JPS6257202B2

JPS6257202B2 -

Info

Publication number: JPS6257202B2
Application number: JP56155949A
Authority: JP
Inventors: Ichizo Ito; Hitoshi Hirayama; Tetsuo Ando
Original assignee: YOKOKAWA DENKI KK
Current assignee: YOKOKAWA DENKI KK
Priority date: 1981-09-30
Filing date: 1981-09-30
Publication date: 1987-11-30
Also published as: JPS5855818A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、カルマン渦を利用した流速流量測定
装置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流速流量測定装置に関す
るものである。

第１図は従来より一般に使用されている流速流
量測定装置の従来例である。

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、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。２
２は受力体２のフランジ部２１側に設けられた凹
部である。４は凹部２２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４２，４
３，４４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４３，４４は、ほぼ弓形をなし、素子本体４
１の他面側に素子本体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、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。
５は絶縁材よりなり、応力検出部４を凹部２２内
に受力体２より絶縁して封着する封着体で、この
場合は、ガラス材が用いられている。

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が作用する。この交番力
Ｆは封着体５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の中心軸をはさ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４４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
動的に処理すれば、２倍の電気出力を得ることが
できる。

このような、ガラスによつて、受力体２に応力
検出部４を封着するように構成したものは種々の
利点を有する。

しかしながら、 (1) ガラスの軟化点が400℃前後にあり、実際に
使用できるのは300℃程度である。軟化点の高
いガラスを使用すると封着温度が高くなり、圧
電素子のキユリー点を越える。あるいは、膨張
係数が小さく、受力体２に圧電素子を封着する
のに適さない。

(2) 凹部２２の開口側のガラスの厚さｌは力検出
部４の感度を充分あげるためには、ある程度の
厚さを必要とするが、急激なヒートシヨツク、
あるいは高温度では熱膨張の差によりガラスに
ひび割れを生ずるので、ひび割れの生じない程
度の厚さ数mm程度に制限され、高感度が得られ
ない。

(3) ガラス封着では、受力体２における半径方向
の熱膨張係数は等しい必要があるので、ニオブ
酸リチウム（LiNbO₃）よりなる圧電素子を使用
する場合にはＺ板に限定される。Ｚ板はＹ板に
比すると感度が1/3になる特性を有する等の欠点を有する。

本発明は、これ等の問題点を解決するものであ
る。

本発明の目的は、高温領域まで測定でき、感度
が高く、耐震性がすぐれ、堅牢な流速流量測定装
置を提供するにある。

第３図は、本発明の一実施例の構成説明図であ
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。４ａ，
４ｂは凹部２２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
（以下、応力検出部４ａ，４ｂを総称するときは
応力検出部４と称する。）。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４
１と電極４２，４３，４４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４３，４４は、ほぼ弓形を
なし、素子本体４１の他要側に素子本体４１の中
心を挾んで、流路方向と直角方向に、対称形に設
けられている。素子本体４１は、この場合は、圧
電素子が使用されている。而して、応力検出部４
ａ，４ｂは、後に詳述する如く、外乱力Ｐによつ
て、受力体２に生ずる応力が零となる位置Ａの両
側に配置されている。６ａ，６ｂ，６ｃ（以下総
称する場合は「６」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。７は凹部２２
に側面が接触しない隙間を保つて挿入され、一端
が応力検出部４及び絶縁体６を凹部２２に押圧固
定し、他端が凹部２２の開口部において溶接固定
された柱状の固定体で、この場合は、ステンレス
材が用いられている。

而して、凹部２２の深さＬは、次式を満足する
ように選ばれている。

（α_K−α_P）（Ｌ−ｔ_S−ｔ_L）＝α_P（ｔ_S＋ｔ_L）−α_Sｔ_S−α_Lｔ_L (1) ここで、 α_P：受力体２の膨張係数 α_K：固定体７〃〃 α_S：絶縁体６〃〃 α_L：応力検出部４〃〃ｔ_S：絶縁体６ａ，６ｂ，６ｃの厚さの和ｔ_L：応力検出部４の厚さ即ち、固定体７の熱膨張係数α_Kが受力体２の
熱膨張係数α_Pより大なるようにし、かつ、受力
体２の熱膨張係数α_Pが応力検出部４の熱膨張係
数α_L及び絶縁体６の熱膨張係数α_Sより大なるよ
うにすれば、受力体２と応力検出部４および絶縁
体との間に生ずる熱膨張の差を、受力体２と固定
体７との熱膨張の差によつて、丁度打消すことが
できるように、凹部２２の深さが設定されてい
る。而して後に詳述するように、深さＬを維持す
るために、固定体７は凹部２２に接触しないよう
に構成されている。

第５図は第３図の電気回路８（第３図に図示せ
ず）のブロツク図である。

図において、８１は応力検出部４ａの出力を増
幅処理する第１入力処理回路である。８２は応力
検出部４ｂの出力を増幅処理する第２入力処理回
路で、ゲインが可変できる構成になつている。８
３は第１と第２入力処理回路８１，８２の出力を
差動処理する差動増幅器である。

このようなものにおいては、周囲温度の変化に
よつて、力検出部４に加わる圧縮力が変化するこ
とがなく、固定体７によつて、最初に加えられた
初期圧縮状態のままが維持される。したがつて、
測定流体に対して高温領域まで測定を行うことが
できる。

また、本装置においては、固定体７によつて、
力検出部４に初期圧縮力をある程度加えておく
と、力検出部４の感度は増大する。

なお、実用上は、厳密に、式(1)の両辺を等しく
することはできないので、わずかに左辺＞右辺と
なるように設定する。このようにすれば、圧縮力
が常に加わり、高温で感度が減少することを防止
することができる。

但し、初期圧縮力を含めて、圧縮力は力検出部
４の許容応力を超えることがないように設定する
必要がある。

なお、本願発明者等の実験によれば、初期圧縮
力を2.8Kg／mm²としたもので、従来のガラス封着
のものに比して３倍の出力感度のものが得られ
た。

また、素子本体４１に、ニオブ酸リチウム
（LiNbO₃）を使用する場合に、Ｙ板も使用できる
ので、Ｚ板を使用した場合に比して感度を３倍に
することができる。

このように、本発明装置を使用すれば、 (1) 300℃以上の測定流体にも使用できる。（実験
によれば、500℃の測定流体でも測定可能であ
る。） (2) 感度を上げることができる。

(3) ガラスのひび割れや封着不良等の製造工程中
での不良が発生せず、歩留りが向上され、コス
トダウンがはかれる。

(4) ガラスの封着作業に必要な大型の炉等の装置
が不要となり量産化が容易となる。

更に加えるに、 (5) ガラス封着時の受力体２の熱容量を小さくす
るために、受力体２における管路１側の柱状部
を別体に製作し、ガラス封着後に本体部に固定
する製作上のわずらわしさもなくなる。

また、固定体７の側面が凹部２２に隙間を保つ
て挿入されているので、固定体７の側面が凹部２
２に接触している場合に生ずる応力検出部４への
押圧力のバラツキを防止することができる。した
がつて、応力検出部４を所定圧力で押圧すること
ができ、熱膨張の差によつて押圧を有効ならしめ
ることができる。

更にまた、動作時に固定体７の側面の途中と凹
部２２との接触位置が変動することにもとずく固
定体７の曲げモーメント線図の特性曲線モードが
全く異なつてしまうのを防止することができ、安
定な感度が得られる。

即ち、凹部に固定体を挿入する場合、先ず、凹
部と固定体が密着状態にする。たとえば、しまり
ばめ状態で挿入する、あるいは、すきまばめ状態
で凹部に固定体を挿入した後、隙間を充填材等で
充填することが考えられる。

この場合には、しまりばめ状態では、周囲温度
等の変化に対処して、固定体が圧力センサを有効
に押圧しつづけることができない。また、充填材
を充填する場合には、固定体等の各構成部品全て
に等しい熱膨張係数を有するものでなければ、簡
単に温度変化により剥離してしまう。このような
充填材を選択することは不可能である。

次に、凹部に固定体を、とまりばめ状態に挿入
するとすると、温度変化に対し固定体が圧力セン
サを押圧しつづける事は可能である。しかし、凹
部に固定体の側面が接触する可能性がある。この
接触点は、組立状態で何個所生じているか、ま
た、受力体へ交番力が加わる大きさ等により、接
触点も増加する可能性があり、全く不確定なもの
となる。このため、力検出センサにおける検出出
力は、不安定なものとなる。

次に、管路を伝播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、管路全体が振れ
る。この振動によつて、受力体２には前述交番力
Ｆが作用する方向に受力体２の質量分布等に基づ
く交番の曲げモーメントＭαが作用する。この交
番の曲げモーメントＭαにより受力体２に生ずる
応力は応力検出部４においてノイズとして検出さ
れる。

第４図は、この曲げモーメントＭαを示したも
ので、Ｍ_Vは渦発生によつて生じた交番の曲げモ
ーメント（測定対象）である。

曲げモーメントＭαによるノイズを検出しない
ようにしたものは、従来例として、曲げモーメン
トＭαが零となる位置Ａの位置に応力検出部が一
個配置されたものがある。

しかし、このようなものにおいては、応力検出
部は厚みを有しているので、可能なかぎり薄くし
ても、厚みを零にすることはできず、また、応力
検出部の中心を位置Ａに完全に合致させることは
実際上は非常に困難で外部振動ノイズをどうして
も検出してしまう。また、外部振動ノイズによる
応力が零となる個所Ａにおいては、測定信号の応
力は小さく、応力検出部の位置がずれると、測定
信号のＳ／Ｎ比が悪くなる。Ｓ／Ｎ比が悪いと、
小さな信号を検出するのは困難となるので、測定
可能領域（特に、低流量領域）が限定されること
になる。

そこで、本考案においては、曲げモーメントＭ
αが零となる位置Ａの両側にそれぞれ応力検出部
４ａ，４ｂを配置して、たとえば、ある瞬時にお
いて、外部振動ノイズによるプラスの応力を応力
検出部４ａで検出し、マイナスの応力を応力検出
部４ｂで検出して、加減算器８３で加算して、積
極的に打ち消すようにした。而も、第２入力処理
回路８２のゲインを可変できるように構成したも
ので、第１入力処理回路のノイズ分の大きさに、
第２入力処理回路のノイズ分の大きさを調節して
容易に合わせることができる。したがつて、加減
算器８３で、ノイズ分を完全キヤンセルすること
ができる。この結果、応力検出部４ａと４ｂを曲
げモーメントＭαのプラス量とマイナス量とが相
互に等しくなるそれぞれの位置に、厳密に配置す
る必要がなく、応力検出部４の凹部２２への配置
が容易となり、装置の製作が安価にできる。

今、これを数式で表わすとすると、応力検出部
４ａ，４ｂに生ずる電荷q₁，q₂は渦発生による信
号電荷に管路振動等によるノイズ電荷が重畳され
たものとなり、信号電荷の振幅をS₁，S₂、ノイズ
電荷の振幅をN₁，N₂とすると次式で与えられ
る。

q₁＝S₁sinωｔ＋N₁sinω′ｔ (1) q₂＝±S₂sinωｔ−N₂sinω′ｔ (2) ただし、ω：信号の角周波数 ω′：ノイズの角周波数ｑ_put＝（S₁±S₂）sinωｔ＋（N₁−N₂）sinω′ｔ (3) N₁＝N₂なるようにしてｑ_put＝S₁±S₂sinωｔ (4) となる。

なお、応力検出部４ａ，４ｂは、第６図に略示
する如く、外部振動ノイズによる応力が零となる
個所Ａと渦発生による応力が零となる個所Ｂを挾
んだＣ，Ｄの位置に配置されてもよい。

また、第７図に略示する如く、応力検出部４
ａ，４ｂは渦発生による応力が零となる個所Ｂを
挾んだＥ，Ｆの位置に配置されてもよい。但し、
この場合は、第１、第２入力処理回路６１，６２
の出力は加減算器８３で減算されるように構成さ
れねばならない。即ち、応力検出部４ａ，４ｂで
検出される外部振動ノイズによる応力が同符号の
場合は加減算器８３で減算み、異符号となる場合
は加算するようにする。要するに、外部振動ノイ
ズがキヤンセルされるように構成されればよい。

なお、第１入力処理回路８１も、ゲインが可変
できるものであつてもよいことは勿論である。

第８図は、本発明の他の実施例の要部構成説明
図である。

本実施例においては、応力検出部４ａ，４ｂの
間に絶縁体６b₁，６b₂を介してスペーサー９ａを
配置したものである。スペーサー９ａは、この場
合は、固定体７と同じ材料が用いられている。

このようなものにおいては、応力検出部４ａ，
４ｂの間隔を自由に選ぶことができるものが得ら
れる。特に、計算の結果、絶縁体６ｂの厚さが薄
くなり、応力検出部４ａが位置Ａに接近し、曲げ
モーメントＭ_Vに基づく測定信号値が大きく取れ
なくなる場合に効果が大である。

第９図は、本発明の別の実施例の要部構成説明
図である。

本実施例においては、応力検出部４ａ，４ｂの
それぞれの一面側を凹部２２の底面及び固定体７
の底面に接するようにして、応力検出部４ａ，４
ｂの一面側の電極を省略するようにしたもので、
構成を単純化できる。

第１０図は、本発明の他の実施例の要部構成説
明図である。

本実施例においては、凹部２２の底面にスペー
サ９ｂを配置すると共に、固定体７の周面に鍔部
７１を設け、この鍔部７１にリング状に設けられ
た溝からなる可撓部７１１を設けたものである。

応力検出部４を受力体２に押圧固定する場合
に、凹部２２の底面に要求される平面度を、前も
つて、平面度を精度よく作られたスペーサ９ｂを
配置することにより容易に得られるようにしたも
ので、凹部２２はそれ程精度よく仕上げる必要は
なく、スペーサ９ｂの平面度を精度よく仕上げる
ことは容易であるので、製作が容易となり、安価
に作ることができる。また、可撓部７１１を設け
たので、各構成部品の寸法のばらつき等により、
過大な熱応力が発生するのを防止することができ
るものが得られる。

第１１図は、本発明の別の実施例の要部構成説
明図である。

本実施例においては、応力検出部４、絶縁体６
及び固定体７をそれぞれ円筒状、円盤状に構成す
ると共に、絶縁体６側に電極６１を構成し、電極
よりのリード線６２を中心軸部に構成された穴よ
り引き出すようにしたもので、リード線取り出し
の容易なものが得られる。

なお、前述の実施例においては、受力体２は、
管路１に一端が固定され、他端が支持された場合
について説明したが、両端共に管路１に固定され
たものであつてもよい。

また、素子本体４１は、ニオブ酸リチウム
（LiNbO₃）よりなる圧電素子が用いられていると
説明したが、これに限ることはなく、たとえば、
ジルコン・チタン酸鉛（PZT）等のセラミツク系
圧電素子でもよく、要するに、圧電素子であれば
よい。

また、絶縁体６は、セラミツクよりなると説明
したが、これに限ることはなく、絶縁材料より構
成されればよい。

また、応力検出部４ａ，４ｂで検出された同相
のノイズ成分は差動増幅器８３により差動的に処
理されノイズ成分はキヤンセルされると説明した
が、応力検出部４ｂの圧電素子本体４１の分極の
軸方向を逆転させる、あるいは、応力検出部４ｂ
より取出したリードを第２入力処理回路８２に逆
接続して、応力検出部４ｂの出力を、応力検出部
４ｂの出力に対して逆位相になるようにし、両出
力を加算してノイズ成分をキヤンセルするように
してもよい。このようにすれば、応力検出部４
ａ，４ｂの出力の一方の位相を電気的に逆転させ
る処理が不要になるので安価にできる。

また、第２入力処理回路８２のゲインを調整す
ると説明したが、曲げモーメントＭに基づく検出
値が、差動増幅器８３においてキヤンセルできる
ようであれば第２入力処理回路８２におけるゲイ
ン調整回路はなくてもよい。

また、応力検出部４は円板状の素子本体４１と
電極４２，４３，４４よりなると説明したが、電
極４２，４３，４４が別体となつてもよいことは
勿論である。

以上説明したように、本発明によれば、高温領
域まで測定でき、感度が高く、耐震性がすぐれ、
堅牢な流速流量測定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流速流
量測定装置、第２図は第１図の部品説明図、第３
図は本発明の一実施例の構成説明図、第４図は第
３図の曲げモーメント線図、第５図は第３図の電
気回路のブロツク図、第６図、第７図は本発明の
別の実施例の要部説明図、第８図〜第１１図は本
発明の他の実施例の要部構成説明図である。１……管路、２……受力体、２２……凹部、４
ａ……第２応力検出部、４ｂ……第１応力検出
部、４１……素子本体、４２，４３，４４……電
極、６……絶縁体、７……固定体、８……電気回
路、８１……第１入力処理回路、８２……第２入
力処理回路、８３……差動増幅器、Ｆ……交番
力、Ｐ……外乱力、Ｍ_V……カルマン渦に基づく
曲げモーメント、Ｍα……外乱力に基づく曲げモ
ーメント、Ｌ……凹部２２の深さ。

Claims

【特許請求の範囲】

１カルマン渦により受力体に作用する交番力を
検出して流速又は流量を測定する流速流量測定装
置において、管路に直角に挿入された剛性の高い
柱状の受力体と、該受力体の軸方向に設けられた
凹部と、該凹部に配置され前記交番力と外乱力と
にもとずき前記受力体に生ずる応力が零となるそ
れぞれの位置の少くとも一方の位置をはさんで設
けられ前記交番力に基づき前記受力体の断面内に
生ずる応力変化を検出するように該受力体の軸に
垂直方向に配置され圧電素子よりなる２個の応力
検出部と、前記凹部に側面が接触しない隙間を保
つて挿入され一端が前記応力検出部を該凹部に一
体構成となるように押圧固定し他端が前記凹部の
開口部において溶接固定された柱状の剛性の高い
固定体と、前記応力検出部を前記凹部及び固定体
より絶縁する絶縁体と、前記２個の応力検出部の
出力を加算あるいは減算する加減算器とを具備
し、前記凹部の軸方向の深さが、温度の変化に伴
い前記受力体と前記応力検出部および前記絶縁体
との間に生ずる熱膨張の差を前記受力体と前記固
定体との熱膨張の差により打消されるような深さ
に設定されたことを特徴とする流速流量測定装
置。