図は管路に渦発生体が
配置された場合の揚力等の説明図、第７図は従来より一
般に使用されている従来例の構成説明図、第８図は第７
図の部品説明図である。１・・・管路、２・・・渦発生体、２１・・・一端、２
２・・・細端２３・・・頂部、２４・・・可撓部、３・
・・トルクチューブ部、４．５・・・検出センサ、６ｏ
・・・電気回路、６１．６２・・・チャージコンバータ
、６３・・・加減算回路、６４・・・第２１曽幅回路、
６５・・・検波回路、６６・・・整流回路、６７・・・
フィルタ回路、６８・・・第１増幅回路、６９・・・シ
ュミットトリガ回路、７Ｉ・・・Ｆ／Ｖコンバータ、７
２・・・割算回路、７３・・・ゲート回路。第１図第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）測定流体の流れる管路と、該管路に挿入された柱
状の受力体と、該受力体に設けられた検出センサとを具
備し、交番力として作用するカルマン渦信号を利用して
測定流体の質量流量を測定する質量流量計において、前
記受力体と一体成形にセラミックで形成された後所要部
分を分極することによって構成された検出センサを具備
したことを特徴とする質量流量計。
（２）管路をセラミックて構成したことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の質量流量計。