JPH10142018A - 渦流量計 - Google Patents

渦流量計

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JPH10142018A
JPH10142018A JP8296301A JP29630196A JPH10142018A JP H10142018 A JPH10142018 A JP H10142018A JP 8296301 A JP8296301 A JP 8296301A JP 29630196 A JP29630196 A JP 29630196A JP H10142018 A JPH10142018 A JP H10142018A
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JP
Japan
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force
force receiving
pressure seal
vortex
vortex flowmeter
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JP8296301A
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Tadashi Nishihara
正 西原
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 揚力に対する感度が良好で、高静圧下でも安
定に信頼性良く渦信号を検出でき、S/N比が良好で、
安価な渦流量計を提供する。 【解決手段】 測定流体が流れる測定管路に挿入された
渦発生体を具備しカルマン渦により受力体に作用する交
番力を検出して流量を測定する渦流量計において、前記
受力体と該受力体が接合する前記測定管路の少なくとも
接合部分とが最初から一体に作り出された本体ユニット
と、前記測定管路と前記受力体の2個所の接合部分の少
なくとも一方の該受力体の周囲に形成された薄肉円環状
の圧力シール支点体と、前記受力体に取付られ該圧力シ
ール支点体が前記測定流体の静圧により変形するのを防
止出来るように該圧力シール支点体の薄肉円環の面に一
面が接して該圧力シール支点体をバックアップするバッ
クアッププレートとを具備したことを特徴とする渦流量
計である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、揚力に対する感度
が良好で、高静圧下でも安定に信頼性良く渦信号を検出
でき、S/N比が良好で、安価な渦流量計に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】図16は、従来より一般に使用されてい
る従来例の構成説明図で、例えば、特開平3−0206
18号(特願平1−033256号)に示されている。
10は流体が流れる管路、11は管路10に直角に設け
られた円筒状のノズルである。
【0003】12はノズル11とは間隔を持って管路1
0に直角に挿入された台形断面を持つ柱状の渦発生体で
あり、その一端はネジ13により管路10に支持され、
他端はフランジ部14でノズル11にネジ或いは溶接に
より固定されている。15は渦発生体12のフランジ部
14側に設けられた凹部である。
【0004】この凹部15の中には、その底部から順に
金属製の第1コモン電極16、圧電素子17、電極板1
8、絶縁板19、電極板20、圧電素子21がサンドイ
ッチ状に配列され金属製の押圧棒22でこれ等は押圧固
定されている。さらに、電極板18からはリ−ド線2
3、電極板20からはリ−ド線24がそれぞれ端子A、
Bに引き出されている。
【0005】圧電素子17、21は、各圧電素子17、
21の紙面に向かって左側と右側とがそれぞれ逆方向に
分極されており、同じ方向の応力に対して互いに上下の
電極に逆極性の電荷を発生する。
【0006】圧電素子17に発生した電荷は、電極板1
8と接続された端子Aと、台座16を介して接続された
管路10との間に得られ、圧電素子21に発生した電荷
は電極板20と接続された端子Bと、押圧棒20と接続
された管路10との間に得られる。
【0007】この2個の電極板18、20に発生した電
荷は図17に示すように電荷増幅器25、26に入力さ
れる。電荷増幅器25の出力と、電荷増幅器26の出力
をボリウム27を介した出力とを、加算器28で加算し
て流量信号を得る。この流量信号は、例えば電流出力に
変換されて、2線を介して負荷に伝送される(図示せ
ず)。次に、以上のように構成された渦流量計の動作に
ついて図18と図19を用いて説明する。
【0008】流体が管路10の中に流れると、渦発生体
12に矢印Fで示した方向にカルマン渦による振動が発
生する。この振動により渦発生体12には図18(a)
に示すような応力分布とこの逆の応力分布の繰返しが生
じ、各圧電素子17、21には図18(a)に示す渦周
波数を持つ信号応力に対応した電荷+Q、−Qの繰返し
が生じる。なお、図18においては説明の便宜のため電
極板18或いは21を紙面に対して左右に2つに分割
し、かつ上下の一方の電極は台座16あるいは押圧棒2
2に相当するものとしてある。
【0009】一方、管路10にはノイズとなる管路振動
も生じる。この管路振動は流体の流れと同じ方向の抗
力方向、流体の流れとは直角方向の揚力方向、渦発
生体の長手方向の3方向成分に分けられる。このうち、
抗力方向の振動に対する応力分布は第18図(b)に示
すようになり、1個の電極内で正負の電荷は打ち消され
てノイズ電荷は発生しない。また、長手方向の振動に対
しては図18(c)に示すように電極内で打ち消されて
抗力方向と同様にノイズ電荷は発生しない。
【0010】しかし、揚力方向の振動は信号応力と同一
の応力分布となりノイズ電荷が生じる。そこで、このノ
イズ電荷を消去するために以下の演算を実行する。圧電
素子17、21の各電荷をQ1、Q2、信号成分をS1
2、揚力方向のノイズ成分をN1、N2とし、圧電素子
17、21で分極を逆とするとQ1、Q2は次式で示され
る。 Q1=S1+N1 −Q2=−S2−N2
【0011】ただし、S1とS2、N1とN2のベクトル方
向は同じである。ここで、圧電素子17、21の信号成
分とノイズ成分の関係は図19(この図は揚力方向のノ
イズと信号に対する渦発生体の曲げモ−メントの関係を
示す)に示すようになっているので、図17に示すよう
に圧電素子17側の電荷増幅器25の出力を加算器28
で加算する際にボリウム27と共にN1/N2倍して圧電
素子21側の電荷増幅器26の出力と加算すると、 Q1−Q2(N1/N2) =S1−S2(N1/N2) となり管路ノイズは除去される。
【0012】しかして、第1コモン電極16、圧電素子
17、電極板18、絶縁板19、電極板20、圧電素子
21は、凹部15に押圧棒22で押圧固定されている。
ここで渦発生体12と第1コモン電極16、圧電素子1
7、電極板18、絶縁板19、電極板20、圧電素子2
1、押圧棒22との温度膨脹を等しくしておけば、測定
流体温度が変化しても、初期の押付け力は変化しないの
で、問題は無い。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この様
な装置においては、高静圧の測定流体にも使用出来る様
にするには、高耐圧機構が必要となり、構造も複雑にな
り高価なものとなる。また、測定信号も小さくなり、S
/N比が悪くなる。また、管路10と渦発生体12との
間に隙間があり、ごみ等が挟まると、測定信号の大きさ
が突然変わってしまい、信頼性に問題がある。
【0014】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、揚力に対する感度が良好で、高静
圧下でも安定に信頼性良く渦信号を検出でき、S/N比
が良好で、安価な渦流量計を提供するにある。
【0015】
【課題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、 (1)測定流体が流れる測定管路に挿入された渦発生体
を具備しカルマン渦により受力体に作用する交番力を検
出して流量を測定する渦流量計において、前記受力体と
該受力体が接合する前記測定管路の少なくとも接合部分
とが最初から一体に作り出された本体ユニットと、前記
測定管路と前記受力体の2個所の接合部分の少なくとも
一方の該受力体の周囲に形成された薄肉円環状の圧力シ
ール支点体と、前記受力体に取付られ該圧力シール支点
体が前記測定流体の静圧により変形するのを防止出来る
ように該圧力シール支点体の薄肉円環の面に一面が接し
て該圧力シール支点体をバックアップするバックアップ
プレートとを具備したことを特徴とする渦流量計。 (2)前記受力体の一端に一端が接続されたフォースバ
ーと、該フォースバーの他端と前記測定管路との間に設
けられた圧電素子とを具備したことを特徴とする請求項
1記載の渦流量計。 (3)前記受力体の一端に接続され両端が前記測定管路
に固定された歪板と、該歪板に設けられた歪ゲージとを
具備したことを特徴とする請求項1記載の渦流量計。 (4)前記測定管路に溶接固定され前記受力体と該受力
体が接合する前記測定管路の近傍接合部分のみとからな
り高級材料からなる本体ユニットを具備したことを特徴
とする請求項1又は請求項2又は請求項3記載の渦流量
計。 (5)前記受力体自体の振動による誤差の発生を防止す
るように前記圧力シール支点体より外側の前記受力体に
設けられたカウンターウエイトを具備したことを特徴と
する請求項1又は請求項2又は請求項3又は請求項4記
載の渦流量計。を構成したものである。
【0016】
【作用】以上の構成において、測定流体の流れに直角に
置かれた渦発生体の下流には、流速に比例した周波数の
渦が発生する。この渦発生によって、渦圧力が誘起さ
れ、受力体は流れと直角方向に交番揚力を受ける。この
交番揚力の周波数を測定することにより、測定流体の流
速、ひいては、測定流体の流量が測定出来る。以下、実
施例に基づき詳細に説明する。
【0017】
【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施例の要部構
成説明図、図2は図1の側断面図、図3は図2のA−A
断面図、図4は図2のB−B断面図である。
【0018】31は、受力体32と、受力体32が接合
する測定管路33の少なくとも接合部分とが、最初から
一体に作り出された本体ユニットである。この場合は、
測定管路33の接合部分のみだけでなく、測定管路33
全体と受力体32とが一体に作り出されている。
【0019】34は、測定管路33と受力体32との2
個所の接合部分の、少なくとも一方の受力体32の周囲
に設けられた薄肉円環状の圧力シール支点体である。こ
の場合は、2個所の接合部分に圧力シール支点体34が
設けられている。圧力シール支点体34は、例えば、測
定管路33と受力体32との一体鋳物から切削により容
易に作ることが出来る。
【0020】35は、受力体32に取付られ、圧力シー
ル支点体34が測定流体FLoの静圧により変形するのを
防止出来るように、圧力シール支点体34の薄肉円環の
面に一面が接して、圧力シール支点体34をバックアッ
プするバックアッププレートである。
【0021】36は、バックアッププレート35に一端
が接続されたフォースバーである。この場合は、バック
アッププレート35とフォースバー36は一体構成に作
られている。
【0022】37は、フォースバー36の他端と、測定
管路33との間に設けられた圧電素子である。この場合
は、圧電素子ベース38を介して、測定管路33に接続
されている。39は、圧電素子37の信号を処理する電
子回路である。
【0023】以上の構成において、測定流体の流れFLO
に直角に置かれた渦発生体の下流には、流速に比例した
周波数の渦が発生する。この渦発生によって、渦圧力が
誘起され、受力体32は流れと直角方向に交番揚力Fa
を受ける。
【0024】受力体32は、圧力シール支点体34によ
って支えられている。これを、材料力学的に示すと、図
5の如くなる。受力体32は、圧力シール支点体34に
支えられた両端支持梁である。
【0025】交番揚力Faを受けた梁は図6に示すよう
に変形する。フォースバー36の先端の変位を圧電素子
37で受け止めると、圧電素子37に交番力が発生し、
渦周波数に等しい信号が得られる。
【0026】而して、図7に示す如く、圧力シール支点
体34は、中心部分が受力体32に剛的につながってお
り、静圧pによって圧力シール支点体34に加わる力Σ
pは、受力体32に生じる力F1と圧力シール支点体3
4の外周部に生じる力fによって支えられる。即ち、F
1+f=Σpとなる。
【0027】受力体32が圧力シール支点体34が内圧
pによって生じる力を支えることになるので、図8に示
す如く、圧力シール支点体34の強度は、幅b、厚さt
の分布荷重を受ける薄板の強度となる。受力体32の両
端を、圧力シール支点体34に固定することにより、受
力体32を圧力シール支点体34が受ける力を支える部
材として使用できる。
【0028】ここで、回転剛性の小さな支点を作るため
には、圧力シール支点体34は、肉薄の円輪を作らねば
ならないが、内圧が高い静圧の場合に薄すぎると破壊す
る。本発明では、図9に示す如く、バックアッププレー
ト35を利用して耐圧強度の大きな圧力シール支点体3
4を実現した。
【0029】圧力シール支点体34の薄肉円環の外径を
1、内径をd、バックアッププレート35の外径をD2
とする。D2とdで形成される円環に加わる圧力は、バ
ックアッププレート35が受けるので、圧力シール支点
体34に加わる曲げにかかわる圧力は、(D1−D2)/
2=Cが形成する円環に加わる圧力になる。
【0030】Cは小さくすれば、耐圧は増加する。交番
揚力Faが加わると、圧力シール支点34は、図10に
示す如く、回転しなければならないが、回転に関与する
薄肉の長さ(幅)はCではなく、(D1−d)/2=e
であり、回転剛性を小さくする事が出来る。従って、耐
圧を確保しつつ揚力に対する感度を上げる事が出来る。
【0031】受力体32とバックアッププレート35と
の圧力シール支点体34に関する回転は、圧電素子37
で阻止されており、大きな回動をする必要がなく、バッ
クアップ機構が有効に機能できる。
【0032】なお、フォースバー36の先端は、剛的な
圧電素子37で変位を止められており、受力体32は実
質的に変位しない。従って、圧力シール支点体34に変
位による応力は殆ど発生しない。
【0033】この結果、 (1)柱状の受力体32の周面部と測定管路33との隙
間に、一体構成された圧力シール支点体34が設けられ
たので、高静圧の測定流体FLO中から、受力体32に発
生する交番揚力Faを安定に、信頼性良く、測定管路3
3外に取り出す事が出来る渦流量計が得られる。
【0034】(2)圧力シール支点体34は、中央部は
剛体の受力体32で支えられ、周囲は測定管路33で支
えられているので、高静圧の測定流体FLOに対しても、
薄肉の支点にすることが出来る。
【0035】従って、圧力シール支点体34の回転ばね
定数を、小さく出来るので、受力体32を介して取り出
せる信号を大きく出来、S/N比を大きくする事が出来
る渦流量計が得られる。
【0036】(3)測定管路33の口径が大きくなる
と、静圧によって、圧力シール支点体34の薄肉円輪に
加わる力がおおきくなり、薄肉円輪の肉厚を増さなけれ
ばならなくなる。肉厚を増すと、圧力シール支点体34
の回転ばね定数が大きくなり、揚力に対する感度が下が
る。
【0037】本発明においては、バックアッププレート
35で、圧力シール支点体34をバックアップするよう
にしたので、薄肉円輪の厚さを増す事無く対応すること
が出来る。従って、圧力シール支点体34の回転ばね定
数を小さく保ことが出来揚力に対する感度の高い渦流量
計が得られる。
【0038】(4)圧力シール支点体34が、測定管路
33の内壁面に形成されているので、測定管路33に
は、隙間、孔等がなく、固形物の堆積、詰まり等の恐れ
がなく、信頼性が高い渦流量計が得られる。特に、サニ
タリープラントに好適な渦流量計が得られる。
【0039】(5)圧力シール支点体34は、測定管路
33と受力体32との一体鋳物から、切削等により容易
に作ることが出来るので、溶接、Oリングシール等の圧
力シール手段、加工が不要となり、安価で確実な圧力シ
ール機構が実現出来る渦流量計が得られる。
【0040】なお、検出センサとして、圧電素子36を
採用すれば、圧電素子36は電源を必要とせず、省エネ
を図ることができる。
【0041】図11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、圧力シール支点体3
4が、1個設けられた渦流量計である。安価に作る事が
出来るが、出力信号は小さくなる。
【0042】図12は本発明の他の実施例の要部構成説
明図、図13は図12の平面図である。図において、4
1は、フォースバー36の他端に接続され、両端が測定
管路33に固定された歪板である。この場合は、歪板ベ
ース42を介して固定されている。43は、歪板41に
設けられた歪ゲージである。
【0043】この場合は、歪板41は、やや厚めの板に
スリット44によって、薄肉の起歪部45が設けられ、
起歪部45に蒸着された歪ゲージ43が形成されてい
る。歪ゲージは、一般的に形成が容易であるため、安価
な渦流量計が得られる。
【0044】図14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、51は、受力体54
と、受力体54が接合される測定管路52の近傍接合部
分55のみとからなる本体ユニットである。本体ユニッ
ト51は高級材料からなり、測定管路52に溶接53固
定されている。
【0045】受力体54の部分に、例えば、耐食材料、
高強度材料、耐熱材料の様な、高級材料を必要とする場
合に、必要最小限部分のみ高級材料で構成することが出
来るので、安価な渦流量計が得られる。
【0046】図15は本発明の他の実施例の要部構成説
明図である。図において、61、62は、受力体32自
体の振動による誤差の発生を防止するように、圧力シー
ル支点体34より外側の、受力体32に設けられたカウ
ンターウエイトである。
【0047】渦による交番揚力と同じ方向に管路振動等
が加えられると、受力体63の質量M1は、M1aの力を
発生する。ここで、aは加速度を表わす。この力は、揚
力と識別できないので、測定値の誤差となる。
【0048】そこで、カウンターウエイト61、62の
質量M2、M3を、圧力シール支点体34より外側に付け
ることによって、受力体32の質量M1が発生する力
と、相殺する力を発生させる事ができる。従って、耐振
動ノイズ特性が向上された渦流量計が得られる。なお、
カウンターウエイト61、62は、図15実施例では、
受力体32の両端に配置されているが、片側に配置され
ても良いことは勿論である。
【0049】なお、前述の実施例においては、渦発生体
と受力体32、54とは別体に構成された渦流量計に付
いて説明したが、渦発生体と受力体32、54とが一体
形の渦流量計にも、本発明は適用されることは勿論であ
る。
【0050】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の請
求項1によれば、 (1)柱状の受力体の周面と測定管路との間に、始めか
ら一体構成された圧力シール支点体が設けられたので、
高静圧の測定流体中から、受力体に発生する交番揚力を
安定に、信頼性良く、測定管路外に取り出す事が出来る
渦流量計が得られる。
【0051】(2)圧力シール支点体は、中央部は剛体
の受力体で支えられ、周囲は測定管路で支えられている
ので、高静圧の測定流体に対しても、薄肉の支点にする
ことが出来る。
【0052】従って、圧力シール支点体の回転ばね定数
を小さく出来るので、受力体を介して取り出せる信号を
大きく出来、S/N比を大きくする事が出来る渦流量計
が得られる。
【0053】(3)測定管路の口径が大きくなると、静
圧によって、圧力シール支点体の薄肉円輪に加わる力が
おおきくなり、薄肉円輪の肉厚を増さなければならなく
なる。肉厚を増すと、圧力シール支点体の回転ばね定数
が大きくなり、揚力に対する感度が下がる。
【0054】請求項1においては、バックアッププレー
トで、圧力シール支点体をバックアップするようにした
ので、薄肉円輪の厚さを増す事無く対応することが出来
る。従って、圧力シール支点体の回転ばね定数を小さく
保ことが出来揚力に対する感度の高い渦流量計が得られ
る。
【0055】(4)圧力シール支点体が、測定管路の内
壁面に形成されているので、測定管路には、隙間、孔等
がなく、固形物の堆積、詰まり等の恐れがなく、信頼性
が高い渦流量計が得られる。特に、サニタリープラント
に好適な渦流量計が得られる。
【0056】(5)圧力シール支点体は、測定管路と受
力体との一体鋳物から、切削等により容易に作ることが
出来るので、溶接、Oリングシール等の圧力シール手
段、加工が不要となり、安価で確実な圧力シール機構が
実現出来る渦流量計が得られる。
【0057】本発明の請求項2によれば、圧電素子は電
源を必要とせず、省エネを図ることができる。
【0058】本発明の請求項3によれば、歪ゲージは、
一般的に形成が容易であるため、安価な渦流量計が得ら
れる。
【0059】本発明の請求項4によれば、受力体に、例
えば、耐食材料、高強度材料、耐熱材料の様な、高級材
料を必要とする場合に、必要最小限部分のみ高級材料で
構成することが出来るので、安価な渦流量計が得られ
る。
【0060】本発明の請求項5によれば、カウンターウ
エイトによって、振動ノイズに基づく力を、相殺する力
を発生させる事ができるので、耐振動ノイズ特性が向上
された渦流量計が得られる。
【0061】従って、本発明によれば、揚力に対する感
度が良好で、高静圧下でも安定に信頼性良く渦信号を検
出でき、S/N比が良好で、安価な渦流量計を実現する
ことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の要部構成説明図である。
【図2】図1の側断面図である。
【図3】図2のA−A断面図である。
【図4】図2のB−B断面図である。
【図5】図1の動作説明図である。
【図6】図1の動作説明図である。
【図7】図1の動作説明図である。
【図8】図1の動作説明図である。
【図9】図1の動作説明図である。
【図10】図1の動作説明図である。
【図11】本発明の他の実施例の要部構成説明図であ
る。
【図12】本発明の他の実施例の要部構成説明図であ
る。
【図13】図12の平面図である。
【図14】本発明の他の実施例の要部構成説明図であ
る。
【図15】本発明の他の実施例の要部構成説明図であ
る。
【図16】従来より一般に使用されている従来例の構成
説明図である。
【図17】図16の変換部の要部構成説明図である。
【図18】図16の動作説明図である。
【図19】図16の動作説明図である。
【符号の説明】
31 本体ユニット 32 受力体 33 測定管路 34 圧力シール支点体 35 バックアッププレート 36 フォースバー 37 圧電素子 38 圧電素子ベース 41 歪板 42 歪板ベース 43 歪ゲージ 44 スリツト 45 起歪部 51 本体ユニット 52 測定管路 53 溶接 54 受力体 55 近傍接合部分 61 カウンターウエイト 62 カウンターウエイト

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】測定流体が流れる測定管路に挿入された渦
    発生体を具備しカルマン渦により受力体に作用する交番
    力を検出して流量を測定する渦流量計において、 前記受力体と該受力体が接合する前記測定管路の少なく
    とも接合部分とが最初から一体に作り出された本体ユニ
    ットと、 前記測定管路と前記受力体の2個所の接合部分の少なく
    とも一方の該受力体の周囲に形成された薄肉円環状の圧
    力シール支点体と、 前記受力体に取付られ該圧力シール支点体が前記測定流
    体の静圧により変形するのを防止出来るように該圧力シ
    ール支点体の薄肉円環の面に一面が接して該圧力シール
    支点体をバックアップするバックアッププレートとを具
    備したことを特徴とする渦流量計。
  2. 【請求項2】前記バックアッププレートの他面に一端が
    接続されたフォースバーと、 該フォースバーの他端側と前記測定管路との間に設けら
    れた圧電素子とを具備したことを特徴とする請求項1記
    載の渦流量計。
  3. 【請求項3】前記バックアッププレートの他面に一端が
    接続されたフォースバーと、 該フォースバーの他端にに接続され両端が前記測定管路
    に固定された歪板と、 該歪板に設けられた歪ゲージとを具備したことを特徴と
    する請求項1記載の渦流量計。
  4. 【請求項4】前記測定管路に溶接固定され前記受力体と
    該受力体が接合する前記測定管路の近傍接合部分のみと
    からなり高級材料からなる本体ユニットを具備したこと
    を特徴とする請求項1又は請求項2又は請求項3記載の
    渦流量計。
  5. 【請求項5】前記受力体自体の振動による誤差の発生を
    防止するように前記圧力シール支点体より外側の前記受
    力体に設けられたカウンターウエイトを具備したことを
    特徴とする請求項1又は請求項2又は請求項3又は請求
    項4記載の渦流量計。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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