JPH0553368B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はリング渦流量計、特に超音波送受信
器を渦周波数検出部として正確に流速・流量を測
定する流量計に関する。

［従来の技術］ 適当な速さで流れている流体中に柱状物体を置
くと、物体の左右両側から交互に反対向きの渦、
すなわちカルマン渦が発生する。この渦の単位時
間当りの発生数（以下、渦発生周波数という）は
流体の流速に比例している。したがつて被測定流
体の流れる管内に渦発生体を配置して、発生した
渦の渦発生周波数を検出することにより被測定流
体の流速・流量を測定することができる。この原
理を利用した流量計は例えば特開昭56−22963号
公報に開示されている。

第６図は上記公報に示された従来のリング渦を
利用した流量計の概略構成を示し、第６図におい
て１は風胴１３内に配置したリング状の渦発生
体、１４は熱線風速計、１５は渦発生体１を風胴
１３の中央に保持するワイヤ、１６は錘りであ
る。

上記のように構成した流量計の動作を渦発生体
１を断面して示した第７図を参照して説明する。

風胴１３内にリング状の渦発生体１と垂直方向
の流体が流れると、渦発生体１の後方にリング渦
列が発生する。このリング渦列により第７図の領
域Ａで示す渦発生体１の後方で安定な流速変動又
は圧力変動が測定可能な部分と、領域Ｂで示す渦
発生体１の後方中央で最も安定な流速変動又は圧
力変動の測定に適した部分を形成する。この領域
Ｂに熱線風速計１４を配置して、リング渦列によ
る流速変動又は圧力変動を測定し、渦発生周波数
を検出して測定流体の流速・流量を測定する。

上記流量計はリング状の渦発生体１を使用する
ことにより広い範囲でより安定した渦を発生させ
ることができ、このため柱体の渦発生体を使用し
た流量計に比べて流速・流量の測定精度を高める
ことができる。特に軸対称の流速分布を有する円
管内を流れる流体の流速測定においては、リング
状の渦発生体１を等流速度の流体中に設置するた
め周波数と位相のそろつた安定な渦が発生して、
円周方向の平均的な流速を測定できる。したがつ
て流速測定にあたり流速分布の乱れの影響を受け
にくいという利点がある。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら上記従来のリング渦流量計におい
ては渦発生体１の後方中央部の流体変動又は圧力
変動が最も安定する領域Ｂに例えば熱線風速計１
４からなる渦周波数検出装置を配置するため、そ
の保持構造が複雑となり信頼性、保守性に劣ると
いう問題点があつた。

また、流速変動、圧力変動を安定に検出できる
領域Ｂが限定されているため、流れの乱れの影響
を受け易く正確な流速・流量の測定が不可能とな
る場合があるという問題点があつた。

また、例えば熱線風速計１４をリング渦列内に
配置するため、リング渦列の周期性を乱して正確
な流速・流量の測定が困難となる問題点があつ
た。

また、熱線風速計１４は流速変動に対する感度
が良いため、流速変動信号以外に乱流成分信号も
検知し、したがつてＳ／Ｎ比が悪くなるという問
題点があつた。

さらに、熱線風速計１４は熱線部が断線し易
く、信頼性、耐久性に劣るという問題点もあつ
た。

この発明はかかる諸問題点を解決するためにな
されたものであり、正確に流速・流量が測定する
ことができるリング渦流量計を得ることを目的と
するものである。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係るリング渦流量計はリング状渦発
生体と一組の超音波受信器からなる渦周波数検出
部とを備えている。

リング状渦発生体は流体の流れる管路内部に、
管路軸と垂直に配置してある。また、一組の超音
波受信器はリング状渦発生体後方を超音波ビーム
が管路軸となす角θが45°θ85°の範囲で斜め
に透過するように管路の対向する位置に配置して
ある。

［作用］ この発明においては、リング状渦発生体によつ
て生じる軸対称の渦に超音波ビームを斜めに透過
することにより、超音波信号がリング渦列による
変調を受けることができる。

また、超音波ビームと管路軸とのなす角θの範
囲を45°θ85°とすることにより、超音波信号
はリング渦列の内・外側の渦輪が通過する毎に一
周期の正弦波状の変調を受ける。したがつて、こ
の変調を受けた超音波信号から渦発生周波数を検
出することにより上記問題点を解決することがで
きる。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示す断面図であ
り、第１図において１はリング状の渦発生体であ
り、渦発生体１は被測定流体の流れる管路２内
に、管路軸Ｘと垂直になるように支持部６で固定
している。３は超音波送信器、４は超音波受信器
であり、超音波送・受信器３，４は超音波ビーム
が管路軸Ｘと角度θをなして渦発生体１の後方を
透過するように管路１の対向する位置に配置して
ある。なお、この実施例では超音波送・受信器
３，４の送・受信部は被測定流体に接するように
管路１内部に設けてある。５は管路１内に流体が
流れると渦発生体１の後方に発生するリング渦
列、７は被測定流体の流れ方向である。

上記のように構成したリング渦流量計の動作を
説明するにあたり、まずこの実施例の原理を説明
する。管路２内に矢印７方向に被測定流体を流す
と、リング状渦発生体１の後方には軸対称なリン
グ渦列５が発生する。このリング渦列５は内側と
外側の渦輪が180°の位相差でなく、かつ流速ベク
トルは渦輪の外側より内側の方が大きく形成され
る。第２図は主流上からリング渦列５を観察した
場合の渦列の流速ベクトル図である。

一般に渦発生体がリング状渦発生体１でない場
合には、渦は渦発生体の左右側面から交互に発生
するので、超音波ビームを管路軸に対して垂直に
透過すれば流速変動を検出することができて渦発
生周波数を検出することができる。

しかし、広い範囲で安定した渦を発生させるた
めに、リング状渦発生体１を使用すると第２図に
示すようにリング渦列５が軸対称となるため、超
音波ビーム８を管路軸Ｘに垂直に透過すると流速
変動の影響が軸対称の左右渦輪によつて打消され
てしまい、渦発生周波数の検出が不可能となる。

しかしながら、リング渦列５に超音波ビーム８
を管路軸Ｘに対し角度θをなすように斜めに透過
することにより、リング渦列５の軸対称性を利用
して、リング渦列５の内・外側の渦輪が通過する
毎に１周期の正弦波状の変動を超音波ビームで検
出することができる。

第３図は超音波ビーム８と管路軸Ｘとのなす角
θを変化させた場合の超音波ビーム８によるリン
グ渦列の検出波形、第２図を示した流速ベクトル
図より求めた波形図であり、第３図においてａは
角度θが45°、ｂは角度θが65°、ｃは角度θが85°
の場合を示す。第３図に示すように角度θが45°
θ85°の範囲で正弦波状の波形を得ることが
できて、超音波による渦発生周波数の検出が可能
となり、特に角度θが65°付近では振幅の大きい
正弦波となり、渦発生周波数は最も検出が行い易
くなる。

以下、この実施例により被測定流体の流速又は
流量を検出する場合の動作を第４図に示したブロ
ツク図に基いて説明する。

管路２内に被測定流体を流すことによりリング
状渦発生体１の後方に軸対称のリング渦列５を発
生させる。この状態で発振器９にて超音波送信器
３を駆動してリング渦列５超音波信号をに送信す
る。一方この超音波送信器３の駆動と同時に発振
器９から位相比較器１１に基準電気信号が送られ
る。

リング渦列５に送信された超音波信号はリング
渦列５の速度変調成分により変調され、変調され
た超音波信号は超音波受信器４で受信されて電気
信号に変換される。このリング渦列５によつて変
調された電気信号が増幅器１０で増幅された後、
位相比較器１１に送られる。この変調された電気
信号と発振器９から送られた基準電気信号とが位
相比較器１１で比較されリング渦列５による位相
変調成分が取りだされる。この位相変調成分が周
波数計数器１２に送られて、リング渦列５の渦発
生周波数が計数されて出力信号として送り出され
る。この計数した渦発生周波数により管路２内に
流れる被測定流体の流速又は流量を検出する。

以上説明したように、この実施例によるとリン
グ状渦発生体１後方の管路１の対向する位置に渦
周波数検出部である超音波送・受信器３，４を配
置して流路内に渦周波数検出部を挿入しないた
め、渦周波数検出部である超音波送・受信器３，
４の取付が容易となり、構造が簡単となり、信頼
性、保守性の向上を図ると共に、リング渦列５の
周期性を乱すことがなくなる。

また、超音波信号を管路軸Ｘに対して45°θ
85°の角度θで送信するため、渦発生周波数を
高精度で検出することができる。

また、超音波信号により管路２の直径方向の全
行程で被測定流体の流速変動を検出するため、流
れの局部的な乱れの影響を受け難く、かつランダ
ムな流速変化をする乱流成分信号は積分されて微
弱となり、リング渦列５の流速変動は積分されて
大きくなるのでＳ／Ｎ比が良くなり常に正確な流
速・流量を測定することができる。

なお、上記実施例においては超音波送・受信器
３，４の送・受信部が被測定流体に接するように
管路１内部に設けた場合を示したが、第５図に示
すように超音波送・受信器３，４を管路１の外側
に設けることにより送・受信部を被測定流体に接
しないようにしても上記実施例と同様な作用効果
を奏することができる。この場合は、超音波送・
受信器の取付けがより容易となり、耐久性、保守
性をより向上させることができる。

なお、上記実施例においては超音波を超音波送
信器３から超音波受信器４に対して斜めに上流側
に送信する場合について説明したが、超音波を逆
に斜めに下流側に送信しても上記各実施例と同様
な作用効果を奏することができる。

［発明の効果］ この発明は以上説明したように、広い範囲で安
定した軸対称のリング渦列を発生させ、そのリン
グ渦列に超音波ビームを斜めに透過させることに
より変調された超音波信号で渦発生周波数を検出
して流体の流速・流量を測定するから、管路内に
渦周波数検出部を挿入する必要がなくなる。した
がつてリング渦列の周期性を乱すことがなく、精
度良く流速・流量を測定することができる。

また、超音波が管路の直径方向に全行程で流速
変動を検出するため、流れの局部的な乱れの影響
やランダムな流速変化を行なう乱流の影響を受け
難く、かつ渦発生周波数を高精度で検出できるか
らＳ／Ｎ比を良くすることができて正確な流速・
流量を測定することができる。

さらに、渦周波数検出部である超音波送・受信
器を管路に取付けるため、構造が簡単となり耐久
性、保守性の向上を図ることができる効果も有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す断面図、第２
図は第１図に示した実施例におけるリング渦列の
流速ベクトル図、第３図は超音波ビームと管路軸
とのなす角θを変化させた場合のリング渦列の検
出波形図、第４図は第１図に示した実施例のブロ
ツク図、第５図は他の実施例を示す断面図、第６
図は従来例の構成を示す斜視図、第７図は従来例
の作用を説明する断面図である。 １……リング状渦発生体、２……管路、３……
超音波送信器、４……超音波受信器、５……リン
グ渦列、９……発振器、１０……増幅器、１１…
…位相比較器、１２……周波数計数器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体の流れる管路内部にリング状渦発生体を
   管路軸と垂直に配置することにより流体に発生す
   るリング渦列を検出して流体の流速又は流量を測
   定する流量計において、 上記リング状渦発生体後方で、超音波ビームが
   管路軸となす角θが45°θ85°の範囲で斜めに
   透過するように上記管路の対向する位置に配置し
   た少なくとも一組の超音波送受信器からなる渦周
   波数検出部を備えたことを特徴とするリング渦流
   量計。