JPS6244338Y2

JPS6244338Y2 -

Info

Publication number: JPS6244338Y2
Application number: JP1504082U
Authority: JP
Priority date: 1982-02-05
Filing date: 1982-02-05
Publication date: 1987-11-21
Also published as: JPS58119722U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は、カルマン渦を利用した渦流量計に関
するものである。

更に詳述すれば、カルマン渦により物体に作用
する交番力を検出して、渦信号として取り出し、
流速又は流量を測定する渦流量計に関するもので
ある。

第１図は、従来より一般に使用されている渦流
量計の従来例である。

図において、１は円筒状の管路、１１は管路１
に直角に設けられた円筒状のノズルである。２は
ノズル１１を通して、管路１に直角に挿入された
柱状の受力体である。受力体２の一端には凹部２
１が設けられている。凹部２１は管路１に取付け
られたねじ３の先端に設けられた球形状のサポー
トプラグ３１とすきまばめ状態にある。受力体２
の他端は、フランジ部２２において、ノズル１１
にねじ又は溶接により固定されている。２３は受
力体２のフランジ部２２側に設けられた凹部であ
る。４は凹部２３に設けられた円板状の応力検出
部で、その中心軸は受力体２の中心軸と一致す
る。応力検出部４は、この場合は第２図に示す如
く、円板状の素子本体４１と電極４２，４３，４
４よりなる。電極４２は薄円板状をなし、素子本
体４１の一面側に設けられている。一方、電極４
３，４４は、ほぼ己形をなし、素子本体４１の他
面側に素子本体４１の中心を挾んで、管路１方向
と受力体２の中心軸とに直角方向（以下この方向
を「揚力方向」と称する。）に対称形に設けられ
ている。即ち、実質的には二個の応力検出素子が
存在している。素子本体４１は、この場合は、ニ
オブ酸リチウム（LiNbO₃）よりなる圧電素子が使
用されている。５ａ，５ｂ（以下総称する場合は
「５」とする。）は、応力検出部４の両面に配置さ
れた円板状の絶縁体で、この場合は、セラミツク
が使用されている。６は応力検出部４及び絶縁体
５を凹部２３に押圧固定する固定体で、この場合
は、ステンレス材が用いられている。固定体６の
一端側は受力体２に固定され、この場合は、溶接
６１されている。

以上の構成において、管体１内に測定流体が流
れると、受力体２にはカルマン渦により、第１図
に示す矢印のように、揚力方向に、交番力Ｆ_Oが
作用する。この交番力Ｆ_Oは固定体６を介して応
力検出部４に伝達される。この場合、受力体２に
は、第１図に示す如く、受力体２の中心軸を挾ん
で逆方向の応力変化が発生する。而して、応力検
出部４の電極４２−電極４３，電極４２−電極４
４間にはこの応力変化に対応した電気信号（たと
えば電荷の変化）が生ずる。この変化の回数を検
出することにより渦発生周波数が検出できる。而
して、電極４２−電極４３，電極４２−電極４４
間の電気出力を差動的に処理して、２倍の電気出
力を得ることができる。

一方、管路を伝幡してくる振動、たとえば、ポ
ンプ、コンプレツサー、ダンパーの開閉による振
動等の影響により受力体２は流れの方向（以下、
この方向を「抗力方向」と称する。）に振動を受
け、これは、振動ノイズとなる。この振動は、第
４図に示す如く、Ｏ−Ｏを中立軸として振動す
る。今、応力検出部４の電極４２−４３との部分
の上流側を、下流側をとし、電極４２−４４
との部分の上流側を、下流側をとすると、た
とえば、ある瞬間においては、・の部分に
正、・の部分に負の電荷が生ずるが、部分
と、部分との間において丁度打消し合い、
個々の素子間内で打消しあう形となり、測定信号
には抗力方向の振動ノイズは現われない。

このような装置において、受力体２は一端が球
形状のサポートプラグ３１により支持され、他端
はノズル１１に固定されている。このため、測定
流体等の温度変化により受力体２が伸縮しても、
その伸縮の変化をサポートプラグ３１との接触部
分（支持部分）により容易に吸収することができ
る。また、着脱が容易となる利点も有する。

しかしながら、凹部２１とサポートプラグ３１
との間はすきまばめの関係にあるとは言え、わず
かの隙間、たとえば、はめあい記号H₇−h₇程度
の隙間であるので、受力体２を、サポートプラグ
３１に装着する場合に、凹部２１はサポートプラ
グ３１に接触するのが実際上は殆んどである。し
かし、凹部２１はサポートプラグ３１のどの点で
接触し、どの程度の圧力で接触するかは、各構成
要素の寸法精度のばらつきの影響等により明確に
することができない。また、凹部２１とサポート
プラグ３１とが全く接触しない場合も生ずる。こ
のことは、保守等により受力体２の着脱の際にも
再調整を必要とすることになる。

ところで、本願考案者等の実際の測定結果によ
ると、本考案装置の間に、出力信号について、ば
らつきが明らかに認められた。

この原因については、次の如く考えられる。

固定体６の押圧力F₆によつて応力検出部４に
生ずる応力σ_１と感度との関係は第３図に示す如
く、応力σ_１がある一定値σ_A以上になると感度
は飽和する。したがつて、押圧力F₆は応力σ_１
が一定値σ_A以上になるようにする必要がある。
即ち、応力σ_１が飽和感度領域αにあることが必
要である。

一方、押圧力F₆を必要以上に大きくすれば圧
電素子等の強度、あるいは、押圧固定するための
溶接部の強度等の問題が生ずるので、押圧力F₆
は必要最低限にあることが望ましく、また、加え
ることのできる押圧力F₆の上限も存在する。

したがつて、押圧力F₆は以上を勘案して必要
最低限に設計され、この押圧力F₆に基づく押し
付け応力σ_１が応力検出部４に加わる。

ところが、第４図に示す如く、凹部２１とサポ
ートプラグ３１との接触点には、各構成要素の寸
法精度のばらつき及び凹部２１とサポートプラグ
３１のはめあい精度のばらつきに基づき、受力体
２には変位δが加えられた形となる。このため、
第５図に示す如く、この変位δに基づき、応力検
出部４には応力σ_２が加わる。したがつて、総合
された応力としてはσ_３となる。この場合、変位
δの大きさによつては応力検出部４の片側は、第
３図における、感度の非飽和領域に大幅にずれ込
む恐れがある。このための対策としては、応力σ
_２を小さくするか、押し付け応力σ_１を十分大き
くする必要がある。応力σ_２を小さくするために
は、各構成要素の寸法精度を上げる必要があり、
機械加工上の困難性が増大し、コスト上昇を招き
現実的でない。他方、押し付け応力σ_１を大きく
することも、構成要素の材料の強度の高いものを
選択しなければならなくなる。あるいは、押し付
け力を維持するため溶接部６１の強度を強くしな
ければならず、一定の限界がある。

なお、交番力Ｆ_Oに基づく測定対象応力σ_０
は、応力σ_１，σ_２に比し、２桁程度その大きさ
は小さく、ここでは無視することができる。

次に、変位δが零の状態においては、受力体２
の凹部２１の設けられている側が、自由端状態と
なる場合が存在し、理想的な寸法状態では、この
場合が多くなる。自由端状態では、支持端状態に
対して、前述の交番力Ｆ_Oによるモーメント線図
が大きく異なり、応力検出部４により検出される
電気信号が全く異なつたものとなる問題点が存在
する。

本考案は、これ等の問題点を解決するものであ
る。

本考案の目的は、簡単な構成により、耐振性が
良好で、かつ、確実な測定ができる渦流量計を提
供するにある。

第６図は、本考案の一実施例の構成説明図で、
第７図は第６図のＸ−Ｘ要部断面図である。

図において、第１図と同一記号は同一機能を示
す。以下、第１図と相違部分のみ説明する。

３１ａは、第７図に示す如く凹部２１に対し
て、測定流体の流れる方向の上流方向、即ち、抗
力に対抗する方向に変位δを生じＡ点で接するよ
うに、偏心して管路１に固定されたサポートプラ
グである。

以上の構成において、受力体２を管路１に軽く
装着すると、凹部２１はサポートプラグ３１ａ
に、第８図の実線で示す如く、点Ａで接触し、傾
いた状態でセツトされる。次に、Ｔなる力で、セ
ンサを上部から押しつけていくと、矢印Ｂの方向
に移動するが、Ｃ点で動きが規制され点線で示す
如く、受力体２は曲がつた状態で管路１に固定さ
れる。

このように、本考案においては、受力体２の凹
部２１に、Ａ点において、常に一定方向の変位δ
が加えられるように構成したので、凹部２１はサ
ポートプラグ３１ａにより常に支持され、自由端
となることはなく、確実な測定ができる。

次に、点Ａで支持するようにしたので、押し付
け応力σ_１が小さい場合には、応力検出部４の片
側は感度が落ちる可能性がある。具体的には、抗
力方向の振動ノイズに対して、第９図に示す如
く、部分，は部分，に対して、それぞ
れ、アンバランスとなり、抗力方向の振動ノイズ
に基づき素子本体４１内に発生する電荷を打ち消
すことができない恐れが生ずる。しかしながら、
本願においては、電極４３，４４を受力体２の中
心軸対称で、かつ、揚力方向に対向して配置し、
かつ、その検出信号を差動的に処理するようにし
たので、抗力方向の振動ノイズを打消すことがで
きる。

したがつて、応力σ_３の一部が第３図に示す非
飽和領域にあつても、抗力方向の振動に対する耐
ノイズ特性が損われないために、測定感度は多少
低下するが、有効に測定流体の流量が測定できる
ものが得られる。たとえば、第４図に示すδ方向
で支持したものにおいては、抗力方向のノイズを
打消すことはできない。

更に、本実施例の如く、流路方向に対称に実質
的に二個のセンサの配置されたもの（電極４２−
電極４３間と電極４２−電極４４間で計２個とな
る。）においては、受力体２の軸方向に振動する
振動ノイズも（以下、これを「上下方向振動ノイ
ズ」と称する。）電極４２−４３間と電極４２−
４４間の、電気出力を差動的に処理することによ
り、打消すことができる。

なお、揚力方向の振動ノイズを打消すには、た
とえば、本願出願人が出願した特願昭55−138181
号に示す如く、受力体２の軸方向に、応力検出部
４に平行に応力検出部４と同構成の応力検出部を
配置すればよい。

なお、接触点Ａには、第７図に示す如く下記の
条件を満足するような力Ｆ_Aが加わることが望ま
しい。

（Ｆ_A＋Ｆ_D）μ＞Ｆ_O Ｆ_A：サポートプラグ３１ａにより凹部２１を
押圧する力。

Ｆ_O：測定流体によつて受力体２に作用する力
（＝抗力）。

μ：摩擦係数ここで、Ｆ_D＝Ｃ_D１／２ρv² Ｆ_O＝Ｃ_O１／２ρv² Ｃ_D：抗力係数Ｃ_O：揚力係数 ρ：測定流体の密度ｖ：測定流体の流速第１０図は、本考案の他の実施例の構成説明図
で、第１１図は、第１０図の要部拡大図である。

本実施例においては、受力体２のフランジ部２
２が固定されるノズル１１ａの取付け面１１２ａ
を、凹部２１が点Ａでサポートプラグ３１に支持
されるように、ノズル１１ａの挿入孔１１１ａの
中心軸１１１１ａに対して直交面よりβ度傾けた
もので、第６図と同様の効果が得られる。

第１２図は、本考案の別の実施例の構成説明図
で、第１３図は、第１２図のＹ−Ｙ要部断面図で
ある。

本実施例においては、サポートプラグ３１ｂに
第１３図に示す如く、凸部３１１ｂを設けたもの
で、凹部２１が点Ａで凸部３１１ｂにより支持さ
れるようにしたものである。

なお、前述の第６図実施例においては、ノズル
１１の中心軸１１１１ａを基準にして、サポート
プラグ３１ａの中心軸をずらして、ノズル１１と
の同軸度をずらすようにしたが、ノズル１１の中
心軸をずらしてもよく、また、両者共中心軸をず
らしてもよく、要するに、両者の同軸度が所要寸
法ずれればよい。

また、前述の第１０図実施例においては、取付
け座面１１２ａを挿入孔１１１ａの中心軸１１１
１ａに対して傾けて構成したものについて説明し
たが、たとえば、取付け座面１１２ａとフランジ
２２との間に設けられるガスケツトにテーパーを
付けて、取付け座面１１２ａを傾けたと同様の効
果を得られるようにしたものでもよく、実質的
に、中心軸１１１１ａに対して傾けて構成されれ
ばよく、要するに、サポートプラグ３１によつ
て、凹部２１に対して常にＡ点において力Ｆ_Aが
加わるように構成されればよい。

また、第１０図実施例においては、挿入孔１１
１ａの中心軸１１１１ａに対して、取付け座面を
傾けるようにしたものについて説明したが、これ
に限ることはなく、たとえば、受力体２のフラン
ジ部２２あるいは凹部２１の中心軸が挿入孔１１
１ａの中心軸１１１１ａに対して傾くように構成
したものでもよく、また、サポートプラグ３１ａ
の中心軸を傾けるようにしたものでもよく、要す
るに、受力体２の管路１への固定部分あるいは支
持部分が、挿入孔１１１ａの中心軸１１１１ａに
対して傾き、最終的に、受力体２を管路１に固定
した場合に、受力体２が屈曲して、凹部２１がサ
ポートプラグ３１によつてＡ点において常に一定
方向の変位δが加えられるように構成されたもの
であればよい。

また、前述の第１２図の実施例においては、凸
部３１１ａをサポートプラグ３１ａに設けたもの
について説明したが、フランジ部２２に設けても
よく、又はノズル１１、あるいは、凹部２１に凸
部を設けてもよいことは勿論である。

また、前述のこれらの実施例においては、固定
体６により応力検出部４を凹部２３に押圧固定す
るものについて説明したが、これに限ることはな
く、たとえば、ガラスにより応力検出部４を凹部
２３に封着し、ガラスの凝固による収縮力を利用
して押圧固定してもよく、要するに、応力検出部
４が凹部２３に押圧固定されるものであればよ
い。

また、受力体２は、渦発生体であると共に、そ
の渦発生に基づく交番力Ｆ_Oを受けるものについ
て説明したが、渦発生体を受力体２の上流側に別
に設けたものであつてもよいことは勿論である。

以上説明したように、本考案によれば、簡単な
構成により耐振性が良好で、かつ、確実な測定が
出来る渦流量計を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来より一般に使用されている従来例
の構成説明図、第２図は第１図の部品説明図、第
３図〜第５図は第１図の動作説明図、第６図は本
考案の一実施例の構成説明図、第７図は第６図の
Ｘ−Ｘ要部断面図、第８図，第９図は第６図の動
作説明図、第１０図は本考案の他の実施例の構成
説明図、第１１図は第１０図の要部拡大図、第１
２図は本考案の別の実施例の構成説明図、第１３
図は第１２図のＹ−Ｙ要部断面図である。１……管路、１１ａ……ノズル、１１１ａ……
挿入孔、１１２ａ……取付け面、１１１１ａ……
中心軸、２……受力体、２１……凹部、２２……
フランジ部、２３……凹部、３……ねじ、３１
ａ，３１ｂ……サポートプラグ、３１１ｂ……凸
部、４……応力検出部、４１……素子本体、４
２，４３，４４……電極、５ａ，５ｂ……絶縁
体、６……固定体、６１……溶接、Ｆ_O……渦発
生に基づく交番力、F₆……押付け力、σ_１……
押付け応力。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

カルマン渦により受力体に作用する交番力を検
出して流速又は流量を測定する渦流量計におい
て、測定流体の流れる管路と、該管路の管壁に設
けられた支持機構と、該支持機構に対向した前記
管路の管壁に設けられた挿入孔と、該挿入孔を介
して前記管路に挿入され一端が前記支持機構に着
脱自在に取付けられ他端が前記挿入孔に固定され
た柱状の受力体と、該受力体の軸方向に設けられ
た凹部と、該凹部に前記受力体の軸対称でかつ流
れと直角方向に対向して設けられ押圧固定されそ
の検出信号が互いに差動的に処理される少くとも
２個の応力検出部と、前記支持機構が前記受力体
を常に抗力方向の上流点で支持するように構成さ
れたことを特徴とする渦流量計。