JPH01240822A - 光学式振動板渦流速計 - Google Patents

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−上の１ 本発明は、流体の流速を測定するための振動板渦流速計
に関するものである。

従□米ノｌ支哲− 従来、流体の流速を測定するための一つの手段として、
振動板渦流速計が知られている。すなわち、この流速計
においては、流体の流れの中に、円柱、三角棒、台形柱
などの、流れの方向に対して平面状の正面を有する物体
を流れに対して垂直に置く時は、その正面両側辺部から
流れがはがれ、互いに逆回転の循環を持つカルマン渦が
発生するが、その渦の固体数をｒ、物体の流れに対向す
る正面の幅をｄ、上流の流速をＵとすると、比例定数５
ｔ（ｒストロ−ハル数」という）を使用して Ｕ＝ｒｌｌ／Ｓｔ の関係があることを原理とするものである。

従って、この原理に基づく渦流速計は、添付図面の第７
図に示すように、上記のような形状を有する物体１４の
、流路１内をＸの方向に流れる流体の流れ方向Ｘに対す
る対称面の両側面に、圧力穴１４ａ、１４ｂをあけ、そ
れぞれの内部の圧力を圧電素子などにより測定し、それ
により、圧力変動の周波数ｆを計測し、流速Ｕを求める
ことができるものである。

あるいは、渦Ｖａ、Ｖｂが物体１４の正面の両側辺部か
ら交互に発生するので、流れに対して垂直な方向におい
て固定された物体が受ける力が変動する。

従って、この力の変動周波数から、流速を求めることも
できる。

また、この場合、変動圧力の測定は、第８図に示すよう
に、物体１４にあけられた圧力穴１４ａ　、　１４ｂの
圧力を、圧力管１５ａ　、　１５ｂを通して圧力変換器
１６に導くことにより行われている。すなわち、流路１
に、例えば、横断面が台形状を有する柱１４を、その底
面が、流れの方向Ｘに対して直角となるように固定し、
その両側辺から頂面の方に向かって放出される渦Ｖａ　
、　Ｖｂによる柱１４の回りの圧力変動を、例えば、柱
１４の各側壁にあけられた圧力穴１４ａ、１４ｂからの
圧力を、圧力導管１５ａ、１５ｂを経て圧力電気変換器
１６により、圧力変動の振動数を電気出力の周波数ｆと
して検出し、この周波数ｒから、流速に比例して放出さ
れる渦の単位時間の放出数を介して流速を求めている。

しかしながら、圧力電気変換器１６の圧力−電気の変換
感度は大きくなく、従って、これまで知られている圧力
の変動による渦流速計は、１０　ｍ／ｓ以上の高速の気
体の流速測定に使用されているだけであり、また、圧力
電気変換器１６は高温度での使用は不可能であり、その
上、第８図に示す圧力電気変換器１６へ圧力を導くため
に長い圧力管１５ａ、１５ｂを使用して流路７の外部に
取り出すので、圧力電気変換器１６に導かれる圧力振幅
は著しく減少し、従って、周波数特性も変わり、高温度
の下における使用は、不可能であった。

更に、圧力電気変換器１６からの出力の電気信号は、カ
ルマン渦の発生が上流及び下流の流れの変動の影響を受
け、規則的な正弦波形とはならないことが多く、このた
めに、出力回路１７により不必要な成分を取り除くなど
の処理をしている。

また、圧力は速度の２乗に比例するので、従来の渦流速
計の圧力電気変換器１６の感度には限界があり、気体で
は１０　ｍ／ｓ以上の高速の範囲を、測定値としている
。また、圧力は、圧電素子や、圧力により変位する薄膜
にはり付けたひずみ計や、あるいは、圧力による膜の変
形を電気容量の変化などにより測定する方法が使用され
ているが、流体の温度が室温と著しく異なる場合には、
上記の圧力電気変換器１６の使用温度範囲外となり、こ
のために、例えば、高温ガスの流速の測定などを正確に
行うことは、はとんど不可能なところであった。

九」涛監゛　しようとする眺 そこで、本発明は、従来の渦流速計には、上記のような
諸種の問題点があり、特に、従来の渦流速計は、流速の
小さな場合には利用することが不可能であることや、あ
るいは、高温ガスの流れのように、流れの圧力変動が微
少であるか、あるいは、高温の条件の下においては、利
用が望ましくなく、他の方法によらざるを得ないという
事情にあるにもかかわらず、最近、このような流速域あ
るいは高温ガスの流速測定が要求されている現状に鑑が
み、これらの種々の問題点を解決し、また、上記のよう
な要求を満足させ、測定精度が良好である新規な渦流を
利用した流速計を得ることを、その課題とするものであ
る。

課ＪＬＬＩｉユ法−１−６犬至力土」−本発明は、この
課題を解決するために、流速を測定すべき流体の流れの
中に、その流れの方向に対して直角な平面内に、正方形
あるいは長方形状を有する薄板から成る振動板を配置し
、この振動板を、流れ方向に対して対称的な軸線の上に
取り付けた、小さな直径を有する回転軸により支持し、
この回転軸は、その上下端部付近において、回転振動可
能に支持し、このようにして、流体の流れの中に回転軸
を介して回転振動可能に振動板を支持する時は、この回
転板の両方の側縁から時間的に相互に発生する渦により
薄板が回転軸の回りに回転振動を行うようになるが、こ
の回転振動を回転軸に取り付けられた微少な反射鏡の回
転振動に変え、この反射鏡の回転振動を光学的に測定し
、この光の振動を光電子的に電圧の変化として取り出し
、この電圧変化の周波数を計測し、この周波数と、流速
との間に存在する比例関係から、流速を求めるようにす
ることを特徴とするものである。

このように、本発明においては、振動板として１板を使
用することにより、その振動部の慣性モーメントを小さ
くすることが可能となり、従って、小さな流速域におい
ても渦の交互の発生により振動板が回転振動を行い、ま
た、振動板及び回転軸の材料に耐熱性材料を使用すると
共に回転軸を支持する軸受を高温ガスにさらさないよう
にするか、又は、ピボット軸受などを使用することによ
り、高温ガスの流速を測定するこも可能となり、更に、
振動板の振動数を光学的手段により電気的周波数として
計測することにより、その計測を高精度のものとするこ
とができるものである。

大−」Ｅ−］□ 以下、本発明をその実施例を示す添付図面の第１〜６図
に基づいて詳細に説明をする。

まず、第１及び２図に、本発明による測定の原理図及び
この原理に基づき作動をする本発明の１実施例が、それ
ぞれ、略図により示されているが、同図に示すように、
適当な横断面、例えば、長方形状の横断面を有している
流路１の内部に、その中心軸線を含み且つ対向する流路
壁１ａ及び１ｂに対して直角な平面内において、各流路
壁１ａ、ｌｂに対して直角な方向に、小直径を有する金
属棒又は金属管から成る回転軸２が配置されており、こ
の回転軸２は、各流路壁１ａ、ｌｂに取り付けられた軸
受３ａ、３ｂを介して、回転振動自在に支持されている
。また、この回転軸２には、正方形又は長方形の形状を
有する薄板から成る振動板４が、その−面の上において
、その長手方向の対称軸に沿って固着されている。

このようにして、この流路１の上流側から、流速υを有
する流体を矢印Ｘの方向に流すと、振動板４の回転軸２
の方向の両側辺から、交互に渦Ｖａ、Ｖｂが発生し、こ
れらの渦Ｖａ、Ｖｂは、下流に行くに従い、流れに対し
て平行方向及び流れに対して垂直方向に、それぞれ、一
定の間隔で、非対称的に一定間隔の、いわゆる、カルマ
ン渦列を生成する。また、これらのカルマン渦列により
、振動板４には、渦列に対応した圧力が生ずる。この場
合、渦Ｖａ、Ｖｂが、上記のように交互に発生するため
に、振動板４は、回転軸２の中心の回りに振動的に変位
し、第１図に破線により示すように、回転振動をする。

また、この場合、渦Ｖａ。

ｖｂは、下流では一定の間隔で配列されるが、渦列の上
流である振動板４の取り付は箇所においては、上流の流
れの変動などから影響を受け、振動板４は、不規則な且
つ時としては大きな振幅で振動をすることがある。

本発明においては、これらの流体の流速Ｕの測定に影響
を与える信号を成るべく測定出力に現れないようにする
ために、振動板４の下流にスプリッター５と、振動板４
の振動回転振幅をある値以上とならないようにするため
の、適当な形状を有するストッパーないしはストッパー
バー６とを設けるものである。

また、回転軸２は、第２図に示すように、その一方の端
部を流路１の一方の流路壁１ａを貫通して外部へ延長し
、この延長部には、小さな反射鏡７が固定しである。こ
の反射鏡７は、その付近に設置しである光放射器（光放
射ダイオード）（ＬＥＤ）８から放射される光を受け、
これを反射し、この反射光を、反射鏡７の付近に設置し
であるフォトダイオードなどのような受光電気変換器く
光電装置）９により受け、このようにして、反射鏡７に
より反射された光により、振動板４の回転振動を、その
回転振動数により変動する電気出力に変換するようにす
る。すなわち、この電気出力の周波数は、渦Ｖａ、Ｖｂ
による振動板４の回転振動数と一致することとなる６ また、本発明においては、高温のガスの流速を測定する
ことをも考慮に入れ、第２図に示した回転軸２を回転支
持するための軸受３ａ、３ｂ、例えば、玉軸受け、高温
度の下における長時間の使用に対しては高い信頼性が無
いことに鑑がみ、第３図に示すように、流路１の外部に
おいて、その各流路壁１ａ、ｌｂにピボット軸受１１ａ
、ｌｌｂを取り付け、これらのピボット軸受１１ａ、ｌ
ｌｂにより回転軸２を回転支持するようにし、また、同
時に、光放射器８、反射鏡７並びに受光電気変換器９を
も、適宜に外箱１２などの内部に設置し、冷却可能な配
置として置くものである。このようにして、高温ガスの
流速の測定の場合にも、流路１それ自体の冷却は不要と
する。

以上のようにして、本発明においては、振動板４の回転
振動数を電気出力の周波数として取り出すものであるが
、この電気出力の周波数の測定手段としては、従来は、
既に、第７及び８図に基づいて説明をしたように、圧力
変動の振動数を電気出力の周波数として検出し、この周
波数から、流速Ｕに比例して放出される渦の単位時間の
放出数を介して流速を求めていた。しかしながら、圧力
電気変換器１６の圧力−電気の変換感度は大きくなく、
また、第８図に示すように、圧力電気変換器１６へ圧力
を導くために長い圧力管１５ａ　、　１５ｂを使用して
流路の外部に取り出すので、圧力電気変換器１６に導か
れる圧力振幅は著しく減少し、従って、周波数特性も変
わり、高温度の下における使用は、不可能であった。

これに対し、本発明においては、渦Ｖａ、Ｖｂによる微
少な圧力変動を振動板４の回転振動として検出し、この
回転振動を一振動板４と一体の回転軸２に固定された反
射鏡７の光学的な回転振動に変換し、この光学的な回転
振動を、光放射器８及び光を電気信号に変換する受光電
気変換器９などを介して、退動板４の回転振動と同じ周
波数で変動する電気信号として取り出すようにしである
ので、振動板４が、渦Ｖａ。

ｖｂの変動する微圧に良く追随して回転振動をするので
、従来の渦流速計によっては測定が不可能であった低速
の流速の測定を可能とするだけでは無く、従来の渦流速
計によっては測定が困難であった高温ガスの流速の測定
をも可能とするものである。

以下、本発明をその数値例について説明する。

数　　値　　例　　１ 平行な平板の流路壁の間の−様な流速Ｕの中に、厚さが
０．２ｍｍ、長さが１１２ｍｍで、幅が８０ｍｍ、　６
０ｍｍ。

４０ｍｍなどの数種のチタンの回転板４を、流路幅の中
央に回転軸２を回転振動自在に取り付けた本発明による
光学式振動板渦流速計を設置した。

また、スプリッター板５の有効性を調査するために２幅
５２ｍｍの振動板４の後方に５ＩｎＩ１１の間隔を置い
て長さ　４０１、厚さ　４端端のスプリッター板５を設
置した場合における振動板４と、反射鏡７とを使用した
時の受光電気変換器（フォトダイオード）９の出力の時
間的変化を測定した。その結果が、第４図（ａ）及び（
ｂ）に示しである。すなわち、同図（ａ）は、スプリッ
ター板５が無い場合の結果を示し、また、同図（ｂ）は
、スプリッター板５を設置した場合の結果を示すもので
ある。これらの図を比較することにより、本発明により
スプリッター板５を設置した場合には、その出力信号が
、はとんど基本周波数だけを含むようになり、スプリッ
ター板５の有効性が証明されている。

また、振動板１の板幅ｄを８０ｍｍ、　６０ｍｍ及び４
０ｍｍとし、流路の横幅を、それぞれ、板幅の３．７倍
とし、ストロ−ハル数をＳｔとし、光学的に測定した周
波数をｆとし、Ｓｔを ５ｔ＝ｆｄ　／　Ｕ。

から求めたストロ−ハル数Ｓｔと、流速Ｕとの間の関係
を測定した結果が、第５図に示されている。

この図から、流速が１０　ｍ／ｓから１ｍ／ｓの間にお
いて、ストロ−ハル数Ｓｔは０．１８４と一定であり、
流速の測定としては、良好な精度を示し、従って、本発
明は、広い応用範囲を有することが分かるところである
。

敗−」Ｌ−侶−」ユ 次に、直径５０ｍｎの円管の中央に、１５ｍｍＸ　１５
ｍｍの正方形の回転板４を、板厚０．２１のチタンから
作り、これを直径５０　ｍｍの円管の中央に配置し、こ
れを直径１　、ｍｍの円管製の回転軸２に固定し、更に
、第２図に示すように、この回転軸２を円管の外部に突
出するように延長させ、また、この回転軸２の延長部に
、小さなな反射鏡７を取り付け、光放射器８及び受光電
気変換器（）オドダイオード）９を介して、回転軸２の
回転振動数を受光電気変換器（フォトダイオード）９の
出力信号から求めた。

この測定結果を、円管内の流体の平均流速Ｕ！Ｒと、電
気信号の周波数「との間の関係により線図に示すと、第
６図のとおりとなった。

この線図から分かるように、流速８　＋ｍ／ｓと、１．
５ＩＩ／ｓとの間においては、流速と、周波数との間の
関係は、完全に直線的であり、本発明による光学式振動
板渦流速計が、低流速用の振動微滴流速計として使用さ
れることに適していることは、明らかなところである。

魚曹ビυ涛釆− 本発明は、上記のような構成及び作用を有しているので
、従来の渦流運針では測定が不可能な気体の低速度及び
高温ガスの流速の測定を、流れの微少な圧力変動にも回
転振動をするように中央で回転軸に固定されている薄い
振動板を流れの中に入れ、振動板の両側辺部から流れの
中に交互に発生する渦により誘起される振動板の回転振
動を光学的手段により電気的信号としてその周波数を取
り出し、低速、例えば、１０ＩＩ／ｓ以下の気体や、液
体などの流体の流速を、流体が高温及び低温の状態の下
にあっても、その流体を測定することを可能とするもの
である。従って、本発明は、各種のプラントにおいて、
例えば、高温のガス、半導体製造用の腐食性ガスの流速
測定用のためなどの使用など、各種の分野において広く
利用されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理を示す説明図、第２区は、第１
図に示す原理に基づいて作られた、本発明による光学式
振動板渦流速計の１実施例のやや具体的な構成を示す略
斜視図、第３図は、第２図に示された流速計を高温流体
の流速の測定に適するように変形した本発明による流速
計の他の実施例を示す同様の略斜視図、第４図（ａ）及
び（ｂ）は、本発明による流速計において使用されてい
るスプリッター板の効果を比較する線図、第５図は、本
発明による流速計として、３種類の幅を有する振動板を
使用し、約１０ｎ／ｓ以下の流速の測定を行った場合に
おける流速と、ストロ−ハル数との間の関係を示す線図
、第６図は、本発明による渦流運針により円管内を流れ
る流体の流速を測定した場合における平均流速と、その
光学的測定手段による電気出力の周波数との間の関係を
示す線図、第７図は、従来公知の渦流運針の１例を示す
略図、第８図は、その変動圧力の圧力電気変換器による
測定方法を示す略図である。 １・・・流路、２・・・回転軸、３ａ、３ｂ・・・軸受
、４・・・振動板、５・・・スプリット板、６・・・ス
トッパー、７・・・反射鏡、８・・・光放射器、９・・
・受光電気変換器、ｌｌａ、、１１ｂ・・・ピボット軸
受、１２・・・外箱６ 第１図 第２図 １ｂ　　　３ｂ 単３図 １ｎ １ｂ 第４図 （ｂ）スつ°リット板あり ＬＪ（ｍ／ｓ） Ｕｍ（ｍ／ｓｌ 第８図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流速を測定すべき流体の流れの中に、その流れの方
   向に対して一般的に直角な方向に広がりを有する、ある
   面積を有している渦発生体としての振動板と、この振動
   板を回転振動自在に支持している回転軸と、回転板の回
   転振動を測定するための光学的測定手段とから成り立っ
   ており、この光学的測定手段が、回転軸に固定された反
   射鏡と、この反射鏡に向かって光を放射するための光放
   射器と、反射鏡からの反射光を受け取るための受光器と
   、受光器が受け取る振動板の回転振動に基づく光放射器
   からの光の反射鏡を介する反射光の回転振動を、電子式
   に電圧変化の周波数として計測するための電子的測定手
   段とから成り立つていることを特徴とする光学式振動板
   渦流速計。 ２、振動板が、チタン、アルミニウムあるいは合板など
   の材料から作られた薄板から構成されている請求項１記
   載の光学式振動板渦流速計。 ３、振動板を回転振動自在に支持している回転軸が、軸
   受、例えば、玉軸受により支持されている請求項１又は
   ２記載の光学式振動板渦流速計。 ４、振動板を回転自在に支持している回転軸が、流体の
   流れの外部に配置されたピボット軸受により支持されて
   いる請求項１又は２記載の光学式振動板渦流速計。 ５、流体が対向する１対の流路壁の間を流れるようにさ
   れている場合に、振動板の回転軸から流体の流れ方向に
   おいて後流中に、流路壁と平行に且つそれらから間隔を
   置かれて板状のスプリッター板を設置し、これにより、
   振動板の回転振動をできる限り正弦波に近いものとし、
   振動数測定の精度を向上させるようした請求項１〜４の
   いずれかに記載の光学式振動板渦流速計。 ６、振動板が、渦の不規則な生成や、流れにあらかじめ
   含まれる変動などにより一時的に振幅が大きくなり、主
   振動数と異なる振動数で振動することを防止するために
   、振動板の回転振幅がある値以上とならないようにする
   ストッパーを備えた請求項１〜５のいずれかに記載の光
   学式振動板渦流速計。 ７、回転軸の軸受及び光学的測定手段が、流体の流れの
   外部に配置され、流れから完全に遮断されるようにした
   請求項１〜６のいずれかに記載の光学式振動板渦流速計
   。 ８、回転軸の軸受及び光学的測定手段が、冷却手段の中
   に配置されている請求項７記載の光学的振動板渦流速計
   。