JPS5855816A

JPS5855816A - 渦流量計

Info

Publication number: JPS5855816A
Application number: JP56155947A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Tamura; 田村　久; Yoshiji Fukai; 深井　吉士; Ichizo Ito; 伊藤　一造; Kenichi Yoshioka; 吉岡　賢一; Takehiro Sawayama; 沢山　武弘; Toshio Aga; 阿賀　敏夫; Kenta Mikuriya; 健太御厨
Original assignee: Yokogawa Electric Corp; Yokogawa Hokushin Electric Corp; Yokogawa Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1981-09-30
Filing date: 1981-09-30
Publication date: 1983-04-02
Also published as: JPS6047531B2

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】本発明は、カルマン渦を利用して流体の流速または流量
を測定する渦流量計に関する。

流体中に物体を置くと、物体の雨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、単位時間当シの渦の生成数（渦周波数）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
の生成による揚力変化を渦発生体（ｔたは受力体）に設
けた圧電素子、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た後信号変換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。ところでこ
の種の渦流量針においては、ポンプなどにより励起され
る配管振動等の外乱振動による影響を受け、特に低流速
時の８／Ｎ比が悪化するという欠点が６つ九〇すなわち
外乱振動が加わると、渦発生体（ｔたは受力体）が振動
するとともに、管路に取付けた変換器等の搭載物も振動
する。渦発生体（または受力体）が振動するとその質量
分布等に基づく曲げモーメントが渦発生体（ｔたは受力
体）に作用し、また搭載物が振動すると管路歪みが生じ
、この歪みに工って４ｂｉｌｌ１発生体（ｔた社受力体
）に−げモーメントが作用する。その結果センナには、
渦の揚力に基づく曲げモーメントによる信号成分に、渦
発生体（ｔたは受力体）の振動に基づく―げモーメント
によるノイズ成分と、管路歪みに基づく曲げモーメント
によるノイズ成分とが重畳されて検出される。このため
従来は渦発生体（または受力体）の振動によるノイズ成
分と管路歪によるノイズ成分の和が小さい点を実験的に
求めて、その点にセンサを取付ける等の対策がなされて
いるが、両ノイズ成分の大きさおよび位相差が外乱振動
の加速度と周波数によってそれぞれ独立に変化し、両ノ
イズ成分の和の小さい点も外乱振動の加速度の大きさと
周波数の値によって変化するため、充分表効果を上げて
いない０本発明は、渦発生体（また社受力体）に設けるセンサ部
の任意の２点において、渦発生体（または受力体）の振
動によるノイズ成分の比と、管路歪みによるノイズ成分
の比がそれぞれ外乱振動の加速度および周波数に関係な
く一定であることに着目し、２個のセ／すを両ノイズ成
分の比が実質的に眸しい２点に配置して各々信号変換し
た後演算することによって、外乱振動による影響を有効
に除去し、８／Ｎ比ＯＪＬ好な渦流量針を実現したもの
である。

第１図は本発明渦流量計の一実施例の外観図で、０）は
正面図、←）は側面図であり、第２図はその検出部を断
藺で示す構成説明図、第３図は本発明渦流量計の一実施
例を示す電気的接続図である。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
１３ａはノズル１２にネジまたは溶接により固定され、
下端１３ｂは管路１１に支持されている。渦発生偉邪の
測定流体と接する部分１３ｃ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１３ａ側には凹部１
３ｄを有してい石。

１４はセンナ部で、渦発生体１３の凹部１３ｄ内に第１
の圧電センサ１４ａと第２の圧電センｔ１４ｂとが一定
間隔おいて抑圧固定されている。センサ部１４において
、ステンレス等の下敷１４ｃは第２の圧電センサ１４ｂ
と凹部１３ｄの底面とのバッファの役目をし、凹部１３
ｄ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（Ｄスペーサ１４ｄとセラミッ
ク等の絶縁板１４ｅおよびステンレス等の第２のスペー
サ１４ｆは第１の圧電センナ１４ａと第２の圧電センサ
１４ｂ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１４ｇはセンナ１４ａ、　１４ｂ
を押圧した状態で渦発生体１３の上端１３ａ　％Ｃ溶接
され、センサ１４ａ、　１４ｂを押圧固定するものであ
る。なおセンナ部１４は渦発生体１３に下敷１４ｃと押
し棒１４ｇの上部のみで接触するようになっている。圧
電センサ１４ａ、　１４ｂは円板状の圧電素子ｐｚから
なし、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ｐｚには第４図（イ
）の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ｄ１．　ｄ２．　ｄ３．　ｄ４が設けられ、
かつ第４図←）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って中立軸を挾んで互いに
逆方向に発生する応力（圧縮応力と引張応力）Ｋ対応し
て電極ｄ□、ｄ２間に生ずる電荷と、電極ｄ３．ｄ４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（ハ）Ｋ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ストレスによって発生
する電荷量は電極間でキャンセルされて出てこす、また
流れ方向の配管振動によって発生する電荷量も電極間で
互いにキャンセルされて出てこない。第１の圧電センサ
１４ａは電極ｄ１．ｄ２問および電極ｄ３．ｄ４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
性の電荷をキャンセルするために、電極ｄ１とｄ３とが
押し棒１４ｇを介して共通に渦発生体１３す々わち基準
点に接続され、電極ｄ２とｄ４とがスペーサ１４ｆを介
して共通にリード線６１に接続されている。第２の圧電
センサ１４ｂは電極ｄ工、ｄ２間および電極ｄ３．ｄ２
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ャンセルして、かつｑよとは極性を
反転させるために、電極ｄ１とｄ３がスペーサ１４ｄを
介して共通にリード線ｅ２に接続され、電極ｄ２とｄ４
とが下敷１４ｃを介して共通に渦発生体１３すなわち基
準点Ｋｍ続されている。リードＩＩｅ□、−２はセンサ
部１４の各部品に設けられた貫通孔およびノ・−メチ、
クシール１４ｈ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１３ｄとセンサ部１４で囲まれ
た部分には結露切土のために、露点の低いガスが封入さ
れており、押し棒１４ｇ　Ｋは封入ガス用の連通孔１４
１が設けられている。またセンサ部１４の各部品の厚さ
および材質Ｌ１温度変化により初期押しつけ応力に変化
が生じないように決定されている。

渦流量計変換器２０は、２個の変換増幅器２１．２２と
、これら変換増幅器２１．２２の出力の加算を九は減算
を行う演算器２３と、変換器２０を管路１１に固定する
ためのブラケット２４とを有している。変換増幅器２１
（２２）としては、演算増幅器ｏｐ□（ＯＰ２）と、Ｏ
Ｐ　（ＯＰ　）の帰還回路に接続されたコンデンサ　　
　　２Ｃ１（Ｃ２）と抵抗Ｒ工（Ｒ２）の並列回路からなるチ
ャージアンプが示されており、演算増幅器Ｏｐ１の反転
入力端子（→にリード１１が接続され、演算増幅−ＯＰ
２の反転入力端子（−）にリード線ｅ２が接続されてい
る。演算器２３は、抵抗Ｒ３により帰還が施され九演算
増幅器ｏｐからなり、ＯＰ３の反転入力端子←）に演算
抵抗Ｒ４を介して加えられる変換器２１の出力電圧ｅ１
と、抵抗Ｒ５と可変抵抗Ｒ６の直列回路を介して加えら
れる変換増幅器２２の出力＠２との加算を行うものが示
されている。

このように構成した本発明渦流量針の動作を第５図を参
照して以下に説明する。渦発生体１３は、管路１１内に
測定流体が流れると、カルマン員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１３が
揚力を受けると、センナ部１４に揚力による曲げモーメ
ントＭＹが作用し、その内部には第５図にＳで示す如き
ほぼ直線の応力分布が生ずる。なお第５図における応力
値は圧電センサで検出した場合の電荷量の値で示しであ
る。

を六員発生体１３はポンプ等によシ励起される外乱振動
によっても渦の揚力と同方向の力を受ける０この外乱振
動による力には、渦発生体１３の振動によるモードと、
搭載物の振動に基づく管路歪みによるモードがあり、セ
ンサ部１４にはそれぞれのモードによって曲げモーメン
トＭα１ｔ　Ｍα２が作用する。センサ部１４の内部に
は、渦発生体１３の振動によるモーメントＭ：ｔ１の作
用によって第５図にａで示す如き曲線の応力分布が生じ
、管路歪みによるモーメン）Ｍ、Ｔ２の作用によって第
５図にｂで示す如きほぼ直線の応力分布が生ずる。その
結果センサ部１４の圧電セイサ１４ａ、　１４ｂに検出
される電荷ｑ工。

ｑ２には、それぞれ渦の揚力による信号電荷に、渦発生
体の振動によるノイズ電荷と管路歪みによるノイズ電荷
とが重畳されてお９、渦の揚力による信号電荷の振幅を
Ｓ□（’、Ｉ）、　５２（−ｊ＋）　、渦発生体１３の
振動によるノイズ電荷の振幅をＡ□（ω’）、Ａ２（・
）Ｉ’）、管路歪みによるノイズ電荷の振幅をＢ１（ｏ
　＋）、　Ｂ２（’・１）とすると次式でそれぞれ与え
られる０ｑ１−ｉ９１（ω）ｓｉｎ’＋＋ｔ＋Ａ１（ω＋　）６
１ｎω’ｔ＋Ｂ１（ωす８ｉｎ（ｂ＋　’ｔ＋ｉ（ω　
つ）　　　　（１）ｑ２ＩＩＩＩＳ２（ｌすｓｉｎ　・
、ｔ＋Ａ２（１４＋’　）８１ｆｂ＋＋菅ｔ＋Ｂ２（、
，１’）Ｓｉｎ（ｒ、＋　’　ｔ＋ｄ（ｔａ’　））　
　　　　（２）ただし、　ω：信号電荷の角周波数 ω１：ノイズ電荷の角周波数ｄ（６１’）：ノイズ電荷間の位相差（１）式および（２）式において、信号電荷の振幅８ｘ
　Ｇ）Ｊ　）　ｔＳ２（ω）は渦の揚力すなわち渦周波
数によってそれぞれ変化する。またノイズ電荷の振幅Ａ
□（０戸）。

Ａ２　Ｃｏ戸）、　Ｂ１（ω’）ｐ　Ｂ２（ｚ＋’）　
　ｋよヒ位相差ｔ＜ω’＞　４外乱振動の加速度および
周波数によってそれぞれ変化するが、振幅の比Ａ２（Ｗ
’）／Ａ□（ｒす’）およびＢ２Ｃｏｚ”　）　／　Ｂ
よ（ｒｒ戸）は外乱振度の加速度および周波数の影響を
受けず一定であり、しかも第５図に示すように渦発生体
１３の振動によるノイズ電荷の分布曲線ａと、管路歪に
よるノイズ電荷の分布線すとが交叉する２点が存在し、
圧電センナ１４ａ、　１４ｂ　Ｏ取付は位置ｙ点とＮ点
においては次式の関係を満足する。

そして（３）式を満足する２点の組合せは種々あり、例
えば第６図に示すように、管路歪みによるノイズ電荷の
分布線すと傾きの異る分布＠ｂ＋、ｂ”　　と渦発生体
１３の振動による分布曲線ａとが交叉するＭ′点とＮ１
点およびＭ”点とＮｌ１点であってもよい。なお渦発生
体の振動による応力分布曲線は、渦発生体１３およびセ
ンサ部１４の材質、形状１寸法によって第７図のａｌｔ
ＩＬ２．Ｂ３に示すように変化するが、（５）式の関係
を満足する２点は必ず存在する。第７図においては、応
力分布曲線ａ１．ａ２．ａ３を生ずるセンサ部１４の寸
法りはそれぞれＬｌ、Ｂ２．Ｂ３と異っている（Ｌ□＜
Ｂ２〈Ｂ３）が、説明を簡便にするため基準寸法り。に
換算して示しである。また管路歪みによる応力分布線は
搭載物の重さ等によっても第８図のｂ□、Ｂ２．Ｂ３に
示すように変化するがＭ点とＮ点における振幅の比Ｂ２
□（′ｄ′）ｌＢ□□（ωＩ）、Ｂ２２（０１１）ｌＢ
１２（ω’）、　ｎ２３（ｒ、、＋’）ｌＢ１３（ａ＋
’）　　は等しいので、搭載物の重さ等が変っても（５
）式は成立する。

圧電センナ１４ａの出力電荷ｑ□は変換増幅器２１に加
えられ、圧電センサ１４ｂの出力電荷ｑ２は反転されて
変換増幅器２２に加えられ、それぞれ交流電圧ｅ□ｔ　
Ｂ２に変換された後演算器２３に加えられる。演算器２
３は、ｅ工ｔ　Ｂ２を加算し、その出力ｅ３は次式で与
えられる。

変換増幅器２１．２２のゲインをに工、に２とすると、
（１）式および（２）式から０３は次式の如くなる。

（５）式において、Ａ２（・！ｌ１）ｌＡ１（ｃ・戸）
およびＢ２（０重）ｌＢ□（ｅｒ戸）は（３）式の関係
を満足するように選ばれているので、可変抵抗Ｒ６を調
整して、Ｒ４Ｎ２１−□・　λ−−〇Ｒ５＋Ｒ６に１（６）を満足させれば、演算器２３の出力ｅ３は、となり、外
乱振動によるノイズの影響を有効に除去できる。その結
果本発明によればＳ／Ｎ比を、圧電センサを１個用いた
従来の渦流量計に比して１０倍以上改善できた。

なお上述では、変換増幅器２１の出力ｅ１と変換増幅器
２２の出力ｅ２を演算器２３で加算する場合を例示した
が、圧電センサ１４ａ、　１４ｂの出力電荷ｑ１ｙ　ｑ
２のノイズ成分が同相の場合には演算器２３で減算すれ
ばよ２い。ま九上述では圧電センサ１４ａ、　１４ｂの
出力電荷を利用する場合を例示したが、出力電圧を利用
してもよい。この場合変換増幅器２１．２２としてはチ
ャージアンプの代りに電圧増幅器が用いられる。また上
述では圧電センサ１４ａ、　１４ｂとして反転分極した
圧電素子を用いる場合を例示したが、反転分極しない圧
電素子を用いてもよい。この場合圧電素子を左右に分割
し、一方を裏返しにして取付けて実質的に反転分極形に
してもよいし、また館１の圧電センサ１４ａと押し棒１
４ｇの間および第２の圧電センサ１４ｃの間にそれぞれ
絶縁板を設け、かつ圧電素子ｐｚの電極ｄ１とｄ３およ
び電極ｄ２とｄ４を各々結線し、かつ電極ｄ□とｄ３と
にそれぞれリード線を接続すればよい。また第１．第２
の圧電センナを押し棒によって渦発生体の凹部内に押圧
固定する場合を例示し九が、ガラス等で封着固定しても
よい。を九上述では渦発生体の凹部を上端側に設ける場
合を例示したが、下端側にも設け、上端側の凹部に第１
の圧電センナを、下端側の凹部に第２の圧電センサを配
置するようにしてもよい。

また渦流量計検出器１０として本実施例では、渦発生体
１３の凹部１３ｄ内にセンサ部１４を設ける場合を例示
したが、渦発生体１３の下流側に渦の生成による揚力を
受ける受力体を設け、受力体の凹部内にセンサ部を設け
てもよい。々お、センサ部のセンサとしては、圧電セン
サに限らず、ストレンゲージ、容量やインダクタンス等
必要に応じて種々のセンナを用いることができる。えだ
し圧電センナを用いる場合にはセンサ部に曲げモーメン
）Ｋよって生ずる応力変化を直接検出できる利点がある
。

以上説明したように本発明においては、渦発生体（また
は受力体）の振動によるノイズの比と、管路歪みによる
ノイズの比とが実質的に等しい２点に、２Ｉｌのセンサ
を配置してその出力を各々信号変換した後演算するとと
Ｋよって、外乱振動による影響を有効に除去しているの
で、Ｓｉｘ比の良好な渦流量計が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明渦流量計の一実施例の構成説明図、第２
図はその検出器部分の断面図、第３図は本発明渦流量針
の一実施例を示す電気的接続図、第４図は本発明に用い
る圧電センサの一例を示す構成説明図、第５図〜第８図
は本発明渦流量計の動作を説明するための特性曲線であ
る。１０・・・渦流量計検出器、１１・・・管路、１３・・
・渦発生体、１３ｄ・・・渦発生体の凹部、１４・・・
センサ部、１４ａ・・・第１の圧電センサ、１４ｂ・・
・第２の圧電センサ、２０・・・渦流量計変換器、２１
．２２・・・変換増幅器、２３・・・演算器。７３１図（イ）５ｍ２図帛３図（ロ）応力３第６因

Claims

【特許請求の範囲】

（１）測定流体が流れる管路と、この管路に取付けられ
測定流体にその流速に応じたカル１ン渦を生成させる渦
発生体と、この渦発生体に設けた凹部内に固定された第
１．第２のセンナと、第１センサよりの信号が加えられ
る第１の変換増幅器と、第２のセンサよりの信号が加え
られる第２の変換増幅器と、第１の変換増幅器の出力と
第２の変換増幅器の出力とを加算または減算する演算器
とを有し、前記第１のセンサと第２のセンサは外乱振動
に基づ〈渦発生体の振動によるノイズの比と外乱振動に
基づく管路歪によるノイズの比とが実質的に等しくなる
２点に配置したことを特徴とする渦流量計。
（２）測定流体が流れる管路と、この管路に堆付けられ
測定流体にその流速に応じたカル１ン渦を生成させる渦
発生体と、この渦発生俸囮より生成されたカルマン渦が
作用する受力体と、との受力体に設けた凹部内に固定さ
れた第１．第２のセンナと、第１のセンサよりの信号が
加えられる第１の変換増幅器と、第２のセンサよりの信
号が加えられる第２の変換増幅器と、第１の変換増幅器
の出力と第２の変換増幅器の出力とを加算または減算す
る演算器とを有し、前記第１のセンナと第２のセンサは
外乱振動に基づく受力体の振動によるノイズの比と外乱
振動に基づく管路歪によるノイズの比とが実質的に畔し
く表る２点に配置したことを特徴とする渦流量計。