JPH0612281B2

JPH0612281B2 - 質量流量計

Info

Publication number: JPH0612281B2
Application number: JP12045086A
Authority: JP
Inventors: 真一大木; 一造伊藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1986-05-26
Filing date: 1986-05-26
Publication date: 1994-02-16
Anticipated expiration: 2009-02-16
Also published as: JPS62276413A

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、下流に渦列となって流れることが
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、渦発生体によっ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物体の流速や流量を
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。また測定流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３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に作用する平均抗力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。

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.7
9，P.87 21クッタジュ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（但し、St：ストロハル数、ｄ：渦発生体２の直径、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４図
（航空宇宙工学便覧P.205 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ρV²
／V＝ρＶなる質量流量を求めることについても、流量
計測ハンドブックP.344 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５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は圧電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によって封着
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６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で挾まれた部分で第１の圧電センサ46aを形
成し、電極44aと45aで挾まれた部分で第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46a,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５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はカルマン渦を発生さ
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
立軸を挾んで逆方向の応力変化が発生する。この渦発生
体2a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。したがって第
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Ｖ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＝K₂ρV² (5) ただし、K₂は比例定数よって、演算回路12aでなる演算を行えば、その出力E_oは、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、E_oは、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Ｅ_ｏは、となり、流体の密度に比例した信号を得ることができ
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E_L，抗力
F_D及び渦周波数出力（体積流量）F_VはＦ＝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_P ；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 ；定数したがって、 (6)式におけるK₃はとなる。

ここにおいて、変動揚力F_Lを検出する第１，第２の圧電
センサ46a,47aは、絶縁材3aで渦発生体2aに、測定流体
に近く一体に取付けられている。したがって、測定流体
の温度に直接影響を受ける。このため、装置の温度特性
に問題を生じ、また、高温の測定流体は測定することが
できない。また、腐食性測定流体の影響を受けやすく、
耐腐食性において問題がある。

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、温度特性が良好で、高温の測定流体ま
で測定でき、耐腐食性の良好な質量流量計を提供するに
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、本発明は、受力体に交番力
として作用するカルマン渦信号を利用して変動揚力と渦
周波数とを検出して質量流量を測定する質量流量計にお
いて、測定流体の流れる管路と、該管路に直角に挿入され一端
が管路に固定され他端が管路外に配置されカルマン渦に
よるトルクを受ける受力体と、該受力体の他端に一端が
接続され他端が前記管路に接続されて該受力体の他端側
の外側に該受力体と同心状に設けられ前記管路の外に配
置されたトルクチューブと、該トルクチューブに設けら
れ前記トルクを検出するトルク検出器とを具備したこと
を特徴とす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、測定流体が流れると、カルマン渦
が発生する。このカルマン渦により、受力体にトルクが
作用する。このトルクはトルクチューブを介してトルク
検出器において、電気信号として検出される。この電気
信号を演算処理すれば、質量流量が測定できる。

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)は平面図である。

図において、１は測定流体の流れる管路、２は管路１に
直角に挿入されカルマン渦によるトルクを受ける受力体
である。３は受力体２と管路１との間に設けられたトル
クチューブである。４はトルクチューブ３に、受力体２
をはさんで対向して配置されたストレインゲージであ
る。５はトルクチューブ３に取付けられた測温体であ
る。

第２図は第１図の電気回路６（第１図に図示せず）のブ
ロック図である。

61はひずみ検出回路で、ストレインゲージ４で検出した
ひずみを検出する回路である。62は第１増幅回路で、ひ
ずみ検出回路61からの信号を増幅する。63は整流検波回
路で、第１増幅回路62からの信号を整流検波する。64は
フィルタ回路で、ひずみ検出回路61の出力に含まれる低
周波あるいは高周波のノイズを除去する。65は第２増幅
回路で、フィルタ回路64からの出力を増幅する。66はシ
ュミットトリガー回路で、第２増幅回路65からの交流電
圧を一定レベルのパルス信号に変換する。67はF/Vコン
バータで、シュミットトリガー回路66からのパルス信号
をその周波数に比例した直流電圧に変換する。68は割算
回路で、整流検波回路63とF/Vコンバータ67の出力に所
望の演算を施し、その出力に流体の密度又は質量流量に
関連した信号を取り出す。71は温度変換回路で、測温体
５の検出信号を電気信号に変換する回路である。72は温
度補正回路で、温度変換回路71からの信号によって割算
回路68からの信号を温度補正し、出力信号E_oとして出力
する。

以上の構成において、トルクチューブ３に生ずる応力τ
は、 τ；トルクチューブに生ずる剪断力Ｔ；〃〃トルク Z_t；〃のねじり断面係数 ρ；流体の密度Ｖ；流体の流速Ｌ；受力体２に作用する揚力Ｄ；トルクチューブの外径ｄ；〃の内径トルクチューブ３上のストレインゲージ４で検出される
ひずみ出力は、(1)〜(3)式を用いて、Ｒ；ストレインゲージの抵抗 K_G；ゲージファクター σ_１；トルクチューブに生ずる主応力 (＝τmax) Ｅ；〃〃のヤング率質量流量ρｖを第２図に示す回路演算処理によりρv²÷
ｖにて求めるとすれば、出力E_o（∝ρｖ）は、 K_T；流体温度ＴのときのＫファクター f_v；渦周波数したがって、出力E_oは、(5)式により求めることができ
る。

次に(5)式において、流体温度をｔ、流量係数をK_MゲージファクターK_Gの温度
係数をα、トルクチューブ３のヤング率Ｅの温度係数を
β、トルクチューブ３、管路１の線膨張係数をγとすれ
ば、出力E_oは、となり、出力E_oの温度誤差ΔE_oは、温度係数（α−β−
６γ）をもつことになる。

そこで、測温体５により、検出部の温度を測定し、第２
図に示す如く、回路演算処理により温度補正を行えば、
更に精度の良好な装置を得ることができる。

而して、トルクチューブ３により測定流体より距離を離
してトルクが測定できるので、測定流体の温度の影響を
比較的受けず、温度特性が良好で、高温の測定流体まで
測定でき、測定流体が腐食性の高い流体であっても、そ
の影響を受けないものが得られる。

この結果、温度特性が良好で、高温の測定流体まで測定
でき、耐腐食性の良好な質量流量計が得られる。

なお、前述の実施例においては、トルク検出器としてス
トレインゲージ４を用いた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、圧電素子でもよく、要
するにトルクを測定できるものであればよい。

（発明の効果）以上説明したように、本発明は、受力体に交番力として
作用するカルマン渦信号を利用して変動揚力と渦周波数
とを検出して質量流量を測定する質量流量計において、測定流体の流れる管路と、該管路に直角に挿入され一端
が管路に固定され他端が管路外に配置されカルマン渦に
よるトルクを受ける受力体と、該受力体の他端に一端が
接続され他端が前記管路に接続されて該受力体の他端側
の外側に該受力体と同心状に設けられ前記管路の外に配
置されたトルクチューブと、該トルクチューブに設けら
れ前記トルクを検出するトルク検出器とを具備したこと
を特徴とする質量流量計を構成した。

この結果、トルクチューブを利用して、測定流体より距
離が離れた位置でトルクが容易に測定できるので、測定
流体の温度の影響を比較的受けず、温度特性が良好で、
高温の測定流体まで測定でき、測定流体が腐食性の高い
流体であっても、その影響を受けないものが得られる。

したがって、本考案によれば、温度特性が良好で、高温
の測定流体まで測定でき、耐腐食性の良好な質量流量計
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

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)は平面図、第２図は第１図の電気回路
のブロック図、第３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４図は抗力係数の説明図、第５
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６図は第５図の部品説明図である。１……管路、２……受力体、３……トルクチューブ、４
……ストレインゲージ、５……測温体、６……電気回
路、61……歪検出回路、62……第１増幅器、63……整流
検波回路、64……フィルタ回路、65……第２増幅回路、
66……シュミット回路、67……F/Vコンバータ、68……
割算回路、71……温度変換回路、72……温度補償回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受力体に交番力として作用するカルマン渦
信号を利用して変動揚力と渦周波数とを検出して質量流
量を測定する質量流量計において、測定流体の流れる管路と、該管路に直角に挿入され一端が管路に固定され他端が管
路外に配置されカルマン渦によるトルクを受ける受力体
と、該受力体の他端に一端が接続され他端が前記管路に接続
されて該受力体の他端側の外側に該受力体と同心状に設
けられ前記管路の外に配置されたトルクチューブと、該トルクチューブに設けられ前記トルクを検出するトル
ク検出器とを具備したことを特徴とする質量流量計。