JPS60198413A - 渦流量計 - Google Patents

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】 本発明は渦流量計に関し、一層詳細には、導管中に柱状
の渦発生体を配設し、流体の流れと並行する渦発生体の
両側面の圧力差を検出し、流量を測定する渦流量計に関
する。

渦流量計は原理上極めて優れた特長を有しているが同時
にいくつかの欠点も持ち合わせている。

第１は、渦の検出が難しいことである。現在までに熱セ
ンサ方式、超音波方式、応力検出方式等各種の方式が使
用されてきているが、それぞれ一長一短があり、未だ決
定的と思われる方式は存在しない。しかし、プロセス用
に限れば、セン号が接液しない、堅牢である、構造が簡
単なためメインテナンスフリーである等の理由により応
力検出方式が主流になりつつある。しかしながら従来の
応力検出方式には外部振動の影響を受けやすいという欠
点があった。

渦流量計の欠点の第２は導管内の流速分布に敏感なこと
である。導管内の流速分布が偏流、旋回流等によって乱
れていると、渦発生体部長手方向の流速が均一にならず
安定した渦列が発生しない。

このため渦流量計の前後には比較的長い直管部が必要と
されており、口径の５０倍程度の前方直管部を要求する
機種もある。

さらに第３の欠点として、渦流量計の検出信号に多くの
雑音成分が含まれているため信号処理が難しいことが挙
げられる。雑音の成分は渦検出方式によって異なるが、
一般に渦周波数より高い高周波成分と低い低周波成分が
各流速域で特徴的に現れ、さらに狭帯域不規則信号とも
呼ばれるフェージング現象が頻繁に発生し、これらが複
雑に合成されるため電気的な信号処理は容易でない。

この様子を第９図（ａｌ、（ｂ）に示す。

−第９図（ａ）はフェージングが発生したもので検出不
可能な状態までレベルが低下した個所がある。

第９図ｆｂｌは低周波成分の雑音が渦波形に重畳された
場合でパルス欠損が起こりやすく信号処理が困難な状態
を示している。このように従来の渦流量計には多くの難
点があった。

本発明はこれらの点に鑑みなされたもので、その目的と
するところは、外部振動の影響を受けにくいとともに、
流れの乱れの影響を受けにくい応力検出方式の渦流量計
を提供し、さらに、本質的に良好な渦波形を得ることに
よって電子装置の簡略化を図ることにある。その特徴は
、カルマン渦を利用した渦流量針において、流体の流れ
る導管中に配設する渦発生体の流体の流れ方向の断面形
状を矩形状とし、前記渦発生体の流体の流れと直交する
方向に感圧部材を挿入するための空洞部を穿設するとと
もに、この空洞部を貫通し前記渦発生体の流体の流れと
並行する両側面を連通ずるスリットを設は導圧孔を構成
し、この導圧孔の空洞部の内径をｄＯ１前記渦発生体の
流体の流れと並行する辺の長さを１１として、０．７１
１＜ｄｏ＜ｔｌの範囲にし、前記感圧部材の外径をｄｌ
とし、０．７ｄＯ＜ｄｉ＜ｄＯの範囲内にし、前記導圧
孔のスリットの幅をｈとして、０．３１１＜ｈ　＜０．
６１１の範囲にし、前記スリットの端部のうち少なくと
も一方が前記導管内周面より外側に位置するようにスリ
ットを延在したところにある。

以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づき詳細に
説明する。

第Ｆ図は本発明の一実施例を示す横断面図である。１０
は被測定流体が流れる導管であり、この導管１０の所定
位置に開口部１２が設けられ、該開口部１２は導管１０
の外周方向に延出する筒状の開口壁１４により形成され
ている。１６は渦発生体であり、開口部１２から挿入す
るようにして導管１０内に配置され、開口壁１４端部か
ら延出するフランジ部１８にボルト２０で固定されると
ともに、開口壁１４との間に若干の間隔２２が設けられ
ている。

前記渦発生体１６は、第２図に示す第１図のＡ−Ａ断面
図のごとく断面形状が矩形状に形成され、その内部には
渦発生体１６の流れと直交する方向に空洞部２４が穿設
されるとともに、感圧部材たる検知管２８が空洞部２４
内壁面と若干の間隙２６が存在するように挿入されてい
る。この検知管２８の一端は管状に形成され、開口して
いる。また、検知管２８の他端部には２つの穴３０が穿
設され、この穴３０に磁歪素子３２を挿入し、接着材３
４を充填し固着することにより歪の検出部を構成してい
る。また、検知管２８の一端部にはフランジ部３６が延
設され、押えフランジ３８を介してポルト４０で渦発生
体１６の一端部に固定されている。

また、前記渦発生体１６の流れと並行する両側面４２Ｒ
と４２Ｌと前記空洞部２４が連通ずるようにスリット４
４Ｒ，４４Ｌを設け、導圧孔４６を構成している。

このように構成した渦流量針において、導管１０内を流
体が流れると、渦発生体１６の後方に規則的なカルマン
渦列が発生し、この渦列の発生と同時に渦発生体１６の
両側面４２Ｒ，４２Ｌの圧力が変化する。この圧力変化
は差圧として検知管２８に作用し曲げ応力を発生させ、
この応力変化を磁歪素子３２が検出し電気信号に変換す
るものである。

次に渦発生体および検知管の形状・寸法などについて説
明する。

渦発生体１６の流れと並行な側面４２Ｒ，４２Ｌの幅を
１１、導圧孔４６のスリット４４．Ｒ，４，４Ｌの幅を
ｈ、その長さをｌ、空洞部２４の内径をｄＯ１検知管２
８の外径を６１、導管１０の内径をＤとする。

渦発生体１６の空洞部２４に挿入される検知管２８は外
径が大きいほど感度は良いが、空洞部２４内での検知管
２８の歪を電気信号として検出するため、空洞部２４内
壁に検知管２８が接触しない程度の間隙２６を形成する
必要がある。また、この間隙２６は、測定流体中のゴミ
等の異物の影響を受けないように考慮して設定する必要
もある。

したがって、空洞部と検知管の関係において上部２つの
相反する条件を満足しなければならない。

そこで、本願発明者らは上記条件を考慮に入れて各種の
実験を行った。第６図はその１つの結果を示す線図であ
り、空洞部２４の内径ｄＯと渦発生体の側面４２Ｒ，４
，２Ｌの幅Ｈとの比ｄｏ／Ｈと、検知管２８の外径ｄ１
と空洞部２４０内径ｄＯとの比ｄｉ／ｄｏの関係におい
て、渦検出の測定可能範囲を示すものである。これによ
るとｄｏ／１１の値に対し測定可能な最低検知管径ｄ１
が存在するとともに、ｄｏ／Ｈの値が１．０に近づくに
つれて測定可能検知管径ｄ１の範囲は拡大する。逆にｄ
ｏ／ｎの値が縮小するとｄｌの範囲が縮小するとともに
、測定可能な最低検知管径ｄ１の値が上昇する。

ここで測定可能最低検知管径ｄｉが存在するのは、本発
明の渦流量計が渦発生に伴う渦発生体の両側面４２Ｒ，
４２Ｌの差圧を検知管２８にて検出する構成であること
に基づく。例えば第５図（ａ）に示すように、空洞部２
４と検知管２８との間隙２６を広く設定した際に、矢印
の方向から圧力が導入されると、空洞部２４の弧状壁４
８に沿って間隙２６内に流体の流れが生じ、これにより
差圧の逃げが発生して感圧能力の低下を招く。また、間
隙２６内の流体の流れにより検知管２８の周囲に渦など
流体の乱れが生し、これがノイズとなって渦検出波形に
影響し測定を不可能とすることがある。

したがって、検知管２８の周囲に生ずる流れの影響を受
けない程度の検知管２８の大きさを必要とし、測定可能
な最低検知管径ｄ１が存在する。

また、第６図において、上記のようにｄｏ／Ｈの値が縮
小方向に変化するとｄｉ／ｄｏの値が上昇するというの
は、次の理由による。つまり、空洞部２４の内径ｄＯが
大きな値では第５図＋ａ）に示すように弧状壁４８が長
く、空洞部２４の内径ｄＱが小さな値では第５図ｆｂｌ
に示すように弧状壁４８が短く形成される。ここで第５
図（ａｌお、よび（ｂ）に示すように矢印の方向から渦
発生に伴う圧力差が導入された際、間隙２６の幅が一定
ならば壁面から受ける粘性抵抗は、弧状壁４８の長いも
のが大きく、弧状壁４８の短いものが小さい。したがっ
て、第５図（ｂ）に示すように、弧状壁４８が短いもの
は、間隙２６内に流体の流れが発生しやすいため、その
流体の流れに伴い渦などの乱れが発生し、渦検出に悪影
響を及ぼす。そのため、空洞部２４の内径ｄＯが小さい
場合は、必然的にｄｉ／ｄｏＯ値を上昇させ、間隙２６
の幅を狭くして流体の流れを抑える必要性がでてくる。

以上の事実を本発明者らは考慮し、空洞部の内径ｄＯ１
検知管の外径ｄ１、渦発生体の流れと並行する辺の長さ
１■として次の最適条件を設定した。

０．７１１＜ｄＯ＜Ｈ Ｏ，７ｄＯ＜ｄｉ＜ｄＯ さらに、本発明者らは、スリットの最適条件を１≦ｇ／
Ｄ Ｏ，３Ｈ＜ｈ　＜０．６Ｈ の範囲に決めた。その理由を以下に述べる。

一般に断面矩形状の渦発生体は直線性が良くない。この
ため特公昭５５−２０１７１号または特公昭５５−２８
４８５号のように渦発生体両側面に連通ずる連通孔を設
は吸い込み、吹き出しを行わせ直線性の向上を図る方法
が知られている。しかしながら本実施例においては、渦
発生体の空洞部２４内に、検知管２８を挿入しであるの
で流体の吸い込み、吹き出しは事実上行われない。つま
り渦発生体両側面に開口部はあるものの実質的に、柱状
の渦発生体と変わりがないのである。

そこで、本願発明者らは、各種実験の結果、スリット４
４Ｒ，４４Ｌの端部の少なくとも一方を０ 導管内周面より外側に位置させることにより、著しく直
線性を改善できることを見い出した。

すなわち、流体の流れにより発生した渦発生体Ｉ６の両
側面４２Ｒ，４２Ｌの圧力差により変位する流体は、例
えば、第１図および第４図に示すように、吸い込み側の
側面４２Ｌのスリット４４Ｌを上昇し、このスリット４
４Ｌ上部から間隔２２へ逃げ、開口壁１４に沿ってもう
一方の側面４２Ｒ方向まで達し、この側面４２Ｒのスリ
ンＩ−４４Ｒの上部で吸い込まれ、続いてスリット４４
Ｒに沿って降下し吹き出される。これら一連の動作は、
導圧孔４６のスリット４４Ｒ，４４Ｌ、空洞部２４と検
知管２８の間隙２６および開口壁１４と渦発生体１６の
間隔２２を通して行われ、結局スリット４４Ｒ，４４Ｌ
の吸い込み、吹き出しをスムーズに行い渦の剥離の助長
および抑制の効果を生じ、直線性の向上が図られる。

したがって、前記スリット４４Ｒ，４４Ｌの端部の少な
くとも一方を導管内周面より外側に位置させればよい。

さらに、一層好適にはスリット４４Ｒ，４４Ｌの長さβ
を導管１０の内径りよりも長く形成することが望ましい
。

また、スリット４４上部の圧力の逃げを効率良くするた
め、スリットの幅りを広げることも考えられる。このこ
とは併せて導圧孔４６への圧力の導入の効率も良いとい
う結果となる。しかしながら、第５図（Ｃ１に示すよう
に弧状壁４８が短くなり、間隙２６内を流体が流れ易く
なり差圧の逃げが生じ感圧能力を低下させる。一方、ス
リットの幅りを狭めた場合は、検知管２８周囲への差圧
の逃げは発生しなくなるが、直線性が低下し、差圧の効
率良い検出が困難となる。

以上実験結果からスリットの最適条件を決定した。

次に上記実施例の動作について説明する。

渦発生体を前記最適条件の範囲内に設定した上記構成の
渦流量計を導管１０内へ配設することにより、渦発生体
１６の周囲を回る流れが強く加速され、渦発生体１６の
後方に交互に規則的なカルマン渦が発生する。このカル
マン渦の発生に伴っ１ て渦発生体１６の流体と並行する両側面４２Ｒ１４２Ｌ
間に圧力差が生しる。この圧力差により、スリット４４
Ｒ，４４Ｌおよび渦発生体１６と開口壁１４の間隔２２
を介して吸い込み、吹き出しが効率良く行われるととも
に、この圧力差がスリンｌ□４４Ｒ，４４Ｌを通して検
知管２８に差圧として作用し曲げ応力を発生させる。こ
の応力変化を磁歪素子３２が検出し電気信号に変換する
。

したがって、渦発生体１６の間隙を通して吸い込み、吹
き出しは行われないが、スリットの長さを長くすること
により実質的に同様の作用を成し、直線性が向上すると
ともに、被測定流体が偏流や旋回流などによって乱れて
いてもカルマン渦が安定して発生する。

すなわち各種の実験によって吸い込み、吹き出しはカル
マン渦を安定に発生させる効果のあることは公知の事実
となっているが、本発明のように擬似的な吸い込み、吹
き出しであっても同様の効果が得られるのである。

また、検知管２８が渦発生体１６に内設してい　９ ２ るため、流れの抗力の影響を受けることがないとともに
、渦発生体１６の両側面４２Ｒ，４２Ｌの差圧が検知管
２８に効率良く作用するため、安定で良好な渦検出波形
（第７図参照）を得ることができる。さらに、検知管２
８の一端が筒状に形成しているため固有振動数が高くな
り高速領域まで計測できる一方、検知管２８の一端の質
量も小さくすることができるので外部振動の影響も受け
にくい等の作用効果がある。

また、検知管２８は渦発生体内部に位置するため摩耗の
おそれがないのでアルミニウムなど軽量の材料を用いて
も良く、また筒状の一端のみを薄肉のパイプを溶着する
など種々の軽量化が図れるため、耐振動特性を更に向上
させることができる。

この点において従来の渦発生体の応力を直接検出する方
式ではこのような対策がとれないため本発明とは性能上
極めて大きな差が生じるのである。

上記実施例では、渦発生体１６の断面形状を矩形状に形
成したが、これは加工が容易であるとともに、前後どち
らの方向からの流れであっても測４ 定することができ、また直線性、渦検出波形も良好であ
る等優れた特徴を有している。また、渦発生体１６のス
リット４４Ｒ，４４ｔの面積が大きく形成されているた
め被測定流体に含まれている異物により詰まることもな
い。

なお、上記実施例において、検知管の検出部を構成する
磁歪素子に替えて、圧電素子やストレートゲージ等の歪
検出センサを用いるようにしても良い。

第８図＋ａ）、　（ｂ）は本発明の渦流量計の優れた特
性を示す一例で配管条件を変えた場合の実験データであ
る。

第８図（ｂｌは第８図６１１に示すように、本発明の渦
流量計５０をエルボ５２の直後に取り付けた場合の器差
変化を示したものであり、このような悪条件下において
も器差変化は微少で使用可能であることを示している。

このようにして本発明によれば導管内に配置された渦発
生体の流体と並行する両側面の差圧を極めて安定した良
好な渦検出波形として検出することができ、また被測定
流体の乱れの影響を受けることもない。さらに、渦流量
計の前後の直管部を短くすることも可能であるなどの著
効を奏する。

以上本発明の好適な実施例を挙げて種々説明してきたが
、本発明が上述した実施例に限定されることなく、例え
ば、渦発生体の断面形状が必ずしも矩形状でなく六角形
などの多角形でもよ（、発明の精神を逸脱しない範囲内
で多くの改変を施しうろことはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す横断面図、第２図は第
１図のＡ−ＡｌＪｉ面図、第３図は渦発生体の一部を示
す側面図、第４図は第１図のＢ−Ｂ断面図、第５図（ａ
ｌ、　（ｂｌはそれぞれ空洞部の内径を大きく設定した
場合と小さく設定した場合の、第５図（Ｃ１はｈを大き
く設定した場合の渦発生体と検知管の状態を示す断面説
明図、第６図は空洞部の内径と検知管の外径の比の測定
可能範囲を示す線図、第７図は本発明の渦流量針による
検出波形を示す。 第８図（ａｌはエルボ直前に本発明の渦流量計を設け５ た説明図、第８図（ｂｌはその結果を示す線図である。 第９図（ａｌ、　（ｂ）は渦流量計における検出困難な
検出波形を示す。 １０・・・導管、１２・・・開口部、１４・・・開口壁
、１６・・・渦発生体、１８・・・フランジ部、２０・
・・ボルト、２２・・・間隔、２４・・・空洞部、２６
・・・間隙、２８・・・検知管、３０・・・穴。 ３２・・・磁歪素子、３４・・・接着剤。 ３６・・・フランジ部、３８・・・押えフランジ、４０
・・・ボルト、　４２Ｒ，４２Ｌ・・・側面、　４４Ｒ
，４４Ｌ・・・スリット。 ４６・・・導圧孔、４８・・・弧状壁、５０・・・渦流
量計、５２・・・エルボ。 特許出願人 株式会社　長野計器製作所 代表者　溝　呂　木　雅　之 ７ ６ Ｋ　棚　塾

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ■、カルマン渦を利用した渦流量計において、流体の流
   れる導管中に配設する渦発生体の流体の流れ方向の断面
   形状を矩形状とし、前記渦発生体の流体の流れと直交す
   る方向に感圧部材を挿入するための空洞部を穿設すると
   ともに、この空洞部を貫通し前記渦発生体の流体の流れ
   と並行する両側面を連通ずるスリットを設は導圧孔を構
   成し、この導圧孔の空洞部の内径をｄｏ、前記渦発生体
   の流体の流れと並行する辺の長さをＨとして、０．７Ｈ
   ＜ｄｏ＜１１の範囲にし、前記感圧部材の外径をｄｌと
   し、０．７ｄＯ＜ｄｉ＜ｄｏの範囲内にし、前記導圧孔
   のスリットの幅をｈとして、０．３１１＜ｈ　＜０．６
   Ｈの範囲にし、前記スリットの端部のうち少なくとも一
   方が前記導管内１周面より外側に位置するようにスリッ
   トを延在したことを特徴とする渦流量針。