JPS6231852Y2

JPS6231852Y2 -

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Publication number: JPS6231852Y2
Application number: JP1981086713U
Authority: JP
Priority date: 1981-06-15
Filing date: 1981-06-15
Publication date: 1987-08-15
Also published as: JPS57199819U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本考案は、測定管路内に設けられ該管路内を流
れる流体によつて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が導入され
る渦検出装置とを備えたカルマン渦流量計に関す
る。

〔従来の技術〕

この種の従来装置としては、渦の発生に伴なつ
て生じた圧力変動を圧力取出管によつて渦発生体
が取付けられた測定管路外に導出し、該測定管路
外に設けられた渦圧力検出装置によつて渦の周波
数を検出するようにしたカルマン渦流量計が多数
知られている（たとえば、実開昭48−83850号公
報，実開昭48−83866号公報等参照）。

〔考案が解決しようする問題点〕

しかしながら、これらのカルマン渦流量計にお
いては、一般に測定管路内の流速分布の関係か
ら、渦による圧力を導入する導圧孔は測定管路の
中心付近に設けられ、したがつて圧力検出装置を
測定管路の外部に設置するような場合において
は、導圧孔から圧力検出装置に至る迄の距離が長
くなる（この傾向は測定管路の径が大きくなる程
顕著となる。）ため、渦によつて発生した圧力が
減衰してしまい検出が困難になるという欠点があ
つた。

したがつて、本考案は上記に鑑みなされたもの
で、渦検出装置を測定管路の外部に持つカルマン
渦流量計において、渦の発生に伴なう圧力変動が
減衰することなく有効に渦検出装置へ伝達される
ようにし、もつて圧力変動を安定に検出し得るよ
うにすることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

このような目的を達成するために、本考案は、
冒頭で述べた種類のカルマン渦流量計において、
渦発生体は、流体の流れとほぼ直交する両側面に
おいて軸方向の総てにわたつて開口されしかも左
右両側面が軸方向の総てにわたつて連通するよう
に形成された渦発生用スリツトと、この渦発生用
スリツトの下流側において軸方向端部の両側面に
それぞれ開口されるがその両側面を連通すること
なくしかも前記渦発生用スリツトとは流体的に連
通することなく独立的に設けられた渦圧力導入用
スリツトとを有し、渦検出装置は、前記渦圧力導
入用スリツトと連通して渦発生体により交互に発
生した渦の圧力をそれぞれ導入する導圧孔を有す
ることを特徴とする。

すなわち、本考案は次のような技術的検討過程
を経て成されている。

測定管路内に渦発生体を挿入しただけでも渦
が発生されるが、この場合、渦の強度は、層流
の流速分布と同じように、管路中心部が一番大
きく、そして管壁に向かつて小さくなる。従つ
てこのような渦強度分布のもとでは、管路中心
部の渦を検出するのが、測定感度上一番好まし
い。

しかしながら、渦検出装置を同様に管路中心
部（つまり渦発生体中心部）に設置すれば、そ
のような利点を活かせるが、渦検出装置を管路
内に設置出来ない場合もあり、このような場合
にはどうしてもかかる渦検出装置を管路外に設
置しなければならない。

ところが、そのような場合には、今度は、上
述のごとく、管路中心部（つまり渦圧力導入用
スリツト）と渦検出装置との距離が長くなり、
そのために、渦によつて発生した圧力が比較的
細い孔を通つて伝播されるうちに可成り減衰し
てしまい検出が殆ど不可能になる欠点が新たに
派生する。この渦圧力の減衰は、測定管路の口
径が大きく成れば成るほど、大きくなる。

ところで、渦圧力導入用スリツトを渦発生体
の軸方向端部に設けると、そのスリツトと渦検
出装置の導圧孔とが最短距離にて連通可能とな
るので、渦圧力の減衰を回避することができ
る。

しかしながら、前記の如く、渦発生体の軸方
向端部での渦強度は管路中心部の渦強度よりも
小さく、そのために測定感度上若干問題があ
る。

そこで、本考案者等が種々検討と実験を繰り
返した結果、かかる渦圧力導入用スリツトの上
流側に、流体の流れとほぼ直交する両側面にお
いて軸方向の総てにわたつて開口されしかも左
右両側面が軸方向の総てにわたつて連通するよ
うに形成された渦発生用スリツトを設けること
により、渦強度分布を、渦発生体の軸方向に沿
つてつまり管壁から管路中心部に到るまで、ほ
ぼ一様にすることができ、その結果管壁付近の
渦強度を高めることができる効果が生じること
が判明した。

ただし、その際に、本考案者等の実験によれ
ば、かかる渦圧力導入用スリツトを渦発生用ス
リツトと流体的に連通させると渦強度分布が乱
され、好ましくないことも判明している。その
ために、本考案においては、渦圧力導入用スリ
ツトは渦発生用スリツトとは流体的に連通する
ことなく独立的に設けられる。

〔実施例〕

以下図面により、本考案の実施例について説明
する。

第１図は本考案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図は渦の圧力導
入部の構造説明図、第４図ａは渦の検出装置の平
断面図、第４図ｂはそのＢ−Ｂ断面図である。

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、安定な渦を発生
させるための第１のスリツト、５はこのスリツト
を連通する部屋、６ａ，６ｂは前記スリツト４
ａ，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（第４図参
照）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の管壁に開けた孔９
ａ，９ｂを介して前記発生体２の第２スリツト６
ａ，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８
ａ，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いる。軸受１４（第４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４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の磁束を
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。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を挟んで同軸
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。２
４はフタで、前記部屋１０を形成する。また、２
５（第１，３図を参照）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、過発生体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４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比を向上するこ
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されて反対側に変
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
よつてその変位が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
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、渦の圧力が損失
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（第４図ｂ参照）お
よび部屋１０の底面２８と接触するだけであり、
摩擦モーメントも小さく微小な差圧でも大きな変
位が得られ、このため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。

ここで、振動板１２を例えば20Hz〜1kHzに及
ぶ広い周波数範囲で安定に振動させるには、導圧
孔８ａ，８ｂ、孔９ａ，９ｂおよびスリツト６
ａ，６ｂを経て伝達される渦の圧力変動を部屋１
０に導くための管路を短かく、つまり導圧孔，ス
リツト等からなる流体系の個有振動数を高くして
渦の圧力変化を直接振動板１２に作用させること
が重要である。

この点について第５図を参照して説明する。

第５図は渦によつて発生した圧力変動を部屋に
導くための管路を本考案のように短かく構成した
場合と、従来の如く比較的長く構成した場合とを
比較して説明するための構成図および特性図で、
第５図ａは上記管路が短かい場合を示す構成図、
第５図ｂは上記管路が比較的長い場合を示す構成
図、第５図ｃはスリツトおよび部屋内における渦
周波数と圧力との関係を示す特性図、第５図ｄは
渦周波数と振動板の変位との関係を示す特性図で
ある。なお、同図ａ，ｂにおいて使用されている
記号は第１〜４図に示されるものと同じで、その
構成，機能についても上記と同様であるから、
こゝでは説明を省略する。ただし、３６ａ，３６
ｂは導圧管であり、P₁〜P₄は各スリツトおよび部
屋における圧力を表わすものである。

これらの図からも明らかなように、渦発生体２
の管路中央部では渦の圧力変動は大きいが、導圧
管３６ａ，３６ｂが長いために周波数が高くなる
と、渦の圧力変動が減衰してしまい、振動板に十
分な力が作用せず、変位させることができなくな
る。一方、渦発生体の軸方向端部では圧力変動は
小さい（第５図ｃにおいて、圧力P₁およびP₂はそ
れぞれP₃およびP₄よりも小さい）が、導圧管が短
かく、渦の圧力変動は減衰せずに振動板１２に作
用するので、結果的に振動板を十分変位させるこ
とができる。

なお、振動板１２はその質量と磁気回路の吸引
力で定まる共振周波数を発生する渦の最低周波数
_v（第５図ｃ参照）と一致させてある。すなわ
ち、この振動板に一定の外力が作用した場合の変
位の周波数応答は第５図ｄの曲線ＢまたはＣに示
すように渦周波数に対してほぼ二乗に反比例して
減少するのであるが、前述したように、この振動
板に作用する渦の圧力変動は逆に渦周波数の二乗
に比例して増加するので、結局振動板の変位は第
５図ｄの点線Ａで示されるように、渦周波数に依
らず一定となる。つまり、導圧管３６ａ，３６ｂ
が長いと前述の如く渦の圧力変動は減衰してしま
うので、振動板１２の変位は渦周波数が増加する
につれて二乗に反比例して低下し、渦の検出が不
可能となる。

これに対して本考案では渦発生体２の軸方向端
部に第２のスリツト６ａ，６ｂを設けて、そこに
導圧孔８ａ，８ｂを最短距離で開口したので、渦
の圧力変動はそのまま振動板に作用し、渦周波数
に依存しない一定振幅の運動が行なわれ、したが
つて、容易に渦周波数を検出することができると
同時に渦発生体の構造も簡単となり、実用上の効
果が大きい。

また、振動板の共振周波数を発生する渦の最低
周波数に一致させたので、振動板自身が自己保持
できるようバネ定数を持たせたにもかかわらず、
低流量域の感度を上げることができる。

第６図は上記の如く構成された渦流量計の特性
図で、この図からも明らかなように、流速と渦周
波数との間にはその全域にわたつて直線関係が得
られることとなり、高精度の検出が可能となるも
のである。

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４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７図ａおよび第７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１２
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８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８
図ａは全体構成図、第８図ｂは動作説明のための
部分拡大図、第８図ｃはセンサの特性図である。
この検出装置は前述の実施例と同様、渦の圧力を
導入する導圧孔８ａ，８ｂ、この導圧孔８ａ，８
ｂ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（同図ｂ参照）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８図ｃ
の曲線Ｄ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９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９図ａは全体構成図、第９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８ａ，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の突起１６′に巻
き掛けたコイル、３３はこのコイルの出力を増幅
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。

〔考案の効果〕

以上に説明したように、本考案においては、 (1) 渦発生用スリツト４ａ，４ｂを、渦発生体２
の流体の流れとほぼ直交する両側面において軸
方向の総てにわたつて開口しかつ左右両側面が
軸方向の総てにわたつて連通するように形成し
たこと、 (2) 渦圧力導入用スリツト６ａ，６ｂを、その渦
発生用スリツトの下流側において渦発生体２の
軸方向端部の両側面にそれぞれ開口されるがそ
の両側面を連通させることなくかつ前記渦発生
用スリツトとは流体的に連通することなく独立
的に設けたこと、との構成上の２つの相乗効果を利用するので、導
圧孔および部屋等で構成される流体系の固有振動
数を高くすることができ、したがつて、高周波数
の渦を減衰させることなく測定管路外に設置され
る渦検出装置に伝達することができる。その結
果、検出精度が向上し、渦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することが
できるなどの利点を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案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図は渦の圧力
導入部を示す構造図、第４図ａは渦検出装置の平
断面図、第４図ｂはそのＢ−Ｂ断面図、第５図は
渦によつて発生した圧力変動を部屋に導くための
管路を本考案の如く短かく構成した場合と、従来
の如く比較的長く構成した場合とを比較して説明
するための構成図および特性図、第６図は本考案
による渦流量計における流速と渦周波数との関係
を示す特性図、第７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８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８
図ｂはその部分拡大図、第８図ｃはセンサの特性
図、第９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、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、３
６ａ，３６ｂ……導圧管。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】測定管路内に設けられ該管路内を流れる流体に
よつて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が導入される渦検出装
置とを備えたカルマン渦流量計において、前記渦発生体２は、流体の流れとほぼ直交する
両側面において軸方向の総てにわたつて開口され
しかも左右両側面が軸方向の総てにわたつて連通
するように形成された渦発生用スリツト４ａ，４
ｂと、この渦発生用スリツトの下流側において軸
方向端部の両側面にそれぞれ開口されるがその両
側面を連通させることなくしかも前記渦発生用ス
リツトとは流体的に連通することなく独立的に設
けられた渦圧力導入用スリツト６ａ，６ｂとを有
し、前記渦検出装置は、前記渦圧力導入用スリツト
と連通して前記渦発生体により交互に発生した渦
の圧力をそれぞれ導入する導圧孔８ａ，８ｂを有
する、ことを特徴とするカルマン渦流量計。