JPS6244339Y2 - - Google Patents

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
計の従来例で管路径２″用のものである。

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、一端はねじ３により管路１に支
持され、他端はフランジ部２１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。２２
は受力体２のフランジ部２１側に設けられた凹部
である。４ａ，４ｂ（以下、総称する場合は
「４」とする。）は凹部２２に設けられた円板状の
第１，第２圧電センサで、その中心軸は受力体２
の中心軸と一致する。圧電センサ４は第２図に示
す如く、ドーナツ板状の素子本体４１と、薄膜電
極４２，４３，４４，４５よりなる。薄膜電極４
２〜４５は、この場合は蒸着により形成されてい
る。薄膜電極４２〜４５は素子本体４１の両面に
ほぼ弓形をなし、素子本体４１の中心を挾んで、
管路１方向と直角方向に対称形に設けられてい
る。素子本体４１は、この場合は、PZTよりなる
圧電素子が使用されている。而して、第３図に示
す如く、電極４２−４４，電極４３−４５間では
分極方向は互いに逆方向に分極されている。した
がつて第３図に示す如く、逆相の応力変化に対応
して、電極４２−４４間と電極４３−４５間に生
ずる電気信号（この場合は電荷）は同相になる。
第１図に戻り、第１圧電センサ４ａと第２圧電セ
ンサ４ｂとでは分極方向は逆方向に分極されてい
る。５ａ，５ｂ，５ｃ（以下総称する場合は
「５」とする。）は圧電センサ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は圧電センサ４及び絶縁体５
を凹部２２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。

第４図は、第１図の電気回路７（第１図に図示
せず）のブロツク図である。

図において、７１は圧電センサ４ａの出力を増
幅処理する第一入力処理回路である。７２は圧電
センサ４ｂの出力を増幅処理する第二入力処理回
路で、ゲインが可変できる構成になつている。７
３は第１と第２入力処理回路７１，７２の出力を
加算する加算演算器である。

以上の構成において、管路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
示す矢印のような交番力Ｆが揚力方向（流体の流
れと直角方向）に作用する。この交番力Ｆは固定
体６を介して圧電センサ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
中心軸をはさんで逆方向の応力変化が発生する。
而して、圧電センサ４の電極４２−電極４４，電
極４３−４５間にはこの応力変化に対応した電気
信号（この場合は電荷の変化）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４２−４４と電極４３−
４５間は逆方向に分極されているので、並列接続
されて２倍の電気出力を得ることができる。

次に、管路を伝幡してくる振動ノイズ、たとえ
ば、ポンプ、コンプレツサー、ダンパーの開閉等
による振動ノイズの影響により管路全体が振動す
る。この振動によつて、受力体は揚力方向にも振
れる。この揚力方向の振動によつて発生する応力
は信号応力と同一方向応力分布となり、ノイズ電
荷が発生する。このノイズ電荷は、第１圧電セン
サ４ａと第２圧電センサ４ｂの組み合せによつて
除去すことができる。

即ち、今、Ｑ，Ｓ，Ｎを圧電素子の出力、渦信
号成分、揚力方向のノイズ成分とすると、第１圧
電センサ４ａと第２圧電センサ４ｂで分極方向は
逆となつているので、第１，第２圧電センサの出
力Q₁，Q₂は次式で示される。

Q₁＝S₁＋N₁ (1) −Q₂＝−S₂−N₂ (2) 但し、S₁とS₂、N₁とN₂のベクトル方向は同
じ。第２圧電センサ４ｂの出力をN₁／N₂倍し、
第１圧電センサ４ａの出力と加算すると、 Q₁−Ｎ_１／Ｎ_２Q₂＝S₁−Ｎ_１／Ｎ_２S₂ (3) となり管路ノイズ成分は除去できる。

第５図は受力体２に加わる曲げモーメントを表
わした図である。この図で分るとおり、S₁／S₂と
N₁／N₂の差異を利用して振動ノイズを電気回路
において除去し、耐振特性の良好な渦流量計を実
現することができる。

このような従来例において、管路１の管径が異
なる場合に管径に比例して装置は相似形なものを
使用すればよいが、実際上は、管路径が小さくな
れば、全体の各部分が小さくなるので、作りにく
い個所が種々発生する。このような作りにくい個
所は、コストの観点から作りやすい形状に変更さ
れる。逆に、管路径が大きなものでは、余裕が出
て、無駄となる個所、たとえば、無駄となる肉厚
部分を取り去る等が行われる。この結果、管路径
の相違によつて、段階的に装置のモーメント線図
は全く異なつたものとなる。このため、第１圧電
センサ４ａと第２圧電センサ４ｂのノイズ成分の
比n₁／n₂が大きく変動する。一例としては、たと
えば、管路径２″ではn₁／n₂＝１で管路径６″では
n₁／n₂＝1/3となる。管路径２″，でも６″でも使
用できるようにするには第二入力処理回路７２の
ノイズバランス調整用ボリユームの調整可変範囲
を広くしなければならないが、調整可変範囲を広
くすれば、ノイズバランス調整用ボリユームの分
解能の低下、調整幅の増大による不便さが生ずる
ため、調整可変範囲の広い調整用ボリユームを使
用することはできない。このため、管路径に対応
して、それぞれの、電気回路を準備しなければな
らず、コスト上昇の要因となる。

本考案は、この問題点を解決するものである。

本考案の目的は、第１の圧電センサの電極面積
に対して、第２の圧電センサの電極面積を変え
て、ノイズ成分の検出感度比がほぼ等しくなるよ
うにして、電気回路部分の共通化を実現して、コ
ストの低下をはかり、安価な装置を提供するにあ
る。

第６図Ａ，Ｂは、本考案の一実施例の要部構成
説明図で、Ａは第１圧電センサ４a′Bは第２圧電
センサ４b′である。

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

４１a′，４１b′はそれぞれ、第１、第２圧電セ
ンサの圧電素子本体、４２a′〜４５a′，４２b′〜
４５b′はそれぞれ、第１，第２圧電センサの電極
である。電極４２a′〜４５a′，４２b′〜４５b′は
弓形をなし、図に示す如くその内径をそれぞれ
d₁，d₂、外径をD₁，D₂とすれば、 （D₁ ³−d₁ ³）＝３（D₂ ³−d₂ ³） (4) に構成されている。

以上の構成のものにおいては、電極４２a′〜４
５a′，４２b′〜４５b′は薄膜で構成されているの
で、圧電素子本体４１′を押す力は電極の大きさ
に関係なく全面に加わると考えられるから、第
１，第２圧電センサにおいて、応力分布には差は
ない。圧電素子の感度（発生電荷Ｑ）は電極の面
積と加わる応力に比例する。加わる応力は圧電素
子本体４１′の中心軸からの距離に比例する。し
たがつて、圧電素子の感度は、電極４２′〜４
５′の電極径の３乗に比例する。而して、第１圧
電センサ４a′と第２圧電センサ４b′の面積は(4)式
の如く構成されているので、第１圧電センサ４
a′と第２圧電センサ４b′の検出感度の比はn₁′／
n₂′＝３となる。このような構成の装置を管路径
６″用のものに使用すれば、管路径にもとずく検
出感度比n₁″／n₂″＝1/3と電極の面積を変えたこ
とにもとずく検出感度比n₁′／n₂′＝３によつて、
全体としての検出感度比N₁／N₂＝１にできる。

このように、管路径の相違にもとずく検出感度
比の相違に対応して、全体としての検出感度比が
１になるように、第２圧電センサ４b′の電極の面
積を常に選ぶようにすれば全体としての検出感度
比が常に１にすることができるので、使用管路径
に応じて、電気回路を変える必要がないものが得
られる。したがつて、電気回路部分が共通化で
き、量産によるコストの低減をはかることができ
る。

なお、前述の実施例においては、全体としての
検出感度比が常に１に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、検出感度
比が2/3であつてもよく、要するに、所要の比
に、常にすればよい。

以上説明したように、本考案によれば、ノイズ
成分の検出感度の比が常に、所要の比率によるよ
うに、第１の圧電センサの電極面積に対して、第
２の圧電センサの電極の面積を異ならしめて、電
気回路部分の共通化を実現して、コストの低下を
はかり、安価な装置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渦流計
の従来例、第２図は第１図の圧電センサの構成説
明図、第３図は第２図の動作説明図、第４図は第
１図の電気接続図、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要部構成説明図
である。 １……管路、１１……ノズル、２……受力体、
２１……フランジ部、２２……凹部、３……ね
じ、４a′，４b′……圧電センサ、４１a′，４１
b′……素子本体、４２a′〜４５a′，４２a′〜４５
a′……薄膜電極、５ａ，５ｂ，５ｃ……絶縁体、
６……固定体、７……電気回路、７１……第１入
力処理回路、７２……第２入力処理回路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. カルマン渦により受力体に作用する交番力を検
   出して流体の流速または流量を測定する渦流量計
   において、前記受力体の凹部内に固定され板状の
   圧電素子本体と該本体の両面に設けられた薄膜の
   電極とを具える第１，第２の圧電センサを有する
   センサ部と、前記第１の圧電センサの出力と第２
   の圧電センサの出力とが加えられ外乱振動に基づ
   くノイズ成分を除去する演算器とを備え、前記第
   １の圧電センサと第２の圧電センサとを外乱振動
   に基づくノイズ成分の比と渦の揚力に基づく信号
   成分の比が異なる二点に配置し、かつ、ノイズ成
   分の検出感度比が常に所要比になるように前記第
   １の圧電センサの電極面積に対して第２の圧電セ
   ンサの電極の面積を異ならしめたことを特徴とす
   る渦流量計。