JPH0511768B2

JPH0511768B2 -

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Publication number: JPH0511768B2
Application number: JP28528785A
Authority: JP
Inventors: Ichizo Ito
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1985-12-18
Filing date: 1985-12-18
Publication date: 1993-02-16
Also published as: JPS62144028A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、カルマン渦を利用して測定流体の質
量流量を測定する質量流量計に関するものであ
る。

（従来の技術）流体中に物体を置くと、物体の両後側面から交
互にかつ規則的に渦が発生し、下流に渦列となつ
て流れることが古くから知られている。この渦列
はカルマン渦列といわれ、単位時間当りの渦の生
成数（生成周波数）が流体の流速に比例してい
る。そこで、測定流体を導く管路内に渦発生体を
配置し、渦発生体によつて流速に比例した渦を発
生させ、渦の生成による揚力変化を圧電素子、ス
トレンゲージ、容量やインダクタンス等のセンサ
で検出し、検出信号の周波数のみを取り出して流
体の流速や流量を測定する渦流量計が実用化され
ている。ところで、一般に知りたい流量は化学変
化を行わせるプロセスではもちろんのこと、取引
においても質量流量であることが多い。また測定
物体が気体やスチームの場合には温度や圧力でそ
の密度が大きく変わり、液体の場合でも温度によ
りその密度がかなり変化してしまう。このため渦
流量計と並設して温度や圧力を測定するか、密度
計にて密度を測定し、質量流量を測定している。
しかし密度計と渦流量計とを用いると繁雑高価で
あり、温度や圧力計と渦流量計との組合せでは、
繁雑高価であるばかりでなく、流体の温度の測定
が難しいことから精度や応答性も悪い。

ところで、第１３図に示す如く、管路１に渦発
生体２が配置され、測定流体が管路１に流された
場合に、渦発生体２に作用する平均効力F_D、変
動揚力F_Lや圧力損失ΔPは一般に次式で示される
関係にある。

F_D∝C_D１／２ρV² (1) F_L∝±C_L１／２ρV² (2) ΔP∝C_P１／２ρV² (3) 但し C_D；抗力係数 C_L；変動揚力係数 C_P；圧力損失係数 ρ；密度Ｖ；流速 (1)、(2)についてはたとえば「流れ学第５章渦
P.79、P.87 21クツタジユコフスキーの定理谷
一郎著岩波書店」で述べられている。又(3)は渦
発生体からの境界層の剥離（カルマン渦の発生）
による損失から導かれるものである。

さて、平均抗力F_D、変動揚力F_L、圧力損失ΔP
は、抗力係数C_D、変動揚力係数C_L、圧力損失係
数C_Pが定数であれば、ρV²に比例するので、渦周
波数＝StＶ／ｄ＝KV（但し、St；ストロハル数、ｄ；渦発生体２の直径、Ｋ＝St／ｄで定数）で(1)、 (2)、(3)式を割算すれば、ρVが得られる。抗力係
数C_D、変動揚力係数C_L、圧力損失係数C_Pの値に
ついては、たとえば、抗力係数C_Dについては第
１４図（航空宇宙工学便覧 P205 日本航空宇
宙学会編丸善株式会社発行）に示されるよう
に、各種形状の渦発生体について求められてい
る。

又、ρV²検出器とＶ検出器とを割算することに
よりρ・V²／Ｖ＝ρVなる質量流量を求めること
についても、流量計測ハンドブツク P344 川
田裕郎編著日刊工業新聞社発行に述べられてい
るように、従来から一般的に行われている技術で
ある。

渦流量計において、この種の公知例としては、
西独特許 DE3032578C2「測定流体を動的に密度
に非依存に決定する方法と装置（内容は渦流量計
による質量流量の測定）」があり、変動揚力を渦
発生体に取付けたストレインゲージの歪みとして
検出したり、バネにより渦発生体に発生するトル
クを検出したり、渦発生体の前面にピトー管を設
置し抗力を検出し、渦周波数と割算することによ
り質量流量を求めるものがある。

また、国内においては、実開昭54−174359号
「カルマン渦を利用した測定装置」においても、
渦発生体の上下流側にダイアフラムによる容量検
出部を設け、容量変化の直流分より抗力F_Dを、
交流分から渦周波数を検出し割算することにより
質量流量を求めるものがある。

また、特開昭57−61916号「カルマン渦を利用
した測定装置」に変動揚力を検出し、渦周数で割
算する例が示されている。

以下、特開昭57−61916号について説明する。

第１５図はこの特開昭57−61916号の構成説明
図である。図において、１ａは測定流体が流れる
管路、２ａは管路１ａに垂直に挿入された柱状の
渦発生体で、その両端は管路１ａに固定されてい
る。渦発生体２ａの本体２１ａはステンレス等か
らなり、測定流体にカルマン渦列を生ぜしめかつ
揚力変化を安定強化するような例えば台形等の断
面形状を有している。渦発生体２ａの頂部２２ａ
はステンレス等からなり、凹部２３ａを有し本体
２１ａとは溶接等により一体に形成されている。
４１ａは圧力素子からなる素子本体で、渦発生体
２ａの凹部２３ａにガラス等の絶縁材３ａによつ
て封着され、渦発生体と一体に形成されている。
また素子本体４１ａは円板状をなし、その中心が
渦発生体２ａの中立軸と一致するように配置され
ている。さらに素子本体４１ａには、第１６図に
示すようにその表と裏にそれぞれ左右に分割して
対称的に電極４２ａ，４３ａ，４４ａ，４５ａが
設けられ、電極４２ａと４３ａで挟まれた部分で
第１の圧電センサ４６ａを形成し、電極４４ａと
４５ａで挟まれた部分で第２の圧電センサ４７ａ
を形成する。そして第１、第２の圧電センサ４６
ａ，４７ａに生ずる電荷が差動的になるように、
電極４２ａと４５ａおよび電極４３ａと４４ａが
各々結線され、かつ電極４２ａと４４ａからそれ
ぞれリード線４８ａ，４９ａが絶縁材３ａを貫通
して外部に取り出されている。８ａは検出信号処
理回路で、圧電センサ４６ａ，４７ａで検出した
交流電荷ｑを交流電圧ｅに変換する。９ａは比較
器で、交流電圧ｅを一定レベルのパルス信号Ｐに
変換するためのものである。１０ａはＦ／Ｖコン
バータで、比較器出力のパルス信号Ｐをその周波
数に比例した直流電圧E₁に変換する。１１ａは
整流平滑回路で、交流電圧ｅを整流平滑し、その
振幅に比例した直流電圧E₂に変換する。１２ａ
は演算回路で、Ｆ／Ｖコンバータ１０ａと整流平
滑回路１１ａの出力E₁，E₂に所望の演算を施し、
その出力に流体の密度または質量流量に関連した
信号を取出すためのものである。

このように構成した第１５図従来例において、
管路１ａ内に測定流体が流れると、渦発生体２ａ
はカルマン渦に発生させるとともに、渦の生成に
基づく揚力変化を受ける。渦発生体２ａは揚力変
化を受けるとその内部に図示の如く中立軸を挟ん
で逆方向の応力変化が発生する。この渦発生体２
ａに生ずる応力変化は絶縁材３ａで渦発生体２ａ
に一体に取付けられた素子本体４１ａに伝達され
る。したがつて第１、第２の圧電センサ４６ａ，
４７ａにはそれぞれ揚力変化に対応して互いに逆
位相の電荷量の変化が生ずる。そして圧電センサ
４６ａ，４７ａに生ずる電荷量は差動的に取り出
され、リード線４８ａ，４９ａ間には交番電荷ｑ
が生ずる。交番電荷ｑは検出信号処理回路８ａで
交流電圧ｅに変換される。交流電圧ｅの周波数を
比較器９ａおよびＦ／Ｖコンバータ１０ａを介し
て取り出せば、(4)式の如く一般の渦流量計と同様
渦周波数すなわち流速νに比例した電圧E₁が
得られる。

E₁＝K₁Ｖ (4) ただし、K₁は比例定数一方交流電圧ｅの振幅を整流平滑回路１１ａを
介して取り出せば、整流平滑回路１１ａの出力
E₂は流体の密度をρとすると次式で与えられる。

E₂＝K₂〓V² (5) ただし、K₂は比例定数よつて、演算回路１２ａでE₂／E₁なる演算を行えば、その出力Eoは、 Eo＝E₂／E₁＝K₂／K₁ρV＝K₃ρV (6) となる。管路１ａの断面積をＳとすれば、質量流
量Qmは、 Qm＝ρVs (7) で与えられるので、Eoは、 Eo＝K₃／ＳQm (8) となり、質量流量に比例した信号となる。

また演算回路１２ａで、E₁を２乗した後E₂を
割るようにすれば、出力Eoは、 Eo＝E₂／E₁ ²＝K₂／K₁ ²ρ＝K₃／K₁ρ (9) となり、流体の密度に比例した信号を得ることが
できる。

以上のことは、変動揚力係数C_Lが一定である
という仮定で成り立つ考えである。同様に西独特
許DE3032578 C2においても同様で変動揚力係数
C_Lが一定であることが必要である。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、今、カルマン渦による変動揚力
F_L、抗力F_D及び渦周波数出力（体積流量）F_Vは F_L＝±１／２C_LρV²dD (10) F_D＝±１／２C_DρV²dD (11) F_V＝K₁Ｖ (12) 但し F_L；変動揚力 F_D；抗力 F_V；渦周波数出力（体積流量） C_L；変動揚力係数 C_D；抗力係数 ρ；密度Ｖ；流速ｄ；渦発生体の流れに対向する直径Ｄ；管内直径 K₁；定数したがつて、 F_L／F_V＝（１／２C_Lｄ・Ｄ／K₁）ρV (6)式におけるK₃は K₃＝１／２C_Lｄ・Ｄ／K₁ となる。

ここにおいて、変動揚力係数C_Lは、たとえば、
第１７図に示す如き抗力係数C_Dや第１８図に示
す如きストローハル数Stが一定の場合においても
第１９図に示す如く、一定ではないとされてい
る。（第１７図〜第１８図は、小林敏雄氏の
「Bluff Bodyに作用する流体力」雑誌「生産研
究」第24巻第１号、東京大学生産技術研究所発
行、図１、図７、図８を引用した。）第１５図従来例において、検出信号処理回路８
ａにおいては、渦流量計において用いられている
ように、渦周波数を確実に検出するためのフイル
タ回路が含まれている。センサからの生信号は、
一般に流体中に存在する乱れ等により高周波及び
低周波ノイズが重畳している。特に、低流速では
高周波ノイズが、高流速では低周波ノイズが著し
くなり、このノイズを除去するためフイルタ回路
は必要とされる。フイルタ回路のフイルタ効果を
弱くすると、渦信号に含まれているノイズのため
渦周波数の検出が困難となる。

一方、このフイルタ回路の存在により変動揚力
信号が不正確になる。

本発明は、この問題点を解決するものである。

本発明の目的は、変動揚力係数が変動しないよ
うに回路構成して、簡単な構成で、密度又は質量
流量を精度よく測定できる装置を提供するにあ
る。

（問題点を解決するための手段）この目的を達成するために、本願は、渦検出セ
ンサよりの渦信号を信号変換する信号変換回路
と、該信号変換回路からの信号の高周波及び低周
波ノイズを低減させるフイルタ回路と、該フイル
タ回路からの信号を増幅する第１増幅回路と、該
第１増幅回路からの信号をパルス信号に変換する
コンパレータと、該コンパレータからの信号をそ
の周波数に比例した直流電圧に変換するＦ／Ｖコ
ンバータと、前記信号変換回路からの信号を増幅
する第２増幅回路と、該第２増幅回路からの信号
を検波する検波回路と、該検波回路からの信号の
リツプル分を除去する整流回路と、該整流回路か
らの信号を前記Ｆ／Ｖコンバータ回路からの信号
で割算する割算回路と、前記第１増幅器からの信
号が前記コンパレータの設定トリガレベルまで達
しなくなつた場合に、前記割算回路の出力を０と
するゲート回路とを具備し、前記整流回路の時定
数と前記Ｆ／Ｖコンバータの時定数とをほぼ同じ
にし、かつ前記渦信号のビート周波数より大なる
ようにしてなる質量流量計を構成したものであ
る。

（作用）以上の構成において、渦検出センサよりの渦信
号を信号変換回路で信号変換し、フイルタ回路で
高周波及び抵高周ノイズを低減させ、第１増幅回
路で信号を増幅し、コンパレータでパルス信号に
変換する。次にＦ／Ｖコンバータでパルス信号の
周波数に比例した直流電圧に変換する。

一方、信号変換回路からの信号を第２増幅器で
増幅し、検波回路で検波する。次に整流回路でリ
ツプル分を除去する。

この整流回路からの信号を割算回路において、
Ｆ／Ｖコンバータからの信号で割算して質量流量
に対応した電気信号を得る。

一方、第１増幅器からの信号がコンパレータの
設定トリガレベルまで達しない場合には、Ｆ／Ｖ
コンバータからの信号によりゲート回路により割
算回路からの出力を０とする。

以下、実施例について説明する。

（実施例）第１図Ａ，Ｂは、本発明の一実施例の構成説明
図でＡは正面図、Ｂは側面図、第２図は第１図の
検出器部を断面で示す構成説明図である。

図において、１０は渦流量計検出器、２０は渦
流量計変換器である。

渦流量計検出器１０において、１１は測定流体
が流れる管路、１２は管路１１に直角に設けられ
た円筒状のノズル、１３はノズル１２を通して管
路１１に直角に挿入された柱状の渦発生体で、ス
テンレス等からなりその上端１３１はノズル１２
にネジまたは溶接により固定され、下端１３２は
プラグにより管路１１に支持されている。渦発生
体１３の測定流体と接する接流体部分１３３は測
定流体にカルマン渦列を生ぜしめ、かつ揚力変化
を安定強化するように例えば台形等の断面形状を
有し、また上端１３１側には凹部１３４を有して
いる。１３５は凹部１３４によつて渦発生体１３
に形成される外筒部である。１４はセンサ部で、
渦発生体１３の凹部１３４内に第１の応力検出セ
ンサ１４２と第２の応力検出センサ１４１とが一
定間隔おいて押圧固定されている。而して、第
１、第２の応力検出センサ１４２，１４１は、第
３図に示す如く、外乱力Ｎによつて渦発生体１３
に生ずる応力が零となる位置Ａの同一側又は両側
に配置されている。以下では、同一側に配置され
た場合について説明する。センサ部１４におい
て、ステンレス等の下敷１４３は第１の応力検出
センサ１４２と凹部１３４の底面とのバツフアの
役目をし、凹部１３４の底面の加工上のあらさ管
理の困難さを補うものである。ステンレス等の第
１のスペーサ１４４とセラミツク等の絶縁板１４
５およびステンレス等の第２のスペーサ１４６は
第１の応力検出センサ１４２と第２の応力センサ
１４１との間隔を決めるとともに、両者の絶縁を
行うためのものである。ステンレス等の押し棒１
４７はセンサ１４１，１４２を押圧した状態で渦
発生体１３の上端１３１に溶接され、センサ１４
１，１４２を押圧固定するものである。なおセン
サ部１４は渦発生体１３に下敷１４３と押し棒１
４７の上部のみで接触するようになつている。応
力検出センサ１４１，１４２は円板状の圧電素子
１４０からなり、その中心が渦発生体１３の中立
軸と一致するように配置されている。さらに圧電
素子１４０には第４図(A)斜視図に示すようにその
表と裏にそれぞれ測定流体の流れ方向（図の矢印
方向）に対して左右に分割して対称的に電極１４
０１，１４０２，１４０３，１４０４が設けら
れ、かつ第４図(B)に示す如く矢印方向（渦の揚力
方向）の力による曲げモーメントによつて中立軸
を挟んで互いに逆方向に発生する応力（圧縮応力
と引張応力）に対応して電極１４０１，１４０２
間に生ずる電荷と、電極１４０３，１４０４間に
生ずる電荷とが同極性になるように反転分極され
ている。このため第４図Ｃに示すように同方向に
発生する応力に対しては両電極間に互いに逆極性
の電荷が発生する。また測定流体の流れ方向の応
力によつて発生する電荷量は電極間でキヤンセル
されて出てこず、また流れ方向の配管振動によつ
て発生する電荷量も電極間で互いにキヤンセルさ
れて出てこない。第２の応力検出センサ１４１は
電極１４０１，１４０２間および電極１４０３，
１４０４間にそれぞれ生ずる同極性の電荷の和を
出力電荷q₁とし逆極性の電荷をキヤンセルするた
めに、電荷１４０１と１４０３とが押し棒１４７
を介して共通に渦発生体１３すなわち基準点に接
続され、電極１４０２と１４０４とがスペーサ１
４６を介して共通にリード線１４８１に接続され
ている。第１の応力検出センサ１４２は電極１４
０１，１４０２間および電極１４０３，１４０４
間にそれぞれ生ずる同極性の電荷の和を出力電荷
q₂とし逆極性の電荷をキヤンセルして、かつq₁と
は極性を反転させるために、電極１４０１と１４
０３がスペーサ１４４を介して共通にリード線１
４８２に接続され、電極１４０２と１４０４とが
下敷１４３を介して共通に渦発生体１３すなわち
基準点に接続されている。リード線１４８１，１
４８２はセンサ部１４の各部品に設けられた貫通
孔およびハーメチツクシール１４８を介して外部
に取り出され、渦流量計変換器２０に接続され
る。なお渦発生体１３の凹部１３４とセンサ部１
４で囲まれた部分には結露防止のために、露点の
低いガスが封入されており、押し棒１４７には封
入ガス用の連通孔１４９が設けられている。１５
は渦発生体１３と管路１１との交差部分に設けら
れたラビリンス流路である。ラビリンス流路１５
は、第５図に示す如く、渦発生体１３に取付けら
れ、管路１１とわずかな隙間を形成するフイン１
５１と、それに続く拡大室１５２が対となり少く
とも一対以上で構成されている。

而して、凹部１３４の深さＬは、次式を満足す
るように選ばれている。

Lα_P＝t_Kα_K＋t_Sα_S＋t_Lα_L＋t_qα_q α_P；渦発生体１３の熱膨脹係数、 α_K；押し棒１４７の熱膨脹係数、 α_S；絶縁板１４５の熱膨脹係数、 α_L；応力検出センサ１４１，１４２の熱膨脹
係数、 α_q；スペーサ１４４，１４６の熱膨脹係数 t_K；押し棒１４７の長さ、 t_S；絶縁板１４５の厚さ、 t_L；応力検出センサ１４１，１４２の厚さ、 t_q；スペーサ１４４，１４６の厚さ、即ち、渦発生体１３と応力検出センサ１４１，
１４２と絶縁板１４５とスペーサ１４４，１４６
との間に生ずる熱膨張の差を、渦発生体１３と押
し棒１４７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１３４の深さＬが設定さ
れている。

第６図は第２図の電気回路３０（第２図に図示
せず）のブロツク図である。

３１，３２はチヤージコンバータで、応力検出
センサ１４１，１４２で検出した交流電荷q₁，q₂
を交流電圧E₃₁，E₃₂に変換する。３３は加減算回
路で、チヤージコンバータ３１，３２から出力を
加算して交流電圧E₃₃とする。３４は第２増幅回
路で、交流電圧E₃₃を増幅し交流電圧E₃₄とする。
３５は検波回路で、交流電圧E₃₄を検波しE₃₅とす
る。３６は整流回路で、交流電圧E₃₅のリツプル
分を除去する。３７はフイルタ回路で、交流電圧
E₃₃に含まれる低周波あるいは高周波のノイズを
除去し、交流電圧E₃₇とする。３８は第１増幅回
路で、交流電圧E₃₇を増幅し、交流電圧E₃₈とす
る。３９はシユミツトトリガー回路で、交流電圧
E₃₈を一定レベルのパルス信号P₃₉に変換する。４
１はＦ／Ｖコンバータで、パルス信号P₃₉をその
周波数に比例した直流電圧E₄₁に変換する。４２
は割算回路で、Ｆ／Ｖコンバータ４１と整流回路
３６の出力E₄₁，E₃₆に所望の演算を施し、その出
力に流体の密度または質量流量に関連した信号
E₄₂を取り出す。４３はゲート回路で、第１増幅
回路３８からの交流電圧E₃₈がシユミツト回路３
９の設定トリガレベルにまで達しなくなつた場合
に、割算回路４２の出力を０とする。而して、整
流回路３６の時定数とＦ／Ｖコンバータ４１の時
定数をほぼ同じにし、かつ、渦信号のビート周波
数より大なるように構成されている。

以上の構成において、変動揚力信号の絶対値を
正確に検出するため渦周波数の帯域内でフラツト
な特性の信号変換回路（チヤージコンバータ３
１，３２と加減算回路３３）で物理量を電気量に
変換した後、同様に渦周波数の帯域内でフラツト
な特性を有する第２増幅回路３４で増幅し、そ
のまま検波回路３５の入力とした。

一方、渦周波数検出は信号変換回路（チヤージ
コンバータ３１，３２と加減算回路３３を通つた
後、渦信号に含まれている高周波及び低周波ノイ
ズを低減させるため、フイルタ回路３７と第１増
幅回路３８を通した後、シユミツト回路（コンパ
レータ）３９の入力とした。

以上の結果、変動揚力信号検出回路と渦周波数
検出回路とを信号変換回路の直後から別々に分け
ることにより、変動揚力信号の絶対値を正確に測
定することと、確実に渦周波数を検出することと
を両立させることができた。

したがつて、円管内の３次元流れにおいて、変
動揚力の正確な検出が可能となつた。実験結果よ
り変動揚力F_Lは流速の二乗V²に正確に比例、す
なわち、F_L＝±C_L・１／２ρV²dDにおいて、変動揚力係数C_L＝constが得られた。

従来は、一般にプラフボデイ（渦発生体）の変
動揚力係数C_Lは、二次元流においてさえも非常
に不安定で、レイノルズ数Reなどの関数とみな
されていた。前述した、文献等によると、変動揚
力係数C_Lの値は、実験者により大きく異なつて
おり、ストロハル数Stは一定（渦周波数は流速に
比例）であつても、変動揚力係数C_L（渦の強さ）
は流速の二乗V²に正確に比例はしていないもの
とされていた。変動揚力を測定する検出センサは
歪み、変位、力センサを使用しているため、流体
の交流ノイズ、管路振動、測定系のノイズなどが
重畳し、分離検出が困難であつた。

しかるに、西独特許DE3032578 C2、実開昭57
−61916号ではC_L検出について何ら明示しておら
ず、C_Lが一定と仮定し、公知の技術を述べたも
のである。

一方、平均抗力については、文献値でも示され
ているようにレイノルズ数Re＞2000以上では、
ほとんど一定になることが明らかにされている。
これは、平均抗力は直流分として検出できるので
測定回路にて、交流ノイズ分を完全に除去でき、
特別な工夫をしなくても正確な測定が可能である
ことにある。

次に、第１増幅回路３８からの信号がシユミツ
ト回路３９の設定トリガレベルまで達しなくなつ
た場合に、割算回路４２の出力を０とするゲート
回路４３を設けた。渦の信号が小さくなり、シユ
ミツト回路３９の設定トリガーレベルまで達しな
くなると、シユミツト回路３９からパルス出力
P₃₉が出力されなくなり、この結果、Ｆ／Ｖコン
バータ４１の出力は０になる。一方、変動揚力検
出回路の整流回路３６の出力電圧E₃₆は、測定流
体の流れの中のノイズや回路ノイズ等により０と
ならない。よつて、割算回路４２の分母となる入
力は０で分子となる入力は０とならず大きな＋誤
差となる。ゲート回路４３は、Ｆ／Ｖコンバータ
の出力電圧をゲート信号電圧とするものでゼロカ
ツトを行いこの誤差をカツトする。第７図に出力
EoとρVの関係を示す。

なお、シユミツト回路３９の設定トリガーレベ
ルはＳ／Ｎ＝１又はそれよりやや大きいところに
設定される。Ｓ／Ｎ＜１になると、フイルタ回路
３７により、渦周波数の検出は可能であつても、
変動揚力の測定に大きな誤差を生じてしまうから
である。

また、整流回路３６とＦ／Ｖコンバータ４１の
時定数は、ほぼ同じであり、かつ、渦信号のビー
ト周波数より大なるように構成されているので、
測定流体の測定流量の変動に対しても精度よく追
従することができるものが得られる。

なお、検波回路３５は、半波整流でも、両波整
流でもよい。検波回路３５の入力信号E₃₄に重畳
されるノイズはＳ／Ｎ＞１であれば、ノイズの影
響は軽減される。たとえば、第８図Ａに示す如
く、低周波の信号に、高周波のノイズが重畳され
た入力信号E₃₄の検波波形E₃₅は、第８図(B)に示す
如く、ノイズを重畳した波形となるが、たとえ
ば、第８図Ｂの図示のＡとＢとに関して、ノイズ
は平均化され、全体としてノイズは減少される。
又、渦周波数で同期整流すればノイズは、ほぼ完
全に除去可能となる。

さて、渦放出の安定性（揚力の安定性）は直管
長が十分ある場合でもなかり悪く、変動は数十％
以上ある。よつて、検波回路３５の出力の振幅は
かなり変動しており、整流回路３６の時定数が渦
の周波数に対して充分であつても、リツプルは大
きく実用的でない。時定数は検波回路３５の出力
の振幅の変動周波数に対して考えねばならない。
水でのテスト結果から判断すると、この値は、
5sec以上が必要である。

一方、揚力の安定性を向上させるには、流れを
安定化させることが必要で、渦発生体１３の上流
側に、整流管や多孔板等の整流装置を設置するこ
とが有効である。

更に、渦発生体１３と応力検出センサ１４１，
１４２と絶縁板１４５とスペーサ１４４，１４６
との間に生ずる熱膨張の差を、渦発生体１３と押
し棒１４７との熱膨脹の差によつて、丁度打消す
ことができるように凹部１３４の深さＬが設定さ
れているので、周囲温度の変化によつて、応力検
出センサ１４１，１４２に加わる圧縮力が変化す
ることがなく、押し棒１４７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。特に、絶対値的に影響が生ずる
変動揚力の測定に対して効果的である。

また、渦発生体１３と、応力検出センサ１４
１，１４２と絶縁板１４５とスペーサ１４４，１
４６との熱膨張係数をほぼ等しくしておけば、温
度変化があつても、初期押しつけ力が変化しない
ものが得られる。

また、初期押しつけ力は、応力検出センサ１４
１，１４２の交番応力σ_Sに対する感度が充分飽和
する大きさまで与えておけば、わずかな押しつけ
力の変化によつて出力誤差が大きく生じないもの
が得られる。具体例としては、たとえば、３Kg／
cm²以上の初期押しつけ力を加えるようにする。

また、第１図実施例においては、第９図に示す
如く、変動揚力F_Lは下記の式で表わされる。

F_L＝±C_L１／２ρV²・ｄ・Ｄ (14) 但し C_L；変動揚力係数 ρ；密度Ｖ；流速ｄ；渦発生体の流れに対向する径Ｄ；管内径したがつて、変動揚力F_Lによる渦発生体１３
の信号曲げモーメントMsは Ms＝F_L・Ｄ／８・³（２³−D²−6²ｘ＋D²ｘ）(15) ；渦発生体の長手方向の長さｘ；上部固定端からの距離センサ部１４の曲げモーメントMs′は外筒部１３
５との曲げこわさの比となるから Ms′＝MsI₀E₀／I₀E₀＋I₁E₁＝MsI₀／I₀＋I₁（E₁／E₀）(16) I₀；センサ部１４の断面二次モーメント E₀；〃ヤング率 I₁；外筒部１３５の断面二次モーメント E₁；〃ヤング率よつてセンサ部１４の応力は σ_S＝Ms′／I₀ｙ (17) ｙ；中立軸からの距離圧電素子からなる応力検出センサ１４１，１４
２の発生電荷量ＱはＱ＝∫_sσ_Sd₁₁ds＝∫_sMs′／I₀yd₁₁ds (18) Ｓ；圧電素子１４０の面積 d₁₁；圧電定数さて、ヤング率は温度により変化するが（ステ
ンレスの場合５〜６％／200℃）曲げモーメント
Ms′は(16)式より明らかなようにE₁／E₀となつてい
るからセンサ部１４のヤング率と外筒部１３５の
ヤング率の温度変化の割合いが等しければMs′は
温度によらず一定である。

すなわち、圧電素子１４０、絶縁板１４５に薄
いものを使用しセンサ部１４全体の大部分を占め
る押し棒１４７、電極１４０１，１４０２，１４
０３，１４０４、スペーサ１４４，１４６の金属
材料を外筒部１３５を構成する金属材料と同種の
ものを使用すればE₁／E₀は温度変化しても一定
値となる。

この結果(18)式で示される発生電荷量Ｑはヤング
率の温度変化によらないことになる。なお、断面
二次モーメントI₀，I₁は形状、寸法で決まる定数
である。

これは第２図実施例のいわゆる応力検出方式の
利点で歪み量や、変位量を測定する場合と異な
り、温度変化すなわちヤング率の変化に対して感
度は変らない。

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、管路全体が振れ
る。この振動によつて、渦発生体１３には前述交
番力Ｆが作用する方向に渦発生体１３の質量分布
等に基づく交番の曲げモーメントM_Nが作用する。
この交番の曲げモーメントM_Nにより渦発生体１
３に生ずる応力は応力検出センサ１４１，１４２
においてノイズとして検出される。

第３図は、この曲げモーメントM_Nを示したも
ので、Ms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。

本願においては、曲げモーメントM_Nが零とな
る位置Ａの片側にそれぞれ応力検出センサ１４
１，１４２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
検出センサ１４１で検出し、プラスの応力を応力
検出センサ１４２で検出して、加減算回路３３で
加算して、積極的に打ち消すようにした。而も、
加減算回路３３の入力の一方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、加減算回路３３で、ノイズ分を完全にキヤ
ンセルすることができる。この結果、応力検出セ
ンサ１４１と１４２を曲げモーメントM_Nのプラ
ス量とプラ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、応力検出セ
ンサ１４１，１４２の凹部１３４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、応力検出セ
ンサ１４１，１４２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 (19) q₂＝S₂sinωt＋N₂sinω′t (20) ただし、 ω：信号の角周波数 ω′：ノイズの角周波数 (18)−λ×(19)とすると q_put＝（S₁−λS₂）sinωt＋（N₁−λN₂）sinω′t(21) N₁＝λN₂なるようにして q_put＝（S₁−λS₂）sinωt (22) となる。

而して、渦発生体１３の凹部１３４の周側面と
応力検出センサ１４１，１４２、絶縁板１４５お
よび、スペーサ１４４，１４６との間にはわずか
の隙間を保つようにすれば、信号の曲げモーメン
トMsとノイズの曲げモーメントM_Nの安定化がは
かれる。

また、振動ノイズは、第３図に示す如く、渦発
生体の自重によるものN_Aと、渦発生体１３の頂
部に搭載された搭載ケースによるものN_Bとのベ
クトル和で示されるので、応力検出センサ１４
１，１４２の位置は N_1A＝λN_2A (23) N_1B＝λN_2B (24) 但し N_1A；応力検出センサ１４１で検出された渦
発生体の自重による振動ノイズ N_2A；応力検出センサ１４２で検出された渦
発生体の自重による振動ノイズ N_1B；応力検出センサ１４１で検出された塔
載ケースによる振動ノイズ N_2B；応力検出センサ１４２で検出された塔
載ケースによる振動ノイズとなるように決定されると、ノイズを容易に除去
できる。

而して、渦流量計では、出力が周波数であるの
で、応力検出センサ１４１，１４２に使用される
圧電素子の、温度に対する感度変化（圧電定数の
温度変化）は問題にならないが、本願の場合は、
変動揚力の絶対値が必要となるので、チタン酸
鉛、チタン酸鉛−ジルコン酸鉛（PZT）やニオ
ブ酸リチウム（LiNbO₃）よりも圧電定数の温度
係数の小さい圧電素子、たとえば、水晶Ｘカツト
を選択することが望ましい。

また、実配管ラインでは設計のλと0.05〜0.1
ほど変化する場合があるので、Δλ／λが±５％
の変化に対してΔq／ｑが±１％以下にするには、 Δq／ｑ＝｛S₁−（λ＋Δλ）S₂｝−（S₁−λS₂）
／S₁−λS₂＝−ΔλS₂／S₁−λS₂＝−Δλ／S₁／S₂−λ
(25) λ≒１，Δλ＝±0.05で(20)式が±0.01以下となる
条件はS₁／S₂≧６ (26) に選択すればよい。

すなわち２ケの応力検出センサの設置位置に関
しては(26)式と(23)，(24)式をほぼ同時に満たす必
要があるが、それほど難しいことではなく、応力
検出センサ１４１をまず渦信号モーメントMsが
０となる点におき、(26)式を満たし、その後、応
力検出センサ１４２を(23)，(24)式を満たすよう
に決定すればよい。

計算及び実験結果からセンサ部１４の変動揚力
による信号曲げモーメントMs、振動によるノイ
ズ曲げモーメントM_Nは第３図のように示される。

曲げモーメントM_Bはほぼフラツトな直線であ
り、一方曲げモーメントM_Aは中央部に谷をもつ
曲線で示されるのでM_1A／M_2A＝M_1B／M_2B＝λ
にする応力検出センサ１４２の位置を求めること
は容易である。

また、渦発生体１３と管路１１との交差部分に
ラビリンス流路１５が設けられているが、ラビリ
ンス流路１５がない場合には、測定流体がスチー
ム等の場合には、スタート直後に、管路１１か
ら、管路１１と渦発生体１３の頂部側との隙間に
流入し、スチームが渦発生体１３の外筒部１３５
に熱を与えてドレイン化し、ドレイン化すると体
積が著しく減少し（圧力が著しく減少し）、直ち
に新たなスチームが流入し、これのくり返しで、
渦発生体１３の外筒部１３５の温度は急上昇し、
渦発生体１３の外筒部１３５と、応力検出センサ
１４１，１４２、下敷１４３、押し棒１４７絶縁
板１４５およびスペーサー１４４，１４６で構成
される内筒部との間に大きな温度差が生じ、渦発
生体１３の外筒部１３５の熱膨脹が大きくなり、
応力検出センサ１４１，１４２への面圧が低下し
て、応力検出センサ１４１，１４２の感度が低下
する。ラビリエンス流路１５がある場合には、測
定流体は各段で圧縮膨脹をくり返すので、圧力降
下が減じられ、スチームの流入量をへらすことが
できるので、応力検出センサ１４１，１４２の感
度の低下を防止することができる。応力検出セン
サ１４１，１４２の感度の低下は、渦周波数の検
出においては、周波数を測定すればよいので、致
命的ではないが、揚力信号（ρV²）の検出におい
ては、揚力信号の絶対値の低下となり、大きな誤
差となる。

なお、スチーム以外の流体では、熱を与えて
も、状態の変化はほとんど生じず、管路１１と渦
発生体１３の頂部側との隙間に滞留し、測定流体
の流入はわずかであり、問題とならない。

なお、間隙以外からの流体の熱伝導は内筒部と
外筒部とでほぼ同一温度スピードとなり前述した
内筒部の温度膨脹と外筒部の温度膨脹とをほぼ等
しくしておくことで面圧の低下はない。

第１０図は第６図の電気回路の具体的構成を示
す。

図において、OP1，OP2はチヤージコンバータ
３１，３２を構成する演算増幅器で、第１、第２
の応力検出センサ１４１，１４２の発生電荷q₁，
q₂を低インピーダンスの交流電圧に変換する。こ
こで、コンデンサC₁＝C₂、抵抗R₁＝R₂で、C₁と
R₁、C₂とR₂で構成されるハイパスフイルターの
コーナー周波数_cは渦信号周波数の下限より充分
小さくなるように定数は選択される。OP3は加減
算回路３３を構成する演算増幅器で、振動ノイズ
を除去する。可変抵抗R₄にて定数λを調整する。
OP4は第２増幅回路３４を構成する増幅器、
OP5，OP6は検波整流回路３５，３６を構成する
演算増幅器である。C₃，C₄は結合コンデンサー
で、渦信号周波数に対して充分小さいインピーダ
ンスになるよう定数は選択される。R₅、C₅は整
流回路の時定数で、Ｆ／Ｖコンバータの整流回路
のR₁₇、C₁₂の時定数と等しい値で、かつ、リツプ
ルを減少させるに充分な値に選択される。OP7は
抵抗R₆を調整することにより割算回路４２への
所定入力電圧を得るための演算増幅器である。
OP8、OP9はフイルタ回路３７をと第１増幅回路
３８と構成する演算増幅器で、加減算回路３３の
出力に含まれる高周波及び低周波ノイズを除去
し、渦信号を次段のシユミツトトリガ回路３９の
入力信号まで増幅するものである。C₆、C₇、C₈、
R₇、R₈、R₉はバンドパスフイルタを構成するコ
ンデンサと抵抗、C₉、C₁₀、C₁₁、R₁₀、R₁₂、R₁₃
もバンドパスフイルタを構成するコンデンサと抵
抗である。D₁、D₂は信号レベルが大きくなつた
とき、C₁₁、R₁₃で構成されるローパスフイルタを
解除し、かつ、振幅制限するためのツエナダイオ
ードである。OP₁₀はシユミツト回路３９を構成
する演算増幅器でR₁₄、R₁₅、R₁₆でヒステリシス
の幅を決定する。OP₁₁はＦ／Ｖコンバータ４１
の出力を割算回路４２の所定の入力電圧まで増幅
する演算増幅器で、R₁₈で調整する。OP12はコン
パレータで、ゼロカツト設定電圧として設定され
た基準電圧Ｅにより、割算回路４２の出力をオ
ン・オフするスイツチ回路SWのコントロール電
圧を得る演算増幅器である。

なお、第６図のブロツク図では、フイルタ回路
３７、第１増幅回路３８と機能別に分離して示し
たが、第１０図においては、演算増幅器OP8、
OP9を用いたアクテイブフイルタが示されてい
る。また、第６図におけるゲート回路は、第１０
図では、コンパレータOP12とスイツチ回路SW
で構成されている。第１１図は第１０図の回路に
おいて、流速0.4m／ｓの水の実流テストを行つ
た場合の出力波形例である。

第１１図に示されるように、チヤージコンバー
タ３１の出力波形(A)（第１０図のＡ点）には渦の
信号と管路振動ノイズ、チヤージコンバータ３２
の出力波形(B)（第１０図のＢ点）には管路振動ノ
イズがあらわれている。加減算回路３３の出力波
形(C)（第１０図のＣ点）には管路振動ノイズが除
去された波形となり、シユミツト回路３９の入力
波形(D)（第１０図のＤ点）にはハイカツトフイル
タ効果により、Ｓ／Ｎ比は格段に向上された波形
が示されている。

この波形例は、低流速におけるものであるが、
高流速では、渦信号に低周波ノイズが重畳された
り、渦信号自体にビート波形があらわれ、主とし
てローカツトフイルタ効果によりＳ／Ｎ比を向上
することができる。

また、水での実流量テストの結果、第１２図に
示す如く、整流回路３６の出力は±１％の誤差範
囲内で、流速の二乗に比例していることが確認さ
れた。また、空気と水とで揚力は密度ρに比例し
ていることも確認されている。

なお、前述の実施例においては、一端固定、一
端支持した渦発生体の交番応力を検出する、いわ
ゆる応力検出方式を用いたものについて説明した
が、一端固定、一端自由にした渦発生体の交番応
力を検出するものでもよい。

また、変動揚力を検出する他の力の検出方式、
たとえば、変位、ひずみ、トルク等においても、
温度変化によるセンサの機械的な定数（ヤング
率、ばね定数）の変化を温度補償してやれば、カ
ルマン渦を利用した質量流量計が構成できる。

（発明の効果）以上説明したように、本願は、渦検出センサよ
りの渦信号を信号変換する信号変換回路と、信号
変換回路からの信号の高周波及び低周波ノイズを
低減させるフイルタ回路からの信号を増幅する第
１増幅回路と、第１増幅回路からの信号をパルス
信号に変換するコンパレータと、コンパレータか
らの信号をその周波数に比例した直流電圧に変換
するＦ／Ｖコンバータと、信号変換回路からの信
号を増幅する第２増幅回路と、第２増幅回路から
の信号を検波する検波回路と、検波回路からの信
号のリツプル分を除去する時定数回路と、時定数
回路からの信号をＦ／Ｖコンバータ回路からの信
号で割算する割算回路と、第１増幅器からの信号
がコンパレータの設定トリガレベルまで達しなく
なつた場合に、割算回路の出力を０とするゲート
回路とを具備し、時定数回路とＦ／Ｖコンバータ
の時定数とをほぼ同じにし、かつ渦信号のビート
周波数より大なるようにしてなる質量流量計を構
成したので、変動揚力信号検出回路と渦周波数検
出回路とを信号変換回路の直後から別々に分ける
ことにより、変動揚力信号の絶対値を正確に測定
することと、確実に渦周波数を検出することとを
両立させることができる。

また、第１増幅器からの信号がコンパレータの
設定トリガレベルまで達しなくなつた場合に、割
算回路の出力を０とするゲート回路を設けたの
で、流量０近くにおいて、大なる誤差が生ずるの
を防止することができる。

また、時定数回路とＦ／Ｖコンバータの時定数
とをほぼ同じにし、かつ渦信号のビート周波数よ
り大なるようにしたので、質量流量の変動に対し
ても精度よく追従することができるものが得られ
る。

以上説明したように、本発明によれば、簡単な
構成で、密度又は質量流量を精度よく測定できる
装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成説明図で、Ａ
は正面図、Ｂは側面図、第２図は第１図の検出器
部を断面で示す構成説明図、第３図は第２図の動
作説明図、第４図、第５図はそれぞれ第２図の要
部説明図、第６図は第１図の電気回路図、第７
図、第８図は第６図の動作説明図、第９図は第２
図の動作説明図、第１０図は第６図の具体的構成
説明図、第１１図は第１０図の回路において、流
速0.4m／ｓの水の実流テストを行つた場合の各
部分の出力波形図、第１２図は第１０図の整流回
路の出力特性図、第１３図は管路に渦発生体が配
置された場合の揚力等の説明図、第１４図は抗力
係数の説明図、第１５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１６図は第１５
図の部品説明図、第１７図は抗力係数の特性説明
図、第１８図はストロハル数の特性説明図、第１
９図は揚力係数の説明図である。１０……渦流量検出器、１１……管路、１２…
…ノズル、１３……渦発生体、１３１……上端、
１３２……下端、１３３……接流体部分、１３４
……凹部、１３５……外筒部、１４……センサ
部、１４０……圧電素子、１４１……第２の応力
検出センサ、１４２……第１の応力検出センサ、
１４３……下敷、１４４……第１のスペーサ、１
４５……絶縁板、１４６……第２のスペーサ、１
４７……押し棒、１４８……ハーチメツクシー
ル、１４８１，１４８２……リード線、１４９…
…連通孔、１４０１，１４０２，１４０３，１４
０４……電極、１５……ラビリエンス流路、１５
１……フイン、１５２……拡大室、２０……渦流
量計変換器、３０……電気回路、３１，３２……
チヤージコンバータ、３３……加減算回路、３４
……第２増幅回路、３５……検波回路、３６……
整流回路、３７……フイルタ回路、３８……第１
増幅回路、３９……シユミツトトリガ回路、４１
……Ｆ／Ｖコンバータ、４２……割算回路、４３
……ゲート回路。

Claims

【特許請求の範囲】

１渦検出センサよりの渦信号を信号変換する信
号変換回路と、該信号変換回路からの信号の高周
波及び低周波ノイズを低減させるフイルタ回路
と、該フイルタ回路からの信号を増幅する第１増
幅回路と、該第１増幅回路からの信号をパルス信
号に変換するコンパレータと、該コンパレータか
らの信号をその周波数に比例した直流電圧に変換
するＦ／Ｖコンバータと、前記信号変換回路から
の信号を増幅する第２増幅回路と、該第２増幅回
路からの信号を検波する検波回路と、該検波回路
からの信号のリツプル分を除去する整流回路と、
該整流回路からの信号を前記Ｆ／Ｖコンバータ回
路からの信号で割算する割算回路と、前記第１増
幅器からの信号が前記コンパレータの設定トリガ
レベルまで達しなくなつた場合に、前記割算回路
の出力を０とするゲート回路とを具備し、前記整
流回路の時定数と前記Ｆ／Ｖコンバータの整流回
路の時定数とをほぼ同じにし、かつ前記渦信号の
ビート周波数より大なるようにしてなる質量流量
計。